CN103476939A - 在木质纤维素原料浆中引入纤维素酶的方法 - Google Patents

在木质纤维素原料浆中引入纤维素酶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。该方法包含的步骤有（i）提供预处理后的木质纤维素原料浆；（ii）通过管道移动预处理后的原料浆，该预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；（iii）在该预处理后的浆料中加入纤维素酶，以产生含有纤维素酶的浆料；（iv）使用一高剪切串联混合装置分散在步骤（iii）中加入到该预处理后的浆料中的纤维素酶，从而产生含有分散纤维素酶的预处理后的浆料；随后（v）使含有分散纤维素酶的预处理后的浆料水解，以从其所含的纤维素中产生葡萄糖。

Description

在木质纤维素原料浆中引入纤维素酶的方法
技术领域
本发明涉及一种改进的过程，用于将木质纤维素原料转化为葡萄糖。特别地，本发明涉及一种改进的过程，用于将纤维素酶法水解为葡萄糖。
背景技术
近几年来，已在燃料和化学品生产上投入大量关注和努力，纤维原料，比如农业废弃物和林业废弃物，因其成本低和易于得到，主要用于生产乙醇。这些农林业废弃物通常被焚烧或填埋。因此，使用这些纤维原料生产乙醇提供了另一种极具吸引力的废物利用方式。
将纤维原料转化为乙醇或气体发酵产品的第一步化学处理步骤通常涉及到原料准备。预处理的目的是增加纤维素的表面积，同时限制纤维素转化为葡萄糖。可以使用酸蚀预处理法在以下条件下实现原料的预处理：水解原料中的半纤维素成份，然后使用纤维素酶对残留在预处理纤维素原料中的纤维素进行酶法水解。酸蚀预处理通常水解原料中的半纤维素成份，以产生木糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖和阿拉伯糖，并且该过程被认为能够提高纤维素到纤维素酶的可达性。
在一种酸蚀预处理法中，蒸汽产生的压力迅速降低并伴随暴发性减压，这就是众所周知的蒸汽爆发。Foody（美国专利号4,461,648）描述了用于蒸汽爆发预处理的设备和条件。在蒸汽爆发中加入硫酸，使其pH值为0.4到2，产生均匀的预处理材料，其纤维素水解时所需纤维素酶少于其他预处理方法。
在文献中描述的其他预处理方法包括碱法预处理和机械预处理。碱法预处理方法的例子包括氨纤维膨胀法（AFEX）和稀释氨水预处理法。根据AFEX方法，纤维素类生物质与通常浓缩存放在高压容器中的氨或氢氧化铵接触。稀释氨水预处理法比AFEX使用更多的氨或氢氧化铵稀释溶剂。
机械预处理法的例子包括在美国专利2001/0012583和美国专利号为5,498,766的专利中公开并在以下讨论的例子。根据这些方法，原料浆被填入一高剪切装置中，该装置包括多个同心环，这些环安装在一腔室内的一转子上。浆料进入该装置中心并通过这些环上的齿间的空隙被逼出。当浆料通过环间的空隙和齿时，引起剧烈剪切并使原料空化。正如此处的说明，该操作增加了基质的表面积并波坏其纤维结构。
利用纤维素酶将纤维素水解为含有酶混合物的葡萄糖，酶混合物包括纤维二糖水解酶（CBH）、内切葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶。CBH和EG酶可催化纤维素的水解（[β]-1,4-D-葡聚糖键的）。CBH、CBHI和CBHII酶作用在纤维素的微纤丝内的葡萄糖聚合物的末端并释放纤维二糖，而EG酶作用于纤维素的随机位置。纤维素酶一起将纤维素水解为纤维二糖，纤维二糖转而在β-葡萄糖苷酶（β-G）作用下水解为葡萄糖。酶法水解通常是在一个或多个pH值、温度和混合条件受控的稀释混合间歇式反应器中进行。
通常在酵母菌菌株的作用下从葡萄糖发酵产生乙醇。通过蒸馏回收乙醇并且乙醇可进一步通过分子筛浓缩。
在引入的原料或经预处理的原料中加水形成浆料，以便运输和处理该纤维素原料。该浆料由纤维素原料或经预处理的原料片或水中的颗粒组成。在现有技术下，许多将木质纤维素转化以生产可发酵糖的过程中，其固体含量以未溶解固体为度量单位（本文简称为“UDS”），值为5至12wt%。这种浆料通常被称为“中等浓度浆料”。该含水浆料的浓度以未溶解固体浓度（UDS）表达，可由这些示例中描述的UDS过程决定。
但为了使木质纤维素转换过程更加经济,最好使该浆料的未溶解固体含量更高。处理固体含量高的浆料在各处理阶段有很多优势。例如，在化学预处理时，引入含水量低的浆料被加热所需蒸汽和化学制品较少。在酶法水解过程中，固体含量高可提高该过程的体积效率。此外，当固体含量高时，水解产物将含有高浓度的可发酵糖，可提高生产率。
此外，减少浆料中水的体积可减少所需设备尺寸，转而降低资金成本。使用固体浓度高的浆料的进一步优势在于可以显著降低工厂所需的水量供给。用水量显著增加该过程的花费，特别是在气候干旱的地区。降低该过程所需用水量是使该过程经济上可行的主要步骤。
尽管利用高浓度浆料具有上述优点，但在该浆料的预处理的后期阶段可能存在问题,特别是在纤维素的酶法水解过程中。发明者已发现的问题之一是：如果在酶法水解之前使用标准设备混合纤维素酶和预处理后浆料，并且预处理后浆料中的未溶解固体成份很高，那么其效果不好。为了确保在酶法水解开始前，纤维素酶在预处理后浆料中分散充分，需要在酶法水解前执行这些混合步骤。一典型的设备配置是水解配置槽，浆料在进入水解反应器之前，酶和碱先在该浆料中混合。但为了在常规的混合槽使该非常粘稠的浆料充分分散，需要输入非常多的能源。这是因为这种浆料的流变学特性表明：在低压下该浆料将表现出半固体特性。这种流变学特性将导致需要大量的能量，这将显著增加该过程的水解阶段操作成本。
在开发使用纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖的方法上已经做出很多努力，主要集中在稀释系统上。美国专利号为5,248,484的专利公开了如何在一含有内部搅拌装置的搅拌水解器中进行纤维素的酶法水解。从反应器中排除的测流被送到一研磨机中，该研磨机可产生引起摩擦或减小固体颗粒尺寸的高剪切场。该研磨机中的流随后返回该搅拌水解器中进行再循环。这种配置将新的基质表面区域暴露给酶，从而提高反应效率。美国专利号为5,508,183的专利公开了一类似的设备，该设备被配置用于实现纤维素的酶法水解。
但上述专利（美国专利号为5,248,484和5,508,183）并未解决有关水解高浓度系统中的纤维素的问题，特别是与在厚料浆中引入纤维素酶有关的问题。此外，其中公开的反应器系统用于水解高浓度浆料中的纤维素似乎在经济上并不可行。比如，在酶法水解过程中，为了在这种搅拌反应器中有效地混合高粘稠浆料，将需要输入大量能量。
WO2009/045651公开了一种间歇式补料反应器系统，其包括多种大小的还原步骤，并在一垂直搅拌槽中充分混合高浓度生物质。生物质被导入一垂直反应器槽，该槽具有一架空搅拌器系统，比如马达和具有一片或多片叶轮的轴。可混合的浆料被导入该反应器。对于含水量不足的浆料，在装载前加入液体，以便在搅拌器作用下保持混合。该生物质浆料随后在合适条件下发生反应。因为随着水解的进行，浆料的粘稠性变小，所以在该反应器中加入额外部分的经预处理的生物质，以产生固体含量更高的生物质浆料。监控该浆料的混合性并控制生物质添加剂，以保持充分混合。但该过程并未在高浓度浆料中使用额外的酶，而是在反应器中保持高固体浓度，以获得高糖浓度。
美国专利号为4,409,329的专利公开了一种含水浆料，其含有3-20wt%的固体纤维素，该纤维素含有纤维素酶，其中所述接触在剪切的作用下发生于水解容器的反应区。该容器含有一同心轴，该轴支持多个穿孔转子叶片，这些转子叶片与定子叶片交错附着在该容器壁上。但为了混合高浓度浆料，这种水解容器需要输入大量能源。
美国专利号为5,498,766（在上）的专利公开了一预处理方法，在该阶段，生物质被打碎、切丝和分解，以便暴露出纤维并使之分开。据报告，由此产生的纤维，因微空化和剪切作用，在其内部呈现广泛的非结晶化。如上所述，这种非结晶化发生的频率很高，转子-定子分散装置的一腔室内具有同心齿环。在该装置施加的离心力作用下，原料进入该装置中心并穿过齿环间的空隙。打碎、剪切和分解步骤的目的是为了破坏纤维素的木质素键合以及可能存在的半纤维素的纤维素键合。这使纤维素材料可更好地用于被纤维素酶催化的水解。可在纤维爆发阶段曝光前或之后将纤维素酶加入浆料中。
其他文献表明，纤维素酶的活性随剪切速率增加或在强烈混合下降低。研究表明，高剪切或在水解过程中延长纤维素酶暴露在剪切中的时间，可以导致纤维素酶变性（例如，Cao and Tan，2004，高分子科学杂志B43（6）:1115-1121）。
需要更加经济有效的方法使高浓度浆料中的纤维素水解为葡萄糖。特别是有必要在现有技术中进一步降低与这种方法相关的资金和运营成本，以使之更具有商业可行性。
发明内容
考虑到从木质纤维素原料中获得葡萄糖的方法中遇到的困难，本发明克服了现有技术中一或多个缺点。
本发明的一个目的是提供一种改良的方法，将纤维素催化水解为葡萄糖。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。该方法包括以下步骤：（i）提供经过预处理的木质纤维素原料的浆料,其中至少一部分半纤维素在预处理过程中被水解（ii）通过一管道将该预处理后的浆料移走，该浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；（iii）可选性地将该预处理后浆料的pH值调整为与纤维素酶的pH值兼容；（iv）将纤维素酶加入该预处理后的浆料，以便在形成包含纤维素酶的浆料的同时，使该预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%（v）使用高剪切串联混合装置使步骤（iv）中加入该预处理后浆料的纤维素酶分散，从而使剪切作用于该预处理后的浆料，形成纤维素酶分散于其中的预处理后的浆料；随后（vi）使步骤（v）所得预处理后的浆料中所含分散的纤维素酶发生水解，以便从其中所含的纤维素产生葡萄糖。
根据本发明的另一方面提供了一种方法，如上所述，其中所述高剪切串联混合装置包含一或多个混合元件，其中所述该一或多个混合元件的横截面积与该处相同平面上的管道横截面积之比在0.01到2之间。
根据本发明的另一方面提供了一种方法，如上所述，其中所述预处理后浆料在该高剪切串联混合装置中的驻留时间在0.1秒到60秒之间。
根据本发明上述任何另一方面，该原料浆可包含至少20%的纤维素，并且超过90%的该原料颗粒，其长度在约1/8英寸到约6英寸之间。
根据本发明的另一实施例，该预处理后木质纤维素原料浆是酸性预处理后木质纤维素原料浆。
根据本发明上述任何另一方面，该纤维素酶的加入位置可以在该高剪切串联混合装置的上游、与该高剪切串联混合装置相邻，或这两种方式的组合。
根据本发明的另一实施例，该高剪切串联混合装置是转子-定子结构的混合器，其混合元件安装在延伸入管道的可转动轴上。该高剪切串联混合装置可以是一高剪切串联混合器，定义见下文。
根据本发明的一实施例，作用在预处理后原料上的剪切率在10至10000秒-1之间，或100至1000秒-1之间。
根据本发明的一实施例，该预处理后浆料的水解步骤包含使该预处理后的浆料中填入的纤维素酶被分散到至少一个未混合水解反应器中、混合水解反应器中，或这两种方式的组合。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于从木质纤维素原料生产葡萄糖的系统。该系统包括：（i）一预处理反应器，用于接收该原料中存在的木质纤维素原料浆和水解的半纤维素，从而产生预处理后的木质纤维素原料；（ii）一加酶装置，位于该处理反应器下游，用于在预处理后的木质纤维素原料中添加酶；（iii）用于接收预处理后原料的一管道，和一高剪切串联混合装置，用于接收该预处理后原料并对其实施剪切，从而产生含有分散的纤维素酶的预处理后原料；（iv）一或多个未混合水解反应器，用于接收和部分水解预处理后浆料中分散的纤维素酶，以便产生部分水解的纤维素混合物；和（v）一或多个下游混合水解反应器，用于接收部分水解的纤维素并继续水解混合物，以产生葡萄糖。
该系统还包括一脱水装置，其位于该预处理反应器的上游或下游，用于接收并脱水木质纤维素原料浆。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法，该方法包括：（i）提供预处理后的木质纤维素原料浆；（ii）通过管道移动预处理后的原料浆，该预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；（iii）在该预处理后的浆料中加入纤维素酶，以产生含有纤维素酶的浆料；（iv）使用一高剪切串联混合装置分散在步骤（iii）中加入到该预处理后的浆料中的纤维素酶，从而产生含有分散纤维素酶的预处理后的浆料；随后（v）使含有分散纤维素酶的预处理后的浆料水解，以从其所含的纤维素中产生葡萄糖。在本发明这方面的一实施例中，该混合装置是一高剪切串联混合器。
本发明与传统的将纤维素转换为葡萄糖的方法相比，具有多种优势。此处公开的是采用高剪切串联混合器分散高浓度浆料中的纤维素酶，并且降低所需能量的方法。在酶法水解前先分散高浓度浆料中的酶，降低与该方法相关的运营成本是通向从木质纤维素原料中生产葡萄糖的商业化过程的重要步骤。
附图说明
图1A和1B所示为高浓度酸性预处理后木质纤维素原料的横截面切面（未溶解固体成份为21wt%），图示为在一串联高剪切混合器上游加入碘化钾示踪剂之后其下游位置。图1A以三个部分图示说明了该示例的分解结构，图1B以8个部分图示说明了该示例的分解结构。随后测定了每部分的碘化钾浓度（不包括图1B中间部分）。
图2所示为沿从注射部位一管道侧壁到浆料中心切面的水平平面上，以英寸为距离单位的碘化物浓度（ppm）（简称为以英寸为单位的径向中点位置）。在管道侧壁上安装有用于导入碘化钾的喷射管路。该切面取自图1A所示例子的横截面的分解结构。两个横截面示例都取自50%功率下（空心圆和空心三角）和75%功率下（空心矩形和空心钻石形）。
图3所示为图1B所示横截面8个部分中每部分的碘化物浓度（ppm），取自当高剪切串联混合器以最大混合功率的33%运行时。两个横截面切面取自该混合速度下。在管道侧壁上安装有用于导入碘化钾的喷射管路。
图4所示为图1B所示横截面切面分解结构的8个部分中每部分的碘化物浓度（ppm）。该高剪切串联混合器以最大混合功率的50%运行。两个横截面切面取自该混合速度下。在管道侧壁上安装有用于导入碘化钾的喷射管路。
图5所示为图1B所示横截面切面分解结构的8个部分的碘化物浓度（ppm），此时注入的碘化钾示踪剂位于该管道中心。该高剪切串联混合器以最大混合功率的33%运行。
图6所示为图1B所示两个横截面切面分解结构的8个部分的碘化物浓度（ppm），此时注入的碘化钾示踪剂位于该管道中心。该高剪切串联混合器以最大混合功率的50%运行。
图7描述了一注入系统的安装，该系统用于从一导管内两个位置导入碘化钾示踪剂。该酸性预处理木质纤维素原料的未溶解固体浓度为21%（w/w）。如图所示，一2英寸长的套管轴从导管顶部深入该浆料，该导管从该套管轴末端有一1/4英寸的孔，还有一1英寸长的套管轴从导管的底部伸入该浆料，该套管轴从该导管的底部有一1/4英寸的孔。
图8所示为图4所示两个横截面切面分解结构的8个部分的碘化物浓度（ppm），此时使用图7所示注入套管轴注入的碘化钾示踪剂位于该管道中的两个位置。该高剪切串联混合器以最大混合功率的50%运行。
图9所示为在向高剪切串联混合器上游的导管壁中加入纤维素酶后，该混合器下游一酸性预处理后浆料的例子的横截面切面。图中所示横截面切面被分为三个部分的分解结构。
图10所示为葡萄糖浓缩物，其出自酸性预处理后木质纤维素浆料的的反应时间，该浆料含有以图9所述方式注入的纤维素酶。该高剪切串联混合器以最大混合功率的50%运行。这些切割样品（在图中以钻石形、举行和三角形表示）经过6小时未混合水解，然后经过充分混合，并随后经过额外的134小时混合水解。该图中还包括一控制（圆形）结果，酶被受控地加入并在其中分散。
图11所示为一串联高剪切混合器，用以图示说明剪切率的计算。
具体实施方式
以下说明中的优选实施例仅仅作为例子，并非限制实施本发明所需功能的组合。提供的标题并非为了限制本发明的各种实施例。术语“包括”、“具有”、“含有”和“包含”并非为了限制。此外，如未另外说明，使用的单数形式中如果包含复数形式和“或”则意味着“和/或”。除非此处另外定义，此处使用的所有技术和科学术语的含义与普通的专业人士通常理解的一致。
原料类型描述
该方法使用的原料为木质纤维素材料。术语“木质纤维素原料”是指任何类型的生物质植物，例如但不限于非木质生物质植物，栽培作物，例如但不限于草类，例如但并不限于C4植物，比如：柳枝稷、线草、黑麦草、芒、草芦，或它们的组合，糖加工剩余物，例如但不限于蔗渣，比如：甘蔗渣、甜菜渣、或它们的组合，农业残留物，例如但不限于大豆秸秆、玉米秸秆、稻草、甘蔗秸秆、稻壳、麦秸、玉米芯、麦秸、油菜秸秆、燕麦秸秆、燕麦壳、玉米纤维，或它们的组合，林业生物质，例如但不限于回收木浆纤维、木屑、硬木，例如白杨木、软木，或它们的组合。此外，木质纤维素原料可包括木质纤维素废料或林业废料，例如但不限于新闻纸、纸板等。木质纤维素原料可包括一个物种的纤维，或也可能包括源自不同木质纤维素原料的纤维混合物。此外，木质纤维素原料可包括新鲜的木质纤维素原料，部分干燥的木质纤维素原料、完全干燥的木质纤维素原料，或它们的组合。此外，新的木质纤维素原料品种可通过对以上列出的任何品种育种或基因工程生产。
木质纤维素原料中含有的纤维素大于20%，超过30%更好，超过40%（w/w）就最好了。例如，木质纤维素原料中含有的纤维素可从约20%到约50%（w/w），或其间的任何数量。此外，木质纤维素原料中含有的木质素大于10%，更典型地是超过15%（w/w）。木质纤维素原料中可能还含有少量蔗糖、果糖和淀粉。
减小原料尺寸
[0048]通常，首先会减小木质纤维素原料的尺寸，采用方法包括但不限于：研磨、打磨、搅拌、粉碎、压缩/膨胀，或其它类型的机械作用。根据本发明，木质纤维素原料经过减小尺寸后生成减小尺寸的原料，其中包括不同长度的颗粒。减小尺寸后，超过90%的原料其长度介于约1/8英寸到约6英寸之间。正如普通的专业人士能够理解的一样，木质纤维素原料经过减小尺寸后包含不同尺寸和形状的原料。
可采用任何适于该目的的设备通过机械作用减小尺寸，例如但不限于：锤式粉碎机、研磨机、辊压机、精炼机、碎纸机和水力碎浆机。适于减小颗粒尺寸的优选设备是锤式粉碎机、缸式研磨机、市面上出售的由SSI粉碎系统出品的“SSI粉碎机”、德克萨斯州大草原城Granutech-Saturn系统国际出品的Wilsonville、Oregon或“Grizzly粉碎机”。
应当理解，如果木质纤维素原料的尺寸已经介于[1/2]英寸至6英寸之间，那么无需减小其尺寸。
如需减小尺寸，可以在该木质纤维素原料干燥或湿润时进行，即含水量在0%到20%之间，或当在该木质纤维素原料中加水时。可实施干式粉碎，比如使用SSI或Grizzly粉碎机、锤式粉碎机或缸式研磨机，而用碎浆机执行湿式粉碎。如采用干式粉碎，那么颗粒尺寸应在[1/2]英寸至6英寸之间。当使用锤式粉碎机时，颗粒尺寸可小于4英寸至[1/2]英寸，这取决于该锤式粉碎机所用筛子的尺寸。
木质纤维素原料的颗粒尺寸对原料处理和预处理期间的化学反应都有影响。如下文的讨论，木质纤维素原料颗粒与液体的混合所得物质通常被成为原料浆。可采用通常用于处理液体流的设备处理原料浆。普通的专业人士即可选择原料颗粒的浓度和易于处理并达到酸蚀预处理所需原料反应性的颗粒。
为达到该规范说明的目的，采用图像分析决定原料颗粒的尺寸，该分析方法采用普通的专业人士知道的技术。一种合适的图像分析技术的例子公开在Igathinathane（Sieveless particle size distribution analysis ofparticulate materials through computer vision,Computers andElectronics in Agriculture,2009,66:147-158）中,其中报告了对几种不同的锤式粉碎机原料的颗粒尺寸分析。该测量制可以是体积或平均长度的重量。
可清洗该原料，以去掉砂、砂砾及其他外来颗粒，因为它们会损坏下游设备。
准备原料浆
浆化原料以便其易于泵送，并且该处理可在任何合适的间歇式或连续式混合器中进行，包括立管或碎浆机。浆化可能不同于水和化学添加剂，或也许与此同时发生。
可由普通的专业人士选择任何合适的浓度浆化引入的原料。实际使用中使用的原料浆浓度取决于具体采用的混合工具和具体使用的泵。该木质纤维素原料的含水浆料浓度以未溶解固体浓度（UDS）表达，其可由这些示例中描述的UDS过程决定。
在本发明的一实施例中，原料浆的未溶解固体浓度在约2%至约40%（w/w）之间，或更典型地未溶解固体浓度在约4%至约20%（w/w）之间。
可以参考“Handbook of Industrial Mixing”（作者Ed.Paul、Atiemo-Obeng、Kresta，2004年发表于Wiley-Interscience,Hoboken,NJ，已纳入本文作为参考），该册子提供了实施和设计混合所用设备及重要参数的介绍。（例如查阅第10、17和18章，特别强调了固液混合）。
木质纤维素原料含有可滤取的矿物，如钾、钠、钙，并且在某些情况下还含有镁。在稀释酸蚀预处理以从原料中去除这些物质前，可选择性地过滤该原料。通过过滤该木质纤维素原料，可降低稀释酸蚀预处理过程中导致对酸的需求量增加的化合物水平。
酸蚀预处理前的脱水
随后可采用普通的专业人士已知的任何技术脱水该木质纤维素原料。比如，可以利用除水装置在压力下从含水原料浆中脱水。适合本发明的脱水装置包括加压螺旋压力机，比如在WO2010/022511（已引入本文作为参考）中描述的以及加压过滤器。该脱水过程可选性地包括一预排水区，以在大气压下或更高压力的条件下从原料浆中排除水份。该脱水后的原料浆随后被送到一或多个设备中，在压力下脱水该浆料。在脱水步骤中从纤维素原料中榨取出的水份可被该过程重新使用。
该原料浆可被一或多台高压泵送至增压脱水设备，泵可采用SulzerCorp.或AndritzAG的产品，或其他合适的填料装置。泵或其他填料装置将该原料浆的压力升至例如约70帕至约900帕。可用脱水装置入口处的压力传感器测量该压力。
木质纤维素原料的预处理
预处理过程破坏了木质纤维素原料的纤维结构并增加原料的表面积，以便于纤维素酶催化。更可取的是，该预处理可导致半纤维素的高程度水解并且只有少量纤维素转化为葡萄糖。在后续使用纤维素酶的步骤中，纤维素被水解为葡萄糖。
执行酸蚀预处理的最佳温度范围的上限在约摄氏160度至约280度，或任何该范围内的温度。例如，该温度可约为摄氏160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270或280度。应该理解的是，在实际操作中，原料达到该温度范围前，该预处理过程将会有一定延时。因此，实施足够的加热后可达到该范围内的上述各温度值。
预处理反应器中的理想保留时间将取决于温度、酸浓度、所用原料和所需的处理程度。例如，浆料在预处理反应器中的保留时间可约为0.5至10分钟，或其间任何时间。也即是说，该保留时间可约为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10分钟。应该可以理解，同一段时间内不是所有颗粒都被保留下来。最理想的保留时机是反应器的体积（升）被流体速率（升/分钟）分开时。
预处理通常是在压力下进行的。例如，预处理时的最大压力范围约在50到700帕或约在75到600帕，或为其间的任何压力。
如果要在预处理时使用酸，那么可使用硫酸、亚硫酸、盐酸或磷酸。最好使用硫酸。加入木质纤维素原料中的酸量可能变化，但应足以使该浆料中的最终酸性浓度达到约为0.02wt%至2wt%，或其间的任何值。该原料的pH值约为0.4至3.5，或其间的任何pH值范围。例如，浆料的pH值可约为0.4、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0或3.5之间。
木聚糖水解的程度可约为80-100wt%，或其间的任何范围。合适的pH值和温度可选择在该pH值范围内，以便至少水解80wt%的木聚糖，同时保持纤维素水解程度在3-15wt%。
预处理前或后，可用蒸汽加热原料。可不受限制地通过一种方法实现这点，使用低压蒸汽部分地加热原料，然后将该原料泵入不同阶段的加热器队列。可通过其他方法加热原料，比如市场上销售的蒸汽混合装置，该装置被设计用于通过喷嘴引入蒸汽和可选性的酸。
可不受限制地对原料进行预处理，可能涉及到连续式预处理，也即是通过一反应器不断泵入木质纤维素原料。专业人士熟悉连续式酸蚀预处理。
添加酶的预处理原料呈浆状，本文中称之为预处理后原料浆。预处理前或后可在该原料中加入足够水份，以便产生可泵送的浆料。
酸蚀预处理时从半纤维素水解产生的糖通常呈现在该浆料中，其中包含木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或它们的组合。有机酸也可能呈现在该浆料中，可能包括乙酸，半乳糖醛酸，甲酸，乳酸，葡糖醛酸或它们的组合。很多木质纤维素原料包含具有乙酰基木聚糖的半纤维素。预处理过程从乙酰基中释放出乙酸。
根据本发明的一示例性实施例，预处理后原料浆中的可溶性成份从固体中被分离。可使用水溶液洗涤该预处理后原料成份，从而实现这种分离，以形成洗涤流和含有未水解的预处理后原料的固体流。另一种选择是，可采用如离心分离、微滤、板帧过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤等已知方法，使该预处理后浆料经受固-液分离，从而将可溶性成份从固体中分离。一洗涤步骤可选择性地纳入该固-液分离。分离出的含有纤维素的固体可随后使用纤维素酶被酶法水解，以便将纤维素转化为葡萄糖。将在下文更加详细地描述如何使用纤维素酶酶法水解纤维素。
该水溶液流含有预处理时释放的糖份，然后使用可使该原料中产生的半纤维素成份发酵的微生物，使预处理中的化学和其他可溶性成份发酵。
预处理后，通常使该预处理后原料浆冷却，以使其温度降至纤维素酶保持活性的温度范围。应该能够理解，可在多个阶段采用冲洗、热交换或其他可行方法使原料冷却。
预处理后，通过一导管移出该预处理后原料浆。可通过泵使该原料浆通过导管，该泵可处理未溶解固体浓度在15至30wt%之间的浆料。合适的泵的一个例子是螺杆泵，例如市场上销售的由Liberty ProcessEquipment生产的Liberty Process螺杆泵。
加入酶
酸蚀预处理后，在预处理后浆料中加入纤维素酶，以产生含有纤维素酶的浆料。
不论其出处，在本文所述pH值和其他条件下有效的任何适用于水解纤维素的纤维素酶都可被用于本发明的实践中。适用于实践本发明的纤维素酶包括那些取自曲霉属真菌、腐质霉属、金孢子菌属、黑钩叶、毁丝霉属、侧孢霉和木霉属以及来自芽孢杆菌和角质酶属的细菌。根据一实施例，纤维素酶取自一真菌源。产自丝状真菌木霉属的纤维素酶包括至少两种被称为CBHI和CBHII的纤维二糖水解酶，和至少四种EG酶。参见Lynd等人所著，2002年发表于Microbiology and Molecular Biology Reviews，66（3）:506-577，获得对纤维素酶系统的评论，以及Coutinho和Henrissat于1999年发表的“Carbohydrate-active enzymes:an integrated databaseapproach”。由Gilbert、Davies、Henrissat和Svensson编写的In RecentAdvances in Carbohydrate Bioengineering，发表于The Royal Society ofChemistry,Cambridge,pp.3-12，其中每篇文章都已纳入本文作为参考。
可以被专业人士理解的是，除了CBH、EG和β-葡萄糖苷酶以外，在纤维素酶的准备中还有多种辅助酶，其有助于纤维素的酶消化（参阅共同拥有的WO2009/026722（Scott），已被纳入本文作为参考，以及Harris等人所著，2010年发表于Biochemistry,49:3305-3316）。这些包括EGIV，又名Cel61、纤维膨胀因子、棒曲霉素、lucinen和纤维素诱导蛋白（CIP）。
通过β-葡萄糖苷酶将纤维二糖转化为葡萄糖。术语“β-葡萄糖苷酶”是指一种将葡萄糖二聚物、纤维二糖水解为葡萄糖的酶。β-葡萄糖苷酶的活性被酶学委员会在EC#3.2.1.21中定义。β-葡萄糖苷酶的来源可能有多种；但总而言之，β-葡萄糖苷酶可将纤维二糖水解为葡萄糖。β-葡萄糖苷酶可能属于族1或族3糖苷水解酶，虽然在本发明的实践中可能使用其他族的成员。最适用于本发明的β-葡萄糖苷酶是来自里氏木霉的Bgl1蛋白。还可考虑修改β-葡萄糖苷酶,以包括纤维素结合域，从而使该酶结合纤维素。
加入纤维素酶的预处理后木质纤维素原料浆是一种高浓度浆料，意味着其未溶解固体（UDS）含量约为15wt%至30wt%或任何其间的范围。在本发明的另一实施例中，预处理后木质纤维素原料浆的UDS含量约为18至30wt%或约为18wt%至28wt%，或任何其间的范围。该范围可为15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30%（w/w）。未溶解固体成份是基于固体的干燥重量，并根据示例中所述过程测量。未溶解固体浓度是在预处理后并且待该预处理后浆料冷却后测量的。
通常从管道内一个或可选性的两个或多个位置注入纤维素酶。加酶点可位于管道中心、管道侧壁或该管道内其他任何合适的位置。如图7所示，可从管道上相对两侧伸出的两个相对的添加位置注入酶添加剂。也可从沿管道长度方向上间隔开的多个添加点多点注入。
可采用已知的注入装置将酶加入浆料。包括但不限于市场上有售的化学品注入套管轴。另一种选择是，通过正确尺寸的管子或管道将酶注入浆料。通常情况下是从与浆料垂直的导入点加入酶。
在本发明的一非限制性示例中，将酶加入一池中，比如一槽，以形成酶溶液，并随后导入浆料。
可以从高剪切串联混合器的上游、朝向串联混合器或这两个位置加入纤维素酶。在本发明的一些实施例中，加酶点紧靠串联混合器，虽然执行本发明的过程中最适合从上游位置加入酶。
使用纤维素酶催化的酶法水解通常是在pH值介于约4.0至6.0之间展开，因为这是对于多数纤维素酶最佳的pH值范围。因此，如果预处理后浆料呈酸性，那么在实施酶法水解前，将使用碱上调该预处理后原料浆的pH值。但也可利用最佳pH值更加呈酸性或碱性的纤维素酶。
通常在上游的纤维素酶加入点加入碱，以确保该酶暴露在与之相容的pH值条件下。
高剪切串联混合
如上所述，加入纤维素酶之后，该酶不会与高浓度浆料充分混合。使用高剪切串联混合装置混合该酶以使该酶在整个浆料中均匀地分散，以便随后的纤维素酶法水解为葡萄糖这一过程能够有效地进行并产生足够的葡萄糖。选择合适的剪切率以确保酶分散在整个预处理后浆料中，如下文的讨论。
当原料浆被修剪时，浆料一部分区域的行进速率与其相邻区域的不同。高剪切串联混合装置可使用高速转子装置或其他结构，如下所述，通常由一电动马达提供动力，以便在浆料中“工作”，形成流体并剪切。在使用转子的装置中，在转子外径处的流体端速大于转子中心处的，并由此形成剪切。
此处使用的术语“高剪切串联混合装置”或“混合装置”是指以本文所述的剪切速率对预处理后原料浆实施剪切的任何合适的混合装置。高剪切串联混合装置包括混合元件，当浆料从预处理阶段过渡到酶法水解阶段时，该元件伸展到该浆料内任何地点的流经线路和方向上。该混合元件可伸展到与浆料流动方向垂直，或与该垂直方向成任何角度之处。
此处使用的术语“高剪切串联混合器”或“混合器”是指一混合设备，该设备不会显著提高相对于该混合器入口处的浆料压力的管道压力，而这种情况在泵中经常发生。高剪切串联混合器特别适用于本发明，包括那些含有安装在一轴上的离散混合装置。当浆料在混合器中运动时，混合元件可在浆料中运动并对该浆料实施剪切。在一串联高剪切转子-定子混合器中，转子被置于一带有一入口和一出口的外壳中，该转子在其内通过一密封管道被驱动。这种装置还包括一马达和一变速箱，用于驱动该转子。也可考虑在本发明的实践中采用静态混合器。
此处使用的术语“混合元件”是指一结构或安装在一转轴或固定元件上的结构，当预处理后木质纤维素原料浆流经该混合装置或混合器时，该结构可对该浆料实施剪切。可采用但不限于本发明包括的混合元件，如臂、锚、螺旋、水翼和爪子。
当浆料流经该高剪切串联混合装置或高剪切串联混合器时，该装置对浆料的阻碍作用很不明显。如果在该混合装置或混合器内出现大的负压差，这将增加上游或下游的泵送需要，转而增加了所需能量和泵的大小。浆料流经混合元件附近的横截面积应足够大，以确保不会限制或阻碍该浆料流过该混合装置或混合器。该高剪切串联混合装置或混合器的结构应满足以下要求，该混合元件的横截面积与同一横向位置的管道横截面积之比应足够小，以确保足够的浆料从此处通过。此处使用的术语“混合元件表面”是指该混合元件在与浆料流动方向垂直的方向上的最大投影面积。在本发明的一些实施例中，该高剪切串联混合装置或混合器的混合元件的横截面积与管道横截面积之比约为0.01至2，或约为0.1至1.5或约为0.2至1.0。
进一步决定一串联混合装置或混合器是否允许足够的浆料通过的方法是通过浆料在该高剪切串联混合器中的驻留时间来判断。可使用液体和/或固体相位示踪剂判断浆料在高剪切串联混合装置或混合器中的驻留时间。可使用以下公式判断浆料在高剪切串联混合装置或混合器中的驻留时间：
理想的平均驻留时间=V/Q
其中V表示流过高剪切串联混合装置或混合器的体积，单位是米3，Q的单位是米3/小时，表示流过高剪切串联混合装置或混合器的的流速。在本发明的一些实施例中，浆料在高剪切串联混合装置或混合器中的驻留时间为0.1至60秒，或其间的任何值。例如，浆料的驻留时间可能为0.1、10、20、30、40、50或60秒。
合适的高剪切串联混合装置的一非限定性示例是
Figure BDA0000380815720000161
SX-HP-8-8高剪切串联混合器。这种混合器包括安装在一转轴上的臂，该轴安装在管道内与流向垂直的方向上。
在已知装置中，高剪切混合器通过穿过一转子-定子阵列的一或多条通道发挥作用，产生较窄分布的颗粒。为实现这点，该机器配有带有孔或凹槽的定子，浆料被转子强制从其间通过。这种装置公开在美国专利号为5,498,766（在上）的专利中。本文公开的该混合器通常不能有效地分散本文描述的酸性预处理后原料浆中的纤维素酶，因为它们易于堵塞。但可考虑使这种装置采用可避免堵塞并允许一定程度的混合和剪切的结构。
高剪切串联混合装置或混合器施加于木质纤维素原料的剪切速率可介于10至10000秒-1之间或介于100至5000秒-1之间或介于100至2000秒-1之间。该剪切速率（γ，以秒-1为测量单位）可使用以下公式计算：γ=N*D/h
其中N为转速（转/秒），D为混合元件最大直径（以米或英寸为单位），d是混合装置或混合器外壳直径（以米或英寸为单位），而h等于(d-D)/2。
例如，考虑安装在一管道中的混合器，其包含一轴，
该轴安装在一外壳内，该轴与浆料的流动方向垂直，并包括一安装在其上的臂，用于混合并剪切该预处理后浆料。图11中描述了该装置。如果该混合装置的转速（N）为100转/秒，外壳直径（D）为10英寸并且混合元件最大直径（D）为9.75英寸，那么剪切速率为8000秒-1=(100*10/0.125)。
混合元件最大直径是该混合元件的最长长度，即，从其底座到其尖端的测量值，如图11所示。
酶法水解
在纤维素酶的高剪切串联混合之后，含有分散的酶的预处理后木质纤维素原料浆可被填入一或多个未混合水解反应器中、混合水解反应器中，或这两种方式的组合。该反应器可在间歇、连续、间歇填料，或这几种组合的模式下运行。
在混合水解反应器中的混合行为可通过任何传统方法实现，包括机械混合器，比如顶部安装、侧面安装或底部安装的叶轮、搅拌器或喷射器；将液态浆料流快速泵入或穿过容器；和/或在容器中引入或产生气体或蒸汽。
一种特别适合的混合水解反应器是连续搅拌式反应器（CSTR反应器）。
在一包括多个混合水解反应器的混合水解系统中进行水解时，系统中所用混合水解反应器的数量取决于反应器成本、含水浆料的体积和其他因素。例如，对于一商业规模的工厂，典型的水解反应器数量为3至12个。最佳情况下，混合酶法水解是一连续过程，不断填入预处理后纤维素原料并提取葡萄糖。但应可理解，间歇式和间歇填料过程，或它们的组合形式也包含在本发明的范围内。
可根据需要调整混合水解反应器的设计参数。例如，纤维素酶水解系统中的一混合水解反应器的体积可从约100000升至约20000000升，或其间的任何体积，比如从200000至5000000升，或其间的任何值。水解系统的浆料总驻留时间可为约12小时至约300小时，或其间的任何值。
术语“未混合水解反应器”是指适于在其中所含纤维素酶作用下执行酶法水解的反应器，与混合水解反应器不同，该反应器不主动混合其中的成分。虽然由于在系统中导入或提取液体和固体，导致本发明的未混合反应器可能产生一定数量的局部混合，但与混合反应器不同，这种局部混合不会导致该反应器内成份发生任何显著的分散或混合。例如，由于旋转底刮刀或其他用于去除反应器内成份的装置的活动，在未混合下流反应器的底部可能发生少量局部混合。类似的，如果该未混合反应器是一上流反应器，那么由于提取浆料的原因，在该未混合反应器的顶部将发生少量局部混合。排除浆料所需能量少于使用传统水翼叶轮设计的混合反应器完全混合该浆料所需能量的5%、3%或1%。未混合间歇式或连续式水解反应器的高度-直径比约在0.2:1.0至约5.0:1.0，或其间的任何比值。
该系统中未混合水解反应器的数量取决于反应器成本、含水浆料的体积和其他因素。例如，对于一商业规模的工厂，典型的未混合水解反应器数量为1至10个。
未混合反应器可采用连续或平行结构。在衡量各种设计方案的优缺点后，普通的专业人士也可轻松做出合适的选择。
可根据需要调整未混合水解反应器的设计参数。例如，纤维素酶水解系统中的一未混合水解反应器的体积可从约100000升至约30000000升，或其间的任何体积，比如从200000至5000000升，或其间的任何值。水解系统的浆料总驻留时间可为约12小时至约300小时，或其间的任何值。
根据本发明一具有特别优势的实施例，将含有分散的纤维素酶的预处理后木质纤维素原料浆填入一或多个水解反应器中，如上所述，以产生部分水解的纤维素混合物。该部分水解的纤维素混合物可随后被填入一或多个水解反应器中水解并混合该原料，也如前所述。在这一或多个未混合反应器内，对该酶的酶法水解降低了该预处理后纤维素原料的粘性。使用酶法水解该预处理后原料以降低其粘性，当随后使用混合水解反应器水解部分水解的纤维素混合物时，与混合有关的能量需求被降低。这种水解反应器的结构在共同拥有并且共同待决的美国申请序列号为61/378,523（Harlick）的专利中做出描述，其内容已纳入本文作为参考。
未混合水解完成后，其产物为葡萄糖和任何未反应的纤维素。产生的流中有不可溶性固体，包括木质素，可在进行任何进一步处理前，使用传统的固-液分离技术去除。但也许在某些情况下，将该糖份流中的固体和液体都送到进一步处理中更可取。
未混合水解后，产自未混合水解的部分水解的纤维素混合物可被导入一或多个水解反应器，该反应器可有效地混合该浆料。通常使用泵将该浆料导入混合水解反应器。
在混合水解过程中可选择性地加入额外的纤维素酶。
混合水解完成后，其产物为葡萄糖和任何未反应的纤维素。产生的流中有不可溶性固体，包括木质素，可在进行任何进一步处理前，使用传统的固-液分离技术去除。但也许在某些情况下，将该糖份流中的固体和液体都送到进一步处理中更可取。
用于混合或未混合水解的纤维素酶的正确剂量约为1.0至40.0滤纸单位（FPU或IU）每克纤维素，或任何其间的值。FPU是被专业人士所熟知的一标准度量单位，并在Ghose（Pure and Appl.Chem.,1987,59:257-268；已纳入本文作为参考）中定义和度量。优选的纤维素酶剂量约为10至20FPU每克纤维素。
如前面的讨论，未混合或混合水解中的酶法水解通常是在pH值介于约4.0至6.0之间展开，因为这是对于多数纤维素酶最佳的pH值范围。如果浆料更显酸性，pH值将增加。可在预处理后原料冷却后、冷却前，或冷却前后某时间点在其中加入碱。如前所述，通常从高剪切串联混合装置或混合器上游加入碱。但可在向下游泵送添加的酶的过程中进一步调整pH值，比如直接加入到水解容器内。
碱性物质的例子包括：氨、氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钙、碳酸钙或它们的混合物。
混合或未混合水解时的浆料温度是经过调整的，以使之在利于纤维素酶保持活性的范围内。通常，温度约在45摄氏度至70摄氏度，或约在45摄氏度至65摄氏度，或其间的任何温度时，该温度适于多数纤维素酶。但对于嗜热纤维素酶，浆料温度可以更高。
为了保持所需的水解温度，可选择性地加热或冷却混合或未混合水解反应器内的成份。可通过加热或冷却夹套或对再循环浆料实施热交换而实现加热或冷却。用于热交换器或夹套的加热或冷却液包括蒸汽、热水、冷水、乙二醇或盐水。应可理解，可在不加热或冷却混合或未混合反应器内成份的条件下，使该反应器内成份在水解时保持在所需温度范围内。
最好让酶法水解和发酵在分离的容器中进行，以使各自的生物反应发生在其最佳温度条件下。但可在同时发生的糖化和发酵中同时进行水解与发酵。通常在35-38摄氏度进行SSF（同时糖化和发酵），该温度是在最利于纤维素酶的50摄氏度和最利于酵母的28摄氏度中采取的一种平衡。因此，该中间温度可导致酶和酵母的表现都未达标。
发酵
水解导致的葡萄糖发酵可产生一或多种发酵产物，包括：酒精、糖醇、有机酸及它们的组合。
通常在pH值约为4.0至6.0之间，或约为4.5至6.0之间时进行发酵。为了达到发酵所需的上述pH值范围，可能有必要在含有葡萄糖的流中加入碱。
在本发明的一实施例中，发酵产物是酒精，比如乙醇或丁醇。通常发酵通过酵母菌酵母产生乙醇。糖份流中的葡萄糖和其他六碳糖可通过野生型酵母菌发酵为乙醇，虽然也可使用转基因酵母，如下面的讨论。可随后蒸馏该乙醇以获得浓缩乙醇溶液。可使用诸如丙酮丁醇梭菌之类的微生物从葡萄糖生成丁醇，并随后蒸馏为浓缩液。
也可将出自半纤维素的木糖和阿拉伯糖发酵为乙醇，可采用天然酵母菌株，或转基因而成可将这些糖发酵为乙醇的菌株。用于发酵木糖的转基因微生物的例子包括重组酵母菌株，其中植入了（a）来自树干毕赤酵母基因的木糖还原酶（XR）和木糖醇脱氢酶（XDH），（美国专利号为5,789,210、5,866,382、6,582,944和7,527,927以及欧洲专利号为450530）；或（b）真菌或细菌木糖异构酶基因（Ⅺ）（美国专利号为6,475,768和7,622,284）。用于发酵L-阿拉伯糖的转基因酵母的例子包括但不限于重组酵母菌株，其中植入真菌基因（美国专利号为7,527,951）或细菌（WO2008/041840）阿拉伯糖新陈代谢途径已被插入。
在发酵过程中可能产生的有机酸包括乳酸、柠檬酸、抗坏血酸、苹果酸、琥珀酸、丙酮酸、羟基丙酸、衣康酸和乙酸。在一非限制性实施例中，令人感兴趣的发酵产物是乳酸。用于从葡萄糖生产乳酸的微生物中最有名的是乳杆菌属、芽孢杆菌属和根霉属的物种。
此外，木糖和其他戊糖也可发酵成为木糖醇，通过选自包括念珠菌、毕赤酵母属、管囊酵母属、汉逊德巴利、克鲁维酵母和酵母菌的种群的酵母菌株。细菌也可用于生产木糖醇，包括棒状杆菌、液化肠细菌和包皮垢分枝杆菌。
实施时，通常使发酵在处于或接近发酵微生物的最佳温度和pH值条件下进行。通常，使用酵母菌将葡萄糖发酵为乙醇的温度范围约在25摄氏度至35摄氏度之间，但如果所用酵母是天然或转基因为耐热性的，该温度可更高。发酵所用微生物的量将取决于其他因素，比如发酵微生物的活性、所需的发酵时间、反应器体积和其他参数。可理解的是，为了达到最佳的发酵条件，可由专业人士将这些参数调整为所需的值。
还可为发酵提供额外的营养素，以供发酵微生物生长。例如，可在水解浆料中加入酵母提取物、特定的氨基酸、磷酸、氮源、盐、微量元素和维生素以供它们生长。
可在间歇、连续或间歇填料模式下进行发酵，采用或不采用搅拌都可。最好通过机械搅拌轻搅发酵反应器。典型的商业规模的发酵可使用多个反应器进行。发酵微生物可被回收到发酵器中或无需回收送去蒸馏。
蒸馏
如果发酵产物是乙醇或丁醇，那么通过蒸馏进行恢复，通常采用分子筛或膜萃实现进一步的浓缩。
被送至蒸馏的发酵液体培养基是含有固体的稀释酒精溶液，固体包括未转化的纤维素，和在发酵过程中加入的供微生物生长的任何成份。
微生物可能在蒸馏过程中存在，这取决于是否在发酵时将它们回收。最好对液体培养基进行脱气处理，以去除二氧化碳，然后将其泵送穿过一或多个蒸馏塔，以从该液体培养基中的其他成份中分理出酒精。该蒸馏系统的操作模式取决于酒精的沸点是否高于或低于水的。最常见的情况是酒精的沸点低于水的，这时乙醇需被蒸馏。
在这些实施例中乙醇被浓缩，最好以连续模式操作蒸馏装置的蒸馏塔，虽然应可理解，本发明也包括间歇式处理。蒸馏过程所需热能可从一或多个点引入，既可采用直接流式注入也可间接通过热交换。该蒸馏装置可包括一或多个分离发酵醪和精馏塔，在这种情况下，稀释的发酵醪被送往发酵醪塔并在其中被部分浓缩。蒸汽从发酵醪塔进入一精馏塔被进一步纯化。另一种选择是采用包括一集成浓缩或精馏部分的蒸馏塔。
蒸馏后，蒸汽中的残留水份被去除，可通过分子筛树脂、膜萃，或其他专业人士已知的方法实现，这些方法用于处理浓度超过95%并且通常通过蒸馏获得的乙醇。然后，可浓缩或使该蒸汽变性。
乙醇蒸馏后残存的水溶液流包含固体，此处引述为“釜底残留物”，该固体从该一或多个蒸馏装置的蒸馏塔底部被取出。该流将包含无机盐、未发酵的糖和有机盐。
如果该酒精的沸点高于水的，比如丁醇，那么执行蒸馏以从该酒精中去除水份和其他挥发性化合物。水蒸气存在于蒸馏塔顶部并被称为“架空流”。
示例
决定木质纤维素原料浆中的未溶解固体浓度
采用以下方法决定浆料中的未溶解固体浓度（UDS）。
浆料样品被分注到一塑料称量盘中，并使用分析度盘准确地记录该浆料的重量。一适合布氏漏斗大小的滤纸圈被放于一铝制称量罐中，并记录下该罐和滤纸的总重量。将预称重的滤纸转移到布氏漏斗后，使预称重的浆料通过滤纸以隔离固体。使用少量去离子水以确保固体定量地从称量盘转移到布氏漏斗。然后使用过量的去离子水冲洗该固体，随后将冲洗后的样本和滤纸转移到预称重的铝制罐中。小心操作以确保固体被定量地转移。将该铝制罐置于105摄氏度的烤箱内干燥一夜后，其成份被准确称量，并且USD被量化为每克浆料中含有固体克数的百分比。
配置高剪切串联混合器系统
高剪切串联混合系统被设计用于测试高剪切串联混合器将碱和酶与高浓度预处理原料浆相结合的能力。在示例1-3中，碘化钾示踪剂被碱或酶取代，但被预期拥有类似表现。
该系统包括以下主要装置：（i）一Liberty Process螺杆泵,型号为2LJ8（浆料泵），市面上有售的Liberty Process Equipment产品，安装有一可变频率驱动器（VFD）;（ii）一
Figure BDA0000380815720000221
SX-HP-8-8高剪切串联混合器,安装有一20马力的马达和VFD；和（iii）一Watson Marlow BredelSPX15软管泵。
该高剪切串联混合器中的工艺设备采用以下方法配置。该系统包括一安装在螺杆泵上的料斗。该螺旋泵向该高剪切串联混合器中伸入4英寸。在该泵和串联混合器之间是一软管泵，用于通过一3/8英寸的导管将碘化钾示踪剂或纤维素酶注入该4英寸管道内。一小槽被用于向该软管泵填料。该高剪切串联混合器有周长3英寸的工艺连接件。在该混合器下游，通过一减径管将该3英寸连接件剪短为2英寸的装置，并具有开顶的污水收集筒。
高剪切串联混合器系统的操作
在美国专利号为7,754,457的专利中阐述了用硫酸预处理小麦杆的方法(已纳入本文作为参考)。酸蚀预处理原料中的未溶解固体浓度约为24wt%。调整该酸蚀预处理后原料浆的未溶解固体浓度(UDS)至约21wt%。通过该高剪切串联混合器上游的注入系统加入水，运行该串联混合器并将原料浆再循环回软管，从而实现这种调整。位于该高剪切串联混合器上游的软管泵的流速测量值为800毫升/分钟。拥有这种泵结构后，可通过为该软管泵填料的小槽加入示踪剂或酶。为确保取出样本时，在该系统的出口存在示踪剂，应首先启动软管泵，然后是高剪切串联混合器，最后是螺杆泵。在使用样本清洗位于注入端口和样本位置之间的管道前，至少有30秒延迟。从取自该2英寸端口的一长样本上切下两片横截面样品。
示例1：从侧壁向高剪切串联混合器注入示踪剂溶液
在该示例中，检测了高剪切串联混合器将碘化钾示踪剂分散到UDS为21%的酸蚀预处理木质纤维素原料中的能力。喷射管路安装在混合器上游的4英寸工艺管道的侧壁。
按下面的描述进行了两次实验。两次实验都涉及到将碘化钾示踪剂注入高浓度酸蚀预处理材料中，该材料以上述方式准备。高剪切串联混合器在每次实验中的运行速度都不相同，如下所述。
侧壁注入实验1
从高剪切串联混合器的下游采集预处理后木质纤维素原料样本，并分为三部分。决定每份分解样本中的碘化物浓度。该高剪切串联混合器以两种不同速度运行。最大速度的75%和50%。在各速度下采集两份横截面样本。
采集的两份样本的分析数据显示在下表1中并绘制在图2中。每份样本都加水稀释，然后使用碘选择性探头确定其碘化物浓度。
表1：实验1的碘化物浓度
图2所示径向中点距离为：当以图1A所示方法切片时，从注入点到每一酸性预处理后浆料切片中心的沿水平面上的距离。
应可理解，图2所示碘化物测量值不能与具体的测试相比，因为碘化钾计量泵并未在每次运行时都保持一恒定的设定点。总之，数据表明，所有功率下的测试结构都近似于理想的碘化钾示踪剂分散情况。
侧壁注入实验2
实验2与实验1类似，但横截面样本被分为8部分（图1B），而不是3部分。随后单独分析每一分解部分各自的碘化物浓度。
高剪切串联混合器以4种速度运行（最高速度的0、10、33和50%），并且在每种速度下采集两份样本。
应指出，在该组实验中，编号样本与注入点的相对位置与图1B不符。也即是说，没有记录横截面与注入点的相对方向。
图3和4所示为中心点周围8个点的碘化钾示踪剂，代表高剪切串联混合器速度的33%和50%。
当该混合器以最高速度的50%运行时，碘化钾示踪剂平均分布在管道横截面上，如图4所示。与横截面2中平均浓度的最大偏差是25%。
示例2：使用一套管轴沿高剪切串联混合器中心线注入示踪剂
在该示例中，使用一出口朝向浆料流动方向下游的套管轴从工艺管道内的中心点注入碘化钾示踪剂。正如前面的示例，该酸蚀预处理木质纤维素原料含有的UDS为21wt%。在串联混合器最高速度的33%和50%时检测碘化物分布。
如同实验2的示例3，这些样本被分解为9部分。（参考图1B对分解部分的描述）。中心部分未测定碘化钾含量。
图5和6所示为中心点周围碘化物浓度，取自混合器速度的33%和50%，示例33-1和50-1对应于管道顶部的碘化钾浓度。
在混合器最高速度的50%时，在高浓度预处理后原料中的碘化钾示踪剂显示为平均分布。
示例3：使用两只套管轴沿高剪切串联混合器中心线注入示踪剂
在该示例中，使用两只出口都朝向浆料流动方向下游的套管轴从工艺管道内的两个点注入碘化钾示踪剂。图7所示为串联混合器内注入点的位置。正如前面的示例，该酸蚀预处理木质纤维素原料含有的UDS为21%。在串联混合器最高速度的33%和50%时检测碘化物分布。
图8所示为其结果。在混合器功率的50%（相对于最大功率）时，两只套管轴的注入配置显示出最平均的分布。
示例4：使用高剪切串联混合器注入纤维素酶
以上述方式准备高浓度酸性预处理后原料，使用一高剪切串联混合器注入包含纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的里氏木霉分泌的酶混合物。该高剪切串联混合器系统及其使用的操作参数如前所述。
使用以下方法计算浆料的平均驻留时间。该混合器的内部体积为3.6升，流速为40升/分钟。因此，V/Q=3.6升/0.09分钟=5.4秒。
预处理后原料样本采集自该高剪切串联混合器的下游，如上所述。但在该示例中，采集的样本更加粘稠，并被分解为相对于管道中轴成径向的三部分。图9所示为分解的部分。
高剪切串联混合器以最大速度的50%运行，用于注入酶。
这些样本在实验室中接受了6小时的未混合水解，6小时后充分混合，然后转移以接受额外的134小时混合水解。其结果与控制反应的结果做了比较（30毫克/克酶)。控制反应为未混合水解，然后接受混合水解，在该过程中手工加入酶并分散。
下表2所示为未混合以及随后的混合水解的实验条件。
表2：未混合水解后续以混合水解：实验条件
初始UDS，% 21
批次大小 100克
pH 5.0
计量，毫克 蛋白质/克 纤维素 45
温度 摄氏度 50
混合水解每分钟转速 250
图10所示为三个纵向部分的水解结果（标签为50%-1（钻石形），50%-2（矩形）和50%-3（三角形））与控制反应的结果（圆形）相比较。所示结果为葡萄糖浓度（克/升）作为反应时间（小时）的方程。
图10所示结果表明，在整个时间过程中，三份样本各自的水解后葡萄糖浓度比得上手工分散的控制反应的结果。该数据表明，在高剪切串联混合过程中，将纤维素酶暴露于高剪切下，并不比随后将纤维素水解为葡萄糖的结果差。因此，高剪切串联混合在保证酶高效地分散的同时，又未失去酶法水解的生产率。也可从这些结果推断出，将纤维素酶暴露在高剪切串联混合器中，保持足够获得良好的混合结果的时间内，其活性并未显著降低。
比较性示例1
以示例1-4所述方法准备的酸性预处理浆料，被置于一实验室规模的转子-定子分散装置中，该装置的一腔室内有两只同心齿环（配有Ultra（UTL）P/NR078310模块的IKA magicLAB基本单元）。从该装置中心填入该酸性预处理后原料浆。类似装置公开在美国专利号为5,498,766（在上）的专利中。但由于该酸性预处理后原料浆的堵塞作用，无法使其流过该装置。

Claims (16)

1.一种从木质纤维素原料中生产葡萄糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（i）提供经过预处理的木质纤维素原料的浆料,其中至少一部分半纤维素在预处理过程中被水解；
（ii）通过一管道将该预处理后的浆料移走，该浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（iii）可选性地将该预处理后浆料的pH值调整为与纤维素酶的pH值兼容；
（iv）将纤维素酶加入所述预处理后的浆料，以便在形成包含纤维素酶的浆料的同时，使所述预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（v）使用高剪切串联混合装置使步骤（iv）中加入所述预处理后浆料的纤维素酶分散，从而使剪切作用于所述预处理后的浆料，形成纤维素酶分散于其中的预处理后的浆料；随后
（vi）使步骤（v）所得预处理后的浆料中所含分散的纤维素酶发生水解，以便从其中所含的纤维素产生葡萄糖。
2.一种从木质纤维素原料中生产葡萄糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（i）提供经过预处理的木质纤维素原料的浆料,其中至少一部分半纤维素在预处理过程中被水解；
（ii）通过一管道将该预处理后的浆料移走，该浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（iii）可选性地将该预处理后浆料的pH值调整为与纤维素酶的值兼容；
（iv）将纤维素酶加入所述预处理后的浆料，以便在形成包含纤维素酶的浆料的同时，使所述预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（v）使用高剪切串联混合装置使步骤（iv）中加入所述预处理后浆料的纤维素酶分散，从而使剪切作用于所述预处理后的浆料，形成纤维素酶分散于其中的预处理后的浆料，该高剪切串联混合装置包括一或多种混合元件，其中该一或多种混合元件的横截面积与同一横向板上管道的横截面积之比在0.01到2之间；随后
（vi）使步骤（v）所得预处理后的浆料中所含分散的纤维素酶发生水解，以便从其中所含的纤维素产生葡萄糖。
3.一种从木质纤维素原料中生产葡萄糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（i）提供经过预处理的木质纤维素原料的浆料,其中至少一部分半纤维素在预处理过程中被水解；
（ii）通过一管道将该预处理后的浆料移走，该浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（iii）可选性地将该预处理后浆料的pH值调整为与纤维素酶的值兼容；
（iv）将纤维素酶加入所述预处理后的浆料，以便在形成包含纤维素酶浆料的同时，使所述预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（v）使用高剪切串联混合装置使步骤（iv）中加入所述预处理后的浆料的纤维素酶分散，从而使剪切作用于所述预处理后的浆料，形成纤维素酶分散于其中的预处理后的浆料，其中该预处理后的浆料在高剪切串联混合装置中的停留时间在0.1秒至60秒之间；
随后（vi）使步骤（v）所得预处理后的浆料中所含分散的纤维素酶发生水解，以便从其中所含的纤维素产生葡萄糖。
4.根据权利要求1、2或3所述方法，其中所述纤维素酶的加入位置是在该高剪切串联混合装置的上游、与该高剪切串联混合装置相邻，或这两种方式的组合。
5.根据上述权利要求1-4中任何一条所述方法，其中所述预处理后浆料的水解步骤包含使该预处理后的浆料中填入的纤维素酶被分散到至少一个未混合水解反应器中、混合水解反应器中或这两种方式的组合。
6.根据上述权利要求1-5中任何一条所述方法，其中纤维素酶包含β-葡萄糖苷酶、辅助酶，或这两种物质的组合。
7.根据上述权利要求1-6中任何一条所述方法，其中该预处理后木质纤维素原料浆是酸性预处理后木质纤维素原料浆。
8.根据上述权利要求1-7中任何一条所述方法，其中该高剪切串联混合装置是转子-定子结构的混合器，其混合元件安装在延伸入管道的可转动轴上。
9.根据上述权利要求1-8中任何一条所述方法，其作用在预处理后原料上的剪切率在10至10000秒-1之间。
10.根据上述权利要求9中所述方法，其中作用在预处理后原料上的剪切率在100至1000秒-1之间。
11.根据上述权利要求1-10中任何一条所述方法，其中原料浆中所含原料至少有20%是纤维素，并且超过90%的原料颗粒的长度在约1/8英寸至约6英寸之间。
12.根据上述权利要求1-11中任何一条所述方法，其中混合装置是高剪切串联混合装置。
13.一种用于从木质纤维素原料中生产葡萄糖的系统，该系统包括：
（i）一预处理反应器，用于接收所述原料中存在的木质纤维素原料浆和水解的半纤维素，从而产生预处理后的木质纤维素原料；
（ii）一加酶装置，位于所述处理反应器下游，用于在预处理后的木质纤维素原料中添加酶；
（iii）用于接收预处理后原料的一管道，和一高剪切串联混合装置，用于接收所述预处理后原料并对其实施剪切，从而产生含有分散的纤维素酶的预处理后原料；
（iv）一或多个未混合水解反应器，用于接收和部分水解预处理后浆料中分散的纤维素酶，以便产生部分水解的纤维素混合物；和
（v）一或多个下游混合水解反应器，用于接收部分水解的纤维素并继续水解混合物，以产生葡萄糖。
14.上述权利要求13中所述系统，还包括一脱水装置，其位于该预处理反应器的上游或下游，用于接收并脱水木质纤维素原料浆。
15.一种从木质纤维素原料中生产葡萄糖的方法，所述方法包括以下步骤：
（i）提供预处理后的木质纤维素原料浆；
（ii）通过管道移动预处理后的原料浆，该预处理后的浆料中未溶解的固体含量约为15至30wt%；
（iii）在所述预处理后的浆料中加入纤维素酶，以产生含有纤维素酶的浆料；
（iv）使用一高剪切串联混合装置分散在步骤（iii）中加入到所述预处理后的浆料中的纤维素酶，从而产生含有分散纤维素酶的预处理后的浆料；
随后（v）使含有分散纤维素酶的预处理后的浆料水解，以从其所含的纤维素中产生葡萄糖。
16.根据上述权利要求15中所述方法，其混合装置为串联混合装置。
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