使用碱性脱木质化剂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由木质纤维素材料得到糖和木质素部分的方法和用于使用得自木质纤维素的糖类生产发酵产物的方法。具体地，本发明专利技术涉及用于改善酶促水解产物中的糖产率的方法，通过引入热水水解的预处理步骤和碱脱木质化步骤来进行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及用于由木质纤维素材料得到糖和木质素部分的方法并且涉及使用得自木质纤维素的糖类生产发酵产物的方法。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性组分。木质纤维素生物质指由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物生物质。大量木质纤维素残余物由林业、伐木和制浆和造纸业和农业活动(例如麦秆、秸秆、甘蔗渣、谷壳、外壳)和许多农业产业产生。另外，城市废物含有可以视为木质纤维素残余物的部分，如废纸或废纸板、花园废弃物或来自建筑业的废弃木材。木质纤维素残余物,例如农业废物提供了高度可持续的、非食品的和非-ILUC(间接土地使用改变)的生物燃料的可替代选择。此外，归因于高丰度和低价格，木质纤维素残余物是用于生产生物燃料的优选材料。此外，具有生物质生产率的专用木质或草本能源作物赢得作为生物燃料使用的兴趣。已经广泛地研究了通过微生物发酵从木质纤维素材料中生产生物燃料，尤其乙醇。利用木质纤维素以便微生物学生产生物燃料或生物燃料原料的最大挑战在于木质纤维素材料的复杂性及其抗生物降解性。在木质纤维素中，纤维素(植物干重的20-50％)纤维包埋在半纤维素(20-40％)、果胶(2-20％)和木质素(10-25％)的共价存在的基质中，形成非常抵抗生物降解的结构。另外，半纤维素的糖残基含有取决于生物质的己糖(例如，葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(例如，阿拉伯糖和木糖)的不同混合物。某些微生物可以由有机分子例如衍生自木质素纤维素的糖类生产脂质。某些微生物典型地为酵母、真菌或细菌可以有效地将木质纤维素材料中的C6和C5糖类转化成油。由异养微生物产生的油通常称作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典型地包含在充氧的生物反应器中培养微生物、允许细胞蓄积脂质、收获富含脂质的细胞并且从细胞中回收油。基于微生物的脂质(即单细胞油)可以用作用于生产生物燃料，例如生化柴油、可再生柴油或生物喷气式发动机燃料。在经济上切实可行的通过微生物发酵由木质纤维素材料生产生物燃料需要将木质纤维素材料的所有主要的碳水化合物成分有效地转化成生物燃料。另一方面，生物燃料生产的经济上的切实可行性需要必须将木质纤维素材料的所有主要碳水化合物成分转化成适合于微生物产生的糖。一般地，这意味着破坏(水解)半纤维素和纤维素的聚合物结构以得到单体糖。现有技术公开了几种方法，它们可以用于由木质纤维素材料生产糖。专利公开号US2008/032344 A1公开了用于从木质纤维素生物质中回收纤维素糖和近天然木质素副产物的方法。该方法包括对原料减小自水解、有机溶剂和酶促水解处理，以产生包含葡萄糖的纤维素糖溶液，用酵母和/或适合的重组微生物发酵，产生生物燃料和/或化学物质。Cunningham和Carr(1984)已经报道了从麦秸中除去半纤维素和木质素的各种方法，得到改良的纤维素残余物，用于酶促水解。他们还公开了预处理方法，其包含自水解麦秸，然后用NaOH进行碱处理。用于自水解的麦秸的脱木质化的NaOH的量明显高于本专利技术。根据Cunningham和Carr的教导，自水解的麦秆的脱木质化处理没有显著地改善酶处理步骤中纤维素向葡萄糖的转化，而无自水解步骤的碱处理显著地改善了酶促水解的结果(参见表III和IV)。此外，得到的半纤维素和纤维素水解产物无法用于生产植物本专利技术中的单细胞油。专利公开号US 2013/143285 A1描述了用于将木质纤维素原料转化成可发酵糖的方法。该方法包括在pH 8-12下对木质纤维素原料进行碱处理、稀酸处理且最终进行酶促水解，产生包含葡萄糖的糖溶液，将其发酵成发酵产物。专利公开号US 2012/036768A1描述了由木质纤维素材料生产可发酵糖的方法，其中该方法是将预处理的木质纤维素材料进行两阶段酶促水解处理。第一次酶处理包含混合预处理的材料与第一种酶组合物，产生第一种水解混合物，将其增稠以增加纤维浓度，得到第二种水解混合物。第二次酶处理包含混合第二种水解混合物与第二种酶组合物，产生包含可发酵糖和固体木质素相的液体混合物。在由木质纤维素材料生产木质纤维素糖的过程中的主要挑战之一在于提供一种方法，其能够以成本有效的方式生产高质量糖水解产物，它们可以在不进一步纯化的情况下用于生产单细胞油。高质量的糖水解产物是指杂质例如苯酚和酸的量应当低于对用于发酵的微生物产生毒性的浓度。成本效益要求水解剂如酶的消耗应当保持在低水平。例如，这可以通过使熟化的化学物质再循环实现。经济上的切实可行性要求并不用作微生物发酵的原料的侧流的质量应当尽可能高至能够对这些物流实施物价稳定措施。现有技术工艺水平的木质纤维素预处理技术已经被设计用于厌氧发酵(纤维素乙醇)。