[发明专利]在木质纤维素原料浆中引入纤维素酶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的过程，用于将木质纤维素原料转化为葡萄糖。特别地，本发明涉及一种改进的过程，用于将纤维素酶法水解为葡萄糖。

背景技术

近几年来，已在燃料和化学品生产上投入大量关注和努力，纤维原料，比如农业废弃物和林业废弃物，因其成本低和易于得到，主要用于生产乙醇。这些农林业废弃物通常被焚烧或填埋。因此，使用这些纤维原料生产乙醇提供了另一种极具吸引力的废物利用方式。

将纤维原料转化为乙醇或气体发酵产品的第一步化学处理步骤通常涉及到原料准备。预处理的目的是增加纤维素的表面积，同时限制纤维素转化为葡萄糖。可以使用酸蚀预处理法在以下条件下实现原料的预处理：水解原料中的半纤维素成份，然后使用纤维素酶对残留在预处理纤维素原料中的纤维素进行酶法水解。酸蚀预处理通常水解原料中的半纤维素成份，以产生木糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖和阿拉伯糖，并且该过程被认为能够提高纤维素到纤维素酶的可达性。

在一种酸蚀预处理法中，蒸汽产生的压力迅速降低并伴随暴发性减压，这就是众所周知的蒸汽爆发。Foody（美国专利号4,461,648）描述了用于蒸汽爆发预处理的设备和条件。在蒸汽爆发中加入硫酸，使其pH值为0.4到2，产生均匀的预处理材料，其纤维素水解时所需纤维素酶少于其他预处理方法。

在文献中描述的其他预处理方法包括碱法预处理和机械预处理。碱法预处理方法的例子包括氨纤维膨胀法（AFEX）和稀释氨水预处理法。根据AFEX方法，纤维素类生物质与通常浓缩存放在高压容器中的氨或氢氧化铵接触。稀释氨水预处理法比AFEX使用更多的氨或氢氧化铵稀释溶剂。

机械预处理法的例子包括在美国专利2001/0012583和美国专利号为5,498,766的专利中公开并在以下讨论的例子。根据这些方法，原料浆被填入一高剪切装置中，该装置包括多个同心环，这些环安装在一腔室内的一转子上。浆料进入该装置中心并通过这些环上的齿间的空隙被逼出。当浆料通过环间的空隙和齿时，引起剧烈剪切并使原料空化。正如此处的说明，该操作增加了基质的表面积并波坏其纤维结构。

利用纤维素酶将纤维素水解为含有酶混合物的葡萄糖，酶混合物包括纤维二糖水解酶（CBH）、内切葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶。CBH和EG酶可催化纤维素的水解（[β]-1,4-D-葡聚糖键的）。CBH、CBHI和CBHII酶作用在纤维素的微纤丝内的葡萄糖聚合物的末端并释放纤维二糖，而EG酶作用于纤维素的随机位置。纤维素酶一起将纤维素水解为纤维二糖，纤维二糖转而在β-葡萄糖苷酶（β-G）作用下水解为葡萄糖。酶法水解通常是在一个或多个pH值、温度和混合条件受控的稀释混合间歇式反应器中进行。

通常在酵母菌菌株的作用下从葡萄糖发酵产生乙醇。通过蒸馏回收乙醇并且乙醇可进一步通过分子筛浓缩。

在引入的原料或经预处理的原料中加水形成浆料，以便运输和处理该纤维素原料。该浆料由纤维素原料或经预处理的原料片或水中的颗粒组成。在现有技术下，许多将木质纤维素转化以生产可发酵糖的过程中，其固体含量以未溶解固体为度量单位（本文简称为“UDS”），值为5至12wt%。这种浆料通常被称为“中等浓度浆料”。该含水浆料的浓度以未溶解固体浓度（UDS）表达，可由这些示例中描述的UDS过程决定。

但为了使木质纤维素转换过程更加经济,最好使该浆料的未溶解固体含量更高。处理固体含量高的浆料在各处理阶段有很多优势。例如，在化学预处理时，引入含水量低的浆料被加热所需蒸汽和化学制品较少。在酶法水解过程中，固体含量高可提高该过程的体积效率。此外，当固体含量高时，水解产物将含有高浓度的可发酵糖，可提高生产率。

此外，减少浆料中水的体积可减少所需设备尺寸，转而降低资金成本。使用固体浓度高的浆料的进一步优势在于可以显著降低工厂所需的水量供给。用水量显著增加该过程的花费，特别是在气候干旱的地区。降低该过程所需用水量是使该过程经济上可行的主要步骤。