專利名稱：木素纖維材料的酶水解預處理的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及生物質諸如玉米秸桿、木片和其它木素纖維材料的轉化為商業有用的產品諸如碳氫化合物和發酵性糖。
背景技術：
纖維素和木質素是兩種最主要的可再生碳源。這兩種生物分子在木素纖維材料中發現在一起，所述木素纖維材料包括所有的維管植物。木素纖維材料是適合國內地可再生的，和變為越來越寶貴的原料，因為石油原料已經變得更昂貴和更依賴于進口來源。木質素占木素纖維生物質的大約25%。它主要通過三種前體的聚合作用在植物中形成，形成分子量超過10，000的交聯的大分子。因為木質素在其自身內聚合和與其它細胞壁成分聚合，其將纖維素和半纖維素對于微生物酶可使用減到最小。在其聚合形式中，木質素總體上與總的植物生物質的降低可消化性相關，這有助于防衛以免于病原體和害蟲，但是這妨礙了其商業價值。

發明內容
已經設計處理生物質的方法來產生發酵性糖。本發明的方法包括蒸汽預處理步驟，其中生物質用稀釋的酸蒸汽處理的預處理步驟或者蒸汽汽爆處理，使得生物質中的木質素解聚。在蒸汽預處理步驟之前、期間或之后，加入羰基清除劑(正碳離子清除劑)以阻止解聚的或者將解聚的木質素的再聚合。然后，加入至少一種酶諸如纖維素酶以轉化纖維素和半纖維素成為單體糖成分，同時羰基清除劑對于抑制木質素的再聚合仍然是能起作用的。任選地，也可以加入另外一種酶諸如漆酶以作用于纖維素中殘余的羰基清除劑。本公開的一種實施方式涉及處理生物質產生發酵性糖的方法。處理包括木素纖維材料的生物質產生發酵性糖的方法包括:處理生物質產生具有解聚的木質素的生物質；在處理步驟之前、期間或之后將羰基清除劑加入生物質以抑制木質素的再聚合；在加入羰基清除劑后，將漆酶和纖維素酶中的至少一種或兩種酶都加入到具有解聚的木質素的生物質，和由漆酶和纖維素酶對于具有解聚的木質素的生物質的作用產生發酵性糖。將漆酶和纖維素酶中的至少一種或兩種酶都加入到生物質可以在所述處理步驟之后進行。生物質可以是任何木素纖維材料或者可以是含有木素纖維材料的混合物(例如，(工業)過程或混合廢品的副產物)。木素纖維材料指包括(I)纖維素、半纖維素、或組合和(2)木質素的材料。在該整個公開中，應該理解纖維素可以指纖維素、半纖維素、或其組合。纖維素酶可以指纖維素酶、 半纖維素酶、或其組合。
可以用本公開的方法處理的生物質或木素纖維材料的實例包括含有以下的材料:玉米秸桿、生物能源作物、農業殘留物、都市固體廢物、工業固體廢物、庭院廢物、木材和林業廢料、甘蔗、柳枝、麥秸、干草、大麥、大麥秸桿、稻草、草、廢紙、污泥或從紙制造、玉米副產品糧食、玉米棒子、玉米皮、草、小麥、麥秸、干草、稻草、甘蔗渣、高粱、大豆、樹木、樹枝、木片、木屑和其任何組合。在本方法的第一步驟中，蒸汽處理，諸如將稀釋的酸蒸汽處理處理或者蒸汽汽爆處理施加于生物質。蒸汽處理的一個目的是解聚生物質中的木質素到足以允許酶或酶的混合物轉化生物質中的纖維素和半纖維素成為隨后步驟中更小復雜糖的程度。在蒸汽處理之前、與蒸汽處理聯系(即，在蒸汽處理期間)、或在蒸汽處理之后，將羰基清除劑加入到生物質以阻止由蒸汽處理產生的解聚的木質素的再聚合。羰基清除劑例如可以是2-萘酚、或任何其它羰基清除劑。合適的羰基清除劑的其它實例包括間二甲苯、對二甲苯、萘、苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚、2，5-二甲酚、3，5-二甲酚、3，4-二甲酚、2，3-二甲酚、2，6-二甲酚、2，4-二甲酚、鄰苯二酚、間苯二酚、氫醌、5甲基間苯二酚、1，3-萘二酚、1-萘酚蒽醌、2乙基蒽醌、對羥基苯甲酸、或SO2(二氧化硫)。