專利名稱：用于快速水解高固體生物質(zhì)的改進方法
用于快速水解高固體生物質(zhì)的改進方法優(yōu)先權要求該專利申請要求2009年3月31日遞交的專利申請PCT/IT2009/000124、2009年3 月 31 日遞交的 PCT/IT2009/000127、2009 年 12 月 14 日遞交的 PCT/IB2009/055736 和 2009 年12月14日遞交的PCT/IB2009/055737的優(yōu)先權。背景法國專利申請第沈09046號教導了淀粉在淀粉水解酶存在下的水解作用。已知淀粉提取自食物和谷類植物。本領域人員已知淀粉由于其化學鍵易于水解，而纖維素不易于水解。該專利教導了向磨碎的干淀粉中加入水以將磨碎的淀粉下層中的濃度(以干物質(zhì)表示)調(diào)節(jié)至理解為50-400g/升中間發(fā)酵物之間的數(shù)值。該法國專利申請沒有提及對纖維素原料的適用性。本領域已知如果發(fā)酵液含有多于4%乙醇，自發(fā)酵過程蒸餾乙醇的能源成本被顯著減少。這需要糖濃度高于8% (w/w)，其對于大多數(shù)類型的生物質(zhì)，特別是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，相當于最初的干物質(zhì)含量高于20%。因此至關重要的是能夠使用具有高的干物質(zhì)含量，優(yōu)選地高于20% (重量)的含有木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)。生物質(zhì)的酶水解先前已經(jīng)得到描述。然而，在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的情況中，僅有含有平均尺寸低于1英寸4mm)的纖維和顆粒并具有相對低干物質(zhì)含量(即低于20% (w/ w))的物質(zhì)已經(jīng)被成功水解。生物質(zhì)的酶水解傳統(tǒng)地已經(jīng)在配備葉輪(例如Rushton渦輪或htemig葉輪)的攪拌釜反應器中進行，這些葉輪固定在被中心安置的葉輪軸上，與發(fā)酵工業(yè)中所使用的類似。由于該設備，高粘度溶液、非常粘或非常干的材料不能夠被有效地攪拌并將造成不均勻、保持非常差地混合或未混合的區(qū)域。另外，攪拌這樣的溶液需要非常大的能量輸入，這對于過程的經(jīng)濟性是不利的。因此對于含有多糖的生物質(zhì)的操作，先前已經(jīng)限定可能的上限為約20% (w/w)。這在其描述了固體纖維素材料被水解為糖的美國專利第4409329號中得到證實， 其中通過用纖維素酶酶復合體處理含有30-80% (w/w)纖維素的3-20% (w/w)固體原料的顆粒漿狀物，將纖維素水解為單糖。含有纖維素的固體裝料具有直徑在0.01-1英寸 (0. 0254-25. 4mm)范圍內(nèi)的平均粒度。穿孔的轉子葉片被用于混合。該專利的教導為采用非常高的剪切速率，遍及反應區(qū)域大約為50000-200000英尺/分鐘/英尺的等級。US2002117167A描述了生物質(zhì)材料中半纖維素的酶水解，其包括增溶至少一部分半纖維素并水解所增溶的半纖維素，以產(chǎn)生至少一種單糖。所選擇的生物質(zhì)優(yōu)選地為原料或預處理材料的含水漿狀物。生物質(zhì)材料可為包括半纖維素的任何纖維素材料。該過程被描述為對于谷類纖維例如玉米、小麥、稻谷、燕麥或大麥尤其有效。然而，如在實施例中指明的那樣，纖維素未被水解。US2004005674A描述了用于酶水解木質(zhì)纖維素的過程。將木質(zhì)纖維素降解為糖包括使木質(zhì)纖維素與至少一種輔助酶和至少一種纖維素酶接觸。木質(zhì)纖維素材料被磨碎(材料的平均纖維大小未被進一步詳細說明)并具有低的干物質(zhì)含量(0. 2g磨碎的秸稈材料， 在IOml酶溶液中)。WO 2006/056838描述了用于具有相對高的干物質(zhì)含量的含多糖生物質(zhì)的液化和糖化過程。其將酶水解與依賴重力原理、確保生物質(zhì)受到機械力(主要為剪切和撕裂力) 的混合類型相結合。以上過程由于其高剪切要求和水解原料的時間，對于操作是昂貴的。因此對使用經(jīng)濟的設計而同時處理高干含量的生物質(zhì)存在需求。概述本領域熟知纖維素非常難以分解成糖。水解纖維素生物質(zhì)的努力通常已經(jīng)證明是不經(jīng)濟的。盡管含有纖維素的生物質(zhì)流可被處理以增大纖維素對水解催化劑比如酶的可及性，在時間和能量方面仍然非常難以將纖維素轉化為其基礎糖。正是因為這個原因，現(xiàn)有技術系統(tǒng)首先除去纖維素組分，并單獨水解淀粉或游離糖組分。這些系統(tǒng)被稱為第一代過程。 纖維素水解的困難在背景部分引用的新近現(xiàn)有技術專利中得到證實，這些專利使纖維素材料經(jīng)受高剪切和長時間以破裂纖維。本說明書公開了不需要剪切并且在非常短時間內(nèi)水解纖維素的水解過程。本說明書因此公開了用于水解高含量的干生物質(zhì)的方法，方法包括以下步驟使包含具有干內(nèi)容物和水兩者的生物質(zhì)的原料與至少一部分包含水溶性經(jīng)水解種類的溶劑接觸；其中至少一些水溶性經(jīng)水解的種類與自生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解種類相同，在催化劑組合物存在下，于20 □ _95°C范圍內(nèi)的溫度下，保持原料與溶劑之間的接觸5 分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，以自生物質(zhì)產(chǎn)生經(jīng)水解的產(chǎn)物。本說明書公開了用于水解生物質(zhì)的方法也可包括以下步驟A)將一定量具有干內(nèi)容物和水的生物質(zhì)分配到至少第一原料流和第二原料流中，B)通過向第一原料流加入催化劑水解第一原料流而產(chǎn)生第一溶劑流，其中全部原料流中催化劑量在0. l-150FPU/g干內(nèi)容物的范圍內(nèi)，并在20°C _95°C范圍內(nèi)的溫度下實施水解5分鐘-8小時范圍內(nèi)的時間， C)使不為第一原料流的原料流中的至少一種與第一溶劑流接觸和D)在20°C-95°C范圍內(nèi)的溫度下，保持不為第一原料流的至少一種原料與第一溶劑流之間的接觸5分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，以自生物質(zhì)產(chǎn)生經(jīng)水解的產(chǎn)物。進一步公開了至少一部分催化劑組合物在原料與溶劑接觸之前、即刻或之后與原料接觸。進一步公開了原料的生物質(zhì)與水的比率可為大于1 6，或大于1 5，或大于 1 4，或大于1 3，或大于1 2. 5，或大于1 2，或大于1 1.5，或大于1 1或大于 1 0.9。進一步公開了原料中生物質(zhì)水的量在1 4-9 1U. 3. 9-9 1、 1 3.5-9 1、1 3.25-9 1、1 3-9 1、1 2.9-9 1、1 2-9 1,1. 15-9 1、 1 1-9 1和1 0.9-9 1的比率范圍內(nèi)。進一步公開了在接觸時刻與原料接觸的溶劑重量原料重量的比率可在 1 99-99 1、10 90-90 10,20 80-90 10,30 70-90 10,40 60-90 10、 50 50-90 10和60 40-90 10中的任何一種范圍內(nèi)。進一步公開了催化劑包含酶，且該酶能夠將生物質(zhì)中的化合物轉化為糖或低分子量糖聚合物。進一步公開了酶能夠將纖維素水解，優(yōu)選地水解為葡萄糖。
