CN105008547A - 生物质的糖化用的高级螺旋钻和过滤系统 - Google Patents

生物质的糖化用的高级螺旋钻和过滤系统 Download PDF

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里奇·克莱因克
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Abstract

本公开提供了用于从生物质生产糖的方法和系统。所述方法和系统通过将酶循环利用与去除糖化酶抑制剂和增加固体负载结合提高了碳水化合物和可发酵糖的产率。

Description

生物质的糖化用的高级螺旋钻和过滤系统
技术领域
本发明要求于2012年12月21日提交的美国临时专利申请No.61/745,137的优先权权益。
背景技术
诸如乙醇等生物燃料可以从纤维素质生物质来生产。虽然目前可以进行纤维素质乙醇生产，但是更高效率地将纤维素质生物质转化成生物燃料会使得纤维素质生物燃料的生产更加经济可行。
发明内容
本发明提供了用于对木质纤维素生物质进行处理以生产诸如碳水化合物和可发酵糖等有用的产物的方法和系统。所述方法和系统通过将酶循环利用与去除糖化酶抑制剂和增加固体负载结合提高了碳水化合物和可发酵糖的产率。在一个方面，本发明提供了一种用于从生物质生产糖的方法。在一个实施方案中，所述方法包括
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
(b)将所述混合物分离成含有糖的液相和固相；
(c)在适合将所述固相的组分水解成糖的条件下将所述固相孵化，从而产生额外的糖；
(d)将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；和
(e)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
在一些实施方案中，在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下将所述保留物与额外的未被处理的或未水解的生物质结合。
在一些实施方案中，所述方法还包括洗涤所述保留物以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的保留物。将所述洗涤的保留物进一步分离成包含糖的液体和包含酶的固体。在一些实施方案中，所述洗涤的保留物包含低于1.5％、1％或0.5w/v的糖。在一些实施方案中，通过反渗透将所述糖进一步浓缩。
在一些实施方案中，通过筛网、振动筛、压力机或离心机将所述液相与所述固相分离。在一些实施方案中，在适合生产糖的条件下将所述液相孵化。
在一些实施方案中，通过过滤器或膜将所述透过物与所述保留物分离。
在一些实施方案中，所述方法还包括通过反渗透将所述透过物分离成浓缩的糖部分和液体部分。
在一些实施方案中，所述生物质包含含有至少约5％、至少约10％、至少约15％、至少约20％、至少约25％、至少约30％或至少约35％的固体的浆料。
在一些实施方案中，所述方法还包括洗涤所述固相以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的固相。
在一些实施方案中，所述方法还包括将所述洗涤的固相分离成包含糖的液体和固体。
在一些实施方案中，所述接触在螺旋钻中发生。在一些实施方案中，适合将所述生物质的组分水解成糖的条件包括逆流流动，使得所述液相在与所述固相相反的方向上移动。
在一些实施方案中，所述方法还包括将所述固相浓缩和将至少一部分的任意剩余液体与所述固体分离。
在一些实施方案中，所述方法是间歇过程。在一些实施方案中，所述方法是连续过程。
在另一个实施方案中，所述方法包括：
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
(b)将所述混合物分离成液相和固相；
(c)在其中将所述生物质转化成额外的糖的条件下将洗涤的固相与所述生物质结合。
在一些实施方案中，所述方法还包括洗涤所述固相以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的固相。可以将所述洗涤的固相进一步分离成滤液(即，第二液相)和保留物(即，第二固相)，并且将第二固相与所述生物质和/或固相结合。在一些实施方案中，将所述滤液/第二液相分离成透过物和保留物，将所述保留物与所述生物质和/或固相结合，并且所述透过物包含糖。在一些实施方案中，所述方法还包括将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；
(a)洗涤所述保留物以去除糖，从而形成洗涤的保留物；和
(b)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
在一些实施方案中，将所述透过物进一步分离成浓缩的糖部分和液体部分。
在第三实施方案中，所述方法包括：
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
其中所述条件包括逆流流动，使得所述液体在与所述固体相反的方向上移动；
(b)将所述混合物分离成液相和固相；
(c)在适合将所述固相的组分水解成糖的条件下将所述固相孵化，从而产生糖；
(d)将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；和
(e)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述保留物与所述生物质或固相结合。
在一些实施方案中，所述方法还包括：
(a)洗涤所述保留物以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的保留物；和
(b)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
在一些实施方案中，所述方法还包括在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述固体与额外的生物质接触。
在一些实施方案中，在适合生产乙醇的条件下使所述糖发酵。
在另一个方面，本发明提供了一种用于处理生物质的系统。在一个实施方案中，所述系统包括第一螺旋钻和第二螺旋钻，第一螺旋钻包括：固体入口，在所述螺旋钻内的螺杆，所述螺杆将所述螺旋钻中的固体物质从第一端引导到第二端；在第一端的液体出口；在第二端的固体出口；和分离器，所述分离器适于将所述生物质分离成液相和固相并位于(i)所述液体出口与(ii)所述螺杆和所述固体出口之间；第二螺旋钻包括：入口，所述入口与所述固体出口流体连通并用于接收来自第一螺旋钻的固体物质；和固体出口。
在一些实施方案中，所述系统还包括第二分离器，第二分离器适于将所述生物质分离成液相和固相并位于(i)第一螺旋钻的固体出口与(ii)第二螺旋钻的入口之间，
其中第二分离器与第一螺旋钻的固体出口和第二螺旋钻的入口流体连通。
在一些实施方案中，第一和/或第二分离器是筛网、振动筛或压力机。在一些实施方案中，第一和/或第二分离器与适于将所述液相分离成滤液和保留物的过滤器流体连通。在一些实施方案中，所述过滤器与第一螺旋钻的液体出口和第一和/或第二螺旋钻的入口流体连通。
在一些实施方案中，所述螺杆在与所述螺旋钻内的液体流动的方向相反的方向上运输所述固体物质。在一些实施方案中，所述螺旋钻倾斜，使得所述液体出口低于所述固体出口。
在一些实施方案中，第一和/或第二螺旋钻还包括用于添加生物质、固体或酶的额外入口。
在一些实施方案中，所述系统还包括至少一个额外的螺旋钻，其包括：
入口，所述入口与第一和/或第二螺旋钻的固体出口流体连通；和固体出口；
其中所述至少一个额外的螺旋钻与第一和第二螺旋钻串联对齐，使得将固体物质被引导通过串联的螺旋钻。
在一些实施方案中，所述螺旋钻中的至少一个的固体出口与适于从处理的生物质去除液体的第三分离器流体连通。
定义
