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技术

本发明专利技术涉及一种加工木质纤维素生物质的方法，包括：–提供软木质纤维素生物质原料；–在单级加压水热预处理中在3.5-9.0的pH范围内预处理所述原料至log强度Ro 3.75或更低以产生预处理的生物质料浆，其中未溶解的固体物质含有至少5.0重量％的木聚糖；以及在添加或不添加补充水含量的情况下使用由酶混合物催化的酶促水解来水解所述预处理的生物质至少24小时以产生水解产物；所述酶混合物包含内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、内切木聚糖酶和β-木糖苷酶活性；以nkat/g葡聚糖计，内切葡聚糖酶的活性水平为至少1100，外切葡聚糖酶的活性水平为至少280，β-葡萄糖苷酶的活性水平为至少3000，内切木聚糖酶的活性水平为至少1400，和β-木糖苷酶的活性水平为至少75；所述水解产物中C5单体的收率为预处理前所述原料的初始木糖和阿拉伯糖含量的至少55％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】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 专利技术人：Jan Larsen、Niels Poulsen、Kit Mogensen、Martin Jeppesen 专利
本专利技术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。
技术介绍
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 lxlO11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(秸杆、穗轴、核、茎干、壳(shell)、果壳(husk)等…）、草料、稻草、木肩、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)31"^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°C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。 随着水热预处理温度和反应器保留时间的增加，由于化学转化成其他物质（包括 糠醛和缩合反应的产物），较大比例的来源于半纤维素的C5糖无法换回地丧失。然而，需要 较高的温度和保留时间以适当地调理(condition)纤维素纤维以高效地酶促水解成单体6 碳葡萄糖。在现有技术中，水热预处理"强度（severity)"的一个常用参数是"R。"，其通常是 指对数值。R。反映了根据公式:Κ〇 = ?ΕΧΡ的预处理温度和反应器保留时间的 复合量度，其中t是以分钟计的保留时间，且Τ是以摄氏度计的反应温度。针对任意给定生物质原料的预处理条件的优化本质上需要来自半纤维素的单体 C5糖高产量的需求(低强度)和来自纤维素的单体C6糖高产量的需求(高强度)之间的一定 折衷。已经报道了用于最大化来自半纤维素和纤维素的糖产量以及最小化纤维素酶催 化的木糖低聚物抑制作用的多种不同的水热预处理策略。在一些情况下，加入外源的酸或 碱以催化半纤维素降解(酸、pH<3.5)或木质素溶解(碱、pH>9.0)。在其他情况下，水热预 处理只用非常温和的源自木质纤维素的乙酸本身(PH3.5-9.0)进行。在这些温和pH条件下 的水热预处理称为"自动水解"过程，因为从半纤维素酯释放的乙酸本身进一步催化半纤维 素水解。酸催化的水热预处理，被称为"稀酸"或"酸浸"处理，通常提供高的C5糖产量，因为 在酸催化剂的存在下相当的半纤维素溶解可以在较低温度下发生。在稀酸预处理接着酶促 水解后的总C5糖产量通常在理论上可以从任意给定生物质原料释放的量的75%左右或更 高。参见例如，Baboukaniu等（2012)、Won等（2012)、Lu等（2009)、Jeong等（2010)、Lee等 (2008)、Sassner等(2008)、Thomsen等(2006)、Chung等(2005)。相反，自动水解水热预处理通常提供低得多的C5糖产量，因此在没有酸催化剂的 情况下需要更高温度的预处理。除了在商业上不现实的低干物质含量下进行的自动水解预 处理，自动水解处理通常提供<40%理论回收率的C5糖产量。参见例如，Diaz等（2010)、 Dogaris等（2009)。已经报道，在使用商业上不现实的反应时间和极高的酶剂量的情况下， 自动水解的C5产量高达53%。但是，即使是该非常高的C5产量仍然远低于用稀酸预处理常 规获得的水平。参见例如，Lee等(2009)、Ohgren等(2007)。 用自动水解获得的低C5产量的结果是，大多数关于商业生物质转化系统中水热预 处理的报道聚焦于稀酸工艺。通过使用所谓的"两级"稀酸预处理已经达到85%左右的源自 半纤维素的C5糖产量。在两级预处理中，使用较低的初始温度溶解半纤维素，然后分离富含 C5的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加工木质纤维素生物质的方法，包括：–提供软木质纤维素生物质原料；–在单级加压水热预处理中在3.5‑9.0的pH范围内预处理所述原料至log强度Ro 3.75或更低以产生预处理的生物质料浆，其中未溶解的固体物质含有至少5.0重量％的木聚糖；以及在添加或不添加补充水含量的情况下使用由酶混合物催化的酶促水解来水解所述预处理的生物质至少24小时以产生水解产物，所述酶混合物包含内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β‑葡萄糖苷酶、内切木聚糖酶和β‑木糖苷酶活性；以nkat/g葡聚糖计，内切葡聚糖酶的活性水平为至少1100，外切葡聚糖酶的活性水平为至少280，β‑葡萄糖苷酶的活性水平为至少3000，内切木聚糖酶的活性水平为至少1400，和β‑木糖苷酶的活性水平为至少75；所述水解产物中C5单体的收率为预处理前所述原料的初始木糖和阿拉伯糖含量的至少55％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·拉森，N·N·波尔森，M·D·杰普森，K·K·摩根森，
申请(专利权)人：因比肯公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK