[发明专利]用阳离子多糖预处理的含木素纤维素材料的酶水解的改进

说明书

技术领域

公开了用于从含木素纤维素材料产生发酵产物的方法，更具体而言，公开了通过用阳离子多糖(cationic polysaccharide)处理含木素纤维素材料来增加从该材料产生发酵产物的效率的方法。

背景技术

含木素纤维素材料，即生物质，可用于产生可发酵的糖类，其又可用于产生发酵产物如可再生的(renewable)燃料和化学物。含木素纤维素材料具有纤维素纤维包裹于木质素和半纤维素鞘中的复杂结构。从含木素纤维素材料产生发酵产物包括预处理、水解并发酵所述含木素纤维素材料。

将含木素纤维素材料转化为可再生的燃料和化学物常常涉及对生物质的物理、生物、化学和/或(使用酶的)酶处理。具体而言，酶将纤维素水解为D-葡萄糖，其为简单的可发酵的糖。在含木素纤维素材料中，需要高剂量的酶来以高产量降解纤维素，因为认为木质素和木质素衍生物可抑制酶对纤维素的水解。上述抑制可至少以两种方式进行：木质素或木质素衍生物可优选结合所述酶，从而阻止该酶与纤维素结合或水解纤维素，和/或木质素或木质素衍生物可覆盖纤维素的一部分，从而减少酶与纤维素的接近。结果，当加工含木质素的生物质时，能用来降解纤维素的酶可能较少，因为木质素及其衍生物可清除所述酶或阻断其活性。即使对于能用来降解纤维素的酶，可用的酶也可能无法与纤维素接触，因为木质素覆盖纤维素。因此，降低了消化纤维素的工艺的有效性。此外，酶的成本高。因此，当降解纤维素所需的酶量高时，加工成本高昂，在经济上不可取。

获得令人满意的糖产量所需的酶量的减少可对工艺经济有显著的影响。因此，提高酶使用效率是生物转化工艺中的主要需求。认为数种因素影响纤维素的酶水解。这些因素包括木质素含量、半纤维素含量、乙酰基含量、纤维素的表面积和纤维素结晶性。通常应理解的是，存在于复杂底物中的木质素对酶水解具有不利作用。

尚难确定木质素和木质素衍生物在限制水解中的准确作用。然而，已知去除木质素及其衍生物的作用可增加纤维素的水解并增加可发酵的糖的产量。该作用可能打开了更多纤维素表面积以供酶攻击，且可减少非特异性吸附于木素纤维素底物上的酶量。因此，需要的是去除木质素及其衍生物的作用从而使得纤维素更易受酶降解的化合物。

发明内容

公开了在阳离子多糖存在下通过预处理和/或水解含木素纤维素材料从该材料产生发酵产物。优选的阳离子多糖是阳离子淀粉。

还公开了用于从含木素纤维素材料产生发酵产物的方法，包括预处理所述含木素纤维素材料；将阳离子多糖引入经预处理的含木素纤维素材料；将所述经预处理的含木素纤维素材料暴露于有效量的水解酶；和用发酵微生物发酵以产生发酵产物。在一个方面，所述阳离子多糖可在将所述含木素纤维素材料暴露于有效量的水解酶之前引入该含木素纤维素材料。所述阳离子多糖可以以多至30％w/w阳离子多糖/含木素纤维素材料的量引入所述含木素纤维素材料。例如，所述阳离子多糖可以以约5％w/w阳离子多糖/含木素纤维素材料的量引入所述含木素纤维素材料。

附图简述

图1.阳离子淀粉剂量对PCS水解的作用。

图2.阳离子淀粉剂量对PCS的糖转化率的作用。

图3.添加的淀粉酶对葡萄糖产量的作用

发明详述

公开了改进的且更有效的通过使用阳离子多糖酶水解含木质素的生物质的方法。优选的阳离子多糖是阳离子淀粉。

木质素是可通过松柏醇和/或芥子醇的脱氢聚合获得的酚聚合物，并见于多种植物的细胞壁中。如本文中使用的术语“木质素”指木质素聚合物的完整结构以及由木质素结构的破坏得到的所述完整聚合物的任何衍生片段或化合物，包括可溶性木质素衍生物、缩合的(condensed)木质素衍生物和不可溶性木质素衍生物。认为木质素和木质素衍生物以多种方式与阳离子淀粉相互作用。例如，不可溶的沉淀木质素和缩合的木质素可具有从水溶液吸附阳离子淀粉的能力，而与之相对，阳离子淀粉可吸附可溶性木质素衍生物。

如本文中使用的术语“生物质浆料”指经历酶水解的水性生物质材料。生物质浆料通过将生物质例如玉米秸杆、甘蔗渣等与水、缓冲液和其它预处理材料混合而产生。在水解之前可预处理生物质浆料。

如本文中使用的术语“木质素阻断(lignin blocking)”意指在将生物质转化为发酵产物的工艺中减少或消除木质素的有害作用。此外，如本文中使用的术语“有效的木质素阻断量”意指任何可用于促进木质素阻断的量。