CN101120095B - 用于纤维素酶法水解的上流式沉降反应器 - Google Patents

用于纤维素酶法水解的上流式沉降反应器 Download PDF

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Abstract

提供一种用于纤维素酶法水解以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物的方法。所述方法包括将经过预处理的纤维素原料的含水浆液引入水解反应器的底部。通过避免混合而限制反应器内的轴向渗透，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度。在引入步骤之前或期间向含水浆液中加入纤维素酶。将含有水解产物和未水解固体的含水物流从水解反应器中移出。还提供用于该方法的包含纤维素酶和絮凝剂的酶组合物。另外，提供一种包含纤维素酶和絮凝剂的试剂盒。

Description

用于纤维素酶法水解的上流式沉降反应器
本发明涉及纤维素原料的转化方法。更具体而言，本发明涉及具有提高的效率的纤维素酶法转化方法。
背景技术
燃料乙醇目前是由诸如玉米淀粉、甘蔗以及甜菜等原料生产的。然而，由于适合生产这类作物的农田有限，而且由于与人类及动物的食物链的利益竞争，由这些原料生产乙醇不能得到进一步发展。最后，使用化石燃料在转化过程中会同时释放出二氧化碳以及其它产物，使用这些原料对环境有负面影响。
由含纤维素的原料如农业废料、干草及林业废料生产乙醇的可行性已受到诸多关注，这是由于这些廉价原料可大量获得、避免燃烧或填埋纤维素废料的需要、以及乙醇作为一种燃料与汽油相比的清洁性等方面的原因。另外，纤维素转化过程的副产品——木质素——可用作燃料，用于推进纤维素转化过程，从而避免了化石燃料的使用。研究表明，若考虑整个循环，使用由纤维素生产的乙醇产生的温室气体近乎为零。
可用于乙醇生产的纤维素原料包括(1)农业废料例如玉米秸、小麦秸、大麦秸、燕麦秸、燕麦壳、菜籽秸以及大豆秸；(2)干草例如柳枝稷(switch grass)、芒属(miscanthus)、大米草(cord grass)、草芦(reed canary grass)；(3)林业废料例如山杨木、锯屑；和(4)糖加工过程残渣例如甘蔗渣、甜菜废粕。
纤维素由具有极强的抗断损性的晶体结构组成，半纤维素亦是如此，半纤维素是纤维素原料的另一种最普遍的成分。纤维素纤维到乙醇的转化需要：1)从木质素释放纤维素以及半纤维素，或增加纤维素酶对纤维素原料中纤维素和半纤维素的可接触性，2)使半纤维素和纤维素碳水化合物的聚合物解聚为游离糖，和3)使混合的己糖和戊糖发酵成为乙醇。
用来使纤维素转化为糖的熟知方法有在某一温度、酸浓度及足以使纤维素水解为葡萄糖的时间长度下使用蒸汽和酸的酸水解法(Grethlein，1978，J.Appl.Chem.Biotechnol.28：296-308)。而后使用酵母使葡萄糖发酵为乙醇，乙醇通过蒸馏回收及纯化。
另一种可选择的纤维素水解的方法为酸预水解(或预处理)继之以酶法水解。在这种过程中，先将纤维素材料用上述的酸水解法进行预处理，但是在较温和的温度、酸浓度和处理时间下进行。该预处理法虽可提高用于后续酶法转化步骤的纤维素纤维中纤维素的可接触性，但纤维素向葡萄糖的转化率较低。在接下来的步骤中，将经过预处理的原料调整到适宜的温度和pH值，然后通过纤维素酶进行酶转化。
纤维素的水解，不管是由酸还是由纤维素酶，都继之以使糖发酵为乙醇，而后将乙醇通过蒸馏回收。
来自纤维素材料的纤维素向糖的有效转化以及后续的使糖发酵为乙醇，面临着商业可行性的巨大挑战。具体而言，酸预水解需要大量的酸。对于清洁的原料如洗涤过的硬木，硫酸的需要量为原料干重的0.5％至1％；对于农业纤维——其中可能包含了源自土壤的大量的二氧化硅、盐以及碱性含钾化合物——其酸需要量可最多高出约10倍，达到原料重量的5％至7％。这明显增加了所述方法的造价。在预水解过程使用大量的酸的第二个缺点在于，经过酸化的原料在用纤维素酶进行酶法水解之前必须先将其中和到pH为约4.5至约5。用于中和经酸化的原料的苛性钠的量与酸化原料时所使用的酸的量是成比例的。因而，高的酸用量会导致高的苛性钠用量，这又进一步增加了将纤维素原料加工为乙醇的造价。此外，酶法水解的造价很高，因为尽管经过预处理，纤维素还是具有抗水解性，这样又增加了所需的酶的剂量。这种增加的需求可通过增加水解时间(90-200小时)而加以抵消，但反过来导致需要非常大的反应器，又提高了总的造价。
一种减少酶剂量同时维持高的纤维素转化率的方法是同时糖化发酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation)(SSF)。在该类型系统中，酶法水解与葡萄糖到乙醇的酵母发酵在一个反应器内同时进行。在SSF过程中，酵母通过使葡萄糖发酵为乙醇而将其从反应器中去除，这样就减少了葡萄糖对纤维素的抑制。但纤维素酶还是会受到乙醇的限制。SSF一般在35-38℃的温度下进行，该值是对50℃的纤维素最适宜温度与28℃的酵母最适宜温度的折中。这一中间温度使得不论是纤维素酶还是酵母性能都低于标准性能。由此，效率不高的催化作用需要很长的反应时间以及很大的反应器——二者的成本都是很高的。
U.S.5,258,293(Lynd)公开了一种可获得更高体积生产率的方法。所述方法使用木质纤维素原料和连续引入反应器的微生物。流体也是从反应器的底部连续加入，但不发生浆液的机械搅拌。随着反应的进行，被消解的木质纤维素原料趋于积聚在空间非均相的层中而乙醇产品则上升至顶层，从顶层将其移出。不溶解的底物积聚在底层，可将其从容器中排出。这种安排会使发酵底物具有不同的停留时间，从而使反应器内的停留时间增加。
在公开于U.S.5,837,506(Lynd)的另一种方法中，乙醇的生产使用一种间歇搅拌、连续进料的生物反应器。将木质纤维素浆液和微生物加入反应器中；然后将混合物搅拌一定时间，通过机械搅拌方式或通过流体再循环均可，之后使其沉降。而后将乙醇由反应器顶部移出，添加另外的底物，并使循环继续进行。在一种类似的方法中，Kleijntjens等(1986，Biotechnology Letters，8：667-672)使用一种上流式反应器，在热纤梭菌(C.thermocellum)存在下使含纤维素的底物发酵。底物浆液沉降形成一种聚集的纤维床层，可通过放缓机械搅拌来加速纤维床层的形成。底物周期性地加入，而液体则连续加入反应器中。乙醇产品积聚在顶层，由此将其从反应器中移出。U.S.5,837,506、U.S.5,258,293及Kleijntjens等所公开的方法都会引起反应器内原料的停留时间延长。但是，所有这三种方法都存在SSF法的缺点。
U.S.5,348,871、U.S.5,508,183、U.S.5,248,484以及U.S.5,637,502(Scott)中讲到一种通过使用一种与搅拌反应器相结合的搅拌球磨机(attritor)来提高酶法水解的转化效率的方法。该搅拌器产生一个高剪切的区域以减小纤维素原料中固体颗粒的尺寸，由此不断给纤维素酶提供新的表面积。因此提高了反应效率，并减少了对酶的需求。但是，高剪切经常会使酶失活。而且，搅拌球磨机设备的造价远高于由于酶剂量的减少所节约的成本。
U.S.5,888,806和U.S.5,733,758(Nguyen)讲述了另一种使用塔式水解反应器的方法，所述反应器包括交替的混合区和不混合区，由此减少混合过程的功率消耗及造价。浆液以活塞流向上流过反应器，并间歇地在混合区中进行混合，从而防止液体的沟流并确保均匀的热量传递和质量传递。尽管U.S.5,888,806和U.S.5,733,758中所公开的方法减少了剪切和酶的变性，但混合设备的造价还是很高。此外，酶的动力学性能并未好于分批水解方式所能获得的性能。
目前，在现有技术中要想获得高的转化效率并同时维持较低的造价尚存在许多困难。延长水解时间以避免增大酶剂量所引起的较高造价需要更大的反应器，这反过来增加了设备的造价。在水解过程中原料的混合及间歇混合可提高酶的效率，但设备的造价也将增大，而且剪切力会使酶发生变性。其它系统牺牲最优的酶活性并降低酶的效率。