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管基本上与本文所述的方法和材料类似的任何方法和材料都可以用于实践或本发明的测试中，但是仅说明了示例性方法和材料。为了对本发明进行说明的目的，下面对以下术语进行定义。
术语“一种”和“所述”包括复数指示物，除非上下文清楚地另外指明。
术语“溶解固体”指的是糖、可溶性碳水化合物、多糖、残余木素和没有通过固液分离方法保留的其他这种物质。示例性固液分离方法包括但不限于膜滤、切向流过滤(TFF)、离心、沉淀和浮选。
术语“适合将生物质的组分水解成糖的条件”指的是使固相生物质与包括但不限于纤维素酶、半纤维素酶和辅助酶或蛋白质的水解酶接触以从生物质中的多糖生产可发酵糖。该条件还可以包括最适合糖化酶的活性的pH值，例如，约4.0～7.0的pH值范围。该条件还可以包括最适合糖化酶的活性的温度，例如，约35℃～75℃的温度范围。
术语“透过物”指的是通过多孔膜或过滤器的液体或流体。如果使用过滤器，那么该术语与“滤液”同义。
术语“保留物”指的是没有通过多孔膜或过滤器而被膜或过滤器保留的材料。
术语“生物质”或“生物质原料”指的是包含木质纤维素材料的任意材料。木质纤维素材料由三种主要组分组成：纤维素、半纤维素和木素。纤维素和半纤维素含有包括多糖和低聚糖的碳水化合物，并且可以与诸如蛋白质和/或脂质等其他组分组合。生物质的例子包括诸如谷物(例如，玉米、小麦和大麦)等农产品；甘蔗；玉米秸杆、玉米棒和食用作物的其他不可食用的废物部分；食物废物；诸如柳枝稷等草类；以及诸如木材、纸、木板和废木材产品等林业生物质。
术语“木质纤维素”指的是同时包含木素和纤维素的材料，并且也可以含有半纤维素。
关于材料或组合物的术语“纤维素质”指的是包含纤维素的材料。
术语“糖化”指的是从生物质或生物质原料生产可发酵糖。糖化可以由包括但不限于过氧化物酶、虫漆酶、棒曲霉素和膨胀素的水解酶和/或辅助蛋白质来实现。
术语“可发酵糖”指的是在发酵过程中(例如，在由酵母发酵的过程中)可以转化成乙醇或诸如丁醇、丙醇、琥珀酸和异戊二烯等其他产物的糖。例如，葡萄糖是从纤维素的水解衍生的可发酵糖，而木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖是从半纤维素的水解衍生的可发酵糖。
术语“同时糖化和发酵(SSF)”指的是在发酵过程中提供糖化酶。这与术语“单独的水解和发酵(SHF)”步骤形成对比。
术语“预处理”指的是用物理、化学或生物手段或者它们的任意组合对生物质进行处理以使得生物质更易于水解(例如，通过糖化酶)。预处理可以包括在高压和/或高温下对生物质进行处理。预处理还可以包括对生物质进行物理混合和/或研磨以减小生物质颗粒的尺寸。例如，适用于生物质的物理预处理的设备包括锤磨机、剪切磨机、气蚀磨机或胶体磨机或其他高剪切磨机。示例性胶体磨机是CellunatorTM(Edeniq,Visalia,CA)。例如，在WO2010/025171中说明了颗粒尺寸的减小，其全部内容以引用的方式并入本文。
术语“预处理的生物质”指的是已经过预处理的生物质，从而使生物质更易于水解。
在预处理步骤的情况下，术语“高压”指的是高于基于海拔的大气压力(例如，在海平面上为1atm)的压力，例如，在海平面上至少20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140或150psi以上。
在预处理步骤的情况下，术语“高温”指的是高于环境温度的温度，例如，至少100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200℃以上。当用于HPHT预处理中时，该术语包括足以大幅提高封闭系统中的压力的温度。例如，封闭系统中的温度可以提高到使得压力为至少100psi以上，例如，110、120、130、140、150psi以上。
术语“水解”指的是打破多糖中的糖苷键以产生简单的单体和/或低聚糖。例如，纤维素的水解产生6碳(C6)糖葡萄糖，而半纤维素的水解产生5碳(C5)糖木糖和阿拉伯糖。水解可以通过酸处理或通过诸如纤维素酶、β葡糖苷酶和木聚糖酶等酶来实现。水解酶的的例子包括纤维素酶和半纤维素酶。纤维素酶是包括联合作用以将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的外切纤维二糖水解酶、内切纤维素酶和β葡糖苷酶的多酶混合物的通称。
术语“抑制剂”指的是抑制糖化和/或发酵过程的化合物。例如，纤维二糖和葡萄糖都抑制纤维素酶的活性。例如，低聚木糖、木聚糖酶抑制剂蛋白质(XIP)和木糖抑制半纤维素酶的活性。其他抑制剂包括从对木质纤维素和/或纤维素的预处理产生的糖降解产物。其他抑制剂的例子包括2-糠酸、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、4-羟基苯甲酸(HBA)、丁香酸、香草醛、丁香醛、对香豆酸、阿魏酸、诸如乙酸等有机酸和从木素的分解产生的酚类化合物。这些抑制剂也可以通过抑制酵母的活性来抑制发酵。
附图说明
图1示出了本文中更全面地描述的本发明一个实施方案的示意图。
图2示出了本文中更全面地描述的本发明一个实施方案的示意图。
图3示出了本文中更全面地描述的本发明一个实施方案的示意图。
图4示出了本文中更全面地描述的本发明一个实施方案的示意图。
图5示出了对从玉米秸杆中的葡聚糖生产的葡萄糖的产率进行比较的实验结果，如在实施例中所述，该玉米秸杆被糖化15小时，然后通过手筛过滤(对照)，或使用TFF系统浓缩(浓缩物)，或浓缩并洗涤TFF保留物(1X洗涤)。
图6示出了本文中更全面地描述的本发明的系统的一个实施方案。
图7示出了本文中更全面地描述的本发明的系统的另一个实施方案。
图8示出了如在实施例2中所述的各螺旋钻中的固体浓度随时间的函数。
图9示出了如在实施例2中所述的各螺旋钻中的葡萄糖和木糖浓度随时间的函数。
图10示出了如实施例3中所述的糖化系统的工艺流程图。
图11示出了显示出如实施例3中所述的混合螺旋钻、螺旋钻4和滤液罐的总固体％的对照图表。在混合螺旋钻中测量的固体平均为11％，在糖化螺旋钻中增大到15.5％，在TFF进料中平均为11.5％。
图12示出了显示出如实施例3中所述的混合螺旋钻、螺旋钻4和滤液罐的葡萄糖浓度的对照图表。在混合螺旋钻中的葡萄糖浓度平均为1.7％，在糖化螺旋钻中增加到2.8％，在TFF进料中为3.0％。箭头表示过滤物何时被回收回螺旋钻系统。
图13示出了显示出如实施例3中所述的混合螺旋钻、螺旋钻1和螺旋钻3的温度的对照图表。
图14示出了如实施例3中所述的由于从透过物中去除液相而使糖化系统中的固体浓度增大的计算值。
图15A示出了在实施例3中所述的工艺中不同点时混合螺旋钻、母液罐和糖化螺旋钻4中的PEG浓度。图15B示出了在实施例3中所述的运行过程中不同时间滤液(TFF浓缩物)和透过物罐中的PEG浓度。
图16示出了如实施例3中所述的TFF滤液(浓缩物)罐和透过物罐中的β-葡糖苷酶(BG)的酶活性。
具体实施方式
引言
本发明提供了用于对木质纤维素生物质进行处理以生产诸如碳水化合物和可发酵糖等有用的产物的方法和系统。所述方法和系统通过将酶循环利用与去除糖化酶抑制剂和增加固体负载结合提高了碳水化合物和可发酵糖的产率。下面说明本发明的方法和系统。
I.方法
在一个方面，本发明提供了用于在其中将生物质水解成包含固体、液体和糖的混合物的条件下通过使生物质与纤维素质酶接触来从生物质生产糖的方法。固体、液体和糖的混合物在本领域中有时被称为“水解产物”。固体、液体和糖的混合物一旦形成，就被分离成液相和固相。液相通常含有来自水解产物的糖和其他溶解固体。固相含有不溶解固体(例如，悬浮固体)、吸附到固体上的纤维素质酶，并且通常也含有没有被分离到液相的剩余糖份。在一些实施方案中，在与液相分离之后，固相经历一个或多个额外的水解步骤，使得固相能够在适于将固相水解成糖的条件下孵化。下面说明将固相水解成的糖的合适条件。通过这种额外水解步骤生产的糖可以用于诸如发酵成乙醇等任何所需的下游工艺。
