CN107735494A - 将生物质转化为发酵产物 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及包含生物质、固体酸性催化剂和纤维素酶或表达所述酶的生物体的反应混合物以用于将生物质转化为有用的原料，和使用所述反应混合物通过发酵形成产物的方法。

Description

将生物质转化为发酵产物
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年4月13日提交的美国临时申请号62/146,571的权益，其出于所有目的整体并入本文。
技术领域
本申请涉及包含生物质、固体酸性催化剂和用于将生物质转化为有用的原料的纤维素酶的反应混合物，以及使用所述反应混合物通过发酵形成产物的方法。
背景技术
术语“生物质”是指任何非化石的、即可再生的有机物质。各种类型的生物质包括植物生物质(下面定义)、动物生物质(任何动物副产物、动物废物等)和城市废物生物质(可回收的住宅和轻型商业废弃物，如移除的金属和玻璃等)。
这些便宜生物质材料的转化用作发酵产物的原料已被广泛研究。为了使微生物使用这些生物质原料，需要将原料分解成微生物容易使用的糖。
纤维素生物质的预处理已被认为是允许纤维素酶接近其底物—坚硬的细胞壁结构内的纤维素和半纤维素的必要步骤。为了降低纤维素生物质结构的不顺从，多年来已经开发了许多预处理技术，其中大部分预处理技术包括在高温和高压条件下在液相中某种形式的化学处理。硫酸是最常见的加入的化学品之一，因为与其它化学品(如碱或溶剂)相比，硫酸比较便宜，并且可以导致半纤维素的有效溶解。
可以使用浓硫酸将纤维素和半纤维素溶解成单体糖，但是该方法通常遭遇低水解产率，理由是形成大量的降解产物，并且由于大多数这些降解产物对发酵生物体是非常抑制的，导致随后非常低的发酵产率。因此，大多数酸预处理是在低浓度的硫酸中进行的。但是，存在显著的缺点。首先，半纤维素部分可以容易地通过稀酸水解成单体糖。然而，纤维素和木质素部分几乎保持不变，因而通常需要显著量的酶在另外的酶法水解步骤中分解不溶性纤维素部分。其次，稀酸预处理通常在高温和高压条件下在液相反应器中进行。需要足量的水或需要预浸步骤以确保酸催化剂和生物质的最佳混合。由于在这些条件下稀酸的强腐蚀作用，通常需要非常昂贵的反应器构建材料。最后，必须在酶法水解或发酵步骤发生之前中和酸。当用便宜的氢氧化钙中和时，大量石膏的形成可能对下游加工产生问题。因此，需要更有效和便宜的制造木质纤维素材料的方法，该木质纤维素材料适用于生产用于各种发酵产物的生物合成生产的可发酵糖。
发明内容
本发明人已经发现，固体酸性催化剂可以将固定相反应中生物质的纤维素和半纤维素部分水解成寡聚糖。更重要的是，本发明人还发现，当使用纤维素酶分解寡聚糖以及残留的不溶性生物质材料或/和应用发酵生物体将糖转化成各种发酵产物时，固体酸性催化剂的存在不会使酶(一种或多种)和/或生物体失活。因此，在酶法水解和/或发酵过程中避免了固体酸性催化剂的去除，显著节省了生物质转化过程的资本投资和加工成本。
因此，本发明人公开了用于有效水解生物质材料的反应混合物和方法，所述方法用于：分解生物质并转化成可用的糖，和生物合成制备用于产物发酵的原料。因此，本申请涉及几种方法。
一种从生物质中释放糖的方法，其包括以下步骤：a)用固体酸性催化剂预处理生物质，b)形成含水反应混合物，其含有预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物；或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。
一种通过生物合成制备产物的方法，其包括以下步骤：a)用固体酸性催化剂预处理生物质，b)形成含水反应混合物，其含有预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素和/或半纤维素酶的生物体，和c)在步骤b)中的反应混合物或步骤b)中的反应混合物的含水提取物的存在下培养原核生物体或真核生物体，以形成产物。
一种生物合成反应混合物，其包含a)用固体酸性催化剂预处理的生物质和b)一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其组合，或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。
还公开了从方法制备的火山灰质(pozzolanic)材料，所述方法包括a)用高岭土固体酸性催化剂预处理生物质。制备火山灰质材料的方法可以进一步包括以下步骤：b)形成含水反应混合物，其含有步骤a)中的预处理的生物质、高岭土固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体；和c)分离高岭土固体酸性催化剂以提供火山灰质材料。该方法还可以包括加热高岭土以形成偏高岭土。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的几个实施方案，与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是显示实施例1中的同时糖化和发酵过程的图，其中使用磨碎的干生物质和高岭土粘土混合物。
图2是显示实施例2中高岭土处理的玉米纤维的酶法水解的条形图。
图3是显示实施例3中干磨碎锯屑样品和液体提取物样品以等量生物质固体加载的同时糖化和发酵(SSF)的比较的条形图。
详细说明
本文使用的术语“包括”及其变型与术语“包含”及其变型同义使用，并且是开放的、非限制性术语。尽管术语“包括”和“包含”在本文中用于描述各种实施方案，但是可以使用术语“基本上由......组成”和“由......组成”代替“包括”和“包括”以提供更具体的实施方案并且也被公开。如在本公开和所附权利要求中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“a”、“an”、“the”包括复数指示物。本文中公开的百分比范围和其它范围包括公开的范围端点以及范围中提供的任何整数。
生物质
生物质实际上是指可在可持续基础上获得能量的任何源于植物的有机物质(木质或非木质)。植物生物质可以包括但不限于玉米、农作物废物和残余如玉米秸秆、麦秆、稻秆、甘蔗渣等。植物生物质进一步包括但不限于：树木、木本能源作物、木材废物和残余，例如软木森林间伐材(softwood forest thinnings)、树皮废物(barky wastes)、锯屑、纸和纸浆工业废物流、木质纤维等。另外，作为另一种植物生物质来源的草类作物如柳枝稷等也有可能大规模生产。对于城市地区来说，最有潜力的植物生物质原料包括庭院废物(如草屑、树叶、树木剪枝和灌木)和蔬菜加工废物。“木质纤维素原料”是指任何类型的植物生物质，如但不限于非木本植物生物质、栽培作物，如但不限于草，例如但不限于C4草，如柳枝稷、绳草(cord grass)、黑麦草、芒草、芦苇草(reed canary grass)或其组合，或糖加工残渣如甘蔗渣或甜菜浆，农业残余例如大豆秸秆、玉米秸秆、稻秆、稻壳、大麦秆、玉米穗轴、麦秆、油菜秆、稻秆、燕麦秆、燕麦壳、玉米纤维、回收的木浆纤维、锯屑、硬木例如山杨木和锯屑、软木或其组合。此外，纤维素原料可以包括纤维素废物材料，如但不限于新闻纸、纸板、锯屑等。
如果生物质材料是木质纤维素材料，则其将具有纤维素、半纤维素和木质素含量。典型地，在这种木质纤维素材料中，纤维素、半纤维素和木质素与少量提取物、果胶、蛋白质和灰分一起以复杂的胶状结构结合在一起。通常，木质纤维素材料难以被用于水解纤维素的微生物、酶等接近。
固体酸性催化剂
固体酸性材料可以是具有表面酸性的任何固体材料。“固体”是指固体材料、半固体材料或水含量小于约15、20、25、30或40重量％的任何其它材料。表面酸性是指材料固体表面的酸性。表面酸性测定方法建立在从碱溶液中吸附碱的基础上。以单层覆盖固体酸性材料的固体表面的碱的量被定义为表面酸性并且对应于所使用的碱的pKa。所用的碱可以是正丁胺、环己胺或任何其它合适的碱。表面酸性的程度通常由Hammet和Deyrups H0函数表示：
