木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的梯度預(yù)處理的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求2013年3月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/776946的權(quán)益，該臨時(shí)申 請(qǐng)全文以引用方式并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明提供了用于處理生物質(zhì)以獲得可發(fā)酵糖的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種 用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理方法，該方法使用氨，其中生物質(zhì)固體的百分比隨時(shí)間推 移而減小。
【背景技術(shù)】
[0003] 木質(zhì)纖維素原料和廢料，諸如農(nóng)業(yè)殘留物、木材、林業(yè)廢棄物、來(lái)自造紙的淤渣、以 及市政及工業(yè)的固體垃圾為化學(xué)品、塑料、燃料和飼料的生產(chǎn)提供了潛在的很大的可再生 原料。包含碳水化合物聚合物纖維素和半纖維素以及木質(zhì)素的木質(zhì)纖維素的原料和廢料一 般用多種化學(xué)的、機(jī)械的和酶的方法進(jìn)行處理以釋放主要地己糖和戊糖的糖，然后這些糖 能進(jìn)行發(fā)酵成為有用的產(chǎn)品。
[0004] 預(yù)處理方法用于使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的碳水化合物聚合物或多糖更易接近用于 糖化的纖維素酶。人們已知多種預(yù)處理方法，包括生物質(zhì)的氨預(yù)處理。例如，共同擁有的US 7, 932, 063公開(kāi)了在高固體含量和低氨水濃度的條件下預(yù)處理生物質(zhì)的方法。所用的氨的 濃度至少是足以保持生物質(zhì)-氨水混合物的pH為堿性的濃度并且相對(duì)于生物質(zhì)干重至多 小于約12重量百分比。生物質(zhì)的干重為生物質(zhì)-氨水混合物重量的至少約15%至最多約 80%〇
[0005]US2010/0184176公開(kāi)了一種生物質(zhì)水熱分解設(shè)備，在該設(shè)備中，將生物質(zhì)進(jìn)料到 主體中并且從另一端進(jìn)料熱壓縮水，使得在該設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)生物質(zhì)濃度的梯度。
[0006] 仍需要用于使用氨預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，產(chǎn)生可容易糖化的材料的方法，該 方法支持發(fā)酵過(guò)程中可發(fā)酵糖和產(chǎn)生生物催化劑產(chǎn)生的產(chǎn)物的產(chǎn)量增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，該方法支持糖化之后生物 催化劑產(chǎn)生的產(chǎn)物的產(chǎn)量增加。
[0008] 因此，本發(fā)明提供一種由纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)可發(fā)酵糖的方法，所述方法包括：
[0009] a)在起始時(shí)間t。在反應(yīng)容器中提供包含以下物質(zhì)的反應(yīng)混合物：
[0010] i)固體濃度在約40%和約70%之間的纖維素生物質(zhì)，測(cè)量為干生物質(zhì)相對(duì)于總 混合物的百分比，基于重量/重量；和
[0011] ii)氨，其具有相對(duì)于生物質(zhì)的干重在約4%和約24%之間的負(fù)載濃度；
[0012] b)隨時(shí)間推移至最終時(shí)間tn增大反應(yīng)混合物的液體含量，其中固體濃度減小約 20 %至約30%，從而產(chǎn)生預(yù)處理的生物質(zhì)；以及
[0013] c)使預(yù)處理的生物質(zhì)與糖化酶聚生體在合適的條件下接觸，以產(chǎn)生可發(fā)酵糖，其 中所述可發(fā)酵糖為用于發(fā)酵工藝的生物催化劑提供碳水化合物來(lái)源。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為示出以用8%NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，在40%固體下，在一個(gè)階 段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，以及發(fā)酵期間（在 0hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖。
[0015] 圖2為示出以用8 %NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，在52. 5 %固體下，在一個(gè) 階段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，以及發(fā)酵期間 (在0hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖。
[0016] 圖3為示出以用8%NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，在65%固體下，在一個(gè)階 段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，以及發(fā)酵期間（在 0hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖。
[0017] 圖4示出在使用固體％的梯度的預(yù)處理中（A)和在使用40%的恒定固體的預(yù)處理 中⑶的固體％和氨濃度隨時(shí)間推移的圖。
[0018]圖5為示出以用8 %NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，梯度為65 %、接著52. 5 %、 接著40%固體的在三個(gè)階段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯 糖濃度，以及發(fā)酵期間（在〇hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃 度的圖。
[0019] 圖6為示出以用8 %NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，在65 %固體下，在一個(gè)階 段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，以及發(fā)酵期間（在 0hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖。
[0020] 圖7為示出以用8%NH3/g干生物質(zhì)預(yù)處理的秸桿起始，在40%固體下，在三個(gè)階 段中執(zhí)行的糖化期間（在24hr、48hr處）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖濃度，以及發(fā)酵期間（在 0hr、26hr和第二個(gè)48hr處）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖。
[0021]圖8為示出在使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固體，或梯度65 %至40 %固體預(yù)處理 的玉米秸桿的48hr糖化之后，葡萄糖、木糖和阿拉伯糖收率的圖，其中梯度使用蒸汽噴射 或干熱和水添加來(lái)產(chǎn)生。
[0022] 圖9為示出在120hr的發(fā)酵之后葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖，發(fā)酵使 用由玉米秸桿產(chǎn)生的水解產(chǎn)物，玉米秸桿使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固體，或梯度65 % 至40%固體預(yù)處理，其中梯度使用蒸汽噴射或干熱和水添加來(lái)產(chǎn)生，其中發(fā)酵以2%v/v種 菌起始。
[0023] 圖10為示出在發(fā)酵的時(shí)間=0時(shí)葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖，發(fā)酵使 用由玉米秸桿產(chǎn)生的水解產(chǎn)物，玉米秸桿使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固體，或梯度65 % 至40%固體預(yù)處理，其中梯度使用蒸汽噴射或干熱和水添加來(lái)產(chǎn)生，其中發(fā)酵以10%v/v 種囷起始。
[0024] 圖11為示出在48hr的發(fā)酵之后葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇濃度的圖，發(fā)酵使 用由玉米秸桿產(chǎn)生的水解產(chǎn)物，玉米秸桿使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固體，或梯度65 % 至40%固體預(yù)處理，其中梯度使用蒸汽噴射或干熱和水添加來(lái)產(chǎn)生，其中發(fā)酵以10%v/v 種囷起始。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明涉及一種用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)和將預(yù)處理的生物質(zhì)糖化以產(chǎn)生 可發(fā)酵糖的方法。存在與預(yù)處理過(guò)程中使用的生物質(zhì)固體的最佳濃度相關(guān)的相反因素，包 括可從生物質(zhì)中釋放的糖的量和另外釋放的抑制劑的量，以及生物質(zhì)對(duì)預(yù)處理劑的可接近 性。在本文所述的條件下，能夠有效地以高生物質(zhì)固體濃度起始并且在預(yù)處理反應(yīng)期間降 低生物質(zhì)固體濃度。使用該方法，預(yù)處理的生物質(zhì)產(chǎn)品更有效地糖化，從而在發(fā)酵期間產(chǎn)生 更高收率的可發(fā)酵糖，導(dǎo)致增強(qiáng)的生物催化劑產(chǎn)物合成。
[0026] 以下定義和縮寫將用于權(quán)利要求和說(shuō)明書(shū)的解釋。
[0027] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"包含"、"包括"、"具有"或"含有"，或者其任何其他變型旨在涵 蓋非排它的包括。例如，包含元素列表的組合物、混合物、工藝、方法、制品或設(shè)備不必僅限 于那些元素，但可以包括其他未明確列出的元素，或此類組合物、混合物、工藝、方法、制品 或設(shè)備固有的元素。此外，除非明確指出相反，"或"是指包含性的或而非排他性的或。例 如，條件A或B滿足下列任一項(xiàng)：A為真實(shí)的（或存在的）且B為虛假的（或不存在的），A 為虛假的（或不存在的）且B為真實(shí)的（或存在的），以及A和B均為真實(shí)的（或存在的）。
[0028] 此外，涉及元素或組分的例子（即出現(xiàn)）的數(shù)目在本發(fā)明元素或組分前的不定冠 詞"一個(gè)"或"一種"旨在為非限制性的。因此，應(yīng)將"一個(gè)"或"一種"理解為包括一個(gè)或至 少一個(gè)，并且元素或組分的詞語(yǔ)單數(shù)形式也包括復(fù)數(shù)，除非數(shù)字明顯表示為單數(shù)。
[0029] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"發(fā)明"或"本發(fā)明"是非限制性術(shù)語(yǔ)，并且不旨在意指本發(fā)明的 任何單個(gè)實(shí)施例，而是涵蓋如本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求所述的所有可能的實(shí)施例。
[0030] 如本文所用，所用修飾本發(fā)明的成分或反應(yīng)物的量的術(shù)語(yǔ)"約"是指數(shù)值量的變 化，其可能發(fā)生在例如，典型的測(cè)量和用于制備濃縮液或?qū)嶋H使用溶液的液體處理程序中； 這些程序中的偶然誤差中；制造、來(lái)源、或用于制備組合物或?qū)嵤┓椒ǖ某煞值募兌鹊牟町?中；等等。術(shù)語(yǔ)"約"還包括由于對(duì)于起因于特定起始混合物的組合物的不同平衡條件而不 同的量。無(wú)論是否由術(shù)語(yǔ)"約"來(lái)修飾，權(quán)利要求包括量的等同量。在一個(gè)實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ) "約"指在報(bào)告數(shù)值10 %以內(nèi)，優(yōu)選地在報(bào)告數(shù)值5 %以內(nèi)。
[0031] 術(shù)語(yǔ)"可發(fā)酵糖"是指在發(fā)酵過(guò)程中能被微生物用作碳源的低聚糖和單糖。
[0032] 術(shù)語(yǔ)"木質(zhì)纖維素"是指包含木質(zhì)素和纖維素的組合物。木質(zhì)纖維素材料也可包 含半纖維素。
[0033] 術(shù)語(yǔ)"纖維素"是指包含纖維素和包括半纖維素在內(nèi)的附加組分的組合物。
[0034]術(shù)語(yǔ)"糖化"是指由多糖產(chǎn)生可發(fā)酵糖。
[0035] 術(shù)語(yǔ)"預(yù)處理的生物質(zhì)"是指在糖化之前已經(jīng)過(guò)預(yù)處理的生物質(zhì)。
[0036] 術(shù)語(yǔ)"丁醇"是指異丁醇、1-丁醇、2-丁醇、或它們的組合。
[0037] 術(shù)語(yǔ)"纖維素生物質(zhì)"是指任何木質(zhì)纖維素材料，并且包括包含纖維素、半纖維素、 木質(zhì)素、淀粉、低聚糖和/或單糖的材料。生物質(zhì)也可包含附加組分，諸如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、灰 分、和/或提取物。生物質(zhì)可來(lái)源于單一來(lái)源，或生物質(zhì)可包括來(lái)源于一種以上來(lái)源的混合 物；例如，生物質(zhì)可包括玉米棒和玉米秸桿的混合物，或草和葉片的混合物。木質(zhì)纖維素生 物質(zhì)包括但不限于生物能源作物、農(nóng)業(yè)殘留物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、來(lái)自造紙業(yè) 的淤渣、庭院垃圾、木材和林業(yè)垃圾。生物質(zhì)的示例包括但不限于玉米棒、作物殘余物諸如 玉米殼、玉米猜桿、玉米粒纖維、草、甜菜衆(zhòng)、小麥猜桿、小麥殼、燕麥猜桿、大麥猜桿、大麥外 殼、干草、稻桿、稻殼、柳枝稷、細(xì)葉芒（miscanthus)、大米草、草蘆、廢紙、甘蔗渣、高粱渣、高 粱秸桿、大豆秸桿、從谷物研磨中獲得的組分、樹(shù)、枝、根、葉、木片、鋸末、棕櫚廢料、灌木和 灌木叢、蔬菜、水果、花和動(dòng)物糞肥。
[0038] 術(shù)語(yǔ)"干物質(zhì)含量"是指以除去物質(zhì)的含水量后存在的主體物質(zhì)的重量計(jì)的量。
[0039] 術(shù)語(yǔ)"生物質(zhì)水解產(chǎn)物"指來(lái)源于生物質(zhì)糖化的產(chǎn)物。生物質(zhì)也可在糖化前進(jìn)行 預(yù)處理或預(yù)加工。
[0040] 術(shù)語(yǔ)"生物質(zhì)水解產(chǎn)物發(fā)酵液體培養(yǎng)基"是指包含產(chǎn)物的液體培養(yǎng)基，所述產(chǎn)物得 自包含生物質(zhì)水解產(chǎn)物的培養(yǎng)基中的生物催化劑生長(zhǎng)和生產(chǎn)。該液體培養(yǎng)基包括沒(méi)有被生 物催化劑消耗的生物質(zhì)水解產(chǎn)物的組分、以及生物催化劑本身和生物催化劑產(chǎn)生的產(chǎn)物。
[0041] 術(shù)語(yǔ)"目標(biāo)化合物"或"目標(biāo)產(chǎn)物"是指任何由發(fā)酵中的微生物生產(chǎn)宿主細(xì)胞產(chǎn)生 的產(chǎn)物。目標(biāo)化合物可為宿主細(xì)胞中遺傳工程的酶的途徑的產(chǎn)物或可由內(nèi)源性途徑產(chǎn)生。 典型的目標(biāo)化合物包括但不限于：酸、醇、烷烴、烯烴、芳烴、醛、酮、生物聚合物、蛋白質(zhì)、肽、 氨基酸、維生素、抗生素和藥物。
[0042] 伸用牛物質(zhì)固體梯度的預(yù)處理
[0043] 在本發(fā)明方法中，預(yù)處理反應(yīng)中生物質(zhì)固體的濃度隨反應(yīng)時(shí)間進(jìn)程的推移而減 小。生物質(zhì)的濃度為固體濃度，其為基于重量/重量，干生物質(zhì)相對(duì)于總預(yù)處理反應(yīng)混合物 的百分比。
[0044] 生