[发明专利]从含木质纤维素的材料制备发酵产物的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及酶促水解木质纤维素材料和发酵糖的工艺。

背景技术

木质纤维素植物材料，本文中也称为原料，是糖形式的可再生能源来源，其可被转化为有价值的产物，例如生物燃料(例如生物乙醇)。该工艺期间，通过(半)纤维素分解酶，原料(麦秸、玉米秆、稻壳等)中存在的(木质或半)纤维素被转化为还原糖，接着通过微生物(比如酵母、细菌和真菌)，所述还原糖被转化为有价值的产物例如乙醇。

鉴于(半)纤维素是结晶的并包埋在木质素网中，向还原糖的转化通常是慢的且不完全的。典型地，酶促水解未处理原料产生少于理论量的20％的糖。通过应用化学和热物理预处理，(半)纤维素对(半)-纤维素分解酶而言是更可接近的，因而转化更快并在较高产率下转化。

来自源自预处理的玉米秆的纤维素的典型的乙醇产率是40加仑乙醇/1000kg干玉米秆[1]，或0.3g乙醇/g原料。基于纤维素基的乙醇的最大产率是大约90％。

纤维素分解酶(它们中的大多由下述物种产生：比如Trichoderma、Humicola和Aspergillus)在商业上被用来将预处理的原料转化为含有不可溶的(半)纤维素、其制得的还原糖以及木质素的糊状物(mash)。然后该糊状物被用在发酵中，发酵期间还原糖被转化为酵母生物质(biomass)(细胞)、二氧化碳和乙醇。以这种方式产生的乙醇被称为生物乙醇。

从预处理的木质纤维素原料生产糖的一般工艺中，水解(还被称为液化、预糖化或糖化)典型地在45-50℃的升高的温度下[2]和非灭菌条件下在持续6-168小时[2][4]的工艺期间发生。在该水解期间，存在的纤维素被部分(典型地30-95％，取决于酶活性和水解条件)转化为还原糖。在酶被预处理原料中存在的化合物和被释放的糖抑制的情况下，为最小化热失活，该升温期尽可能地减到最小。

水解后的发酵在单独的厌氧工艺步骤中发生，该工艺步骤在相同或不同容器中，其中温度被调至30-33℃(嗜温工艺)以适应生长和通过微生物生物质(通常为酵母)生产乙醇。在该发酵工艺期间，通过来自水解步骤的仍存在的酶，剩余的(半)纤维素材料被转化为还原糖，同时产生微生物生物质和乙醇。这种类型的发酵因而通常被称为同时糖化和发酵(SSF)。一旦(半)纤维素材料被转化为可发酵糖并且所有可发酵糖被转化为乙醇、二氧化碳和微生物细胞，发酵完成。这可耗费长达6天。水解和发酵的总工艺时间因而可共达7天。

这样获得发酵糊状物由非可发酵糖、非可水解(半)纤维素材料、木质素、微生物细胞(大多通常为酵母细胞)、水、乙醇、溶解的二氧化碳组成。在连续步骤期间，从糊状物中蒸馏并进一步纯化乙醇。剩余的固体悬浮液被干燥并被用作例如燃烧燃料、肥料和牛饲料。

就每批次的原料而言，添加酶，以在给定的工艺时间期间使从预处理的木质素纤维素原料释放的可发酵糖的产率和速率最大化。通常，生产酶的成本、原料到乙醇的产率和投资是总生产成本中的主要成本因素[2]。就此而言，通过应用来自单种微生物来源或来自多种微生物来源[7]的具有更宽和/或更高(特异性)水解活性的酶产物来实现酶使用成本降低，使用所述酶目的在于更低的酶需求、更快的转化速率和/或更高的转化产率和因而更低的总生物乙醇生产成本。这需要在研究和开发这些酶产物中的大笔投资。在由来自多种微生物来源的酶组成的酶产物情况下，需要针对每种单个酶化合物的大的资本投资。

因此期望改进包括水解和发酵的上述工艺。

源自Talaromyces的热稳定纤维素分解酶已被用于降解木质纤维素原料并且这些酶就它们的热稳定性而言在WO2007091231中已知[3]。但没有给出怎样优化水解和发酵工艺的公开。

发明内容

因此，本发明的目的是提供这样的工艺，其中水解步骤和发酵步骤在最佳温度条件下进行。本发明的另一方面是提供包括具有减少工艺时间的水解和发酵的工艺。本发明的其他目的是提供这样的工艺，其中酶的剂量可被减少并且同时有用的发酵产物的输出被保持在相同水平。另一目的是提供这样的工艺，其中被污染微生物污染的风险被降低。另一目的是提供这样的工艺，其中干物质含量增加。另一目的是提供包括水解和发酵的工艺，其中发酵的工艺条件被优化。根据本发明达到这些目的的一个或多个。本发明提供了从木质纤维素制备发酵产物的工艺，其包括下述步骤：

a)任选地预处理；

b)任选地洗涤；

c)酶促水解；

d)发酵；和

e)任选地回收发酵产物；