[发明专利]C1-C2有机酸处理木质纤维素生物质以制造酰化纤维素纸浆、半纤维素、木质素以及糖和糖的发酵

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月23日提交的名称为纤维素分解酶组合物和其用途（Cellulolytic Enzyme Compositions and Uses Thereof）的美国临时申请号61/538,211和2012年4月26日提交的美国临时申请号61/638,544的优先权，各美国临时申请通过引用以其全文结合在此。

联邦赞助研究声明

本发明在政府支持下在能源部拨款号：DE-EE0002870的资助下进行。联邦政府在本发明中拥有某些权利。

发明背景

纤维素和半纤维素向单体糖的水解是商业转化如以下的木质纤维素原料的一种关键前提：玉米秆、玉米纤维壳、大豆壳、小麦秸、甘蔗渣、甜糖用甜菜浆、以及衍生自由多年生禾草（如柳枝稷或芒草）、竹子以及软和/或硬木组成的能源作物的其他植物生物质形式、以及纸浆和废纸残余物。然而，木质纤维素生物质向单体糖的转化给这些单体糖尤其作为用于通过使这些糖发酵来制造如乙醇的产物的原料的经济用途造成许多技术挑战。

这些技术问题之一是水解过程本身。常规地，使用无机酸、与高热量结合的苛刻酸性条件是将一个充足量的纤维素和半纤维素聚合物水解为其有用的单体糖残余物所要求的。不幸的是，此类苛刻条件导致产生对用于发酵的微生物具有毒性的众多副产物，如糠醛、羟甲基糠醛、复合酯、腐黑物以及焦油。此外，这些副产物降低了否则可以获得的单体糖的产率。这些副产物可以通过不同的纯化技术与所释放的单体糖分离，但这些技术增加了成本并且导致有用糖的更低的产率。具有纤维素分解和半纤维素分解活性的酶的不同混合物可以代替酸处理或结合酸处理使用，然而，这些不同的可用酶混合物对于典型木质纤维素生物质中存在的大部分的纤维素和半纤维素来说仍然不提供有成本效益的水解活性。又另一个技术问题是，来自木质纤维素生物质的单体糖制剂包含相对大量的C5糖，如木糖；和一个较少量的衍生自半纤维素的阿拉伯糖、以及C6糖甘露糖和半乳糖。否则可以能够将此类糖用于细胞生长的生物体典型地在以足够经济的量将这些糖转化为所希望的发酵产物方面是低效的。即使基因工程化以利用木糖的酵母菌株也不能够在一个典型发酵过程中积聚乙醇达到多于5%v/v，该产率太低以致不能将乙醇从发酵液中蒸馏出来作为一项经济提议。

因此，在本领域中仍然存在一种需求，即开发一种用于制备具有高品质的木质纤维素生物质的综合方法，该木质纤维素生物质可以在减少毒性副产物的情况下高产率地转化为C5和C6糖原料；以及在发酵方案中利用所提供的C5和C6糖流以获得至少8%v/v的一个组合乙醇产率的方法。

发明概述

如在此所述的方法和由此制造的物质克服了许多前述技术挑战。这些方法包括在初始回合的水解中使用一种温和C₁-C₂有机酸结合一种适合C₁-C₂酸可混溶的有机溶剂，以将酸可溶半纤维素和木质素与一种纤维素纸浆分离。使用该C₁-C₂有机酸导致半纤维素和纤维素酯化，这通过在用一种纤维素分解和半纤维素分解酶的适当混合物使这些部分进一步水解之前或结合该进一步水解进行酶促和/或化学去酯化来克服。在优选实施例中，包括一种酯酶。在该酶促水解中使用一种非离子清洁剂实质上增加了催化转化为适合富集C5和C6糖的糖浆的速率。此外，在分阶段发酵过程中使用其以在发酵液中达到大于8%乙醇产生。

所获得的结果出人意料之处在于，与来自现有技术的公开的理解相反，纤维素向葡萄糖的水解可以在纤维素酶活性无明显抑制的情况下进行，并且超过5%的乙醇浓度在通过在此所述的方法制造的物质中对酶活性并非是不利的。另外，这些方法提供了一种由单子叶植物物种、特别是小麦和玉米秆制造一种可用纤维素纸浆的方式，该单子叶植物物种尚未被涵盖作为可用于代替衍生自木质性更大的物种的纸浆的纤维素纸浆的来源。