[發(fā)明專利]用于纖維素酶法水解的上流式沉降反應(yīng)器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580048183.3
• 申請日: 2005-12-16
• 公開（公告）號: CN101120095A
• 公開（公告）日: 2008-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: B·福迪;Z·拉赫梅爾;J·S·托蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 埃歐金能源公司
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P19/12;C12P19/02;C12P7/10
• 代理公司: 北京北翔知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 鐘守期;唐鐵軍

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 食物鏈的利益競爭，由這些原料生產(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)化過程的副產(chǎn)品——木質(zhì)素——可用 作燃料，用于推進(jìn)纖維素轉(zhuǎn)化過程，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) 糖加工過程殘?jiān)绺收嵩⑻鸩藦U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：1)從木質(zhì)素釋放纖維素以及半纖維素，或增加纖維素 酶對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)間長度下使用蒸汽和酸的酸水解法 (Grethlein，1978，J.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。在接下來的步驟中，將經(jīng)過預(yù) 處理的原料調(diào)整到適宜的溫度和pH值，然后通過纖維素酶進(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，而后將乙醇通過蒸餾回收。

來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。對于清潔的原料如洗滌過的硬木，硫酸的需要量為原料干重的 0.5％至1％；對于農(nóng)業(yè)纖維——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)水解過程 使用大量的酸的第二個(gè)缺點(diǎn)在于，經(jīng)過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 的原料的苛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 增加的需求可通過增加水解時(shí)間(90-200小時(shí))而加以抵消，但反過 來導(dǎo)致需要非常大的反應(yīng)器，又提高了總的造價(jià)。