生物质水解方法
【专利说明】
[0001] 本发明申请是基于申请日为2010年06月30日、申请号为201080029210. 3(国际 申请号为PCT/US2010/040518)、名称为"生物质水解方法"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及方法，所述方法包括再循环用于含木素纤维素材料预处理的洗涂溶 液。
【背景技术】
[0003]由于化石燃料的有限储备和对排放溫室气体的忧虑，人们越来越着眼于使用可再 生的能源，例如，发酵产物如生物乙醇。从含木素纤维素材料产生乙醇在本领域是已知的， 并常规地包括所述含木素纤维素材料的预处理、水解和发酵。预处理导致从所述含木素纤 维素材料释放降解产物，其可不可逆地结合并抑制在水解和发酵过程中添加的酶。
[0004] 在经预处理的含木素纤维素材料中运些抑制剂的浓度可通过水解之前的洗涂来 减少。然而，所述抑制剂常常具有低溶解度，且由于抑制剂的积聚化Uild-up)洗涂水的再 循环仅可限于非常有限的程度。因此，洗涂需要大量水。 阳0化]因此，亟需提供将经预处理的含木素纤维素材料加工为适于水解和发酵的底物的 改进方法。
【发明内容】
[0006] 本发明设及方法，所述方法包括通过洗涂从经预处理的含木素纤维素材料去除和 /或失活抑制剂，并再循环用过的洗涂溶液。所述用过的洗涂溶液是通过去除和/或失活酶 抑制剂来再生的，由此改善水解步骤的效率。本发明还设及从含木素纤维素材料产生水解 物和发酵产物的方法。
[0007] 因此，本发明设及将含木素纤维素材料转化为水解物的方法，包括下述步骤：(a) 对含木素纤维素材料进行预处理，化）在洗涂溶液中洗涂经预处理的含木素纤维素材料， (C)将用过的洗涂溶液分离W获得经预处理和洗涂的含木素纤维素材料，（d)对经预处理 的和洗涂的含木素纤维素材料进行处理，导致纤维素和/或半纤维素的至少部分水解，W 获得水解物，和（e)在将步骤（C)的用过的洗涂溶液再循环至步骤化）之前，用木聚糖酶处 理该用过的洗涂溶液。
[0008] 所述方法的优点包括因为可再循环洗涂溶液而减少水消耗，从预处理产生的可溶 性糖（例如，木糖、寡糖）可浓缩于洗涂溶液，和增加水解的效率。
[0009] 具体地，本发明设及如下各项：
[0010] 1. 一种将含木素纤维素材料转化为水解物的方法，包括下述步骤：
[0011] (a)对含木素纤维素材料进行预处理，
[0012] 化）在洗涂溶液中洗涂经预处理的含木素纤维素材料，
[0013] (C)将用过的洗涂溶液分离W获得经预处理和洗涂的含木素纤维素材料，
[0014] (d)对经预处理的和洗涂的含木素纤维素材料进行处理，导致纤维素和/或半纤 维素的至少部分水解，W获得水解物，和
[001引（e)在将步骤（C)的用过的洗涂溶液再循环至步骤化）之前，用木聚糖酶处理该用 过的洗涂溶液。
[0016] 2.项1的方法，还包括将步骤（d)的水解物与发酵生物相接触W产生发酵产物。
[0017] 3.项2的方法，包括同时水解和发酵。 阳01引4.项2或3的方法，还包括回收发酵产物。
[0019] 5.前述任一项项的方法，其中所述木聚糖酶是GH10木聚糖酶。
[0020] 6.前述任一项项的方法，其中所述木聚糖酶经固定化。
[0021] 7.前述任一项项的方法，其中所述含木素纤维素材料来源于选自下组的材料：玉 米賴杆、玉米纤维、硬木如杨木和枠木、软木、谷物杆如麦杆、柳枝稷、稻壳、城市固体废物、 工业有机废物、办公室用纸或其混合物。
[0022] 8.前述任一项项的方法，其中步骤（a)中的含木素纤维素材料经化学和/或机械 预处理。
[0023] 9.前述任一项项的方法，其中对步骤（a)中的含木素纤维素材料使用酸进行化学 预处理。
[0024] 10.前述任一项项的方法，其中步骤（a)中的预处理是使用有机酸，优选硫酸、乙 酸、巧樣酸、酒石酸、班巧酸和/或其混合物进行的酸预处理。
[00巧]11.前述任一项项的方法，其中步骤（a)中的含木素纤维素材料是用0.1至 2.Owt. %酸，优选硫酸进行的酸预处理。
[00%] 12.前述任一项项的方法，其中对步骤（a)中的含木素纤维素材料在高溫和/或高 压进行机械预处理。
[0027] 13.前述任一项项的方法，其中对步骤（a)中的含木素纤维素材料通过蒸汽爆炸、 稀酸蒸汽爆炸和/或湿氧化来预处理。
[00測 14.前述任一项项的方法，其中步骤化）的洗涂溶液包含水、有机溶剂或水和有机 溶剂的混合物。
[0029] 15.前述任一项项的方法，其中将在再循环的洗涂水溶液中蓄积的溶解糖（i)导 入发酵步骤（d)并用巧发酵生物发酵，或（ii)分离出来，并用巧发酵生物发酵。
[0030] 发明详述
[0031] 含太素纤维素材料
