[发明专利]酶促水解木质纤维素材料和发酵糖的方法

说明书

发明领域

本发明涉及酶促水解木质纤维素材料和发酵糖的方法。

发明背景

木质纤维素植物材料在本文中也称为原料(feedstock)，其是糖形式的可再生能源，其可被转化为有价值的产物，例如糖或生物燃料，例如生物乙醇。该过程期间，通过(半)纤维素分解酶，原料(例如麦秸、玉米秆、稻壳等)中存在的(木质或半)纤维素被转化为还原糖，接着任选地通过微生物(比如酵母、细菌和真菌)，所述还原糖被转化为有价值的产物例如乙醇。

鉴于(半)纤维素是结晶的并包埋在木质素网中，向还原糖的转化通常是慢的且不完全的。典型地，酶促水解未处理原料产生少于理论量的20％的糖。通过应用化学和热物理预处理，(半)纤维素对(半)纤维素分解酶而言更可及，因而转化更快且产率更高。

来自源于预处理的玉米秆的葡萄糖的典型乙醇产率是40加仑乙醇/1000kg干玉米秆(Badger,P,Ethanol from cellulose:a general review,Trends in new crops and new uses,2002,J.Janick和A.Whipkey(编)ASHS Press,Alexandria,VA)或0.3g乙醇/g原料。基于纤维素的乙醇的最大产率是约90％。

纤维素分解酶(它们中的大多由下述物种产生：比如Trichoderma、Humicola和Aspergillus)在商业上被用来将预处理的原料转化为含有不可溶的(半)纤维素、其制得的还原糖以及木质素的糊状物(mash)。来源于Rasamsonia的热稳定纤维素分解酶已被用于降解木质纤维素原料，这些酶因为它们的热稳定性而众所周知，参见WO2007091231。产生的糊状物被用在发酵中，发酵期间还原糖被转化为酵母生物质(细胞)、二氧化碳和乙醇。以这种方式产生的乙醇被称为生物乙醇。

从预处理的木质纤维素原料生产糖的一般生产中，水解(还被称为液化、预糖化或糖化)典型地在45-50℃的升高的温度和非灭菌条件下的持续6-168小时的方法中进行(Kumar,S.,Chem.Eng.Technol.32(2009)517-526)。在该水解期间，存在的纤维素被部分(典型地30-95％，可取决于酶活性和水解条件)转化为还原糖。在酶被预处理原料中存在的化合物和被释放的糖抑制的情况下，以及为了使热失活最小化，该升高的温度的时间尽可能地降到最短。

水解后的发酵在相同或不同容器中在单独的优选厌氧的方法步骤中发生，其中温度被调至30-33℃(嗜温方法)以适应生长和通过微生物生物质(通常为酵母)生产乙醇。在该发酵方法期间，通过来自水解步骤的仍存在的酶，剩余的(半)纤维素材料被转化为还原糖，同时产生微生物生物质和乙醇。一旦(半)纤维素材料被转化为可发酵糖并且所有可发酵糖被转化为乙醇、二氧化碳和微生物细胞，发酵完成。这可耗费长达6天。水解和发酵的总过程时间通常可达到13天。

这样获得的发酵糊状物由非可发酵糖、非可水解(半)纤维素材料、木质素、微生物细胞(大多通常为酵母细胞)、水、乙醇、溶解的二氧化碳组成。在连续步骤中，从糊状物中蒸馏并进一步纯化乙醇。剩余的固体悬浮物被干燥并被用作例如燃烧燃料、肥料和牛饲料。

WO2010080407建议：在厌氧条件下用纤维素酶组合物处理纤维素材料。除去或排除活性氧物质可改善纤维素水解酶体系的性能。酶组合物对纤维素材料(例如，木质纤维素)的水解可被酶组合物组分的氧化损伤和/或纤维素材料的氧化(例如，通过分子氧)降低。

WO2009046538公开了处理木质纤维素原料植物材料以释放可发酵糖的方法，其中在真空下使用酶促水解方法处理材料，并产生包含降低量的挥发性糖/发酵抑制化合物例如糠醛和乙酸的富糖处理流。除了除去挥发性抑制化合物之外，还除去的其它化合物和/或分子包括氮、氧、氩和二氧化碳。