[发明专利]用于酶法转化木质纤维素生物质的方法

说明书

发明领域

本发明涉及来自预处理的木质纤维素原料的可发酵糖和发酵产物的生产。

发明背景

将木质纤维素原料转化成生物燃料或其他化学品具有如下优点，即易于获得大量 原料、避免燃烧或填埋材料的期望性、以及燃料的清洁性。木材、农业残余物、草本作物以及 城市固体废物已被认为是用于生物燃料生产的原料。

木质纤维素原料或木质纤维素生物质的三种主成分是纤维素、半纤维素和木质 素。纤维素是单糖葡萄糖通过β-1,4-键共价连接的一种聚合物。半纤维素是支化聚合物,具 有木糖的β-1,4连接的主链、木聚糖、加共价连接至木糖单元的另外的糖(阿拉伯糖、半乳 糖、海藻糖、甘露糖)。除了糖之外，其他成分例如乙酸、阿魏酸、香豆酸、或葡糖醛酸可以经 由酯键从木聚糖主链出现分支。

典型地，将木质纤维素原料转化成糖涉及预处理随后酶法水解。预处理破坏木质 纤维素材料，这样酶法水解可以有效进行。在一些预处理的条件下，例如烯酸预处理，将大 部分的半纤维素和一些纤维素水解为可发酵糖，例如，葡萄糖和木糖，这些可发酵糖可以容 易通过微生物发酵成乙醇或催化地转化或发酵为其他化学品。

许多微生物生产水解纤维素(纤维素酶)和/或半纤维素(半纤维素酶)的酶。纤维 素酶包括内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、以及β-葡糖苷酶。内切葡聚糖酶在任意位置消化 纤维素聚合物，使其打开而被纤维二糖水解酶攻击。纤维二糖水解酶从纤维素聚合物的末 端顺序地释放纤维二糖(可溶于水的β-1,4连接的葡萄糖二聚体分子)。纤维二糖是β-葡糖 苷酶将纤维二糖水解成葡萄糖。半纤维素酶包括乙酰甘露聚糖酯酶、乙酰木聚糖酯酶、阿拉 伯聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、香豆酸酯酶、阿魏酸酯酶、半乳糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、葡萄 糖醛酸酯酶、甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、木聚糖酶、和木糖苷酶。

酶法水解预处理的木质纤维素生物质是在可发酵糖的生物燃料和其他发酵产物 的生产中的一个低效步骤，并且它的成本构成了商业化可行性的主要障碍之一。酶法水解 方法的一个显著问题是增加该方法成本的大量所需要的酶。存在若干促成酶需求的因素， 这些因素包括当水解反应进行时，用于酶与木质纤维素原料相互作用的可用的或可获得的 表面积的限制。

机械制浆过程利用盘式磨浆(diskrefining)和其他方法来机械破碎木质纤维素 的纤维结构。例如，美国公开号2010/0285534披露了木质纤维素生物质的组合的热化学预 处理和磨浆。WO2010/060052A2描述了在木质纤维素的绿液预处理后添加磨浆步骤以减 小生物质的大小来帮助与绿液的混合。类似地，美国专利号7,998,713描述了在铵预处理过 程中或之前或者在铵预处理的材料水解之前或过程中施加能量以便减小木质纤维素生物 质的大小。

李(Lee)等人，2010，生物资源技术(BioresourceTechnology)101(19):7218- 7223，描述了能量有效的纳米纤维化方法，该方法将盘式研磨与适度的加压热水(HCW)处理 结合以改进桉木的酶的可接近性。美国专利号6,267,841披露了低能量机械制浆过程，该低 能量机械制浆过程在两个低能量磨浆阶段(在小于10或20hpd/吨下进行)之间使用酶处理 阶段。美国公开号2012/0135506描述了一种用于高度一致地生产微纤化纤维素的能量有效 的方法，其中使纤维素纤维经受酶处理、第一机械处理、第二酶处理、以及第二机械处理。

能够改进木质纤维素生物质的酶法水解的效率将对本领域是有利的。本发明涉及 用于对用于生产可发酵糖的木质纤维素生物质进行机械协助水解的方法。

发明概述

在第一方面中，本发明提供了一种用于从生物质生产可发酵糖的方法，该方法包 括：

a.制备(i)含有纤维素和/或半纤维素的预处理的木质纤维素生物质和(ii)包含 纤维素酶和/或半纤维素酶的酶组合物的生物质-酶混合物；

b.将生物质-酶混合物进行第一糖化持续一段充足的时间以实现水解至少约10％ 的纤维素和/或半纤维素并且产生部分地水解的生物质和水解产物液；

c.机械处理部分地水解的生物质以产生机械破坏的、部分地水解的生物质；并且

d.将机械破坏的、部分地水解的生物质进行第二糖化持续一段充足的时间以实现 将存在于预处理的木质纤维素生物质中的至少约60％至约100％的纤维素和/或半纤维素 水解成可发酵糖。