CN102741418A - 用于制备富含葡聚糖的生物质材料的方法 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种利用二羧酸(例如马来酸)作为仿酶来水解生物质的半纤维素和纤维素，将木质纤维生物质转化为乙醇的方法。控制马来酸水解的条件可选择性水解半纤维素，结果得到富含木糖的液体部分和富含葡聚糖的固体部分。葡聚糖可进一步水解，以生产含葡萄糖材料。可将糖材料发酵，以生产乙醇，将乙醇回收。随后在从发酵材料除去乙醇后留下的残余物中回收二羧酸，将回收的二羧酸再循环至方法的开始，以处理另外的木质纤维生物质。

Description

用于制备富含葡聚糖的生物质材料的方法

发明背景

近年来越来越强调发现由可再生的非石油资源有效生产燃料的方式。在关注的一个领域中，已通过衍生自植物的生物质原料的发酵来生产燃料乙醇。目前，由玉米淀粉、甘蔗和甜菜的原料商业生产燃料乙醇。然而，这些材料在食品行业中得到显著的竞争性应用，并且它们用于制造燃料乙醇的扩展的应用遭受价格提高和其它行业的破坏。因此，高度寻求备选的发酵原料及其利用的可行技术。

木质纤维生物质原料可大量获得，并且相对便宜。这些原料可得自以下形式：农业废物例如玉米秸秆、玉米纤维、小麦杆、大麦杆、燕麦杆、燕麦壳、欧洲油菜(canola)杆、大豆秸秆、草例如柳枝稷、细叶芒、大米草和草芦、林业废物例如白杨木和锯屑、以及糖处理残余物例如甘蔗渣和甜菜浆。将来自这些原料的纤维素转化为糖，随后将糖发酵，以生产乙醇。

图1显示用于由木质纤维生物质原料生产乙醇的现有已知方法。该方法以依序方式进行。必须完成每一步才能进行下一步。在第一步骤24中，将生物质固体22和含水硫酸20混合并预处理，以促进生物质的后续水解。混合物进入步骤二26，在这里半纤维素水解。在半纤维素水解之后，混合物准备好进行步骤三32，在这里加入碱31以中和酸，并调节pH，接着加入酶30用于纤维素的水解，以得到单糖。在水解反应完成之后，32的混合物将是含有来自生物质的葡萄糖和木糖的溶液。随后将该溶液移至步骤四38，在这里加入酵母，以将存在于溶液中的糖发酵成为乙醇。在发酵完成后，可例如通过蒸馏从过程溶液将乙醇回收40。

该现有已知方法的一个问题在于使用酸(例如稀硫酸或其它无机酸)，但是这些酸引起生物质中的材料降解，以形成在后续酶和发酵步骤中可充当抑制剂的物质。在后续酶和发酵步骤之前，通过生物质的硫酸水解生产的材料需要纯化，或者需要使用较大量的酶或酵母来克服如果不进行纯化而将存在的抑制剂。任一种方式将提高进行该方法的成本。

发明概述

本公开的一个实施方案是一种用于由木质纤维生物质生产乙醇的方法，所述方法包括：使用二羧酸处理木质纤维生物质，以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖，过滤经处理的木质纤维生物质，以得到含有纤维素的固体材料和含有木糖的液体部分。所述方法还包括使液体部分的木糖发酵，以提供第一含乙醇材料，使固体部分的纤维素水解，以提供含葡萄糖介质，将第一含乙醇材料与含葡萄糖介质合并，在加入第一含乙醇材料之后，使含葡萄糖介质发酵，以提供第二含乙醇材料，将乙醇从第二含乙醇材料分离，留下残余物，和从残余物回收二羧酸，以得到回收的二羧酸。

