[发明专利]处理木质纤维素生物质的方法

说明书

本发明的主题是处理木质纤维素生物质的方法，其包括以下步骤：a)调节木质纤维素生物质，b)洗涤所述颗粒，c)将经洗涤的生物质颗粒与水性溶液分离，d)采用酸性液体浸渍所述木质纤维素基质，e)对经浸渍的木质纤维素基质进行固/液分离，f)通过蒸煮对来自步骤e)的所述基质进行预处理，g)对经预处理的木质纤维素基质进行酶水解，h)对来自步骤g)的水解产物进行发酵，‑以及将用过的水性洗涤溶液引入在预处理步骤f)之后的所述生物质处理方法步骤中、和/或引入酶生产步骤中、和/或引入对步骤g)或h)所需的微生物进行生产/繁殖的步骤中。

技术领域

本发明属于由木质纤维素生物质生产糖的方法的领域。它更特别地涉及处理木质纤维素生物质以生产可用作生物燃料的醇或溶剂(例如乙醇)、或用于合成基于生物的分子的方法。根据本发明的处理方法可并入木质纤维素生物质的蒸汽爆破或酸法蒸煮预处理。

现有技术

木质纤维素生物质由三种主要成分组成：纤维素(35%-50%)，半纤维素(23%-32%)，其是基本上由戊糖和己糖构成的多糖，以及木质素(15%-25%)，其是由苯丙醇共聚而成的具有复杂结构和高分子量的大分子。这些各种的分子导致植物壁的固有性质并组织成复杂的缠结体。

因此，在这种生物质中占主导的纤维素是地球上最丰富的聚合物，并且是最有可能形成材料和生物燃料的一种。然而，纤维素及其衍生物的潜力至今尚未能够充分开发，这主要归因于纤维素的提取困难。事实上，正是由植物的结构使该步骤变得困难。被鉴定为纤维素提取与加工的技术障碍特别是其可及性、其结晶度、其聚合度以及半纤维素和木质素的存在。

通过生物技术方法转化木质纤维素生物质的方法的原理使用了将植物材料中所含有的纤维素酶水解以产生葡萄糖的步骤。

然后可以将获得的葡萄糖发酵成各种产物，例如醇(乙醇、1,3-丙二醇、1-丁醇、1,4-丁二醇等)或酸(乙酸、乳酸、3-羟基丙酸、富马酸、琥珀酸等)。

纤维素和任选的半纤维素是酶水解的目标，但不可直接接触到酶。这就是为什么在酶水解步骤之前必须对这些基质进行预处理的原因。预处理的目的在于改变木质纤维素材料的物理和物理化学性质，为了改善被困在木质素和半纤维素基质之中的纤维素的可及性。最有效的预处理之一是蒸汽爆破，它能够使半纤维素几乎完全水解，并显著地改善纤维素相对于酶的可及性和反应性。可在该预处理之前进行一种或多种其它处理，例如酸浸渍。在一定压力和温度下、在反应器中用蒸汽连续地处理采用含酸或不含酸的水性溶液浸渍的生物质，从而主要瓦解半纤维素结构。

经预处理的生物质由固体(主要是纤维素和木质素)和水溶性糖组成。在某些方法配置中，将经预处理固体的一部分送至可溶性糖提取步骤以回收含糖液体。例如，Aden等人的文献“Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and EconomicsUtilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis forCorn Stover”NREL/TP-510-32438教导了将经预处理的生物质分离成固体部分和液体部分。然后，这种富含糖的液体可以用作生产酶和繁殖酵母菌的单元中的碳源。这种贫可溶性糖的经预处理的基质可以与离开预处理单元的粗制残渣一起送至酶水解步骤。

酶水解旨在将经预处理的基质转化为单糖。用于该步骤的酶混合剂是纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶的混合物，其能够将纤维素分解成糖溶液、特别是含有葡萄糖的糖溶液。根据酶的活性，酶混合剂中的酶含有三种主要类型的酶：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维二糖酶。用于生产酶混合剂的最常用的微生物是真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)。生产酶混合剂的过程始于繁殖阶段，该阶段的目的是使丝状真菌里氏木霉增殖。一旦真菌浓度足以生产相当浓缩的酶混合剂，则会通过含糖基质的变化引发酶混合剂生产阶段。在这个发酵过程结束时，获得一种含有酶和丝状真菌里氏木霉的混合物的发酵液。该发酵液可以直接用于酶水解，否则可以将酶与真菌分离，并随后任选地浓缩。