CN103154148A - 具有增强的酶可及性的预处理生物质 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是为了获得5碳糖和6碳糖、木质素和已汽爆的纤维素的生物质组合物，并且所述组合物在24小时水解下具有很高的酶可及性。

Description

具有增强的酶可及性的预处理生物质
技术领域
本发明的目的是待水解的生物质在产能中的应用。
背景技术
在第二代乙醇法中生物质的使用是已知的。典型的方法将在酶存在下通过至少一次汽爆（蒸汽爆炸，steam explosion）、水解纤维素预处理生物质，然后将得到的产品发酵为乙醇。WO2009/108773公开了一种具有构思（conceptual）方法步骤的可能的预处理设备（equipment setup）。而WO2009/108773提供了一种装置，其没有提供用于进行或处理生物质的操作细节。
过去研究的焦点是开发或选择更好的酶以水解纤维素，以便水解步骤可以更快进行。然而，几乎没有进行以更容易到达（易接近，accessible）酶的方式处理生物质的工作或研究。如已知的，在水解之前越易到达物质，水解反应越快并且酶的用量越少。因此，和之前形式的生物质原料相比，对具有更高的酶可及性（accessibility）的生物质原料的需求是存在的。
发明内容
本说明书中描述了一种生物质组合物，包括固体，液体，一定量的基于液体和固体组合物中的阿拉伯聚糖、木聚糖、阿拉伯糖和木糖的单体、二聚体、低聚物和聚合物的量的C5糖类，一定量的基于包括在组分的液体和固体中的葡聚糖单体、二聚物、低聚物和聚合物的葡聚糖含量的C6糖类，以及糠醛，其中该组合物的进一步特征为具有至少30%的24小时酶可及性。
进一步公开了C5糖类的量与C6糖类的量的比率大于0.50，糠醛的量与C5糖类和C6糖类加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0060。
进一步公开了糠醛的量与C5糖类和C6糖类加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0050，或更优选地，大于0且小于或等于0.0040；或甚至更优选地，大于0且小于或等于0.0030，或最优选地，大于0且小于或等于0.0016。
进一步公开了组合物中固体的量在组合物的按重量计11至99%的范围内；或更优选地，在组合物的按重量计14至99%的范围内；或甚至更优选地，在组合物的按重量计16至99%的范围内，其中最优选的范围是组合物的按重量计19至99%，组合物的按重量计21至99%，组合物的按重量计24至99%，组合物的按重量计26至99%，组合物的按重量计29至99%，组合物的按重量计31至99%，组合物的按重量计36至99%，和组合物的按重量计41至99%。
具体实施方式
植物生物质是发酵法（过程，process）优选的原料。下面提供了用于生产高的酶可及性蒸汽的优选原料。
除淀粉之外，在植物生物质中的三种主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，通常称为通用术语木质纤维素。作为通用术语的含多糖生物质包括淀粉和木质纤维素生物质两者。因此，一些类型的原料可以是植物生物质、含多糖生物质和木质纤维素生物质。
如果生物质是含多糖生物质并且其为木质纤维素生物质，经常预处理用于确保向酶提供更易到达的木质纤维素含量的结构，同时确保有害抑制副产物如乙酸、糠醛和羟甲基糠醛保持相当低的浓度。
根据本发明，含多糖生物质包括任何含聚合糖类的物质，例如，淀粉以及精制淀粉、纤维素和半纤维素形式的聚合糖类。
根据本发明，用于水解和混合的生物质的有关类型可以包括来源于农作物的生物质，如，例如，淀粉，例如含谷物和精制淀粉的淀粉；玉米秸秆、甘蔗渣、麦杆，例如来自水稻、小麦、黑麦、燕麦、大麦、油菜、高粱；软木材，例如樟子松（Pinus sylvestris）、辐射松（Pinus radiate）；硬木材，例如高山柳（Salix spp.）、桉树（Eucalyptus spp.）；块茎，例如甜菜、马铃薯；谷类，例如来自水稻、小麦、黑麦、燕麦、大麦、油菜、高粱和玉米；废纸，来自沼气处理的纤维部分，肥料，来自油棕处理的残余物，具有相似干物质含量的城市固体废弃物等。
木质纤维素生物质原料优选来自通常称作禾本科（grass）的科。专有名称（proper name）是已知为开花植物的百合纲（单子叶）中的禾本科或颖花科。通常将该科的植物称为草，或为了将它们与其他禾草类区分开，称为真正的草。也包括竹。约有600个属，约9,000-10,000以上种类的草（世界草类丘园索引（Kew Index of World Grass Species））。
禾本科包括种植在世界各地的主粮和谷类作物，草地和饲用牧草，以及竹。禾本科通常都有中空茎，称为秆（culm），在一定间隔被堵塞（实心）处称为节，在沿着秆的节点处长出叶片。草的叶片通常的是交替的、对生的（在一个平面上），或少有的螺旋形和平行叶脉。每个叶片分成紧绕着茎一定距离的下部叶鞘，以及叶缘通常是全缘的叶片。许多禾本科植物的叶片由于二氧化硅植物化石而硬化，这有助于抵御食草动物。对于某些禾本科（如剑叶草），这使得这种草叶的边缘锋利到足以割破人类的皮肤。位于叶鞘和叶片之间的接合处的膜质附属物或绒毛边缘称为叶舌，防止水或昆虫穿透至鞘内。
草叶生长在叶片底部而不是从延伸的茎尖处。这种低生长点进化成适应食草动物，并且使得草能够在没有对植物严重破坏的情况下用于放牧或定期收割。
禾本科的花的特征是以小穗状排列，每个小穗具有一个或多个小花（小穗进一步地分成圆锥花序或穗状花序）。由在底部的两个（或有时更少）苞组成的小穗称为颖，随后的是一个或多个小花。小花由称为外稃（外部）和内稃（内部）的两个苞包围的花朵组成。这些花通常是两性的（雄雌同株的玉米是一个例外），并且通常是通过风媒授粉。将花被简化为两个鳞苞，称为浆片，浆片通过扩大和收缩以传播外稃和内稃；这些通常解释为改善的萼片。
禾本科的果实是颖果，其中种皮融合到果皮上，从而不能与其分离（如在玉米籽粒中）。
存在于禾本科中的生长习性大致有三种分类；束型（也称为丛生）、具匍匐茎型和根茎型。
禾本科的演替（success）部分在于它们的形态和生长过程，部分在于它们的生理多样性。大部分禾本科分成两种生理组，使用C3和C4光合途径用于碳固定。C4禾本科具有一种与特化克兰茨叶片解剖有关的光合途径，使它们特别适应炎热的气候和缺乏二氧化碳的气氛。
C3禾本科称为“冷季草”而C4植物被认为是“暖季草”。禾本科可以是一年生或多年生的。一年生冷季型的实例有小麦、黑麦、一年生蓝草（一年生牧草（meadowgrass）、早熟禾和燕麦）。多年生冷季型的实例有果园草（鸭茅（cocksfoot）、鸭茅草（Dactyli glomerata））、牛毛草（羊茅（Festuca spp））、肯塔基蓝草和多年生黑麦草（黑麦（Loliu perenne））。一年生暖季型的实例有玉米、苏丹草和珍珠稷。多年生暖季型的实例有大须芒草、印度草（indiangrass）、百慕达草和柳枝稷。
认为草科的一种分类为12个亚科：这些是1）三芒草亚科（Anomochlooideae），阔叶草小类群（lineage），包括两个属（Anomochloa，Streptochaeta）；2）Pharoideae，草类的小类群，包括三个属，包括毛蟶（Pharus）和囊稃竹；3）Puelioideae，是包括非洲巨菌草（Puelia）的小类群。4）早熟禾亚科（Pooideae），包括小麦、大麦、燕麦、雀麦草（Bronnus）和芦苇草（拂子茅）；5）包括竹子的竹亚科；6）包括水稻和野生稻的稻亚科；7）包括芦竹和常见芦苇的芦竹亚科；8）假淡竹叶，含有11个属的小亚科，有时包括在黍亚科（Panicoideae）中；9）虎尾草亚科，包括雀茅类（画眉草属，约350种，包括埃塞俄比亚画眉草）、鼠尾粟（鼠尾粟属，约160种）、龙爪稷（穇子（Eleusine coracana(L.)Gaertn.））和乱子草（乱子草属，约175种）；10）黍亚科（Panicoideae），包括稗草、玉米、高粱、甘蔗、大部分稷、福尼奥米和须芒草；11）Micrairoideae；12）Danthoniodieae，包括蒲苇；它属于早熟禾属，大约有500种草，原产于两个半球的温带气候区。
种植农业禾本科的可食用种子称为谷类。常见的三种谷类是水稻、小麦和玉蜀黍（玉米）。在所有作物中，有70%是禾本科。甘蔗是生产糖的主要来源。禾本科用于建筑。由竹子制成的支架能够经受台风强风的吹袭，该台风强风会破坏钢筋支架。更大的竹子和芦竹（Arundo donax）有结实的秆，可以以类似于木材的方式使用，并且草根使草屋的草皮（sod）稳固。芦竹属用于产生木管乐器的芦苇和许多器具的竹子。
因此，优选的木质纤维素生物质选自由禾本科组成的组。换句话说，优选的木质纤维素生物质选自由属于禾本科或颖花科的植物组成的组。
如果含多糖生物质是木质纤维素生物质，可以在预处理之前将该物质切成碎片，其中20%（w/w）的生物质优选范围在26-70mm内。优选经预处理的物质在进入处理之前干物质含量高于20%。除了从生物质中释放出碳水化合物，预处理过程还能将生物质消毒和使其部分溶解，同时从木纤维部分中洗出氯化钾。
生物质将包括一些可水解成可获自生物质水解的水溶性化合物。例如，纤维素可以水解成葡萄糖、纤维二糖、和更高的葡萄糖聚合物，并且包括二聚体和低聚物。纤维素通过碳水化合物水解纤维素酶水解成葡萄糖。普遍理解纤维素分解系统将纤维素酶划分成三类：外-1,4-β-D-葡聚糖酶或纤维二糖水解酶（CBH）（EC3.2.1.91），其使纤维二糖单元从纤维素链的端部断裂；内-1,4-β-D-葡聚糖酶（EG）（EC3.2.1.4），其在纤维素链中随机水解内部β-1,4-糖苷键；1,4-β-D-葡糖苷酶（EC3.2.1.21），其将纤维二糖水解成葡萄糖并且也从纤维寡糖上使葡萄糖单元断裂。因此，如果生物质包含纤维素，则葡萄糖是可获自生物质的水解的水溶性水解种类。
通过类似的分析，半纤维素的水解产物是水溶性种类，可获自生物质的水解，当然，假设生物质包含半纤维素。半纤维素包括木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯糖基木聚糖、葡甘露聚糖、和木葡聚糖。通过半纤维素酶可以释放出半纤维素中的不同的糖类。由于半纤维素的异种性质（heterologous nature），半纤维素分解系统比纤维素分解系统更复杂。除了其他，该系统可以包括：内-l,4-β-D-木聚糖酶（EC3.2.1.8），其水解木聚糖链内部的键；1,4-β-D-木糖酶（EC3.2.1.37），其从非还原端攻击低聚木糖并释放木糖；内-l,4-β-D-甘露聚糖酶（EC3.2.1.78），其断裂内部键；1,4-β-D-甘露糖苷酶（EC3.2.1.25），其将甘露寡糖断裂成甘露糖。可以通过许多酶去除侧部基团，如α-D-半乳糖苷酶（EC3.2.1.22）、α-L-阿拉伯呋喃糖酶（EC3.2.1.55）、α-D-葡糖苷酸酶（EC3.2.1.139）、肉桂酰酯酶（EC3.1.1.-）、乙酰木聚糖酯酶（EC3.1.1.6）和阿魏酸酯酶（EC3.1.1.73）。
可及性预处理生物质的组合物包含液体和固体，并且可以根据其C5、C6、糠醛量和酶可及性表征。
在组合物中C5化合物（C5’s）的总量等于该组合物中阿拉伯聚糖和木聚糖的总和，包括在液体和固体的该组合物中阿拉伯糖和木糖的单体、二聚体、低聚物和聚合物。
在组合物中C6化合物（C6’s）的总量是葡聚糖含量，包括液体和固体的葡萄糖的单体、二聚体、低聚物和聚合物。如文献中已知的，典型的汽爆生物质的糠醛与[C5’s+C6’s]x10000的比率为至少50，其中C5’s与C6’s的比率大于0.55。如实验流所示，本文描述的方法能够产生糠醛含量大于0的汽爆产物，即一直存在，但糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于60。因此组合物中C5’s与C6’s的比率在0.45到0.54的范围内，糠醛与[C5’s+C6’s]x10000的比率在0到60之间，或更优选地，0到50，或预期更优选地，0到30。
