通过一体化酶生产进行的高效木质纤维素水解制造技术

本发明专利技术提供了用于降解木质纤维素生物质的方法，所述木质纤维素生物质任选地已进行了预处理。其基于在机械或化学处理的能够产生各自水解酶的微生物存在的情况下生物质的水解功效得到增强的发现。本发明专利技术从而提供了利用一体化生产的酶混合物降解木质纤维素生物质的方法。本发明专利技术还提供了其中任选地将经预处理的木质纤维素生物质的部分掺入真菌的终生长培养基的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过一体化酶生产进行的高效木质纤维素水解专利
本专利技术提供了用于从木质纤维素原料生物技术产生单体化合物例如糖和/或乙醇的方法。专利技术背景由于有限的矿物油资源以及对要求减少CO2排放的原因，化学工业寻求更加可持续的生产途径来制造大宗化学产品例如液体燃料和基础化学品(basechemicals)。该策略的一部分关注在木质纤维素生物质至通用化学品或燃料例如乙醇的转化。木质纤维素生物质包含纤维素(～25-40％w/wd.s.)、半纤维素(～15-25％w/wd.s.)和木质素(～15-30％w/wd.s.)(作为主要组分)和少量其它碳水化合物、蜡、蛋白质和无机化合物。可如Sluiter等人，2008所述测定任何原料的具体组成。在植物生物质的形式当中，由于它们可用性、低成本和环境友好的生产，来源于任何林业和农业废物流例如木材残渣和谷草的木质纤维素生物质特别适合用于至大宗化学产品和燃料的转化。此外，利用木质纤维素原料的生产过程的生命周期分析显示相较于基于其它原料的方法减少的温室气体排放。描述木质纤维素生物质至乙醇和其它基础化学品的转化的各种方法选择已进行了描述(Pejo等人，2008)。为了在工业规模上实现这些方法，特别期望将可再生原料中包含的最大量的能量、碳和物质成分(masscontent)转移至终产物。目前已描述的转化方法都未最大限度地实现该期望。木质纤维素材料(例如稻草)至附加值产品(例如乙醇)的生物技术转化的典型单元操作(unitoperations)是：机械退浆(mechanicalde-sizing)、物理-化学预处理、酶促水解、发酵和产物回收。实现工业规模纤维素乙醇生产的关键障碍是对高固相浓度(solidsconcentrations)的预处理的木质纤维素的成本效益的酶促水解。纤维素级分的水解已被鉴定为木质纤维素至乙醇的转化的主要障碍之一。目前高效生物质水解所需的酶成本和性能是主要瓶颈。木材或农业木质纤维素材料至糖以及进一步至乙醇的转化是包括多个步骤的复杂过程，其包括机械生物质退浆、水热预处理、酶促或化学生物质水解、生物质水解物的微生物发酵和通过蒸馏或等同技术进行下游的乙醇回收的连续组合。[机械生物质退浆]典型退浆步骤包括原料的机械处理例如切割、碾磨或研磨，这通常需要消耗大量能量并且造成显著的操作成本。将原料切割或碾磨成尺寸0.5mm至2cm的颗粒，这使得能够在水相中产生均匀的悬浮物。将原料颗粒悬浮成可被转移至下游单元操作的可泵浆料需要大量的水，这进一步增加了方法的操作成本(Tolan，2002)。[预处理]木质纤维素材料至产物例如乙醇的转化通常包括物理-化学预处理步骤。预处理目标在于从纤维素除去和分离半纤维素、破坏和除去木质素鞘、降低纤维素的结晶度、增加纤维素的可触及的表面面积、和/或增加纤维素的孔径，以促进水解试剂的透入(Tolan，2002；Wyman等人，2005)。所述预处理步骤优选动员所述生物质的戊糖级分，同时其增强含固体纤维素级分的消化性(Wyman等人，2005)。通常使用含水浆料进行预处理步骤。优选这样的浆料具有高固体含量，包含约20至40％(w/w)的原料干物质。所述预处理法通常包括在酸(即H2SO4、HCl、H3PO4)或碱(即NH4OH、NaOH、KOH、石灰)催化剂不存在或存在的情况下生物质的加压水热处理(pressurisedhydrothermaltreatment)(～100-250℃)，在原料浓度为0.1至15％w/w时添加所述催化剂(Kumar等人，2009a；Kumar等人，2009b；Kumar等人，2009c，Wyman等人，2005)。反应时间从10s变化至2h，以提供生物质组分的高效转化，为生物质水解和发酵作准备。替代性预处理策略包括与有机溶剂或离子液体的利用组合的温和水热处理以减少生物质的不顺从性和增溶生物质的木质素和纤维素组分。这后一类预处理选择通常具有更高的成本和有限的效率。Chandra等人(2007)描述了在稀酸不存在或存在的情况下的水热预处理是减小生物质对水解的不顺从性的优选方法，因为其动员半纤维素和部分解聚木质素而无需增溶作用。此外，其导致具有巨大表面积的无定形纤维素，这对于酶促水解是理想的。