[发明专利]用有机溶剂和臭氧处理生物质以促进酶解糖化

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2008年12月19日提交的暂时申请案61/139106的优先权。该申请以临时申请61/139106全文并入本文。

发明领域

提供并公开了生产易于糖化的富集碳水化合物的木质纤维质生物质的方法。具体地讲，通过在高温碱性有机溶剂条件下同时破碎并选择性萃取木质素、然后使之与包含臭氧的气体接触来制备预处理的生物质。然后，可对预处理的生物质中所剩余的富集碳水化合物的固体进行酶解糖化以获得可发酵的糖类，可进一步加工上述可发酵的糖类以生产其他目标产物。

发明背景

纤维质的和木质纤维质的原料以及垃圾例如农业残余物、木材、林业垃圾、来自造纸业的淤渣、和市政及工业固体垃圾提供了潜力巨大的可再生原料，用于生产化学品、塑料、燃料和饲料。由碳水化合物聚合物(包括纤维素、半纤维素、果胶和木质素)组成的纤维质的和木质纤维质的原料以及垃圾一般用多种化学、机械和酶方法进行处理以释放主要的己糖和戊糖，它们然后能进行发酵产生有用产物。

预处理方法通常被用于使木质纤维质生物质的多糖更容易被纤维素分解酶处理。纤维素酶消化多糖的其中一个主要障碍是存在木质素、限制酶作用于其底物的障碍、以及酶非生产性结合的表面。因为在预处理过程中酶的高成本，希望通过灭活木质素对酶的吸附或者完全萃取出木质素以最小化载酶量。另一个挑战是由于半纤维素和木质素对纤维素的保护或由于纤维素的结晶度导致的酶水解对纤维素的难以接近性。试图克服这些挑战的预处理方法包括：蒸汽爆破、热水、稀酸、氨纤维爆破、碱解(包括氨回收过滤)、氧化去木质素、有机溶剂、和臭氧处理。

公布的PCT专利申请WO 97/36040公开了用有机溶剂浆液漂白的方法，所述方法包括以下步骤：用臭氧漂白获取自有机溶剂制浆过程的粗浆；用低级烷基醇水溶液洗涤臭氧处理后的浆液以除去其中溶解的木质素；以及从洗涤后的浆液中除去水溶液滤液。所述方法还包括在臭氧处理浆液之前用低级烷基醇水溶液洗涤粗浆的步骤。

J.Quesada等人，在Journal of Applied Polymer Science(1998)，68，1867-1876中公开了对得自自动水解玉米秸秆的木质素溶解度的研究，所述研究在不同的有机溶剂-水混合物中以及在不同条件下进行，随后臭氧处理溶剂解离的固体和浆液。有机溶剂处理的最佳条件是75/25(v/v)丙酮/水混合物在210℃处理45分钟。在有机溶剂解离后，在固定床反应器中用臭氧室温处理材料20分钟。在研究中使用之前，自动水解的玉米秸秆如下制备：在环境温度下干燥，在锤磨机中磨碎，用粒度0.2-0.5mm的筛筛过，用7/3(v/v)乙醇-甲苯混合物进行索氏提取(soxhlet-extracted)，用水进行索氏提取，在蒸汽爆破装置中220℃自动水解3分钟，用足量水在环境温度下提取，然后用一升沸水提取。

以前使用的预处理方法的常见缺点包括分开的己糖和戊糖液流、不充分的木质素萃取或不能从多糖、尤其是高木质素含量的那些原料(例如蔗渣、软木)中分离萃取的木质素、废弃产物的处理(例如当中和酸或碱时形成的盐)、以及由于在洗涤步骤中的破坏或损失造成的低碳水化合物回收率。其他问题包括耗能、资本设备和预处理催化剂回收的高成本，以及与糖化酶的不相容。

木质纤维质生物质预处理的主要挑战之一，是使木质素的萃取或化学中和(针对纤维素分解酶的无效结合)最大化，同时使碳水化合物(纤维素加上半纤维素)的损失最小化。能保留下来的碳水化合物越多，在预处理和酶解糖化的组合处理之后的单体糖总收率将越高。

期望一种用于以高性价比方式选择性萃取生物质中木质素以制备富集碳水化合物的生物质的方法。也期望一种用于制备高度易于酶解糖化并能制备高收率可发酵糖(例如葡萄糖和木糖)的、富集碳水化合物的生物质的方法，所述可发酵糖生物转化成增值的化学制品和燃料。

发明概述

本发明提供制备易于糖化的富集碳水化合物的生物质、并且选择性萃取和破碎木质素、同时保留高收率碳水化合物的方法。所述方法包括用溶剂如有机溶剂在高温碱性条件下处理木质纤维质生物质，然后使所述生物质与包含臭氧的气体接触。预处理之后，可进一步用糖化酶聚生体处理所述生物质以生产可发酵的糖类。这些糖类可被呈递至用于生产目标产物的进一步的加工。在本发明的一个实施方案中，提供一种方法，所述方法包括：

(a)提供包含木质素的木质纤维质生物质；