来自汽爆的组合物可以如下表征：一直含有糠醛并且其中C5’s与C6’s的比率小于0.45以及糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于40，或更优选地，C5’s与C6’s的比率小于0.45并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于15；或更优选地，C5’s与C6’s的比率小于0.45并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于10；或更优选地，C5’s与C6’s的比率小于0.40并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于40；或者甚至更优选地，C5’s与C6’s的比率小于0.40并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于9，C5’s与C6’s的比率小于0.35并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于10，或者甚至更优选地，C5’s与C6’s的比率小于0.30并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于7。
流体的液体部分的组成是唯一的，可以描述为一直含有糠醛，C5’s与C6’s的比率大于4.0并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于80，或更优选地，C5’s与C6’s的比率大于4.0并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于60，或甚至更优选地，C5’s与C6’s的比率大于4.0并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率小于30，或C5’s与C6’s的比率最宽的范围是大于3.0并且糠醛与(C5’s+C6’s)x10000的比率最宽的范围是小于160。
进一步通过酶可及性表征该组合物。在预处理之后，其中汽爆通常是最后的步骤，将生物质组合物送至水解步骤，以通过解聚纤维素降低粘度。这通常在酶存在下进行。反应越快，纤维素物质越易到达酶，因此称为术语酶可及性。
在水解过程中，酶可及性是标准酶可以水解纤维素组分速度的度量。酶可及性用在规定时间内转化的纤维素总量的百分比表示。
在典型生物质组合物中酶可及性为在约72小时下90%。这意味着将90%的全部可用纤维素物质水解消耗约72小时。更高的酶可及性意味着在更短的时间内转化更多的纤维素物质。酶可及性还可以用在单位时间下的百分比表示。例如，酶可及性为在24小时下50%意味着在24小时下已有50%可用纤维素已转化。这还可以表示为在24小时下50%酶可及性或50%的24小时酶可及性。
以下短语全部表示在24小时下30%至100%的纤维素已转化：在24小时下至少30%的酶可及性、在24小时下至少30%酶可及性、至少30%的24小时酶可及性。
本发明的组合物有如此高的酶可及性的原因是未知的，但可以认为，汽爆长度相对于阀门直径产生更高的可及性数值。
如在实验部分证明的，物质的酶可及性是经过24小时至少30%的纤维素已水解。优选的组合物将具有至少50%的24小时酶可及性，更优选的组合物具有至少61%的24小时酶可及性，另一种优选的组合物具有至少71%的24小时酶可及性，另一种优选的组合物具有至少75%的24小时酶可及性，另一种优选的组合物具有至少81%的24小时酶可及性，另一种优选的组合物具有至少91%的24小时酶可及性；最优选的组合物具有至少90%的24小时酶可及性。全部24小时酶可及性的测量是利用相当于30FPU/g的葡聚糖的酶量进行的。
使用通常购自Andritz Inc.,Glen Falls,NY,USA的装置，以以下方式制备组合物。
如实验部分详述的，使用的纤维素生物质材料原料在实验表格中确定。除非另外说明，原料连续供料至第一加压反应器。在标示以溶解和水解半纤维素（主要是C5）的压力和温度下以及在蒸汽的标示量的速度下通过加入蒸汽来处理纤维素生物质原料。液体流由以下各项组成：溶解的半纤维素、C5和无定形C6、以及从加压反应器中提取的液体水解副产物。
在反应器的原料中作为液体除去的C5糖副产物的实例包括：醛类（HMF、糠醛和甲醛）、单体酚类（香草醛和松柏醛）和酸类（如乙酸和甲酸）。在从第一反应器中除去溶解的半纤维素之后，将剩余原料从第一反应器排入以密封或提取。原料保持加压，并经由出料螺杆将其从第一反应器转移至排出螺杆然后转移至Andritz（MSD）单动盘磨机
Figure BDA00002986531500091
。单动盘磨机将施加到原料的压力增加到高于第一反应器中的压力水平，至适于汽爆的水平，而且随着压力增加除去更多的液体。
当显示原料注入水时进行汽爆反应器处理。在使原料保持指定时间之后，通过10mm长的减压器（reducer）随后经过25mm直径的通风阀（blowvalve）将原料从汽爆反应器排放至长为5m的15mm放气管（blow line），在暴露于空气中之前排放至大型收集容器内。通风阀按指定百分比打开。
如下进行出料：在汽爆反应器出料时，原料的压力如示出的，通过使原料通过连接到汽爆反应器的通风阀，压力显著降低到大气压。通风阀两侧的压降表示压力下降。原料单元中的水到蒸汽的转化引起纤维素生物质原料单元的粉碎性爆炸。
汽爆反应器出料时原料的压力如显示的，并且压力降低到大气压。
实验
这些实验的目的是通过物理化学处理（“预处理”）产生物料，这些物料然后可以通过酶催化水解和发酵转化成生物乙醇。物料（在下文中称为“预处理的”）必须满足多种要求。因此从化学角度看，根据起始物料（原料）计算，其必须包含最大可能量的可发酵C5和C6糖。从物理学的角度看，复杂半纤维素和木质素网络阻碍酶到达待解聚的纤维素，在预处理过程中必须通过破坏这些网络使生物质变性（destructure）。
预处理的效率根据这两个方面评估。至于化学效应，下文列出的数据示出了获得的产物的典型参数，即在产物中C5和C6糖的量以及糠醛的量，它们是形成的产物中的主要的降解产物。
相反，仅间接评估物理效应，即通过测定“酶可及性”，即，评估在标准条件下存在于预处理的固体中葡聚糖的可及程度。
为了比较，下文列出的数据也包括在外部进行的一些实验中测定的相应参数。
使用的装置
在两种不同类型的装置中进行预处理，一种进行分批法，另一种进行连续法。用于分批法的装置是容量为10dm3的隔热反应器，其通过可以借助于球形阀关闭的管道连接到600dm3的膨胀容器（expansion vessel）。该反应器有用于生物质在顶部进入的入口，两个也位于顶部的入口。利用气压传动装置，由控制板调控引入反应器中的蒸汽。通过手动阀调控蒸汽压力，但保持较低。反应器还配备装有蝶形阀的通风孔。前者可以借助手动操作的旋塞调控。最后，反应器还具有也手动调控的压缩空气入口。另一方面，膨胀容器通过通气管和外部通连，并且装备有位于内表面的挡板以引导来自反应器的生物质，同时使与外部的冷却套接触的时间最大化。经处理的生物质通过底部的排出孔排出，可以用滑动闸式阀关闭排出孔。该设备还包括手动压力机（press），其可以产生300巴的压力并且在预处理之后用于将液相从固体中去除。
用于连续法的装置与在国际专利申请WO2009/108773中的描述的基本相同。现有型号包括用于通过两侧是两个球形阀的压力室引入生物质的部分。生物质从该压力室供料至垂直反应器（反应器1），其通过向其中引入蒸汽来保持所需的压力。在处理后，借助位于反应器底部的螺旋式传送器将生物质排出。该第一螺旋式传送器和第二倾斜螺旋式传送器相连，第二倾斜螺旋式传送器用于除去蒸汽凝结成的液体，蒸汽可以是由于用水洗涤物料产生的。在该部分的下游，将生物质传送至称为“MSD单动盘磨机”的螺旋式传送器内，该装置获自Andritz AG，其在高压缩比下操作。使用该装置以制作材料插头（material plug），需要将上游区与下游区分离，该步骤可以在不同压力下进行。另外，此处还可以实现进一步的液体去除。位于MSD单动盘磨机下游的部分包括两个螺旋传送器，其中第一个称为反应器2。安装在这些螺旋传送器末端的自动排出阀和管道相连，该管道称为“排料管路”，其产生瞬间减压。最后将生物质传送至旋风分离器内，在其中来除挥发性组分和过量的蒸汽。
将已经除去的液体收集在两个单独的容器中，可选地，保持在可能再循环的压力下。
酶解本身已经在3.6升的Infors实验室规模发酵罐中进行。这些反应器装有夹套，根据安装在反应器内部的传感器的指示调控反应器内的温度。借助于探针测定pH值，其启动两个蠕动泵分别添加酸和碱。生物反应器装有连接到两个Pelton涡轮机的旋转式轴搅拌器。
使用的材料
用两种类型的原料生物质进行，一种来自芦竹（Arundo donax），另一种来自纤维高粱，它们的组成如下。
表1：起始物料组分
高粱 芦竹
干物质含量 % 83.00% 92.00%
水 wt% 17.00% 8.00%
葡聚糖 wt% 26.97% 33.34%
木聚糖 wt% 14.42% 19.17%
乙酰基团 wt% 2.06% 3.59%
提取物 wt% 16.40% 7.95%
克拉松木质素 wt% 13.49% 19.27%
残留物（在575°C下处理后） wt% 5.30% 5.86%
其他不可溶物质 wt% 4.35% 2.82%
总计 wt% 100.00% 100.00%
通过以下标准分析法已经测定出生物质的组成。
生物质中结构性碳水化合物和木质素的测定
实验室分析程序（Laboratory Analytical Procedure，LAP），公布于2008年4月25日
参见Technical Report NREL/TP-510-42618，修改于2008年4月
[NREL=国家可再生能源实验室（National Renewable EnergyLaboratory）]
生物质中提取物的测定
实验室分析程序（LAP），公布于2007年7月17日
参见2008年1月Technical Report NREL/TP-510-42619
用于组分测定的样品制备
实验室分析程序（LAP），公布于2005年9月28日
参见2008年1月Technical Report NREL/TP-510-42620
生物质中总固体和获得的液体样品中总溶解固体的测定
实验室分析程序（LAP），公布于2008年3月31日
参见Technical Report NREL/TP-510-42621，修改于2008年3月
生物质的灰分含量测定
实验室分析程序（LAP），公布于2005年7月17日
参见2008年1月Technical Report NREL/TP-510-42622
获得的液相中糖类、副产物和降解产物的测定
实验室分析程序（LAP），公布于2006年12月8日
参见2008年1月Technical Report NREL/TP-510-42623
预处理生物质中不溶性固体的测定
实验室分析程序（LAP），公布于2008年3月21日
参见2008年3月Technical Report NREL/TP-510-42627。
在全部实验中用于测定在酶解期间生物质的酶可及性的酶混合物具有以下组成。
Figure BDA00002986531500141
纤维素酶复合物是可将纤维素催化分解成葡萄糖、纤维二糖和具有更高分子量的葡萄糖低聚物的酶配制物。
木聚糖酶和半纤维素酶溶液主要催化半纤维素解聚成单糖或低聚糖形式的成分，但它们还具有较少程度的一些其它催化活性。
“酶复合物”是作用于多种糖类化合物的酶溶液，并提高和其一起制备的全部溶液的活性。酶混合物有以下活性特征。
Figure BDA00002986531500142
多种酶活性单位定义如下。
如NREL的实验室分析程序的描述测定和定义滤纸单位（FPU）（参见2008年1月的Technical Report No.NREL/TP-510-42628）。本方法涉及工业标准的使用，以每毫升初始（未稀释的）酶溶液的滤纸单位（FPU）测定纤维素酶活性。为了获得定量结果，必须基于显著和相同的转化率的基础上比较酶配制物。对于给定的酶，1FPU是在50°C下在60分钟内从50mg的Whatman1号滤纸（转化率：4%）释放2.0mg的还原糖（以葡萄糖测定）所需要的酶量。国际理论和应用化学联合会（InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）已经定义其为用于计算FPU值的截距（intercept）。
根据与具有已知活性的标准酶相关的FXU值测定木聚糖酶活性。如下所述，在上清液中进行分光光度测定获得的结果与参照样品获得的标准曲线进行比较。
对于该测定，木聚糖酶样品与由从雷玛素染色的小麦提取的阿拉伯糖基木聚糖组成的底物温育。用乙醇沉淀未转化的底物。在未沉淀底物中降解产物赋予上清液体的蓝色强度与木聚糖酶活性成正比，但不同的酶的颜色曲线可以变化。
样品活性 ( FXU / g ) = W C · F · D
其中C是从标准曲线读取的酶活值（FXU/ml）F是样品的体积（ml）
●D是样品后续稀释度（例如第二次或第三次的稀释度），以及
●W是样品的重量（g）。
一个FBG单位是通过等于标准程序中每分钟1mol的葡萄糖的还原能力释放一定量的葡萄糖（或还原碳水化合物）的酶量，通过如下所述的索莫吉-纳尔逊（Somogyi-Nelson）方法进行标准程序。
标准反应条件：
●样品应稀释到活性为0.02-10FBG/ml
●底物：0.5%的β-葡聚糖
●温度：30°C
●pH：5.0
●反应时间：30分钟
真菌β-葡聚糖酶与β-葡聚糖反应，生成葡萄糖或还原糖。
借助于自动调节系统，使用1M的含水H2SO4溶液和1M的含水NaOH溶液校正，pH已经保持在约为5。
检测方法的步骤
首先制备一定量的干燥生物质，然后在室温下用水处理，将其水分含量调节到所需的水平。在使用条件下，水被生物质吸附而不是以游离态存在。
分批法（在装置1中进行）
在该情况下，预处理由两个连续的阶段组成。在第一阶段，反应器装有一定量的生物质同时进气阀保持关闭。根据干物质计算，量为约1.5kg。然后将蒸汽通入反应器直至达到所需的温度和压力以确保饱和。当已达到设定值时，在预定时间t内使系统保持在稳态条件下。然后缓慢释放压力并回收生物质。在300巴的压力下，在运行的压力机种通过压缩生物质以将生成的固相和液相分离。固相用于处理的第二阶段，在同样的反应器中进行新的操作周期。该阶段如之前的进行，除了在该情况下没有缓慢地通过通风孔释放压力，而是通过完全打开“汽爆阀”瞬间释放压力。因此在容器中物料发生膨胀，并且排出挥发性组分和过量水分。然后将在该预处理过程中获得的物料转移至实验室规模的生物反应器中用于酶催化水解，该过程是在以下条件下进行的：
T=45°C
搅拌器速度=300rpm
pH=5
干物质含量=7.5wt%
T=24h
在物料中解离出的葡萄糖量由上面描述的方法测定，借助于以下方程式使获得的值用于计算产率：
Figure BDA00002986531500171
（方程1）
其中
Y葡萄糖，24h是24小时后的葡萄糖产率，根据可溶总量计算；
c葡萄糖，24h是24小时后液相中葡萄糖的浓度；
WIS是24小时后不可溶的固体量，基于总重量计算（wt%）；
ρ液体是液相的密度；
w葡聚糖，0h是时间t=0时的葡聚糖重量，根据总重量计算；以及
1.111是考虑到葡萄糖的分子量（180g/mol）和葡聚糖的分子量（162g/mol）之间差异的因子。
连续法（在装置2中进行）
在该情况下，使用所需的进料速度将物料首先以半连续方式输送至压力室。当已达到所需的压力时，将生物质供料至反应器1。在其中的停留时间取决于之前的累积（build-up），可选地通入蒸汽以补偿任何热损失。然后将物料首先输送至出料螺旋式传送器中然后输送至倾斜螺旋式传送器，在其中除去第一部分的过量液体。然后将物料输送至MSD单动盘磨机中，在其中通过压缩物料除去更多液体。通过上文提到的材料插头，将生物质从MSD单动磨盘机转移至反应器2内。必要时，可以通过向其中输送蒸汽在该反应器内获得所需的温度与压力。然后通过最后的螺旋式传送器将物料转移至放气管路内。在此处发生的减压使得压力降至旋风分离器中的一般值。该放气管路长为约6米，内径为约25mm（1英寸）。
控制该操作的阀可以用不同的方法打开：特别地，可以始终使其保持一定程度的打开，或可以使其保持关闭一定长度的时间然后打开到一定程度持续下一时间段。
然后使获得的物料经受同样的酶解，以及与在分批法的情况一样的分析。
试验条件和结果
连续法进行8次，分批法进行2次，在两种情况下都使用上文描述的适当步骤。为了比较，下表也包括用于其他两个实验的相应数据，这两个实验在仅包括一个汽爆反应器的工厂中进行，即在位于能源环境署（Trisaia）的ENEA工厂中进行。
在下表中列出的数据给出了生物质的组合物和其对使用的酶的可及性的试验条件和获得的结果。