取决于催化剂性质和应用的温度特征，预处理还可导致可溶性抑制剂的形成，包括醋酸、糖(例如糠醛、HMF)和木质素降解物，这可降低下游水解和发酵过程的效力(Margeot等人，2009)。为了增加水解和发酵效力，需要弃去预处理上清液或可将其脱毒(Tolan，2002)。[预处理生物质的水解]经预处理的生物质浆液至可发酵单体糖的分解可通过酸或酶催化的水解来实现。酶促水解比可比较的化学(例如基于酸的)方法更具选择性并且耗能更少，从而在发酵过程中提供更有利的过程经济学(processeconomics)和潜在地更高的乙醇产率。酶系统是超过一种酶促活性的混合物。适当的酶系统在该意义上是将多聚体糖例如纤维素和半纤维素转化成己糖(即葡萄糖)和戊糖(即木糖)单糖的酶系统，其典型地包含纤维素酶、半纤维素酶和β-葡糖苷酶活性。通常在真菌例如木霉属种(Trichodermasp.)和/或曲霉菌属种(Aspergillussp.)的深层液体培养中产生包含纤维素酶和β-葡糖苷酶活性的酶系统。通常将真菌生物质的残渣与发酵液分离并弃去。随后针对待运送的所得的酶产品，浓缩、稳定和调配所述发酵液。酶促生物质水解通常在其中总的酶配量包含1-5％w/w(10-20FPU/g纤维素)原料的条件下进行。取决于配量方案和所用的酶系统的具体活性组成，将生物质在40-55℃水解1-7天。生物质中包含的高达约80-90％w/w的多聚体糖被转化成它们各自的单体。根据Kristensen等人(2009)，通常在10-20％w/w的更低的固体含量下进行生物质的酶促水解。高于15％w/w的固体含量通常导致单体糖产率的显著丢失。该效应归因于导致不均匀酶分布的与高固体含量浆料的均匀混合相关的问题。此外，终产物(如在酶促水解过程中释放的纤维二糖和葡萄糖)的积累可导致纤维素酶和β-葡糖苷酶活性的内在抑制(Xiao等人，2004a)。Cardona&Sanchez(2007)描述了预处理上清液和/或先前的生物质水解物作为用于真菌酶产生的生长和酶诱导底物的用途。Howard等人(2003)描述了直接使用源自真菌发酵的废液发酵液(spentliquidfermentationbroth)用于水解。Rao等人(1985)指出整个真菌发酵浆液用于高效水解纤维素底物的应用。人工培养基用于水解酶产生，其不允许用于特定原料和/或预处理选择的水解酶系统的定制。由Rao等人(1985)公开的方法的另一个缺点是其限于分泌型酶促活性，因为没有采取任何措施来促进非分泌的或细胞表面结合的酶释放。当木霉属来源的酶系统被用于生物质水解，细胞外β-葡糖苷酶活性通常因它们相当低的特异性活性和该过程中释放的葡萄糖对终产物的显著抑制而成为限速的和限制产率的(Xiao等人，2004a)，Shewale，1982)。因此，纤维素酶制剂或混合物通常被补充以可备选的β-葡糖苷酶(BGL)活性当它们例如通过黑曲霉菌产生(Seidle等人，2004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】2010.12.31 EP 10197455.81.一种用于降解木质纤维素生物质的方法，其包括步骤：a)物理－化学预处理木质纤维素生物质以获得经预处理的浆料；b)将步骤a)的经预处理的浆料分成两部分，部分A和部分B；c)将部分A掺入原始生长培养基以产生终生长培养基，并且在终生长培养基中培养至少一种能够产生至少一种具有分解纤维素和/或分解半纤维素活性的酶的微生物，从而获得包含所述至少一种酶的富含微生物的悬浮物；d)处理步骤c)的微生物和/或富含微生物的悬浮物，其中所述处理包括下列机械处理的一种或多种；(i)机械处理，包括经历1-500kW/m3的比容积功输入，和/或(ii)机械处理，其选自利用混合器的处理、利用匀浆器的处理和利用碾磨机的处理，e)将部分B和步骤d)的产物一起添加至反应器以进行生物质水解来获得可溶性糖；其中，所述步骤d)包括将含微生物的发酵浆料从发酵容器泵至水解容器，微生物和/或富含微生物的混悬液所承受的剪切速率在1600-500001/s的范围内。2.权利要求1的方法，其中步骤d)中的机械处理包括选自利用混合器的处理、利用匀浆器的处理和利用碾磨机的处理的机械处理，其中所述机械处理能够对微生物施加机械剪切应力或磨削力，并且可破裂或破坏细胞膜和/或细胞壁结构。3.权利要求1或2的方法，其中部分A是步骤a)中获得的经预处理的浆料的少数部分，其中所述少数部分是1至20％干固体重量。4.权利要求3的方法，其中所述少数部分是1至5％干固体重量。5.权利要求1的方法，其中所承受的剪切速率在1600-270001...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·拉巴赫，Z·德拉戈维克，A·科勒，J·格拉克，J·巴土奇，T·布鲁克，
申请(专利权)人：科莱恩产品德国有限公司，
类型：
国别省市：