使用阳离子化合物加工木质纤维素材料的方法技术

本发明专利技术涉及用于从木质纤维素材料获得糖和木质素级分的方法，以及涉及使用从木质纤维素获得的糖生产发酵产物的方法。特别地，本发明专利技术涉及通过在水热水解的预处理步骤中引入使用阳离子化合物的脱木质化步骤来改善酶促水解产物中的糖产率的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及从木质纤维素材料获得糖和木质素级分的方法以及涉及使用从木质纤维素获得的糖生产单细胞油的方法。该方法还涉及再循环从木质纤维素材料的脱木质化处理获得的碱液流。专利技术背景木质纤维素是地球上最丰富的生物聚合物。木质纤维素是木本植物和非木本植物(如草)的主要结构组分。木质纤维素生物质是指由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物生物质。通过林业、木材以及纸浆和纸张工业，以及农业实践(例如，禾秆、秸秆、甘蔗渣、谷壳、果壳)和许多农用工业，产生了大量木质纤维素残留物。此外，市政废物含有可以认为是木质纤维素残留物的级分，如纸张或纸板废物、花园废物或来自建筑的废木材。木质纤维素残留物，如农业残留物，提供了用于生物燃料生产的高度可持续的、非食物和非-ILUC(间接土地利用变化)的替代品。此外，由于高丰度和低价格，木质纤维素残留物是用于生物燃料生产的优选材料。此外，具有生物质生产力的专用木本或草本能量作物获得了作为生物燃料使用的关注。通过微生物发酵，从木质纤维素材料生产生物燃料，尤其以乙醇，已经得到了广泛研究。利用木质纤维素用于生物燃料或生物燃料给料的微生物生产的最大挑战在于木质纤维素材料的复杂性及其对生物降解的抗性。在木质纤维素中，纤维素(20-50％植物干重)纤维包埋在半纤维素(20-40％)、果胶(2-20％)和木质素(10-25％)共价结合的基质中，形成对降解抵抗力非常高的结构。此外，根据生物质，半纤维素的糖残基含有不同的己糖(例如，葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(例如，阿拉伯糖和木糖)的混合物。某些微生物可以从有机分子(如源自木质纤维素的糖)产生脂质。某些微生物，通常是酵母、真菌或细菌，可以有效地将木质纤维素材料中的C6和C5糖转化成油。通过异养微生物产生的油常常被称为单细胞油或微生物油。使用异养微生物的单细胞油生产方法包括在通气的生物反应器中培养微生物，使细胞累积脂质，回收富含脂质的细胞并从细胞回收油。基于微生物的脂质(即，单细胞油)可以用作用于生物燃料(如生物柴油、可再生柴油或生物喷气燃料)生产的原料。经济上可行的通过微生物发酵从木质纤维素材料生产生物燃料需要木质纤维素材料的所有主要碳水化合物组分有效转化成生物燃料。另一方面，生物燃料生产的经济可行性需要木质纤维素材料的所有主要碳水化合物组分必须转化成糖，其适用于微生物发酵。通常，这表示破坏(水解)半纤维素和纤维素级分的聚合结构来获得单体糖。现有技术公开了几种方法，其针对从木质纤维素材料生产糖并在微生物发酵过程中使用糖。专利公开WO2010039783A1描述了一种从木质纤维素材料生产可发酵糖的方法，在该方法中，在进行纤维素级分酶促水解处理之前，在碱处理过程中溶解的木质素吸收至阳离子淀粉聚合物中。该公开文献没有包括在酶促水解之前的脱木质化处理之后的碱脱木质化液体的分离，以从脱木质化液体回收木质素，并在用阳离子化合物回收木质素后将液流再循环回脱木质化处理而pH没有变化。在已知方法中，在酶促水解处理之前，没有从纤维素级分除去吸收的木质素。根据WO 2010039783A1的教导，木质素吸收增强了酶促水解处理。专利公开IN217148B公开了一种使用絮凝剂(如阳离子淀粉聚合物)和凝结剂(如矿物酸)的组合物从来自纸浆制备过程的黑液中分离木质素的方法，pH变化至低于pH 6。从木质纤维素材料生产木质纤维素糖的主要挑战之一是提供一种方法，其能够成本有效地生产高品质的糖水解产物，其可以用于随后的发酵步骤的生产中。糖水解产物的高品质表示杂质(如酚类和酸类)的含量应当低于对发酵中使用的微生物有毒的浓度。成本效率需要将水解产物生产中使用的化学品的消耗保持在低水平。这可以例如通过蒸煮化学品的再循环来实现。经济可行性还需要测流(其不用作微生物发酵的原料)的品质尽可能地高，使得能够限定这些流的价格。现有技术的木质纤维素预处理技术已经针对厌氧发酵(纤维素乙醇)进行了设计。微生物油生产不同于厌氧发酵，因为其是需氧过程(需要氧)。本专利技术描述了对需氧生物过程(如微生物油生产)尤为有益的木质纤维素发酵方法。然而，本专利技术也适用于厌氧生物过程。专利技术概述本专利技术的目的是提供一种木质纤维素发酵方法，其解决了现有技术方法关于来自木质纤维素材料的整体糖产率低和回收非碳水化合物产物的化学成本高的问题。本专利技术的另一个目的是提供一种方法，其能够生产糖水解产物，所述糖水解产物用于使用异养微生物的微生物油生产中。本专利技术的再另一个目的是提供一种具有提高的酶促水解处理产率和生产力的发酵方法。本专利技术的再另一个目的是提供一种成本更有效且更通用的用于木质纤维素的非碳水化合物级分的回收和限价的方法。为了实现上述目的，通过独立权利要求中限定的特征来表征本专利技术。其他优选的实施方案呈现于从属权利要求中。本专利技术是基于用阳离子化合物可以有效地沉淀碱处理中溶解的木质素并且在沉淀物分离后可以将碱液再循环至碱脱木质化步骤中的发现。碱液的再循环明显改善了碱处理步骤的成本效率。根据本专利技术，通过使用阳离子化合物，在碱性pH下沉淀木质素。此外，使用阳离子化合物的木质素沉淀以及沉淀物从碱液的分离可以在碱性pH下进行，不需要改变pH。这允许将碱剂有效地再循环至木质纤维素分级方法的碱处理步骤中。由于木质素回收过程中pH没有变化，与其中由于用于木质素回收的酸化合物降低pH的情况相比，降低了碱处理的补足(新鲜)碱剂的量。本专利技术还基于令人惊讶的发现：通过在酶促水解步骤之前分离碱处理的木质素，纤维素级分的酶促水解的效率和需氧发酵的成本效率得到显著改善。由于需氧发酵中使用的糖级分中的惰性材料(木质素)和抑制剂化合物的含量低，改善了成本效率需氧培养。因此，本专利技术的一个方面涉及一种用于木质纤维素材料的分级的方法，该方法包括：a)在碱性脱木质化剂的存在下，将木质纤维素材料接受脱木质化处理，以产生包括第一固相和含有溶解的木质素的第一液相的混合物，b)将第一固相与第一液相分离，c)将阳离子化合物引入第一液相中，以产生包括第二固相和第二液相的混合物，d)在能够水解第一固相的半纤维素和纤维素级分的酶的存在下，将第一固相接受酶促水解处理，以产生包括第三液相和第三固相的混合物。e)将第三液相与第三固相分离。本专利技术的第二个方面涉及通过本专利技术的方法可获得的酶促水解产物形式的液相。酶促水解产物可以任选地是浓缩的。因此，本专利技术的第三个方面涉及通过根据本专利技术的方法可获得的浓缩糖水解产物。再一个方面涉及微生物脂质的生产方法，该方法包括(i)提供包括根据本专利技术的酶促水解产物或浓缩糖水解产物形式的第三液相的培养基，(ii)通过给培养基接种含油微生物接种来提供发酵肉汤，(iii)温育接种了所述含油微生物的所述培养基，使脂质累积，(iv)从所述含油微生物回收脂质。附图简述图1至3列出了用于木质纤维素材料治疗的加工流程。图4列出了根据本专利技术实施方案的酶促水解的过程。图5呈现了室温下来自实施例5的NaOH脱木质化溶液的4h温育后，阳离子淀粉用量对280nm和600nm下吸收降低百分比的影响。图6呈现了在室温下Na2CO3脱木质化溶液的4h温育后，阳离子淀粉用量对280nm和600nm下吸收降低百分比的影响。图7呈现了阳离子淀粉“Raifix 25035”补充后8h，含有Na2CO3脱木本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于木质纤维素材料分级的方法，该方法包括a)在碱性脱木质化剂的存在下，使木质纤维素材料接受脱木质化处理，以产生包括第一固相和含有溶解的木质素的第一液相的混合物，b)将第一固相与第一液相分离，c)将阳离子化合物引入第一液相中，以产生包括第二固相和第二液相的混合物，d)在能够水解第一固相的半纤维素和纤维素级分的酶的存在下，使第一固相接受酶促水解处理，以产生包括酶促水解产物形式的第三液相和第三固相的混合物。e)将第三液相与第三固相分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.11 EP 13196742.41.用于木质纤维素材料分级的方法，该方法包括a)在碱性脱木质化剂的存在下，使木质纤维素材料接受脱木质化处理，以产生包括第一固相和含有溶解的木质素的第一液相的混合物，b)将第一固相与第一液相分离，c)将阳离子化合物引入第一液相中，以产生包括第二固相和第二液相的混合物，d)在能够水解第一固相的半纤维素和纤维素级分的酶的存在下，使第一固相接受酶促水解处理，以产生包括酶促水解产物形式的第三液相和第三固相的混合物。e)将第三液相与第三固相分离。2.根据权利要求1的方法，其中阳离子化合物选自阳离子聚合物和寡聚物，如阳离子淀粉多糖、阳离子直链淀粉、阳离子支链淀粉、阳离子葡聚糖、阳离子木质素寡聚物、阳离子木质素聚合物、阳离子泥炭，或其混合物。3.根据权利要求2的方法，其中阳离子聚合物和寡聚物具有0.5-5meq/g的阳离子电荷密度。4.根据权利要求1的方法，其中阳离子化合物是选自铁(Fe)或铝(Al)的二价和三价阳离子以及碱土金属的元素阳离子离子。5.根据权利要求4的方法，其中阳离子离子可以源自化合物，如AlCl3氯化铝、Ba(C2H3O2)2醋酸钡、Ba(HCO3)2碳酸氢钡、BaBr2溴化钡、BaCl2氯化钡、Ba(HCO2)2甲酸钡、(Ba(OH)2氢氧化钡)、Ba(NO3)2硝酸钡、Ca(C2H3O2)2醋酸钙、Ca(HCO3)2碳酸氢钡、CaBr2溴化钙、CaCl2氯化钙、Ca(HCO2)2甲酸钙、(Ca(OH)2氢氧化钙)、Ca(NO3)2硝酸钙、Mg(C2H3O2)2醋酸镁、Mg(HCO3)2碳酸氢镁、MgBr2溴化镁、MgCl2氯化镁、Mg(HCO2)2甲酸镁、(Mg(OH)2氢氧化镁)、Mg(NO3)2硝酸镁、Fe(C2H3O2)2醋酸铁、FeCl3氯化铁，以及相应的水合物。6.根据之前任一项权利要求的方法，其中阳离子化合物的量为0.001-0.25g/g，基于第一液相的干物质含量。7.根据之前任一项权...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·瓦伊尼奥，O·麦莉梅基，V·皮拉简妮弥，M·西彭嫩，S·拉克索，I·莱托梅基，O·帕斯丁嫩，P·科斯金嫩，
申请(专利权)人：耐思特公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI