專利名稱：用于纖維素酶法水解的上流式沉降反應(yīng)器的制作方法
用于纖維素酶法水解的上流式沉降反應(yīng)器
本發(fā)明涉及纖維素原料的轉(zhuǎn)化方法。更具體而言，本發(fā)明涉及具 有提高的效率的纖維素酶法轉(zhuǎn)化方法。
背景技術(shù)：
燃料乙醇目前是由諸如玉米淀粉、甘蔗以及甜菜等原料生產(chǎn)的。 然而，由于適合生產(chǎn)這類作物的農(nóng)田有限，而且由于與人類及動(dòng)物的 食物鏈的利益竟?fàn)帲蛇@些原料生產(chǎn)乙醇不能得到進(jìn)一步發(fā)展。最后， 使用化石燃料在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)同時(shí)釋放出二氧化碳以及其它產(chǎn)物，使 用這些原料對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響。
由含纖維素的原料如農(nóng)業(yè)廢料、干草及林業(yè)廢料生產(chǎn)乙醇的可行 性已受到諸多關(guān)注，這是由于這些廉價(jià)原料可大量獲得、避免燃燒或 填埋纖維素廢料的需要、以及乙醇作為一種燃料與汽油相比的清潔性 等方面的原因。另外，纖維素轉(zhuǎn)化過(guò)程的副產(chǎn)品一一木質(zhì)素一一可用 作燃料，用于推進(jìn)纖維素轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而避免了化石燃料的使用。研 究表明，若考慮整個(gè)循環(huán)，使用由纖維素生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)生的溫室氣體 近乎為零。
可用于乙醇生產(chǎn)的纖維素原料包括(1 )農(nóng)業(yè)廢料例如玉米秸、小
麥秸、大麥秸、燕麥秸、燕麥殼、菜籽秸以及大豆秸；(2)干草例如 柳枝稷(switch grass)、 芒屬(miscanthus)、 大米草(cord grass)、 草蘆(reed canary grass); ( 3 )林業(yè)廢料例如山楊木、鋸屑；和(4) 糖加工過(guò)程殘?jiān)绺收嵩?、甜菜廢粕。
纖維素由具有極強(qiáng)的抗斷損性的晶體結(jié)構(gòu)組成，半纖維素亦是如 此，半纖維素是纖維素原料的另一種最普遍的成分。纖維素纖維到乙 醇的轉(zhuǎn)化需要l)從木質(zhì)素釋放纖維素以及半纖維素，或增加纖維素 酶對(duì)纖維素原料中纖維素和半纖維素的可接觸性，2 )使半纖維素和纖 維素碳水化合物的聚合物解聚為游離糖，和3)使混合的己糖和戊糖 發(fā)酵成為乙醇。
用來(lái)使纖維素轉(zhuǎn)化為糖的熟知方法有在某一溫度、酸濃度及足以 使纖維素水解為葡萄糖的時(shí)間長(zhǎng)度下使用蒸汽和酸的酸水解法 (Grethlein， 1978, JT. Appl. Chem. Biotechnol. 28: 296-308 )。 而后使用酵母使葡萄糖發(fā)酵為乙醇，乙醇通過(guò)蒸餾回收及純化。
另一種可選擇的纖維素水解的方法為酸預(yù)水解(或預(yù)處理)繼之 以酶法水解。在這種過(guò)程中，先將纖維素材料用上述的酸水解法進(jìn)行 預(yù)處理，但是在較溫和的溫度、酸濃度和處理時(shí)間下進(jìn)行。該預(yù)處理 法雖可提高用于后續(xù)酶法轉(zhuǎn)化步驟的纖維素纖維中纖維素的可接觸 性，但纖維素向葡萄糖的轉(zhuǎn)化率較低。在接下來(lái)的步驟中，將經(jīng)過(guò)預(yù) 處理的原料調(diào)整到適宜的溫度和pH值，然后通過(guò)纖維素酶進(jìn)行酶轉(zhuǎn) 化。
纖維素的水解，不管是由酸還是由纖維素酶，都繼之以使糖發(fā)酵 為乙醇，而后將乙醇通過(guò)蒸餾回收。
來(lái)自纖維素材料的纖維素向糖的有效轉(zhuǎn)化以及后續(xù)的使糖發(fā)酵為 乙醇，面臨著商業(yè)可行性的巨大挑戰(zhàn)。具體而言，酸預(yù)水解需要大量 的酸。對(duì)于清潔的原料如洗滌過(guò)的硬木，硫酸的需要量為原料干重的 0. 5%至1°/。；對(duì)于農(nóng)業(yè)纖維一一其中可能包含了源自土壤的大量的二氧 化硅、鹽以及堿性含鉀化合物——其酸需要量可最多高出約10倍，達(dá) 到原料重量的5%至7%。這明顯增加了所述方法的造價(jià)。在預(yù)水解過(guò)程 使用大量的酸的第二個(gè)缺點(diǎn)在于，經(jīng)過(guò)酸化的原料在用纖維素酶進(jìn)行 酶法水解之前必須先將其中和到pH為約4. 5至約5。用于中和經(jīng)酸化 的原料的哿性鈉的量與酸化原料時(shí)所使用的酸的量是成比例的。因而， 高的酸用量會(huì)導(dǎo)致高的苛性鈉用量，這又進(jìn)一步增加了將纖維素原料 加工為乙醇的造價(jià)。此外，酶法水解的造價(jià)很高，因?yàn)楸M管經(jīng)過(guò)預(yù)處 理，纖維素還是具有抗水解性，這樣又增加了所需的酶的劑量。這種 增加的需求可通過(guò)增加水解時(shí)間(90-200小時(shí))而加以抵消，但反過(guò) 來(lái)導(dǎo)致需要非常大的反應(yīng)器，又提高了總的造價(jià)。
一種減少酶劑量同時(shí)維持高的纖維素轉(zhuǎn)化率的方法是同時(shí)糖化發(fā) 酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation) ( SSF )。 在該類型系統(tǒng)中，酶法水解與葡萄糖到乙醇的酵母發(fā)酵在一個(gè)反應(yīng)器 內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。在SSF過(guò)程中，酵母通過(guò)使葡萄糖發(fā)酵為乙醇而將其從 反應(yīng)器中去除，這樣就減少了葡萄糖對(duì)纖維素的抑制。但纖維素酶還 是會(huì)受到乙醇的限制。SSF—般在35-38。C的溫度下進(jìn)行，該值是對(duì) 50。C的纖維素最適宜溫度與28C的酵母最適宜溫度的折中。這一中間
溫度使得不論是纖維素酶還是酵母性能都低于標(biāo)準(zhǔn)性能。由此，效率 不高的催化作用需要很長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間以及很大的反應(yīng)器——二者的成 本都是很高的。
U.S. 5, 258, 293 ( Lynd )公開了 一種可獲得更高體積生產(chǎn)率的方 法。所述方法使用木質(zhì)纖維素原料和連續(xù)引入反應(yīng)器的微生物。流體 也是從反應(yīng)器的底部連續(xù)加入，但不發(fā)生漿液的機(jī)械攪拌。隨著反應(yīng) 的進(jìn)行，被消解的木質(zhì)纖維素原料趨于積聚在空間非均相的層中而乙 醇產(chǎn)品則上升至頂層，從頂層將其移出。不溶解的底物積聚在底層， 可將其從容器中排出。這種安排會(huì)使發(fā)酵底物具有不同的停留時(shí)間， 從而使反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間增加。
在公開于U.S. 5, 837, 506 (Lynd)的另一種方法中，乙醇的生產(chǎn) 使用一種間歇攪拌、連續(xù)進(jìn)料的生物反應(yīng)器。將木質(zhì)纖維素漿液和微 生物加入反應(yīng)器中；然后將混合物攪拌一定時(shí)間，通過(guò)機(jī)械攪拌方式 或通過(guò)流體再循環(huán)均可，之后使其沉降。而后將乙醇由反應(yīng)器頂部移 出，添加另外的底物，并使循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行。在一種類似的方法中， Kleijntjens等(1986, Biotechnology Letters, 8:667-672 )使用 一種上流式反應(yīng)器，在熱纖梭菌(C. thermocell認(rèn))存在下使含纖維 素的底物發(fā)酵。底物漿液沉降形成一種聚集的纖維床層，可通過(guò)放緩 機(jī)械攪拌來(lái)加速纖維床層的形成。底物周期性地加入，而液體則連續(xù) 加入反應(yīng)器中。乙醇產(chǎn)品積聚在頂層，由此將其從反應(yīng)器中移出。U. S. 5, 837, 506、 U.S. 5， 258， 293及Klei jnt jens等所/>開的方法都會(huì)引 起反應(yīng)器內(nèi)原料的停留時(shí)間延長(zhǎng)。但是，所有這三種方法都存在SSF 法的缺點(diǎn)。
U.S. 5, 348, 871、 U.S. 5, 508, 183、 U.S. 5, 248， 484以及U. S. 5, 637, 502 (Scott)中講到一種通過(guò)使用 一種與攪拌反應(yīng)器相結(jié)合的 攪拌球磨機(jī)(attritor)來(lái)提高酶法水解的轉(zhuǎn)化效率的方法。該攪拌 器產(chǎn)生一個(gè)高剪切的區(qū)域以減小纖維素原料中固體顆粒的尺寸，由此 不斷給纖維素酶提供新的表面積。因此提高了反應(yīng)效率，并減少了對(duì) 酶的需求。但是，高剪切經(jīng)常會(huì)使酶失活。而且，攪拌球磨機(jī)設(shè)備的 造價(jià)遠(yuǎn)高于由于酶劑量的減少所節(jié)約的成本。
U.S. 5， 888， 806和U. S. 5, 733, 758 (Nguyen) i井述了另 一種4吏用 塔式水解反應(yīng)器的方法，所述反應(yīng)器包括交替的混合區(qū)和不混合區(qū)，
由此減少混合過(guò)程的功率消耗及造價(jià)。漿液以活塞流向上流過(guò)反應(yīng)器， 并間歇地在混合區(qū)中進(jìn)行混合，從而防止液體的溝流并確保均勻的熱
量傳遞和質(zhì)量傳遞。盡管U. S. 5， 888, 806和U.S. 5， 733， 758中所7> 開的方法減少了剪切和酶的變性，但混合設(shè)備的造價(jià)還是很高。此夕卜， 酶的動(dòng)力學(xué)性能并未好于分批水解方式所能獲得的性能。
目前，在現(xiàn)有技術(shù)中要想獲得高的轉(zhuǎn)化效率并同時(shí)維持較低的造 價(jià)尚存在許多困難。延長(zhǎng)水解時(shí)間以避免增大酶劑量所引起的較高造 價(jià)需要更大的反應(yīng)器，這反過(guò)來(lái)增加了設(shè)備的造價(jià)。在水解過(guò)程中原 料的混合及間歇混合可提高酶的效率，但設(shè)備的造價(jià)也將增大，而且 剪切力會(huì)使酶發(fā)生變性。其它系統(tǒng)犧牲最優(yōu)的酶活性并降低酶的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于使纖維素原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的方法。更具體而言， 本發(fā)明涉及具有提高的效率的纖維素原料的酶法轉(zhuǎn)化方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種用于纖維素酶法水解的上流式沉降反應(yīng)器。
本發(fā)明也提供了一種用于纖維素酶法水解以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維 素原料制備水解產(chǎn)物的方法，所述方法包括
i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；
i i)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；
iH)在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶；及
iv)將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
本發(fā)明涉及如上所定義的用于纖維素酶法水解的方法，其中，在 引入步驟(步驟ii)中，含水漿液徑向均勻分布地被引入水解反應(yīng)器 的底部。
本發(fā)明涉及如上所定義的用于纖維素酶法水解的方法，其中在加
入步驟(步驟iii)中，向含水漿液中加入一種或一種以上絮凝作用 化合物，其與纖維素酶分別或一起加入，或與纖維素酶分別以及一起 加入。而且，所述一種或一種以上絮凝作用化合物可在引入步驟(步 驟ii )之前或期間加入，或在引入步驟(步驟ii )之前以及期間加入。 本發(fā)明涉及如上所定義的用于纖維素酶法水解的方法，其中，在 提供步驟(步驟i )中，所述漿液中含有約5重量％至約20重量％的未 溶解固體，并且所述未溶解固體中含有約25重量％至約70重量％的纖 維素。本發(fā)明涉及如上所述的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料 由小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳 枝稷、草蘆、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。此外，經(jīng)過(guò)預(yù) 處理的纖維素原料可在酶法水解之前，已經(jīng)在約160。C至約280'C溫度 下，用濃度為約0%至約5%的酸預(yù)處理過(guò)約3秒至約30分鐘。所述酸 可選自硫酸、亞硫酸以及二氧化硫。任選地，在引入步驟(步驟ii) 之前，可將一股含糖的液體物流從經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料中分離出 來(lái)。所述液體物流可使用諸如過(guò)濾、離心分離、洗滌或本領(lǐng)域技術(shù)人 員已知的任何其它適宜的方法從原料中分離。如將洗滌用于分離，則 洗滌可使用適宜的洗滌介質(zhì)如水、循環(huán)的工藝物流、經(jīng)過(guò)處理的排出 物或上述物質(zhì)的混合物進(jìn)行。本發(fā)明還提供如上所述的方法，其中，在加入步驟(步驟iii) 中，纖維素酶以約1.0至約40.0 FPU/g纖維素的劑量加入。此外，本發(fā)明提供如上所述的方法，其中，在移出步驟(步驟iv) 中，通過(guò)使用未混合水解反應(yīng)器頂部的澄清區(qū)使至少部分水解產(chǎn)物物 流與未水解的固體相分離。水解產(chǎn)物和未水解的固體可由澄清區(qū)的不 同位置移出?；蛘?，通過(guò)使用固-液分離器使至少部分水解產(chǎn)物與未水 解的固體相分離。本發(fā)明涉及如上所述的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 選擇纖維素酶以生成葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發(fā)明還提供如上所述的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 將漿液的pH值調(diào)整為約4. 0至約6. 0,優(yōu)選調(diào)整為約4. 5至約5. 5。 此外，所述溫度可為約45n至約優(yōu)選為約451C至約65n。本發(fā)明涉及如上所述的方法，其中在加入步驟(步驟iii )中，
使用一種或一種以上絮凝作用化合物。所述絮凝作用化合物可選自陽(yáng) 離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、鹽、 明礬及其組合。優(yōu)選地， 一種或一種以上絮凝作用化合物為陽(yáng)離子型聚合物，例如但不限于聚丙烯酰胺。所述絮凝作用化合物可以約0. 1 至約4kg/t固體的劑量加入。本發(fā)明還涉及如上所述的方法，其中漿液的平均流速介于約0.1 至約12 ft/小時(shí)之間，更優(yōu)選地，介于約0.1至約4 ft/小時(shí)之間。本發(fā)明還提供一種包含纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組 合物，用于將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組 合。優(yōu)選地，所述纖維素酶由曲霉屬(Aspergillus),腐質(zhì)霉屬 (Humicola)、木霉屬(Trichoderma)、芽孢桿菌屬(Baci 1 lus)、喜熱裂 孢菌屬(Thermobifida)或其組合制得。此外，所述一種或一種以上絮 凝作用化合物可選自陽(yáng)離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚 合物、兩性聚合物、鹽、明礬及其組合。優(yōu)選地，所述一種或一種以 上絮凝作用化合物為陽(yáng)離子型聚合物，例如聚丙烯酰胺。本發(fā)明還涉及一種將一種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑 的酶組合物用于使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或 其組合的用途。本發(fā)明還涉及一種將一種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑 的酶組合物用于纖維素的酶法水解以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備 水解產(chǎn)物的用途，所述酶組合物的使用方法包括i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。優(yōu)選地，所述纖維素酶由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬、木霉屬、芽孢桿菌
屬、喜熱裂孢菌屬或其組合制得，而所述一種或一種以上絮凝作用化 合物可選自陽(yáng)離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩 性聚合物、鹽、明礬及其組合。優(yōu)選地，所述一種或一種以上絮凝作 用化合物為陽(yáng)離子型聚合物，例如聚丙烯酰胺。本發(fā)明還提供一種包含纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組 合物，用于將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中所述水解通過(guò)以下步驟進(jìn)行i) 提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發(fā)明提供一種試劑盒，所述試劑盒包括纖維素酶、 一種或一種 以上絮凝劑和使用說(shuō)明，用于水解纖維素以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原 料制備水解產(chǎn)物，所述使用說(shuō)明包括i) 提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20°/。的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶混合物和一種或一種以上絮凝劑；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發(fā)明還提供一種用于制備酶組合物的方法，所述酶組合物用于 水解纖維素以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物，所述方法包
括由一種植物、真菌或微生物源獲得纖維素酶，并將所述纖維素酶與 一種或 一種以上絮凝劑相結(jié)合以制備酶組合物。本發(fā)明還提供一種用于制備如上所述的酶組合物的方法，其中纖 維素酶由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬、木霉屬、芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬制得。本發(fā)明提供一種用于使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 一條與上流式水解反應(yīng)器入 口流體連通的原料漿液供給管線、 一個(gè)固-液分離器，所述固-液分離 器與上流式水解反應(yīng)器流體連通，并包括用于排出含未水解固體的漿 液的第一出口以及用于排出含水解產(chǎn)物的物流的第二出口 ，所述水解 產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給 管線、上流式水解反應(yīng)器，或原料供給管線和上流式水解反應(yīng)器二者 中含有包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。本發(fā)明還提供一種如上所述的系統(tǒng)，其中所述原料供給管線在使 用過(guò)程中含有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料。所述固-液分離器可為沉降槽、澄清 器、澄清區(qū)、離心分離器或過(guò)濾器。當(dāng)系統(tǒng)處于使用狀態(tài)時(shí)，纖維素 酶可以約1. 0至約40. 0 FPU/g經(jīng)過(guò)預(yù)處理原料的纖維素的劑量存在， 且一種或一種以上絮凝作用化合物可以約0. 1至約4. Okg/t經(jīng)過(guò)預(yù)處 理原料的固體的劑量存在。如說(shuō)明書中所述，在一個(gè)上流式沉降反應(yīng)器中水解纖維素的操作 過(guò)程可通過(guò)添加一種或多種絮凝作用化合物得以改善。絮凝作用化合 物增大了纖維素固體的尺寸，由此增大了纖維素固體的沉降速度。這 有助于使固體在反應(yīng)器中停留更長(zhǎng)的時(shí)間，從而提高纖維素的轉(zhuǎn)化度。 此外，本說(shuō)明書提供了在水解反應(yīng)器中不進(jìn)行混合時(shí)水解原料漿液的 方法，因?yàn)樵谒夤拗胁恍枰ㄟ^(guò)使用葉輪及泵等對(duì)漿液進(jìn)行主動(dòng)混 合。上流式沉降水解反應(yīng)器的使用可解決現(xiàn)有技術(shù)的幾點(diǎn)不足。本發(fā) 明提高了纖維素酶法水解的效率。這導(dǎo)致了纖維素到葡萄糖的更高的 轉(zhuǎn)化度?；蛘?，上流式沉降反應(yīng)器使得較傳統(tǒng)水解系統(tǒng)而言對(duì)纖維素 酶的需求量更低。在所述的水解反應(yīng)器中無(wú)須漿液混合方面的開支， 而且無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劇烈的剪切，即可獲得提高的酶法水解效率。使 用上流式水解反應(yīng)器所引起的改進(jìn)可通過(guò)使用絮凝作用化合物而得到增強(qiáng)。


