[发明专利]利用CO2使用于木质纤维素材料的生物化学转化的纤维素分解微生物失活

说明书

本发明涉及生产纤维素分解酶和半纤维素分解酶，尤其是在从纤维素或木质纤维素材料生产乙醇的情况。

现有技术

自二十世纪七十年代，在组分多糖被水解为可发酵糖之后，将木质纤维素材料转化为乙醇已经是大量研究的焦点。可被引用的实例为来自国家再生能源实验室的参考工作(Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol(木质纤维素生物质到乙醇的生物化学转化的工艺设计及经济学)，Humbird et al.，NREL1TP-5100-57764，2011年5月)。

木质纤维素材料为即包含大于90％重量纤维素的纤维素材料，和/或即由纤维素，半纤维素和木质素构成的木质纤维素材料，所述纤维素和半纤维素为基本上由戊糖、己糖和木质素构成的多糖，所述木质素为具有复杂结构和高分子量的大分子，由通过醚键键合的芳醇组成。

木材、稻草和玉米棒是最广泛使用的木质纤维素材料，但是可以使用其它来源、专用的森林栽培物、醇生成中的残渣、糖和谷类植物、造纸业的产物和残渣以及木质纤维素材料的转化产物。它们主要由约35％-50％的纤维素、20％-30％的半纤维素和15％-25％的木质素构成。

木质纤维素材料生物化学转化为乙醇的方法包括：物理化学预处理步骤，接着利用酶混合物(enzymatic cocktail)的酶水解步骤、释放的糖的乙醇发酵步骤和纯化乙醇的步骤。

乙醇发酵和酶水解，也称为糖化作用，可以同时进行(同时糖化 和发酵，或SSF)，例如通过在水解步骤期间加入乙醇有机体。

所述酶混合物是纤维素分解酶(也称作纤维素酶)和/或半纤维素分解酶的混合物。纤维素分解酶具有三种主要的活性类型：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维二糖酶，这些后者也被称作β-葡糖苷酶。半纤维素分解酶尤其具有木聚糖酶活性。

酶水解是高效的且在温和条件下进行。相比之下，酶的成本仍然高，占木质纤维素材料转化为乙醇的成本的20％-50％。因为这个原因，进行了大量关于降低成本的研究：通过选择超高生产力的微生物和通过改善生产所述酶的方法，然后降低水解中酶的量，通过优化预处理步骤，通过改善这些酶的比活，和通过优化酶水解步骤的执行，来从最初优化酶的生产。

生产酶混合物的步骤包括三个主要阶段：纤维素分解微生物生长阶段(a)；产生酶混合物阶段(b)以及分离和浓缩阶段(c)，阶段(c)期间酶混合物与纤维素分解微生物分离并被浓缩。酶混合物与纤维素分解微生物的分离通过液/固分离(例如通过离心法)来进行。通过过滤(例如通过超滤)浓缩所述酶混合物。

这些分离阶段是必需的，因为如果纤维素分解微生物被置于存在酶混合物和不存在含碳底物下，存在纤维素分解微生物将消耗包含于所述混合物中的酶以使其可以存活，从而导致生产损失的风险。

另外，不考虑分离期间的处理，一部分酶混合物将总是随包含微生物的级分而损失。取决于采用的分离技术，这些损失可相当于分离前存在的酶混合物的3％重量-50％重量。因此，使用没有分离的醪液(mash)以防止这些损失可为有利的。

SSF步骤的操作温度为约30℃-35℃。然而，这些温度与纤维素分解微生物的生长相容。因此，如果在SSF步骤中预期使用酶混合物而不分离纤维素分解微生物，则存在纤维素分解微生物与用于发酵的酵母之间的竞争导致所述SSF步骤的产率降低的风险。事实 上，一部分通过水解释放的葡萄糖将会被纤维素分解微生物消耗。

因此，考虑到在SSF步骤中存储和/或使用酶混合物和纤维素分解微生物，使纤维素分解微生物失活以使分离酶混合物和所述纤维素分解微生物的步骤不再必需是有利的。通过利用对于所述方法内在的手段，例如所述方法的一个步骤的产物，能够使此微生物失活也是有利的。

GB 1 489 145公开了从纤维素残渣培养纤维素分解微生物和酶，以及使用培养基/酶生产整体而没有分离用于酶水解的任何组分。他们声称使用未经处理(过滤、浓缩或其它)的“根据本发明”的培养基整体除了可调节pH，还能够改善纤维素水解的速率和产率。

该专利未提及酶水解条件下纤维素分解微生物里氏木霉(T.reesei)的生长的潜在问题，也未提及通过纤维素分解微生物的蛋白再消耗的潜在问题。事实上，相比于在30℃-35℃范围的温度下进行的SSF，酶水解通常在阻止纤维素分解微生物生长的温度(45℃和55℃之间)下进行。