上述实施方案的其它方面为使用回收的二羧酸处理另外的木质纤维生物质。

本公开的另一个实施方案为一种用于由木质纤维生物质生产乙醇的方法，所述方法包括处理木质纤维生物质的第一部分。所述处理包括使用二羧酸处理木质纤维生物质，以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖，分离(例如，过滤)经处理的木质纤维生物质，以将含有纤维素的固体材料与含有木糖的液体部分分离，使液体部分中的木糖发酵，以提供第一含乙醇材料，使固体部分的纤维素水解，以提供含葡萄糖介质，将第一含乙醇材料与含葡萄糖介质合并，使含葡萄糖介质发酵，以提供第二含乙醇材料，将乙醇从第二含乙醇材料分离，留下残余物，和从残余物回收二羧酸。由木质纤维生物质生产乙醇的方法还包括使用回收的二羧酸处理木质纤维生物质的第二部分。

这些实施方案的其它方面为用于处理木质纤维生物质以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖的二羧酸可为马来酸或琥珀酸。

另外的实施方案将由本文的描述显而易见。

附图概述

图1为利用依序方法由木质纤维生物质生产乙醇的现有技术方法的框图。

图2为使用二羧酸作为仿酶(enzyme mimic)，由木质纤维生物质生产乙醇的目前公开的方法的框图，该方法允许平行的流的处理和二羧酸的再循环。

发明详述

为了促进对本发明原理的理解的目的，现在将参考某些实施方案，并且使用特定的语言来描述这些实施方案。然而，应理解的是，不由此旨在限制本发明的范围，预期在举例说明的装置中的这些改变和进一步修改以及本文描述的本发明原理的这些其它应用是本发明相关领域技术人员通常能想到的。

本文使用的术语“葡聚糖”是指含有葡萄糖单体的多糖材料，例如纤维素。在本公开内术语“葡聚糖”和“纤维素”可互换使用。

本文使用的术语“木质纤维生物质”是指包含木质素和纤维素的任何类型的生物质，例如但不限于非木质植物生物质、农业废物和林业残余物以及糖-处理残余物。例如，纤维素原料可包括但不限于草，例如柳枝稷、大米草、黑麦草、细叶芒、混合普列利草或它们的组合；糖-处理残余物，例如但不限于甘蔗渣和甜菜浆；农业废物，例如但不限于大豆秸秆、来自谷物处理的玉米纤维、玉米秸秆、燕麦杆、水稻杆、水稻壳、大麦杆、玉米穗、小麦杆、欧洲油菜杆、燕麦壳和玉米纤维；和林业废物，例如但不限于再循环的木浆纤维、锯屑、硬木、软木或它们的任何组合。此外，木质纤维生物质可包含木质纤维废物或林业废物材料，例如但不限于纸淤渣、新闻纸、纸板等。木质纤维生物质可包含一种纤维，或者木质纤维生物质原料可包含源自不同的木质纤维材料的纤维的混合物。

通常，木质纤维材料包含纤维素，其量大于约2％、5％或10％，优选大于约20％(w/w)，以生产显著量的葡萄糖。木质纤维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，木质纤维材料可包含约2％-约90％(w/w)，或约20％-约80％(w/w)纤维素，或25％-约70％(w/w)纤维素，或约35％-约70％(w/w)纤维素，或更多，或它们之间的任何量。木质纤维材料还包含半纤维素，其量大于约2％、5％或10％，并且可包含10％-约50％(w/w)，或15％-约40％(w/w)，或20％-约35％(w/w)，并且可生产显著量的木糖。

在木质纤维生物质可用酶处理以将结构破坏成为组成组分(包括可发酵的糖)之前，可将木质纤维生物质的结构破坏。破坏生物质的结构使得用于水解组分(例如半纤维素和纤维素)的酶接近这些组分。未经处理，木质纤维生物质非常耐酶攻击，该酶攻击用于破坏结构和提供可转化为乙醇的单糖。可使用酸进行该处理，以破坏结构。已使用例如稀硫酸或其它无机酸的酸，但是这些酸引起木质纤维生物质中的材料降解，以形成在后续酶和发酵步骤中可充当抑制剂的物质。可使用的其它酸包括羧酸，更特别是二羧酸。已显示二羧酸可用于处理木质纤维生物质，以水解半纤维素和纤维素。在木质纤维生物质中发现的半纤维素材料或纤维素材料的水解中，二羧酸像仿酶或催化剂一样起作用，因此避免使用昂贵的酶来水解这些材料的成本。对用二羧酸处理木质纤维生物质使用受控的条件，水解反应可选择性地主要水解半纤维素组分，提供含有木糖的液体部分，留下其中纤维素(葡聚糖)组分保持完好的固体部分。

多种二羧酸可用于处理木质纤维生物质，优选的二羧酸包括马来酸(作为马来酸或马来酸酐)或琥珀酸(作为琥珀酸或琥珀酸酐)。可用于处理木质纤维生物质的酸的量在0.2mmol/g生物质-2mmol/g生物质范围内，或1mmol/g生物质-1.5mmol/g生物质。待处理的木质纤维生物质的浓度量可在40g/L-200g/L或100g/L-150g/L范围内。为了有效处理，可在100℃-200℃或150℃-170℃的温度下，将木质纤维生物质用二羧酸处理2分钟-60分钟或10分钟-30分钟的时间。使用50mmol马来酸，在适当的时间和温度下处理木质纤维生物质，可用于实现在40g/l玉米秸秆下，超过90％的半纤维素水解成为木糖。如果玉米秸秆浓度提高至150g/l，但是保持马来酸的量为50mmol，则仅实现半纤维素55％水解。提高二羧酸浓度，使得二羧酸浓度与玉米秸秆比率保持几乎恒定，保持水解水平在90％。

在大致恒定的二羧酸浓度与木质纤维生物质固体比率(在40g/L生物质固体下，约50mM马来酸，和在150g/L生物质固体下，200mM马来酸)下，可实现80-90％的半纤维素转化为木糖。虽然使用马来酸具有许多益处，但它相对昂贵，因此处理木质纤维生物质具有再循环马来酸的潜力使成本降低。在某些实施方案中，用于处理一定量的木质纤维生物质的至少约70％的马来或其它二羧酸将被再循环，更期望至少约80％被再循环。

相对于硫酸或一些其它预处理方法，使用马来酸或其它二羧酸的催化性质的优点导致在半纤维素或纤维素的水解期间所形成的降解产物的形成最少。硫酸引起糖降解产物的显著形成，而这些降解产物中的一些为酶和酵母抑制剂，导致需要使用较大量的酶和酵母来处理材料。比起如果使用硫酸水解或一些其它预处理方法，来自使用二羧酸水解的该较低量的降解产物允许利用较少量的酶或酵母。较低量的降解产物还使得葡聚糖材料容易酶水解成为葡萄糖，和使用酵母容易使木糖发酵成为乙醇，而无需纯化由二羧酸水解处理产生的材料。

利用二羧酸来处理木质纤维生物质可导致生物质的半纤维素部分选择性水解，结果是由水解的部分得到富含木糖的材料的液体部分和富含葡聚糖材料的固体部分(含葡萄糖材料或纤维素)，其可分离和进一步单独处理。由于初始使用二羧酸处理以及富含木糖的材料的形成和分离，比起起始木质纤维材料，富含葡聚糖材料的固体部分可含有更高百分比(w/w)的纤维素，例如，在某些实施方案中，比起起始木质纤维材料中的纤维素的w/w百分比，纤维素的w/w百分比大至少约3％。富含木糖的部分和富含葡聚糖的部分可在平行步骤中处理，提供更好的生产量和更有效地利用生物处理材料。与使用普通的酸(例如硫酸)不同，使用二羧酸来使半纤维素水解成为木糖提供可容易发酵的材料，这是由于可充当抑制剂的降解产物的形成最少。使用例如重组体木糖-发酵酵母，可不经进一步纯化将木糖部分发酵成为乙醇，但是其它酵母也可用于发酵过程。

如果期望固体纤维素材料作为产物而不是乙醇，则可分离富含葡聚糖(含有葡萄糖)的固体部分，并通过例如脱水和/或干燥的步骤进一步处理，以得到纤维素材料。因此可由木质纤维生物质得到固态，干燥的纤维素。这些结果进一步说明在产生富含葡聚糖的固体的新型方法中使用二羧酸(或者更具体地，马来酸)的益处。

作为备选，回收的富含葡聚糖的固体(比起起始木质纤维生物质材料，所述固体可具有更高百分比的纤维素，并因此提供更浓缩的输入用于使纤维素水解成为葡萄糖)，可使用纤维素酶或其它催化剂进一步水解，以将纤维素破坏成为可发酵的糖。例如，剩余的纤维素酶水解成为葡萄糖基本上在48小时内完成。关于这一点，纤维素酶为催化纤维素水解成为产物(例如葡萄糖、纤维素二糖和/或其它纤维素低聚糖)的酶。纤维素酶可作为多酶混合物提供，其包含可通过多种植物和微生物生产的外-纤维素生物水解酶(CBH)、内葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶(βG)。本发明的方法可使用任何类型的纤维素酶进行，而不管它们的来源；然而，微生物纤维素酶提供优选的实施方案。纤维素酶可例如得自曲霉属、腐质霉属和木霉属的真菌以及得自杆菌属和Thermobifida属的细菌。

在本公开的某些方面，可将富含木糖的部分发酵，以得到第一乙醇材料，该第一乙醇材料也含有用于木糖发酵方法的酵母。可在葡聚糖材料水解以形成葡萄糖之前、期间和之后，将第一乙醇材料加入到纤维素固体(富含葡聚糖)部分中。第一乙醇材料与富含葡聚糖的材料或这些材料的水解产物的组合提供了酵母，该酵母可使由水解步骤形成的葡萄糖在它出现时发酵。在组合的材料中葡萄糖的发酵可无需加入任何其它酵母，通过利用由第一乙醇材料供应的酵母来发酵。然而，在组合的第一乙醇材料和富含葡聚糖的材料或水解产物的发酵步骤期间，可加入另外的酵母。通过使发酵和水解在相同的处理步骤中发生，该强化的生物处理降低酵母成本并减少处理时间。

使糖发酵以生产乙醇可使用多种发酵微生物中的任何种类(例如酵母或细菌，或酵母的其它基因改性的变体，包括重组体木糖-发酵酵母)，和使用已知的技术来进行。

乙醇可随后由发酵的介质纯化，例如通过蒸馏。通过利用木质纤维生物质的马来酸水解，显示乙醇收率为理论值的约90％。能够使用马来酸水解由木质纤维生物质得到高收率的乙醇，而无需在发酵之前进一步处理或纯化由水解得到的材料，说明不存在抑制剂，否则所述抑制剂会降低乙醇发酵的速率和收率。

通过在处理顺序中回收和再利用二羧酸来实现其益处，实现了二羧酸催化剂的经济利用。在该方法的一个方面，为了避免形成离子形式的二羧酸，可使用能中和酸性化合物的中和剂，例如氨、氨水(氢氧化铵)或任何其它碱性氮化合物。然而，在该方法的另一方面，可使用其它中和剂，例如碱或碱性氢氧化物或氧化物，或本领域已知的任何其它碱性中和剂。在已通过例如蒸馏由中和的发酵材料回收乙醇之后，剩余的材料富含二羧酸。随后可由该材料回收二羧酸，例如，通过蒸馏。一旦回收步骤完成，将二羧酸再循环至方法的前端，以处理另外量的木质纤维生物质。再循环的程度将是蒸馏步骤期间回收的成本以及酸的稳定性的函数。蒸馏本身可在真空下进行，以便使蒸馏塔的塔底物中盐的形成最少并且还保持二羧酸的活性。例如，马来酸具有高沸点并且在最高220℃下稳定，并且可在发酵蒸馏塔本身的塔底流中回收和浓缩。然后进一步蒸发将得到浓缩的马来酸流，随后将其再循环至方法的前端，用于进一步处理另外的木质纤维生物质。二羧酸回收的其它方法可通过吸附、酸化、层析、结晶或沉淀或这些方法的组合。使得二羧酸再循环的这些方法步骤可用于降低总方法的催化剂成本。

