[發明專利]使用單級自動水解和具有C5旁路的酶促水解和后水解加工木質纖維素生物質的方法

有效

• 申請號: 201380040872.4
• 申請日: 2013-08-01
• 公開（公告）號: CN104540956B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: J·拉森;N·尼爾森波爾森;M·D·杰普森;K·K·莫根森
• 申請（專利權）人: 因比肯公司
• 主分類號: C12P7/10
• 分類號: C12P7/10;D21C1/04;D21C3/04
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 吳亦華,徐志明

發明人：Jan Larsen、Niels Poulsen、Kit Mogensen、Martin Jeppesen

技術領域

本發明總體地涉及將木質纖維素生物質加工成可發酵糖的方法，并且特別涉及依賴水熱預處理的方法。

背景技術

對石油和其他化石燃料的歷史依賴性與大氣溫室氣體水平的急劇和令人警醒的增加相關。國際上正在努力減少溫室氣體的積累，這在許多國家得到正式政策指令支持。這些減排努力的一個中心焦點是發展用可再生的植物生物質取代石油作為燃料和其他化學產品的前體來源的工藝和技術。據估計，地球上植物來源的生物質年生長量大約為每年1x10¹¹公噸干重。參見Lieth和Whittaker(1975)。因此，生物質的利用是發展可持續經濟的終極目標。

從基于糖和淀粉的植物材料，如甘蔗、根和糧食作物，生產的燃料乙醇已經被廣泛使用，目前的全球生產量最高達到每年730億升。乙醇一直被認為是化石燃料的可接受的替代品，其容易作為混合燃料的添加劑使用或甚至直接作為用于個人汽車的燃料。然而，使用通過這些“第一代”生物乙醇技術生產的乙醇實際上沒有實現溫室氣體排放的大量減少。當總化石燃料輸入與最終乙醇輸出均計算在內時，與石油相比，凈節省僅為約13％。參見Farrell等(2006)。此外，已經對“第一代”生物乙醇市場提出了經濟和道德上的反對。這實際上將作物作 為人類食物的需求與用于個人汽車的需求形成直接競爭。事實上，燃料乙醇的需求與已經證明在貧窮的糧食進口國引起麻煩的增長的糧食價格有關。

發展不消耗糧食作物的生物質轉化系統-所謂的“第二代”生物精煉-引起了極大的興趣，其中可以從木質纖維素生物質生產生物乙醇和其他產物，所述木質纖維素生物質如作物廢料(秸稈、穗軸、核、莖干、殼(shell)、果殼(husk)等…)、草料、稻草、木屑、廢紙等。在“第二代”技術中，主要來源于纖維素的可發酵6-碳(C6)糖和來源于半纖維素的可發酵5-碳(C5)糖通過酶促水解或(在一些情況中)通過純化學水解從生物質多糖聚合物鏈釋放出來。從“第二代”生物精煉中的生物質轉化獲得的可發酵糖可以用于生產燃料乙醇，或可選地，生產其他燃料如丁醇或用于合成生物塑料或許多其他產品的乳酸單體。

C5和C6糖的總產量是木質纖維素生物質加工商業化的重點考慮因素。就乙醇生產以及乳酸和其他化學產品的生產而言，將C5和C6糖工藝流結合成一種糖溶液是有利的。現在在乙醇生產中能有效消耗C5和C6糖兩者的改良的發酵生物體是可得的。參見例如Madhavan等(2012)、Dumon等(2012)、Hu等(2011)、Kuhad等(2011)、Ghosh等(2011)、Kurian等(2010)、Jojima等(2010)、Sanchez等(2010)、Bettiga等(2009)、Matsushika等(2009)。

由于其物理結構的限制，木質纖維素生物質不能在沒有經過一定預處理過程的情況下有效地通過酶促水解轉化成可發酵糖。已經報道了許多種不同的預處理方案，各自提供了不同的優點和缺點。綜述參見Agbor等(2011)、Girio等(2010)、Alvira等(2010)、Taherzadeh和Karimi(2008)。從環境和“可再生性”的角度來看，水熱預處理是特別有吸引力的。它們利用溫度為160-230℃左右的加壓蒸汽/液體熱水來溫和地熔解與纖維素鏈雜亂締合的疏水性木質素、溶解半纖維素的主要成分(富含C5糖)和破壞纖維素鏈，從而提高生產酶結合的可達性。水熱預處理可以方便地與現有的燃燒煤和生物質的發電廠整合來有效地利用汽輪機蒸汽和“過量的”發電能力。

在水熱預處理的情況下，本領域公知并且已經過廣泛討論的是，預處理必須在相矛盾的目的之間進行優化。一方面，預處理應當理想地保留半纖維素糖含量，以最大化來源于單體半纖維素的糖的最終產量。然而同時，預處理應當充分暴露并預調理(precondition)纖維素鏈以達到酶促水解的敏感性，使得可以用最少的酶消耗獲得來源于單體纖維素的糖的合理產量。酶消耗也是生物質加工商業化的重點考慮因素，其如在當前定義的“全球市場經濟”背景下的“經濟利潤”邊緣搖擺。盡管近年來急劇提高，可商購的酶制劑的高成本仍然是生物質轉化中最高的運營成本之一。

隨著水熱預處理問題和反應器保留時間的增加，由于化學轉化成其他物質(包括糠醛和縮合反應的產物)，較大比例的來源于半纖維素的C5糖無法換回地喪失。然而，需要較高的溫度和保留時間以適當地調理(condition)纖維素纖維以高效地酶促水解成單體6碳葡萄糖。