处理木质纤维素材料的两步酶水解方法技术

本发明专利技术公开了一种处理植物材料以释放可发酵的糖的方法。更特别地，本发明专利技术公开了一种两步酶水解方法，所述方法用于处理木质纤维素材料并产生富含糖的工艺流，然后富含糖的工艺流可进行发酵以产生生物燃料和化学物质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及一种处理植物材料以释放可发酵的糖的方法。更具体地，本申请涉及 两步酶水解方法，用于处理木质纤维素材料并产生富含糖的工艺流(process stream)，然 后该工艺流可进行发酵以产生生物燃料和化学物质。
技术介绍
虽然在很长时间内已经表明生物量(biomass)是有前景的可再生燃料能源的来 源，但是仍然需要更有效的方式将生物量转化成合适的生物燃料。植物材料是可发酵的糖 的重要来源，例如可以被转化为生物燃料的葡萄糖。但是，植物材料中的糖以纤维素和半纤 维素的长的聚合物链的形式存在。使用目前的发酵方法，需要在发酵步骤之前将这些聚合 物链分解为单糖(monomeric sugars)。将植物生物量转化为可发酵的糖的方法在本领域是已知的，一般来讲，其包含两 个主要步骤使植物结构变得疏松的预处理步骤，以及将纤维素和半纤维素的聚合物链转 化为单糖的酶或化学水解步骤。已经应用了几种方式用于预处理步骤，例如自动水解、酸 水解、氨激活、硫酸盐制浆(kraft pulping)、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗透、石灰预处 理、苛性溶剂制浆或碱过氧化物预处理。每种预处理技术具有不同的对于植物结构的作用 机理，其诱导物理的和/或化学的变化。但是，预处理的主要目标是使得植物材料可以接近 酶。在自动水解过程中，结合到半纤维素的乙酰基团被蒸汽和压力分解释放有机酸(如乙 酸)，提供了温和酸水解的条件。虽然是简单的过程，但是可发酵的糖的产率较差，另外该过 程需要大量的能源。Jakobsen等人(美国专利号5，874，274)公开了使用木聚糖酶和纤维素酶降低植 物材料粘性的单步酶方法的用途，特别是用于处理小麦。
技术实现思路
本申请涉及从源自植物材料的原料制备富含糖的工艺流的两步酶水解方法。方法 和装置可以实现将至少60%、优选75%以上，更优选90%以上的纤维素和半纤维素转化为 单糖。然后富含糖的工艺流可进行发酵以产生醇流(alcohol stream)。来自发酵阶段的醇 流(即粗制醇流)可能含有大约3%至大约22%的乙醇含量(v/v)。可选的操作范围包括 大约5%至大约15%和优选的大约5%至大约22%以及大约8%至大约12%，优选为大约 8%至大约15%，更优选为大约8%至大约22% (v/v) 可以不使用玉米作为原料而获得这 样的醇浓度。纤维素的乙醇方法，即从来自于非玉米植物纤维(即排除玉米粒的植物纤维)的 纤维素和/或半纤维素的分解获得的糖中产生乙醇的方法，通常产生乙醇含量为大约2% 至6% (v/v)的粗制醇流。使用本专利技术描述的方法和装置，纤维素乙醇植物可以产生醇浓度 与基于玉米的乙醇植物(即从玉米中的淀粉中获得的糖产生乙醇的植物)中获得的醇浓度 相当的粗制醇流。因此，本专利技术的方法和装置的一个优点是相对于现在的有纤维质的乙醇植物技术，从粗制醇流中除去水(以产生浓度与基于玉米的乙醇植物的产品流的浓度相当 的燃料乙醇流)的量有实质性减少。由于燃料乙醇流通常通过蒸馏产生，所以本文描述的 方法和装置实质上降低了蒸馏过程所需的能量，可选地，与现在的纤维素乙醇植物技术相 比，实质上减小了蒸馏柱的尺寸(即直径)。此外，由于粗制乙醇流中的乙醇浓度增加，所以 与现在的有纤维质的乙醇植物技术相比，发酵体积下降了 2至3倍。在一个具体实施方式中，将原料进行第一个酶水解过程以降低原料的粘性并产生 低粘性的流出流。在一个具体实施方式中，低粘性的流出流的粘性优选为比最初的原料浆 低至少大约15 %，优选为低至少大约20 %，更优选为低至少大约50 %，最优选为低至少大 约90%。在第一个酶水解中，纤维素和半纤维素被分解，优选被分解为可溶性的寡糖。在这 个步骤中，优选为优先水解半纤维素而不是纤维素(例如，相对于原料中的纤维二糖来说， 优先作用于原料中的半纤维素)。例如，这个处理步骤可以使用包含半纤维素酶和纤维素酶 活性的酶制剂。虽然将认识到合适的酶制剂通常含有可作用于纤维素的酶，但优选为只有 一部分的纤维素被转化。然后，将来自第一个酶水解过程的产物流(其含有较低的粘性)进行第二个酶水 解过程。第二个酶水解过程优选使用水解纤维素并将寡糖转化为适合于发酵的单糖的酶。 优选地，这种第二个酶制剂包含葡萄糖苷酶活性。例如，第二个酶制剂可以具有将纤维 素和纤维二糖转化为单体和纤维寡糖的活性。在这个第二个酶水解过程中，优选地或基本 上所有的(例如优选至少大约60%，更优选至少大约75%，最优选至少大约90% )的剩余 纤维素和半纤维素及其各自的寡糖在想要的程度上但是优选为在商业上可行的程度上被 转化为单糖。不被理论所限，寡糖(特别是纤维二糖)对纤维素酶(特别是葡聚糖内切酶 (endo-gluconases)和纤维二糖水解酶(cellobiohydrolases))具有抑制效应。因此，在第 一个步骤中，以酶处理半纤维素和可选地处理纤维素，从而产生可溶性的糖。但是在进行该 步骤时，不将相当大部分的纤维素转化为单体或二体，例如纤维二糖。虽然将认识到酶水解 将产生一些单体和纤维二糖，但是进行该步骤时要防止酶的实质性的抑制。然后，在第二个 酶水解过程中，将寡糖进行酶水解以产生可发酵的糖(优选为单体)。优选地，第一个酶制剂优先作用于半纤维素。根据该具体实施方式，不被理论所 限，我们相信在这样的第一个酶水解过程中，半纤维素被分解为寡聚体和单体，它们作为水 性介质(优选为水)中可溶性化合物从纤维中释放出来。这个靶向酶过程通过分解半纤维 素并除去低分子量的化合物打开了纤维的结构。在本申请中，术语优先水解意思是所用的 酶的相当大一部分靶向半纤维素而不是靶向纤维素，虽然存在的一部分的酶仍然靶向纤维 素。优选地，第一步的优先水解包括水解大约60%或更多，优选为大约85%或更多的半纤 维素；优选水解掉大约25%以下，更优选大约15%以下的纤维素。所产生的更开放的纤维 结构允许酶(例如纤维素酶)更容易地进入纤维结构中并水解纤维素。因此，第二个酶水 解步骤使用优先靶向原料中的纤维素(相对于半纤维素来说)的酶，例如，第二个酶制剂优 先作用于原料中的纤维素和纤维二糖(相对于木聚糖来说)。将认识到，第二个酶水解步骤 可以使用包括靶向半纤维素的酶的酶制剂。但是，由于大部分的半纤维素可能已经在第一 步中被处理掉了，所以在第二个酶制剂中不需要相对大比例的这种酶。不被理论所限，我们相信在第一个酶水解阶段，木聚糖被转化为可溶性木聚糖(可溶性寡聚体)，并在一定程度上被转化为木糖；甘露聚糖酶转化为甘露糖。第一个酶制 剂优先作用于木聚糖的木糖残基的日-1，4键和甘露聚糖的甘露糖残基的0-1，4键。这些 反应速率与该阶段产生的粘性降低强烈相关。因此，我们相信半纤维素的酶水解至少部分 引起粘性的降低并可能是粘性降低的主要因素。但是，很多商售半纤维素酶制剂也具有纤维素酶活性，也可能引起粘性的降低。特 别地，随着半纤维素被水解，除了产生寡糖和单糖之外，水从纤维中释放出来。此外，这个水 解引起半纤维素和纤维素聚合物链的长度的降低。水的释放和分子链长度的降低也可能是 酶水解第一个阶段中反应器中混合物的粘性迅速降低的因素。在第一步酶水解过程中，半纤维素上的乙酰集团被除掉。在水性介质中，这些形成 乙酸。乙酸降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理包含纤维素、半纤维素和木质素的木质纤维素原料以产生富含糖的工艺流的方法，所述方法包括：ａ）使用第一个酶制剂将原料进行第一个酶水解过程，获得挥发性成分流和低粘性流出流；ｂ）使用第二个酶制剂将低粘性流出流进行第二个酶水解过程，获得富含糖的工艺流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-10-9 60/978,585一种处理包含纤维素、半纤维素和木质素的木质纤维素原料以产生富含糖的工艺流的方法，所述方法包括a)使用第一个酶制剂将原料进行第一个酶水解过程，获得挥发性成分流和低粘性流出流；b)使用第二个酶制剂将低粘性流出流进行第二个酶水解过程，获得富含糖的工艺流。2.根据权利要求1所述的方法，其中低粘性流出流的粘性比原料至少低15%。3.根据权利要求1所述的方法，其中低粘性流出流的粘性比原料至少低20%。4.根据权利要求1所述的方法，其中低粘性流出流的粘性比原料至少低50%。5.根据权利要求1所述的方法，其中相对于原料中的纤维二糖来说，第一个酶制剂优 先作用于原料中的半纤维素。6.根据权利要求1所述的方法，其中第一个酶制剂具有半纤维素酶活性和纤维素酶活性。7.根据权利要求6所述的方法，其中第一个酶制剂具有大约10%至大约90%的半纤维 素酶活性和90%至10%之间的纤维素酶活性。8.根据权利要求6所述的方法，其中第一个酶制剂具有大约30%至大约90%的半纤维 素酶活性和大约70%至大约10%的纤维素酶活性。9.根据权利要求8所述的方法，其中第一个酶制剂具有大约50%至大约90%的半纤维 素酶活性和大约50%至10%的纤维素酶活性。10.根据权利要求7所述的方法，其中半纤维素酶优先作用于木聚糖的木糖残基的 3 _1，4键和甘露聚糖的甘露糖残基的0-1，4键。11.根据权利要求1所述的方法，其中相对于原料中的木聚糖来说，第二个酶制剂优先 作用于原料中的纤维素和纤维二糖。12.根据权利要求11所述的方法，其中第二个酶制剂包含葡萄糖苷酶和纤维素酶， 其中葡萄糖苷酶和纤维素酶优先作用于纤维二糖和纤维素的0_1，4键。13.根据权利要求12所述的方法，其中3_葡萄糖苷酶和纤维素酶将第一个酶水解过 程产生的纤维素和寡糖完全转化为单糖。14.根据权利要求13所述的方法，其中至少60%的纤维素和寡糖被转化为单糖。15.根据权利要求14所述的方法，其中至少75%的纤维素和寡糖被转化为单糖。16.根据权利要求15所述的方法，其中至少90%的纤维素和寡糖被转化为单糖。17.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：MJ伯克，B萨维尔，C石泽，
申请(专利权)人：山奥朴达生物工艺公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]