用于处理纤维素类生物质的方法和组合物和由此生产的产品技术

描述了用于活化纤维素原料的两步法。将原料在大于190℃的温度下进行第一高温活化步骤，以及在碱性条件下的较低温度下进行第二活化步骤。还描述了用于使用一种或多种纤维素酶、表面活性剂和聚天冬氨酸将活化纤维素酶水解的方法和组合物。还描述了该方法的产物。

Methods and compositions for the processing of cellulosic biomass and the products produced therefrom

The two step method for activating cellulose material is described. The activation step of the first high temperature is carried out at the temperature of 190 degrees C, and the second activation step is carried out at the lower temperature under the alkaline condition. The methods and compositions for using one or more cellulases, surfactants and polyaspartic acid to hydrolyze the activated cellulase are also described. The product of the method is also described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于处理纤维素类生物质的方法和组合物和由此生产的产品相关申请的交叉引用本申请根据“巴黎公约”要求于2015年4月10日提交的美国申请号62/145,785和于2015年10月26日提交的美国申请号62/246,271的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
本申请涉及用于处理纤维素类生物质以产生纤维素糖的方法。在一个方面，提供了用于活化纤维素原料和/或酶水解以产生葡萄糖的方法。还提供了活化的纤维素原料以及由该活化的纤维素原料的酶水解所产生的产物。
技术介绍
由纤维素类生物质产生糖类(如葡萄糖)已经成为大量研究与开发的焦点。然而，许多方法的高成本和低转化率限制了纤维素糖技术的广泛应用。许多不同的将纤维素类生物质转化为糖的方法是本领域已知的。这些方法通常包括预处理步骤(其中以物理和/或化学的方式改变纤维素类生物质以打开纤维素类生物质所含的聚合糖的结构)，以及酶或化学水解步骤(其中将聚合糖分解成单糖)。虽然已经报道了基于纤维素的高产率葡萄糖(>90％)，但是这些产率通常是在低浓度的葡萄糖(通常为2-5％)下实现的。由于葡萄糖的存在通常会降低纤维素酶的活性(即使酶加载量较高)，因此难以实现导致具有高产率和高浓度葡萄糖的方法。纤维素酶活性随着时间的推移而降低，因此需要在酶水解反应中加入新鲜酶以保持产率。然而，纤维素酶的高成本可能过高。纤维素酶也可以与难降解的纤维素和/或木质素结合，因而不能用于将纤维素进一步水解成葡萄糖。这种非生产性结合也阻碍了所期望以减少酶使用和降低操作成本的酶的再循环。已经开发了用于预处理纤维素原料的各种不同方法，并且已经开发了各种酶水解方法以将经处理的纤维素原料转化为糖。例如，Parekh(PCT公开号WO2014/026154)描述了用于主要在酸性条件下对木质纤维素类生物质进行两阶段预处理方法。Schiffino等人(美国公开号2011/0250645)描述了用于从碱处理的生物质中改善单糖释放的方法。刘等人(美国公开号2011/0300586)描述了用于木质纤维素类生物质的两阶段预处理方法，目的是降低纤维素的结晶度并解离半纤维素-纤维素复合物。实施例包括低度蒸汽处理或自发水解，然后用稀酸或热水进行水解。
技术实现思路
本
技术实现思路
旨在向读者介绍以下更详细的描述，而不是限制或定义任何要求保护的或尚未被要求保护的专利技术。一个或多个专利技术可以存在于本文件(包括其权利要求和附图)的任何部分中公开的元件或工艺步骤的任何组合或子组合中。根据一个广泛的方面，提供了活化纤维素原料以提高原料中的纤维素的化学和/或酶反应性的方法。然后可以将活化纤维素转化为纤维素糖，例如通过使活化纤维素进行酶水解。根据这一方面，可以对纤维素原料进行第一高温活化步骤，随后在碱性条件和较低温度下进行第二活化步骤。根据该实施方式，该方法可以包括使原料进行第一活化步骤，其中在大于190℃的温度和大于200psig的压力下处理原料以产生包含纤维素II和不溶性固体的第一活化纤维素流。不溶性固体可以包括除纤维素之外的原料组分，如木质素。随后，可以使第一活化纤维素流进行第二活化步骤，其中在比第一活化步骤温度低的温度下用碱处理第一活化纤维素流以产生包含纤维素IV的第二活化纤维素流。优选地，在水的存在下进行第一活化步骤。不受理论的限制，认为第一活化步骤改变纤维素原料中的纤维素的结晶形态，以产生含有相对于纤维素原料中的纤维素II的量比例更高的纤维素II的第一活化纤维素流。认为第二活化步骤进一步改变了第一活化纤维素流中的纤维素的结晶形态，以产生含有相对于第一活化纤维素流中的纤维素IV的量比例更高的纤维素IV的第二活化纤维素流。在一个实施方式中，本文所描述的两步活化方法产生了纤维素II、水合纤维素II和碱纤维素IV的混合物。任选地，可以在一个或每个活化步骤之后处理纤维素材料，例如洗涤和/或过滤，以除去可溶性非纤维素组分。还已经确定了用于活化本文所描述的纤维素的方法可以产生葡聚糖水平增加和/或纤维素原料中非纤维素组分(如木质素)水平降低的活化纤维素。例如，在一个实施方式中，本文所描述的方法产生了含有至少60％、至少70％或至少75％葡聚糖的活化纤维素。在一个实施方式中，本文所描述的方法产生了含有小于25％、小于20％或小于15％的木质素的活化纤维素。根据另一个广泛的方面，提供了用于稳定酶水解期间的酶、保持酶活性和/或得到酶再循环流的方法和组合物。根据另一个广泛的方面，提供了适用于在对纤维素进行酶水解中使用的酶水解混合物。在优选的实施方式中，酶水解混合物与根据本文所描述的方法所生产的活化纤维素接触。根据这些方面，提供了用于对纤维素进行酶水解的与表面活性剂和/或分散剂组合的一种或多种纤维素酶。不受理论的限制，认为纤维素酶与表面活性剂和/或分散剂形成复合物，该表面活性剂和/或分散剂可以稳定酶、有助于保持酶活性、防止酶降解和/或促进在酶水解后恢复酶。还认为分散剂如寡肽的存在通过与木质素和/或其它非纤维素组分相互作用来有助于防止纤维素酶的非生产性结合。在优选的实施方式中，表面活性剂是非离子表面活性剂，如聚山梨醇酯表面活性剂。在另一个优选的实施方式中，表面活性剂是表面活性剂(如TweenTM)、烷氧基化甘油酯和壬基苯酚的共混物。在一个实施方式中，分散剂是非酶促寡肽，任选地为聚氨基酸，任选地为分子量为500至10,000之间、1000至5000之间或3500至4500之间的聚氨基酸。在优选的实施方式中，聚氨基酸是聚天冬氨酸。本文所描述的方法和组合物提供了关于纤维素的活化和/或纤维素糖的生产的许多优点，这可以从一些实施例中获得。例如，在一些实施方式中，使用本文所描述的方法和组合物可以产生富含葡萄糖的糖流，该富含葡萄糖的糖流含有大于约12％的葡萄糖、大于约14％的葡萄糖、大于约16％的葡萄糖或大于约18％的葡萄糖。此外，在这些或其它实施方式中，本文所描述的方法和组合物可以产生高产率的单糖。例如，在一些实施方式中，本文所描述的方法和组合物可以使得葡萄糖产率大于约70％、大于约80％、大于约85％、大于约90％或大于约95％的葡萄糖理论产率。可以基于经受过酶水解的活化纤维素材料的葡聚糖含量来确定酶水解反应中葡萄糖的理论产率。在一些优选的实施方式中，本文所描述的方法和组合物可以产生具有高产率和高浓度的葡萄糖的富含葡萄糖的糖流。例如，在一个实施方式中，富含葡萄糖的糖流具有大于约12％的葡萄糖和大于70％的产率，或大于14％的葡萄糖和大于80％的产率，或大于16％的葡萄糖和大于90％的产率。根据另一个广泛的方面，提供了用于对活化纤维素进行酶水解以产生纤维素糖(如葡萄糖)的方法。根据该实施方式，可以以分批方法或连续方法进行酶水解。可以使用本文公开的酶水解混合物和/或活化纤维素进行酶水解。根据另一方面，提供了用于处理富含葡萄糖的糖流以除去用于酶水解的酶的方法。除去和/或循环使用用于酶水解的酶可以减少酶水解所需的酶量，并因此降低与生产纤维素糖相关的成本。例如，本文所描述的方法和组合物可用于使酶水解后的酶再循环流中的纤维素酶活性恢复至少60％、至少70％、至少80％或至少85％。可以循环使用该酶再循环流以继续处理该活化纤维素和/或可以将其用于处理新鲜的活化纤维素，如本文本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于活化纤维素原料的两步法，所述方法包括：(a)对所述原料进行第一活化步骤，其中在大于190℃的温度和大于200psig的压力下处理所述原料以产生包含纤维素II和不溶性固体的第一活化纤维素流；(b)对所述第一活化纤维素流进行第二活化步骤，其中在比所述第一活化步骤温度低的温度下用碱处理所述第一活化纤维素流以产生包含纤维素IV的第二活化纤维素流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.10 US 62/145,785;2015.10.26 US 62/246,2711.一种用于活化纤维素原料的两步法，所述方法包括：(a)对所述原料进行第一活化步骤，其中在大于190℃的温度和大于200psig的压力下处理所述原料以产生包含纤维素II和不溶性固体的第一活化纤维素流；(b)对所述第一活化纤维素流进行第二活化步骤，其中在比所述第一活化步骤温度低的温度下用碱处理所述第一活化纤维素流以产生包含纤维素IV的第二活化纤维素流。2.根据权利要求1所述的方法，其中在水的存在下进行所述第一活化步骤。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一活化步骤包括使所述原料经受200至500psig之间的压力和200至250℃之间的温度1至30分钟。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一活化步骤包括使所述原料经受200至500psig之间的压力和190至215℃之间的温度少于4分钟。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括在所述第二活化步骤之前洗涤所述第一活化纤维素流以除去可溶性非纤维素组分。6.根据权利要求5所述的方法，其中洗涤所述第一活化纤维素流包括使用约50至95℃的水，任选地使用逆流洗涤。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述第一活化纤维素流具有约30-50％(wt/wt)的固体含量。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述第二活化步骤包括使所述第一活化纤维素流经受60至240℃之间的温度15至120分钟。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二活化步骤包括使所述第一活化纤维素流经受80至150℃之间的温度至少60分钟。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述第二活化步骤是在超大气压下，任选地在约0.1至400psig之间进行的。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述第二活化步骤中的所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁和氨中的一种或多种。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述第二活化步骤中的所述碱包括氢氧化钠，并且所述氢氧化钠的加载量为所述第一活化纤维素流中的所述不溶性固体的约10％至1％之间或优选小于约6％。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述第二活化步骤是在氧化剂和/或酶，任选地漆酶或木质素修饰酶的存在下进行的。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述氧化剂是过氧化氢，任选地其加载量为所述第一活化纤维素流中的所述不溶性固体的小于1％。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述第二活化纤维素流包含纤维素II、水合纤维素II和碱纤维素IV的混合物。16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，还包括洗涤所述第二活化纤维素流以除去可溶性非纤维素组分。17.根据权利要求16所述的方法，其中洗涤所述第二活化纤维素流包括使用约60至95℃的水，任选地使用逆流洗涤。18.一种用于生产富含葡萄糖的糖流的方法，包括使由权利要求1至17中任一项所述的方法获得的第二活化纤维素流与一种或多种纤维素酶接触以产生所述富含葡萄糖的糖流。19.根据权利要求18所述的方法，其中选择所述一种或多种纤维素酶以将1,4-β-D-糖苷键水解成单糖。20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述一种或多种纤维素酶包括具有纤维二糖水解酶活性、内切葡聚糖酶活性和β-葡糖苷酶活性中的至少一种活性的酶，任选地为市售可得的NovozymesCtec2或3，ABEnzymesRohament。21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，还包括使所述第二活化纤维素流与表面活性剂和/或分散剂接触。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述分散剂是寡肽，任选地分子量在500至10,000之间或1000至5000之间的非酶促多肽。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述多肽是聚天冬氨酸。24.根据权利要求22或23所述的方法，其中将所述多肽以所述第二活化流的所述纤维素含量的小于2重量％、1重量％至0.001重量％之间、0.25重量％至0.025重量％之间、或约0.1重量％的加载量添加至所述第二活化纤维素流。25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中所述表面活性剂是非离子型表面活性剂，任选地为聚山梨醇酯表面活性剂，如TweenTM。26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中所述表面活性剂是包含吐温、烷氧基化甘油酯和壬基苯酚的表面活性剂的共混物。27.根据权利要求25或26所述的方法，其中将所述表面活性剂以所述第二活化流的所述纤维素含量的小于2重量％、1重量％至0.01重量％之间、0.5重量％至0.05重量％之间或约0.1重量％至0.2重量％之间的加载量添加至所述第二活化纤维素流。28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中将所述一种或多种纤维素酶、所述表面活性剂和所述分散剂单独地添加至所述第二活化纤维素流。29.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中所述一种或多种纤维素酶在与所述第二活化纤维素流接触之前，与所述表面活性剂和所述分散剂混合，任选地混合至少10秒。30.根据权利要求29所述的方法，其中所述一种或多种纤维素酶与所述表面活性剂和所述分散剂形成三元复合物。31.根据权利要求18至30中任一项所述的方法，其中将所述一种或多种纤维素酶以0.1至120，任选地0.1至5mg酶蛋白/g葡聚糖的加载量添加至所述第二活化纤维素流。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述一种或多种纤维素酶以约2至60FPU/g葡聚糖的加载量添加至所述第二活化纤维素流。33.根据权利要求18至32中任一项所述的方法，其中所述第二活化纤维素流与所述一种或多种纤维素酶接触24至144小时之间、48至144小时之间、48至60小时、24至96小时之间、少于60小时或少于48小时以产生所述富含葡萄糖的糖流。34.根据权利要求18至33中任一项所述的方法，还包括对所述富含葡萄糖的糖流进行酶去除处理并获得富含葡萄糖且贫含酶的糖流以及酶再循环流。35.根据权利要求34所述的方法，其中所述酶去除处理包括：(a)使所述包含酶的富含葡萄糖的糖流与纤维素接触并获得具有吸附在其上的酶的纤维素；和(b)使所述富含葡萄糖的糖流进行纤维素去除步骤以获得纤维素水平降低的所述富含葡萄糖且贫含酶的糖流以及所述酶再循环流。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述富含葡萄糖的糖流与活化纤维素，任选地根据权利要求1至17中任一项所述的方法制备的所述第二活化纤维素流接触，且任选地接触少于约60分钟。37.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述纤维素去除步骤包括过滤，并且任选地所述酶再循环流包含大于约40wt％的纤维素固体。38.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，还包括将所述酶再循环流与新鲜的活化纤维素合并。39.根据权利要求35至38中任一项所述的方法，还包括重复权利要求35的所述纤维素去除步骤。40.根据权利要求18至39中任一项所述的方法，其中所述富含葡萄糖的糖流包含大于约12％的葡萄糖、大于约14％的葡萄糖、大于约16％的葡萄糖或大于约18％的葡萄糖。41.根据权利要求18至40中任一项所述的方法，其中所述方法产生的葡萄糖产率大于葡萄糖理论产率的约70％、大于约80％、大于约85％、大于约90％或大于约95％。42.一种用于从活化纤维素生产富含葡萄糖的糖流的方法，所述方法包括使活化纤维素与一种或多种纤维素酶、表面活性剂和聚天冬氨酸进行酶水解以产生所述富含葡萄糖的糖流。43.根据权利要求42所述的方法，其中选择所述一种或多种纤维素酶以将1,4-β-D-糖苷键水解成单糖。44.根据权利要求42或43所述的方法，其中所述一种或多种纤维素酶包括具有纤维二糖水解酶活性、内切葡聚糖酶活性和β-葡糖苷酶活性中的至少一种活性的酶。45.根据权利要求42至44中任一项所述的方法，其中所述聚天冬氨酸具有500至10,000之间的分子量。46.根据权利要求42至44中任一项所述的方法，其中所述聚天冬氨酸具有1000...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·理查德，丹尼斯·达戈斯蒂诺，
申请(专利权)人：彗星生物炼制公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA