[发明专利]使用来自木质纤维素材料的生物化学转化过程的液体残余物生产酶混合物的方法

说明书

发明领域

本发明涉及生产纤维素和半纤维素酶，尤其是在从纤维素或木质纤维素材料生产乙醇的背景中。

现有技术

自从20世纪70年代，在水解组分多糖为可发酵糖后将木质纤维素材料转化为乙醇已经称为众多研究的焦点。可以研究的实例为来自国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的参考工作 (Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol, Humbird等人, NREL/TP-5100-57764, May 2011)。

木质纤维素材料是纤维素材料，即由多于90重量％的纤维素和/或木质纤维素构成，即由纤维素、半纤维素构成，其为基本上由戊糖类和己糖类以及木质素构成的多糖，其为具有基于酚类化合物的复杂结构和高分子量的大分子。

木材、秸秆和玉米芯是最广泛使用的木质纤维素材料，但其他来源，专用的林木栽培物、产乙醇的糖和谷类作物的残余物、来自造纸工业的产品和残余物以及木质纤维素材料的转化产品也可以使用。它们大部分由约35％-50%的纤维素、20%-30%的半纤维素和15%-25%的木质素构成。

生物化学转化木质纤维素材料为乙醇的方法包括物理化学预处理步骤和随后使用酶混合物(enzymatic cocktail)进行酶促水解的步骤，将释放的糖进行乙醇发酵的步骤（乙醇发酵和酶促水解可能同时进行），和纯化乙醇的步骤。

酶混合物是纤维素分解酶（也称为纤维素酶）和/或半纤维素分解酶的混合物。纤维素分解酶具有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，其后者也称为β-葡萄糖苷酶。半纤维素分解酶具体具有木聚糖酶活性。

酶促水解是有效的且在温和条件下进行。相反的是，酶的成本仍较高，占转化木质纤维素材料为乙醇成本中的20%-50%。为此原因，已进行大量关于降低该成本的研究：首先通过选择高产微生物和通过改进生产所述酶的方法来优化酶生产，随后通过优化预处理步骤，通过改进这些酶的比活性，和通过优化酶促水解步骤的实施来降低水解中酶的量。

在过去的几十年中，大量研究针对于理解酶混合物的作用机制和表达。该目标为通过修饰微生物导致分泌最适合于水解木质纤维素材料的混合物。

最广泛用于工业生产酶混合物的分解纤维素的微生物是真菌里氏木霉(Trichoderma　reesei)。在诱导物碳质底物例如纤维素，存在的情况下，野生菌株具有分泌被认为是最适合于水解纤维素的酶混合物的能力。具有对于水解木质纤维素材料不可或缺的特性的其他蛋白也由里氏木霉所产生，例如木聚糖酶。诱导物底物的存在对于表达纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶是不可或缺的。碳质底物的性质对酶混合物的构成具有相当大的影响。对于木糖的情况正是这样，当木糖伴随有碳质诱导物底物诸如纤维素或乳糖时，可以显著改进称为木聚糖酶活性的活性。

乳糖保持为酶混合物的生产的工业方法中最合适的底物之一；然而，其成本变化巨大，且占大约酶成本价中的三分之一至三分之二。当乳糖用作碳质底物时，酶混合物生产方法依赖于碳的外部来源。为此原因，使用获自生物化学转化木质纤维素材料过程的碳质底物构成了重大进步。

专利申请EP 1 690 944公开了来自于衍生自预处理的木质纤维素材料的以单体形式的半纤维素级分的提取物可用作用于分解纤维素的微生物生长和生产酶的非诱导物碳质底物。在后一种情况下，必须与诱导物碳质底物混合以生产纤维素酶（乳糖或纤维二糖）。

专利申请WO 09 026 716 A1和WO 09 0061486 A1描述了使用含有用于生产纤维素酶的诱导物糖的碳质底物以及碳的主要来源从里氏木霉生产酶混合物。该申请公开了3重量％的诱导物糖足以诱导产生纤维素酶。相比于其中将木糖单独用于生产溶液中的实例，纤维素酶的生产扩大了多于4倍。所描述的诱导物糖为可能由纤维素水解产生的单糖、二糖和寡糖(C₆糖)。碳的主要来源是获自半纤维素或获自合成木糖的包含单糖、二糖和寡糖的总体。