清除劑可以單獨地或者以任何組合地使用。在蒸汽處理和加入羰基清除劑之后，加入至少一種酶消化生物質中的纖維素和半纖維素。酶例如可以是纖維素酶；半纖維素酶；β 1-4內切葡聚糖酶(E.C.3.2.1.4), β 1-4外切葡聚糖酶，(EC3.2.1.9.1), β-葡萄糖苷酶(EC3.2.1.2.1)，內切木聚糖酶，及其組合。這些酶的組合例如可以是CELLIC HTEC3 或HTEC2 (諾維信公司，丹麥)，它們是含有纖維素酶、葡萄糖苷酶和半纖維素酶的酶組合物；或CELLIC CTEC3 或CTEC2 (諾維信公司，丹麥)，它們是含有內切木聚糖酶和纖維素酶的酶組合物。在所述處理步驟之后，可以進行加入至少一種酶，所述酶包括在以下描述的漆酶。進一步地，可以加入漆酶以消化在解聚的生物質中保持游離或結合到生物質的羰
基清除劑。在蒸汽處理之后和在加入酶之前，生物質的溫度可以是超過酶鈍化溫度。由于高溫可以通過使其氨基酸鏈變性來鈍化酶，酶可以在酶鈍化溫度以下的點加入到生物質。酶可以在酶的功能溫度(一個或多個)或最佳溫度(一個或多個)之內加入。為了節省能量，酶可以在生物質已經冷卻到鈍化溫度以下之后加入，并且在溫度已經下降到酶的最佳功能溫度以下之前，酶過程充分地完成。自然，通過冷卻或加熱生物質維持期望的溫度也是選項。加入稀釋的液體，諸如在一定溫度的水，可以用于冷卻生物質。進一步地，可以加入酶，同時羰基清除劑仍然是活性的。加入漆酶可以作用于清除劑。在一種實施方式中，酶預處理過程可以在特定溫度完成，諸如，例如在30°C -60°C；400C -550C ;或451: -50°C，或在室溫或更低。對于方法的任何部分，如果需要，可以保持、增加或降低溫度，通過加熱或冷卻，通過混合不同溫度的批次，或通過加入可以是較高溫度或較低溫度的溶劑(例如，水)。 可以完成酶消化，例如，在加入羰基清除劑之后的24小時之內。酶消化可以盡可能快地完成或緊接在生物質已經冷卻到期望的溫度之下。生物質與酶接觸可以在多至一天的時間段中完成。雖然更長的酶消化是可能的，但是由于實施或經濟的原因可以使用更短的時間段，諸如60分鐘，10小時，20小時，30小時，40小時，60小時或72小時，或小于這些值的任何時間，或在任一的這些值的兩個之間的任何時間。參見，例如，實施例部分。在一個實施方式中，酶接觸的優選時間段是約3天或更短。公開的方法產生發酵性一種或多種糖，其可以是單體糖。單體糖的實例包括葡萄糖、木糖和其組合。要求保護方法的一種出人意料益處是，就效率而言相對于現有方法顯著提高。也就是，本公開的方法可以轉化木素纖維材料中的80%-90%、82%-90%、85%-90%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或至少95%的纖維素成為發酵性糖。這比目前已知的是更高水平的效率。根據以下說明書和權利要求書和對其概況，本發明的進一步方面對于本領域技術人員將是明顯的。附圖描述

圖1是顯示處理生物質產生發酵性糖的示例性方法的流程圖。圖2描述用SO2和2.5%酶劑量浸潰、非酸催化的預處理的玉米秸桿的酶糖化收率(%)。圖3描述用SO2和6%酶劑量浸潰、非酸催化的預處理的玉米秸桿的酶糖化收率(%)。
具體實施例方式如在背景部分中討論，聚合的木質素保護植物免于病原體和害蟲并提供硬度。不幸地是，由于使其難于完全地利用纖維素，相同性質降低了木素纖維生物質的實用性。纖維素實用性不如所期望的高，因為雖然木質素可以在加工期間解聚，但是它可以在加工期間也同時地再聚合。我們已經發現避免對于纖維素充分利用的木質素的不期望障礙的方法。在生物質的加工中，通常使用蒸汽處理作為第一步驟，提高起始產物的可用性。在玉米秸桿以及其它形式的生物質(木片等等)稀釋的酸蒸汽處理期間，包括蒸汽汽爆處理，木質素的解聚和再聚合發生。通常，再聚合可以比解聚慢的速度發生，在那一段時間點保留顯著部分的解聚狀態的木質素。當加熱時，木質素喪失β-0-4’結構，而形成C-C縮合結構。隨著處理的材料冷卻，木質素的再聚合出現(縮合)。解聚和再聚合兩個反應認為通過共同的中間體碳正離子調節，碳正離子由木質素中的芐醇結構形成。木質素的再聚合在生物質的加工中是不期望的，因為木質素的解聚和再聚合產生更緊密的木質素，且其對于纖維素酶比在天然形成木質素更小可穿透的。我們試驗證據顯示纖維素穿透性對于允許酶進入到它們的底物(纖維素)是重要的，因為酶(例如，纖維素)轉化纖維素成為糖或單根纖維，它遵循纖維素減少的擴散導致這些生產方法中的降低的效率。已知將碳正離子清除劑化合物諸如2-萘酚加入到蒸汽處理相在消除木質素的再聚合是有用的(參見，“Lignin depolymerization/repolymerization and its criticalrole for delignification of aspen wood by steam explosion，，，Jeibing Li, GunnarHenriksson, Goran Gellerstedt, Science Direct, 2006 年 12 月 1 日)。但是，碳正離子清除劑對于纖維素的酶降解的作用沒有進行研究或者重視。所期望的是提高生物質的酶糖化收率的方法，生物質包括玉米秸桿，同時抑制在蒸汽汽爆方法中的木質素的再聚合。為了提高酶糖化收率，我們已經研究了羰基清除劑與酶的相互作用。朝向提高收率的目的，已經發展了在蒸汽汽爆的預處理階段，正碳離子(羰基)清除劑(2-萘酚)或任何其它羰基清除劑與生物質-具體是玉米秸桿-的酶處理結合使用的方法。這種組合產生了出人意料高的發酵性糖的收率，這通過常規方法沒有實現。加入羰基清除劑化合物在避免木質素的再聚合是有用的，同時加入酶諸如纖維素酶和酶混合物(具體地，CELLIC CTEC3 (或Ctec-2，都是來自于諾維信公司，丹麥)和CELLIC HTEC3 (或Htec-2，都是來自于諾維信公司，丹麥))有助于斷裂纖維素和半纖維素分子成為在生產乙醇中有用的糖。合適的酶實例至少包括纖維素酶；半纖維素酶；β 1-4內切葡聚糖酶(E.C.3.2.1.4), β 1-4外切葡聚糖酶，(EC3.2.1.9.1), β -葡萄糖苷酶(EC3.2.1.2.1),內切木聚糖酶，及其組合。根據Li的文章可知，通過加入羰基清除劑化合物諸如2-萘酚，可以阻止木質素的再聚合，或者至少使得最小至足夠程度。已經發現，當預處理生物質(玉米秸桿、木片、等等)，加入酶，特別是纖維素酶諸如CELLIC CTEC3 (或Ctec_2，都是來自于諾維信公司，丹麥)和CELLIC HTEC3 (或Htec-2，都是來自于諾維信公司，丹麥)，經歷隨后糖化收率的增加，如果在羰基清除劑存在的情況下加入酶。我們需要說明的是Li文章涉及木質素的生產，而Li文章沒有意識到羰基清除劑對于纖維素和半纖維素對于酶降解的可用性的作用，雖然這些材料仍然是在木質素的混合物中。如以上示出，我們已經發現纖維素和半纖維素在羰基清除劑的存在下對于酶降級是出人意料地可用的，并且不需要木質素與纖維素和半纖維素的物理分離。而且，我們出人意料地發現在高收率羰基清除劑對于酶的活性或酶轉化纖維素至發酵性糖的能力沒有顯著的影響，即使在木質素存在的情況下。這通過現有的技術沒有實現或成功。羰基清除劑和酶的組合已經實現提高糖化收率的出人意料的結果:從沒有羰基清除劑加入的75%-80%到羰基清除劑加入的80%-90%(即，要求保護的方法)。即，斷裂成為其單糖成分的復合糖(如淀粉或纖維素)的量從75%-80%提高至80%-90%比例。S卩，本公開的方法可以提高糖化收率至80%-90%、82%-90%或85%-90%。可選地，可以減少使用的酶的量。例如，到小于3%諸如2.5%。在這種情況下，糖化收率可以多于50%提高，多于100%提高或多于115%提高。參見實施例。不希望被理論所約束，我們推斷，在公開的方法中，羰基清除劑化合物阻止木質素的再聚合，導致纖維素的更好反應性，因此保持木質素纖維打開或未反應的，由此允許酶(纖維素酶、半纖維素酶、或其組合)附著到纖維素聚合物和“結合”纖維素聚合物，然后分解纖維素分子成為單體糖成分。這些單體糖成分諸如葡萄糖、木糖或其組合然后作為發酵性糖是有用的。從生物質釋放的發酵性糖通過合適的微生物可以用于產生多種目標化學制品。例如，發酵糖例如可以用于作為發酵液的成分，占成品發酵培養基的10%-約100%之間。通過發酵可以產生的目標化學制品例如包括酸、醇、烷烴、烯烴、芳烴、醛、酮、生物高分子、蛋白質、多肽、氨基酸、維生素、抗生素和藥品。醇至少可以包括甲醇、乙醇、丙醇、 異丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、赤蘚醇、木糖醇、和山梨糖醇。酸包括醋酸、乳酸、丙酸、3-羥基丙酸、丁酸、葡萄糖酸、衣康酸、檸檬酸，琥珀酸和乙酰丙酸。氨基酸包括谷氨酸、天門冬氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、甘氨酸、精氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。另外的目標化學制品包括也可以產生的甲烷、乙烯、丙酮，并且也可以生產工業酶。糖發酵到目標化學制品可以通過一種或多種合適的生物催化劑在單個或多個步驟發酵中完成，使用微生物諸如野生型或重組細菌、絲狀真菌和酵母。這種微生物至少包括埃希氏菌屬(Escherichia)、發酵單胞菌屬(Zymomonas)、酵母屬(Saccharomyces)、假絲酵母屬(Candida)、畢赤氏酵母屬(Pichia)、鏈霉菌屬(Streptomyces)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、和梭菌屬(Clostridium)。作為具體實例，例如發酵性糖使用酵母、或運動發酵單胞菌可以用于生產乙醇，或者使用大腸桿菌用于生產1，3-丙二醇。圖1顯示在轉化木材(木素纖維材料)成為乙醇和木質素的工藝中使用羰基清除劑以及漆酶和纖維素酶的示例性工藝流程。木材或其它木素纖維材料10用羰基清除劑12化合物諸如2-萘醇處理，然后蒸汽汽爆木材或其它木素纖維材料。與羰基清除劑12在一起的木材或其它木素纖維材料進行蒸汽汽爆14處理或解聚生物質中的木質素的其它處理。蒸汽汽爆的產物進行冷卻16，諸如至約50°C。應該理解，蒸汽汽爆可以用產生解聚木質素的另外方法所替代。這些方法例如可以是稀釋的酸蒸汽處理。當冷卻蒸汽汽爆了的材料冷卻時，稀釋水18，諸如在大約50°C的溫度，加入蒸汽汽爆的材料。冷卻蒸汽汽爆的材料，諸如，具有解聚木質素的生物質，可以包括羰基清除劑12，其中一些附著于木材或其它木素纖維材料，而另一些不附著于該材料。為了解決生物質中殘留羰基，漆酶或纖維素酶20或兩者都可以加入到冷卻的蒸汽汽爆材料。術語“或(or)”指任一個或兩個。例如，稀釋水18可以包括漆酶或纖維素酶，當稀釋水加入到改材料時，它們與蒸汽汽爆材料混合?？蛇x地和如在圖1中示出，可以加入漆酶或纖維素酶，在稀釋水加入到諸如在稀釋水連接器和反應容器22之間的運輸管道支之間的蒸汽汽爆產物或到反應容器之后。在反應容器22中，蒸汽汽爆的材料與漆酶和纖維素酶保持足夠時間，以允許酶作用于木材或其它木素纖維材料之上。當該反應完成后，漿冷卻24至35-40°C范圍的溫度。在冷卻之后，將發酵添加劑26加入到冷卻蒸汽汽爆的材料，諸如反應容器的下游。發酵添加劑可以包括但不限于酵母。與發酵添加劑在一起的冷卻蒸汽汽爆材料發酵28產生乙醇和木質素30。乙醇和木質素在此之后可以分開，而使得乙醇和木質素從該工藝中分開地排出。在蒸汽汽爆和羰基清除劑處理的木素纖維材料上進行的酶糖化試驗顯示較高的纖維素到葡萄糖較高水平的轉化，與在沒有加入這些羰基清除劑添加劑相比。這些添加劑對于木素纖維材料的作用認為與在暴露于提高其酶消化需要的高溫和壓力期間的木質素的解聚和再聚合反應相關。在文獻中已知羰基清除劑作為木質素再聚合的阻斷劑。假定如果消除再聚合，材料的纖維素部分更多暴露于酶的作用。用釀酒酵母(saccharomyces cereviciae)在酶水解形成乙醇期間得到的糖的發酵已經顯示殘留羰基清除劑對于生長是有害的。在該研究中使用的羰基清除劑是2-萘酚。萘酚是苯酚的萘同系物， 其中羥基比在苯酚中更化學性質活潑的。萘酚認為是高度親核的，并與木質素反應阻斷苯酚化合物的其它接近分支的重新縮合。并排地，漆酶是在多種植物、真菌和微生物中發現的含有銅的氧化酶。漆酶作用于苯酚和類似的分子之上，進行單電子氧化，其保持不佳固定。表明漆酶通過促進木質醇-天然形成苯酚家族-的氧化偶聯在木質素形成中起作用。已經闡明假想，在預處理期間在羰基清除劑反應之后通過使用漆酶，這些分子的毒性降低或消除。使用在蒸汽汽爆之后加入的漆酶和連同在蒸汽汽爆之前的加入的羰基清除劑可以用于提高纖維素糖化和預處理的木素纖維材料的發酵。雖然本發明已經連同現在認為是最佳實施和優選的實施方式進行了描述，應該理解的是本發明不限于公開的實施方式，而是相反，意欲涵蓋包括在附加權利要求的精神和范圍內的各種修改和等同的安排。實施例實施例1:用SO2和2.5%酶劑量浸潰、非酸催化預處理的玉米秸桿的酶糖化收率(%)。試驗如以上描述進行和結果在圖2中用圖形表示。在該圖中，葡聚糖到葡萄糖收率(%)是糖化收率的度量，并應該認為與糖化收率相同。SPR是標準參照紙漿(硫酸鹽紙漿)。ASE是深度蒸汽汽爆。ASE以兩個步驟進行，預水解步驟和蒸汽汽爆步驟。在圖標題中，第一步驟(參見，圖2，“35/170”)代表ASE的第一步驟，其是預水解，其在170攝氏度進行35分鐘。第二步驟是蒸汽汽爆。在此，“0/0”表示第二步驟不進行，而“2/195”表示在195°C 2分鐘。提及“自水解”指試驗沒有加入另外的酸進行。收率72和收率168分別指酶(Cellic Ctec3)接觸72小時和168小時的試驗。SRP欄是陽性對照試驗，主要保證酶是活性的。實施例2:用SO2和2.5%酶劑量浸潰、非酸催化的預處理的玉米秸桿的酶糖化收率(%)。試驗如以上描述進行和結果在圖3中用圖形表示。實施例2在與實施例1相同條件下進行，除了使用6%的酶(Cellic Ctec3)。圖3中的標題具有與圖2中標題相同含義。如在實施例1和2中都可以看見，本公開的方法顯著提高了反應的收率。參見，圖 2，其中提高是至少 60%(61.25%/38.18%) ,29%(75.75%/58.44%) U15%(67.14%/31.17%)和 38%(82.26%/59.36%)。也參見圖 3，其中提高是至少 42%(82.21%/57.69%)、18% (83.84%/70.61%) ,20% (90.73%/75.08%)和 14% (98.18%/86.07%)。