進一步公開了所述方法可為分批方法，其中催化劑組合物在加入原料之前、同時或之后被引入到容器中，并且原料和溶劑在容器中被保持在所述溫度范圍內(nèi)所述時間量， 并且在容器中保持原料、溶劑和催化劑在所述溫度范圍內(nèi)所述時間量之后，自容器除去一定重量的經(jīng)水解產(chǎn)物，其中被除去的經(jīng)水解產(chǎn)物重量基本上相當于被引入的原料加上催化劑組合物重量加上所有被引入到容器中的除溶劑以外的其它材料的重量。所述方法也可包含來自先前水解批次的第二溶劑流。產(chǎn)物去除可為完全的或者將一部分產(chǎn)物保留在容器中。進一步公開了所述方法可為連續(xù)方法，其中不為第一原料流的至少一種原料流的原料和第一溶劑流的溶劑被連續(xù)引入到已經(jīng)含有溶劑流的容器中，催化劑組合物被連續(xù)引入到容器中，并且自容器連續(xù)除去經(jīng)水解的產(chǎn)物，其中在指定量的時間期間除去的經(jīng)水解產(chǎn)物的重量相當于原料加上催化劑組合物重量加上在指定量的時間期間所有被引入到容器中的除溶劑以外的其它材料的重量。進一步公開了所述方法可具有基于產(chǎn)物溶劑流的再循環(huán)回路的預混合步驟，其中一部分溶劑與至少一部分原料在被引入到容器中之前混合，并且溶劑與原料的所有比率為基于溶劑的總量，該總量為容器中溶劑的量加上與至少一部分原料流混合的任何溶劑的量。進一步公開了將固體與經(jīng)水解的材料流分離，并且將固體任選地再循環(huán)進入水解容器中。公開了固體也可在加入到水解容器之前清除(purge)或者根本不加入到水解容器中。附圖簡述-

圖1為連續(xù)水解過程的示意圖。-圖2為具有再循環(huán)回路的連續(xù)水解過程的示意圖。-圖3為活塞流持續(xù)過程的示意圖。-圖4為分批水解過程的示意圖。-圖5為顯示用過量催化劑處理的改進過程的一個實施方案的示意圖。-圖6描繪用于進行實驗的設備類型。-圖7為包含分離水解產(chǎn)物中固體的連續(xù)水解過程的示意圖。詳細描述該過程利用以下發(fā)現(xiàn)當在顯著量的來自生物質(zhì)的已水解產(chǎn)物存在下進行水解時，纖維素的酶水解可非常快速地發(fā)生，并因此任選地避免剪切和過量水。這樣做時，從業(yè)者可避免在現(xiàn)有技術建議中描述的特殊混合器的使用和混合的高成本。所述過程開始于原料選擇。原料包含具有干內(nèi)容物和水的生物質(zhì)。通常水不為游離水，而是被吸收到生物質(zhì)自身中的水。該生物質(zhì)通常根據(jù)其干內(nèi)容物(非水)進行表達。 20%干內(nèi)容物生物質(zhì)相當于具有80%水和20%非水(或固體內(nèi)容物)的生物質(zhì)。術語生物質(zhì)和水，為生物質(zhì)的干內(nèi)容物加上被吸收的水和游離水以及可能已經(jīng)加入的水。例如，對于具有20%干內(nèi)容物的IOOkg生物質(zhì)加上IOkg水，生物質(zhì)加上水的量為110kg。認為所描述的過程能夠采用生物質(zhì)和水的原料，其中原料的干物質(zhì)含量對于水優(yōu)選地為15-80 %、20-80 %，或21-80 %，優(yōu)選地為25-70 %，或洸_70 %，更優(yōu)選地為25-60 %， 或洸-60 %，甚至更優(yōu)選地為25-50 %，或洸-50 %，或25-40 %，或洸％ -40 %并且最優(yōu)選地為 25-35%，或洸-35%，或洸-34%，或 31% -49%。這或者可表達為最小干含量，即表達為相對于原料中水的干內(nèi)容物的重量％。這相當于至少18重量％干內(nèi)容物，優(yōu)選地為相當于至少21或20重量％干內(nèi)容物，優(yōu)選地為至少25重量％干內(nèi)容物，更優(yōu)選地為至少30重量％干內(nèi)容物，并且最優(yōu)選地為至少40重量％干內(nèi)容物。如果它們以范圍表達的話，這些內(nèi)容物的上限按照定義為100%，但實際上 80重量％為這些內(nèi)容物的上限。認為本文所描述的過程能夠處理幾乎100%的干內(nèi)容物。當然意識到一些水對于水解反應是必需的。因此，適合于本發(fā)明的范圍為具有干內(nèi)容物大于18%、20%、21%、25%、沈％、 30%、31%、35%、36%、40%、50%、60%和80%的生物質(zhì)，對于每一個下限，上限為80%、 90%。生物質(zhì)的纖維和粒度的優(yōu)選分布可包括0-150mm，優(yōu)選地為5_125mm，更優(yōu)選地為 IO-IOOmm,甚至更優(yōu)選地為15-30至90mm或20_80mm和最優(yōu)選地為^_70mm的范圍。纖維和粒度的優(yōu)選分布被定義為至少20% (w/w)的生物質(zhì)在優(yōu)選區(qū)間的范圍內(nèi)。該過程的一個有利條件是，在不加入優(yōu)選地選自硫酸、鹽酸、磷酸等的無機酸或其混合物的情況下，或者在沒有木質(zhì)素增溶有機溶劑例如選自2-6個碳原子的碳、酮類 (cetone)和丙酮及其混合物、甲醇、乙醇的那些溶劑的情況下，可進行該過程。另一個有利條件是該反應可在大氣壓力下進行。或者，認為溫度可被升高以致于可在有或無酶存在下，在與100°c -200°C范圍內(nèi)溫度有關的壓力下進行該反應。植物生物質(zhì)為優(yōu)選的原料。植物生物質(zhì)中除淀粉以外的3種主要組分為纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素，其通常用通用術語稱為木質(zhì)纖維素。含多糖的生物質(zhì)為包括淀粉和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)兩者的通用術語。因此，一些類型的原料可為植物生物質(zhì)、含多糖的生物質(zhì)和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。為了清楚起見，在本說明書中，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中可含有淀粉或可不含有淀粉。該過程主要目的在于第二代水解生產(chǎn)，其中木質(zhì)纖維素原料含有大于干內(nèi)容物 5% (重量)的纖維素。盡管干內(nèi)容物的5% (重量)為優(yōu)選量，甚至更優(yōu)選的量為纖維素含量大于原料干內(nèi)容物的10% (重量)，大于原料干內(nèi)容物的至少15% (重量)為最優(yōu)選。盡管原料可不含淀粉，基本上不含淀粉，或具有淀粉含量為0，如果存在，淀粉可為干內(nèi)容物的少于75% (重量)。不存在優(yōu)選的淀粉范圍，因為不認為其存在會影響纖維素的水解。如果存在，淀粉量的范圍在干內(nèi)容物的0-75% (重量)、干內(nèi)容物的0-50% (重量)、干內(nèi)容物的0-30% (重量)和干內(nèi)容物的0-25% (重量)之間。預處理通常用于確保木質(zhì)纖維素內(nèi)容物的結構被賦予催化劑例如酶的更可及性， 并且同時確保有害的抑制性副產(chǎn)物比如乙酸、糠醛和羥甲基糠醛的濃度保持本質(zhì)上低的。存在幾種策略以實現(xiàn)增大的可及性，其中許多可能尚未被發(fā)明?，F(xiàn)行的策略意指使木質(zhì)纖維素材料經(jīng)受在110_250°C之間的溫度1-60分鐘，例如熱水提取多級稀酸水解，其在形成抑制性物質(zhì)之前除去被溶解的物質(zhì)在相對低苛刻度條件下的稀酸水解堿性濕法氧化
蒸汽爆破(Steam explosion)幾乎任何預處理伴隨隨后的解毒作用如果選擇水熱預處理，以下條件為優(yōu)選預處理溫度110-250°C，優(yōu)選地為120-240°C，更優(yōu)選地為130-230°C，更優(yōu)選地為140-220°C，更優(yōu)選地為150-210°C，更優(yōu)選地為160-200°C，甚至更優(yōu)選地為170_200°C 或最優(yōu)選地為180-200°C。預處理時間1-60分鐘，優(yōu)選地為2-55分鐘，更優(yōu)選地為3_50分鐘，更優(yōu)選地為 4-45分鐘，更優(yōu)選地為5-40分鐘，更優(yōu)選地為5-35分鐘，更優(yōu)選地為5_30分鐘，更優(yōu)選地為5-25分鐘，更優(yōu)選地為5-20分鐘和最優(yōu)選地為5-15分鐘。在預處理后的干物質(zhì)含量優(yōu)選地為至少20% (w/w)。其它優(yōu)選的上限在以下進行設想。本發(fā)明的含多糖生物質(zhì)包括含聚合的糖(例如為淀粉以及精制淀粉、纖維素和半纖維素形式)的任何物質(zhì)。然而，如早先討論的那樣，淀粉不為主要組分。本發(fā)明用于水解和混合的相關生物質(zhì)類型可包括源于農(nóng)作物的生物質(zhì)，例如含有谷物；玉米秸稈、甘蔗渣、例如來自稻谷、小麥、黑麥、燕麥、大麥、油菜、高粱的禾桿；塊莖例如甜菜根、馬鈴薯。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料優(yōu)選地來自通常稱為禾草的科。固有名稱為在有花植物的百合綱(單子葉植物)中稱為禾本科(Poaceae或Gramineae)的科。該科植物通常稱為禾草，并且包括竹子。存在約600個屬和約9000-10000或更多種類的禾草(Kew世界草類索弓I (Kew Index of World Grass Species))。禾本科包括生長在世界各地的主食谷物和谷類作物、草地和飼草以及竹子。禾本科通常具有稱為稈的中空的莖，其在稱為莖節(jié)(沿著稈發(fā)出葉子的位置)的間隔處被堵塞 (實心)。禾草葉通常為互生的、對生的(在一個平面)或罕有地為旋列，并且為平行葉脈的。每一個葉子分化為環(huán)繞莖一段距離的下葉鞘和具有通常為全緣的邊緣的葉片。許多禾草的葉片由硅石植物石硬化，其助于阻止食草動物。在一些禾草(比如劍狀葉草)中，這使得草葉的邊緣鋒利得足以切割人皮膚。膜狀附屬物或毛狀緣，稱為葉舌，位于葉鞘與葉片之間的接合點，防止水和昆蟲深入葉鞘。草葉在葉根并且不是自伸長的莖尖生長。該低的生長點響應食草動物進化形成， 并且使得禾草被定期啃食或割草而沒有嚴重損害植物。禾本科的花被有特性地以小穗狀花序排列，每一個小穗狀花序具有一個或更多個小花(小穗狀花序被進一步集合為圓錐花序或穗狀花序)。小穗狀花序在基部包含兩個(或者有時較少的)苞片，稱為穎，接著是一個或更多個小花。小花組成由兩個稱為外稃(外部的一個)和內(nèi)稃(內(nèi)部)的苞片圍繞的花。花通常為兩性的(玉米，雌雄同株的，為例外) 并且授粉幾乎總是風媒的。花被減少至兩片，稱為漿片，其擴展并收縮以伸展外稃和內(nèi)稃； 這些通常被解釋為變態(tài)萼片。該復雜結構可見于描繪小麥(Triticum aestivum)穗狀花序的左邊圖象。禾本科的果實為穎果，其中種皮融合于果壁并且因此不可與其分離(如在玉米粒中)。目前禾草存在3種一般類型的生長習性；簇生型(也稱為叢生的)、匍匐莖的和地下莖的。禾草的成功部分在于其形態(tài)學和生長過程，并且部分在于其生理學多樣性。大部分禾草分為兩個生理學組，使用C3和C4光合作用途徑用于碳固定。C4禾草具有與專門的 Kranz葉解剖學相關聯(lián)的光合作用途徑，使其特別適應炎熱氣候和低二氧化碳的大氣。C3禾草被稱為“涼季禾草”，而C4植物被認為是“暖季禾草”。禾草可為一年生的或多年生植物。一年生涼季禾草的實例為小麥、黑麥、一年生藍草(bluegrass)(—年生草地早熟禾、早熟禾和燕麥)。多年生涼季禾草的實例為果園草(orchardgrass)(雞腳草(cocksfoot)、鴨茅(Dactylis glomerata))、牛毛草(羊茅屬)、肯塔基藍草(Kentucky Bluegrass)和多年生黑麥草(多年生黑麥草屬(lolium perenne))。一年生暖季禾草的實例為玉米、蘇丹草和珍珠粟。多年生暖季禾草的實例為大須芒草、假高粱(indiangrass)、狗牙根和柳枝稷。禾本科的一種分類法認為有12個亞科這些科為1)三芒草亞科 (anomochlooideae),包括兩個屬(Anomochloa, Streptochaeta)的闊葉草的小譜系； 2)Pharoideae,包括三個屬的禾草的小譜系，包括Wiarus和囊稃竹屬(L印taspis) ；3) Puelioideae，包括非洲屬巨菌草(Puelia)的小譜系；4)早熟禾亞科(Pooideae)，其包括小麥、大麥、燕麥、雀麥草(Brormus)和蘆葦草(拂子茅屬(Calamagrostis)) ；5)竹亞科，其包括竹子；6)稻亞科，其包括稻谷和野生稻；7)蘆竹亞科，其包括蘆竹和蘆葦；8)假淡竹葉亞科，11個屬的小亞科，有時被包括在黍亞科中；9)虎尾草亞科(Chloridoideae)，包括畫眉草屬(Eragrostis，約350種，包括埃塞爾比亞畫眉草(teff))、鼠尾粟屬(Sporobolus,^ 160 種)、龍爪稷屬(Eleusine coracana (L.) Gaertn.)和亂子草屬(Muhlenbergia，約 I75 種)；10)黍亞科(Panicoideae)，包括黍、玉米、高粱、甘蔗、大多數(shù)小米、福尼奧(fonio)和須芒草；11)小草亞科(Micrairoideae) ；12)扁芒草亞科(Danthoniodieae)，包括蒲葦; Poa為約500種禾草的屬，源于兩個半球的溫帶。因可食種子而種植的農(nóng)用禾草稱為谷物。3種常用谷物為稻谷、小麥和玉蜀黍(玉米)。在所有作物中，70%為禾草。甘蔗為糖生產(chǎn)的主要來源。禾草用于建筑。自竹子制造的腳手架能夠經(jīng)受住使鋼制腳手架斷裂的臺風風力。較大的竹子和蘆竹具有可以與木材類似的方式使用的堅固的空心莖，并且草根穩(wěn)固草皮房子的草皮。蘆竹(Arimdo)被用于制造木管樂器的簧舌，且竹子被用于無數(shù)的器具。因此，優(yōu)選的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自禾草。換而言之，優(yōu)選的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自屬于禾本科(Poaceae或Gramineae family)的植物。在大多數(shù)情況中，淀粉將沒有被提取。因此另一種優(yōu)選的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為選自淀粉沒有被提取的禾草。換而言之，優(yōu)選的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自沒有提取其淀粉的屬于禾本科或禾本科的植物。提取不同于除去。 玉米株型具有穗和秸稈。穗的去除，除去主要的淀粉組分，但不是提取淀粉。提取淀粉為通過非切割或斬斷的化學或物理過程自纖維素淀粉組份分離淀粉。在預處理之前，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可被切削成片，其中20% (w/w)的生物質(zhì)優(yōu)選地在沈-70讓范圍內(nèi)。預處理的材料在進入所述過程之前優(yōu)選地具有干物質(zhì)含量為高于 20%。除了自生物質(zhì)釋放碳水化合物以外，預處理過程滅菌并部分溶解生物質(zhì)且同時自木質(zhì)素部分中洗掉氯化鉀。
生物質(zhì)將含有一些化合物，其可水解為自生物質(zhì)水解可得到的水溶性種類。在纖維素的水溶性經(jīng)水解種類的情況中，纖維素可被水解為葡萄糖、纖維二糖和高級葡萄糖聚合物并且包括二聚物和低聚物。因此纖維素的一些水溶性經(jīng)水解種類為葡萄糖、 纖維二糖和高級葡萄糖聚合物并且包括它們各自的二聚物和低聚物。纖維素經(jīng)碳水解 (carbohydrolytic)纖維素酶水解為葡萄糖。因此碳水解纖維素酶為用于纖維素水解的催化劑的實例。纖維素水解系統(tǒng)的普遍理解將纖維素酶分為3種類型外切型-1，4-β -D-葡聚糖酶或纖維二糖水解酶(CBH) (EC 3. 2. 1.91)，其自纖維素鏈末端裂解掉纖維二糖單元；內(nèi)切型-1，4-β-D-葡聚糖酶(EG) (EC3. 2. 1. 4)，其隨機水解纖維素鏈中的內(nèi)部β-1，4-葡萄糖甙鍵；1，4-β-D-葡萄糖苷酶(EC 3.2. 1.21)，其水解纖維二糖為葡萄糖并且也自纖維寡糖裂解掉葡萄糖單元。因此，如果生物質(zhì)含有纖維素，那么葡萄糖為自生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解種類，并且前面提及的纖維素酶，以及在實驗部分中提及的那些，為用于水解纖維素的催化劑的具體實例。通過類似分析，半纖維素的水解產(chǎn)物為自生物質(zhì)水解可得到的水溶性種類，當然假定生物質(zhì)含有半纖維素。半纖維素包括木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯糖木聚糖 (arabinoxylan)、葡甘露聚糖和木糖葡聚糖。半纖維素中的不同糖由半纖維素酶釋放。半纖維素水解(hemicellulytic)系統(tǒng)由于半纖維素的異源性而比纖維素分解系統(tǒng)更加復雜。除其他之外，這些系統(tǒng)可包括內(nèi)切型-1，4-β-D-木聚糖酶(EC3.2. 1.8)，其水解木聚糖鏈中的內(nèi)部鍵；1，4- β -D-木糖苷酶(EC 3. 2. 1. 37)，其從非還原端進攻木寡糖并釋放木糖；內(nèi)切型-1，4_β-D-甘露聚糖酶(EC3.2. 1.78)，其裂解內(nèi)部鍵；I，4_i3-D_甘露糖苷酶(EC 3.2. 1.25)，其裂解甘露寡糖為甘露糖。側基由多種酶除去；比如α-D-半乳糖苷酶(EC 3. 2. 1. 22)、α -L-阿拉伯呋喃糖苷酶(EC 3. 2. 1. 55)、α -D-葡糖醛酸酶(EC 3. 2. 1. 139)、肉桂?；ッ?EC 3. 1. 1.-)、乙?；揪厶酋ッ?EC 3. 1. 1. 6)和阿魏酸酯酶 (EC 3.1.1.73)。因此，如果生物質(zhì)含有半纖維素，那么木糖和甘露糖為自含有半纖維素的生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解種類的實例，并且前面提及的半纖維素酶，以及在實驗部分中提及的那些，為用于水解半纖維素的催化劑的具體實例。催化劑組合物包括在所述過程中。催化劑組合物由催化劑、載體以及用于向所述過程引入催化劑的其它添加劑/組分所組成。如以上討論的那樣，催化劑可包含至少一種酶或微生物，其將生物質(zhì)中的至少一種化合物轉化為較低分子量的化合物(一或多種)，下至并且包括用于產(chǎn)生生物質(zhì)中化合物的基礎糖或碳水化合物。能夠對各種多糖比如纖維素、半纖維素和淀粉這樣做的酶是本領域熟知的，并將包括尚未發(fā)明的那些酶。催化劑組合物也可包含無機酸，其優(yōu)選地選自硫酸、鹽酸、磷酸等或其混合物。認為無機酸適用于在大于100°c的溫度下操作。所述過程也可特別地在不加入無機酸的情況下運行。典型的是向所述過程伴隨載體加入催化劑，比如基于水或有機物的材料。為了質(zhì)量平衡的目的，術語催化劑組合物因此包括催化劑加上用于向所述過程加入催化劑的載體。如果伴隨催化劑加入PH緩沖劑，那么其也為催化劑組合物的部分。通常木質(zhì)纖維素生物質(zhì)將含有淀粉。用于淀粉水解的更重要的酶為α-淀粉酶 (1，4-α-D-葡聚糖葡聚糖水解酶，(EC 3.2.1.1))。這些酶為內(nèi)切作用的水解酶，其裂解1，4- α -D-糖苷鍵并可繞過但是不能水解1，6- α -D-葡糖苷支化點。然而，還有外切作用的淀粉糖化酶(glycoamylase)比如β -淀粉酶(EC 3. 2. 1. 2)和支鏈淀粉酶(EC 3. 2. 1. 41)可用于淀粉水解。淀粉水解的結果主要是葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、α-糊精和變化量的低聚糖。當基于淀粉的水解產(chǎn)物被用于發(fā)酵作用時，可以有利的是加入蛋白水解酶。這樣的酶可防止微生物絮凝，并可產(chǎn)生對微生物可用的氨基酸。因此，如果生物質(zhì)含有淀粉，那么葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、α-糊精和低聚糖為自含有淀粉的生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解種類的實例，并且前面提及的α -淀粉酶，以及在實驗部分中提及的那些，為用于水解淀粉的催化劑的具體實例。盡管水解可使用在圖1-4中體現(xiàn)的溶劑接觸過程，具有改善的水解效率與速率的優(yōu)選實施方案可通過使用新鮮催化劑得到顯著改善。認為隨著時間推移，實施方案1、2、3 和4中的催化劑組合物中的一部分催化劑將隨著時間推移發(fā)生降解。在圖5中建議的過程將生物質(zhì)3，流1分裂或分配成至少兩個流，第一原料流Ia在容器15中被水解，過量的催化劑通過流2被引入到催化劑組合物中，任選地不使用溶劑過程。在流2中的過量催化劑存在下第一原料流Ia水解之后，自容器15除去經(jīng)水解的產(chǎn)物 4，并且稱之為第一溶劑流的溶劑。然后第一溶劑流4與原料流Ib的至少一部分剩余原料合并，并在容器16中開始溶劑水解過程。容器16可對應于圖1中的容器10、圖2中的容器 10或11、圖3中的容器12和圖4中的容器13中的任何一種。水解產(chǎn)物6作為流5自容器除去。處理第一原料流需要的催化劑的量極大地取決于原料流中的生物質(zhì)類型和所選擇的催化劑或酶。因此，催化劑量的最佳表達方式基于在給定重量的生物質(zhì)中水解100%可水解組分所需要的量。對第一原料流需要的催化劑的量在水解100%第一原料流需要的最小催化劑量-水解100%全部原料流需要量的兩倍的范圍內(nèi)。這也可以濾紙單位(Filter Paper Units) (FPU)/g干物質(zhì)(DM)表達。FPU按照 NREL 實驗室分析程序(NREL Laboratory Analytical Procedure)(技術報告(^Technical R印ort)NREL/TP-510-42628，2008年1月)測定和定義。該方法使用行業(yè)標準，并且根據(jù)每毫升初始(未稀釋)酶溶液的“濾紙單位(filter paper units) ”(FPU)測量纖維素活性。 為了定量結果，酶制劑必須基于顯著和相等的轉化進行比較。對于給定酶的一個濾紙單位為，在50°C下于60分鐘內(nèi)自50mg來自Whatman 1號濾帶的濾紙釋放2. Omg還原糖作為葡萄糖轉化)需要的酶量，并且已經(jīng)指定為用于根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)盟(IUPAC) 指南計算濾紙纖維素單位(FPU)的截距(intercut)。對于任何過程的催化活性原則上可以任何可想象的形式被提供，包括加入微生物產(chǎn)生相當于0. 001-150FPU/g干物質(zhì)，優(yōu)選地為0. 001-25FPU/g干物質(zhì)，優(yōu)選地為0. 01-20FPU/g干物質(zhì)，更優(yōu)選地為0. 2_16FPU/g干物質(zhì)，更優(yōu)選地為2-30FPU/g干物質(zhì)和最優(yōu)選地為4-25FPU/g干物質(zhì)的酶活性。在圖5的水解步驟(容器15)中，加入到第一原料流的催化劑或酶的量在 0. 001-150FPU/g全部原料流的干物質(zhì)，優(yōu)選地為0. 001-15FPU/g全部原料流的干物質(zhì)，優(yōu)選地為0. 01-30FPU/g全部原料流的干物質(zhì)，更優(yōu)選地為0. l-30FPU/g全部原料流的干物質(zhì)，更優(yōu)選地為l_25FPU/g全部原料流的干物質(zhì)和最優(yōu)選地為少于20FPU/g全部原料流的干物質(zhì)但是大于0. lFPU/g全部原料流的干物質(zhì)范圍內(nèi)。盡管FPU的分析為公知的，在該情況中人們將催化劑量除以總的原料量，并然后確定所述濃度是否具有在所述范圍內(nèi)的FPU。 或者，如果人們知道該催化劑濃度的FPU，人們將加入足夠的催化劑以對給定量的原料達到要求的FPU。在用催化劑水解第一原料流之后，經(jīng)水解的材料變?yōu)榉Q為第一溶劑流。第二溶劑流將為全部原料流的液化的經(jīng)水解材料，并將包括第一溶劑流加上不為第一原料流的經(jīng)水解的材料。術語全部溶劑流將包括用作溶劑并與未反應的生物質(zhì)接觸的所有液化的流。然后如以下描述的，第一溶劑流可用作水解剩余原料流的溶劑。剩余的原料流然后可在第一溶劑流被引入到容器之前、之后或同時被引入到水解容器中。過程1、2、3和4 僅是可用于水解剩余原料流(不為第一原料流的那些流)的過程的一些類型。因為第一溶劑流具有僅被使用一次并且過量的催化劑，認為其更好地水解剩余的流，因為剩余的原料流接著與比在圖1-4中顯示的過程(沒有在圖5中顯示的過程的預先步驟)所使用的更新鮮的催化劑接觸。如在5號實驗中顯示的那樣，原料被分為兩部分，用兩部分一起處理時要使用的催化劑量處理第一部分。對于所有過程也常將pH控制在對酶催化活性最佳條件下，在3-12，比如5-10，比如6-9，比如7-8和優(yōu)選地為4-11范圍內(nèi)。由于高的干含量，對于在容器15中水解可需要特殊的反應器。認為合適的反應器可見于WO 2006/056838，并且為其公開的發(fā)明目的。所述過程也使用來自溶劑流的溶劑。簡單來說，除水不溶性材料以外，溶劑組成將為生物質(zhì)水解之后類似的(如果不是確切的)產(chǎn)物組成。在大多數(shù)情況中溶劑將包含得自水解后生物質(zhì)原料的水解產(chǎn)物，并且包括酶、緩沖劑以及另外向水解反應中加入的任何其他物質(zhì)。當溶劑為經(jīng)水解的生物質(zhì)時，溶劑被加入到原料中，其不由原料產(chǎn)生。例如在圖4 中(分批過程)，溶劑型材料的量因為原料被水解而將隨著時間增大，盡管這加入溶劑中的溶劑，但是不把它認為是用于計算溶劑與原料比率的目的的溶劑部分，該比率在圖4的情況中當原料進入容器并接觸溶劑時被計算。實際上，用于溶劑流的溶劑通常來自先前經(jīng)水解的生物質(zhì)。如果人們例如將水解產(chǎn)物與酶、緩沖劑、不溶物等分離，那么該水解產(chǎn)物為溶劑。溶劑流應包含水溶性經(jīng)水解的種類，其中至少一些水溶性經(jīng)水解的種類與可得自或可獲得自生物質(zhì)原料水解的水溶性經(jīng)水解的種類相同。例如，操作圖4的分批過程的優(yōu)選模式為在容器中保留一部分批量用作隨后的裝料的溶劑。在連續(xù)過程中，例如連續(xù)攪拌的反應器(CSTR)中，溶劑為始終可利用的。人們熟知在連續(xù)反應器中，將原料和催化劑連續(xù)引入到容器中并且連續(xù)除去產(chǎn)物。然而，連續(xù)不總是意指沒有開始和結束，不斷的滴下例如被認為是連續(xù)進料，然而其不是確切的連續(xù)進料，因為存在進料不連續(xù)的時刻。因此在連續(xù)式反應器的上下文中，短語連續(xù)意指進料和產(chǎn)物各自可隨著時間推移被間歇地引入或抽取并且不必同時進料和抽取。如在實驗部分中描述的那樣，當高干含量的生物質(zhì)被置于一部分溶劑中時，溶解和水解極其快速，事實上目測明顯。溶劑流和溶劑因此包括水和水溶性經(jīng)水解的種類。至少一些(如果不是所有的)水溶性經(jīng)水解種類，與自原料組合物中生物質(zhì)水解可得的水溶性經(jīng)水解種類相同。因為溶劑含有不溶解的種類(其可稱為分散固體)，為了質(zhì)量平衡目的，除非有物品被明確地排除在外，術語溶劑和溶劑流指在組成和重量兩方面的材料總量，并且包括水溶性種類和水不溶性種類、催化劑、載體、PH緩沖劑、pH控制化合物(比如在反應期間加入的酸或堿)以及存在于溶劑中的其它化合物。所述過程包括接觸的時刻，被定義為原料和溶劑集合在一起時。在如圖4中顯示的分批過程中，該接觸時刻發(fā)生于原料流3通過管線1進入容器13并在容器底部接觸溶劑流4時。加入催化劑組合物的時間點相對于該接觸不這么關鍵。其可在原料與溶劑的接觸時刻之前加入到原料流中。其可在原料與溶劑的接觸時刻同時加入，或者其可在原料與溶劑的接觸時刻之后加入。其還可在向溶劑流加入原料流之前加入到溶劑流中。其也可被分配，并在相對于接觸時刻的這3個階段的任何組合期間加入。要加入的催化劑的量從技術角度易于確定，并且基于催化劑的量/生物質(zhì)中干內(nèi)容物的量加入，這取決于生物質(zhì)的組成。根據(jù)所述過程，原料、溶劑和催化劑組合物及其它物質(zhì)(比如貫穿反應期間用于控制PH的pH緩沖劑和酸/堿)優(yōu)選地被保持在20°C -100°C范圍內(nèi)并且更優(yōu)選地在 200C _99°C范圍內(nèi)的溫度下，20°C -95°C為最優(yōu)選。該溫度為基于催化反應例如將生物質(zhì)中的材料水解至較低分子量化合物(例如水解產(chǎn)物)的最佳溫度。也認為可能壓力將起作用，并且反應可在有或無酶或酸催化劑存在下于與 IOO0C -200°C之間溫度有關的壓力下進行。因此認為對于所述過程的最大操作范圍為20°C -200°C。該過程的一個有利條件是，其可在不加入無機酸(優(yōu)選地選自硫酸、鹽酸、磷酸等)或其混合物下或者在不加入木質(zhì)素增溶有機溶劑(比如選自2-6個碳原子的碳、酮類 (cetone)和丙酮及其混合物、甲醇、乙醇的那些溶劑)下進行。反應繼續(xù)一段時間直到達到要求的終點。該段時間稱為停留時間或反應時間。盡管5分鐘-8小時可為優(yōu)選的范圍，其它優(yōu)選的停留時間為5分鐘-16小時、5分鐘小時、5分鐘-36小時、5分鐘-48小時、5分鐘-60小時和5分鐘-72小時。停留時間可包括許多數(shù)值。例如，停留時間可為大于8小時和少于72小時作為一個優(yōu)選范圍，大于8小時和少于60小時為另一個優(yōu)選范圍，大于8小時和少于48小時為另一個優(yōu)選范圍，大于8小時和少于36小時為另一個優(yōu)選范圍，大于8小時和少于M小時為另一個優(yōu)選范圍。停留時間也可以功能方式確定為達到要求的終點所花費的時間。在該情況中，所要求的終點也可表示為可用于水解的生物質(zhì)百分數(shù)。例如，如果IOOkg生物質(zhì)原料具有 80kg可用于水解的生物質(zhì)，當45%可用于水解的生物質(zhì)已經(jīng)被水解，則優(yōu)選地達到要求的終點，或者更優(yōu)選地當55%可用于水解的生物質(zhì)已經(jīng)達到，或者甚至更優(yōu)選地當65%可用于水解的生物質(zhì)已經(jīng)達到。在所要求的反應時間完成后，所生成的經(jīng)水解的產(chǎn)物(水解產(chǎn)物)可自容器除去并進一步處理。在圖4中顯示的分批過程中，一定量的水解產(chǎn)物6自容器底部除去并置于第二容器14中用于進一步處理。自容器13中除去的量通常與被引入到該容器中的材料量相同， 因此在第一容器中剩余的溶劑與又一批原料和催化劑組合物接觸。然而，在一個實施方案中，容器13可被完全騰空并且同時或接近同時地向容器中加入原料和溶劑。如在圖4中顯示的那樣，包含生物質(zhì)和水的原料流3通過進料管線1供給間歇式攪拌釜反應器13。含有催化劑的催化劑組合物通過進料管線2供給反應器13。相3中的原料和催化劑組合物與溶劑相4接觸，并且逐漸水解。盡管顯示為3個不同的相，這些相實際上遍及整個容器作為混合物存在。在要求的時間量或停留時間或反應時間之后，經(jīng)閥門 20通過產(chǎn)物管線5自反應器抽取液體水解產(chǎn)物或水解的產(chǎn)物或水解產(chǎn)物，并供給容器14， 其可被用于同時糖化和發(fā)酵。液體水解產(chǎn)物可不完全為液體，而是可包括一些仍未水解的固體和一些不可水解的固體。被除去產(chǎn)物的量大約等于被引入到容器13中的原料流和催化劑組合物的量。在容器13和14之間的虛線描述被除去和置入容器14中的量約為相3 的量，即被引入到容器(相3)的量。如果容器要用于第二批次，剩余在反應器中的溶劑流 (也稱為殘液)將助于加速反應。對本領域技術人員應顯而易見的是，在批與批之間被除去的量不需精確匹配在每一批加入至批量水平的量，但是經(jīng)多批除去的量應基本上等于所加入的量，否則容器將伴隨過低溶劑量操作或者容器將溢出。如同在本文描述的分批和連續(xù)過程中那樣，已知加入速率和產(chǎn)物去除速率通常隨著時間和批至批的推移而存在變化，以致于術語“等于”或“基本上等于”意指包括這些變化。控制參數(shù)為，在溶劑與原料的接觸時刻溶劑重量與原料中的原料(生物質(zhì)加上水)重量的比率，溶劑重量包括溶劑中的分散固體、PH緩沖劑、催化劑、載體、緩沖控制劑和任何其他物質(zhì)重量。預計將會有一比率，低于其對水解反應沒有或僅有有限影響。作為推論，盡管理論上該比率不存在上限，但是有這樣的點，使得額外的溶劑流對水解速率幾乎沒有影響，并且僅通過規(guī)模和操作成本增大設備成本。用于給定量生物質(zhì)的溶劑的量預計至少取決于生物質(zhì)的干內(nèi)容物的量(高的干內(nèi)容物重量預計需要更多溶劑)、生物質(zhì)和催化劑的類型、PH、操作溫度和所采用的混合類型。在接觸時刻溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率通過參照實施方案得到最好解釋。如在圖1中顯示的那樣，包含生物質(zhì)和水的原料流3通過管線1供給連續(xù)攪拌釜反應器10。催化劑，通常為酶，作為催化劑組合物的部分供給，通過標號為2的管線引入到反應器10中。在容器10中為已知的或可確定重量的溶劑流4。因為在連續(xù)攪拌的反應器中，停留時間使得通過管線5離開反應器的材料被水解至要求的點，在任何給定的時間點， 溶劑流的量為容器中的材料重量加上任何再循環(huán)回路和再循環(huán)槽中的量。生物質(zhì)和催化劑與溶劑混合并以非常快的速率發(fā)生水解。液體反應產(chǎn)物(水解產(chǎn)物)(6)通過產(chǎn)物管線5 自反應器取出。在指定時間內(nèi)通過管線5離開反應器的液體量等于速率(rate)加上催化劑組合物加上在相同的指定時間期間內(nèi)已加入到容器中的其它材料。在該情況中，接觸時刻溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率為，容器中的材料重量加上再循環(huán)至容器(溶劑)中的任何再循環(huán)回路和再循環(huán)槽中的量在共同的時間單位加入至容器的生物質(zhì)加上水的瞬間加入速率。熟悉連續(xù)過程的那些人將把該比率當作停留時間。例如，容器含有400kg溶劑，停留時間為4小時。原料以IOOkg/小時加入并且水解產(chǎn)物以IOOkg/小時除去。比率為400 100或4，或者停留時間為4小時。因此，對于 CSTR，該比率為停留時間。圖2顯示具有再循環(huán)流的圖1過程。如在圖中顯示的那樣，生物質(zhì)和水通過進料管線1供給預混合器11，其中它們與一部分溶劑，自管線7輸入的液體水解產(chǎn)物接觸?；旌衔锿ㄟ^管線8供給連續(xù)攪拌釜反應器10。催化劑組合物通過進料管線2供給反應器10。生物質(zhì)被逐漸水解，并且液體水解產(chǎn)物或產(chǎn)物6通過排出管線5退出反應器，其然后分開進入再循環(huán)流7和產(chǎn)物管線5。經(jīng)指定的時間期間排出產(chǎn)物管線5的材料量等于速率加上催化劑組合物加上在相同指定時間期間內(nèi)被加入到容器中的(除了來自管線7的)其它材料。所述過程的一個其它實施方案被描繪在圖5中，并且其可被轉化成已顯示的實施方案，以自液體水解產(chǎn)物分離一些或全部固體。取決于反應有多完全，固體可任選地返回到水解容器16或容器15中用于進一步水解。如果水解基本完全，可在將產(chǎn)物流轉到下一步之前除去固體。該改進顯示在圖7中。在圖7中，流5被供給固體分離裝置12以除去至少一些固體(并且很可能一些液體)到固體流9中，流5A為除去一些固體的液體流。如同早先指出的那樣，至少一部分固體流可任選地返回到水解容器16或容器15。分離發(fā)生后，不一定必須取用流9，之前或之后將流9送回容器16或15，但是優(yōu)選地在分離發(fā)生后使產(chǎn)物流6轉到下一步驟。如在圖7中顯示的那樣，流9可再循環(huán)回容器16或15中、可自所述過程完全除去，或者一部分材料流9可自所述過程除去(清除)并且其余部分被再循環(huán)回容器15、16 或兩者中。自液體流分離固體的裝置為本領域熟知的，并且包括(但不限于)濾器、旋流器、 離心機、壓榨機、傾析器、重力沉降、除沫器等。優(yōu)選的分離裝置選自水力旋流器和離心機。用類比的方法，本領域技術人員可改變圖3的活塞流過程以自流5分離至少一些固體。模擬實驗已經(jīng)證實，通過將固體再循環(huán)并把大多數(shù)水解產(chǎn)物傳遞下去，對于給定大小的容器和停留時間的轉化率可被增大至多達400 %。在該情況中，溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率為，容器中的材料重量加上1小時內(nèi)加入到預混合器11中的溶劑量1小時內(nèi)加入容器中的生物質(zhì)加上水的重量。而且，停留時間也表示比率。通過類似的類比，存在如在圖3中描繪的活塞流反應器實施方案。參照圖2，顯然圖3的過程可被認為是圖2中過程的“修改”，使得所有流的溶劑通過預混合器11供給并且在容器10中毫無遺留。如在圖3中顯示的那樣，含有生物質(zhì)和水的原料流3通過進料管線 1供給連續(xù)活塞流反應器12。催化劑組合物通過進料管線2供給反應器12。溶劑流通過進料管線7加入到材料中，其從含有水解產(chǎn)物的管線5轉來。組分形成漿狀物，其逐漸水解， 液體水解產(chǎn)物6通過產(chǎn)物管線5自反應器抽取并分成流7。每單位時間除去的產(chǎn)物6的量 (速率)等于速率加上催化劑組合物2加上除自管線7進入的以外的所有其它材料。接觸時刻為原料流接觸溶劑流時。在該情況中，接觸時刻該重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率為每單位時間材料流7中的材料重量每相同單位時間加入到容器中的生物質(zhì)加上
水的重量。在于圖4中顯示的和先前描述的分批過程中，在該情況中，接觸時刻溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率為容器中的材料重量(溶劑流標為相4)每次裝料加入的生物質(zhì)加上水的重量。如果加入另外的溶劑，其將加入到已經(jīng)在反應器中的4的重量?？赡芊峙^程被改變以具有生物質(zhì)與溶劑的預混合，在該情況中，接觸時刻溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率為容器中的溶劑重量加上該裝料中的溶劑重量 每次裝料被加入到容器中的生物質(zhì)加上水的重量。溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比值可在1 99-100 1變化。然而，更優(yōu)選的是范圍在5 95-95 5，或者甚至更優(yōu)選的是10 90-90 10，比率為 20 80-80 20更加優(yōu)選，20 80-60 40的范圍為最優(yōu)選，但是10 90-90 10、 20 80-90 10,30 70-90 10,40 60-90 10,50 50-90 10和60 40-90 10
也是合適的范圍。溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比值也可表示為最小比率，因為認為不存在理論上的最大值。因此，該比率應為至少0.8 1.0，或者更優(yōu)選地為至少1 1，或者甚至更優(yōu)選地為至少1.2 1，至少1.5 1為更優(yōu)選，2 1為甚至更優(yōu)選和3 1為甚至更優(yōu)選。因為纖維素水解為所述過程的主要特征，溶劑與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率可通過使用纖維素及其水解產(chǎn)物代替。如在實施例中公開的那樣，在引入下一個連續(xù)量的原料之前沒有水解產(chǎn)物被除去。因此，溶劑中纖維素的量加上來自經(jīng)水解纖維素的產(chǎn)物量與原料中纖維素量的比率同溶劑重量與原料中生物質(zhì)加上水的重量的比率相同。原料和溶劑中纖維素的量可易于確定。來自纖維素經(jīng)水解產(chǎn)物的量可通過測定溶劑中的產(chǎn)物并減去來自非纖維素物質(zhì)的水解或初始原料中用于形成溶劑的那些產(chǎn)物的量而確定。例如，淀粉也水解為葡萄糖及其它對于纖維素相同的可水解種類。因此，溶劑中葡萄糖及其它對于纖維素相同的可水解種類的量將必須至少減去來自淀粉的量。這可通過獲知由此形成溶劑的進料中的淀粉量、溶劑中的淀粉量而確定，該差值為來自淀粉的可水解種類的量?？刂票嚷士杀磉_為溶劑中纖維素量加上來自經(jīng)水解纖維素的產(chǎn)物量與原料中纖維素量的最小比率。該比率應為至少0.8 1.0，或者更優(yōu)選地為至少1 1，或者甚至更優(yōu)選地為至少1.2 1，至少1.5 1為更優(yōu)選，2 1為甚至更優(yōu)選和3 1為甚至更優(yōu)選。 以下列出的實例也將確定比率為至少4 1和至少5 1也起作用。應該注意在實施例5 中，盡管增大比率減小水解時間，對于各附加量的溶劑，該改進較小。應該指出該比率為纖維素及其水解產(chǎn)物專有的。因此，存在于原料中的葡萄糖和為纖維素已知水解產(chǎn)物的產(chǎn)物要自存在于溶劑中的那些減去。另外，源于半纖維素或淀粉或其它非纖維素材料水解的任何產(chǎn)物也需要自溶劑中減去。這將包括確定多少淀粉被還原為葡萄糖并減去該葡萄糖。因為溶劑最好在分離除不溶性物質(zhì)以外的任何物質(zhì)之前使用，在溶劑液體部分中的水溶性物質(zhì)相對組成與沒有分離水溶性組分的原料的水溶性水解產(chǎn)物的相對組成相同。 盡管人們可加入水以稀釋水溶性組分，這些組分彼此相對的量保持相同。以上這些實施方案被設計為不限制說明書或權利要求，因為存在許多對普通技術人員可用的構造，其包括一系列連續(xù)容器或半間歇式反應器或者與或不與活塞流反應器的組合。粘度減少的實驗性試驗實驗設備2個相同的玻璃反應器，具有以下幾何特性(參見圖6)· T (反應器直徑)=0.15m· Z(反應器高度)=0. 30m 用于熱交換流體的夾套，圍繞側面和底部，寬度km ； 半球形底部； 具有墊圈和密封的蓋子，具有5個開口(1個中心孔用于攪拌器軸，4個邊孔用以加入材料或用于取樣，在實驗期間將用蓋帽關閉)。兩個反應器配備兩個不同的錨式攪拌器(A和B)，得到以下構造構造 A:D (“翼幅”)=0. 136mS(葉片寬度)=0.01mH(錨高度)=0. 12cmC(間隙，葉片-壁距離)=0. 007mD/T = 0. 907D/S = 13. 6T/S = 15構造 B:在該構造中，葉片以45度角傾斜用于更好地刮擦器壁D (“翼幅”)=0. 145mLS(葉片寬度)=0. 0141mS (葉片投影寬度)=0. OlmH(錨高度)=0. 145cmC(間隙，葉片-壁距離)=0.0025mD/T = 0.967D/S = 14. 5T/S = 15攪拌由Heidolph RZR 2102控制電動機(功率:140ff)提供。兩個熱浴經(jīng)反應器夾套中的45 °C循環(huán)水確保溫度的保持。材料所用起始原料為預處理的甜高粱(Sorgo)和蘆竹(Arimdo Donax) 0材料儲存于-18°C下以防止降解。起始原料的特性如下
權利要求
1.一種用于水解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，所述方法包括以下步驟A)使木質(zhì)纖維素原料與至少一部分溶劑接觸，所述原料包含具有干內(nèi)容物和水的生物質(zhì)，所述溶劑包含水溶性經(jīng)水解的種類；其中至少一些水溶性經(jīng)水解的種類與自原料中生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解的種類相同；B)保持原料流中的原料與溶劑在20°C-200°C范圍內(nèi)的溫度下接觸5分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，以自原料中的生物質(zhì)產(chǎn)生經(jīng)水解的產(chǎn)物。
2.權利要求1的方法，其中干內(nèi)容物包含纖維素、半纖維素，并且干內(nèi)容物中的纖維素的重量％大于干內(nèi)容物的5重量％ ；其中至少一些水溶性經(jīng)水解的種類與自原料中纖維素水解可得到的水溶性經(jīng)水解的種類相同，并且原料與溶劑之間的接觸為在用于水解纖維素的催化劑存在下。
3.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在1 99-99 1的范圍內(nèi)。
4.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在10 90-90 10的范圍內(nèi)。
5.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在20 80-90 10的范圍內(nèi)。
