[发明专利]有机溶剂预处理生物质以增强酶解糖化

说明书

本专利申请要求2008年12月19日提交的美国临时申请61/139147的权益，其公开内容全文并入本文。

发明领域

提供了用于生产易于糖化的富集碳水化合物的木质纤维质生物质的方法。具体地讲，通过在一种或多种的烷基胺和多种亲核物质的存在下、在碱性条件和高温下在有机溶剂中同时破碎和选择性地萃取木质素，制备预处理的生物质。然后，可对预处理的生物质中所剩余的富集碳水化合物的固体进行酶解糖化以获得可发酵的糖，可进一步加工上述可发酵的糖以生产目标产物。

发明背景

纤维质的和木质纤维质的原料以及垃圾例如农业残余物、木材、林业垃圾、来自造纸业的淤渣、和市政及工业固体垃圾提供了潜力巨大的可再生原料，用于生产化学品、塑料、燃料和饲料。一般通过多种化学、机械和酶方法处理由纤维素、半纤维素、果胶和木质素组成的纤维质的和木质纤维质的原料和垃圾以释放主要的己糖和戊糖，然后上述己糖和戊糖能被发酵为有用产物。

预处理方法经常被用于使木质纤维质生物质的多糖更容易被纤维素分解酶处理。纤维素分解酶消化的一个主要障碍是木质素的存在，木质素是限制上述酶接近它们的底物的障碍物，并且构成上述酶与之无效地结合的表面。由于与酶解糖化相关联的显著损失，希望通过钝化木质素对酶的吸附或直接萃取出木质素使酶载量最小化。另一个挑战是由于半纤维素和木质素对纤维素的保护或由于纤维素的结晶度导致的酶水解对纤维素的难以接近性。尝试用以克服这些挑战的预处理方法包括：蒸汽爆裂、热水、稀酸、氨纤维爆裂、碱水解(包括氨回收过滤)、氧化脱木质素和有机溶剂(organosolv)。

就纸浆的生产或生物燃料的应用而言，有机溶剂方法此前已应用于木质纤维质生物质的处理，尽管在木质素的去除方面通常是成功的，有机溶剂方法有着糖(尤其是木糖)回收低下的问题。例如，在高温下使用略微酸性的乙醇-水混合物(例如，EtOH 42重量％)从木质纤维质生物质中除去木质素(Kleinert，T.N.，Tappi，57：99-102，1974)导致了碳水化合物的大量损失。在95℃进行稀酸水解，然后进行有机溶剂萃取和酶解糖化(Lee，Y-H.等人，Biotech.Bioeng.，29：572-581，1987)导致了水解时半纤维素的大量损失、有机溶剂萃取时碳水化合物的进一步损失和残留物酶解糖化时的低收率(总碳水化合物的～50％)。在高温下使用包含氨的含水有机溶剂处理木质纤维质生物质(Park J.-K.和Phillips，J.A.，Chem.Eng.Comm.65：187-205，1988)需要在预处理中使用高的液体对固体比率，并且导致半纤维素的大量损失和纤维素的酶解糖化不良。用气态水和甲胺处理生物质，然后用有机溶剂萃取并继之以用水萃取，需要三个步骤并且导致碳水化合物的大量损失(Siegfried，P.和R.，Chem.Eng.Technol.，15：213-217，1992)。在水-脂肪醇混合物中用多胺或乙胺处理加上在高温下催化，需要高的液体/固体比率，并且低浓度的醇导致糖(尤其是木聚糖)的回收低下(美国专利4,597,830A)。使用含水碱性溶液中的巯基乙酸盐在高温下处理木质纤维质生物质，然后用热水洗涤，需要使用碱金属或碱土氢氧化物。该方法需要费用高昂的无机离子处理、高重量％的巯基乙酸盐、和大量水的使用(美国专利3,490,993)。在高温下在硫化物/二硫化物的存在下用有机溶剂-水混合物处理需要高的溶剂/固体比率和高的含硫量并且导致了碳水化合物的大量损失(美国专利4,329,200)。

此前应用的方法的更多缺点包括：分开的己糖和戊糖流(例如，稀酸)；木质素萃取不充分或不能将萃取的木质素从多糖中分离，尤其是在具有高木质素含量的那些原料中(例如，蔗渣、软木)；废弃产物的处理(例如，酸或碱中和时形成的盐)；以及由于分解或在洗涤步骤中的损失导致的碳水化合物回收低下。其他问题包括耗能、资本设备和预处理催化剂回收的高成本，以及与糖化酶的不相容。

生物质预处理的主要挑战之一，是通过低成本、有效率的方法，使木质素的萃取或化学中和(针对纤维素分解酶的无效结合)最大化，同时使碳水化合物(纤维素加上半纤维素)的损失最小化。选择性越高，联合的预处理和酶解糖化之后单体糖的总收率就越高。