權利要求
1.處理含有含有木素纖維材料的生物質產生發酵性糖的方法，包括: 處理所述生物質產生具有解聚的木質素的生物質； 在上述處理步驟之前、期間或之后，加入羰基清除劑到所述生物質抑制木質素的再聚合； 在加入羰基清除劑后，將漆酶和纖維素酶中的至少一種加入到具有解聚的木質素的生物質，和 由漆酶和纖維素酶對于所述具有解聚的木質素的生物質的作用，產生發酵性糖。
2.根據 權利要求1所述的方法，其中所述處理步驟是稀釋的酸蒸汽處理處理或者蒸汽汽爆處理。
3.根據權利要求1所述的方法，其中將漆酶和纖維素酶中的至少一種加入到具有解聚的木質素的生物質的步驟在所述處理步驟之后進行。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述羰基清除劑選自:2_萘酚、間二甲苯、對二甲苯、萘、苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚、2，5-二甲酚、3，5-二甲酚、3，4-二甲酚、2，3-二甲酚、2，6- 二甲酚、2，4- 二甲酚、鄰苯二酚、間苯二酚、氫醌、5-甲基間苯二酚、1，3-萘二酚、1-萘酚蒽醌、2-乙基蒽醌、對羥基苯甲酸、SO2、和其組合。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述處理步驟在所述羰基清除劑對于抑制所述木質素的再聚合仍然是活性時間里進行。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述漆酶和纖維素酶中的至少一種選自:纖維素酶，半纖維素酶，CTEC2, CTEC3, HTEC2, HTEC3, β 1-4 內切葡聚糖酶(Ε.C.3.2.1.4), β 1-4外切葡聚糖酶，(EC3.2.1.9.1), β -葡萄糖苷酶(EC3.2.1.2.1),內切木聚糖酶，及其組合。
7.根據權利要求1所述的方法，其中當所述生物質在酶鈍化溫度以下的溫度時，酶加入到所述生物質。
8.根據權利要求1所述的方法，其中當所述生物質在30°C-60° C、40° C_55° C、或45° C-50° C的溫度時，酶加入到所述生物質。
9.根據權利要求1所述的方法，其中在加入羰基清除劑之后24小時內加入酶。
10.根據權利要求1所述的方法，其中發酵性糖包括葡萄糖、木糖、和其組合。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法轉化生物質中60-70%、70-80%、80%-90%、82%-90%或85%-90%的纖維素成為發酵性糖。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法在沒有加入酸的情況下進行。
全文摘要
本公開涉及處理含有木素纖維材料的生物質產生發酵性糖的方法，包括以下標準處理生物質產生具有解聚的木質素的生物質，在所述處理步驟之前、期間或之后，將羰基清除劑加入到生物質以抑制木質素的再聚合，在加入羰基清除劑之后，將漆酶和纖維素酶中的至少一種加入到具有解聚的木質素的生物質，和由漆酶和纖維素酶對于所述具有解聚的木質素的生物質的作用，產生發酵性糖。
文檔編號C12P19/14GK103103231SQ201210295588
公開日2013年5月15日 申請日期2012年8月17日 優先權日2011年8月18日
發明者魯道夫·羅梅羅 申請人:安德里茲有限公司