微生物油生产不同于厌氧发酵，因为它是需氧过程(需要氧)。本专利技术描述了木质纤维素分级分离方法，其尤其对于需氧生物过程如微生物油生产有益。专利技术概述本专利技术的一个目的在于提供木质纤维素分级分离方法，其能够生产高质量的可用作使用异养微生物生产微生物油中的碳源的糖水解产物。本专利技术的另一个目的在于提供一种分级分离方法，其具有改善的生产力和纤维素部分酶促水解的产率。本专利技术的第三个目的在于提供生产高质量木质素部分的分级分离方法。本专利技术的第四个目的在于提供一种分级分离方法，其具有改善的需氧发酵方法成本效益，这归因于用于需氧发酵中惰性物质(木质素)和抑制剂的量较低。为了实现上述目的，本专利技术的特征在于独立权利要求中所定义的特征。在本专利技术的第一方面涉及用于分级分离木质纤维素材料的方法，该方法包括：a)对木质纤维素材料进行处理，其中从木质纤维素材料中至少部分除去半纤维素以产生包含第一液相与第一固相的混合物；b)使第一固相与第一液相分离；c)在碱性脱木质化剂的存在下对第一固相进行脱木质化处理，以产生包含第二固相和包含增溶的木质素的第二液相的混合物；d)使第二固相与第二液相分离；e)在能够水解第二固相的半纤维素和纤维素部分的酶的存在下对第二固相进行酶促水解处理，以产生包含第三液相和第三固相的混合物。本专利技术的第二方面涉及通过本专利技术方法可得到的酶促水解产物形式的液相(第三液相)。本专利技术的第三个方面是通过本专利技术方法可得到的浓糖水解产物。第四个方面涉及通过本专利技术方法可得到的沉淀的木质素部分。本专利技术的另一个方面涉及用于生产微生物脂质的方法，该方法包括：(i)提供包含通过用于分级分离木质纤维素材料(第三液相)的方法得到的酶促水解产物液相或本专利技术的浓糖水解产物的培养基；(ii)通过给所述培养基接种含油微生物提供发酵肉汤；(iii)温育所述用所述含油微生物接种的培养基，以使脂质蓄积；(vi)从所述含油微生物中回收脂质。另外的优选实施方案在从属权利要求中呈现。本专利技术基于如下发现：通过进行溶解半纤维素的处理和通过在酶促水解步骤前用碱处理分离木质素，总糖产率增加。这是重要的，因为本专利技术的目的在于尽可能多地从木质纤维素材料中提取糖。本专利技术的另一个优点在于酶促水解的效率和需氧发酵的成本效益得到显著改善。本专利技术还基于另一个发现：可以使用与现有技术公开相比极低量的碱剂进行碱处理。本专利技术还基于如下发现：在脱木质化前从木质纤维素材料中分离的半纤维素糖可以在不经任何纯化处理的情况下用于微生物发酵。本专利技术提供了如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于分级分离木质纤维素材料的方法，该方法包括：a)对木质纤维素材料进行处理，其中从木质纤维素材料中至少部分除去半纤维素以产生包含第一液相与第一固相的混合物；b)使第一固相与第一液相分离；c)在碱性脱木质化剂的存在下对第一固相进行脱木质化处理，以产生包含第二固相和包含增溶的木质素的第二液相的混合物；d)使第二固相与第二液相分离；e)在能够水解第二固相的半纤维素和纤维素部分的酶的存在下对第二固相进行酶促水解处理，以产生包含第三液相和第三固相的混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.11 EP 13196744.01.用于分级分离木质纤维素材料的方法，该方法包括：a)对木质纤维素材料进行处理，其中从木质纤维素材料中至少部分除去半纤维素以产生包含第一液相与第一固相的混合物；b)使第一固相与第一液相分离；c)在碱性脱木质化剂的存在下对第一固相进行脱木质化处理，以产生包含第二固相和包含增溶的木质素的第二液相的混合物；d)使第二固相与第二液相分离；e)在能够水解第二固相的半纤维素和纤维素部分的酶的存在下对第二固相进行酶促水解处理，以产生包含第三液相和第三固相的混合物。2.权利要求1的方法，其中通过水热处理从木质纤维素材料中至少部分除去半纤维素。3.根据权利要求1的方法，其中通过自水解处理从木质纤维素材料中至少部分除去半纤维素。4.根据上述权利要求任一项的方法，其中所述碱性脱木质化剂选自氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钙、碳酸钙、氢氧化锂、碳酸锂、氢氧化铵、氨、硫化钠和相应的水合物。5.根据上述权利要求任一项的方法，其中基于第一固相中干物质的量计，脱木质化剂的浓度为0.1-10wt％，优选0.1-4wt-％。6.根据上述权利要求任一项的方法，其中将所述碱性脱木质化剂加入到第一固相中，得到具有高于7，优选在10和13之间的pH的悬浮液。7.根据上述权利要求任一项的方法，其中水热处理在相当于在2.0和4.5之间，更优选在3.0和4.1之间且最优选在3.5和4.0之间的苛刻度的条件下进行。8.根据上述权利要求任一项的方法，其中在所述脱木质化处理前对第一固相...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·瓦伊尼奥，V·皮赫拉亚涅米，M·西波宁，O·帕斯蒂宁，I·莱赫托迈基，S·拉克索，O·米吕迈基，P·科斯基宁，
申请(专利权)人：耐思特公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI