用于木素纤维素材料的水解方法，其中水解产物用于微生物水解酶的生产技术

本发明专利技术涉及用于木素纤维素材料的自给自足式水解的方法。在另一个方面，本发明专利技术涉及用于生产有机产物的方法和根据该方法产生的有机产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于木素纤维素材料的自给自足式水解的方法。在另一个方面，本专利技术涉及用于生产有机产物的方法和根据该方法产生的有机产物。由于有限的矿物油来源以及减少CO2排放的需要，化学工业寻求用于制造化学商品如液体燃料和基础化学品的更加可持续的生产途径。该策略的一部分聚焦于将木素纤维素生物质转化成多种化学品或燃料，如乙醇。木素纤维素生物质含有的主要组分有纤维素(～25-40重量/重量％d.s.)、半纤维素(～15-25重量/重量％d.s.)和木质素(～15-30重量/重量％d.s.)，并且含有少量的其他碳水化合物、蜡、蛋白质、和无机化合物。在多种形式的植物生物质中，从任何林业与农业废弃物流(如木材残渣和谷物禾秆)获得的木素纤维素生物质由于它们的可得性、低成本和对环境无害的生产而特别适合于转化成化学和燃料商品。此外，对采用木素纤维素原料的生产方法进行的生命周期分析表明与基于其他原料的方法相比，温室气体排放减少。已存在将木素纤维素生物质转化成乙醇和其他基础化学品的多种可能方法的描述(Pejo等，2008)。为了在工业规模上实现这些方法，特别期望将可再生原料中含有的最大量的能量、碳和质量含量转移到最终产品。目前，所描述的转化方法均未最大程度地实现这一点。木素纤维素材料(如禾秆)到增值产品(如乙醇)的生物技术转化的示例性单元操作是：机械方式减小尺寸和/或物理化学预处理、酶水解、发酵和产物回收。为了确定最大方法效率，在酶水解单元的过程中必须将最大量的多糖转化成可溶性糖。对于工业规模的纤维素乙醇生产，关键障碍仍然是用于实现高固体浓度的经预处理的木素纤维素的有效酶水解的成本支出。因此，已经确定纤维素部分的水解是木素纤维素转化成乙醇的主要障碍。目前，有效的生物质水解所需要的酶成本和性能是主要瓶颈。经预处理生物质浆料分解成可发酵单体糖可以通过酸或酶催化水解而实现。酶水解与类似的化学(如基于酸的)方法相比更具选择性且能量消耗少，因此提供了更加有利的方法经济性和发酵期间潜在的更高乙醇收率。将聚合糖如纤维素和半纤维素转化成己糖(即葡萄糖)和戊糖(即木糖)单体的适合的酶系统通常含有纤维素酶、半纤维素酶和β-葡糖苷酶活性。含有纤维素酶和β-葡糖苷酶活性的酶系统通常在真菌(例如，木霉属和/或曲霉属)的浸没液体培养基中产生。真菌生物质的残余物通常被从发酵液分离和丢弃。然后发酵液被浓缩、稳定化和配制以使所得酶产物被运输。根据Kristensen等(2009)，生物质的酶水解通常在10-20重量/重量％的较低固体含量下进行。高于15重量/重量％的固体含量通常导致单体糖收率显著损失。这种作用是由于高固体含量浆料的均匀混合方面的问题而产生的，由导致酶分布不均匀。此外，酶水解期间所释放的最终产物如纤维二糖与葡萄糖的积累也可以导致纤维素酶与β-葡糖苷酶活性的内在抑制(Xiao等，2004a)。Rao等(1985)说明了使用完整的真菌发酵浆料以有效水解纤维素底物。然而，人工培养基被用于酶生产，其不允许使水解酶的生产适合于特定原料和/或预处理选项，因此酶生产的效力相当低。Tolan(CleanTechnEnvironPolicy3(2002)339-345)在“Iogen’sprocessforproducingethanolfromcellulosicbiomass”中描述了使用来自水解的粗肉汤作为用于酶生产的培养基以节约方法成本。Rao等和Tolan公开的方法的另一个缺陷是对分泌酶活性的限制，因为没有采取任何措施来促进释放非分泌性酶或细胞表面结合酶。前述用于降解生物质的常规技术要么效率低，要么依赖耗时且耗成本地加入适合于降解特定生物质的商业化的、单独产生的酶或酶混合物。而且，使用粗浆料或肉汤也不可以克服这些缺陷，因为其不光是导致期望地提供真菌发酵所必需的糖，还会不可避免地使多种不期望的抑制性和/或毒性物质进入到发酵过程中。因此，使用廉价发酵培养基的优势将被酶生产的效率的严重缺陷所抵消。在EP2471940中，描述了有效的木素纤维素水解与酶生产的一体化方法。在该方法中，用于酶发酵的培养基由高量的悬浮固体组成。为了进一步改善经济性，该专利技术的目的是开发这样一种木素纤维素水解与酶发酵方法，其使用最小化量的悬浮固体与抑制剂，然而可溶性碳水化合物的量进一步提高。因此，本专利技术的目的是提供用于降解生物质如木素纤维素生物质的改善的高效方法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人现出人意料地发现本专利技术的这个目的可以通过一种用于含木素纤维素材料的自给自足式酶水解的方法实现，其包括以下步骤：(a)使含木素纤维素材料在预处理装置中进行预处理；(b)使步骤a)的经预处理的含木素纤维素材料与至少一种属于水解酶类的酶在水解容器中接触以形成水解产物；(c)分离所述水解产物，并随后将所述水解产物分成两部分(i)和(ii)，其中部分(i)被引导至培养容器；(d)用至少一种能够产生至少一种属于水解酶类的酶的微生物和/或真菌对所述水解产物的部分(i)进行发酵；以及(e)将步骤d)的经发酵的水解产物再引导至步骤b)的所述水解容器；其中处理所述经预处理的含木素纤维素材料和/或水解产物以除去至少一种对至少一种酶和/或至少一种微生物和/或真菌具有抑制性的物质。本专利技术的用于酶水解含木素纤维素材料的方法是特别有利的，因为其是自给自足式的，并且也是高度有效的，因为将整个过程的水解产物并入酶生产步骤(d)中使得能够经济地生产，并且能够直接将最大量的合适的水解酶现场并入，由此产生最大量的可溶性碳水化合物。而且，在至少一个方法阶段除去抑制性物质将使得不仅可以自给自足地运行，而且可以高效率连续运行的方法成为可能，因为水解酶生产不会被不期望的物质延缓或抑制，由此产生进一步的经济优势。在本专利技术中，术语“含木素纤维素材料”理解为包括全部种类的本领域技术人员已知含有木素纤维素的材料。术语“含木素纤维素材料”、“含木素纤维素的生物质”、“木素纤维素材料”和“木素纤维素生物质”在本专利技术中应理解为是同义词。根据本专利技术特别优选的含木质纤维的素材料包括木材、谷物禾秆和/或外壳、甘蔗渣、燕麦外壳、柳枝稷、纤维素、粗纸浆(从纸浆和纸生产获得)及其混合物。替代性来源或额外组分可以包括以下组分中的一种或多种：纯化纤维素、纸浆、乳清、糖蜜或糖，如葡萄糖和乳糖。在一个优选实施方式中，含木素纤维素材料含有至少25重量％、优选至少40重量％、更优选至少70重量％、甚至更优选至少80重量％、最优选至少90重量％的木素纤维素。应理解，含木素纤维素材料也可以包含其他化合物，例如蛋白质材料、淀粉、糖，如可发酵糖和/或不可发酵糖。在本专利技术中，术语“酶水解”理解为其中适合的酶将聚合糖如纤维素和半纤维素转化成己糖(即葡萄糖)和/或戊糖(即木糖)单体的过程。在本专利技术中，术语“预处理”理解为一种从纤维素至少部分地除去和分离半纤维素并且破坏及除去木质素鞘的过程，从而降低纤维素结晶度，并由此增加纤维素的可接触表面积和/或增加纤维素的孔径。预处理优先使含木素纤维素材料的戊糖部分移动，同时其增强固体含纤维素部分的可消化性。适合于根据本专利技术步骤(a)预处理含木素纤维素材料的方法包括本领域技术人员已知的任意种类的机械、生物、化学和/或物理预处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于含木素纤维素材料的自给自足式酶水解的方法，其包括以下步骤：(a)使含木素纤维素材料在预处理装置中进行预处理；(b)使步骤a)的经预处理的含木素纤维素材料与至少一种属于水解酶类的酶在水解容器中接触以形成水解产物；(c)分离所述水解产物，并随后将所述水解产物分成两部分(i)和(ii)，其中部分(i)被引导至培养容器；(d)用至少一种能够产生至少一种属于水解酶类的酶的微生物和/或真菌对所述水解产物的部分(i)进行发酵；以及(e)将步骤d)的经发酵的水解产物再引导至步骤b)的所述水解容器；其中处理所述经预处理的含木素纤维素材料和/或水解产物以除去至少一种对至少一种酶和/或至少一种微生物和/或真菌具有抑制性的物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.21 EP 14001784.91.一种用于含木素纤维素材料的自给自足式酶水解的方法，其包括以下步骤：(a)使含木素纤维素材料在预处理装置中进行预处理；(b)使步骤a)的经预处理的含木素纤维素材料与至少一种属于水解酶类的酶在水解容器中接触以形成水解产物；(c)分离所述水解产物，并随后将所述水解产物分成两部分(i)和(ii)，其中部分(i)被引导至培养容器；(d)用至少一种能够产生至少一种属于水解酶类的酶的微生物和/或真菌对所述水解产物的部分(i)进行发酵；以及(e)将步骤d)的经发酵的水解产物再引导至步骤b)的所述水解容器；其中处理所述经预处理的含木素纤维素材料和/或水解产物以除去至少一种对至少一种酶和/或至少一种微生物和/或真菌具有抑制性的物质。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种对至少一种酶具有抑制性和/或对至少一种微生物具有抑制性的物质是对至少一种属于水解酶类的酶具有抑制性和/或对至少一种能够产生至少一种属于水解酶类的酶的微生物和/或真菌具有抑制性的物质。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述物质对至少一种选自木霉属(无性型：肉座菌属)、酵母属、梭菌属、乳杆菌属、毕赤酵母属和篮状菌属的真菌和/或微生物具有抑制性。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述物质被从根据步骤(a)的所述经预处理的含木素纤维素材料和/或从根据步骤(c)的所述水解产物的部分(i)和/或(ii)中除去。5.根据权利要求1至4中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·扎弗瑞尔，D·德内瓦尔德，J·巴图奇，H·巴克曼，
申请(专利权)人：科莱恩国际有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH