[发明专利]来自糖化生物质分离的纤维素酶再循环

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/798,070的优先权，以引用的方式将其整体并入本文。

背景技术

酶水解是基于生物质生产生物燃料的重要步骤。酶水解省去了对大量酸和中和此酸的需求，但目前商业化纤维素酶的成本较高，并且酶对纤维素和半纤维素聚合物的作用可能较慢。另一方面，虽然水解机制以及各种纤维素酶的结构和功能之间的关系已被广泛研究，酶活性的许多细节仍然知之甚少。

木质纤维素底物的酶水解强烈受到终产物抑制和酶特性的影响。因此，生物质水解与以下因素直接或间接相关：底物可用性、终产物积累和/或在生物质预处理期间或之后产生的酶抑制剂(这阻碍纤维素酶对其各自底物的特异性活性)。对底物的低特异性催化剂活性限制了水解效力。

发明内容

本方法涉及改进纤维素生物质的糖化来生产可转化为有用的下游产物(如生物燃料)的糖。在该方法中，在适于将生物质组分水解成糖的条件下，使生物质与催化剂接触。在一些实施方式中，所述条件包括在高剪切搅拌(high-shearagitation)条件下，使生物质与催化剂接触。在一些实施方式中，在使生物质与催化剂接触以将生物质组分水解成糖之前，使用高剪切磨碎设备(highshearmillingdevice)对生物质进行处理，以产生相对均一的粒径。将得到的水解生物质混合物分离成包含糖的液体流和包含固体的固体流，其中，两相都构成残留酶(residualenzymes)，在本文的实施方式中对其进行说明。在一些实施方式中，在生物质部分水解之后进行分离步骤。在适于将固体组分水解成糖的条件下，将固体进一步孵育，从而生产额外的糖。在一些实施方式中，在约6小时至约24小时内，该方法将生物质中至少80％的葡聚糖转化成葡萄糖。

因此，在一方面，描述了用于从生物质生产糖的方法，所述方法包含：

(a)在适于将生物质组分水解成糖的高剪切搅拌条件下，使所述生物质与催化剂接触，从而产生包含糖的固液混合物；

(b)将所述混合物分离成包含糖的液体流和包含固体的固体流；

(c)在适于将固体组分水解成糖的条件下孵育所述固体，从而生产额外的糖。

在另一方面，描述了用于从生物质生产糖的方法，所述方法包含：

(a)使用包含转子和定子的高剪切/磨碎混合设备对所述生物质进行预处理，其中，所述高剪切/磨碎混合设备在所述转子和所述定子之间具有约0.1毫米至2.2毫米的间隙设置(gapsetting)，从而减小所述生物质中生物质颗粒的粒径；

(b)使所述生物质与催化剂接触以将生物质组分水解成糖，从而产生包含糖的固液混合物；

(c)将所述混合物分离成包含糖的液体流和包含固体的固体流；

(d)在适于将固体组分水解成糖的条件下孵育所述固体流，从而生产额外的糖。

在上述方面的一些实施方式中，生物质包含葡聚糖，且生物质中至少80％的葡聚糖在约6小时至约24小时内被水解成葡萄糖。在一些实施方式中，生物质是木质纤维素生物质。在使生物质与催化剂接触之前，生物质可包含至少约10w/w％的固体。在使生物质与催化剂接触之前，也可对生物质进行预处理。催化剂可包括酶(如水解酶)，或可为非酶催化剂。

在一些实施方式中，高剪切搅拌条件产生如下生物质粒径：其中，至少约80％的颗粒具有约1微米至约800微米、约2微米至约600微米、约2微米至约400微米或约2微米至约200微米的粒径。

在一些实施方式中，使用机械设备、过滤器、膜或切向流过滤设备将混合物分离。机械设备可为离心机、压力机(press)或筛(screen)。

在一些实施方式中，在将混合物分离成液体流和固体流之前，使生物质混合物部分水解不同时间长度。例如，在一些实施方式中，在使生物质与催化剂接触约2小时至约4小时、或约4小时至约6小时后，进行分离步骤。在一个实施方式中，当存在于生物质中的约30％至约60％的葡聚糖转化成葡萄糖时，将生物质混合物分离成液体流和固体流。相较于不包含将混合物分离成液体流和固体流、并在适于将固体组分水解成糖的条件下孵育固体流的步骤的方法，本文所述的方法提高了葡聚糖向葡萄糖的转化量。在一些实施方式中，相较于不包含额外的分离和孵育步骤的方法的葡聚糖转化量，该方法的葡聚糖转化量至少提高10％。

在一些实施方式中，使固体流在适于将固体组分水解成糖的条件下孵育约8小时至约20小时。还可在高剪切搅拌条件下对固体流进行孵育。