[发明专利]木质纤维素水解产物脱毒的方法

说明书

背景技术

许多工业产品通过在培养物中生长的微生物来生产。微生物生长可以由木质纤维素生物质所释放的可溶性糖分子来支持。木质纤维素生物质主要由纤维素(通过β-1,4-糖苷键相连的葡萄糖的聚合物)、半纤维素(由通过各种不同的不同的β连键和α连键相连的五碳(C5)糖和六碳(C6)糖构成的多糖)和木质素(由通过醚键或碳-碳键相连的苯丙烷单元构成的复杂聚合物)构成。在某些情况下，对木质纤维素生物质进行稀酸水解，在此期间半纤维素被水解成单体糖(液体流)，并且纤维素的晶体结构被破坏，便于将来的酶消化(固体纤维)。从纤维素和木质素固体分离出含有C5和C6糖的液体、即所谓的水解产物，并且其可以被发酵成各种产品，例如乙醇。然而，除了糖之外，水解产物还含有脂族酸、酯(乙酸酯)、酚物质(从木质素水解获得的不同化合物)和糖脱水的产物，包括呋喃醛类糠醛和5-羟甲基糠醛(5-HMF)。大多数这些化合物对微生物具有负面影响并且可以抑制发酵。在发酵之前将水解产物脱毒，是为了避免由水解产物中存在的有毒化合物引起的抑制而可以采取的一种措施。

已经试验了各种脱毒方法，其中超施碱石灰(alkaline overliming)是高效和高成本效益的。在超施石灰过程中，通常在高温下，通过添加适量氢氧化钙(石灰)，将水解产物的pH从约2的pH暂时提高到9至10之间的pH。在一段时间、通常为约30分钟后，通过添加酸将水解产物溶液的pH降低到适合于发酵微生物的pH。在所述脱毒过程中，呋喃醛被降解，并且酸(无机酸和有机酸)被中和。

超施石灰已被了解很长时间(Leonard和Hajny，1945,Ind.Eng.Chem.,37(4):390–395)，并且仍被当作是有效的脱毒方法。然而，所述方法的显著缺点是在脱毒期间发生可发酵性糖的相当大量的损失。参见例如Larsson等，1999,Appl.Biochem.Biotechnol.77-79:91-103。可发酵性糖的损失导致可发酵产物例如乙醇的总得率较低。此外，脱毒期间不溶性硫酸钙(石膏)的形成也是有问题的。参见例如Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287–293。石膏形成引起结垢和管线堵塞，这显著抬高了维护成本。为了克服与氢氧化钙相关的问题，已经尝试了将其他碱用于水解产物脱毒目的，并取得了不同程度的成功。参见例如Alriksson等，2005,Appl.Biochem.Biotechnol.121-124:911-922。

因此，对于减少从木质纤维素生物质获得的水解产物中的发酵抑制剂和对所述水解产物进行脱毒的新的改进的方法，存在着需求。具体来说，对于经济上可行并且提供能够以高得率生产乙醇的脱毒的水解产物的脱毒方法，存在着需求。

发明概述

本公开源自于下述发现，即含镁碱(例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁)可以有效地脱毒从木质纤维素生物质获得的水解产物(在本文中有时被称为“木质纤维素水解产物”)，并且所述脱毒过程产生最小的可发酵性糖损失。当在本文中使用时，术语“脱毒”是指从起始木质纤维素水解产物除去一种或多种对发酵微生物有害的化合物(在本文中被称为“毒素”)或使其失活，由此形成脱毒的水解产物的过程。当在本文中使用时，短语“脱毒的水解产物”是指与在本文中被称为“起始水解产物”的用含镁碱处理之前的水解产物中的毒素水平相比，含有较低毒素水平的水解产物。这样的毒素包括但不限于呋喃醛、脂族酸、酯和酚物质。

作为脱毒用碱，含镁碱与氢氧化钙相比提供了显著优点。例如，使用含镁碱脱毒与使用氢氧化钙脱毒相比，引起较少的糖损耗。此外，使用含镁碱脱毒不导致显著推高维护成本的引起结垢和管道堵塞的不溶性副产物的产生。

本公开的水解产物脱毒方法在燃料分子例如乙醇的生产中找到应用。当将水解产物用含镁碱处理历时足以移除或失活一种或多种毒素的时间时，得到的脱毒的木质纤维素水解产物可以被发酵微生物(例如产乙醇菌)更有效地发酵以生产发酵产物例如乙醇。在包含乙醇发酵的示例性实施方式中，由按照本公开生产的脱毒的水解产物产生的乙醇的量，与使用氢氧化钙脱毒的水解产物产生的乙醇量相当(参见实施例5)。