在木质纤维转化工艺期间的浸取液的循环制造技术

本发明专利技术提供一种从木质纤维原料制作可发酵糖或发酵产物的方法。该方法包含：用水溶液浸取木质纤维原料以从木质纤维原料中去除至少钾盐并且不显著地水解半纤维素和纤维素，从而产生浸取原料和浸取液。从浸取液中去除浸取液并浓缩。水解该浸取原料以生成可发酵糖，所述可发酵糖可以被发酵以生成包含所述发酵产物的发酵液。将浓缩浸取液再循环至为调整方法料流的pH值而涉及添加碱的方法中的一个或多个阶段。

【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从木质纤维原料制作可发酵糖的改进方法。
技术介绍
植物细胞壁主要由大生物聚合物纤维素、半纤维素、木质素和果胶组成。纤维素由通过β_1，4糖苷键在直链中连接到一起的D-葡萄糖单元组成。半纤维素主要由包含通过β-1,4糖苷键连接到一起的D-木糖单元的线性木聚糖主链和通过β-1,2或β-1,3糖苷键或酯键连接至所述木糖单元的许多侧链(如L-阿拉伯糖、乙酸、阿魏酸等)组成。木质纤维原料是常用于描述包含纤维素、半纤维素和木质素的植物衍生生物质的术语。由于其成本低和广适用性，近年来投入了大量精力和努力来从木质纤维原料例如农业垃圾和林业垃圾产生燃料和化学物质(主要是乙醇)。这些农业和林业垃圾一般被燃烧和填埋；因此，使用这些木质纤维原料进行乙醇产生提供用于处理的有吸引力的替代方式。这些原料的另一优点在于，在纤维素转化方法之后残留的木质素副产物可以代替化石燃料用作向该方法供能的燃料。若干研究表明，当考虑到整个产生和消耗循环时，使用由纤维素产生的乙醇生成接近于零的温室气体。比较而言，来自原料例如玉米淀粉、糖甘蔗和糖甜菜的燃料乙醇所受累的局限在于这些原料已用作动物和人类的食物来源。使用这些原料的另一缺点在于在该转化方法中使用化石燃料。因此，这些方法对减少温室气体仅存有限的影响。也已考虑将木质纤维原料用于产生除了乙醇以外的其它产品。例如，近年来乳酸已在可生物降解的丙交酯聚合物的产生方面受到许多关注。期望的是该可生物降解的聚合物(由可再生资源产生)将在范围从包装到服装的应用中部分地替代各种石化基聚合物(van Maris 等人，2004, Mi crobial Export of Lactic and3-Hydroxypropanoic Acid Implications for Industrial Fermentation Processes,In Metabolic engineering ofpyruvate metabolism in Saccharomyces cerevisiae,Ed. Van Maris,第79页-第97页)。用于将木质纤维原料转换成乙醇或其它发酵产物的第一化学处理步骤涉及纤维素和半纤维素聚合物至糖单体(例如葡萄糖和木糖)的水解，所述糖单体在后续发酵步骤中转化成乙醇或其它发酵产物。纤维素和半纤维素的水解可以用单步骤化学方法实现，或用两步骤方法即较温和化学预处理继以用纤维素酶来酶水解该预处理的木质纤维原料来实现。在单步骤化学处理中，木质纤维原料在足以将原料的纤维素和半纤维素成分水解成糖单体的条件下与强酸或强碱接触。在两步骤化学-酶水解方法中，在与单步骤酸或碱水解方法中那些类似但更温和的条件下使木质纤维原料经受预处理。预处理的目的是增加纤维素表面积并将纤维原料转化为泥状质地，并将纤维素有限转化为葡萄糖。如果用酸进行预处理，则原料的半纤维素成分被水解成木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖。所得水解产物(其富集于衍生自半纤维素的戊糖中)可以与固体分离并用于后续的发酵方法中以将戊糖转化为乙醇或其它产物。在预处理步骤之后，用一种或多种纤维素酶例如外纤维二糖水解酶(CBH)、内葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶使纤维素经受酶水解。CBH和EG酶催化该纤维素(i3-l，4-D-葡聚糖键)的水解。CBH酶(CBHI和CBHII)作用于纤维素微纤维中葡萄糖聚合物的末端并释放纤维二糖，而EG酶作用于纤维素上的随机位置。同时地，纤维素酶将纤维素水解为纤维二糖，该纤维二糖接着被β -葡糖苷酶(β -G)水解为葡萄糖。如果葡萄糖为水解产物中存在的主要的糖，贝1J一般用酵母菌属(Saccharomycesspp.)菌株进行发酵。然而，如果水解产物包含从预处理中带来的显著比例的木糖和阿拉伯糖，则用天热含有、或被设计而含有使木糖和/或阿拉伯糖发酵为乙醇或其它产物的能力的微生物来进行发酵。已被基因改造以发酵木糖的微生物的例子包括重组酵母(Saccharomyces)菌株，其中已插入了(a)来自树干毕赤酵母(Pichia stipitis)的木糖还原酶(XR)和木糖醇脱氢酶(XDH)基因(美国专利号5，789，210,5, 866，382,6, 582，944和7，527，927和EP450530)或(b)真菌或细菌木糖异构酶(xl)基因(美国专利号6，475，768和 7，622，284)。从原料制作可发酵糖的各阶段一般是在化学或生物反应最有效工作的pH值范围中进行。进入原料的pH值为约6. O至8. 0，并随即用酸降低到约O. 5至2. O的pH值，这是酸预处理的常规pH值范围(参见W02006/128304)。在酸预处理之后，将碱加入酸性预处理原料以实现用于纤维素酶的4. 5至5. 5的最佳pH值范围。可以随后将得自酶水解的葡萄糖流的PH值调整至适于大多数发酵的值，并且该值对于该阶段中常常使用的酵母(例如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae))通常为 4 至 5. 5。常规方法的一个缺点在于，需要显著量的酸和碱来获得据认为对各阶段最佳的pH值范围。在方法的各个阶段进行PH值调整的高化学需求可显著增加成本。综合这一点，由于加入先前阶段的碱或酸的中和作用，在PH值调整期间酸或碱的添加产生无机盐。这进一步增加该方法的成本，因为这些盐必须被处理并除去。酸预处理是该方法的一个阶段，其具有特别高的酸需求。由于存在碱性矿物例如碳酸钾、碳酸钠、碳酸钙和碳 酸镁，原料的pH值为6至8，并因此需要添加显著量的酸来将原料的pH值下调到O. 5至2. O的值。该矿物对预处理酸具有中和效果(Esteghlalian等人，1997, Bioresource Technology, 59 :129-136)。例如，在预处理期间硫酸与碳酸盐的阳离子反应以形成硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙和硫酸镁。当PH值进一步降低时，形成硫酸氢盐。由于存在这些矿物，需要额外的酸来克服原料对PH值改变的抗性，这进一步提高该阶段的化学需要。原料中最普遍的元素(其为阳离子的来源)是钾(参见共有的美国专利号7，585，652，其以引用方式并入本文中)。原料中的其它元素(其为阳离子的显著来源)包括钙、钠和镁，浓度分别为钾的约1/3、1/7和1/10。原料中大多数钾、钙、钠和镁与有机化合物例如蛋白质或甲酸络合，或以氧化物或草酸盐的形式存在。在阳离子的这种“过量”情况下，原料为微碱性，因为阴离子浓度低。在纤维素酶的酶水解之前用碱将酸性的预处理原料的pH值增加到4. 5至5. 5所进行的PH值调整也显著提高该方法的高化学需求。这是由在酸预处理期间来自半纤维素的乙酰基的水解所产生的乙酸的存在而造成的。要注意的是，乙酸的pKa为4. 75，并且在对应于其PKa的pH值下，该弱酸的缓冲能力处于其最大值。因此，当酸性的预处理原料从O. 5至2. O的pH值增加至用于酶水解的4. 5至5. 5的pH值时，必须添加显著量的碱来克服该弱有机酸的缓冲效应。添加高水平的碱也产生大量的盐，因为碱与预处理原料中的酸反应。发酵之前的pH值调整也可能必需添加碱以将葡萄糖流的pH值调整至微生物的最佳PH值。由于酸预处理产生的乙酸盐和乙酸也将存在于葡萄糖流中，所以将需要再次克服缓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.11 US 61/372,4931.一种从木质纤维原料制作葡萄糖的方法，所述方法包含以下步骤 (i)用用水溶液浸取所述木质纤维原料以从所述木质纤维原料中去除至少钾盐并且不显著地水解半纤维素和纤维素，从而生成浸取原料和浸取液； (ii)从浸取原料中去除所述浸取液，所述浸取液包含至少钾盐； (iii)浓缩包含所述钾盐的所述浸取液以生成浓缩浸取液； (iv)用酸预处理所述浸取原料以生成经酸预处理的木质纤维原料； (v)通过添加碱来调整所述经酸预处理的木质纤维原料的pH值以生成pH值介于约4至约6的pH值调整后原料； (vi)用纤维素酶来酶水解所述pH值调整后原料以生成包含至少葡萄糖的料流；并且 (vii)将包含至少钾盐的所述浓缩浸取液再循环至为调整所述经酸预处理的木质纤维原料pH值的所述步骤。2.一种从木质纤维原料制作发酵产物的方法，所述方法包含以下步骤 (i)用水溶液浸取所述木质纤维原料以从所述木质纤维原料中去除至少钾盐并且不显著地水解半纤维素和纤维素，从而生成浸取原料和浸取液； ( )从浸取原料中去除所述浸取液，所述浸取液包含至少钾盐； (iii)浓缩包含所述钾盐的所述浸取液以生成浓缩浸取液； (iv)用酸预处理所述浸取原料以生成经酸预处理的木质纤维原料； (V)可选地从包含所述酸和至少木糖的所述经酸预处理的木质纤维原料中去除水性料流，将所述水性料流的PH值增加到约4. O至6. O的pH值并随后发酵所述木糖以生成发酵产物； (vi)通过添加碱来调整所述经酸预处理的木质纤维原料的pH值以生成pH值介于约4至约6的pH值调整后原料； (vii)用纤维素酶来酶水解所述pH值调整后原料以生成包含至少葡萄糖的料流； (viii)可选地在发酵之前将包含葡萄糖的所述料流的pH值增加到约4.O至约6. O的PH值; (ix)用微生物发酵所述葡萄糖以生成所述发酵产物；并且 (x)将包含至少钾盐的所述浓缩浸取液再循环至 (a)为调整所述经酸预处理的木质纤维原料的pH值的所述步骤； (b)增加包含葡萄糖的所述料流pH值的所述步骤； (c)包含发酵之前的木糖的所述水性料流；或 (d)它们的组合。3.—种从木质纤维原料制作葡萄糖的方法，所述方法包含以下步骤 (i)用用水溶液浸取所述木质纤维原料以从所述木质纤维原料中去除至少钾盐并且不显著地水解半纤维素和纤维素，从而生成浸取原料和浸取液； ( )从浸取原料中去除所述浸取液，所述浸取液包含至少钾盐； (iii)浓缩包含所述钾盐的所述浸取液以生成浓缩浸取液； (iv)用酸预处理所述浸取原料以生成经酸预处理的木质纤维原料； (v)通过添加碱来调整所述经酸预处理的木质纤维原料的pH值以生成pH值介于约4至约6的pH值调整后原料；(vi)用纤维素酶来酶水解所述经中和原料以生成包含至少葡萄糖的料流；并且 (vii)将所述包含至少钾盐的浓缩浸取液再循环至为调整方法料流pH值而涉及添加碱的所述方法的一个或多个阶段。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述浓缩浸取液的pH值介于约...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·S·托兰，达芙妮·瓦农，大卫·乔治·热罗，
申请(专利权)人：艾欧基能源公司，
类型：
国别省市：