[发明专利]从纤维素生产纯葡萄糖的方法

说明书

本公开提供使用热‑化学和酶促处理从包含50‑95％纤维素的经预处理的纤维素生物质生产纯度大于98％的葡萄糖的方法。本公开的方法涉及经预处理的纤维素生物质的温和的酸和/或碱处理，用于生产包含含有大于98％葡萄糖的多糖的经处理的纤维素生物质残余物。处理导致高度适用于酶促水解的高纯度纤维素，并且产生纯度大于98％的葡萄糖。本公开的方法还涉及酶和寡糖的膜分离，用于葡萄糖的回收和分离，从而避免产物反馈抑制。

技术领域

本公开涉及从经预处理的纤维素生物质生产纯度大于98％的葡萄糖的方法。此外，本公开涉及得到包含含有大于98％葡萄糖单元的多糖的经处理的纤维素生物质残余物，其适用于用于生产大于98％葡萄糖纯度的酶促处理。

背景技术

世界对能源和食品的增加的需求可通过使用不可食用农产品例如木素纤维素生物质来满足。例如如从农业农场和工业残余物获得的木素纤维素生物质已证明是作为用于糖类生产的原料的潜在的和可持续的资源，所述糖类为用于燃料、化学品、饲料和食品产品例如纤维素乙醇、有机酸如乳酸和琥珀酸、纤维素、和食品添加剂如木糖醇的前体。

可使用的农业残余物包括稻秸、麦秸、玉米穗轴(corn cob)、玉米秸秆(cornstover)、甘蔗渣、甜叶菊叶(stevia leave)等，而另一方面木素纤维素原料还可源自林产品以及农业产业的副产品。通常称为木素纤维素生物质、或简称为纤维素生物质，该生物质组成纤维素、半纤维素和木质素的复杂复合物。这些底物向糖类和其他产物的转化涉及三个主要步骤；预处理、水解、然后化学或生物化学转变。

底物的预处理可设计为将底物生物质分级为木质素和全纤维素(纤维素和半纤维素的混合物)。木质素可用于增值化学品的生产，而得到的全纤维素组分可使用称为纤维素酶的酶的组合水解，用于释放糖。这些糖通过化学和生物转变的一种或多种组合应用于化学品和材料的生产。糖类除了作为燃料、能源和化学品的前体以外，如果分离并纯化至需要的水平，还可应用于食品和制药工业。

预处理的目标是松动纤维素、半纤维素、和木质素之间的化学键。酸预处理是最广泛使用的方法，但缺点在于不环保并且除了得到较低产量的单糖类和形成发酵毒性副产物之外还需要昂贵的结构材料。水热法或蒸汽爆破(steam explosion)为下一个受欢迎的选择但是缺点在于可扩展性问题。碱水解是昂贵的，但是产生高质量的纤维素残余物并且得到较高产量的可发酵糖类。考虑到涉及的成本，如AFEX和溶剂法等其它选择不太可能得到接受。

方法的选择是由许多因素决定的，最重要的为生物质的类型。将生物质基于得到酶水解性生物质所需的预处理的苛刻度进行分级。因此，虽然甘蔗渣为‘低苛刻度’生物质，但是木片和棉花或麻风树属(jatropha)植物废料为‘高苛刻度’生物质。大多数农业谷物残余物将归类为低至中苛刻度生物质。

大多数预处理技术留下用于水解成糖类的‘去木质化(de-lignified)’和‘软化’的残余固体物质。

选择在于使整个生物质经过接下来的糖化步骤而不分级成分离的组分或者在分级的组分即纤维素、半纤维素和木质素的分离之后使生物质进行糖化。当要将所有组合的糖类即葡萄糖、木糖等等一起转化为乙醇时，前者方法通常是优选的。然而，由于已知木质素降解的产物例如酚类(phenolics)、乙酸、甲酸等抑制随后的转化过程，因此去木质化是重要的步骤。

经过一段时间后，显而易见的是生物质分离为其构成组分，即纤维素、半纤维素和木质素具有数个优势。这些优势包括糖化步骤中较高的糖类产量和较低的酶消耗量，尤其是当目的是制造高纯度糖类时。糖化步骤构成水解反应，由此高分子纤维素(polymericcellulose)和半纤维素分解成它们的单体组分。虽然已经尝试了许多非生物学途径，但基本上确定的是酶促水解可以在较少形成不期望的副产物的情况下以高的产量最佳地提供糖类。