发明人已经发现固相中的糖可以抑制进一步水解。因此，在一些实施方案中，在进一步水解步骤之前，对固相进行洗涤以去除至少一部分糖。洗涤固相可以包括使固相与诸如水或再循环工艺流等水溶液接触，而去除至少一部分(例如，至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％以上)的糖。洗涤固相通常产生被称为“洗涤的固相”的水性浆料。洗涤的固相可以被进一步分离成液体和固体。来自洗涤的固相的液体通常包含可以抑制糖化过程的糖。固体会含有在其中将生物质转化成糖的条件下可以被循环利用并与额外的生物质结合的吸附酶，从而提高糖化效率。在一些实施方案中，可以将额外的酶添加到生物质和/或固相以提高糖化效率。
液相可以被分离成包含来自水解产物的溶解固体和糖的透过物和包含不溶解固体、酶和剩余糖份的保留物。保留物可以与生物质和/或固相结合以回收利用存在于保留物中的酶并因而提高酶的有用性。因而，在糖化步骤中酶和不溶解固体可以被回收利用并添加回到生物质，从而提高酶与固体的比率并提高糖化效率。保留物按需要可以与未水解的生物质或部分水解的生物质结合。在一些实施方案中，在适合将生物质的组分水解成糖的条件下将保留物与额外的未被处理的生物质结合。
在一些实施方案中，对保留物进行洗涤以去除至少一部分的剩余糖份，从而形成洗涤的保留物。剩余糖份的去除是所希望的，因为糖可以抑制纤维素质酶，从而降低糖化效率。在一些实施方案中，洗涤的保留物包含低于约10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％w/v的糖。然后，可以在适合将生物质和/或固相转化成糖的条件下或在其中将生物质或固相转化成糖的条件下将洗涤的保留物与生物质和/或固相结合。
在一些实施方案中，将洗涤的保留物进一步分离成包含糖的液体和包含酶的固体。包含酶的固体可以被回收回生物质原料以提供额外的酶和可水解的固体，从而提高糖化过程的整体效率。在一个实施方案中，使用过滤器或膜将洗涤的保留物分离成透过物和保留物。下面说明合适的过滤器和膜的例子。
糖化步骤的时机和条件可以调节成使得在第一或任意的后续分离步骤之前将生物质部分水解到不同程度，从而不发生生物质到可发酵糖的完全转化。例如，按重量计约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％的起始生物质可以被水解。改变水解程度可以控制从生物质的木质纤维素组分释放的酶的量，因而可以控制与固相一起回收利用的酶的量。
在一些实施方案中，水解在反应容器中进行。在一些实施方案中，反应容器是混合装置。在一个实施方案中，反应容器是螺旋钻。在一些实施方案中，水解反应在逆流流动的条件下发生，使得固体在与液体不同或相反的方向上运输。逆流流动具有将含有糖的液体与未水解的固体分离的优点，从而降低可以抑制水解酶的糖的局部浓度。在一个实施方案中，逆流流动在螺旋钻中发生。
A.预处理
在本文所述的水解步骤之前，可以对生物质进行预处理以使木质纤维素和纤维素更易于水解。预处理包括利用物理、化学或生物手段或者它们的任意组合对生物质进行处理，从而使生物质更易于水解，例如，通过糖化酶。化学预处理的例子在本领域是已知的，并且包括酸预处理和碱预处理。
物理预处理的一个例子包括高温和高压。因而，在一些实施方案中，预处理包括使生物质经历高温和高压以使木质纤维素和纤维素易受到酶水解。在一些实施方案中，温度和压力提高的量以及维持的时间足以使纤维素易于水解。在一些实施方案中，预处理条件可以包括在约150℃～约210℃的范围内的温度。预处理温度可以基于预处理步骤的持续时间而变化。例如，对于约60分钟的预处理持续时间，温度为约160℃；对于30分钟的持续时间，温度为约170℃；对于5分钟的持续时间，温度为约210℃。
预处理条件也可以包括高压。例如，在一些实施方案中，压力可以为至少100psi以上，例如，110、120、130、140、150、200、265psi以上。在一些实施方案中，在封闭系统中对生物质进行预处理，并且温度提高到足以提供所需的压力的量。在一个实施方案中，在封闭系统中提高温度直到压力提高到约125、约145psi或约265psi。本领域技术人员将要理解的是，将压力提高到所需要的水平所必需的温度升高将取决于各种因素，例如，封闭系统的尺寸和饱和蒸汽的平衡。在一些实施方案中，预处理包括使木质纤维素和纤维素更易于水解的本领域已知的任意其他方法，例如，酸处理、碱处理和蒸汽处理或它们的组合。
在一些实施方案中，预处理步骤不导致产生相当大量的糖。例如，在一些实施方案中，一般来说，预处理致使产生按重量计低于约10％、5％、1％、0.1％、0.01％或0.001％的葡萄糖，按重量计低于约10％、5％、1％、0.1％、0.01％或0.001％的木糖，和/或按重量计低于约10％、5％、1％、0.1％、0.01％或0.001％的糖。在一些实施方案中，进入预处理阶段的工艺流中的糖的量与离开预处理阶段的工艺流中的糖的量基本相同。例如，在一些实施方案中，进入预处理阶段的工艺流中的糖的量和离开预处理阶段的糖的量之间的差按重量计低于约10％、5％、1％、0.1％、0.01％或0.001％。
在一些实施方案中，预处理还可以包括对生物质进行物理混合和/或研磨以减小生物质颗粒的尺寸。生物燃料(例如，乙醇)的产率可以通过使用具有较小尺寸的生物质颗粒来提高。例如，适用于生物质的物理预处理的设备包括锤磨机、剪切磨机、气蚀磨机或胶体磨机或任意其他风格或构成的高剪切磨机。因而，在一些实施方案中，预处理步骤包括利用胶体磨机对生物质进行物理处理。示例性胶体磨机是CellunatorTM(Edeniq,Visalia,CA)。在一些实施方案中，对生物质进行物理预处理以产生具有较均匀的低于约1600μm的颗粒尺寸的颗粒。例如，至少约50％、60％、70％、80％、85％、90％或95％的预处理的生物质颗粒可以具有约100μm～约800μm的颗粒尺寸。在一些实施方案中，至少约50％、60％、70％、80％、85％、90％或95％的预处理的生物质颗粒具有约100μm～约500μm的颗粒尺寸。在一些实施方案中，使用胶体磨机对生物质进行物理预处理以产生具有较均匀的颗粒尺寸的颗粒。例如，使用胶体磨机来产生具有较均匀的约100μm～约800μm的颗粒尺寸的生物质颗粒可以提高糖的产率，如美国专利8,563,282和申请公开2010/0055741(Galvez等)中所述，其全部内容以引用的方式并入本文。
在一些实施方案中，预处理步骤不涉及可以将糖降解成发酵的抑制剂的酸的使用。
在一些实施方案中，将预处理的生物质的pH值调节到约3.0～约6.5的pH值。在一些实施方案中，在预处理步骤期间或之后将生物质的pH值调节到最适合糖化酶的活性的范围内，例如，约4.0～6.0的范围内。在一些实施方案中，生物质的pH值使用Mg(OH)2、NH4OH、NH3或者Mg(OH)2和NH4OH或NH3的组合来调节。
在预处理之后，使用本文所述的方法将预处理的生物质水解以产生糖。下面说明非限制性实施方案。
B.从生物质产生糖的示例性方法
下面参照图1，说明一个实施方案。在适合将至少一部分的生物质水解成糖的条件下使木质纤维素生物质与诸如水和酶等水溶液接触。生物质可以是水性浆料。例如，该浆料可以具有至少约1％、5％、10％、15％、20％、25％或30％w/v的固形物。生物质取决于诸如待回收利用的固体的量等因素可以被水解到糖化的各种程度。在将生物质水解之后，将水解的生物质分离成固相和液相。例如，该分离可以使用筛网型分离器来实现(A)。如本文进一步说明的，筛网型分离器的例子包括筛网、振动筛、压力筛、往复式泥浆筛(耙筛)和旋转筛/旋转式筛。也可以使用其他分离方法，例如，可以采用压力机、离心机、沉淀池或其他合适的分离装置。在一些实施方案中，将固相与生物质再结合并且进行进一步糖化以产生更多的糖。
如图1所示，可以将液相进一步分离成包含固体和酶的保留物和包含诸如糖和与固体不相关联的残余的溶解酶等溶解化合物的透过物。例如，这种分离可以使用过滤器或膜型分离器来实现(B)。膜型分离器的例子包括超滤(UF)膜、微滤(MF)膜、反渗透(RO)膜和/或任意其他膜类型，并且膜型分离器可以被构造成切向流过滤(TFF)系统、横向流、反向流、管束、轧制组件和叠板系统。膜表面可以是钝化的或具有带离子电荷的表面并且可以是相似或不同材料的单层或多层。如图1所示，将保留物回收利用并与生物质结合，其中生物质进行进一步糖化并转化成额外的糖。包含糖的透过物可以用于任意所需的下游或上游工艺。例如，可以使糖发酵以产生诸如乙醇等生物燃料或可以用于产生其他产物。液相和固相分离可以利用膜和模块的任意组合来进行，例如，液相分离可以首先利用筛式分离器进行处理，然后进行微细膜分离以提高该工艺的生产能力和可操作性。两种过程的保留物可以结合为单一保留物。第一过程的透过物用作下一个过程的进料，最后一个过程的透过物成为包含糖的透过物。
如从图1明显看到的，该方法是连续过程，其中在糖化步骤中，将包括酶吸附在其上的固体的固体被回收利用并与生物质结合。在糖化步骤中，来自液相的保留物中的回收的固体也被回收利用并与生物质结合。然而，将要理解的是，本文所述的方法可以以间歇过程进行或也可以以补料间歇过程进行。
下面参照图2，说明另一个实施方案。如上面针对图1所述，在适合将至少一部分的生物质水解成糖的条件下使木质纤维素生物质与诸如水和酶等水溶液接触。如上所述，将水解的生物质分离成固相和液相(A)。将固相回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。将液相分离成包含固体的保留物和包含糖的透过物(B)。将保留物回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。
在图2所述的实施方案中，将透过物中的溶解糖进一步分离成浓缩的糖流和含水流。该分离可以通过反渗透型分离器来实现(C)。下面说明反渗透型分离器的例子。浓缩的糖流可以用于任意所需的目的，例如，可以使其发酵以生产乙醇。
下面参照图3，说明另一个实施方案。如上面针对图1所述，在适合将至少一部分的生物质水解成糖的条件下使木质纤维素生物质与诸如水和酶等水溶液接触。如上所述，可以将水解的生物质分离成固相和液相(A)。在一些实施方案中，将固相回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。然后，可以将液相分离成包含固体的保留物和包含糖的透过物(B)。在一些实施方案中，将保留物回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。透过物中的糖可以用于任意所需的目的，包括发酵以生产乙醇。
在图3所示的实施方案中，使来自保留物的固体重新悬浮并进行洗涤以产生洗涤的保留物。然后，洗涤的保留物可以被分离成第二透过物和第二保留物。该分离可以使用膜型分离器来实现(D)。下面说明膜型分离器的例子。在一些实施方案中，将第二保留物回收利用并与生物质和/或固相结合以进行进一步糖化。第二透过物包含可以用于诸如发酵等下游工艺的糖。
如图3所示的实施方案中进一步示出的，可以对固相进行洗涤并可以将其分离成滤液和第三保留物。如本文所述，该分离可以使用筛网型分离器来实现(F)。保留物包含固体和酶，并且可以将其回收利用以与生物质或固相接触以进行进一步糖化。然后，滤液可以被进一步分离成第三透过物和第四保留物。如本文所述，该分离可以使用膜型分离器来实现(G)。透过物包含可以用于诸如发酵等下游工艺的糖。
下面参照图4，说明另一个实施方案。如上面针对图3所述，在适合将至少一部分的生物质水解成糖的条件下使木质纤维素生物质与诸如水和酶等水溶液接触。如上所述，可以将水解的生物质分离成固相和液相(A)。在一些实施方案中，将固相回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。可以将液相分离成包含固体的保留物和包含糖的透过物(B)。在一些实施方案中，将保留物回收利用以返回与生物质接触，其中发生额外的糖化。透过物中的糖可以用于任意所需的目的，包括发酵以生产乙醇。
如图4所示的实施方案中所示出的，可以将包含溶解糖的来自分离步骤(B)的透过物分离成浓缩的糖流和含水流。在一些实施方案中，将来自分离步骤(G)的透过物进一步分离成浓缩的糖流和含水流。可以将来自分离步骤(D)的透过物进一步分离成浓缩的糖流和含水流。在一个非限制性实施方案中，如本文所述，产生浓缩的糖流的分离通过反渗透型分离器来实现(C)。浓缩的糖流可以用于任意所需的目的，例如，可以将其发酵以生产乙醇。
在一些实施方案中，糖化步骤可以在对包含酶的生物质浆料进行混合的混合装置中进行。例如，在一些实施方案中，糖化步骤可以在螺旋钻中进行。在一些实施方案中，糖化步骤在逆流流动的条件下进行，其中固体在与浆料中的液体相反的方向上进行传输。
本文所述的方法的一个优点是去除糖化酶抑制剂。例如，葡萄糖抑制纤维素酶和XIP，低聚木糖和木糖抑制半纤维素酶。特别地，通过在水解过程早期将包含抑制性糖的液体与固体分离，将葡萄糖浓度降到了不抑制酶的水平，并且固体的水解可以在不具有抑制性葡萄糖浓度的情况下继续。如上所述，也可以对固相进行洗涤以去除糖和其他抑制剂。
本文所述的方法的另一个优点是可以提高从生物质生产糖的产率以及因此可以提高生产乙醇的产率，而不必将固体浓度提高到不期望的水平。例如，在给定体积的液体中高固体浓度的生物质的糖化应当产生更多的糖。然而，在高于30％w/v的固体浓度下，固体在乙醇生产设施内难以运输。因而，在目前的方法中，高浓度固体可以用水性液体稀释以产生具有较低固体浓度的浆料，其具有稀释抑制性糖的增加的优点。可以对浆料进行按压以去除大部分液体和溶解的抑制性糖，并且将固体(压滤饼)添加回到生物质以进一步糖化。净效应是提高了糖的产率，而不存在与高固体浓度相关联的缺点。
C.分离方法
本文所述的方法利用各种类型的分离器和分离方法。在一些实施方案中，分离器是筛网型分离器。筛网型分离器的非限制性例子包括筛网、振动筛、往复式泥浆筛(耙筛)、旋转筛/旋转式筛和压力筛。
在一些实施方案中，分离器是膜型分离器。膜型分离器的例子包括超滤(UF)膜、微滤(MF)膜、反渗透(RO)膜或任意其他膜类型，并且膜型分离器可以被构造成切向流过滤(TFF)系统、横向流、反向流、管束、轧制组件、螺旋轧制和叠板系统。膜表面可以是钝化的或具有带离子电荷的表面并且可以是相似或不同材料的单层或多层。
MF膜通常具有0.1μm～10μm的孔尺寸。微滤膜的例子包括诸如Whatman GF/A膜等玻璃微纤膜。UF膜具有比MF膜小的孔尺寸，通常在0.001～0.1μm的范围内。UF膜通常通过分子量截流(MWCO)来分类。超滤膜的例子包括具有低的分子量截流(例如，约10kDa)的聚醚砜(PES)膜。UF膜是市售的，例如来自Synder Filtration(Vacaville,CA)。
使用MF或UF膜的过滤可以在直流过滤(DFF)或切向流过滤(TFF)中采用。也被称为死端过滤的DFF与膜面垂直地施加原料流使得大多数或所有的流体通过膜。也被称作交叉流过滤的TFF与膜面平行地施加原料流使得一部分作为滤液或透过物通过膜，而将剩余部分(保留物)穿过膜再循环回去或转用于其他用途。TFF过滤器包括微滤、超滤、纳米过滤和反渗透过滤系统。交叉流过滤器可以包括堆叠布置的多个滤板(过滤膜)，例如，其中滤板与透过物和保留物板交替。待过滤的液体流经滤板，并且直径大于滤板的孔尺寸的固体或高分子量物质被保留并且进入保留物流，而液体连同任意透过物物质通过滤板扩散并进入透过物流。包括保留物和透过物板的TFF滤板可以由任意合适的建筑材料形成，例如，包括诸如聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚酯等聚合物；尼龙、硅树脂、氨基甲酸酯、再生纤维素、聚碳酸酯、醋酸纤维素、三乙酸纤维素、硝酸纤维素和纤维素混合酯等；陶瓷(例如，硅、锆和/或铝的氧化物)；诸如不锈钢等金属；诸如聚四氟乙烯等聚碳氟化合物；和兼容合金，这种材料的混合物和复合材料。适用于这种过滤的交叉流过滤器模块和交叉流过滤器盒是来自SmartFlowTechnologies,Inc.(Apex,N.C.)的市售的产品。合适的这种类型的交叉流过滤器模块和盒在以下美国专利中进行了不同的描述：美国专利No.4,867,876；美国专利No.4,882,050；美国专利No.5,034,124；美国专利No.5,034,124；美国专利No.5,049,268；美国专利No.5,232,589；美国专利No.5,342,517；美国专利No.5,593,580；和美国专利No.5,868,930；由此，这些专利各自的全部公开内容都以引用的方式并入本文。
在一些实施方案中，分离器是反渗透(RO)型分离器。RO型分离器的例子包括可以从Koch Membrane Systems(Wilmington,MA)或SynderFiltration(Vacaville,CA)得到的RO螺旋膜。
D.糖化和发酵条件
糖化反应可以在最适合所使用的糖化酶的温度和pH下或其附近进行。在本方法的一些实施方案中，最适合糖化的温度为约15～约100℃。在其他实施方案中，温度范围为约20～80℃，约35～65℃，约40～60℃，约45～55℃，或约45～50℃。最适合糖化酶的pH取决于酶的种类可以为约2.0～11.0、约4.0～6.0、约4.0～5.5、约4.5～5.5或约5.0～5.5。
适用于木质纤维素生物质的糖化的酶的例子包括糖苷酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉水解糖苷酶、木聚糖酶、木质素酶和阿魏酸酯酶以及它们的组合。糖苷酶将二糖、低聚糖和多糖的醚键水解。术语纤维素酶是将纤维素水解成葡萄糖、纤维二糖和其他纤维寡糖的糖苷酶的族群的通称。纤维素酶可以包括包含外切纤维二糖水解酶(CBH)、内切纤维素酶(EG)和β葡糖苷酶(βG)的混合物。糖化酶的具体例子包括羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、β葡糖苷酶、β木糖苷酶和α-L-阿拉伯呋喃糖酶以及淀粉酶。糖化酶是市售的，例如，PathwayTM(Edeniq,Visalia,CA)、CTec2和HTec2(Novozymes,Denmark)、CP纤维素酶、木聚糖酶以及(Genencor International,Rochester,NY)。糖化酶也可以通过宿主生物体(包括重组微生物)表达。
酶糖化反应可以进行约几分钟～约250小时的时间段，或其间的任意时间段。例如，糖化反应时间可以为约5分钟、10分钟、30分钟、60分钟或者2、4、6、8、12、16、18、24、36、48、60、72、84、96、108、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240或250小时。在其他实施方案中，糖化反应搅拌下进行以提高酶与纤维素的接触。
可以基于生物质的纤维素含量和/或存在于包括生物质的组合物中的固体的量以及还可以基于所期望的纤维素转化率来调节添加到反应的糖化酶的量。例如，在一些实施方案中，添加的酶的量基于存在于生物质中的纤维素的重量百分数，如由酶提供者所指定的。例如，在此基础上，在这种实施方案中纤维素中所添加的酶的重量百分数可以为约0.1％～约10％。
如本文所述，在对生物质进行预处理并使其水解之后，糖可以用于任何所需的下游工艺或精制为产品。在一个实施方案中，如下文所述，使糖发酵成乙醇。
在上述的糖化步骤之后，在足以从糖生产乙醇的条件下将处理的生物质和/或转化的糖经历发酵。发酵条件包括将生物质和/或糖与能够从糖生产乙醇的酵母接触。如果需要的话，生物质可以同时经历糖化和发酵(SSF)。SSF反应的pH值可以保持在最适合纤维素质酶活性的范围内，例如，约4.0～6.0或约4.5～5.0。
II.系统
在另一个方面，本发明提供了适于执行本文所述的用于从生物质生产糖的方法的系统。在一个实施方案中，该系统包括混合装置，该混合装置能够将生物质通常混合为生物质浆料并能够运输该装置内的生物质固体。在一个实施方案中，混合装置能够在该装置内一个方向上运输固体并在另一个方向或相反方向上运输液体。在一个实施方案中，混合装置是螺旋钻。在一些实施方案中，该系统包括2个以上流体连通的混合装置，例如，2、3、4个以上流体连通的混合装置。
因而，在一个实施方案中，该系统包括第一螺旋钻，第一螺旋钻具有固体入口和在该螺旋钻内的螺杆以将该螺旋钻中的固体物质从螺旋钻的第一端引导到第二端。该螺旋钻也可以具有在第一端的液体出口、在第二端的固体出口和适于将生物质分离成液相和固相的分离器。分离器位于液体出口和螺杆与固体出口之间。该系统还包括第二螺旋钻，第二螺旋钻具有与(第一螺旋钻的)固体出口流体连通的入口，该入口构造成接收来自第一螺旋钻的固体物质。第二螺旋钻也具有固体出口。
在一些实施方案中，可以是螺旋钻或其他装置的第二、第三、第四以及更多混合装置可以以串联或并联构造集成一体。在一些实施方案中，当混合装置具有单独的液体出口和固体出口时，固体出口可以将固体入口供给到系统中的下一个混合装置。在一些实施方案中，混合装置具有在第一端和第二端之间沿着该装置定位的一个、两个或更多个液体入口连接。在一些实施方案中，液体入口连接位于固体出口或第二端附近。在一些实施方案中，一个装置的液体出口送入这些液体入口连接中的一个(即，一个装置的液体出口与液体入口连接流体连通)。在一个实施方案中，所有混合装置的液体输出结合起来、被进一步处理并返回到一个或多个装置的液体入口。在一些实施方案中，最后一个混合装置的液体出口与和最后一个装置相邻的液体入口流体连通，使得多个装置在具有多个混合装置的系统的整个范围内有效地具有液体和固体的反向流。从液体出口去除的工艺液体在返回到同一或不同混合装置的液体入口中之前可以或可以不被进一步处理。可以设想多个装置之间各种液体入口和液体出口的流体连通的任意组合并且所示出的那些代表一些实施方案。
在一个实施方案中，在螺旋钻内的螺杆在同一方向上运输固体物质和液体，从而在螺旋钻内形成直流。在一些实施方案中，在螺旋钻内的螺杆在与螺旋钻内的液体流动的方向相反的方向上运输固体物质，从而形成逆流流动。逆流流动的优点提高了液体中糖化酶抑制剂与由该酶水解的固体分离开的效率。在一个实施方案中，使第一和/或第二螺旋钻倾斜，从而使得液体出口低于固体出口，因而促进螺旋钻内的逆流流动。在一些实施方案中，在螺旋钻内的螺杆可以是单螺杆、双螺杆或多螺杆机构。
在一些实施方案中，该系统还包括适于将生物质分离成液相和固相的第二分离器，第二分离器位于第一螺旋钻的固体出口和第二螺旋钻的入口之间。第二分离器可以与第一螺旋钻的固体出口和第二螺旋钻的入口流体连通。在一些实施方案中，第一和/或第二分离器是筛网、振动筛或压力机。在一些实施方案中，第二分离器可以物理集成到混合装置中。在一些实施方案中，第二分离器装置的液体出口物流与位于混合装置的第二端的液体入口流体连通。
在一些实施方案中，第一和/或第二分离器与适于将液相分离成滤液和保留物的过滤器流体连通。在一个实施方案中，过滤器是上述的诸如TFF系统等微滤器。过滤器可以与第一螺旋钻的液体出口和第一螺旋钻的入口或第二螺旋钻的入口流体连通。在一些实施方案中，将保留物中的固体和酶回收利用并添加到第一或第二螺旋钻中的生物质。滤液通常包含可以用于诸如发酵等下游工艺的糖。如上所述，滤液可以通过RO系统以进一步浓缩糖。
在使液相与过滤器(例如，TFF微滤系统)接触之前，液体可以用诸如Tween 20、Tween 80或聚乙二醇(PEG)等表面活性剂进行处理以有助于将结合酶与木素分离开。该系统还可以包括另一个微滤分离器以在回收的酶再循环回螺旋钻以接触额外的生物质之前浓缩该回收的酶。如果需要的话，可以将使保留物中的木素丰富的固体清除并送去废热发电或用作副产品。在一些实施方案中，可以将提高水解产率或速率的表面活性剂或其他分子回收并再循环回以与额外的生物质接触。这种再循环可以使用多个混合装置系统的各种液体入口和固体入口连接的任意一种。
本文所述的系统可以以间歇、间歇补料或连续方式操作。当以连续方式操作时，酶可以在经过第一螺旋钻时或在生物质添加到第一螺旋钻之前添加到生物质。也可以在多个装置系统中的各种混合装置的任意的液体入口添加新鲜的酶。在适合实现所需程度的水解(糖化)的条件下并且在一定时间内使生物质固体移动通过螺旋钻。螺旋钻的倾斜允许液相(包含液化的生物质)通过第一分离器(例如，筛网)并从液体出口排出。在一个实施方案中，筛网具有约250μm的开口。在其他实施方案中，筛网具有约500或约400或约300或约200或约100或约50或约10μm的开口。液相可以通过允许溶解固体和糖通过过滤器的微滤系统(例如，TFF系统)，而将任意的酶和不溶解固体浓缩并返回到螺旋钻的内部。可以将包含糖的滤液送去发酵或使用RO系统将其浓缩或进一步处理以调节或提高糖流的质量或特性。如上所述操作该系统允许减小移动到各个后续或下游螺旋钻的液体的体积(与在之前的螺旋钻中的体积相比)。对于给定体积来说，各个下游螺旋钻的流体的减少允许更高的生产能力。不用于限制本发明的范围，认为这种更高的生产能力通过从该工艺的糖化部分去除糖和水因而减小固体和液体混合物的体积来实现，该混合物包含能够水解成葡萄糖和木糖的葡聚糖和木聚糖。各个下游螺旋钻的流体减少也可以通过使包含酶的部分废弃的固体再循环回螺旋钻从而使酶再循环回螺旋钻来提高酶与固体比率。如上所述，与间歇过程相比，酶与固体比率的提高也可以提高糖化效率。