[0032] 术语"含木素纤维素材料"用于本文中指主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的 材料。含木素纤维素材料常常被称作"生物质"。
[0033] 木素纤维素的结构使酶水解无法直接进行。因此，必须预处理木素纤维素例如通 过在足够的压力、湿度和溫度条件下进行酸水解W打破木质素的密封，并破坏纤维素的晶 体结构。运导致半纤维素级分的溶解和糖化。然后可将纤维素级分用酶水解，例如通过纤 维素酶酶水解，来将糖聚合物转化为单糖或寡糖，其可发酵为所需发酵产物，如乙醇。任选 地，所述发酵产物通过例如蒸馈来回收。
[0034] 涵盖了根据本发明的任何含木素纤维素材料。含木素纤维素材料可为任何含有木 素纤维素的材料。在一个优选实施方案中，所述含木素纤维素材料含有至少30wt. %，优选 至少50wt. %，更优选至少70wt. %，甚至更优选至少90wt. %木素纤维素。应理解的是，所 述含木素纤维素材料还可包含其它成分如纤维素材料（包括纤维素和半纤维素），并还可 包含其他成分如蛋白质材料、淀粉、糖如可发酵的糖和/或不可发酵的糖。
[0035] 含木素纤维素材料通常见于例如植物的茎、叶、壳/芙化ull)、壳/皮/芙/巷 化usk)和穗轴或树的叶、枝和木材。含木素纤维素材料可为，但不仅限于草本材料、农业残 余物、林业残余物、城市固体废物、废纸和纸浆及造纸厂残余物。在本文中应理解的是，含木 素纤维素材料可为在混合的基质中含有木质素、纤维素和半纤维素的植物细胞壁材料的形 式。
[0036] 所述含木素纤维素材料可包括玉米賴杆、硬木如杨木和枠木、软木如松木、柳枝 稷、谷物賴杆和/或壳如来自稻、小麦、大麦和黑麦等的杆、城市固体废物（MSW)、工业有机 废物、办公室用纸、创花、甘薦渣、纸和纸浆加工废物或其混合物。
[0037] 在一个优选实施方案中，所述含木素纤维素材料是玉米賴杆。在另一个优选的方 面，所述含木素纤维素材料是玉米纤维。 W測预处理
[0039] 所述含木素纤维素材料可用任何合适的方式进行预处理。预处理在水解和/或 发酵之前进行。预处理的目标是分离和/或释放纤维素、半纤维素和/或木质素，运样 增加水解速率。预处理方法（如湿法氧化和碱性预处理）祀向木质素，而稀酸和自水解 (auto-hy化olysis)祀向半纤维素。蒸汽爆炸是祀向纤维素的预处理方法的实例。
[0040] 根据本发明，预处理步骤（a)可为使用本领域中公知技术的常规预处理步骤。在 一个优选实施方案中，预处理在水性浆料中进行。在预处理过程中含木素纤维素材料可W 10-80wt. %的量，优选20-70wt. %的量，特别是30-60wt. %的量，如约50wt. %的量存在。
[0041] 所述预处理在水解和/或发酵之前进行。
[0042] 术语"化学预处理"指促进纤维素、半纤维素和/或木质素的分离和/或释放的任 何化学预处理。合适的化学预处理的实例包括用例如稀酸、石灰、碱、有机溶剂、氨、二氧化 硫、二氧化碳进行处理。此外，湿法氧化和控制pH的水热解化y化othermolysis)亦视为化 学预处理。
[0043] 在一个优选实施方案中，所述化学预处理为酸处理，更优选地，为连续的稀酸和/ 或弱酸（mildacid)处理，例如，用硫酸，或用其它有机酸，如乙酸、巧樣酸、酒石酸、班巧酸、 盐酸或其混合物处理。也可使用其它酸。弱酸处理意为处理的pH在pH1-5,优选在pH1-3 的范围内。在一个具体实施方案中，所述酸浓度在0. 1到2.Owt%酸的范围内，优选为硫酸。 该酸可与所述含木素纤维素材料相接触，且混合物可保持在160-220°C，如165-195°C范围 内的溫度，处理时间为例如，1-60分钟，如2-30分钟或3-12分钟。可添加强酸（如硫酸） 来移除半纤维素。运增强了纤维素的可消化性。
[0044] 亦涵盖了其它技术。已经显示纤维素溶剂处理将约90%的纤维素转化为葡萄糖。 也显示了当木素纤维素结构被破坏时，能够极大地增强酶水解。碱、&化、臭氧、有机溶剂 (使用含水醇中的路易斯酸，FeCls，（A1)2S04)、甘油、二R襲烧，苯酪或乙二醇属于已知破坏纤 维素结构并促进水解的溶剂（Mosier等，2005,BioresourceTechnology96:673-686)。
[0045] 本发明也涵盖了使用碱，例如化0H，胞2〇)3和/或氨等的碱化学预处理。使 用氨的预处理方法描述于例如W0 2006/110891、W0 2006/110899、W02006/110900、W0 2006/110901 (将它们通过提述并入本文）。
[0046] 湿氧化技术设及使用氧化剂，如基于亚硫酸盐的氧化剂等。溶剂预处理的实例包 括用DMS0(二甲亚讽）等的处理。化学预处理通常进行1到60分钟，如5到30分钟，但可 依赖于待进行预处理的材料进行更短或更长的时间。
[0047]其它合适的预处理方法的实例描述于Schell等，2003,App