[发明专利]针对在发酵之前改进C5/C6糖释放而对生物质进行的调节

说明书

发明领域

本发明涉及作为一种生物化学乙醇生产工艺的一部分的对木质纤维素生物质进行的调节，特别是在针对半纤维素分解和去除的预处理之前进行的调节。

现有技术背景和说明

对由可再生原料制造的运输燃料有着不断增长的需求。这些可再生燃料取代化石燃料，导致温室气体排放的减少，连同其它益处（1-3）。生物燃料包括燃料乙醇。燃料乙醇是通过将淀粉或纤维素转化为糖类、将这些糖类发酵为乙醇、并且然后对该乙醇进行蒸馏和脱水而由生物质生产的，以创造一种能够全部或部分替代汽油的高辛烷值燃料。

在北美，用于燃料乙醇生产的原料主要是玉米，而在巴西所使用的是甘蔗。使用潜在的食物或饲料植物来生产燃料是有不利之处的。而且，此类原料的可获得性受适合的农业用地的总体可用面积的限制。因此，正在努力从非食物来源（诸如纤维素）以及由不要求主要农业用地的作物（例如芒属）来产生乙醇。纤维素是地球上最丰富的有机物质之一。它以许多形式的生物质存在，包括像玉米秸秆和玉米芯之类的农业残余物、木质残余物以及其他植物材料。纤维素是一种葡萄糖聚合物，正如淀粉一样。然而，从木质纤维素生物质中分离反应性纤维素以及水解为C6糖单体有它的挑战。C6糖的一种非食物来源是木质纤维素生物质。

木质纤维素生物质可以被分类为四种主要类别：（1）木材残余物（锯末、树皮或其他），（2）城市废纸，（3）农业残余物（包括玉米秸秆、玉米芯和甘蔗渣），以及（4）专用能源作物（主要由快速生长的高大的木质草组成，诸如柳枝稷和芒属）。

木质纤维素生物质由三种构成植物细胞壁的主要聚合物组成：纤维素、半纤维素和木质素。仅包含无水葡萄糖（C6糖）的纤维素纤维被锁定在一种半纤维素和木质素的刚性结构之内。木质素和半纤维素类形成化学交联的复合物，这些复合物结合水溶性半纤维素类成为一种三维阵列，由木质素粘合在一起。木质素覆盖了这些纤维素微原纤维，并且保护它们免于酶促降解和化学降解。这些聚合物为植物细胞壁提供了强度和对降解的抗性，这使得使用木质纤维素生物质作为用于生物燃料生产的底物成为一种挑战。

半纤维素类是多糖类，并且包括木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡萄甘露聚糖以及木葡聚糖，它们全部包含许多不同的C5或C6糖单体。例如，除葡萄糖以外，半纤维素中的糖单体可以包括木糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖以及阿拉伯糖。半纤维素类包含那些D-戊糖糖类中的大多数，并且偶尔还含有少量的L-糖类。木糖总是以最大的量存在的糖单体，这是常常依照木糖等效含量表示半纤维素含量的原因，正如将在下面所进一步讨论的。木糖是一种戊醛糖型的单糖，这是指它包含五个碳原子（C5糖），并且包括一个醛官能团。纤维素是晶态的、坚固的、并且抗水解的，而半纤维素具有一种有很小的强度的随机非晶结构，并且容易被稀酸或碱、或被半纤维素酶类水解。

从生物质生产燃料乙醇有两种主要方法：热化学的和生物化学的。热化学工艺将生物质转化为一种称作合成气的反应性气体。在高温高压下，通过一系列催化工艺，合成气被转化为乙醇。生物化学工艺使用称为酶类的生物催化剂来将纤维素成分转化为糖类（C5和C6），然后这些糖类被发酵为乙醇和其他燃料，诸如丁醇。总体上，这些生物化学工艺通过在不同的步骤中对半纤维素和纤维素进行水解，利用了半纤维素和纤维素对水解作用的不同敏感性。

大体上，将木质纤维素生物质生物化学地转化为乙醇涉及五个基本步骤：（1）准备—对目标生物质进行清洁，并针对大小和水分含量进行调整；（2）预处理—将该原料生物质暴露于升高的压力和温度下，持续一个指定的持续时间；利用或不利用催化添加剂以独立于纤维素而单独地水解半纤维素；（3）纤维素水解—使用专用酶制剂以水解经预处理的植物细胞壁多糖类而将经预处理的生物质中的纤维素转化为简单的C6糖类；（4）发酵，由细菌或酵母菌介导，以将这些糖类转化为燃料，诸如乙醇；并且（5）对该乙醇/燃料进行蒸馏和脱水。

某些预处理方法采用化学添加剂，诸如对半纤维素的水解进行催化的酸类，和/或去除木质素的碱类。这些添加剂，连同它们在该预处理工艺期间所产生的那些分解产物中的许多，诸如木质素和一些可溶性木质素衍生物，对酵母是有毒的亦或抑制水解作用，或者两者兼有。此外，所有形式的木质纤维素生物质都具有某种水平的固醇类、脂肪酸类、醚类以及其他也可以具有抑制性的提取物。