在一些实施方案中，第一螺旋钻中的固体浓度为至少约1％、5％或10％w/v。该固体浓度可以增大到至少约15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％w/v，例如，在固体移动到系统中的后续螺旋钻时约25％～35％。
本文所述的螺旋钻可以具有用于添加生物质、固体和/或酶的额外的入口。
在一些实施方案中，该系统还包括至少一个额外的螺旋钻。至少一个额外的螺旋钻具有与第一和/或第二螺旋钻的固体出口流体连通的固体入口和固体出口。在一个实施方案中，至少一个额外的螺旋钻与第一和第二螺旋钻串联对齐，从而使得将固体物质引导通过这一连串的螺旋钻。在一些实施方案中，螺旋钻中的至少一个的固体出口与适于从处理的生物质去除液体的第三分离器流体连通。第三分离器可以是筛网、振动筛、压力机或适于将液流与浆料流分离的任意其他装置。例如，生物质可以通过振动筛以从固体去除液体，并且还另外被按压以去除处理的生物质的间隙液体中大部分的剩余糖。可以将包含糖的来自压力机的液体送去发酵或使用RO系统将其浓缩。可以将按压的固体送到串联的下一个螺旋钻。来自压力机的液体可以与系统中的其他混合装置的液体入口流体连通。
下面参照图6，说明系统的一个实施方案。第一端具有液体出口并且第二端具有固体出口的第一螺旋钻与第二螺旋钻的入口流体连通。生物质和酶通过固体入口添加到螺旋钻。通过螺旋钻内机动的螺杆将生物质固体从固体入口朝向固体出口运输。在生物质固体从螺旋钻的入口运输到第二端时被酶水解。螺旋钻可以倾斜，从而使得液体出口低于固体出口，从而允许螺旋钻内的逆流流动。螺杆被构造成使得螺杆螺纹和螺旋钻壁的内侧之间的公差允许流体经过螺纹但是将大部分未水解的固体朝向固体出口运输。水解的生物质液体通过筛网然后从液体出口排出。然后，液体通过微滤TFF系统。然后，将在TFF系统的保留物中回收的固体和酶添加回第一螺旋钻。保留物中的固体可以通过第二端附近的入口添加到螺旋钻，以将第二端附近的固体浓度保持为较高。来自TFF系统的滤液包含被送去发酵或送到RO系统以进一步使糖浓缩的糖。
将离开第一螺旋钻的固体出口的固体添加到第二螺旋钻的固体入口。固体通常是水性浆料。第二螺旋钻中的固体浓度可能高于第一螺旋钻中的固体浓度。然后，通过第二螺旋钻内的螺杆将固体从入口运输到第二端的出口。允许来自浆料的液体通过位于螺杆和第一端的液体出口之间的筛网。第二和后续螺旋钻可以倾斜以促进螺旋钻内的逆流流动。如上所述，包含离开液体出口的生物质水解产物的液体可以通过微滤TFF系统。然后，将从TFF系统回收的固体和酶添加回第二螺旋钻。可选择地，然后，将从TFF系统回收的浓缩的固体和酶添加回第一螺旋钻，从而允许浓缩的酶相对于固体的逆流流动。这个工艺可以重复用于若干个螺旋钻。
在另一个实施方案中，螺旋钻包括用于将酶添加到螺旋钻的多个注入孔或液体入口。添加到各个注入孔的酶的浓度和种类可以不同，从而使得生物质的糖化最优化。酶的浓度和种类可以取决于系统是直流操作还是逆流流动操作而不同。
在一些实施方案中，将水或其他水溶液添加到螺旋钻以洗涤固体。水溶液可以是新添加的(新鲜的)或从内部流再循环的。例如，来自RO系统的透过物可以用来洗涤生物质。洗涤螺旋钻中的固体降低了糖浓度，从而使得对酶活性的抑制较少并且糖化效率提高。如果添加的水溶液将糖浓度降低了到所需水平以下，那么TFF透过物可以在发酵之前进给到RO系统以提高糖浓度。然后，可以将来自RO系统的透过物再循环回以洗涤更多的固体。
下面参照图7，说明系统的另一个实施方案。图7示出了被设计成增加整体固体时间同时减少糖停留时间的再循环螺旋钻系统。该系统与上述的一样包括流体连通的多个螺旋钻，不同之处在于最后一个螺旋钻与第一螺旋钻流体连通。各螺旋钻的固体出口与诸如振动筛或压力机等分离装置流体连通。压力机可以具有将超过特定尺寸的固体颗粒排除的筛网(例如，尺寸为40μm～510μm的筛网)。具有这些尺寸的筛网允许具有微细颗粒尺寸的糖和溶解的木素通过网孔，而含有葡聚糖和木聚糖的大颗粒(可以被糖化的生物质的部分)被保留。将太大而不能通过筛网并进入压力机的颗粒送到串联的下一个螺旋钻。可选择地，振动筛可以用来将固体与液体分离开。压力机或振动筛与TFF系统流体连通。如上所述，压出液体被TFF系统分离开。可以将来自TFF系统的保留固体循环利用并添加到新鲜的生物质和/或从该系统清除。
如图7所示，除了循环利用的保留固体之外，也可以将新鲜的固体(生物质)和酶添加到各个螺旋钻中。在一个实施方案中，新鲜的固体不添加到这一连串的螺旋钻中的一个，这允许在这个螺旋钻中存在的所有生物质的额外的糖化时间。在一个实施方案中，将来自再循环螺旋钻系统中最后一个螺旋钻的固体再循环回第一螺旋钻，其中固体可以与额外的生物质接触以进一步糖化。如果需要的话，可以将一些或所有的固体从该系统清除。可以在两个螺旋钻之间的步骤或在最后一个螺旋钻之后将固体从TFF保留物清除。
实施例
为了说明的目的提供以下实施例，但是这些实施例不限制请求保护的发明。
实施例1
本实施例表明了洗涤由过滤膜保留的固体并且当在糖化之前将洗涤的固体与额外的生物质结合时会使得葡萄糖的产率提高。
使玉米秸杆的糖化进行15小时。使材料通过手筛。使用具有20kDa膜的TFF系统将液体浓缩。发现通过过滤器可以将系统40％的物质从该系统去除。将固体与TFF保留物再结合并经历额外24h的糖化。在单独的实验中，对TFF保留物进行洗涤(1X)以去除会抑制酶活性的额外的糖。然后，将固体与洗涤的TFF保留物再结合并经历额外24h的糖化。
图5显示出了以上实验的结果。洗涤系统上的糖以降低其浓度，从而进一步提高产率。这些结果与将一级动力学用于生物质浓度的动力学模型和作为糖浓度的第一阶的负项一致。
本实施例表明了从部分水解的固体去除糖可以提高后续糖化步骤中糖的产率。
实施例2
本实施例示出了用于从生物质生产糖的系统，其中使用螺旋钻在适合将生物质水解成糖的条件下使酶与生物质接触。
在本实施例中，使用筛网和振动筛将液相与固相分离开。使用TFF膜将液体分离成含有糖和一些溶解固体的透过物和含有酶、糖和任意剩余颗粒固体的保留物。然后，将保留物与螺旋钻系统中的固体再结合。本实施例中所使用的生物质是玉米秸杆并且该系统以12小时批次操作。
在本实施例中，在179℃下对玉米秸杆生物质进行40分钟的预处理。将含16％固体的玉米秸杆浆料转移到4个螺旋钻中的第一个。相对于玉米秸杆中的葡聚糖，以按重量20％剂量的酶将Trio添加到玉米秸杆。螺旋钻被绝热，并具有围绕护套中各螺旋钻重复循环的67℃热水。螺旋钻内的温度通常测量为45～50℃，以50℃作为目标。使用螺旋输送机将固相向螺旋钻的上部移动并传递给下一个螺旋钻。在固体到达第四螺旋钻的端部时，在当将新鲜的材料添加到系统时将这些固体再循环回第一螺旋钻的起始部。使用位于螺旋钻的起点附近但是在入口之后的网筛将液相与固体分离开。液体从螺旋钻穿过具有100μm筛网的振动筛(Sweco,Florence,KY)。没有通过筛网的固体被拒绝回到螺旋钻系统中。将液体送到TFF系统。在TFF系统中，使用含有150kDa聚醚砜(PES)膜的0.9m2模块(SmartFlow Technologies,Apex,NC)。将保留物周期性地再循环回螺旋钻系统，而将透过物从该系统去除。
图8显示出了各螺旋钻中的固体浓度作为时间的函数。发现螺旋钻系统通过在螺旋钻底部的网孔可以去除足够的水，其中在糖化过程中在该螺旋钻中存在22％～25％的固体浓度。该值比存在于原料中的16％的固体大得多。
图9示出了各螺旋钻中的葡萄糖和木糖浓度作为时间的函数。如图9所示，在所有4个螺旋钻中的糖浓度都是相似的，这很可能是由于所进行的液体和保留物再循环。从葡聚糖生产葡萄糖的最终(在t＝12时)产率为37％。从木聚糖生产木糖的最终产率为81％。
实施例3
本实施例示出了用于从生物质生产糖的系统，其中使用螺旋钻在适合将生物质水解成糖的条件下使酶与生物质接触。
在本实施例中，使用筛网和振动筛将液相与固相分离开。将液相储存在适合生产糖的条件下。使用TFF膜将液体分离成含有糖和一些溶解固体的透过物和含有酶、糖和任意剩余颗粒固体的保留物。然后，经由各螺旋钻中的逆流洗涤将保留物与螺旋钻系统中的固体再结合。在本实施例中所使用的生物质是甘蔗渣，并且将该系统连续操作超过10天。
图10中绘出了用于从生物质生产糖的系统的整体示意图。在179℃下对甘蔗渣生物质进行40分钟的预处理。将含12％固体的甘蔗渣浆料转移到5个螺旋钻中的第一个。第一螺旋钻在图10中被称为混合螺旋钻并且没有液体再循环发生到该螺旋钻中。相对于甘蔗渣中的葡聚糖，以按重量20％剂量的酶将Accellerase Trio添加到混合螺旋钻中的甘蔗渣中。另外，相对于溶液中固体物质，以按质量2％剂量的PEG将聚乙二醇(PEG)添加到混合螺旋钻中的生物质中。螺旋钻被绝热，并具有围绕护套中的各螺旋钻重复循环的67℃的热水。螺旋钻内的温度以50℃作为目标。使用螺旋输送机将固相移动通过混合螺旋钻，并泵送到作为四个糖化螺旋钻中的第一个的下一个螺旋钻(参见图10)。在糖化螺旋钻中，使用位于螺旋钻的起点或附近但是在入口之后的网筛将液相与固体分离开。使用螺旋输送机将固相移动通过各个糖化螺旋钻并且泵送到下一个螺旋钻。在固体到达第四糖化螺旋钻的端部之后，再将这些固体再循环回其中也添加有来自混合螺旋钻的材料的第一糖化螺旋钻的起始部。为了有助于从糖化螺旋钻去除液体，这些螺旋钻以从开始到结束3°倾斜地操作。液体从螺旋钻穿过具有45μm筛网的振动筛(Sweco,Florence,KY)。没有通过筛网的固体被拒绝回到螺旋钻系统中。将液体送到TFF系统。在TFF系统中，使用含有150kDa聚醚砜(PES)膜的9.8m2模块(SmartFlowTechnologies,Apex,NC)。将保留物周期性地再循环回糖化螺旋钻，同时将透过物从系统去除。
表1中示出了总质量和固体质量平衡。平衡的总质量封闭在0.03％内。基于葡聚糖和葡萄糖质量平衡，从葡聚糖生产葡萄糖的总产率为56％。基于木聚糖和木糖质量平衡，从木聚糖生产木糖的总产率为67％。
表1.总的系统质量平衡。注：总固体包括测量的挥发物。
图11、图12和图13显示出了系统不同部分中的固体、葡萄糖和温度的对照图表。图11示出了混合螺旋钻中测量的平均固体含量为11.0％，糖化螺旋钻4中为15.5％，TFF滤液罐中为11.5％。另外，系统中测量的固体在混合螺旋钻和糖化螺旋钻4中大多得到很好的控制。糖化螺旋钻中的固体浓度高于混合螺旋钻中的固体浓度，因为去除了糖化螺旋钻中的液相。在滤液罐中，固体含量往往长时间高于平均值，因而显示为失控。这种长时间失控很可能是由于TFF系统操作时TFF进料罐中固体的浓度所引起的。
图12显示出了在运行过程中葡萄糖浓度大多得到很好的控制。相比之下，螺旋钻4在其中浓度从3.3％降到2.5％的78小时左右具有失控点。这个时期相当于刚刚完成滤液材料再循环回螺旋钻4中之后的时间。浓度保持很低直到滤液的下一个再循环开始。滤液再循环后葡萄糖浓度增大支持了酶再循环将有助于促进产率增大的假说。对于运行的其余部分，糖化螺旋钻4将葡萄糖浓度保持在控制之下直到该系统接近运行的结束。在最初几个再循环之后观察时没有再看见与滤液再循环相关联的糖浓缩的剧烈的变化。与混合螺旋钻和螺旋钻4相比，TFF滤液罐具有窄的多的带宽，并且往往倾向于高于或低于平均值，因而对于大部分过程来说是失控的。这些变化再一次很可能是由于TFF操作所引起的，并且应当设法被进一步理解使得可以在TFF滤液罐中实现更高的葡萄糖浓度。基于测量的11.7％固体负载和39％葡聚糖组成，混合螺旋钻具有34％(1.72/5.07)的平均转化率，糖化螺旋钻具有22％的平均转化率，TFF滤液罐具有3％的平均转化率。因此，通过将TFF滤液罐中的液相保持在适合糖化的条件下，提高了整体工艺产率。在每个单独的部件中从葡聚糖转化到葡萄糖的转化率之和总计达59％，这接近基于葡聚糖质量平衡所计算的56％的转化率。
图13显示出了混合螺旋钻、糖化螺旋钻1和糖化螺旋钻3中的温度。在混合螺旋钻和糖化螺旋钻1中，温度大多处于控制之下，混合螺旋钻中的平均温度为50.8℃。在螺旋钻1中，平均温度为47.8℃，但是在运行的中期，温度一致地高于平均值并且非常接近目标温度50℃。糖化螺旋钻3具有比平均温度为47.2℃的糖化螺旋钻1低的平均温度。
因为由于糖和水流从透过物中去除而使固体在系统中积聚，所以糖化螺旋钻中所期望的固体浓度在最初8天期间将为加到系统中的初始负载的1.2x～2.0x并且一旦停止向螺旋钻中进料就会增加到3X(图14)。
本实施例还表明了PEG和酶可以在TFF中被浓缩并被再循环回到螺旋钻系统。图15A示出了混合螺旋钻(没有任何再循环)和具有再循环的糖化螺旋钻中测量的PEG浓度。糖化螺旋钻中测量的PEG浓度平均为混合螺旋钻中的浓度的1.4倍。该值在与评判可以表示PEG以与固体相似方式浓缩的工艺流量预测的1.2X～2.0X固体浓度增大相同的范围内。图15B示出了滤液(或TFF浓缩物)中和在所选择的TFF循环结束的透过物罐中的PEG浓度。滤液罐(或TFF浓缩物罐)中的PEG浓度通常为透过物中的浓度的9x。合计各透过物批次的PEG的浓度显示出只有添加到系统中的39.2kg PEG中的2.5kg在透过物中损失了。这相当于只有6.3％的初始PEG从透过物中损失了，这比通过TFF膜离开系统的总质量的超过80％低得多。
图16示出了在各种TFF循环期间TFF透过物和TFF浓缩物中的β-葡糖苷酶(BG)浓度。在所有的情况下，TFF浓缩物具有比所含的透过物高的多的BG活性。对基于其进行酶活性测定的5个循环进行平均，平均4％的原始BG活性通过过滤器。TFF滤液具有26％的原始酶活性。然后，将这个罐的内容物再循环回到糖化螺旋钻以提高系统中整体酶浓度。这些数据表明了TFF再循环除了PEG之外还在保留BG并且存在对酶进行“重新利用”或“再循环”的机会。
TFF操作由产生总计3504.5加仑的透过物液体的9个过滤循环组成。该值表示进给系统中的82％的液体。各过滤循环的关键数字示于表2中。从在整个过滤期间产生的透过物的总量计算的净通量在各循环之间不同。这种不同是滤液固体(平均固体和颗粒重量)和操作压力中的差异的结果。
表2.所选择的TFF性能参数
循环 CSP开始时间 持续时间(小时) 产生的透过物(gal) 净通量(LMH)
1 60:53:00 3:07 714.4 88.42
2 102:40:00 6:10 672.2 42.05
3 123:38:00 8:45 343.5 15.14
4 137:45:00 5:09 173.9 13.03
5 154:35:00 5:52 384.1 25.25
6 164:09:00 4:04 155.3 14.73
7 172:22:00 8:57 316.1 13.62
8 187:54:00 14:29 594.6 15.84
9 247:08:00 3:35 156.2 16.82
实施例4
本实施例显示出了使用反渗透(RO)系统的切向流过滤(TFF)透过物的浓度。
利用使用型号为8040-ACM-TSFA(Synder Filtration,Vacaville,CA)的螺旋缠绕元件的RO系统使具有表3的第一列所示组成的大约750加仑的TFF透过物进行浓缩。使系统操作刚刚超过6小时。使用HPLC分析确定糖和其他水解产物的浓度。
结果表示在RO系统中将TFF透过物浓缩是可行的。表3表示总糖浓度从4.1％w/v～7.4％w/v增加到1.8x。
表3.在TFF透过物的反渗透(RO)膜浓缩期间在RO系统运行的各小时时的组分浓度。
葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、总糖、乙酸和乙醇值为％w/v。5-HMF和糠醛为PPM。
