由生物质生产可溶性糖的方法技术

本发明专利技术提供用于生产可溶性糖的酶介导的生物质水解的方法，其中所述方法包括向酶溶液稳定添加小份的生物质，实现生物质的快速溶解。用于酶糖化的方法实现生物质载量增加、酶再循环以及底物和产物抑制效应的减轻。未水解的生物质与可溶性酶一起再循环确保所述酶的完全重复用于有效的重复水解，由此增加所使用的酶的总体生产力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种由生物质生产可溶性糖的方法，该生物质还用于生产有价值的产品，例如燃料和其它化学品，包括乙醇。
技术介绍
虽然长期以来，生物质作为一种有前景的可再生燃料能源，但仍需要更有效的将生物质转化为合适生物燃料的方法。纤维素和木质纤维素原料和废物，例如农业残渣、木材、林业废物、造纸污泥和城市和工业固体废物，为生产诸如燃料和其它化学品等有价值的产品提供了潜在的可再生原料。植物材料也是可转化为生物燃料的诸如葡萄糖等可发酵糖的重要来源。植物材料中的糖由包括纤维素、半纤维素、葡聚糖和木质素的长链聚合物组成。因此需要把这些聚合物分解成单体糖。将生物质转化为可发酵糖的方法是本领域已知的，通常主要包括以下二个步骤：预处理步骤，使植物结构变松，和化学或酶水解步骤，将纤维素和半纤维素的高分子链转化为单糖，单糖又进一步被发酵为有用的产品。预处理步骤是精细的平衡行为，旨在打开纤维，以使得酶可接近，同时使糖损失和抑制物的产生最小化，从而确保高产量和适于酶水解及发酵的底物。使用预处理方法，使纤维素和木质纤维素材料的碳水化合物聚合物对于糖化/水解酶更易处理。然后，使用诸如半纤维素酶和纤维素酶等酶对预处理后的混合物进行酶水解，酶催化半纤维素或纤维素水解成水解产物中的寡糖和/或单糖。对水解产物进一步进行发酵生产生物燃料。用于从预处理后的生物质生产可发酵糖的糖化酶通常包括一种或多种糖苷酶，例如纤维素水解糖苷酶、半纤维素水解糖苷酶、淀粉水解糖苷酶，以及肽酶、脂肪酶，木质素酶和/或阿魏酸酯酶。Lynd,L.R.等人(Microbiol.Mo.Bio.Rev.(2002)66:506-577)综述了用于生物质处理的糖化酶和方法。美国专利US20090053777公开了一种使预处理后生物质进行糖化而得到高浓度可发酵糖的方法。分批进料反应器系统包括多个粒径减小步骤，并混合以在垂直搅拌槽中保持彻底的混合。该方法包括：提供一部分可混的预处理后生物质浆料；和部分复合糖化酶，其包括至少一种能够水解纤维素的酶；使所述浆料和酶在25℃至60℃的温度和pH4.5至6.0下反应；应用粒径减小装置；加入另一部分预处理后生物质，产生较高固体生物质浆料；使所述较高固体生物质浆料在上述条件下反应，其中重复该步骤两次以上，以产生高含糖量的水解产物；其中预处理后生物质的干重在24％-30％之间，以获得水解终产物重量的20％。WO2011157427描述了一种用于纤维素生物质的酶水解的连续方法，其中该方法包括将预定量的纤维素生物质和酶加入连续搅拌的罐反应器，对纤维素生物质进行部分酶水解，其中部分水解的纤维素生物质被连续移走。所述纤维素生物质的固体含量为10-45％之间。WO2006063467公开了一种用于预处理后纤维素的酶水解的连续方法系统，其包括：将预处理后纤维素原料的含水浆料加入垂直柱水解反应器的底部。通过避免混合并使浆料平均流速保持在每小时约0.1-约20英尺而限制反应器中的轴向扩散，使未溶解的固体以比液体慢的速度向上流动。将含水浆料加入反应器的步骤前或期间，将纤维素酶添加至含水浆料。分离包括水解产物和未水解固体的含水物流，并在同一反应器中再循环未水解的纤维素。文中也描述了包括纤维素酶和絮凝剂的酶组合物，使酶暴露于底物，进行水解过程。相应酶载量为32单位/克纤维素至485单位/克纤维素的条件下，纤维素转换为葡萄糖所需的时间是48至200小时。US20100255554公开了一种优化分批进料水解过程的方法，其中水解时间通过控制进料添加体积和/或分批添加频率或预水解物和酶原料而最小化。上述方法包括：用水填充反应容器；加入纤维素酶；并向反应容器顺序加入木质纤维素预水解物生物质进料以产生反应混合物，其中在20小时的总进料时间内以预定的批体积和批添加频率分批次添加预水解物进料，以获得最终反应混合物中的预选择的终浓度和预选择的干物质含量。在反应混合物中达到70-90％的理论上的纤维素向葡萄糖的转化，其中批加入频率为每80-105分钟一批，预选择的终浓度为24％，总进料时间为80-120小时。根据现有技术所描述的方法，生物燃料生产采用的主要方法包括三个主要步骤，即生物质处理、酶水解以及糖发酵，以获得生物燃料。酶水解过程面临的主要障碍是反应速率低，酶的成本高，产物浓度低。如现有技术中所描述的方法，上述问题通过用高不溶性固体浓度操作酶水解来克服。然而，高不溶性固体浓度的糖化反应将不得不面临浓稠纤维悬浮液的流变学性质所致的粘性增加、混合所需的能量高、酶剪切活化和传热不良的挑战。因此，需要开发一种能够克服上述问题的方法。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是提供一种生产可溶性糖用的酶介导的生物质水解方法，其中所述方法包括向酶溶液中稳定添加小部分生物质，实现迅速溶解。这使得添加生物质而在反应混合物中具有高浓度的底物，而实现高底物载量下有效的糖化。与可溶性酶一起再循环未水解的生物质确保所述酶全部再用于反复水解，从而提高所用酶的总生产率。本专利技术的另一方面是提供一种由生物质生产可溶性糖的方法，其中所述方法包括：在40-60℃范围的温度下，在反应容器中以4-6的pH范围制备酶溶液；将一批全纤维素(holocellulose)百分比(％)在70-100％范围且含水量在10-80％(w/w)的生物质添加至步骤(a)的酶溶液，同时保持pH值在4-6的范围且温度为40-60℃，得到含有预定生物质：酶比例的初始反应混合物，其中该初始反应混合物中的预定生物质：酶比例在1:104至l:106(kg生物质/酶FPU)范围内；在30-90分钟内如步骤(b)反复分批添加剩余生物质，以获得最终反应混合物中10-30％的固体载量，其中生物质:酶比保持在1:103至1:105(kg酶生物质/酶FPU)的范围内。使该最终反应混合物补充反应5-120分钟，得到生物质水解物，其中实现40-80％的生物质溶解。将来自步骤(d)的生物质水解物的固体液体成分进行分离，以获得包括可溶性糖和酶的滤液，以及未水解生物质和吸附的酶的残渣；将可溶性酶从滤液中存在的可溶性糖分离；和将来自步骤(e)的残渣和来自步骤(f)的分离的可溶性酶再循环至步骤(b)，以保持生产可溶性糖用的预定的生物质:酶比例。本专利技术的一个方面提供了一种反应容器系统中预处理后生物质进行酶介导水解以生产可溶性糖的方法。用于酶糖化的方法主要分为三类，即，(a)提高反应器中的累积生物量；(b)再循环酶；(c)减少抑制作用。因此，本专利技术增加了可溶性糖生产中总固体含量。附图说明将参照以下附图进一步描述本专利技术：图1描绘了逐渐进料添加生物质以获得高底物浓度的方法。该方法涉及以稳定的时间间隔添加进料，使获得15％的最终固体载量。对由此产生的溶解反应混合物进行超滤，以分离由未水解残渣和可溶性酶组成的渗余物以及由可溶性糖组成的渗透物。本文使用的术语“进料份”是指向反应混合物逐步添加的底物批次。本文使用的术语“未水解残渣”是指溶解后剩下的不溶性生物质，其被再循环进入反应供进一步使用。具体实施方式本专利技术中，多个术语用于描述本专利技术。术语的定义如下：定义：本文使用的术语“生物质”是指生物质，其包括玉米芯、玉米秸秆、玉米纤维、玉米壳、锯末、小麦秸秆、甘蔗渣、柳枝稷、稻草秸秆和草；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从生物质生产可溶性糖的方法，所述方法包括：a.在40‑60℃范围的温度下，在反应容器中以范围在4至6的pH制备酶溶液；b.将一批全纤维素％在70‑100％范围且含水量在10‑80％(w/w)范围的生物质添加至步骤(a)的所述酶溶液，同时保持pH值在4‑6的范围且温度为40‑60℃，以获得含有预定生物质:酶比例的初始反应混合物，其中所述初始反应混合物中的所述预定生物质:酶比例在1:104至l:106(kg生物质/酶FPU)的范围内；c.在30‑90分钟内如同步骤(b)反复分批添加剩余的生物质，以获得最终反应混合物中10‑30％的固体载量，其中生物质:酶比例保持在1:103至1:105(kg生物质/酶FPU)的范围内；d.使所述最终反应混合物补充反应5‑120分钟，以获得生物质水解物，其中实现40‑80％的生物质溶解；e.分离来自步骤(d)的所述生物质水解物的固体‑液体成分，以获得包括可溶性糖和可溶性酶的滤液，以及未水解生物质和吸附的酶的残渣；f.将所述可溶性酶从所述滤液中存在的可溶性糖分离；和g.将来自步骤(e)的所述残渣和来自步骤(f)的分离的所述可溶性酶再循环至步骤(b)，以保持生产可溶性糖用的所述预定的生物质:酶比例。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.16 IN 154/MUM/20141.一种从生物质生产可溶性糖的方法，所述方法包括：a.在40-60℃范围的温度下，在反应容器中以范围在4至6的pH制备酶溶液；b.将一批全纤维素％在70-100％范围且含水量在10-80％(w/w)范围的生物质添加至步骤(a)的所述酶溶液，同时保持pH值在4-6的范围且温度为40-60℃，以获得含有预定生物质:酶比例的初始反应混合物，其中所述初始反应混合物中的所述预定生物质:酶比例在1:104至l:106(kg生物质/酶FPU)的范围内；c.在30-90分钟内如同步骤(b)反复分批添加剩余的生物质，以获得最终反应混合物中10-30％的固体载量，其中生物质:酶比例保持在1:103至1:105(kg生物质/酶FPU)的范围内；d.使所述最终反应混合物补充反应5-120分钟，以获得生物质水解物，其中实现40-80％的生物质溶解；e.分离来自步骤(d)的所述生物质水解物的固体-液体成分，以获得包括可溶性糖和可溶性酶的滤液，以及未水解生物质和吸附的酶的残渣；f.将所述可溶性酶从所述滤液中存在的可溶性糖分离；和g.将来自步骤(e)的所述残渣和来自步骤(f)的分离的所述可溶性酶再循环至步骤(b)，以保持生产可溶性糖用的所述预定的生物质:酶比例。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质是选自但不限于包括以下的组的农产品：玉米芯、玉米秸秆、玉米纤维、玉米壳、锯末、小麦秸秆、甘蔗...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·拉里，A·A·欧达内斯，S·H·伯哈德，J·J·维多利亚，S·C·萨万特，
申请(专利权)人：印度生物技术部，印度化工学院，
类型：发明
国别省市：印度;IN