[发明专利]从木质纤维素原料生产葡萄糖的改进方法

说明书

本发明涉及从木质纤维素原料(lignocellulose feedstock)生产葡萄糖的方法。更具体地，本发明涉及包括酸预处理和纤维素水解的从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。

技术领域

燃料乙醇目前从诸如玉米淀粉、甘蔗和甜菜的原料中生产。然而，从这些来源中生产乙醇的潜力有限，因为多数适合生产这些农作物的农场已被用作人类食物的来源。另外，从这些原料中生产乙醇对环境有负面影响，因为在转化过程中使用的化石燃料产生二氧化碳和其他副产物。

近年来，从包含纤维素的原料(如农业废料、草和林业废料)中生产乙醇备受关注。其原因是这些废料可广泛而廉价地获得，其在乙醇生产中的应用提供了对焚烧或填埋木质纤维废料的替代选择。另外，纤维素转化的副产物木质素可被用作燃料来替代化石燃料为所述过程提供能量。多项研究得到结论，当考虑整个生产和消耗循环时，使用从纤维素生产的乙醇产生的温室气体接近于零。

木质纤维素原料的三种主要组分是纤维素(占多数关键原料的30％-50％)、半纤维素(占多数原料的15％-35％)和木质素(占多数原料的15％-30％)。纤维素和半纤维素主要由碳水化合物组成，是有可能发酵成乙醇的糖的来源。木质素是不能转化成乙醇的苯丙烷网格结构。

纤维素是以β-1，4连接的葡萄糖的聚合物，这一结构是目的原料中常见的。半纤维素具有更复杂的结构，在原料中各不相同。对于通常的目的原料，半纤维素一般由β-1，4连接的木糖聚合物骨架组成，侧链为1-5个具有α-1，3连接的阿拉伯糖单元，或乙酰基部分，或其他有机酸部分，例如葡糖醛酸基。

将木质纤维素原料转化成为乙醇的第一个处理步骤涉及分解纤维材料。两个主要的方法是酸水解(包括用一步式酸处理来水解所述原料)和酶促水解(包括酸预处理随后进行纤维素酶水解)。

在酸水解方法中，对原料进行蒸汽和无机酸(例如硫酸、亚硫酸、盐酸或磷酸)的处理。温度、酸浓度和酸水解持续时间足以将纤维素和半纤维素水解成其单体组分，它们是来自纤维素的葡萄糖，以及来自半纤维素的木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸。如果使用硫酸，可为浓(25-80％w/w)或稀(3-8％w/w)硫酸。所得的含水浆体包含未水解的纤维(主要是木质素)，以及葡萄糖、木糖、有机酸(主要包含乙酸，但也包含葡萄糖醛酸、甲酸、乳酸和半乳糖醛酸)和无机酸的水溶液。尽管该方法产生乙醇，但由于酸水解过程的非选择性特性，其产量很低。

在酶促水解方法中，所选取的蒸汽温度、无机酸(一般为硫酸)浓度和酸预处理步骤的处理时间要比酸水解方法的更温和。与酸水解方法类似，半纤维素被水解成木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、葡萄糖醛酸、甲酸和半乳糖醛酸。然而，较温和的预处理并不水解大部分纤维素，而是由于纤维原料被转化成了浆状质地而增加了纤维素的表面积。之后，经预处理的纤维素在随后使用纤维素酶的步骤中水解成葡萄糖。

在加入酶之前，酸性原料的pH被调节到适宜酶促水解反应的值。这一般涉及加入碱，至pH为约4至约6之间，该范围是纤维素酶的最适pH范围，尽管如果使用嗜碱性纤维素酶时，pH可更高，而如果使用酸性纤维素酶，pH可更低。用纤维素酶水解之前，最常用于调节酸化的经预处理原料的pH的碱为氨、氢氧化铵和氢氧化钠，但也可考使用虑碳酸盐，如碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠和碳酸氢钠。(见WO 2006/128304，Foody等)。

美国专利No.5,628,830(Brink)公开了使用碳酸钙来调节糖水溶液的pH值的应用，所述溶液含有来自木质纤维素原料酸水解的木糖、葡萄糖、甘露糖和半乳糖。调节糖水溶液pH之后，对所述溶液进行发酵。而Brink的方法应用完全酸水解，也遇到了上文讨论的缺点。

处理木质纤维素原料来生产葡萄糖的一个缺点是在用纤维素酶水解之前，需要用大量的碱来调节酸预处理的原料的pH。碱的加入显著地增加了该方法的成本。此外，碱与酸反应生成盐，必须处理或除去这些盐。

美国专利No.4,425,433(Neves)公开了用碳酸钠或碳酸氢钠中和包含葡萄糖的酸性原料浆，所述浆通过使所述原料的纤维素和半纤维素组分进行酸水解而产生。中和后，发酵酸性浆(或在此称为“麦芽汁”)。然而，这一方法的缺点是pH调节所需的碳酸钠和碳酸氢钠的量会显著地增加所述方法的成本并产生大量的需要除去的盐。