表2显示了在全部实验中获得的结果。实验1-8在装置2中通过连续法进行，实验9和10使用装置1通过分批法进行。实验11和12在ENEA工厂中进行，该ENEA工厂仅包括一个具有螺旋式传送器和最终爆炸的反应器。
表3显示了在预处理结束时根据C6和C5糖的量获得的物料的组成，计算干物质、糠醛、以及这些成分之间的比率。
Figure BDA00002986531500191
Figure BDA00002986531500201
表2：实验条件和获得的酶的可及性
表3：蒸汽诱导爆炸之后生物质组成

Claims (17)

1.一种生物质组合物，包含固体，液体，一定量的基于液体和固体的所述组合物中的阿拉伯聚糖、木聚糖以及阿拉伯糖和木糖的单体、二聚体、低聚物和聚合物的量的C5化合物，一定量的基于包含液体和固体的所述组合物中的葡聚糖的单体、二聚物、低聚物和聚合物的葡聚糖含量的C6化合物，以及糠醛，其中所述组合物进一步的特征为具有至少30%的24小时酶可及性。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中C5化合物的量与C6化合物的量的比率大于0.50，糠醛的量与C5化合物和C6化合物加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0060。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中糠醛的量与C5化合物和C6化合物加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0050。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中糠醛的量与C5化合物和C6化合物加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0040。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中糠醛的量与C5化合物和C6化合物加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0030。
6.根据权利要求1所述的组合物，其中糠醛的量与C5化合物和C6化合物加在一起的量的比率大于0且小于或等于0.0016。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计11至99%的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计14至99%的范围内。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计16至99%的范围内。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计19至99%的范围内。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计21至99%的范围内。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计24至99%的范围内。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计26至99%的范围内。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计29至99%的范围内。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计31至99%的范围内。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计36至99%的范围内。
17.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中所述组合物中的固体量在所述组合物的按重量计41至99%的范围内。
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