[發(fā)明專利]將纖維素材料轉(zhuǎn)化成乙醇的方法和設備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680034205.5
• 申請日: 2006-07-19
• 公開（公告）號: CN101268121A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發(fā)明（設計）人: 伯厄·霍爾姆克里斯滕森;萊娜·霍爾姆·耶拉克
• 申請（專利權）人: 霍爾姆克里斯滕森生物系統(tǒng)公司
• 主分類號: C08H5/04
• 分類號: C08H5/04;C13K1/02;C12P7/10
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 張力更

技術領域

本發(fā)明涉及基于連續(xù)水熱預處理然后酶促水解、乙醇發(fā)酵和回收 的成本和能源有效的將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇和其它產(chǎn)品的可 持續(xù)方法。

背景技術

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)含有可變量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少 量蛋白質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、氯化鉀和其它無機化合物。木質(zhì)纖維素生物質(zhì) 應該以其最廣義理解，因此其除了木材、農(nóng)業(yè)殘渣、能量作物外還包 含來自工業(yè)和家庭的不同類型的廢物。纖維素生物質(zhì)是巨大的開發(fā)不 力的資源，并在一些情況下具有浪費問題。但是，來自纖維素的己糖 可以被酵母轉(zhuǎn)化成需求增長的燃料乙醇。在商業(yè)上尚未將來自半纖維 素的戊糖轉(zhuǎn)化成乙醇，但幾種能夠轉(zhuǎn)化戊糖和己糖的有發(fā)展前途的產(chǎn) 乙醇(ethanologenic)微生物正在研發(fā)中。

由木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的成本目前比由淀粉/糖原料生 產(chǎn)高得多。

直到最近，將預處理過的纖維素原料轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖用的纖維素 分解(cellulytic)酶的成本仍過高。

由美國能源部贊助，Novozymes與Genencor實施的成功研究工作 使這種成本急劇降低。

但是，要實現(xiàn)巨大量的木質(zhì)纖維素原料的商業(yè)上可行的開發(fā)，還 需要更大的成本降低。

大多數(shù)現(xiàn)有技術方法將原料粉碎或研磨成粉末，其隨后與水混合 形成淤漿。這具有一些缺點：

·粉碎或研磨的大能量消耗，

·粉碎或研磨的大的資本成本和運營成本，

·需要大量液體使顆粒懸浮在可以處理的可泵送淤漿中，

·難以通過機械脫水再去除液體。

另外，大多數(shù)現(xiàn)有技術僅在實驗室規(guī)模下試驗，但沒有提出將規(guī) 模擴大到工業(yè)規(guī)模的解決方案。

將纖維素材料轉(zhuǎn)化成乙醇通常包括在纖維素實際水解成可發(fā)酵糖 之前的預處理，以使纖維素可受酶或化學品的作用。升高的溫度、停 留時間和化學品的總影響被稱作該工藝的苛刻度(severity)。這意 味著，如果溫度較高，可以用例如較短停留時間實現(xiàn)相同結果。為了 使纖維素可受纖維素酶的作用，現(xiàn)有技術的多數(shù)預處理法嘗試溶解和 去除盡可能多的半纖維素和木質(zhì)素，以產(chǎn)生更大“孔隙”和實現(xiàn)纖維 素和纖維素酶之間的更大接觸。以不同方式，例如通過引入去毒步驟 或通過盡可能快地去除溶解的組分來解決與這種類型的預處理產(chǎn)生的 抑制劑有關的問題。

在″The?Alcohol?Textbook(醇教程)″第三版1999，第9章中， J.S.Tolan提供了在Iogen的中試裝置中實施的由纖維素生物質(zhì)生 產(chǎn)燃料乙醇的方法的綜述。

Tolan強調(diào)，為了使纖維素可受酶的作用，預處理過程是必須的， 并比較了3種可選方案：

-基于溶劑的預處理，其中有機溶劑溶解木質(zhì)素。但是，木質(zhì)素 不被視為是對纖維素的顯著障礙。

-堿預處理，其不形成糠醛，但已經(jīng)報道了半纖維素的破壞。

-Iogen優(yōu)選稀酸預處理，因為其對半纖維素是溫和的并產(chǎn)生具 有高表面積的材料。通過這種方法，木質(zhì)素被解聚合，但不溶解，低 的酸含量排除了對回收的需要。由于Iogen的預處理，原料的纖維結 構被破壞，其獲得泥狀結構和深棕色。

在發(fā)酵容器中，纖維素酶主要由在浸沒的液體培養(yǎng)物中的木霉屬 (Trichoderma)真菌制成。在乙醇廠中酶的生產(chǎn)具有可以省略提純、 濃縮和儲存的優(yōu)點，且一些水解糖可用于酶生產(chǎn)。

在Iogen的預處理后，將原料作為具有15-20％固含量(或可處理 的盡可能多的固含量)的淤漿輸送到水解槽中。在該槽中的攪拌比在 發(fā)酵槽中常用的攪拌更溫和，但必須足以使固體保持分散并足以移動 該材料。水解持續(xù)5-7天。粘度降低，且木質(zhì)纖維素顆粒變小。大約 80-95％的纖維素被轉(zhuǎn)化，而其余部分因為被木質(zhì)素覆蓋而不能接觸到 酶。

通過纖維素酶促轉(zhuǎn)化成葡萄糖，由纖維二糖和葡萄糖產(chǎn)生的產(chǎn)物 抑制是一個問題。通常已經(jīng)提議進行同時糖化和發(fā)酵(SSF)工藝以克 服葡萄糖對β-葡萄糖苷酶的產(chǎn)物抑制。但是，同時糖化和發(fā)酵(SSF) 工藝具有非最佳操作條件，因為酶(50℃)和酵母(28℃)的最佳溫 度離得太寬，而介質(zhì)溫度(37℃)具有微生物污染的高風險。另一可 能性是單獨產(chǎn)生β-葡萄糖苷酶，這增加了進一步發(fā)酵工藝的成本。 Iogen已經(jīng)選擇開發(fā)產(chǎn)生更多β-葡萄糖苷酶的木霉屬菌株。