应当理解的是，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明的目的，并且基于它们的各种修改或改变将提示给本领域技术人员并包含在本申请的精神和权限以及所附的权利要求书的范围内。本文所引用的所有公开出版物、专利和专利申请的全部内容出于所有的目的由此以引用的方式并入本文。在所附的权利要求书中，术语“一种”或用于表示“一个或多个”。术语“包括”当记述步骤或元件时用于表示另外的步骤或元件的添加是可选的并且不是排除性的。

Claims (38)

1.一种用于从生物质生产糖的方法，包括：
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
(b)将所述混合物分离成含有糖的液相和固相；
(c)在适合将所述固相的组分水解成糖的条件下将所述固相孵化，从而产生额外的糖；
(d)将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；和
(e)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
2.如权利要求1所述的方法，其中在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下将所述保留物与额外的未水解的生物质结合。
3.如权利要求1所述的方法，还包括洗涤所述保留物以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的保留物。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述洗涤的保留物包含低于1％w/v的糖。
5.如权利要求3所述的方法，其中将所述洗涤的保留物进一步分离成包含糖的液体和包含酶的固体。
6.如权利要求5所述的方法，其中通过反渗透将所述糖进一步浓缩。
7.如权利要求1所述的方法，其中通过筛网、振动筛、压力机或离心机将所述液相与所述固相分离。
8.如权利要求1所述的方法，其中在适合生产糖的条件下将所述液相孵化。
9.如权利要求1所述的方法，其中通过过滤器或膜将所述透过物与所述保留物分离。
10.如权利要求1所述的方法，还包括通过反渗透将所述透过物分离成浓缩的糖部分和液体部分。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质包含含有至少约10％的固体的浆料。
12.如权利要求1所述的方法，还包括洗涤所述固相以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的固相。
13.如权利要求12所述的方法，还包括将所述洗涤的固相分离成包含糖的液体和固体。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述接触在螺旋钻中发生。
15.如权利要求14所述的方法，其中适合将所述生物质的组分水解成糖的条件包括逆流流动，使得所述液相在与所述固相相反的方向上移动。
16.如权利要求1所述的方法，还包括将所述固相浓缩和将至少一部分的任意剩余液体与所述固体分离。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述方法是间歇过程。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述方法是连续过程。
19.一种用于从生物质生产糖的方法，包括：
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
(b)将所述混合物分离成液相和固相；
(c)在其中将所述生物质转化成额外的糖的条件下将洗涤的固相与所述生物质结合。
20.如权利要求19所述的方法，还包括洗涤所述固相以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的固相。
21.如权利要求20所述的方法，其中将所述洗涤的固相进一步分离成第二液相和第二固相，并且将第二固相与所述生物质和/或固相结合。
22.如权利要求21所述的方法，其中将第二液相分离成透过物和保留物，将所述保留物与所述生物质和/或固相结合，并且所述透过物包含糖。
23.如权利要求19所述的方法，还包括将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；
(a)洗涤所述保留物以去除糖，从而形成洗涤的保留物；和
(b)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
24.如权利要求23所述的方法，其中将所述透过物进一步分离成浓缩的糖部分和液体部分。
25.一种用于从生物质生产糖的方法，包括：
(a)在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述生物质与酶接触，从而产生固体、液体和糖的混合物；
其中所述条件包括逆流流动，使得所述液体在与所述固体相反的方向上移动；
(b)将所述混合物分离成液相和固相；
(c)在适合将所述固相的组分水解成糖的条件下将所述固相孵化，从而产生糖；
(d)将所述液相分离成包含溶解固体和糖的透过物与包含不溶解固体、酶和糖的保留物；和
(e)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述保留物与所述生物质或固相结合。
26.如权利要求25所述的方法，还包括：
(a)洗涤所述保留物以去除至少一部分糖，从而形成洗涤的保留物；和
(b)在其中将所述生物质转化成糖的条件下将所述洗涤的保留物与所述生物质或固相结合。
27.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在适合将所述生物质的组分水解成糖的条件下使所述固体与额外的生物质接触。
28.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在适合生产乙醇的条件下使所述糖发酵。
29.一种用于处理生物质的系统，包括：
第一螺旋钻，包括：
固体入口；
在所述螺旋钻内的螺杆，所述螺杆将所述螺旋钻中的固体物质从第一端引导到第二端；
在第一端的液体出口；
在第二端的固体出口；和
分离器，所述分离器适于将所述生物质分离成液相和固相并位于(i)所述液体出口与(ii)所述螺杆和所述固体出口之间；和
第二螺旋钻，包括：
入口，所述入口与所述固体出口流体连通并用于接收来自第一螺旋钻的固体物质；和
固体出口。
30.如权利要求29所述的系统，还包括第二分离器，第二分离器适于将所述生物质分离成液相和固相并位于(i)第一螺旋钻的固体出口与(ii)第二螺旋钻的入口之间，
其中第二分离器与第一螺旋钻的固体出口和第二螺旋钻的入口流体连通。
31.如权利要求29或30所述的系统，其中第一和/或第二分离器是筛网、振动筛或压力机。
32.如权利要求29或30所述的系统，其中第一和/或第二分离器与适于将所述液相分离成滤液和保留物的过滤器流体连通。
33.如权利要求32所述的系统，其中所述过滤器与第一螺旋钻的液体出口和第一和/或第二螺旋钻的入口流体连通。
34.如权利要求29所述的系统，其中所述螺杆在与所述螺旋钻内的液体流动的方向相反的方向上运输所述固体物质。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述螺旋钻倾斜，使得所述液体出口低于所述固体出口。
36.如权利要求29所述的系统，其中第一和/或第二螺旋钻还包括用于添加生物质、固体或酶的额外入口。
37.如权利要求29所述的系统，还包括至少一个额外的螺旋钻，其包括：
入口，所述入口与第一和/或第二螺旋钻的固体出口流体连通；和
固体出口；
其中所述至少一个额外的螺旋钻与第一和第二螺旋钻串联对齐，使得固体物质被引导通过串联的螺旋钻。
38.如权利要求37所述的系统，其中所述螺旋钻中的至少一个的固体出口与适于从处理的生物质去除液体的第三分离器流体连通。
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