[发明专利]在生物精炼环境中生产醇的方法

说明书

发明领域

本发明属于生物燃料生产的范围。更特别的，本发明涉及在从纤维素或木质纤维素材料生产醇的范围内生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶(第二代生物燃料)。

目前经济和逻辑原理要求第二代生物燃料生产地点与第一代生产地点相同，因此形成了所有植物原料被再利用(valoriser)的“生物精炼(biorefinery)”。因此，目标是从糖料植物开始再利用甘蔗和木质纤维素甘蔗残渣。

发明背景

自从二十世纪七十年代起，在水解多糖成分为可发酵的糖之后，将木质纤维素生物质转化为乙醇已经成为重要的研究工作的对象。

大部分木质纤维素残渣由大约40～50％纤维素、20～25％半纤维素和15～25％木质素构成。

在纤维素、半纤维素和木质素这三种聚合物中，纤维素是主要的可发酵乙醇的糖类的主要来源，因为它由葡萄糖构成，而葡萄糖可以容易地被酿酒糖酵母(Saccharomyces cerevisiae)在批准的和有效的工业方法中发酵成乙醇。半纤维素中所含有的戊糖不能被有效地转化成乙醇。糖酵母属(Saccharomyces)、毕赤氏酵母属(Pichia)、假丝酵母属(Candida)、Pachysolen、发酵单孢菌属(Zymomonas)、克雷柏氏杆菌属(Klebsiella)、埃希氏杆菌属(Escherichia)中的其他微生物可以被选择用于将来自生物质的单体糖再利用为乙醇。

将木质纤维素材料转化为醇的方法包括物理化学预处理阶段，随后是酶促或化学水解阶段，醇发酵所释放糖的阶段，以及醇回收阶段。

预处理阶段的目标是释放在半纤维素中所包含的糖作为单体，特别是戊糖例如木糖和阿拉伯糖，和己糖例如半乳糖、甘露糖和葡萄糖，以提高附着(stuck)在木质素和半纤维素基质中的纤维素的利用度。有许多技术：酸性煮沸，碱性煮沸，蒸汽喷发，有机溶剂处理等等。通过半纤维素回收率和通过纤维素残渣的水解敏感性来测量预处理效率。在温和条件的酸性预处理和蒸汽喷发是最适合的技术。它们允许戊糖的总回收率和纤维素的好的水解利用度。

通过酸性方法或者通过利用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的酶促方法水解纤维素残渣。微生物，例如属于木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)或裂褶菌属(Schizophyllum)的真菌，或者例如属于梭状芽孢杆菌属(Clostridium)的厌氧细菌，产生这些酶，其特别地含有纤维素酶(cellulases)和木聚糖酶(xylanases)，适于构成植物的聚合物的总水解。

用强酸(特别是硫酸)进行的酸性方法是有效的，但是它要求大量化学产品(酸，然后是碱用于中和)。酶促水解不会有该缺点；它是在温和条件下进行的，以及它是有效的。另一方面，酶的成本仍然很高。因此进行了相当多的工作以降低成本：首先通过选择高产株以及改良发酵方法增加酶的生产量，然后通过优化预处理阶段或者通过提高这些酶的比活减少水解中酶的量。在过去十年中，主要的工作在于通过利用分子生物学工具修饰菌株来试图理解纤维素酶的作用机理，以及酶的表达以达到最适合水解木质纤维素底物的酶复合物的分泌(excretion)。

用于生产纤维素酶的最常用微生物是里氏木霉(Trichodermareesei)真菌。在存在诱导型底物纤维素的情况下具有分泌例如酶复合物能力的野生株被认为最适合纤维素水解。酶的复合物的酶包含三种主要活性：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维二糖酶。里氏木霉还产生具有对于水解木质纤维材料而言必要的性能的其他蛋白质，例如木聚糖酶。诱导型底物的存在对于水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的表达是必要的。含碳底物的特征对酶复合物的组成具有强影响。对于与诱导型含碳底物如纤维素或乳糖相关的木糖而言，情况正是如此，其允许显著提高木聚糖酶的活性。