本發(fā)明的這些特征以及其它特征將通過(guò)下述參照附圖的描述而變 得更為清晰。圖1所示為包含可用于本發(fā)明的一種實(shí)施方案的上流式反應(yīng)器的系統(tǒng)的流程圖。圖1A所示為該系統(tǒng)包含一個(gè)上流式反應(yīng)器和一個(gè)沉降 罐。圖1B所示為圖1A的上流式反應(yīng)器。圖1C所示為該系統(tǒng)的一部 分，其中上流式反應(yīng)器包括一個(gè)澄清區(qū)。圖2所示為不添加絮凝劑時(shí)在水解反應(yīng)器中不同高度抽樣獲得的 未溶解固體含量。圖3所示為不添加絮凝劑時(shí)在水解反應(yīng)器中不同高度抽樣所測(cè)得 的纖維素轉(zhuǎn)化百分比。圖4所示為添加絮凝劑時(shí)在水解反應(yīng)器中不同高度抽樣獲得的未 溶解固體顆粒。圖5所示為添加絮凝劑時(shí)在水解反應(yīng)器中不同高度抽樣所測(cè)得的 轉(zhuǎn)化的纖維素的量。圖6所示為添加絮凝劑時(shí)與不添加絮凝劑時(shí)相比離開水解反應(yīng)器 的產(chǎn)物中纖維素轉(zhuǎn)化效率的增加。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及用于使纖維素原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的方法。更具體而言， 本發(fā)明涉及具有提高效率的纖維素原料的酶法轉(zhuǎn)化方法。以下只是通過(guò)實(shí)施例對(duì)優(yōu)選的實(shí)施方案進(jìn)行說(shuō)明而并不對(duì)實(shí)施本 發(fā)明的必要技術(shù)特征的組合的效果造成限制。本發(fā)明涉及將纖維素通過(guò)酶法轉(zhuǎn)化為分解產(chǎn)物的方法，例如但并 不限于，葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。在本發(fā)明的一 個(gè)方面，所述方法包括將含水纖維素漿液與纖維素酶一起向上泵入不 混合的水解反應(yīng)器中。漿液向上的速度很慢，以使固體顆?！漭^ 主體漿液的密度為大一一傾向于以比液體慢的速度向上流動(dòng)。已充分 證實(shí)纖維素酶與纖維素緊密地結(jié)合在一起，并優(yōu)選與纖維素結(jié)合。含 纖維素的固體顆粒的緩慢向上流動(dòng)使得含纖維素的固體及所結(jié)合的纖 維素酶在反應(yīng)器中停留的時(shí)間較液體長(zhǎng)。纖維素及所結(jié)合的纖維素酶 的滯留提高了纖維素到產(chǎn)物例如葡萄糖的轉(zhuǎn)化率?？拷磻?yīng)器頂部時(shí)， 將含水的產(chǎn)物流或糖物流及未水解的固體排出。如果產(chǎn)物為葡萄糖， 含水的糖物流排出后用來(lái)發(fā)酵為乙醇及用于其它進(jìn)一步的處理。本說(shuō) 明書所述方法在比液體及固體的活塞流所需反應(yīng)器更小的反應(yīng)器中獲 得了更長(zhǎng)的纖維素水解時(shí)間?；蛘哒f(shuō)，本說(shuō)明書所述方法用比其它方 法所需的纖維素酶更少的纖維素酶獲得了更高的纖維素轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明提供一種用于纖維素酶法水解以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物的方法，所述方法包括i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。此外，在加入步驟(步驟iii)中，也可向漿液中加入一種絮凝 劑，可將其直接加入漿液中，或與要向漿液中添加的纖維素酶一起加 入。然后可將葡萄糖進(jìn)行進(jìn)一步的處理以制備感興趣的產(chǎn)品，例如但 并不限于乙醇。盡管如本說(shuō)明書所述的上流式沉降反應(yīng)器及方法適用于將纖維素 通過(guò)酶法轉(zhuǎn)化為葡萄糖，但這種反應(yīng)器以及相關(guān)的方法也可用于將纖 維素轉(zhuǎn)化為其它產(chǎn)品，包括但并不限于纖維二糖(纖維素酶中不含P -葡糖苷酶(PG)時(shí)為優(yōu)選)和葡萄糖低聚物(纖維素酶中不含纖維二 糖水解酶(CBH)和PG時(shí)為優(yōu)選)。為了進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示例說(shuō) 明，對(duì)將纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的方法進(jìn)行了描述。但應(yīng)當(dāng)理解的是，產(chǎn)品的生產(chǎn)
術(shù)語(yǔ)"纖維素原料"或"纖維素材料"意指任何類型的含纖維素 的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)例如，但并不限于，非木本植物生物質(zhì)、農(nóng)業(yè) 廢料和林業(yè)廢料以及糖加工過(guò)程殘?jiān)?。例如，纖維素原料可包括，但并不限于，禾本科干草例如柳枝稷、大米草、黑麥草、芒屬或其組合; 糖加工過(guò)程殘?jiān)?，但并不限于，甘蔗渣、甜菜廢粕；農(nóng)業(yè)廢料例 如，但并不限于，大豆秸、玉米秸、燕麥秸、水稻秸、水稻殼、大麥 秸、玉米穂軸、小麥秸、菜籽秸、燕麥殼以及玉米纖維；以及林業(yè)廢 料，例如但并不限于，回收的木漿纖維、鋸屑、硬木、軟木或其組合。 此外，纖維素原料可包括纖維素廢料或林業(yè)廢料例如，但并不限于， 新聞?dòng)眉?、紙板等。纖維素原料可包括一種纖維，或者纖維素原料可 包括源自不同纖維素原料的纖維的混合物。小麥秸、大麥秸、玉米秸、 大豆秸、菜籽秸、柳枝稷、草蘆、甘蔗渣、大米草、燕麥殼、甜菜廢 粕和芒屬由于可廣泛獲得并且造價(jià)低廉，尤其有利于用作纖維素原料。原則上，任何包含大量纖維素的材料都適合于本發(fā)明的方法。實(shí) 際上，纖維素材料中所含的纖維素的量大于約20% (w/w)以生產(chǎn)出大 量的葡萄糖。纖維素材料可具有更高的纖維素含量，例如至少約30% (w/w) 、 35% (w/w) 、 40% (w/w)或更多。因此，纖維素材料中可包 括約20%至約70% (w/w)纖維素，或約25%至約70% ( w/w )纖維素， 或約35%至約70% (w/w)纖維素，或更多，或介于其之間的任何量， 例如但并不限于20、 22、 24、 25、 26、 28、 30、 32、 34、 35、 36、 38、 40、 42、 44、 46、 48、 50、 52、 54、 56、 58、 60、 62、 64、 66、 68及 70% (w/w)纖維素。本發(fā)明可使用天然的纖維素原料或使用經(jīng)過(guò)處理過(guò)或預(yù)處理的纖 維素材料實(shí)施。處理和預(yù)處理法的目的在于將機(jī)械作用和化學(xué)作用充 分結(jié)合，以破壞纖維結(jié)構(gòu)并增加原料中纖維素酶可接觸的表面積。機(jī) 械作用一般包括，但并不限于，使用壓力、研磨、碾磨、攪拌、粉碎、 壓縮/膨脹，或其他形式的機(jī)械作用。化學(xué)作用可包括，但不限于，使 用熱(通常為蒸汽)、酸及溶劑。幾種化學(xué)及機(jī)械預(yù)處理方法在本技 術(shù)領(lǐng)域中是熟知的。對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理的方法之一是蒸汽噴發(fā)(steam explosion), 使用U. S. 4, 461, 648和U.S. 4， 237, 226 (其內(nèi)容在此通過(guò)引用的方 式納入本文)所述的工藝條件進(jìn)行。該方法中，在0。/。至5。/。(v/v)或
介于其之間的任何量的硫酸或任何其它適宜的酸存在下，將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)裝入蒸氣噴發(fā)器。而后在蒸氣噴發(fā)器中迅速充入蒸氣到約160 1C至約2801C，或介于其之間的任何溫度，并在高壓下保持約3秒至 約30分鐘的蒸煮時(shí)間，或介于其之間的任何時(shí)間值。之后使容器迅速 減壓排出預(yù)處理的生物質(zhì)。現(xiàn)有技術(shù)中已知的影響蒸氣噴發(fā)預(yù)處理過(guò) 程的參數(shù)例如，但并不限于，F(xiàn)oody等(Final Report, Optimization of Steam Explosion Pre-treatment， U.S. DEPARTMENT OF ENERGY REPORT ET230501, April 1980;其內(nèi)容通過(guò)引證的方式納入本說(shuō)明) 提出的參數(shù)可應(yīng)用于本發(fā)明的方法。蒸氣噴發(fā)所選擇的條件將取決于 原料的性質(zhì)以及所需的對(duì)酶的敏感度。但本領(lǐng)域已知的其它方法也可 根據(jù)需要應(yīng)用于經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料的制備，例如但并不限于，US 5， 846， 787 (Ladisch)、 US 5,198， 074 (Vi1lavicencio)、 US 4， 857，145 (Villavicencio)或US 4, 556, 430 (Converse;其內(nèi)容通過(guò)引證的方 式納入本說(shuō)明書)所公開的方法，氨冷凍噴發(fā)(US patent 5, 171, 592, Holtzapple)以及濃堿處理。不管是否進(jìn)行預(yù)處理步驟，纖維素原料可任選在酶法水解之前用 水洗滌或用水瀝濾，例如如WO 02/070753 (Griffin et al,其內(nèi)容 通過(guò)引證的方式納入本說(shuō)明書)中所公開的方法。對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維 素原料的洗滌可除去纖維素酶抑制劑如溶解的糖及糖降解產(chǎn)物、溶解 的木質(zhì)素及含酚化合物，以及系統(tǒng)中的其它有機(jī)化合物。洗滌后的經(jīng) 過(guò)預(yù)處理的原料中纖維素的濃度一般會(huì)增大，例如達(dá)到50%-70%的水 平。將纖維素材料用一種液體調(diào)成漿液，該漿液很濃但仍可用泵送。 所述液體例如但并不限于水、循環(huán)工藝物流或處理后的排出物。漿液 中纖維素原料的濃度取決于物料，但可在約3%至約30% (w/w)未溶解 固體范圍內(nèi)，或介于其之間的任何濃度，例如從約5%至約20% (w/w) 未溶解固體，或從約10%至約20% (w/w)未溶解固體，或介于其之間 的任何濃度值。例如漿液中纖維素原料的濃度可為3、 5、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 18、 20、 22、 24、 26、 28或30%未溶解固體(w/w)。本 領(lǐng)域中熟知，懸浮固體或未溶解固體的濃度可通過(guò)用玻璃微纖維濾紙 過(guò)濾漿液樣品、將濾餅用水洗滌并在105'C下使其干燥過(guò)夜的方法進(jìn) 行測(cè)定。
漿液的pH值通常調(diào)整到所用纖維素酶的最優(yōu)pH值范圍。 一般而 言，將漿液的pH值調(diào)整到約3. 0至約7. 0的范圍，或約4. 0至約6. 0 的范圍，或介于其之間的任何pH值，優(yōu)選在約4. 5至約5. 5的范圍內(nèi)。 例如，pH值可為約3. 0、 3. 5、 4. 0、 4. 5、 4. 6、 4. 7、 4. 8、 4. 9、 5. 0、 5.1、 5.2、 5.3、 5.4、 5.5、 6.0、 6. 5或7. 0。漿液的pH值可用本領(lǐng) 域已知的任何適宜的酸或堿調(diào)整。例如可使用氫氧化鈉、氨、氫氧化 銨、氫氧化鉀或其它適宜的堿(如果漿液為酸性)，或硫酸、或其它 適宜的酸(如果漿液為堿性)。但如果所用的纖維素酶為嗜堿的或嗜 酸的，則漿液的pH值可分別高于或低于約4. 5至5. 5。漿液的pH值 應(yīng)當(dāng)調(diào)整到對(duì)于所用酶而言的最優(yōu)pH值范圍內(nèi)。將漿液的溫度調(diào)整到對(duì)于纖維素酶的活性而言的最優(yōu)范圍內(nèi)。一 般而言，大多數(shù)纖維素酶適宜的溫度為約45t:至約70'C,或約45'C 至約65T，或介于其之間的任何溫度。例如漿液的溫度可調(diào)整到約45、 46、 47、 48、 49、 50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58、 59、 60、 61、 62、 63、 64、 65、 66、 67、 68、 69或70。C。但對(duì)于嗜熱的纖維素 酶，漿液的溫度可更高。而后將纖維素酶加到漿液中。術(shù)語(yǔ)"纖維素酶"、"纖維酶"或"酶"意指催化纖維素水解為產(chǎn)物例如葡萄糖、纖維二糖或其它纖維 低聚糖的酶。纖維素酶為一通用術(shù)語(yǔ)，表示包括可由多種植物和微生 物制得的外切纖維生物水解酶(exo-cellobiohydrolase) ( CBH )、 內(nèi)切葡聚糖酶(EG)和p-葡萄糖苷酶(PG)等多種酶的混合物。本 發(fā)明的方法可使用任意類型的纖維素酶而不必考慮其來(lái)源；但微生物 纖維素酶通?？梢员戎参锢w維素酶更低的造價(jià)獲得。研究最為廣泛的、 典型的、商業(yè)化生產(chǎn)的纖維素是由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬及木霉屬的真菌， 以及由芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬的細(xì)菌制得。由絲狀真菌長(zhǎng)枝木霉(7yic力o^77Z7a /f /^/^ac力/'a^iz )制得的纖維素酶包括至少兩種稱為 CBHI和CBHII的纖維生物水解酶和至少4種EG酶。纖維素酶協(xié)同作用使纖維素降解為葡萄糖。CBHI和CBHII通常作 用于纖維素微纖維中葡萄糖聚合物的末端釋放出纖維二糖(Teleman et al. 1995， European J. Biochem 231:250—258),而內(nèi)切葡聚糖 酶則作用于纖維素中隨機(jī)位置。這些酶一起作用使纖維素水解為更小 的纖維低聚糖例如纖維二糖。纖維二糖通過(guò)p -葡萄糖苷酶水解為葡萄選擇加入漿液中的纖維素酶的劑量以獲得足夠高的纖維素轉(zhuǎn)化水平而不會(huì)過(guò)量加劑。例如，適宜的纖維素酶的劑量可為約l.O至約 40. 0 FPU/g纖維素，或介于其之間的任何量。例如，纖維素酶的劑量 可為約l.O、 3.0、 5.0、 8.0、 10.0、 12.0、 15.0、 18.0、 20.0、 22.0、 25.0、 28.0、 30.0、 32.0、 35.0、 38. 0或40. 0 FPU/g，或介于其之間 的任何量。FPU (濾紙單位，F(xiàn)ilter Paper Unit)是本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)單位，才艮據(jù)Ghose ( 1987， Pure and Appl. Chem. 59:257- 268 )定義及檢測(cè)。為了完全轉(zhuǎn)化為葡萄糖，優(yōu)選纖維素酶含 有足夠量的P-葡萄糖苷酶(纖維二糖酶)活性。P-葡萄糖苷酶的劑 量水平為約5至約600 p-葡萄糖苷酶單位/g纖維素，或介于其之間 的任何值。典型的p-葡萄糖苦酶的劑量水平為約IO至約400 p-葡 萄糖苷酶單位/g纖維素，或介于其之間的任何值；例如其劑量可為10、 12、 15、 17、 20、 22、 25、 27、 30、 32、 35、 37、 40、 42、 45、 47、 50、 52、 55、 57、 60、 62、 65、 67、 70、 72、 75、 77、 80、 82、 85、 87、 90、 92、 95、 97、 100、 120、 140、 160、 180、 200、 220、 240、 260、 280、 300、 320、 340、 360、 380和400 0-葡萄糖苷酶單位/g纖 維素，或介于其之間的任何值。p-葡萄糖苷酶單位根據(jù)Ghose (1987， Pure and Appl. Chem. 59: 257-268)的方法測(cè)定。粉劑或顆粒劑形式的纖維素酶可以在水溶液中處理。酶可在漿液 進(jìn)入反應(yīng)器(也稱作水解塔或水解反應(yīng)器；圖1中110或110')前 的任何點(diǎn)處加入漿液中。例如但并不限于，纖維素酶可在漿液即將進(jìn) 入水解塔前加入。也可使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的混合設(shè)備將酶 混合到漿液中。在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，可使用一個(gè)位于主水解 反應(yīng)器上游的小的補(bǔ)償罐(圖1A中的90)向漿液中加入酶，調(diào)節(jié)pH 值并達(dá)到所需的漿液溫度。參照?qǐng)D1A，如上所述對(duì)原料IO進(jìn)行預(yù)處理。通過(guò)使用熱交換器 20與產(chǎn)品物流30或其它適宜的流體換熱使預(yù)處理的物流冷卻。然后 可使用另一種流體例如冷水45,在熱交換器50中使?jié){液40進(jìn)一步冷 卻。而后可將該漿液泵入水解補(bǔ)償罐90,同時(shí)泵入纖維素酶70和氬 氧化銨80以調(diào)整pH值。在該實(shí)施例中，水解補(bǔ)償罐90內(nèi)容物混合后 泵出補(bǔ)償罐90，沿管線IOO進(jìn)入水解罐110。但此纖維素酶也可與原 料在別處混合，例如在190、 195或197中，或在水解反應(yīng)器的進(jìn)料管 線中，包括但不限于，管線10、 40或100,或上述進(jìn)料處的組合。術(shù)語(yǔ)"水解塔"、"上流式水解反應(yīng)器"、"水解反應(yīng)器"、"水 解罐，，或"上流式沉降反應(yīng)器"意指一種具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)的能容納纖維 素酶對(duì)纖維素漿液的水解的反應(yīng)器(塔)，例如110 (圖1B)或110， (圖1C)。水解罐可具有絕熱夾套、蒸汽夾套、熱水夾套、電伴熱夾 套或其它熱源以維持所需的溫度。本申請(qǐng)中，水解反應(yīng)器為非混合水 解反應(yīng)器，意指在水解反應(yīng)過(guò)程中不對(duì)反應(yīng)器內(nèi)容物進(jìn)行混合。如下 所述，由于向系統(tǒng)加入或從系統(tǒng)中取出固體和液體時(shí)會(huì)有少量的能量 輸入，因而反應(yīng)器內(nèi)容物中少量的局部混合是可能發(fā)生的。漿液和纖 維素酶混合物可直接從上流式沉降反應(yīng)器的底部輸入，并在水解塔內(nèi) 向上泵送；或者，漿液可沿著反應(yīng)器中部的管(例如105)向下泵入， 出現(xiàn)在反應(yīng)器底部時(shí)再?gòu)墓芩闹芟蛏狭鲃?dòng)。后一種構(gòu)造的有利之處在 于漿液所帶熱量可在水解反應(yīng)器內(nèi)被吸收。 一旦漿液到達(dá)水解罐110 或110，的底部，漿液就開始向上流動(dòng)并沿著水解罐的徑向滲透；而軸 向滲透(即沿著罐高度方向的滲透)則通過(guò)避免混合減到最小。選擇 漿液的流速以使?jié){液中液體成分向上流動(dòng)的速度比未溶解固體向上流 動(dòng)的速度快。水解塔設(shè)計(jì)成使得在任何高度處，漿液中的內(nèi)容物在徑 向相對(duì)均一。均一的分布可使用分布器(例如120)或本領(lǐng)域熟知的 其它i殳備獲得。這可包括分形分布器(例如Rohn Haas Advanced AmerpackTM系統(tǒng)，Amalgamated Research Inc.制造)或旋轉(zhuǎn)棒。例 如在圖IB中，垂直控制軸在反應(yīng)器110的底部支撐著一對(duì)懸臂桁架臂 (cantilevered truss arm),在頂部支撐著另一對(duì)。所述臂將集流系 統(tǒng)(header system)與噴嘴合為一體用以分布容器底部的產(chǎn)品并從頂 部對(duì)其進(jìn)行收集。 一種二通回轉(zhuǎn)接頭(two-port rotary joint)用于向 中心軸進(jìn)料及從中心軸排出物料。水解罐內(nèi)漿液的分布在不通過(guò)葉輪 或泵進(jìn)行主動(dòng)混合的條件下實(shí)現(xiàn)。圖1C所示為包含一個(gè)在罐的頂部的澄清區(qū)域135的另一種水解塔 110，。如下面的詳細(xì)描述，大部分固體從區(qū)域130的頂部排出。過(guò)量 的澄清液體繼續(xù)向上流動(dòng)進(jìn)入?yún)^(qū)域135中并作為清液排出。如本說(shuō)明書所述，水解反應(yīng)器110或110，可以是可維持反應(yīng)器徑 向具有相對(duì)均一的漿液濃度的任意大小的反應(yīng)器。非限制性地，水解
反應(yīng)塔的直徑可介于約10 ft至約130 ft ( 3至40 m),或介于其之 間的任何值；例如反應(yīng)器的直徑可為10、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75、 80、 85、 90、 95、 100、 105、 110、 115、 120、 125或130 ft，或介于其之間的任何值。水解反應(yīng)器的高度可為 任何高度，只要反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)本說(shuō)明書所描述的目的。非限制性地， 反應(yīng)器的高度可為約5至約75 ft或約5至約65 ft ( 1. 5至23 m), 或介于其之間的任何值，優(yōu)選約20至約65ft;例如，反應(yīng)器高度可 為約5、 7.5、 10、 12.5、 15、 17.5、 20、 22.5、 25、 27.5、 30、 32.5、 35、 37.5、 40、 42.5、 45、 47.5、 50、 52.5、 55、 57.5、 60、 62. 5或 65 。水解反應(yīng)器的高度與直徑之比可介于約0. 5至約IO之間，或介 于其之間的任意比例；優(yōu)選高度與直徑之比為約0. 5至約3。反應(yīng)器 總體尺寸的選擇應(yīng)避免當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)充滿水時(shí)對(duì)支撐其的基礎(chǔ)造成過(guò)度 的負(fù)栽。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中， 一個(gè)直徑110ft、高度65 f t的 水解反應(yīng)器具有4. 60百萬(wàn)加侖的容積。將漿液向上泵入反應(yīng)器110或110，，所述漿液的平均流速使得液 體在反應(yīng)器內(nèi)均勻地向上流動(dòng)而含有纖維素的顆?！涿芏容^液體 的密度大一一在反應(yīng)器內(nèi)向上流動(dòng)的速度比液體慢得多，沉降并堆積 成比進(jìn)料的固體濃度高的固體濃縮物。漿液的"平均流速"或"漿液 流速，，由7JC解反應(yīng)器高度除以漿液標(biāo)稱停留時(shí)間(nominal residence time)得到，標(biāo)稱停留時(shí)間基于反應(yīng)器容積和漿液進(jìn)入反應(yīng)器的流速 得到。例如，漿液以10， 000加侖/小時(shí)的流速進(jìn)入一個(gè)30 ft高、 120, 000加侖的水解反應(yīng)器時(shí)標(biāo)稱漿液停留時(shí)間為120, 000加侖 / (10, 000加侖/小時(shí))=12小時(shí)，平均漿液流速為30 ft/12小時(shí)= 2. 5 ft/小時(shí)。選擇平均流速以使固體向上流動(dòng)的速度低于平均的漿液 流速。這使得固體在水解反應(yīng)器中具有比標(biāo)稱漿液停留時(shí)間長(zhǎng)的平均 停留時(shí)間。這點(diǎn)與漿液活塞流反應(yīng)器是不同的，在活塞流反應(yīng)器中， 反應(yīng)器內(nèi)的液體和固體的流速及停留時(shí)間基本相同。達(dá)此要求的流速 取決于原料及漿液中固體顆粒的尺寸，以及是否存在任何添加的絮凝 劑。使用絮凝劑使得可采用更高的平均流速。 一般而言，平均流速為 約0. 1至約20 ft/小時(shí)，或介于其之間的任何速度。優(yōu)選地，平均流 速介于約0.1至約12 ft/小時(shí)，或介于其之間的任何值。更優(yōu)選地， 平均流速介于約0. 1至約4. 0 ft/小時(shí)，或介于其之間的任何值。例
如平均漿液流速可為約0. 1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5、 5.0、 5.5、 6.0、 6.5、 7.0、 7.5、 8.0、 8.5、 9.0、 9.5、 10.0、 10.5、 11,0、 11.5、 12.0、 12.5、 13.0、 13.5、 14.0、 14.5、 15.0、 15.5、 16.0、 16.5、 17.0、 17.5、 18.0、 18.5、 19.0、 19. 5或20. 0ft/小時(shí)。水解反應(yīng)器中標(biāo)稱漿液停留時(shí)間一般為 4-120小時(shí)，優(yōu)選12-100小時(shí)，最優(yōu)選20-100小時(shí)。采用本發(fā)明的方法時(shí)，漿液的性質(zhì)將隨著纖維素水解的進(jìn)行而改 變。不希望囿于理論，在水解反應(yīng)過(guò)程中，纖維素酶附著于纖維素上, 因而保持附著在漿液中含纖維素的固體顆粒上。漿液的平均向上的流 速很慢，以使較漿液本體密度更大的固體顆粒傾向于以比液體更慢的 速度向上流動(dòng)。含纖維素固體顆粒的緩慢向上流動(dòng)使得含纖維素的固 體及其附著在其上的纖維素酶可在反應(yīng)器中比液體滯留更長(zhǎng)的時(shí)間。 由于附著的酶消解纖維素并向溶液中釋放出葡萄糖，因而纖維素的量 以及固體顆粒的密度是變化的。依據(jù)變化的密度，較小的顆粒將隨著 液體向上流動(dòng)或沉降到反應(yīng)器的底部。由于含纖維素的固體顆粒相對(duì) 于液體的停留時(shí)間的差異，水解反應(yīng)器內(nèi)纖維素的濃度將由底至頂減 小，而葡萄糖的濃度則將由底至頂增大。纖維素濃度的減小及葡萄糖 濃度的增大發(fā)生在水解反應(yīng)器110的"水解區(qū)域"130(見圖1A和1B)。 含水的糖物流、未水解的固體、以及附近任何含纖維素的顆粒從靠近 反應(yīng)器110水解區(qū)域140頂部的位置移出為150。而后至少將部分固 體與葡萄糖物流相分離——例如使用固-液分離器如沉降罐160，并將 產(chǎn)品物流30送出用來(lái)發(fā)酵為乙醇及進(jìn)行其它進(jìn)一步處理(170)。纖 維素在水解塔內(nèi)較長(zhǎng)的停留時(shí)間提高了纖維素到葡萄糖的轉(zhuǎn)化率，由 此可用較小的反應(yīng)器獲得比使用混合反應(yīng)器更長(zhǎng)的纖維素水解時(shí)間。 或者，使用比其它方式所需的酶劑量更低的劑量獲得更高的纖維素轉(zhuǎn) 化。術(shù)語(yǔ)"未水解的固體"或"未轉(zhuǎn)化的固體"意指未被纖維素酶消 解的纖維素，以及原料中存在的對(duì)纖維素酶呈惰性的非纖維素材料或 其它材料。例如但不限于，未轉(zhuǎn)化的固體顆?？砂举|(zhì)素、二氧化 硅或其它固體材料。由于原料中的纖維素被水解，因而含纖維素的固 體中未轉(zhuǎn)化的固體的濃度增大。未轉(zhuǎn)化的固體依據(jù)其密度和粒度可隨 產(chǎn)品在150中移出或沉降到底部的沉積物或沉淀物180中。如果在反說(shuō)明書第18/25頁(yè)應(yīng)器底部由于非常重的顆粒而形成沉淀層，可使用本領(lǐng)域已知的任何 方法除去沉淀物或沉積物。在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，使用一種刮 具除去沉淀物。在另一實(shí)施例中，反應(yīng)器底部可制成錐形以提供最重的固體顆粒可沉降的路徑，并將其移出(例如線167)送入木質(zhì)素處 理過(guò)程165。在水解反應(yīng)器110的頂部140附近發(fā)現(xiàn)的含水葡萄糖、未轉(zhuǎn)化的 固體及其它顆?？勺鳛槲锪?50移出。從反應(yīng)器的頂部排出后，可將 至少部分未轉(zhuǎn)化的固體與可溶解的糖物流分離。移出未轉(zhuǎn)化的固體可 通過(guò)使用一種固-液分離器進(jìn)行，例如通過(guò)過(guò)濾(例如，壓濾器、帶式 過(guò)濾器、鼓式過(guò)濾器、真空過(guò)濾器或膜過(guò)濾器)，離心分離，沉降例 如沉降罐160、 一種傾斜的沉降器(例如，公開于Knutsen andDavis， 2002, AppL， Biochem. Biotech" 98-100: 1161-1172及Mores et al， 2001， Appl. Biochem. Biotech., 91-93: 297-309，這兩篇文獻(xiàn)都通 過(guò)引證的方式納入本說(shuō)明書)， 一種澄清器，或本領(lǐng)域已知的任何其 它適宜的方法。澄清器可包括一定數(shù)量的傾斜板以促進(jìn)固體和液體的 分離，或包括固-液分離領(lǐng)域已知的其它特征?？扇芙獾钠咸烟侵谢?不含未溶解的固體，適于進(jìn)一步發(fā)酵為乙醇(170)。未轉(zhuǎn)化的固體主 要為木質(zhì)素，可燃燒用作工廠的燃料?；蛘?，含水的葡萄糖物流可在一個(gè)與排出未轉(zhuǎn)化固體的位置不同 的位置排出。另一種從葡萄糖中分離未轉(zhuǎn)化固體的方法是使用圖1C中 具有水解區(qū)域130和"澄清區(qū)域"135的反應(yīng)器110，，所述水解區(qū)域 從水解塔底部向上延伸到約65%至約85%高度處，所述"澄清區(qū)域，，直 接位于水解區(qū)域的上方。水解物流從水解區(qū)域130的頂部泵送到澄清 區(qū)域135。大部分固體從水解區(qū)域130的頂部移出。例如但并不限于， 一根帶有噴嘴的水平棒以 一定的時(shí)間間隔在反應(yīng)器頂部前后穿梭，將 富含固體的物流排入棒中并泵出反應(yīng)器(162)。過(guò)量的澄清液體繼續(xù) 向上流動(dòng)進(jìn)入澄清區(qū)域135。在澄清區(qū)域135中，固體通常會(huì)沉降到 棒的高度，而基本不含固體的含水糖物流從頂部移出(30)。澄清區(qū) 域中可包括一定數(shù)量的傾斜板以促進(jìn)固體和液體的分離，還可包括固-液分離領(lǐng)域已知的其它特征。未轉(zhuǎn)化的固體(或未水解的固體)可轉(zhuǎn) 移到一個(gè)固-液分離器中以從未水解的固體中分離出至少部分水解產(chǎn) 物。
如果需要，可將從葡萄糖物流分離得到的含纖維素的固體與進(jìn)料 一起循環(huán)回上流式沉降反應(yīng)器或水解區(qū)域以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為葡萄糖。應(yīng)當(dāng)理解的是，由于向系統(tǒng)加入或從系統(tǒng)中排出固體和液體時(shí)會(huì) 有少量的能量輸入，因而反應(yīng)器內(nèi)容物中某些少量的局部混合是可能發(fā)生的。例如，局部混合可由分布器120、棒或?qū){液輸入水解反應(yīng) 器的泵的作用引起。為了達(dá)到最佳操作，進(jìn)行與水解反應(yīng)器的操作相 關(guān)的加入或排出固體和液體所需的能量不超過(guò)0. 1 HP/1000加侖。與 上流式反應(yīng)器的這些作用相關(guān)的能量可介于0. 001至0. 1 HP/1000加 侖，或介于其之間的任何范圍。例如，與上流式反應(yīng)器的這些作用相 關(guān)的能量可為0. 001、 0. 003、 0. 008、 0. 01、 0. 02、 0. 03、 0. 04、 0. 05、 0.06、 0.07、 0.08、 0. 09或0. 1 HP/1000 gal。在反應(yīng)器中不存在特 別設(shè)計(jì)用于攪拌漿液的葉輪、攪拌器、噴射器或其它設(shè)備。如果使用一個(gè)以上的水解反應(yīng)器，可使兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)器 串聯(lián)運(yùn)行，其中第一個(gè)反應(yīng)器的輸出作為第二個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)料。或者， 多個(gè)反應(yīng)器也可并聯(lián)運(yùn)行。此外，可使序列中一些反應(yīng)器串聯(lián)運(yùn)行， 而其它反應(yīng)器并聯(lián)運(yùn)行。還應(yīng)當(dāng)理解的是，除上流式反應(yīng)器外，可使用一種或多種其它的 反應(yīng)器類型，例如一個(gè)或多個(gè)分批或連續(xù)攪拌反應(yīng)器。在一個(gè)非限制 性的實(shí)施例中， 一個(gè)連續(xù)攪拌反應(yīng)器的出料作為一個(gè)上流式反應(yīng)器的 進(jìn)料。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在本發(fā)明中也可使用其它的 反應(yīng)器類型的組合。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，可向漿液中加入絮凝作用化合物以提高 本發(fā)明的效率。絮凝作用化合物一般為陽(yáng)離子型、非離子型、陰離子 型或兩性(包含帶電基團(tuán)的混合物)聚合物，或鹽例如明礬。不希望 囿于理論，絮凝作用化合物有助于使水解反應(yīng)器內(nèi)的固體積聚以確保 其更全面地暴露于酶混合物。實(shí)施本發(fā)明時(shí)，可使用一種絮凝作用化合物或含有一種以上絮凝 作用化合物的混合物。絮凝劑可以任何適合加入漿液中的形式提供； 例如，絮凝劑可為粉劑、液體或分散體；例如，分散體可以是在油或 一種含水溶液中成漿狀的絮凝劑。適宜絮凝劑的 一 個(gè)非限制性的實(shí)例 為陽(yáng)離子型聚合物，更具體而言為聚丙烯酰胺。這種絮凝劑包括但不 限于CA4500 (SNF Floerger ,法國(guó))和Zetag 7651 (Ciba Specialty Chemicals, 加拿大)。所用絮凝劑的量可根據(jù)上流式反應(yīng)器中使固體積聚所需的量確 定。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠確定有助于固體積聚而不會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)程 增加不期望的造價(jià)的絮凝劑添加量。例如但并不限于，添加絮凝劑的 量可介于約0. 1至約4. 0 kg/t固體或介于其之間的任何量，或約0. 5 至約2. Okg/t固體或介于其之間的任何量。例如，添加絮凝劑的量可 為約O. 1、 0.5、 0.75、 1.0、 1.25、 1.5、 1.75、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5 或4. 0 kg/t固體。絮凝作用化合物可直接加入漿液中，或在加入漿液之前用水分散 及稀釋。也可在加入漿液之前使絮凝作用化合物與纖維素酶相混合， 絮凝劑的分散可有助于確保系統(tǒng)內(nèi)絮凝劑的均勻施用。在本發(fā)明 一 個(gè) 非限制性實(shí)施例中，絮凝劑可以約0. 01重量％至約25重量％的濃度或 介于其之間的任何量分散于水中；例如，絮凝劑的濃度可為0. 01、 0.02、 0.04、 0.06、 0.08、 0.1、 0.15、 0.2、 0.25、 0.3、 0.35、 0.4、 0.45、 0.5、 1.0、 2.0、 3.0、 4.0、 5.0、 7.0、 10.0、 12.0、 14.0、 16.0、 18.0、 20.0、 22. 0或25. 0重量％。可在此濃度下通過(guò)以適宜的 時(shí)間混合一一例如1分鐘至約1小時(shí)一一使絮凝劑分散。而后將分散 的絮凝劑直接加入纖維素漿液中，或在加入水解反應(yīng)器之前用水進(jìn)一 步稀釋至約0. 01重量％至約1. 0重量％或介于其之間的任何值的濃度。 例如，進(jìn)一步稀釋的絮凝劑的濃度可為0. 01、 0. 02、 0. 03、 0. 04、 0. 05、 0.06、 0.07、 0.08、 0.09、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0. 8、 0. 9或1. 0重量％。因而本發(fā)明提供了一種使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄 糖低聚物或其組合的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 一條與上流式水解反應(yīng)器 (例如110或110，)入口流體連通的原料漿液供給管線(例如10、 40、 100)、 一個(gè)固-液分離器(例如160或135)，所述固-液分離器與上 流式水解反應(yīng)器流體連通，并包括用于排出含未水解固體的漿液的第 一出口以及用于排出含水解產(chǎn)物的物流的第二出口 ，所述水解產(chǎn)物包 括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給管線、 上流式水解反應(yīng)器，或原料供給管線和上流式水解反應(yīng)器二者中含有 包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。優(yōu)選地，所述原 料供給管線中含有如上所述制備的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料。而且系統(tǒng)中的 纖維素酶以約1. 0至約40. OFPU/g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料的纖維素的劑量 存在，并且一種或一種以上絮凝作用化合物以約0. 1至約4. 0 kg/t 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料的固體的劑量存在。本發(fā)明還涉及一種酶組合物的用途，所述酶組合物中含有纖維素 酶和一種或一種以上絮凝劑，用于將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、 葡萄糖低聚物或其組合，如本說(shuō)明書所述。由于本系統(tǒng)使纖維素到葡 萄糖的轉(zhuǎn)化達(dá)到約60至約98%，因而葡萄糖可用于乙醇的生產(chǎn)。優(yōu) 選地，纖維素酶由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬、木霉屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂 孢菌屬或其組合制得。所述一種或一種以上絮凝作用化合物選自陽(yáng)離 子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、鹽、 明礬及其組合。優(yōu)選地，所述一種或一種以上絮凝劑為陽(yáng)離子型聚合 物，例如聚丙烯酰胺。所述纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑也可用 于制備將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的 酶組合物。因此，本發(fā)明也提供一種含有纖維素酶和一種或一種以上 絮凝劑的酶組合物用于使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低 聚物或其組合、用于生產(chǎn)乙醇的用途。絮凝劑或稀釋的絮凝劑可在向漿液中加入酶的位置前(195;圖 1A)、加入酶的位置處(190)、加入酶的位置后(197)加入，或這 些位置中的多處加入。而且，絮凝劑可在水解反應(yīng)器的底部或靠近水 解反應(yīng)器的底部(192;圖1A、 1B和1C)、水解反應(yīng)器的中部(191 )、 反應(yīng)器的頂部(193)、反應(yīng)器外部的位置(195、 197)加入，或這些 位置中的多處加入，在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，絮凝劑可加入反應(yīng) 器的底部(192)和中部(191)。如果絮凝劑抑制酶的活性或?qū)γ傅?活性有負(fù)面影響，則在將絮凝劑加入漿液或水解罐之前，不應(yīng)使絮凝 劑以可能對(duì)酶造成破壞的方式直接與酶接觸。絮凝劑可通過(guò)使用泵使其通過(guò)一 系列的閥門和彎管而添加。這種 構(gòu)造可改善絮凝劑與漿液的混合并防止該混合物倒流回系統(tǒng)。在另一 實(shí)施例中，使用一種在線混合器增加絮凝劑的擾動(dòng)程度并由此改進(jìn)分 散過(guò)程。或者，絮凝劑可通過(guò)補(bǔ)償罐90加入漿液中(例如在190), 然后與漿液和纖維素酶40—起泵入水解反應(yīng)器110或110，。絮凝劑一旦進(jìn)入水解反應(yīng)器110或IIO，即附著在固體顆粒上并對(duì) 水解區(qū)域130中的積聚過(guò)程起到輔助作用。不希望囿于理論，這有助 于避免含纖維素的顆粒從反應(yīng)器的頂部被排出、通過(guò)使其懸浮在反應(yīng) 器中而使其避免沉降到沉淀層、或者同時(shí)起到上述兩種作用。使固體顆粒附著在一起可使含纖維素的顆粒在水解區(qū)域(130 )具有更長(zhǎng)的停 留時(shí)間，并使纖維素可被纖維素酶更徹底且更有效地消解。在上流式 反應(yīng)器的頂部140，絮凝劑主要附著于未轉(zhuǎn)化的固體顆粒上，與顆粒 一起排出反應(yīng)器(150;圖1A)。預(yù)期通過(guò)纖維素水解由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料制得的經(jīng)管線30離開 反應(yīng)器IIO或110，的葡萄糖可發(fā)酵為乙醇(170)。將葡萄糖和其它糖 發(fā)酵為乙醇可通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)方法進(jìn)行，并可通過(guò)多 種微生物實(shí)現(xiàn)，所述微生物包括酵母和細(xì)菌，或遺傳修飾的微生物， 例如，但并不限于，WO 95/13362、 WO 97/42307、或Alcohol production from Cellulosic Biomass: The Iogen Process (in: The Alcohol Textbook, Nottingham University Press, 2000;其內(nèi)容通過(guò)引證 的方式納入本說(shuō)明書)中所提及的微生物。乙醇的生產(chǎn)和回收通過(guò)乙醇 工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員已知的完善建立的方法進(jìn)行。如前所示，上流式沉降反應(yīng)器適合于纖維素到葡萄糖的酶法轉(zhuǎn)化。 然而，也可使用這種類型的系統(tǒng)將纖維素轉(zhuǎn)化為其它產(chǎn)品，包括纖維 二糖(如果纖維素酶中不含pG則是優(yōu)選的)和葡萄糖低聚物(如果纖 維素酶中不含CBH和pG則為優(yōu)選的)。本發(fā)明的方法延長(zhǎng)了固體在反應(yīng)器中的時(shí)間，由于酶仍舊附著于 纖維素上，因此延長(zhǎng)了纖維素酶和纖維素之間的接觸時(shí)間。這反過(guò)來(lái) 通過(guò)提高在給定大小的水解反應(yīng)器中所獲得的纖維素轉(zhuǎn)化度提高了水 解工藝的效率。由此使酶法水解的造價(jià)減到最小。另外，上流式沉降 方法在反應(yīng)器內(nèi)不需攪拌，從而節(jié)省了與混合相關(guān)的能量和設(shè)備的造 價(jià)。上面所述并不欲以任何方式限制所要求的發(fā)明。另外，所述特征 的組合對(duì)于本發(fā)明的方案而言可能并非是絕對(duì)必要的。以下將結(jié)合實(shí) 施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。但應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實(shí)施例的目的只 在于示例說(shuō)明，不應(yīng)當(dāng)用于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例實(shí)施例1:大規(guī)模上流式水解反應(yīng)器
采用US 4, 461, 648 (Foody，其內(nèi)容通過(guò)引證的方式納入本說(shuō)明 書)的方法制備經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料為含有7. 8% 未溶解固體的含水漿液，溫度為70X:,質(zhì)量流速為553 t/小時(shí)。通過(guò) 在換熱器(20)中與產(chǎn)品物流(30)換熱使該含水漿液冷卻到60匸。 然后將此60'C的漿液在換熱器(45)中用冷水冷卻到最終溫度50°C。 將漿液與纖維素酶(70; 5 FPU/g纖維素)和氨(80; 1200 g/t濕漿液) 一起泵入水解補(bǔ)償罐(90;體積為86, 000加侖)以調(diào)節(jié)pH到4. 5至 5.0。將水解補(bǔ)償罐中的內(nèi)容物混合40分鐘停留時(shí)間后，將混合的物 流(100)從補(bǔ)償罐泵出，并沿著水解罐(110)中部的管(105)下降。 水解罐夾套中有15 psig的蒸汽以將溫度維持在50X:。在水解罐的底 部，漿液向上泵出并沿著水解管的徑向滲透(120)。水解罐的容積為4. 6百萬(wàn)加侖。液體在水解罐中的向上流動(dòng)較固 體顆?？?，從而使固體顆粒在整個(gè)罐中沉降到約10°/。的濃度。纖維素 保持在罐中達(dá)188小時(shí)，該時(shí)間足夠長(zhǎng)可使92%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄 糖。含水的糖物流和未水解的固體(150)從罐的頂部流出并泵入沉降 罐(160)。在容積為1. 12百萬(wàn)加侖的沉降罐中，固體顆粒沉降到底 部，濃度達(dá)到10%，并經(jīng)過(guò)管線162泵出進(jìn)入木質(zhì)素壓濾機(jī)165以通 過(guò)壓濾和洗滌從固體中回收糖。來(lái)自此物流的糖與來(lái)自沉降器頂部的 糖物流合并，而后送到發(fā)酵為乙醇的過(guò)程(170)。實(shí)施例2:用木霉屬纖維素酶進(jìn)行上流式水解采用US 4, 461, 648 (Foody，其內(nèi)容通過(guò)引證的方式納入本iJC明 書)的方法制備經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料在水中形成 含有濃度為3. 7%的未溶解固體的漿液，并將其pH值用30%的氫氧化鈉 調(diào)整到5. 5。所述未溶解固體為55%的纖維素。將所述漿液以40 L/分 鐘的速度泵入垂直水解反應(yīng)器(110;圖1C)的底部。這相當(dāng)于0. 7 ft/ 小時(shí)的向上流動(dòng)速度。塔的容積為144, 700 L,其中水解區(qū)域(130) 為下部的115， 000 L(高度為34. 4 ft)，頂部的29， 700 L為澄清區(qū) (135 )。塔的直徑為3. 8 m,高為13. 5 m ( 44. 3 f t )。漿液進(jìn)入反 應(yīng)器時(shí)的溫度為55°C,在靠近反應(yīng)器頂部時(shí)逐漸降低到50t:。由木霉 屬(由Iogen Bioproducts， Ottawa獲得)獲得的纖維素酶以36 FPU/g 纖維素的劑量加入水解補(bǔ)償罐內(nèi)的漿液中，類似于實(shí)施例1,加入到 進(jìn)入塔之前的管線中。
將含有預(yù)處理固體和纖維素酶的漿液泵入塔105的底部，并隨著 漿液在塔內(nèi)的向上流動(dòng)發(fā)生水解。漿液在水解區(qū)域的頂部轉(zhuǎn)移到澄清 區(qū)域135，所述水解區(qū)域占塔容積的79%。含沉降固體顆粒的物流在水 解區(qū)域和澄清區(qū)域的交界處排出(162;圖1C)。水相中幾乎不含未 溶解固體的含葡萄糖的第二物流30自澄清區(qū)域的頂部收集。運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)固體的分布如圖2所示。在底部以上1 ft的 高度，未溶解固體沉降到濃度為8重量％至14重量％，這明顯高于進(jìn)料 的3. 7%未溶解固體的濃度。在更高的點(diǎn)處，固體顆粒的濃度更低。纖維素轉(zhuǎn)化率的分布如圖3所示。在15 ft和24ft的高度，運(yùn)行 初期纖維素的轉(zhuǎn)化度為73%至83%，運(yùn)行末期為95%。流出上流式反應(yīng) 器的物流中葡萄糖的濃度為25 g/L。這表明無(wú)需混合反應(yīng)器、無(wú)需提 供剪切，或除了用泵將物料沿著反應(yīng)器緩慢向上推送之外無(wú)需其它方 式移動(dòng)物料即可獲得優(yōu)良的纖維素轉(zhuǎn)化率和葡萄糖生產(chǎn)量。實(shí)施例3:在絮凝作用化合物存在下用木霉屬纖維素酶進(jìn)行上流 式水解如實(shí)施例2所述對(duì)含4. 4%未溶解固體的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸進(jìn)行 水解，不同之處在于添加絮凝劑以改善固體顆粒的沉降。陽(yáng)離子型聚 合物CA4500 (SNF Floerger , France)以2 kg/t未溶解固體的劑量 加入， 一旦在向漿液中添加酶的位置之后將其加入，其即在管線中滲 透。運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒分布如圖4所示。在底部以上l ft 的高度，未溶解固體沉降到濃度為6重量％至10重量％，與實(shí)施例2中 所觀察到的相近，明顯較進(jìn)料的4.4%未溶解固體的濃度更高。在反應(yīng) 器內(nèi)高于此點(diǎn)處，固體的濃度為5. 5%至8%。這表明絮凝劑對(duì)于使固體 集聚和沉降是有效的。纖維素轉(zhuǎn)化率的分布如圖5所示。在15 ft和24ft的高度，運(yùn)行 初期纖維素的轉(zhuǎn)化度為65%至85%，運(yùn)行末期為85%至92%。流出反應(yīng) 器的物流中葡萄糖的濃度為27 g/L。這表明無(wú)需混合反應(yīng)器、無(wú)需提 供剪切，或除了用泵將物料沿著反應(yīng)器緩慢向上推送之外無(wú)需其它方 式移動(dòng)物料即可獲得優(yōu)良的纖維素轉(zhuǎn)化率。實(shí)施例4:在絮凝作用化合物存在及不存在時(shí)不同酶水平下的纖 維素轉(zhuǎn)化
實(shí)施例2和3中所述的水解反應(yīng)顯示出相近的最終葡萄糖濃度， 這可能是由于過(guò)量酶的存在之故。為了確定絮凝劑對(duì)水解效率的影響, 在存在及不存在絮凝劑時(shí)進(jìn)行了在不同酶劑量下的水解。如實(shí)施例2和3所述對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的小麥秸進(jìn)行水解，不同之處 在于所添加的纖維素酶的量是可變的。在存在及不存在絮凝劑時(shí)，用 8、 12、 16、 20、 24、 28、 32和36 FPU的酶進(jìn)4亍48小時(shí)的水解。測(cè) 定了纖維素轉(zhuǎn)化率(以％表示)并示于圖6。如圖6所示，在較低的酶劑量時(shí)，使用絮凝劑提高了纖維素的轉(zhuǎn) 化率。這代表從總體上節(jié)約了纖維素轉(zhuǎn)化的造價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種用于纖維素酶法水解以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物的方法，所述方法包括i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液體中含有約3％至約30％的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約20％的纖維素；ii)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng)器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0.1至約20ft/小時(shí)，以使未溶解固體顆粒向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii)在引入步驟(步驟ii)之前或期間，或在上述兩段時(shí)間內(nèi)，向含水漿液中加入纖維素酶；及iv)將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出，所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在引入步驟(步驟ii )中，所 述含水漿液徑向均勻分布地被引入水解反應(yīng)器的底部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中，向 含水漿液中加入一種或一種以上絮凝作用化合物，所述絮凝作用化合 物與纖維素酶分別或一起加入，或與纖維素酶分別以及一起加入。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中一種或一種以上絮凝作用化合物 在引入步驟(步驟ii )之前或期間加入，或在引入步驟(步驟ii )之 前以及期間加入。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草聲、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草蘆、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草^"、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料已 在酶法水解之前，在約160"C至約280'C溫度下，用濃度為約0%至約 5%的疏酸預(yù)處理過(guò)約3秒至約30分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料已 在酶法水解之前，在約1601C至約280X:溫度下，用濃度為約0%至約 5y。的為t酸預(yù)處理過(guò)約3秒至約30分鐘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料 已在酶法水解之前，在約160。C至約2801C溫度下，用濃度為約0%至 約5。/。的石危酸預(yù)處理過(guò)約3秒至約30分鐘。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g纖維素的劑量加入。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g纖維素的劑量加入。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1.0至約40. OFPU/g纖維素的劑量加入，并且一種或一 種以上絮凝作用化合物以約0. 1至約4. 0 kg/t固體的劑量加入。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之前， 通過(guò)水解反應(yīng)器頂部的澄清區(qū)使至少部分水解產(chǎn)物與未水解的固體相 分離。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之 前，通過(guò)水解反應(yīng)器頂部的澄清區(qū)使至少部分水解產(chǎn)物與未水解的固 體相分離。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之 前，通過(guò)水解反應(yīng)器頂部的澄清區(qū)使至少部分水解產(chǎn)物與未水解的固 體相分離。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將含有水解產(chǎn)物和未水解的固體的含水物流移至固 -液分離器中以使 至少部分水解產(chǎn)物與未水解的固體相分離。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將一股含有未水解的固體的物流移至固-液分離器中以使至少部分水 解產(chǎn)物與未水解的固體相分離。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將一股含有未水解固體的物流移至固-液分離器中以使至少部分水解 產(chǎn)物與未水解的固體相分離。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述水解產(chǎn)物和未水解固體自 澄清區(qū)的不同位置移出。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述水解產(chǎn)物和未水解固體自 澄清區(qū)的不同位置移出。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述水解產(chǎn)物和未水解固體自 澄清區(qū)的不同位置移出。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖。
24. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖。
25. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖。
26. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖和纖 維二糖。
27. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖和纖 維二糖。
28. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖和纖 維二糖。
29. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液的pH值為約4. 0至約6. 0。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述漿液的pH值為約4. 5至 約5. 5。
31. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 溫度為約45匸至約70匸。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述溫度為約45C至約651C。
33. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶由曲霉屬(J^/;ei^/7/"50 、腐質(zhì)霉屬(iy"巡/co/a)、木霉屬(rr/c力oder邁a)、芽孢桿菌屬(勘ci/7";y)、喜熱裂孢菌屬 (r力ei"邁o6/Z"A/a )或其組合制得。
34. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述一種或一種以上絮凝作用 化合物選自陽(yáng)離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩 性聚合物、鹽、明礬及其組合。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中所述一種或一種以上絮凝作用 化合物為陽(yáng)離子型聚合物。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述陽(yáng)離子型聚合物為聚丙烯 酰胺。
37. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述纖維素酶與一種或一種以 上絮凝作用化合物一起加入所述漿液中。
38. 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述纖維素酶和一種或一種以 上絮凝作用化合物分別加入所述漿液中。
39. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液的pH值為約4. 0至約6. 0。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述漿液的pH值為約4. 5至 約5.5。
41. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 溫度為約45"C至約70'C。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述漿液的溫度為約451C至 約65。C。
43. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬、木霉屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂孢菌屬 或其組合制得。
44. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液中含有約5重量°/。至約20重量。/。的未溶解固體，并且所述未溶 解固體中含有約25重量％至約70重量％的纖維素。
45. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中，在引入步驟(步驟ii)之前， 將一股含糖的液體物流從步驟i的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料中分離出 來(lái)。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中在將所述液體物流從原料中分 離出來(lái)的過(guò)程中使用一個(gè)洗滌步驟。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中在所述洗滌步驟中使用一種選 自水、循環(huán)的工藝物流、經(jīng)過(guò)處理的排出物及其組合的洗滌介質(zhì)。
48. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述漿液的平均流速介于約0. 1 至約12 ft/小時(shí)之間。
49. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述漿液的平均流速介于約0. 1 至約4 ft/小時(shí)之間。
50. —種酶組合物，所述組合物中含有纖維素酶和一種或一種以 上絮凝劑，用于將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或 其組合，其中水解通過(guò)以下步驟進(jìn)行i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)， 以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii )之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
51. 權(quán)利要求50的酶組合物，其中纖維素酶由曲霉屬、腐質(zhì)霉屬、 木霉屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂孢菌屬或其組合制得。
52. 權(quán)利要求50的酶組合物，其中所述一種或一種以上絮凝劑選 自陽(yáng)離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、 鹽、明礬及其組合。
53. 權(quán)利要求52的酶組合物，其中所述一種或一種以上絮凝劑為 陽(yáng)離子型聚合物。
54. 權(quán)利要求53的酶組合物，其中所述陽(yáng)離子型聚合物為聚丙烯 酰胺。
55. —種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物用于 將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的用途。
56. —種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物用于 由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料通過(guò)纖維素酶法水解制備水解產(chǎn)物的用 途，所述酶組合物的使用方法包括i)提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)，以使未 溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii)在引入步驟(步驟ii )之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及i v)將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
57. —種試劑盒，包括纖維素酶、 一種或一種以上絮凝劑和使用 說(shuō)明，用于水解纖維素以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物， 所述使用說(shuō)明包括i) 提供一種經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部，通過(guò)避免混合而限制反應(yīng) 器內(nèi)的軸向滲透，漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時(shí)，以使未 溶解固體顆粒向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶和一種或一種以上絮凝劑；及iv) 將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流自水解反應(yīng)器移出， 所述水解產(chǎn)物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
58. —種系統(tǒng)，用于使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖 低聚物或其組合，所述系統(tǒng)包括 一條與上流式水解反應(yīng)器入口流體 連通的原料漿液供給管線、 一個(gè)固-液分離器，所述固-液分離器與上 流式水解反應(yīng)器流體連通，并包括用于排出含未水解固體的漿液的第 一出口以及用于排出含水解產(chǎn)物的物流的第二出口 ，所述水解產(chǎn)物包 括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給管線、 上流式水解反應(yīng)器，或原料供給管線和上流式水解反應(yīng)器二者中含有 包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。
59. 權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中所述原料供給管線中，含有經(jīng)過(guò)預(yù) 處理的原料。
60. 權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中所述固-液分離器選自沉降槽、澄 清器、澄清區(qū)、離心分離器及過(guò)濾器。
61. 權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中所述固-液分離器為沉降槽。
62. 權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中所述固-液分離器為澄清區(qū)。
63. 權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中所述固-液分離器為過(guò)濾器。
64. 權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中所述纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料的纖維素的劑量存在。
65. 權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中一種或一種以上絮凝劑以約0. 1至 約4. 0 kg/t經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料的固體的劑量存在。
66. —種制備酶組合物的方法，所述酶組合物用于使纖維素水解 以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物，所述方法包括由植物、 真菌或微生物源獲得纖維素酶，并將所述纖維素酶與一種或一種以上 絮凝劑混合以制備酶組合物。
67. 權(quán)利要求66的方法，其中纖維素酶由曲霉屬、腐殖霉屬、木 霉屬、芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬制得。
68. —種酶組合物，含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑，用 于使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
全文摘要
提供一種用于纖維素酶法水解以由經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料制備水解產(chǎn)物的方法。所述方法包括將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的纖維素原料的含水漿液引入水解反應(yīng)器的底部。通過(guò)避免混合而限制反應(yīng)器內(nèi)的軸向滲透，并維持漿液的平均流速為約0.1至約20ft/小時(shí)，以使未溶解固體向上流動(dòng)的速度低于液體向上流動(dòng)的速度。在引入步驟之前或期間向含水漿液中加入纖維素酶。將含有水解產(chǎn)物和未水解固體的含水物流從水解反應(yīng)器中移出。還提供用于該方法的包含纖維素酶和絮凝劑的酶組合物。另外，提供一種包含纖維素酶和絮凝劑的試劑盒。
文檔編號(hào)C12P19/02GK101120095SQ200580048183
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者B·福迪, J·S·托蘭, Z·拉赫梅爾 申請(qǐng)人:埃歐金能源公司