发明内容
本发明涉及用于使纤维素原料转化为产品的方法。更具体而言，本发明涉及具有提高的效率的纤维素原料的酶法转化方法。
根据本发明，提供了一种用于纤维素酶法水解的上流式沉降反应器。
本发明也提供了一种用于纤维素酶法水解以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物的方法，所述方法包括：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3％至约30％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过避免混合而限制反应器内的轴向扩散，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤(步骤ii)之前或期间，向含水浆液中加入纤维素酶；及
iv)将含有水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
本发明涉及如上所定义的用于纤维素酶法水解的方法，其中，在引入步骤(步骤ii)中，含水浆液径向均匀分布地被引入水解反应器的底部。
本发明涉及如上所定义的用于纤维素酶法水解的方法，其中在加入步骤(步骤iii)中，向含水浆液中加入一种或一种以上絮凝作用化合物，其与纤维素酶分别或一起加入，或与纤维素酶分别以及一起加入。而且，所述一种或一种以上絮凝作用化合物可在引入步骤(步骤ii)之前或期间加入，或在引入步骤(步骤ii)之前以及期间加入。
本发明涉及如上所定义的用于纤维素酶法水解的方法，其中，在提供步骤(步骤i)中，所述浆液中含有约5重量％至约20重量％的未溶解固体，并且所述未溶解固体中含有约25重量％至约70重量％的纤维素。
本发明涉及如上所述的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料由小麦秸、燕麦秸、大麦秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝稷、草芦、大米草、燕麦壳、甜菜废粕或芒属得到。此外，经过预处理的纤维素原料可在酶法水解之前，已经在约160℃至约280℃温度下，用浓度为约0％至约5％的酸预处理过约3秒至约30分钟。所述酸可选自硫酸、亚硫酸以及二氧化硫。任选地，在引入步骤(步骤ii)之前，可将一股含糖的液体物流从经过预处理的纤维素原料中分离出来。所述液体物流可使用诸如过滤、离心分离、洗涤或本领域技术人员已知的任何其它适宜的方法从原料中分离。如将洗涤用于分离，则洗涤可使用适宜的洗涤介质如水、循环的工艺物流、经过处理的排出物或上述物质的混合物进行。
本发明还提供如上所述的方法，其中，在加入步骤(步骤iii)中，纤维素酶以约1.0至约40.0FPU/g纤维素的剂量加入。
此外，本发明提供如上所述的方法，其中，在移出步骤(步骤iv)中，通过使用未混合水解反应器顶部的澄清区使至少部分水解产物物流与未水解的固体相分离。水解产物和未水解的固体可由澄清区的不同位置移出。或者，通过使用固-液分离器使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
本发明涉及如上所述的方法，其中，在加入步骤(步骤iii)中，选择纤维素酶以生成葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
本发明还提供如上所述的方法，其中，在提供步骤(步骤i)中，将浆液的pH值调整为约4.0至约6.0，优选调整为约4.5至约5.5。此外，所述温度可为约45℃至约70℃，优选为约45℃至约65℃。
本发明涉及如上所述的方法，其中在加入步骤(步骤iii)中，使用一种或一种以上絮凝作用化合物。所述絮凝作用化合物可选自阳离子型聚合物、非离子型聚合物、阴离子型聚合物、两性聚合物、盐、明矾及其组合。优选地，一种或一种以上絮凝作用化合物为阳离子型聚合物，例如但不限于聚丙烯酰胺。所述絮凝作用化合物可以约0.1至约4kg/t固体的剂量加入。
本发明还涉及如上所述的方法，其中浆液的平均流速介于约0.1至约12ft/小时之间，更优选地，介于约0.1至约4ft/小时之间。
本发明还提供一种包含纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物，用于将纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。优选地，所述纤维素酶由曲霉属(Aspergillus)、腐质霉属(Humicola)、木霉属(Trichoderma)、芽孢杆菌属(Bacillus)、喜热裂孢菌属(Thermobifida)或其组合制得。此外，所述一种或一种以上絮凝作用化合物可选自阳离子型聚合物、非离子型聚合物、阴离子型聚合物、两性聚合物、盐、明矾及其组合。优选地，所述一种或一种以上絮凝作用化合物为阳离子型聚合物，例如聚丙烯酰胺。
本发明还涉及一种将一种含有纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物用于使纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合的用途。
本发明还涉及一种将一种含有纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物用于纤维素的酶法水解以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物的用途，所述酶组合物的使用方法包括：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3％至约30％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过避免混合而限制反应器内的轴向扩散，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤(步骤ii)之前或期间，向含水浆液中加入酶组合物；及
iv)将含有水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
优选地，所述纤维素酶由曲霉属、腐质霉属、木霉属、芽孢杆菌属、喜热裂孢菌属或其组合制得，而所述一种或一种以上絮凝作用化合物可选自阳离子型聚合物、非离子型聚合物、阴离子型聚合物、两性聚合物、盐、明矾及其组合。优选地，所述一种或一种以上絮凝作用化合物为阳离子型聚合物，例如聚丙烯酰胺。
本发明还提供一种包含纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物，用于将纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合，其中所述水解通过以下步骤进行：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3％至约30％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过避免混合而限制反应器内的轴向扩散，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤(步骤ii)之前或期间，向含水浆液中加入酶组合物；及
iv)将含有水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
本发明提供一种试剂盒，所述试剂盒包括纤维素酶、一种或一种以上絮凝剂和使用说明，用于水解纤维素以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物，所述使用说明包括：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3％至约30％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过避免混合而限制反应器内的轴向扩散，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤(步骤ii)之前或期间，向含水浆液中加入纤维素酶混合物和一种或一种以上絮凝剂；及
iv)将含有水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
本发明还提供一种用于制备酶组合物的方法，所述酶组合物用于水解纤维素以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物，所述方法包括由一种植物、真菌或微生物源获得纤维素酶，并将所述纤维素酶与一种或一种以上絮凝剂相结合以制备酶组合物。
本发明还提供一种用于制备如上所述的酶组合物的方法，其中纤维素酶由曲霉属、腐质霉属、木霉属、芽孢杆菌属及喜热裂孢菌属制得。
本发明提供一种用于使纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合的系统，所述系统包括：一条与上流式水解反应器入口流体连通的原料浆液供给管线、一个固-液分离器，所述固-液分离器与上流式水解反应器流体连通，并包括用于排出含未水解固体的浆液的第一出口以及用于排出含水解产物的物流的第二出口，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合，其中原料供给管线、上流式水解反应器，或原料供给管线和上流式水解反应器二者中含有包括纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物。
本发明还提供一种如上所述的系统，其中所述原料供给管线在使用过程中含有经过预处理的原料。所述固-液分离器可为沉降槽、澄清器、澄清区、离心分离器或过滤器。当系统处于使用状态时，纤维素酶可以约1.0至约40.0FPU/g经过预处理原料的纤维素的剂量存在，且一种或一种以上絮凝作用化合物可以约0.1至约4.0kg/t经过预处理原料的固体的剂量存在。
如说明书中所述，在一个上流式沉降反应器中水解纤维素的操作过程可通过添加一种或多种絮凝作用化合物得以改善。絮凝作用化合物增大了纤维素固体的尺寸，由此增大了纤维素固体的沉降速度。这有助于使固体在反应器中停留更长的时间，从而提高纤维素的转化度。此外，本说明书提供了在水解反应器中不进行混合时水解原料浆液的方法，因为在水解罐中不需要通过使用叶轮及泵等对浆液进行主动混合。
上流式沉降水解反应器的使用可解决现有技术的几点不足。本发明提高了纤维素酶法水解的效率。这导致了纤维素到葡萄糖的更高的转化度。或者，上流式沉降反应器使得较传统水解系统而言对纤维素酶的需求量更低。在所述的水解反应器中无须浆液混合方面的开支，而且无需对系统进行剧烈的剪切，即可获得提高的酶法水解效率。使用上流式水解反应器所引起的改进可通过使用絮凝作用化合物而得到增强。
附图说明
本发明的这些特征以及其它特征将通过下述参照附图的描述而变得更为清晰。
图1所示为包含可用于本发明的一种实施方案的上流式反应器的系统的流程图。图1A所示为该系统包含一个上流式反应器和一个沉降罐。图1B所示为图1A的上流式反应器。图1C所示为该系统的一部分，其中上流式反应器包括一个澄清区。
图2所示为不添加絮凝剂时在水解反应器中不同高度抽样获得的未溶解固体含量。
图3所示为不添加絮凝剂时在水解反应器中不同高度抽样所测得的纤维素转化百分比。
图4所示为添加絮凝剂时在水解反应器中不同高度抽样获得的未溶解固体颗粒。
图5所示为添加絮凝剂时在水解反应器中不同高度抽样所测得的转化的纤维素的量。
图6所示为添加絮凝剂时与不添加絮凝剂时相比离开水解反应器的产物中纤维素转化效率的增加。
具体实施方式
本发明涉及用于使纤维素原料转化为产品的方法。更具体而言，本发明涉及具有提高效率的纤维素原料的酶法转化方法。
以下只是通过实施例对优选的实施方案进行说明而并不对实施本发明的必要技术特征的组合的效果造成限制。
本发明涉及将纤维素通过酶法转化为分解产物的方法，例如但并不限于，葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。在本发明的一个方面，所述方法包括将含水纤维素浆液与纤维素酶一起向上泵入不混合的水解反应器中。浆液向上的速度很慢，以使固体颗粒——其较主体浆液的密度为大——倾向于以比液体慢的速度向上流动。已充分证实纤维素酶与纤维素紧密地结合在一起，并优选与纤维素结合。含纤维素的固体颗粒的缓慢向上流动使得含纤维素的固体及所结合的纤维素酶在反应器中停留的时间较液体长。纤维素及所结合的纤维素酶的滞留提高了纤维素到产物例如葡萄糖的转化率。靠近反应器顶部时，将含水的产物流或糖物流及未水解的固体排出。如果产物为葡萄糖，含水的糖物流排出后用来发酵为乙醇及用于其它进一步的处理。本说明书所述方法在比液体及固体的活塞流所需反应器更小的反应器中获得了更长的纤维素水解时间。或者说，本说明书所述方法用比其它方法所需的纤维素酶更少的纤维素酶获得了更高的纤维素转化率。
本发明提供一种用于纤维素酶法水解以由经过预处理的纤维素原料制备水解产物的方法，所述方法包括：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3％至约30％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过避免混合而限制反应器内的轴向扩散，并维持浆液的平均流速为约0.1至约20ft/小时，以使未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤(步骤ii)之前或期间，向含水浆液中加入纤维素酶；及
iv)将含有水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合。
此外，在加入步骤(步骤iii)中，也可向浆液中加入一种絮凝剂，可将其直接加入浆液中，或与要向浆液中添加的纤维素酶一起加入。
然后可将葡萄糖进行进一步的处理以制备感兴趣的产品，例如但并不限于乙醇。
尽管如本说明书所述的上流式沉降反应器及方法适用于将纤维素通过酶法转化为葡萄糖，但这种反应器以及相关的方法也可用于将纤维素转化为其它产品，包括但并不限于纤维二糖(纤维素酶中不合β-葡糖苷酶(βG)时为优选)和葡萄糖低聚物(纤维素酶中不含纤维二糖水解酶(CBH)和βG时为优选)。为了进一步对本发明进行示例说明，对将纤维素转化为葡萄糖的方法进行了描述。但应当理解的是，可通过在原料水解过程引入不同的纤维素酶混合物将本方法用于其它产品的生产。
术语“纤维素原料”或“纤维素材料”意指任何类型的含纤维素的生物质，所述生物质例如，但并不限于，非木本植物生物质、农业废料和林业废料以及糖加工过程残渣。例如，纤维素原料可包括，但并不限于，禾本科干草例如柳枝稷、大米草、黑麦草、芒属或其组合；糖加工过程残渣例如，但并不限于，甘蔗渣、甜菜废粕；农业废料例如，但并不限于，大豆秸、玉米秸、燕麦秸、水稻秸、水稻壳、大麦秸、玉米穗轴、小麦秸、菜籽秸、燕麦壳以及玉米纤维；以及林业废料，例如但并不限于，回收的木浆纤维、锯屑、硬木、软木或其组合。此外，纤维素原料可包括纤维素废料或林业废料例如，但并不限于，新闻用纸、纸板等。纤维素原料可包括一种纤维，或者纤维素原料可包括源自不同纤维素原料的纤维的混合物。小麦秸、大麦秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、柳枝稷、草芦、甘蔗渣、大米草、燕麦壳、甜菜废粕和芒属由于可广泛获得并且造价低廉，尤其有利于用作纤维素原料。
原则上，任何包含大量纤维素的材料都适合于本发明的方法。实际上，纤维素材料中所含的纤维素的量大于约20％(w/w)以生产出大量的葡萄糖。纤维素材料可具有更高的纤维素含量，例如至少约30％(w/w)、35％(w/w)、40％(w/w)或更多。因此，纤维素材料中可包括约20％至约70％(w/w)纤维素，或约25％至约70％(w/w)纤维素，或约35％至约70％(w/w)纤维素，或更多，或介于其之间的任何量，例如但并不限于20、22、24、25、26、28、30、32、34、35、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、58、60、62、64、66、68及70％(w/w)纤维素。
本发明可使用天然的纤维素原料或使用经过处理过或预处理的纤维素材料实施。处理和预处理法的目的在于将机械作用和化学作用充分结合，以破坏纤维结构并增加原料中纤维素酶可接触的表面积。机械作用一般包括，但并不限于，使用压力、研磨、碾磨、搅拌、粉碎、压缩/膨胀，或其他形式的机械作用。化学作用可包括，但不限于，使用热(通常为蒸汽)、酸及溶剂。几种化学及机械预处理方法在本技术领域中是熟知的。
对原料进行预处理的方法之一是蒸汽喷发(steam explosion)，使用U.S.4,461,648和U.S.4,237,226(其内容在此通过引用的方式纳入本文)所述的工艺条件进行。该方法中，在0％至5％(v/v)或介于其之间的任何量的硫酸或任何其它适宜的酸存在下，将木质纤维素生物质装入蒸气喷发器。而后在蒸气喷发器中迅速充入蒸气到约160℃至约280℃，或介于其之间的任何温度，并在高压下保持约3秒至约30分钟的蒸煮时间，或介于其之间的任何时间值。之后使容器迅速减压排出预处理的生物质。现有技术中已知的影响蒸气喷发预处理过程的参数例如，但并不限于，Foody等(Final Report，Optimizationof Steam Explosion Pre-treatment，U.S.DEPARTMENT OF ENERGYREPORT ET230501，April 1980；其内容通过引证的方式纳入本说明)提出的参数可应用于本发明的方法。蒸气喷发所选择的条件将取决于原料的性质以及所需的对酶的敏感度。但本领域已知的其它方法也可根据需要应用于经过预处理的原料的制备，例如但并不限于，US5,846,787(Ladisch)、US 5,198,074(Villavicencio)、US 4,857,145(Villavicencio)或US 4,556,430(Converse；其内容通过引证的方式纳入本说明书)所公开的方法，氨冷冻喷发(US patent 5,171,592，Holtzapple)以及浓碱处理。
不管是否进行预处理步骤，纤维素原料可任选在酶法水解之前用水洗涤或用水沥滤，例如如WO 02/070753(Griffin et al，其内容通过引证的方式纳入本说明书)中所公开的方法。对经过预处理的纤维素原料的洗涤可除去纤维素酶抑制剂如溶解的糖及糖降解产物、溶解的木质素及含酚化合物，以及系统中的其它有机化合物。洗涤后的经过预处理的原料中纤维素的浓度一般会增大，例如达到50％-70％的水平。
将纤维素材料用一种液体调成浆液，该浆液很浓但仍可用泵送。所述液体例如但并不限于水、循环工艺物流或处理后的排出物。浆液中纤维素原料的浓度取决于物料，但可在约3％至约30％(w/w)未溶解固体范围内，或介于其之间的任何浓度，例如从约5％至约20％(w/w)未溶解固体，或从约10％至约20％(w/w)未溶解固体，或介于其之间的任何浓度值。例如浆液中纤维素原料的浓度可为3、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28或30％未溶解固体(w/w)。本领域中熟知，悬浮固体或未溶解固体的浓度可通过用玻璃微纤维滤纸过滤浆液样品、将滤饼用水洗涤并在105℃下使其干燥过夜的方法进行测定。
浆液的pH值通常调整到所用纤维素酶的最优pH值范围。一般而言，将浆液的pH值调整到约3.0至约7.0的范围，或约4.0至约6.0的范围，或介于其之间的任何pH值，优选在约4.5至约5.5的范围内。例如，pH值可为约3.0、3.5、4.0、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.0、6.5或7.0。浆液的pH值可用本领域已知的任何适宜的酸或碱调整。例如可使用氢氧化钠、氨、氢氧化铵、氢氧化钾或其它适宜的碱(如果浆液为酸性)，或硫酸、或其它适宜的酸(如果浆液为碱性)。但如果所用的纤维素酶为嗜碱的或嗜酸的，则浆液的pH值可分别高于或低于约4.5至5.5。浆液的pH值应当调整到对于所用酶而言的最优pH值范围内。
将浆液的温度调整到对于纤维素酶的活性而言的最优范围内。一般而言，大多数纤维素酶适宜的温度为约45℃至约70℃，或约45℃至约65℃，或介于其之间的任何温度。例如浆液的温度可调整到约45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69或70℃。但对于嗜热的纤维素酶，浆液的温度可更高。
而后将纤维素酶加到浆液中。术语“纤维素酶”、“纤维酶”或“酶”意指催化纤维素水解为产物例如葡萄糖、纤维二糖或其它纤维低聚糖的酶。纤维素酶为一通用术语，表示包括可由多种植物和微生物制得的外切纤维生物水解酶(exo-cellobiohydrolase)(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶(βG)等多种酶的混合物。本发明的方法可使用任意类型的纤维素酶而不必考虑其来源；但微生物纤维素酶通常可以比植物纤维素酶更低的造价获得。研究最为广泛的、典型的、商业化生产的纤维素是由曲霉属、腐质霉属及木霉属的真菌，以及由芽孢杆菌属及喜热裂孢菌属的细菌制得。由丝状真菌长枝木霉(Trichoderma longibrachiatum)制得的纤维素酶包括至少两种称为CBHI和CBHII的纤维生物水解酶和至少4种EG酶。
纤维素酶协同作用使纤维素降解为葡萄糖。CBHI和CBHII通常作用于纤维素微纤维中葡萄糖聚合物的末端释放出纤维二糖(Telemanet al.1995，European J.Biochem 231：250-258)，而内切葡聚糖酶则作用于纤维素中随机位置。这些酶一起作用使纤维素水解为更小的纤维低聚糖例如纤维二糖。纤维二糖通过β-葡糖苷酶水解为葡萄糖。
选择加入浆液中的纤维素酶的剂量以获得足够高的纤维素转化水平而不会过量加剂。例如，适宜的纤维素酶的剂量可为约1.0至约40.0FPU/g纤维素，或介于其之间的任何量。例如，纤维素酶的剂量可为约1.0、3.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0、18.0、20.0、22.0、25.0、28.0、30.0、32.0、35.0、38.0或40.0FPU/g，或介于其之间的任何量。FPU(滤纸单位，Filter Paper Unit)是本领域普通技术人员熟悉的标准单位，根据Ghose(1987，Pure and Appl.Chem.59：257-268)定义及检测。为了完全转化为葡萄糖，优选纤维素酶含有足够量的β-葡糖苷酶(纤维二糖酶)活性。β-葡糖苷酶的剂量水平为约5至约600β-葡糖苷酶单位/g纤维素，或介于其之间的任何值。典型的β-葡糖苷酶的剂量水平为约10至约400β-葡糖苷酶单位/g纤维素，或介于其之间的任何值；例如其剂量可为10、12、15、17、20、22、25、27、30、32、35、37、40、42、45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75、77、80、82、85、87、90、92、95、97、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360、380和400β-葡糖苷酶单位/g纤维素，或介于其之间的任何值。β-葡糖苷酶单位根据Ghose(1987，Pure andAppl.Chem.59：257-268)的方法测定。
粉剂或颗粒剂形式的纤维素酶可以在水溶液中处理。酶可在浆液进入反应器(也称作水解塔或水解反应器；图1中110或110’)前的任何点处加入浆液中。例如但并不限于，纤维素酶可在浆液即将进入水解塔前加入。也可使用本领域普通技术人员熟知的混合设备将酶混合到浆液中。在一个非限制性的实施例中，可使用一个位于主水解反应器上游的小的补偿罐(图1A中的90)向浆液中加入酶，调节pH值并达到所需的浆液温度。
参照图1A，如上所述对原料10进行预处理。通过使用热交换器20与产品物流30或其它适宜的流体换热使预处理的物流冷却。然后可使用另一种流体例如冷水45，在热交换器50中使浆液40进一步冷却。而后可将该浆液泵入水解补偿罐90，同时泵入纤维素酶70和氢氧化铵80以调整pH值。在该实施例中，水解补偿罐90内容物混合后泵出补偿罐90，沿管线100进入水解罐110。但此纤维素酶也可与原料在别处混合，例如在190、195或197中，或在水解反应器的进料管线中，包括但不限于，管线10、40或100，或上述进料处的组合。
术语“水解塔”、“上流式水解反应器”、“水解反应器”、“水解罐”或“上流式沉降反应器”意指一种具有适当结构的能容纳纤维素酶对纤维素浆液的水解的反应器(塔)，例如110(图1B)或110’(图1C)。水解罐可具有绝热夹套、蒸汽夹套、热水夹套、电伴热夹套或其它热源以维持所需的温度。本申请中，水解反应器为非混合水解反应器，意指在水解反应过程中不对反应器内容物进行混合。如下所述，由于向系统加入或从系统中取出固体和液体时会有少量的能量输入，因而反应器内容物中少量的局部混合是可能发生的。浆液和纤维素酶混合物可直接从上流式沉降反应器的底部输入，并在水解塔内向上泵送；或者，浆液可沿着反应器中部的管(例如105)向下泵入，出现在反应器底部时再从管四周向上流动。后一种构造的有利之处在于浆液所带热量可在水解反应器内被吸收。一旦浆液到达水解罐110或110’的底部，浆液就开始向上流动并沿着水解罐的径向扩散；而轴向扩散(即沿着罐高度方向的扩散)则通过避免混合减到最小。选择浆液的流速以使浆液中液体成分向上流动的速度比未溶解固体向上流动的速度快。水解塔设计成使得在任何高度处，浆液中的内容物在径向相对均一。均一的分布可使用分布器(例如120)或本领域熟知的其它设备获得。这可包括分形分布器(例如Rohn Haas AdvancedAmerpackTM系统，Amalgamated Research Inc.制造)或旋转棒。例如在图1B中，垂直控制轴在反应器110的底部支撑着一对悬臂桁架臂(cantilevered truss arm)，在顶部支撑着另一对。所述臂将集流系统(header system)与喷嘴合为一体用以分布容器底部的产品并从顶部对其进行收集。一种二通回转接头(two-port rotary joint)用于向中心轴进料及从中心轴排出物料。水解罐内浆液的分布在不通过叶轮或泵进行主动混合的条件下实现。
图1C所示为包含一个在罐的顶部的澄清区域135的另一种水解塔110’。如下面的详细描述，大部分固体从区域130的顶部排出。过量的澄清液体继续向上流动进入区域135中并作为清液排出。
如本说明书所述，水解反应器110或110’可以是可维持反应器径向具有相对均一的浆液浓度的任意大小的反应器。非限制性地，水解反应塔的直径可介于约10ft至约130ft(3至40m)，或介于其之间的任何值；例如反应器的直径可为10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125或130ft，或介于其之间的任何值。水解反应器的高度可为任何高度，只要反应器能实现本说明书所描述的目的。非限制性地，反应器的高度可为约5至约75ft或约5至约65ft(1.5至23m)，或介于其之间的任何值，优选约20至约65ft；例如，反应器高度可为约5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25、27.5、30、32.5、35、37.5、40、42.5、45、47.5、50、52.5、55、57.5、60、62.5或65。水解反应器的高度与直径之比可介于约0.5至约10之间，或介于其之间的任意比例；优选高度与直径之比为约0.5至约3。反应器总体尺寸的选择应避免当反应器内充满水时对支撑其的基础造成过度的负载。在一个非限制性实施例中，一个直径110ft、高度65ft的水解反应器具有4.60百万加仑的容积。
将浆液向上泵入反应器110或110’，所述浆液的平均流速使得液体在反应器内均匀地向上流动而含有纤维素的颗粒——其密度较液体的密度大——在反应器内向上流动的速度比液体慢得多，沉降并堆积成比进料的固体浓度高的固体浓缩物。浆液的“平均流速”或“浆液流速”由水解反应器高度除以浆液标称停留时间(nominal residencetime)得到，标称停留时间基于反应器容积和浆液进入反应器的流速得到。例如，浆液以10,000加仑/小时的流速进入一个30ft高、120,000加仑的水解反应器时标称浆液停留时间为120,000加仑/(10,000加仑/小时)＝12小时，平均浆液流速为30ft/12小时＝2.5ft/小时。选择平均流速以使固体向上流动的速度低于平均的浆液流速。这使得固体在水解反应器中具有比标称浆液停留时间长的平均停留时间。这点与浆液活塞流反应器是不同的，在活塞流反应器中，反应器内的液体和固体的流速及停留时间基本相同。达此要求的流速取决于原料及浆液中固体颗粒的尺寸，以及是否存在任何添加的絮凝剂。使用絮凝剂使得可采用更高的平均流速。一般而言，平均流速为约0.1至约20ft/小时，或介于其之间的任何速度。优选地，平均流速介于约0.1至约12ft/小时，或介于其之间的任何值。更优选地，平均流速介于约0.1至约4.0ft/小时，或介于其之间的任何值。例如平均浆液流速可为约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、15.0、15.5、16.0、16.5、17.0、17.5、18.0、18.5、19.0、19.5或20.0ft/小时。水解反应器中标称浆液停留时间一般为4-120小时，优选12-100小时，最优选20-100小时。
采用本发明的方法时，浆液的性质将随着纤维素水解的进行而改变。不希望囿于理论，在水解反应过程中，纤维素酶附着于纤维素上，因而保持附着在浆液中含纤维素的固体颗粒上。浆液的平均向上的流速很慢，以使较浆液本体密度更大的固体颗粒倾向于以比液体更慢的速度向上流动。含纤维素固体颗粒的缓慢向上流动使得含纤维素的固体及其附着在其上的纤维素酶可在反应器中比液体滞留更长的时间。由于附着的酶消解纤维素并向溶液中释放出葡萄糖，因而纤维素的量以及固体颗粒的密度是变化的。依据变化的密度，较小的颗粒将随着液体向上流动或沉降到反应器的底部。由于含纤维素的固体颗粒相对于液体的停留时间的差异，水解反应器内纤维素的浓度将由底至顶减小，而葡萄糖的浓度则将由底至顶增大。纤维素浓度的减小及葡萄糖浓度的增大发生在水解反应器110的“水解区域”130(见图1A和1B)。含水的糖物流、未水解的固体、以及附近任何含纤维素的颗粒从靠近反应器110水解区域140顶部的位置移出为150。而后至少将部分固体与葡萄糖物流相分离——例如使用固-液分离器如沉降罐160，并将产品物流30送出用来发酵为乙醇及进行其它进一步处理(170)。纤维素在水解塔内较长的停留时间提高了纤维素到葡萄糖的转化率，由此可用较小的反应器获得比使用混合反应器更长的纤维素水解时间。或者，使用比其它方式所需的酶剂量更低的剂量获得更高的纤维素转化。
术语“未水解的固体”或“未转化的固体”意指未被纤维素酶消解的纤维素，以及原料中存在的对纤维素酶呈惰性的非纤维素材料或其它材料。例如但不限于，未转化的固体颗粒可包括木质素、二氧化硅或其它固体材料。由于原料中的纤维素被水解，因而含纤维素的固体中未转化的固体的浓度增大。未转化的固体依据其密度和粒度可随产品在150中移出或沉降到底部的沉积物或沉淀物180中。如果在反应器底部由于非常重的颗粒而形成沉淀层，可使用本领域已知的任何方法除去沉淀物或沉积物。在一个非限制性的实施例中，使用一种刮具除去沉淀物。在另一实施例中，反应器底部可制成锥形以提供最重的固体颗粒可沉降的路径，并将其移出(例如线167)送入木质素处理过程165。
在水解反应器110的顶部140附近发现的含水葡萄糖、未转化的固体及其它颗粒可作为物流150移出。从反应器的顶部排出后，可将至少部分未转化的固体与可溶解的糖物流分离。移出未转化的固体可通过使用一种固-液分离器进行，例如通过过滤(例如，压滤器、带式过滤器、鼓式过滤器、真空过滤器或膜过滤器)，离心分离，沉降例如沉降罐160、一种倾斜的沉降器(例如，公开于Knutsen and Davis，2002，AppL，Biochem.Biotech.，98-100：1161-1172及Mores et al，2001，Appl.Biochem.Biotech.，91-93：297-309，这两篇文献都通过引证的方式纳入本说明书)，一种澄清器，或本领域已知的任何其它适宜的方法。澄清器可包括一定数量的倾斜板以促进固体和液体的分离，或包括固-液分离领域已知的其它特征。可溶解的葡萄糖中基本不含未溶解的固体，适于进一步发酵为乙醇(170)。未转化的固体主要为木质素，可燃烧用作工厂的燃料。
或者，含水的葡萄糖物流可在一个与排出未转化固体的位置不同的位置排出。另一种从葡萄糖中分离未转化固体的方法是使用图1C中具有水解区域130和“澄清区域”135的反应器110’，所述水解区域从水解塔底部向上延伸到约65％至约85％高度处，所述“澄清区域”直接位于水解区域的上方。水解物流从水解区域130的顶部泵送到澄清区域135。大部分固体从水解区域130的顶部移出。例如但并不限于，一根带有喷嘴的水平棒以一定的时间间隔在反应器顶部前后穿梭，将富含固体的物流排入棒中并泵出反应器(162)。过量的澄清液体继续向上流动进入澄清区域135。在澄清区域135中，固体通常会沉降到棒的高度，而基本不含固体的含水糖物流从顶部移出(30)。澄清区域中可包括一定数量的倾斜板以促进固体和液体的分离，还可包括固-液分离领域已知的其它特征。未转化的固体(或未水解的固体)可转移到一个固-液分离器中以从未水解的固体中分离出至少部分水解产物。
如果需要，可将从葡萄糖物流分离得到的含纤维素的固体与进料一起循环回上流式沉降反应器或水解区域以进一步转化为葡萄糖。
应当理解的是，由于向系统加入或从系统中排出固体和液体时会有少量的能量输入，因而反应器内容物中某些少量的局部混合是可能发生的。例如，局部混合可由分布器120、棒或将浆液输入水解反应器的泵的作用引起。为了达到最佳操作，进行与水解反应器的操作相关的加入或排出固体和液体所需的能量不超过0.1HP/1000加仑。与上流式反应器的这些作用相关的能量可介于0.001至0.1HP/1000加仑，或介于其之间的任何范围。例如，与上流式反应器的这些作用相关的能量可为0.001、0.003、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.1HP/1000gal。在反应器中不存在特别设计用于搅拌浆液的叶轮、搅拌器、喷射器或其它设备。
如果使用一个以上的水解反应器，可使两个或两个以上的反应器串联运行，其中第一个反应器的输出作为第二个反应器的进料。或者，多个反应器也可并联运行。此外，可使序列中一些反应器串联运行，而其它反应器并联运行。
还应当理解的是，除上流式反应器外，可使用一种或多种其它的反应器类型，例如一个或多个分批或连续搅拌反应器。在一个非限制性的实施例中，一个连续搅拌反应器的出料作为一个上流式反应器的进料。对本领域技术人员显而易见的是，在本发明中也可使用其它的反应器类型的组合。
在本发明的另一个方面，可向浆液中加入絮凝作用化合物以提高本发明的效率。絮凝作用化合物一般为阳离子型、非离子型、阴离子型或两性(包含带电基团的混合物)聚合物，或盐例如明矾。不希望囿于理论，絮凝作用化合物有助于使水解反应器内的固体积聚以确保其更全面地暴露于酶混合物。
实施本发明时，可使用一种絮凝作用化合物或含有一种以上絮凝作用化合物的混合物。絮凝剂可以任何适合加入浆液中的形式提供；例如，絮凝剂可为粉剂、液体或分散体；例如，分散体可以是在油或一种含水溶液中成浆状的絮凝剂。适宜絮凝剂的一个非限制性的实例为阳离子型聚合物，更具体而言为聚丙烯酰胺。这种絮凝剂包括但不限于CA4500(SNF
Figure GSB00000644871700191
法国)和
Figure GSB00000644871700192
7651(
Figure GSB00000644871700193
Specialty Chemicals，加拿大)。
所用絮凝剂的量可根据上流式反应器中使固体积聚所需的量确定。本领域普通技术人员能够确定有助于固体积聚而不会对整个过程增加不期望的造价的絮凝剂添加量。例如但并不限于，添加絮凝剂的量可介于约0.1至约4.0kg/t固体或介于其之间的任何量，或约0.5至约2.0kg/t固体或介于其之间的任何量。例如，添加絮凝剂的量可为约0.1、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5或4.0kg/t固体。
絮凝作用化合物可直接加入浆液中，或在加入浆液之前用水分散及稀释。也可在加入浆液之前使絮凝作用化合物与纤维素酶相混合，絮凝剂的分散可有助于确保系统内絮凝剂的均匀施用。在本发明一个非限制性实施例中，絮凝剂可以约0.01重量％至约25重量％的浓度或介于其之间的任何量分散于水中；例如，絮凝剂的浓度可为0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0、20.0、22.0或25.0重量％。可在此浓度下通过以适宜的时间混合——例如1分钟至约1小时——使絮凝剂分散。而后将分散的絮凝剂直接加入纤维素浆液中，或在加入水解反应器之前用水进一步稀释至约0.01重量％至约1.0重量％或介于其之间的任何值的浓度。例如，进一步稀释的絮凝剂的浓度可为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0重量％。
因而本发明提供了一种使纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合的系统，所述系统包括：一条与上流式水解反应器(例如110或110’)入口流体连通的原料浆液供给管线(例如10、40、100)、一个固-液分离器(例如160或135)，所述固-液分离器与上流式水解反应器流体连通，并包括用于排出含未水解固体的浆液的第一出口以及用于排出含水解产物的物流的第二出口，所述水解产物包括葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合，其中原料供给管线、上流式水解反应器，或原料供给管线和上流式水解反应器二者中含有包括纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物。优选地，所述原料供给管线中含有如上所述制备的经过预处理的原料。而且系统中的纤维素酶以约1.0至约40.0FPU/g经过预处理的原料的纤维素的剂量存在，并且一种或一种以上絮凝作用化合物以约0.1至约4.0kg/t经过预处理的原料的固体的剂量存在。
本发明还涉及一种酶组合物的用途，所述酶组合物中含有纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂，用于将纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合，如本说明书所述。由于本系统使纤维素到葡萄糖的转化达到约60至约98％，因而葡萄糖可用于乙醇的生产。优选地，纤维素酶由曲霉属、腐质霉属、木霉属、芽孢杆菌属、喜热裂孢菌属或其组合制得。所述一种或一种以上絮凝作用化合物选自阳离子型聚合物、非离子型聚合物、阴离子型聚合物、两性聚合物、盐、明矾及其组合。优选地，所述一种或一种以上絮凝剂为阳离子型聚合物，例如聚丙烯酰胺。所述纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂也可用于制备将纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合的酶组合物。因此，本发明也提供一种含有纤维素酶和一种或一种以上絮凝剂的酶组合物用于使纤维素水解为葡萄糖、纤维二糖、葡萄糖低聚物或其组合、用于生产乙醇的用途。
絮凝剂或稀释的絮凝剂可在向浆液中加入酶的位置前(195；图1A)、加入酶的位置处(190)、加入酶的位置后(197)加入，或这些位置中的多处加入。而且，絮凝剂可在水解反应器的底部或靠近水解反应器的底部(192；图1A、1B和1C)、水解反应器的中部(191)、反应器的顶部(193)、反应器外部的位置(195、197)加入，或这些位置中的多处加入，在一个非限制性的实施例中，絮凝剂可加入反应器的底部(192)和中部(191)。如果絮凝剂抑制酶的活性或对酶的活性有负面影响，则在将絮凝剂加入浆液或水解罐之前，不应使絮凝剂以可能对酶造成破坏的方式直接与酶接触。
絮凝剂可通过使用泵使其通过一系列的阀门和弯管而添加。这种构造可改善絮凝剂与浆液的混合并防止该混合物倒流回系统。在另一实施例中，使用一种在线混合器增加絮凝剂的扰动程度并由此改进分散过程。或者，絮凝剂可通过补偿罐90加入浆液中(例如在190)，然后与浆液和纤维素酶40一起泵入水解反应器110或110’。
絮凝剂一旦进入水解反应器110或110’即附着在固体颗粒上并对水解区域130中的积聚过程起到辅助作用。不希望囿于理论，这有助于避免含纤维素的颗粒从反应器的顶部被排出、通过使其悬浮在反应器中而使其避免沉降到沉淀层、或者同时起到上述两种作用。使固体颗粒附着在一起可使含纤维素的颗粒在水解区域(130)具有更长的停留时间，并使纤维素可被纤维素酶更彻底且更有效地消解。在上流式反应器的顶部140，絮凝剂主要附着于未转化的固体颗粒上，与颗粒一起排出反应器(150；图1A)。
预期通过纤维素水解由经过预处理的原料制得的经管线30离开反应器110或110’的葡萄糖可发酵为乙醇(170)。将葡萄糖和其它糖发酵为乙醇可通过本领域技术人员已知的常规方法进行，并可通过多种微生物实现，所述微生物包括酵母和细菌，或遗传修饰的微生物，例如，但并不限于，WO 95/13362、WO 97/42307、或Alcohol productionfrom Cellulosic Biomass：The Iogen Process(in：The AlcoholTextbook，Nottingham University Press，2000；其内容通过引证的方式纳入本说明书)中所提及的微生物。乙醇的生产和回收通过乙醇工业领域技术人员已知的完善建立的方法进行。
如前所示，上流式沉降反应器适合于纤维素到葡萄糖的酶法转化。然而，也可使用这种类型的系统将纤维素转化为其它产品，包括纤维二糖(如果纤维素酶中不含βG则是优选的)和葡萄糖低聚物(如果纤维素酶中不含CBH和βG则为优选的)。
本发明的方法延长了固体在反应器中的时间，由于酶仍旧附着于纤维素上，因此延长了纤维素酶和纤维素之间的接触时间。这反过来通过提高在给定大小的水解反应器中所获得的纤维素转化度提高了水解工艺的效率。由此使酶法水解的造价减到最小。另外，上流式沉降方法在反应器内不需搅拌，从而节省了与混合相关的能量和设备的造价。
上面所述并不欲以任何方式限制所要求的发明。另外，所述特征的组合对于本发明的方案而言可能并非是绝对必要的。以下将结合实施例对本发明作进一步阐述。但应当理解的是，这些实施例的目的只在于示例说明，不应当用于以任何方式限制本发明的范围。
实施例
实施例1：大规模上流式水解反应器
采用US 4,461,648(Foody，其内容通过引证的方式纳入本说明书)的方法制备经过预处理的小麦秸。经过预处理的原料为含有7.8％未溶解固体的含水浆液，温度为70℃，质量流速为553t/小时。通过在换热器(20)中与产品物流(30)换热使该含水浆液冷却到60℃。然后将此60℃的浆液在换热器(45)中用冷水冷却到最终温度50℃。将浆液与纤维素酶(70；5FPU/g纤维素)和氨(80；1200g/t湿浆液)一起泵入水解补偿罐(90；体积为86,000加仑)以调节pH到4.5至5.0。将水解补偿罐中的内容物混合40分钟停留时间后，将混合的物流(100)从补偿罐泵出，并沿着水解罐(110)中部的管(105)下降。水解罐夹套中有15psig的蒸汽以将温度维持在50℃。在水解罐的底部，浆液向上泵出并沿着水解管的径向扩散(120)。
水解罐的容积为4.6百万加仑。液体在水解罐中的向上流动较固体颗粒快，从而使固体颗粒在整个罐中沉降到约10％的浓度。纤维素保持在罐中达188小时，该时间足够长可使92％的纤维素转化为葡萄糖。含水的糖物流和未水解的固体(150)从罐的顶部流出并泵入沉降罐(160)。在容积为1.12百万加仑的沉降罐中，固体颗粒沉降到底部，浓度达到10％，并经过管线162泵出进入木质素压滤机165以通过压滤和洗涤从固体中回收糖。来自此物流的糖与来自沉降器顶部的糖物流合并，而后送到发酵为乙醇的过程(170)。
实施例2：用木霉属纤维素酶进行上流式水解
采用US 4,461,648(Foody，其内容通过引证的方式纳入本说明书)的方法制备经过预处理的小麦秸。将经过预处理的原料在水中形成含有浓度为3.7％的未溶解固体的浆液，并将其pH值用30％的氢氧化钠调整到5.5。所述未溶解固体为55％的纤维素。将所述浆液以40L/分钟的速度泵入垂直水解反应器(110；图1C)的底部。这相当于0.7ft/小时的向上流动速度。塔的容积为144,700L，其中水解区域(130)为下部的115,000L(高度为34.4ft)，顶部的29,700L为澄清区(135)。塔的直径为3.8m，高为13.5m(44.3ft)。浆液进入反应器时的温度为55℃，在靠近反应器顶部时逐渐降低到50℃。由木霉属(由Iogen Bioproducts，Ottawa获得)获得的纤维素酶以36FPU/g纤维素的剂量加入水解补偿罐内的浆液中，类似于实施例1，加入到进入塔之前的管线中。
将含有预处理固体和纤维素酶的浆液泵入塔105的底部，并随着浆液在塔内的向上流动发生水解。浆液在水解区域的顶部转移到澄清区域135，所述水解区域占塔容积的79％。含沉降固体颗粒的物流在水解区域和澄清区域的交界处排出(162；图1C)。水相中几乎不含未溶解固体的含葡萄糖的第二物流30自澄清区域的顶部收集。
运行过程中反应器内固体的分布如图2所示。在底部以上1ft的高度，未溶解固体沉降到浓度为8重量％至14重量％，这明显高于进料的3.7％未溶解固体的浓度。在更高的点处，固体颗粒的浓度更低。
纤维素转化率的分布如图3所示。在15ft和24ft的高度，运行初期纤维素的转化度为73％至83％，运行末期为95％。流出上流式反应器的物流中葡萄糖的浓度为25g/L。这表明无需混合反应器、无需提供剪切，或除了用泵将物料沿着反应器缓慢向上推送之外无需其它方式移动物料即可获得优良的纤维素转化率和葡萄糖生产量。
实施例3：在絮凝作用化合物存在下用木霉属纤维素酶进行上流 式水解
如实施例2所述对含4.4％未溶解固体的经过预处理的小麦秸进行水解，不同之处在于添加絮凝剂以改善固体颗粒的沉降。阳离子型聚合物CA4500(SNF
Figure GSB00000644871700241
France)以2kg/t未溶解固体的剂量加入，一旦在向浆液中添加酶的位置之后将其加入，其即在管线中扩散。
运行过程中反应器内固体颗粒分布如图4所示。在底部以上1ft的高度，未溶解固体沉降到浓度为6重量％至10重量％，与实施例2中所观察到的相近，明显较进料的4.4％未溶解固体的浓度更高。在反应器内高于此点处，固体的浓度为5.5％至8％。这表明絮凝剂对于使固体集聚和沉降是有效的。
纤维素转化率的分布如图5所示。在15ft和24ft的高度，运行初期纤维素的转化度为65％至85％，运行末期为85％至92％。流出反应器的物流中葡萄糖的浓度为27g/L。这表明无需混合反应器、无需提供剪切，或除了用泵将物料沿着反应器缓慢向上推送之外无需其它方式移动物料即可获得优良的纤维素转化率。
实施例4：在絮凝作用化合物存在及不存在时不同酶水平下的纤 维素转化
实施例2和3中所述的水解反应显示出相近的最终葡萄糖浓度，这可能是由于过量酶的存在之故。为了确定絮凝剂对水解效率的影响，在存在及不存在絮凝剂时进行了在不同酶剂量下的水解。
如实施例2和3所述对经过预处理的小麦秸进行水解，不同之处在于所添加的纤维素酶的量是可变的。在存在及不存在絮凝剂时，用8、12、16、20、24、28、32和36FPU的酶进行48小时的水解。测定了纤维素转化率(以％表示)并示于图6。
如图6所示，在较低的酶剂量时，使用絮凝剂提高了纤维素的转化率。这代表从总体上节约了纤维素转化的造价。

Claims (44)

1.一种用于纤维素的酶法水解以由经过预处理的纤维素原料制备含葡萄糖的水解产物的方法，所述方法包括：
i)提供一种经过预处理的纤维素原料的含水浆液，所述浆液的液体中含有约3重量％至约30重量％的未溶解固体，所述未溶解固体中含有至少约20重量％的纤维素；
ii)将含水浆液引入水解反应器的底部，通过以相当于约0.1至约12ft/小时的平均浆液流速的速度向上泵送浆液并避免混合而限制反应器内的轴向扩散，以使未溶解固体和液体向上流动并且其中未溶解固体向上流动的速度低于液体向上流动的速度；
iii)在引入步骤之前或期间，或在上述两段时间内，向含水浆液中加入纤维素酶，其中纤维素酶使纤维素水解而产生葡萄糖，并且其中所产生的葡萄糖在水解反应器的顶部比在其底部具有更高的浓度；及
iv)将含有含葡萄糖的水解产物和未水解固体的含水物流自水解反应器移出。
2.根据权利要求1的方法，其中在引入步骤中，所述含水浆液径向均匀分布地被引入水解反应器的底部。
3.根据权利要求1的方法，其中在加入步骤中，向含水浆液中加入一种或一种以上絮凝作用化合物，所述絮凝作用化合物与纤维素酶分别或一起加入。
4.根据权利要求3的方法，其中一种或一种以上絮凝作用化合物在引入步骤之前或期间加入。
5.根据权利要求1的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料由小麦秸、燕麦秸、大麦秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝稷、草芦、大米草、燕麦壳、甜菜废粕或芒属得到。
6.根据权利要求2的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料由小麦秸、燕麦秸、大麦秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝稷、草芦、大米草、燕麦壳、甜菜废粕或芒属得到。
7.根据权利要求4的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料由小麦秸、燕麦秸、大麦秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝稷、草芦、大米草、燕麦壳、甜菜废粕或芒属得到。
8.根据权利要求1的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料已在酶法水解之前，在约160℃至约280℃温度下，用浓度为约0％至约5％的硫酸预处理过约3秒至约30分钟。
9.根据权利要求6的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料已在酶法水解之前，在约160℃至约280℃温度下，用浓度为约0％至约5％的硫酸预处理过约3秒至约30分钟。
10.根据权利要求7的方法，其中所述经过预处理的纤维素原料已在酶法水解之前，在约160℃至约280℃温度下，用浓度为约0％至约5％的硫酸预处理过约3秒至约30分钟。
11.根据权利要求1的方法，其中在加入步骤中，纤维素酶以约1.0至约40.0FPU/g纤维素的剂量加入。
12.根据权利要求9的方法，其中在加入步骤中，纤维素酶以约1.0至约40.0FPU/g纤维素的剂量加入。
13.根据权利要求10的方法，其中在加入步骤中，纤维素酶以约1.0至约40.0FPU/g纤维素的剂量加入，并且一种或一种以上絮凝作用化合物以约0.1至约4.0kg/t固体的剂量加入。
14.根据权利要求1的方法，其中，在移出步骤之前，通过水解反应器顶部的澄清区使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
15.根据权利要求12的方法，其中，在移出步骤之前，通过水解反应器顶部的澄清区使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
16.根据权利要求13的方法，其中，在移出步骤之前，通过水解反应器顶部的澄清区使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
17.根据权利要求1的方法，其中，在移出步骤中，将含有水解产物和未水解的固体的含水物流移至固-液分离器中以使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
18.根据权利要求14的方法，其中，在移出步骤中，将一股含有未水解的固体的物流移至固-液分离器中以使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
19.根据权利要求16的方法，其中，在移出步骤中，将一股含有未水解固体的物流移至固-液分离器中以使至少部分水解产物与未水解的固体相分离。
20.根据权利要求14的方法，其中所述水解产物和未水解固体自澄清区的不同位置移出。
21.根据权利要求15的方法，其中所述水解产物和未水解固体自澄清区的不同位置移出。
22.根据权利要求16的方法，其中所述水解产物和未水解固体自澄清区的不同位置移出。
23.根据权利要求1的方法，其中所述水解产物包括葡萄糖和纤维二糖。
24.根据权利要求12的方法，其中所述水解产物包括葡萄糖和纤维二糖。
25.根据权利要求13的方法，其中所述水解产物包括葡萄糖和纤维二糖。
26.根据权利要求1的方法，其中，在提供步骤中，所述浆液的pH值为约4.0至约6.0。
27.根据权利要求26的方法，其中所述浆液的pH值为约4.5至约5.5。
28.根据权利要求1的方法，其中，在提供步骤中，含水浆液的温度为约45℃至约70℃。
29.根据权利要求28的方法，其中所述温度为约45℃至约65℃。
30.根据权利要求1的方法，其中，在加入步骤中，纤维素酶由曲霉属(Aspergillus)、腐质霉属(Humicola)、木霉属(Trichoderma)、芽孢杆菌属(Bacillus)、喜热裂孢菌属(Thermobifida)或其组合制得。
31.根据权利要求4的方法，其中所述一种或一种以上絮凝作用化合物选自阳离子型聚合物、非离子型聚合物、阴离子型聚合物、两性聚合物、盐、明矾及其组合。
32.根据权利要求31的方法，其中所述一种或一种以上絮凝作用化合物为阳离子型聚合物。
33.根据权利要求32的方法，其中所述阳离子型聚合物为聚丙烯酰胺。
34.根据权利要求4的方法，其中所述纤维素酶与一种或一种以上絮凝作用化合物一起加入所述浆液中。
35.根据权利要求4的方法，其中所述纤维素酶和一种或一种以上絮凝作用化合物分别加入所述浆液中。
36.根据权利要求3的方法，其中，在提供步骤中，所述浆液的pH值为约4.0至约6.0。
37.根据权利要求36的方法，其中所述浆液的pH值为约4.5至约5.5。
38.根据权利要求3的方法，其中，在提供步骤中，含水浆液的温度为约45℃至约70℃。
39.根据权利要求38的方法，其中所述浆液的温度为约45℃至约65℃。
40.根据权利要求3的方法，其中，在加入步骤中，纤维素酶由曲霉属、腐质霉属、木霉属、芽孢杆菌属、喜热裂孢菌属或其组合制得。
41.根据权利要求1的方法，其中，在提供步骤中，所述浆液中含有约5重量％至约20重量％的未溶解固体，并且所述未溶解固体中含有约25重量％至约70重量％的纤维素。
42.根据权利要求1的方法，还包括在引入步骤之前，将一股含糖的液体物流从步骤i的经过预处理的纤维素原料中分离出来。
43.根据权利要求42的方法，还包括在将所述液体物流从原料中分离出来的过程中使用一个洗涤步骤。
44.根据权利要求43的方法，其中在所述洗涤步骤中使用一种选自水、循环的工艺物流、经过处理的排出物及其组合的洗涤介质。
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