6.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在30 70-90 10的范圍內(nèi)。
7.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在40 60-90 10的范圍內(nèi)。
8.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在50 50-90 10的范圍內(nèi)。
9.權利要求1和2中任何一項的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率在60 40-90 10的范圍內(nèi)。
10.權利要求2的方法，其中和原料接觸的溶劑重量與原料重量的比率大于0.8 1。
11.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于1 1。
12.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于1.5 1。
13.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于2 1。
14.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于3 1。
15.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于4 1。
16.權利要求2的方法，其中溶劑中纖維素加上纖維素水解產(chǎn)物的重量與木質(zhì)纖維素原料中纖維素重量的比率大于5 1。
17.權利要求2-16中任何一項的方法，其中，至少一部分催化劑組合物與原料在原料與至少一部分溶劑接觸之前進行接觸。
18.權利要求2-16中任何一項的方法，其中至少一部分催化劑組合物與原料在原料與至少一部分溶劑接觸之后進行接觸。
19.權利要求2-16中任何一項的方法，其中至少一部分催化劑組合物與原料在原料與至少一部分溶劑接觸的同時進行接觸。
20.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 4。
21.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 3。
22.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 2。
23.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 1.5。
24.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 1。
25.權利要求-16中任何--項的方法，其中原料中生物質(zhì)與水的比率為大于1 0.9。
26.權利要求-25中任何--項的方法，其中催化劑組合物包含酶。
27.權利要求-26中任何--項的方法，其中溫度在20-105°C的范圍內(nèi)。
28.權利要求-26中任何--項的方法，其中溫度在20-95°C的范圍內(nèi)。
29.權利要求-28中任何--項的方法，其中時間在5分鐘-48小時的范圍內(nèi)。
30.權利要求-28中任何--項的方法，其中時間在5分鐘-36小時的范圍內(nèi)。
31.權利要求-28中任何--項的方法，其中時間在5分鐘小時的范圍內(nèi)。
32.權利要求-28中任何--項的方法，其中時間在5分鐘-12小時的范圍內(nèi)。
33.權利要求-28中任何--項的方法，其中時間在5分鐘-8小時的范圍內(nèi)。
34.權利要求-33中任何--項的方法，其中所述方法為包括以下步驟的分批方法A)將原料引入到已經(jīng)含有至少一部分溶劑的容器中，B)在將原料引入到容器中之前、同時或之后，向容器中引入催化劑組合物，C)保持容器中的原料、溶劑和催化劑組合物在20°C-200°C的所述溫度范圍內(nèi)5分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，D)自容器除去經(jīng)水解的產(chǎn)物。
35.權利要求34的方法，其中在將另外的原料和含有水溶性經(jīng)水解的種類的溶劑引入之前，自容器除去所有經(jīng)水解的產(chǎn)物。
36.權利要求34的方法，其中一部分經(jīng)水解的產(chǎn)物即殘液被剩余在容器中。
37.權利要求1-33中任何一項的方法，其中所述方法為包含以下步驟的連續(xù)方法A)將原料連續(xù)引入到已經(jīng)含有至少一部分溶劑的容器中，B)向容器中引入催化劑組合物，C)自容器連續(xù)除去一定重量的經(jīng)水解的產(chǎn)物。
38.權利要求37的方法，其中所述方法為活塞流方法。
39.權利要求37的方法，其中所述方法采用連續(xù)攪拌的反應釜。
40.權利要求34-39中任何一項的方法，其中溶劑流中的一部分與原料在被引入到容器中之前混合，并且溶劑與原料流的比率為基于容器中的溶劑量加上伴隨原料流的溶劑量。
41.權利要求1-40中任何一項的方法，其中在使木質(zhì)纖維素原料與溶劑接觸之前，將一定量的原料分配到至少第一原料流中，通過向第一原料流中加入催化劑水解第一原料流中的原料產(chǎn)生第一溶劑流，其中全部原料流中催化劑的量在0. l_150FPU/g干內(nèi)容物的范圍內(nèi)，并且水解在20°C -95°C范圍內(nèi)的溫度下實施5分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，并且木質(zhì)纖維素原料、溶劑和第一溶劑流中的溶劑相互接觸，并且該接觸保持在所述溫度范圍內(nèi)所述范圍內(nèi)的時間。
42.權利要求41的方法，其中一部分第一溶劑流與不為第一原料流的原料在被引入到容器中之前混合，并且溶劑流與原料流的所有比率為基于溶劑流總量，該總量為第一溶劑流與容器中溶劑的量。
43.權利要求1-42中任何一項的方法，其中經(jīng)水解的產(chǎn)物中的至少一部分固體與經(jīng)水解的產(chǎn)物分離。
44.權利要求1-43中任何一項的方法，其中至少一部分固體自經(jīng)水解的產(chǎn)物分離并再循環(huán)至所述方法。
45.權利要求1-43中任何一項的方法，其中自經(jīng)水解的產(chǎn)物流分離至少一部分固體通過選自水力旋流器和離心機的裝置進行。
全文摘要
用于水解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，包括以下步驟A)使木質(zhì)纖維素原料與至少一部分溶劑接觸，原料包含具有干內(nèi)容物和水的生物質(zhì)，溶劑包含水溶性經(jīng)水解的種類；其中至少一些水溶性經(jīng)水解的種類與自原料中生物質(zhì)水解可得到的水溶性經(jīng)水解的種類相同；B)保持原料流中的原料與溶劑在20℃-200℃范圍內(nèi)的溫度下接觸5分鐘-72小時范圍內(nèi)的時間，以自原料中的生物質(zhì)產(chǎn)生經(jīng)水解的產(chǎn)物。
文檔編號C12P19/02GK102449159SQ201080025029
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者A·里瓦, F·切爾奇, M·加貝羅, M·科蒂克梅蒂尼, P·奧托內(nèi)洛, P·托雷, S·費雷羅 申請人:康泰斯意大利有限公司