[发明专利]将生物质转化为发酵产物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年4月13日提交的美国临时申请号62/146,571的权益，其出于所有目的整体并入本文。

技术领域

本申请涉及包含生物质、固体酸性催化剂和用于将生物质转化为有用的原料的纤维素酶的反应混合物，以及使用所述反应混合物通过发酵形成产物的方法。

背景技术

术语“生物质”是指任何非化石的、即可再生的有机物质。各种类型的生物质包括植物生物质(下面定义)、动物生物质(任何动物副产物、动物废物等)和城市废物生物质(可回收的住宅和轻型商业废弃物，如移除的金属和玻璃等)。

这些便宜生物质材料的转化用作发酵产物的原料已被广泛研究。为了使微生物使用这些生物质原料，需要将原料分解成微生物容易使用的糖。

纤维素生物质的预处理已被认为是允许纤维素酶接近其底物—坚硬的细胞壁结构内的纤维素和半纤维素的必要步骤。为了降低纤维素生物质结构的不顺从，多年来已经开发了许多预处理技术，其中大部分预处理技术包括在高温和高压条件下在液相中某种形式的化学处理。硫酸是最常见的加入的化学品之一，因为与其它化学品(如碱或溶剂)相比，硫酸比较便宜，并且可以导致半纤维素的有效溶解。

可以使用浓硫酸将纤维素和半纤维素溶解成单体糖，但是该方法通常遭遇低水解产率，理由是形成大量的降解产物，并且由于大多数这些降解产物对发酵生物体是非常抑制的，导致随后非常低的发酵产率。因此，大多数酸预处理是在低浓度的硫酸中进行的。但是，存在显著的缺点。首先，半纤维素部分可以容易地通过稀酸水解成单体糖。然而，纤维素和木质素部分几乎保持不变，因而通常需要显著量的酶在另外的酶法水解步骤中分解不溶性纤维素部分。其次，稀酸预处理通常在高温和高压条件下在液相反应器中进行。需要足量的水或需要预浸步骤以确保酸催化剂和生物质的最佳混合。由于在这些条件下稀酸的强腐蚀作用，通常需要非常昂贵的反应器构建材料。最后，必须在酶法水解或发酵步骤发生之前中和酸。当用便宜的氢氧化钙中和时，大量石膏的形成可能对下游加工产生问题。因此，需要更有效和便宜的制造木质纤维素材料的方法，该木质纤维素材料适用于生产用于各种发酵产物的生物合成生产的可发酵糖。

发明内容

本发明人已经发现，固体酸性催化剂可以将固定相反应中生物质的纤维素和半纤维素部分水解成寡聚糖。更重要的是，本发明人还发现，当使用纤维素酶分解寡聚糖以及残留的不溶性生物质材料或/和应用发酵生物体将糖转化成各种发酵产物时，固体酸性催化剂的存在不会使酶(一种或多种)和/或生物体失活。因此，在酶法水解和/或发酵过程中避免了固体酸性催化剂的去除，显著节省了生物质转化过程的资本投资和加工成本。

因此，本发明人公开了用于有效水解生物质材料的反应混合物和方法，所述方法用于：分解生物质并转化成可用的糖，和生物合成制备用于产物发酵的原料。因此，本申请涉及几种方法。

一种从生物质中释放糖的方法，其包括以下步骤：a)用固体酸性催化剂预处理生物质，b)形成含水反应混合物，其含有预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物；或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。

一种通过生物合成制备产物的方法，其包括以下步骤：a)用固体酸性催化剂预处理生物质，b)形成含水反应混合物，其含有预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素和/或半纤维素酶的生物体，和c)在步骤b)中的反应混合物或步骤b)中的反应混合物的含水提取物的存在下培养原核生物体或真核生物体，以形成产物。

一种生物合成反应混合物，其包含a)用固体酸性催化剂预处理的生物质和b)一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其组合，或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。

还公开了从方法制备的火山灰质(pozzolanic)材料，所述方法包括a)用高岭土固体酸性催化剂预处理生物质。制备火山灰质材料的方法可以进一步包括以下步骤：b)形成含水反应混合物，其含有步骤a)中的预处理的生物质、高岭土固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体；和c)分离高岭土固体酸性催化剂以提供火山灰质材料。该方法还可以包括加热高岭土以形成偏高岭土。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的几个实施方案，与说明书一起用于解释本公开的原理。