发酵含木素纤维素材料制造技术

本发明专利技术涉及发酵经水解的经预处理的含木素纤维素材料产生发酵产物的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及基于含木素纤维素材料的发酵方法。
技术介绍
由于化石燃料有限的储量和对温室气体排放的担忧，人们越来越多地关注使用可 再生能源。包含含木素纤维素材料的植物材料可由发酵生物(包括细菌、酵母和真菌)转化 为可发酵的糖，并用作能源用于工业目的。例如，含木素纤维素材料可由酶转化为糖，且所 得的糖可用作原料供工业微生物产生产物，如塑料和乙醇。由含木素纤维素材料的发酵生成发酵产物(如乙醇)在本领域中是已知的，并且 通常包括含木素纤维素材料的预处理、水解和发酵。含木素纤维素材料的预处理导致例如，乙酸、酚类和呋喃由含木素纤维素材料释 放，所述材料在水解和发酵期间可以不可逆地结合加入的酶。这些化合物也可对于发酵生 物体的代谢是有毒的，并且抑制发酵生物体的性能。为了克服对酵母的这种抑制，实践中将 水解物稀释，并在低干固体浓度的条件下发酵，从而实现了对所述抑制化合物浓度的相应 的稀释。通过增加pH可减少特别是乙酸和其它弱酸对酵母的毒性也是众所周知的。然而， 为了控制腐败(spoilage)细菌的污染，对经水解的含木素纤维素材料的发酵通常在酸性 PH(低于5. 5)进行。因此，经水解的含木素纤维素材料的发酵通常在低pH和低干固体浓度 进行。需要从含木素纤维素材料产生发酵产物的改进的方法。专利技术概述本专利技术人现已发现，可在较高pH发酵经水解的含木素纤维素材料的醪液(mash)， 并同时控制腐败细菌的污染。这是通过在发酵过程中使用非常高的干固体浓度来实现的。 不拘于理论，相信虽然弱酸(如乙酸)对发酵生物的毒性在高PH时减少从而允许发酵生物 的增殖，但是腐败细菌的生长受高浓度的其它抑制化合物控制。因此，本专利技术在第一个方面涉及从含木素纤维素材料产生发酵产物的方法，包括 下述步骤(a) (i)预处理含木素纤维素材料的材料，(a) ( )水解经预处理的含木素纤维 素材料，(b)使用发酵生物发酵在步骤(a)中获得的水解物，和(c)任选地，回收所述发酵 产物，其中，在步骤(b)中的发酵过程中，pH为5. 5-9.0，而高的干固体浓度为至少20%。在第二个方面，本专利技术涉及产生发酵产物的方法，所述方法包括(a)提供经预处 理的含木素纤维素材料的水解物，(b)将所述水解物与发酵生物相接触以产生发酵产物，和 (c)任选地，回收所述发酵产物，其中，在步骤(b)中的发酵过程中，pH为5. 5-9.0，而高的 干固体浓度为至少20%。在上述方面中，所述发酵生物优选酵母，而发酵产物优选乙醇。上述方面步骤的具体细节如下所述(例如，在“预处理”、“水解”和“发酵”部分 中)。具体实施例方式★储震胃遍本文使用的术语“含木素纤维素材料”指主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的 材料。该术语与“木素纤维素材料”同义。这种材料经常称为“生物质”。本专利技术包括任何含木素纤维素材料。含木素纤维素材料可以是包含木质纤维 素的任何材料。在一个优选实施方案中，含木素纤维素材料包含至少30wt. %，优选至少 50wt. %，更优选至少70wt. %，甚至更优选至少90wt. %的木质纤维素。应理解的是，含木 素纤维素材料还可以包含其它组分，如蛋白质材料、淀粉、糖，如可发酵的糖和/或不可发 酵的糖。通常在例如植物的茎、叶、壳、皮和穗轴或树的叶、枝和木材中发现含木素纤维素 材料。含木素纤维素材料还可以是，但不限于，草本材料、农业残余物、林业残余物、城市固 体废物、废纸，和纸浆和造纸厂残余物。在本文应理解的是，含木素纤维素材料可以是植物 细胞壁材料的形式，其在混合的基体中包含木质素、纤维素和半纤维素。在一个优选实施方案中，含木素纤维素材料包括玉米秸秆、玉米纤维、稻草、松木、 木屑/刨花(wood chip)、杨木、甘蔗渣、纸和纸浆(pulp)处理废物中的一种或多种。其它含木素纤维素材料的实例包括硬木，如杨木和桦木，软木，谷类草杆(cereal straw)，如麦秆(wheat straw)，柳枝稷(switchgrass)，城市固体废物，工业有机废物，办公 用纸，或它们的混合物。在一个优选实施方案中，木素纤维素材料是玉米秸秆或玉米纤维，优选通过蒸汽 爆炸(steam explosion)预处理，优选经酶法水解，并在约6的pH和约30%的干固体浓度 用酵母发酵产生乙醇。所述乙醇优选回收用作燃料乙醇。预处理木素纤维素的结构对酶法水解而言不是直接可及的。因此，必须预处理含木素纤 维素材料(例如，通过在充分的压力和温度条件下酸水解)以打破木质素的密封并破坏纤 维素的晶体结构。这导致半纤维素和纤维素级分的溶解(solubilization)。然后可将纤维 素和半纤维素用酶水解，例如，通过纤维素酶酶(纤维素分解酶)，以将糖聚合物转化为可 发酵的糖，其使用发酵生物(例如，酵母)，可发酵为期望的发酵产物(如乙醇)。任选地， 所述发酵产物可(例如，通过蒸馏)回收。当预处理含木素纤维素材料时，产生了可能抑制酶和/或可能对发酵生物有毒性 的降解产物。这些降解产物严重地减少了水解和发酵两者的速率。预处理含木素纤维素材料的方法在本领域是众所周知的。本专利技术涵盖的方法的实 例描述于下面“预处理”部分。经预处理的木素纤维素降解产物包括木质素降解产物、纤维素降解产物和半纤维 素降解产物。经预处理的木质素降解产物本质上可为酚。半纤维素降解产物包括来自糖(如己糖和/或戊糖)的呋喃，所述糖包括木 糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖。半纤维素的实例包括木聚糖、半乳葡甘露聚糖 (galactoglucomannan)、阿拉伯半乳聚糖(arabinogalactan)、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖 (arabinoglucuronoxylan)、葡糖醛酸木聚糖(glucuronoxylan)，及其衍生物和组合。抑制化合物(即，经预处理的木质纤维素降解产物)的实例，包括4-0H苯甲醇， 4-0H苯甲醛，4-0H苯甲酸，三甲基苯甲醛，2-糠酸，香豆酸，阿魏酸，酚，愈创木酚，藜芦醚， 连苯三酚(pyrogallollol)，连苯三酚单甲酯，香草醇，香草醛，异香草醛，香草酸，异香草 酸，高香草酸(homovanillic acid)，藜芦醇，藜芦醛，藜芦酸，2_0_甲基五倍子酸，丁香醇， 丁香醛，丁香酸，三甲基五倍子酸，高儿茶酚，乙基香草醛，木焦油醇，对甲基苯甲醚，茴香 醛，茴香酸，糠醛，羟甲基糠醛，5-羟甲基糠醛，甲酸，乙酸，乙酰丙酸，桂皮酸，松柏醛，异丁 子香酚，对苯二酚，丁子香酚或它们的组合。其它抑制化合物可见于，例如Luo等，2002， Biomass and Bioenergy 22 125-138。可以以任何合适的方式预处理含木素纤维素材料。预处理可以在水解和/发酵前 和/或期间进行。在一个优选实施方案中，在发酵前和/或期间，将经预处理的材料水解，优 选酶水解。预处理的目的是分离和/或释放纤维素，半纤维素和/或木质素，并且这种方式 可以改善水解速率(rate of hydrolysis)。预处理方法如湿氧化和碱预处理靶向(target) 木质素，而稀酸和自水解靶向半纤维素。蒸汽爆炸(steam explosion)是靶向纤维素的预 处理的实例。根据本专利技术，步骤(a)中的预处理可以是使用本领域公知技术的常规预处理步 骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从含木素纤维素材料产生发酵产物的方法，包括下述步骤：　　（ａ）（ｉ）预处理含木素纤维素材料；（ｉｉ）水解经预处理的含木素纤维素材料；　　（ｂ）使用发酵生物发酵在步骤（ａ）中获得的水解物；　　（ｃ）任选地，回收所述发酵产物，　　其中，在步骤（ｂ）中的发酵过程中，ｐＨ为５．５－９．０，而所述干固体浓度为至少２０％。

【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：任海彧，
申请(专利权)人：诺维信公司，
类型：发明
国别省市：DK