[發明專利]改進纖維素在高稠度系統中的水解的方法

有效

• 申請號: 201180052359.8
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN103210090A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: P·J·E·哈爾里克;W·鄭
• 申請（專利權）人: 埃歐金能源公司
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12M1/00;C12M1/40;C12P19/02
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 蘇萌;鐘守期

技術領域

本發明涉及一種由纖維素原料生產可發酵糖的改進的方法。

背景技術

由于纖維素原料低廉的成本和廣泛的可用性，近年來對于由纖維素原料——如農業廢料和林業廢料——來生產燃料和化學品（主要有乙醇）已經付出了很多關注和努力。這些農業和林業廢料通常被焚燒并填埋：因此，使用這些纖維素原料來生產乙醇提供了一種相對于丟棄而言有吸引力的替代方案。

將纖維素原料轉化為乙醇或其他發酵產物的第一化學處理步驟通常包括原料的預處理。預處理的目的是提高纖維素的表面積，纖維素向葡萄糖的轉化有限。原料的預處理可用以下方法實現：在原料的半纖維素成分水解的條件下進行酸預處理，隨后用纖維素酶將經預處理的纖維素原料中剩余的纖維素進行酶法水解。酶法水解通常在受控的pH、溫度和混合條件下在一種或多種稀釋混合型間歇式反應器中進行。

用于將纖維素水解為葡萄糖的纖維素酶包括包含外切纖維二糖水解酶（CBH）、內切葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶的混合酶。CBH和EG酶催化纖維素（β-1.4-D-葡萄糖苷鍵）的水解。CBH酶、CBHI和CBHII（根據糖苷水解酶家族命名法（Glycoside?Hydrolase?family?designations）還被稱作Cel7和Cel6）作用于纖維素微纖維中葡萄糖聚合物的末端并釋放出纖維二糖，而EG酶（包括EGI、EGII、EGIII和EGV，還分別被稱作Cel7、Cel5、Cel12和Cel45）作用于纖維素的隨機區域。所述纖維素酶一起將纖維素水解為纖維二糖，其再由β-葡萄糖苷酶（β-G）水解為葡萄糖。

除了CBH、EG和β-葡萄糖苷酶之外，還存在一些輔助酶（accessory?enzymes）來協助纖維素的酶消化（參見共有的WO2009/026722(Scott)，其以引用的方式納入本說明書，以及Harris?et?al.,2010,Biochemistry,49:3305-3316）。這些輔助酶包括EGIV（也被稱作Cel61）、膨脹因子、擴展因子、lucinen和纖維素誘導蛋白(Cip)。可以由β-葡萄糖苷酶通過轉糖苷反應將葡萄糖酶法轉化為二聚體龍膽二糖、槐二糖、昆布二糖及其他。

在常規的水解反應器中，通過以下的方式來混合：機械混合器如頂置式、側置式、或底置式葉輪、攪拌器或噴射器；快速移動的液態漿體流被泵入或通過容器；和/或在容器中引入或生成氣體或蒸汽。此外，采用隨著漿體沿反應器長度的方向流經混合區進行周期混合的反應器是已知的（參見下文討論的美國專利No.5,733,758(Nguyen)）。

由葡萄糖生產乙醇的發酵作用通常使用酵母菌株(Saccharomyces?spp.)進行。乙醇的回收通過蒸餾實現并且乙醇通過分子篩進一步濃縮。

向進入的原料中加入水以形成漿體可促進纖維素原料的輸送和機械操作。所述漿體由在水中的纖維素原料碎片或顆粒組成。通常，為使漿體均勻地流動，存在的水的質量至少為存在的原料固體的質量的5至25倍。

然而，在工廠操作中，處理包含如此高含水量的漿體具有某些缺點。例如，在酸預處理過程中，進料漿體中的較高含水量需要大量的蒸汽用來加熱，還需要大量的酸。此外，漿體中的大量的水導致設備尺寸的增加，其轉而提高了資本成本。

WO2010/022511（Anand?et?al.）公開了一種方法，涉及在預處理反應器中，通過加壓式螺旋壓力機將大量的水從纖維素原料漿體中移除，然后通過蒸汽將其加熱。有利地，由于通過擠壓得到了較高的固含量，較少的液體需要被加熱，由此降低了在隨后的預處理過程中所需的蒸汽量。此外，濃縮的漿體也可減少催化原料水解所需的酸或堿的量。

然而，盡管有前述與較高固含量漿體相關的優勢，它們在進行預處理的下游處理時可能會引發問題。例如，對于常規的攪拌反應器，為了在酶法水解過程中有效地混合高粘度的漿體，需要極大的能量輸入。此外，需要專門的高固體稠度泵以運送較高固含量的漿體通過系統。這些需求可顯著地增加水解過程的投資和操作成本。

已經有努力致力于水解反應器的開發，但是其主要集中于稀釋系統。WO2006/063467(Foody?et?al.)公開了非混合的升流式水解反應器用于使用纖維素酶來酶法水解經預處理的纖維素原料的用途。進行水解以使漿體向上的速度減慢并使比漿體本體密度更大的固體顆粒趨向于比液體的向上流動更慢。含有纖維素的固體顆粒緩慢地向上流動使含有纖維素的固體和結合的纖維素酶比液體在反應器中停留更長的時間，從而提高纖維素向葡萄糖的轉化。