[发明专利]使用单级自动水解预处理和酶促水解加工木质纤维素生物质的方法

说明书

发明人：JanLarsen、NielsPoulsen、KitMogensen、MartinJeppesen

发明领域

本发明总体地涉及将木质纤维素生物质加工成可发酵糖的方法，并 且特别地涉及依赖水热预处理的方法。

背景技术

对石油和其他化石燃料的历史依赖性与大气温室气体水平的急剧 和令人警醒的增加相关。国际上正在努力减少温室气体的积累，这在 许多国家得到正式政策指令支持。这些减排努力的一个中心焦点是发 展利用可再生的植物生物质取代石油作为燃料和其他化学产品的来源 的工艺和技术。据估计，地球上植物来源的生物质的年生长量大约为 每年1x10¹¹公吨干重。参见Lieth和Whittaker(1975)。因此，生物质 的利用是发展可持续经济的终极目标。

从基于糖和淀粉的植物材料，如甘蔗、根和粮食作物，生产的燃料 乙醇已经被广泛使用，目前的全球生产量最高达到每年730亿升。乙 醇一直被认为是化石燃料的可接受的替代品，其容易作为混合燃料的 添加剂使用或甚至直接作为用于个人汽车的燃料。然而，使用通过这 些“第一代”生物乙醇技术生产的乙醇实际上没有实现温室气体排放的 大量减少。当总化石燃料输入与最终乙醇输出均计算在内时，与石油 相比，净节省仅为约13％。参见Farrell等(2006)。此外，已经对“第一 代”生物乙醇市场提出了经济和道德上的反对。这实际上将作物作为人 类食物的需求与用于个人汽车的需求形成直接竞争。事实上，燃料乙 醇的需求与已经证明在贫穷的粮食进口国引起麻烦的粮食价格增长有 关。

发展不消耗粮食作物的生物质转化系统-所谓的“第二代”生物精炼 -引起了极大的兴趣，其中可以从木质纤维素生物质生产生物乙醇和其 他产品，所述木质纤维素生物质如作物废料(秸秆、穗轴、核、茎干、 壳(shell)、果壳(husk)等…)、草料、稻草、木屑、废纸等。在“第 二代”技术中，主要来源于纤维素的可发酵6-碳(C6)糖和来源于半纤 维素的可发酵5-碳(C5)糖通过酶促水解或(在一些情况中)通过纯 化学水解从生物质多糖聚合物链释放出来。从“第二代”生物精炼中的生 物质转化获得的可发酵糖可以用于生产燃料乙醇，或可选地，生产其 他燃料如丁醇或用于合成生物塑料或许多其他产品的乳酸单体。

C5和C6糖的总产量是木质纤维素生物质加工的商业化中的重点 考虑因素。就乙醇生产以及乳酸和其他化学产品的生产而言，将C5和 C6糖工艺流合并成一种糖溶液是有利的。现在在乙醇生产中能有效消 耗C5和C6糖两者的改良的发酵生物体是可得的。参见例如Madhavan 等(2012)、Dumon等(2012)、Hu等(2011)、Kuhad等(2011)、Ghosh等 (2011)、Kurian等(2010)、Jojima等(2010)、Sanchez等(2010)、Bettiga 等(2009)、Matsushika等(2009)。

由于其物理结构的限制，木质纤维素生物质不能在没有经过一定预 处理过程的情况下有效地通过酶促水解转化成可发酵糖。已经报道了 许多种不同的预处理方案，各自提供了不同的优点和缺点。综述参见 Agbor等(2011)、Girio等(2010)、Alvira等(2010)、Taherzadeh和Karimi (2008)。从环境和“可再生性”的角度来看，水热预处理是特别有吸引力 的。它们利用温度为160-230℃左右的加压蒸汽/液体热水来温和地熔解 与纤维素链杂乱缔合的疏水性木质素、溶解半纤维素的主要成分(富 含C5糖)和破坏纤维素链，从而提高生产酶结合的可达性。水热预处 理可以方便地与现有的燃烧煤和生物质的发电厂整合来有效地利用汽 轮机蒸汽和“过量的”发电能力。

在水热预处理的情况下，本领域公知并且已经过广泛讨论的是，预 处理必须在相矛盾的目的之间进行优化。一方面，预处理应当理想地 保持半纤维素糖含量，以最大化来源于单体半纤维素的糖的最终产量。 然而同时，预处理应当充分暴露并预调理(precondition)纤维素链以 达到酶促水解的敏感性，使得可以用最少的酶消耗获得来源于单体纤 维素的糖的合理产量。酶消耗也是生物质加工的商业化的重点考虑因 素，其如在当前定义的“全球市场经济”背景下的“经济利润”边缘摇摆。 尽管近年来急剧提高，可商购的酶制剂的高成本仍然是生物质转化中 最高的运营成本之一。