[发明专利]呈现增强的木质纤维素水解产物发酵的改良酵母菌株

说明书

相关申请 

本申请要求于2009年12月30日提交的美国临时专利申请No.61/291,011,于2010年2月24日提交的美国临时专利申请No.61/307,536的优先权,所述每个申请的内容均以引用的方式全文纳入本文。 

技术领域

本发明涉及具有增强的利用木质纤维素水解产物生长和/或发酵能力的新酵母菌株。 

背景技术

植物细胞壁主要由大生物聚合物纤维素、半纤维素、木质素和果胶构成。纤维素和半纤维素构成了一种用于生产可发酵糖的可再生且廉价的重要碳源。纤维素由通过β-1,4糖苷键以直链连接在一起的D-葡萄糖单元构成。半纤维素主要由直链木糖骨架和多个侧链（例如，L-阿拉伯糖、乙酸、阿魏酸等）构成，所述直链木糖骨架包含通过β-1,4糖苷键连接在一起的D-木糖单元，所述侧链通过糖苷键或酯键与所述木糖单元连接。 

术语木质纤维素通常用于描述包含纤维素、半纤维素和木质素的植物来源的生物质。近年，已经非常关注并致力于从含木质纤维素的原料例如农业废料和林业废料生产燃料和化学品，主要为乙醇，原因是农业废料和林业废料成本低并广泛可得。这些农业废料和林业废料通常被燃烧或掩埋；因此，使用这些木质纤维素原料用于乙醇生产提供了代替丢弃的有吸引力的方案。这些原料的另一个优势是木质素副产物——其在所述纤维素转化过程后仍然存在——可用作燃料来代替化石燃料为所述过程提供动力。若干研究已得出结论：当考虑整个生产和消耗循环时，使用由纤维素生产的乙醇产生接近于零的温室气体。 

相比之下，来自诸如玉米淀粉、甘蔗和甜菜的原料的燃料乙醇受到这些原料已经用作人和动物食物来源的限制。使用这些原料的另一缺点是在其转化过程中使用化石燃料。因此，这些过程对减少温室气体仅有有限的作用。 

木质纤维素生物质也已被考虑用于生产除乙醇以外的其它发酵产物。所述产品的实例包括乳酸、山梨醇、乙酸、柠檬酸、抗坏血酸、丙二醇、丁二醇、木糖醇、丙酮和丁醇。 

将木质纤维素原料转化为乙醇或其它发酵产物的第一个化学处理步骤涉及将所述纤维素和半纤维素聚合物水解为糖单体，例如葡萄糖和木糖，其可在后续发酵步骤中被转化为乙醇或其它发酵产物。所述纤维素和半纤维素的水解可用一步化学处理或用温和化学预处理后以纤维素酶酶水解所述预处理木质纤维素的两步法实现。 

在一步化学处理中，使所述木质纤维素原料与强酸或碱在足以将所述原料的纤维素和半纤维素组分水解为糖单体的条件下接触。 

在两步化学-酶水解方法中，首先将所述木质纤维素原料在与浓酸或浓碱水解方法的条件类似但较温和的条件下进行预处理。所述预处理的目的是增加纤维素表面积并将纤维状原料转化为泥状结构，而纤维素到葡萄糖的转化有限。如果用酸进行所述预处理，那么就将所述原料的半纤维素组分水解为木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖。所得到的水解产物——其富于衍生自半纤维素的戊糖——可与固体物分离并用于后续发酵过程以将所述戊糖转化为乙醇或其它产物。如果用碱进行所述预处理，那么所述多糖发生非常少的水解；然而，碱处理会通过与所述半纤维素上存在的酸基团反应而打开所述纤维素的表面。 

在所述预处理步骤后，将所述纤维素用一种或多种纤维素酶例如外纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡萄糖苷酶(β-G)进行酶水解。CBH和EG酶可催化纤维素中β-1,4-D-葡聚糖键的水解。CBH酶例如CBHI和CBHII可作用于纤维素微纤丝中的葡萄糖聚合物的末端并释放纤维二塘，而EG酶可作用在所述纤维素聚合物内的随机位置。综上，所述纤维素酶将纤维素水解为纤维二糖，其转而被β-G水解为葡萄糖。除CBH、EG和β-G酶以外，在所述水解反应过程在还可存在增强预处理的木质纤维素底物的酶降解的其它酶或蛋白，例如木糖酶、β-木糖苷酶、β-甘露聚糖酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶、膨胀因子(swollenin)和膨大素(expansin)。木糖酶的存在可能是有利的，例如，在经预处理的原料中存在大量木糖的情况下。 

如果在预处理和酶水解步骤之间将所述戊糖与固体物分离，那么葡萄糖将是通过酶处理产生的水解产物中主要的糖单体。如果使由所述化学 预处理步骤释放的戊糖带至酶水解步骤，那么水解产物将含有约2:1的重量比的葡萄糖和木糖，其中L-阿拉伯糖为总糖单体的约3-5wt%。将产生的木质纤维素的水解产物（有时称为木质纤维素水解产物）中的己糖和戊糖转化为乙醇或其它产物在后续微生物发酵中进行。