[发明专利]用于生产生物燃料的集成方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于从木质纤维素材料生产生物燃料的集成方法。

发明背景

木质纤维素是地球上最丰富的生物聚合物。木质纤维素是木本植物和非木本植物如草的主要结构性组分。木质纤维素生物质指由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物生物质。大量木质纤维素残余物由林业、伐木和制浆和造纸业和农业活动(稿秆、秸秆、甘蔗渣、碎干草)和许多农业产业产生。另外，城市废物含有可以视为木质纤维素残余物的部分，如废纸或废纸板、花园废弃物或来自建筑业的废弃木材。归因于高丰度和低价格，木质纤维素残余物是用于生产生物燃料的优选材料。此外，具有生物质生产率的专用木质或草本能源作物赢得作为生物燃料使用的兴趣。

已经广泛地研究了通过微生物发酵从木质纤维素材料中生产生物燃料，尤其乙醇。利用木质纤维素以便微生物学生产生物燃料或生物燃料原料的最大挑战在于木质纤维素材料的复杂性及其抗生物降解性。在木质纤维素中，纤维素(植物干重的20-50%)纤维包埋在半纤维素(20-40%)、果胶(2-20%)和木质素(10-20%)的共价存在的基质中，形成非常抵抗生物降解的结构。另外，半纤维素的糖残基含有取决于生物质的己糖(例如，葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(例如，阿拉伯糖和木糖)的不同混合物。

以高产率将木质纤维素材料预处理成由微生物可利用的糖代表难度最高的挑战之一。需要在将糖聚合物水解成所需微生物可利用的糖单体时所需要的酶的成本方面明显降低成本。另外，从木质纤维素材料经济可行地生产生物燃料需要将这种复杂材料的全部主要糖组分高效转化成生物燃料。生产纤维素乙醇包括两项主要难题：传统的产乙醇生物如啤酒酵母(酵母属(Saccharomyces))或运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)(细菌)不能够利用作为乙醇生产的碳源和/或能源的戊糖。这导致木质纤维素中总糖至乙醇的低效利用。啤酒酵母(酵母属)或运动发酵单胞菌的野生型菌株不能利用木质纤维素中的聚合物糖作为乙醇生产的碳源和/或能源。需要购买用于将糖聚合物水解成单体的酶，但是酶成本目前太高。已经开发了能够利用木糖的基因修饰的啤酒酵母或运动发酵单胞菌菌株，但是尚未证明是足够稳健用于长期大规模操作的。这同样适用于具有纤维素利用能力的基因修饰的啤酒酵母。利用戊糖的产乙醇细菌或非酵母属的其他酵母的确存在，如嗜单宁管囊酵母(Pachysolentan nophilus)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)和休哈塔假丝酵母(Candida shehate)，然而它们的低乙醇耐受性、低稳健性和对抑制作用的高灵敏度已经阻止它们的商业利用。

酶促水解一般在生物燃料生产过程的单独步骤中由购买和实际生物燃料生产过程中之外产生的商业酶进行。

木质纤维素水解物也已经用于生产单细胞油。木质纤维素水解一般已经在供给至生物过程之前通过预处理木质纤维素材料成单体糖来实施。

专利公布US2009217569描述了从各种木质纤维素和其他材料水解物如稿秆、木浆和造纸业残渣、再循环的纤维、城市废物、藻类生物质中生产单细胞油。为了制造生物燃料，包括用水、酸或碱处理来源材料并且使其滤液或沉淀物与产生脂质的微生物接触。专利公布US2009064567描述通过原生藻菌(Stramenopile)，从纤维素材料水解物生产单细胞油用于生物柴油和喷气式发动机生物燃料生产。US20090011480描述通过异养培育的藻类和真菌，从解聚的木质纤维素材料，如稿秆、木材、纸浆、锯木厂废弃物、柳枝稷中生产单细胞油。CN101148630描述通过细菌或真菌从借助蒸气爆炸法获得的小麦、玉米或稻糠半纤维素水解物中生产单细胞油。

另外，在现有技术中已经描述了直接从木质纤维素中的聚合物糖如木聚糖(Fall等人,(1984))或纤维素(Lin等人,(2010))中产生脂质。US2010028484描述从源自基于玉米原料的乙醇生产的副产物，如釜馏物或DDGS中生产单细胞油。

WO2010042842描述通过能够降解木质纤维素中聚合物糖的微生物和至少一个藻类物种的混合培养物，从木质纤维素水解物生产单细胞油。这种培养物以连续有氧和无氧培养方式培育，其中从糖和从无氧发酵产物中产生脂肪酸。然而，这种方法导致从木质纤维素中生产油的低生产效率，因为发酵产物(醇等)被用作脂质生产中的碳源。

WO2010006228描述从木质纤维素中依次生产生物燃料。在第一阶段中，采用能够从木质纤维素水解物中的聚合物糖产生醇的生物进行无氧发酵，在第二阶段，可能含有至少一种发酵产物的使用过的培养基用藻类处理以积累单细胞油。

概述