现在参考图2，显示了使用二羧酸处理木质纤维生物质的一个实施方案，包括将二羧酸再循环至方法的前端。在该图中，所用的二羧酸为马来酸。将木质纤维生物质50与马来酸54混合，并反应，以水解56生物质50的半纤维素部分，以提供含有木糖的液体部分。马来酸54可由在乙醇回收期间回收的再循环的马来酸78和新鲜的另外的马来酸52(它可作为马来酸或作为马来酸酐加入)组成。新鲜的马来酸52可组成加入到半纤维素水解56的马来酸54的大部分，尤其在重新启动该方法时，此时有很少至没有可用的再循环的马来酸78。

在半纤维素56的水解完成之后，将所得到的木糖溶液和含有纤维素(葡聚糖)的固体的混合物送至分离装置58，以分离固体和液体。例如，可使用过滤器，但是可使用本领域用于固体/液体分离的任何其它装置。将含有木糖的液体部分60送至发酵步骤64，在此加入酵母62，将木糖发酵成为乙醇，以生产第一含乙醇材料。酵母62可为能发酵木糖和葡萄糖两者的酵母，或者可为重组体木糖发酵酵母，或本领域已知的将糖发酵成为乙醇的其它有机体或酵母。

可将含有纤维素(含葡萄糖材料或葡聚糖)的来自分离的固体66送至水解步骤70，在此将酶68加入到固体66中，使混合物经受正常的酶水解条件，这可包括pH调节和温度控制，以提供含葡萄糖材料。水解步骤70可与木糖的发酵步骤64在几乎相同的时间发生。在木糖发酵步骤64和纤维素水解步骤70均完成后，将这两个步骤所得到的材料在葡萄糖发酵步骤74中合并。将来自木糖发酵的第一含乙醇材料与含葡萄糖材料合并，使得来自纤维素水解70的葡萄糖72的发酵无需加入更多的酵母。在木糖发酵64期间生长的酵母可用于葡萄糖发酵74，因此增加方法的效力。

在葡萄糖的发酵完成之后，得到第二乙醇材料，将其送至乙醇的回收76。乙醇的回收可通过蒸馏进行。在乙醇回收之后的残余物将富含马来酸，并且通过另外的减压蒸馏或结晶步骤进一步处理来回收马来酸，然而，应理解的是，本领域已知用于回收羧酸的其它方法可用于回收马来酸。回收的马来酸可随后再循环78返回方法的前端54，在此可加入新鲜的马来酸52以用于处理木质纤维生物质的另外的部分。

实施例1

玉米秸秆或其它木质纤维材料(生物质)参与该方法，其中将它与作为仿酶的马来酸(在水中)混合。将马来酸和生物质材料的混合物在150℃-170℃下煮2分钟-30分钟时间。40g/l玉米秸秆的水解使用50mM的马来酸浓度，而150g/l玉米秸秆使用200mM马来酸的成比例更高的浓度，从而保持二酸∶玉米秸秆比率在几乎恒定的水平。通过过滤分离水解的混合物的富含木糖的液体和富含葡聚糖的固体部分。向富含葡聚糖的部分中加入纤维素酶导致在最高150g/l的木质纤维素浓度下，纤维素90％水解成为葡萄糖，以生产容易发酵的糖溶液。

在约6的pH下进行富含木糖的液体的发酵，使用氢氧化钙中和马来酸，随后在30℃下使所得到的富含木糖的材料发酵72小时。一旦发酵完成，通过蒸馏回收乙醇，因此，回收马来酸(其具有高沸点，并且在最高220℃下稳定)，并且可在发酵塔的塔底流中被浓缩。然后进一步蒸发将得到浓缩的马来酸流，随后将其再循环至方法的前端，用于进一步处理另外的生物质。当与强化的生物处理组合时，回收80％的马来酸将导致酶或仿酶成本小于20

/加仑。当根据文献酶成本可超过几美元(dollar)/加仑时，这是有潜在吸引力的用于制造乙醇的方法。

除非在本文中另外说明或者通过上下文明确否定，否则在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一”和“该”以及类似的提及应解释为涵盖单数和复数两者。本文叙述数值范围仅旨在用作单独指落入范围内的每个单独数值的简略方法，除非在本文中另外说明，并且将每个单独的数值并入说明书中，就好像它在本文中被单独叙述一样。除非在本文中另外说明或者通过上下文明确否定，否则本文描述的所有方法可采用任何合适的顺序进行。使用本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如，“比如”)仅旨在更好地阐明本发明，而不对本发明的范围造成限制，除非另外声明。在说明书中的语言不应解释为说明任何未请求保护的要素为本发明实施所必需。

虽然在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，所述附图和描述应看作是举例说明和非限制性的性质，应理解的是，仅说明和描述了优选的实施方案，并且落入本发明精神之内的所有变化和修改都期望受到保护。此外，本文引用的所有参考文献指示本领域的技术水平，并且特此通过引用整体并入。

Claims (12)

1.一种用于由木质纤维生物质生产乙醇的方法，所述方法包括：

使用二羧酸处理木质纤维生物质，以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖；

分离经处理的木质纤维生物质，以得到含有纤维素的固体材料和含有木糖的液体部分；

将所述含有木糖的液体部分发酵，以提供第一含乙醇材料；

使固体部分的纤维素水解，以提供含葡萄糖介质；

将第一含乙醇材料与含葡萄糖介质合并；

在加入第一含乙醇材料之后，使含葡萄糖介质发酵，以提供第二含乙醇材料；

将乙醇从第二含乙醇材料分离，留下残余物；和

从残余物回收二羧酸，以得到回收的二羧酸。

2.一种用于由木质纤维生物质生产乙醇的方法，所述方法包括：

处理木质纤维生物质的第一部分，所述处理包括：

使用二羧酸处理木质纤维生物质，以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖；

分离经处理的木质纤维生物质，以将含有纤维素的固体材料与含有木糖的液体部分分离；

将所述含有木糖的液体部分发酵，以提供第一含乙醇材料；

使固体部分的纤维素水解，以提供含葡萄糖介质；

将第一含乙醇材料与含葡萄糖介质合并；

使含葡萄糖介质发酵，以提供第二含乙醇材料；

将乙醇与第二含乙醇材料分离，留下残余物；和

从残余物回收二羧酸；和

使用回收的二羧酸处理木质纤维生物质的第二部分。

3.权利要求1的方法，所述方法进一步包括使用回收的二羧酸处理另外的木质纤维生物质，以将木质纤维生物质的半纤维素水解成为木糖。

4.权利要求1、2或3中任一项的方法，其中在固体部分的纤维素的水解完成之前发生第一含乙醇材料与含葡萄糖介质的合并。

5.权利要求1-4中任一项的方法，其中用于使含葡萄糖介质发酵的酵母仅由第一乙醇溶液供应。

6.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述二羧酸为马来酸。

7.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述二羧酸为琥珀酸。

8.权利要求1或7的方法，其中在发生发酵之前，使用中和剂中和所述含有木糖的液体部分。

9.权利要求8的方法，其中所述中和剂为碱性氮化合物。

10.权利要求8的方法，其中所述中和剂为氨。

11.权利要求8的方法，其中所述中和剂为氨水。

12.权利要求8的方法，其中所述中和剂为氢氧化铵。

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