[发明专利]使用来自木质纤维材料的生化转化方法的固体残留物生产酶混合物的方法

说明书

发明领域

本发明涉及纤维素酶和半纤维素酶的生产，特别是在从纤维素或木质纤维材料生产乙醇的情况下。

现有技术

1970年代以来，在将组成的多糖水解为可发酵的糖之后，将木质纤维材料转化为乙醇成为了许多研究的焦点。可研究的实例为来自National Renewable Energy Laboratory(Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol，Humbird等人，NREL/TP-5100-57764，2011年5月)的参考工作。

木质纤维材料是纤维素材料，即包含按重量计大于90％的纤维素，和/或木质纤维材料，即由纤维素、半纤维素组成，其是主要由戊糖和己糖和木质素组成的多糖，所述木质素是具有复合结构和高分子量的大分子，由通过醚键连接的芳香醇组成。

木头，麦秆和玉米芯是最广泛使用的木质纤维材料，但是也可使用其它来源，专用森林培养物(cultures forestières dédiées)，产醇的糖和谷物植物的残留物，造纸工业的产物和残留物，以及纤维素和木质素材料的转化产物。它们主要由大约35％-50％的纤维素，20％-30％的半纤维素和15％-25％的木质素组成。

将木质纤维材料转化为乙醇的方法包括：物理-化学预处理步骤，接下来是酶促或化学水解步骤，释放出来的糖的乙醇发酵步骤，所述乙醇发酵和酶促水解可以同时进行，以及回收乙醇的步骤。

经过预处理的材料使用酸途径进行水解，或者使用酶促途径借助于纤维素酶和/或半纤维素酶进行水解。

借助于强酸，特别是硫酸进行的酸途径是有效的，但需要大量的化学产品(酸，然后是用于中和的碱)。酶促水解没有受到这些劣势的困扰：其也在温和的条件下进行并且是有效的。相比之下，酶的价格仍然很高，占木质纤维材料转化为乙醇的成本的30％-50％。由于这个原因，为了减少这项成本进行了许多研究：最初是通过筛选高产菌株并通过改进所述酶的生产方法以优化酶的生产，然后是通过优化预处理阶段或通过改进那些酶的比活性以降低水解中的酶量。

然而，酶量的减少可能导致大部分的纤维素没有转化，包括从酶促水解步骤和/或发酵步骤得到的大量固体残留物的生产。当酶促水解在干物质含量高的情况下进行时，观察到同样的效果；由重量百分比表示的样品的干物质含量是在105℃干燥24小时后获得的样品质量与样品的初始质量的比例。该固体残留物接下来必须重新处理，常规地通过燃烧以产生蒸汽和电，或通过甲烷化以生产沼气。

在过去十年期间，主要研究集中在理解纤维素酶的作用机制和酶的表达，以通过使用分子生物学工具修饰菌株，分泌出最适合水解木质纤维底物的酶混合物。

所述酶混合物是纤维素酶和/或半纤维素酶的混合物。所述酶混合物的酶包括三种主要类型的活性：内切葡聚糖酶，外切葡聚糖酶和纤维二糖酶，纤维二糖酶也被称为β-葡萄糖苷酶。

最广泛用于生产酶混合物的微生物是真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)。在诱导底物(例如纤维素)的存在下，野生菌株具有分泌被认为最适于水解纤维素的酶混合物的能力。里氏木霉还生产具有对于木质纤维材料的水解不可或缺的性质的其他蛋白质，例如木聚糖酶。诱导底物的存在是表达纤维素酶和/或半纤维素酶不可或缺的。含碳诱导底物的性质对酶混合物的组成具有相当大的影响。在使用木糖时就是这种情况，木糖在与含碳诱导底物(诸如纤维素或乳糖)组合时，能够明显改进被称为木聚糖酶活性的活性。

乳糖仍然是生产酶混合物的工业方法中最合适的底物之一；然而，它的成本变化很大，并且占酶成本价格的大约1/3或2/3。当乳糖被作为碳源使用时，酶混合物的生产方法取决于外部碳源。由于这个原因，如果诱导性碳源易于得到，则从木质纤维材料的生化转化方法获得的含碳底物的应用是重大的进展。

专利申请EP1690944A1公开了在醇发酵和乙醇分离之后得到的含水相作为诱导性碳源的用途，和用于纤维素水解微生物培养物的生长和酶的生产。蒸馏塔底部得到的残留物被称为“淤泥”。将其过滤并将可溶生部分用于生产纤维素酶。

专利申请WO09026716A1描述了由包含来自纤维素酶生产的诱导糖的含碳底物开始，从里氏木霉生产酶混合物。该申请公开了以重量计3％的诱导糖足够诱导纤维素酶的生产。所描述的诱导糖是可能通过纤维素水解产生的单糖、双糖和寡糖。