H0＝pKBH+-log(CBH+/CB)(I)
因此，在该等式中，当指示剂B吸附在材料固体表面的酸性位点上时，指示剂的一部分在酸性位点上质子化。可以用式(I)中BH+的pKBH+值表示酸性位点的强度。当BH+的浓度(CBH+)等于B的浓度(CB)时，BH+是指示剂B的共轭酸。因此，由H0表示的酸强度显示通过质子化碱性指示剂B的一半的酸性位点共轭变成共轭酸的能力。在Lewis定义下，H0值显示可以从吸附的碱性指示剂B的一半接收电子对的能力。参见Masuda等人Powder TechnologyHandbook,3rd Ed.(2006)。-8.2的H0对应于90％硫酸的酸性，-3.0的H0对应于约48％硫酸的酸性。
可以使用任何合适的测定材料H0的方法，如使用从其在环己烷中的溶液吸附正丁胺的方法，如Investigation of the Surface Acidity of a Bentonite modified byAcid Activation and Thermal Treatment,Turk.J.Chem.,2003；27:675-681中所示，其公开内容在此通过引用整体并入。或者，使用通常称为Hammett指示剂的指示剂确定材料的H0。Hammett指示剂依赖于代表主题材料的特定表面酸性的颜色变化。
在本发明中，可以使用许多固体酸性材料。通常，本发明中的固体酸性材料可以是具有表面酸性的任何固体材料。优选地，固体酸性材料具有小于约-3.0的H0，并且优选具有小于约-5.6的H0。
在一个实施方案中，固体酸性材料是粘土材料。如本文所用，“粘土材料”被定义为主要由细粒矿物组成的材料，其在适当水含量下通常是可塑的，在干燥或烧制时将变硬。用于本发明的包含主要部分为粘土材料的示例性矿物包括高岭石或高岭土、埃洛石、绿坡缕石、蒙脱石、伊利石、珍珠陶土、地开石和富硅高岭石。用于本发明的粘土的非限制性实例包括漂白土、高岭土和膨润土。高岭土是一种主要由矿物高岭石组成的粘土材料。膨润土是含有相当数量的蒙脱石的粘土，并且典型地具有一些镁并与之结合。任选地，可以对粘土材料进行酸处理以向粘土材料提供进一步的表面酸性。
在另一个实施方案中，固体酸性材料是任何硅铝酸盐(粘土亚组)或水合硅铝酸盐矿物。例如，固体酸可以是蛭石、白云母、高岭石、偏高岭土、埃洛石、绿坡缕石、蒙脱石、伊利石、珍珠陶土、地开石和富硅高岭石，或者沸石如方沸石、菱沸石、片沸石、钠沸石、钙十字沸石和辉沸石，或具有通式Al2O3.xSiO2.nH2O的任何矿物。
在另一个实施方案中，固体酸性材料是超强酸性材料。超强酸性材料在本发明中是有用的，因为超强酸性材料表面上有大量的酸性位点。Broensted超强酸可被描述为比100％硫酸更强的酸。Lewis超强酸可被描述为比无水三氯化铝更强的酸。固体超强酸由或Lewis酸处理的固体介质(即氧化铝)组成。所使用的固体可以包括天然粘土和矿物、金属氧化物和硫化物、金属盐和混合金属氧化物。示例性的超强酸包括二氧化钛：硫酸(TiO2：H2SO4)和二氧化锆：硫酸(ZrO2：H2SO4)混合物。示例性的Lewis超强酸包括将五氟化锑掺入金属氧化物如二氧化硅(SbF5：SiO2)、氧化铝(SbF5：Al2O3)或二氧化钛(SbF5：TiO2)中。在一个实施方案中，超强酸是用或Lewis酸处理的金属氧化物。在一个具体的实施方案中，如下所述，超强酸是用硫酸或甲磺酸处理的氧化铝。
或者，固体酸性材料可以是硅酸盐材料，如滑石或具有表面酸性的任何其它合适的固体材料，如氧化铝，以及本文所述的任何材料的组合。
在一个实施方案中，固体酸性材料是高岭土。高岭土主要由矿物高岭石组成。高岭石(Al2Si2O5(OH)4)是由八面体配位的铝和四面体配位的硅由羟基键合的交替片层组成的层状硅酸盐。或者，固体酸可以是无水高岭土的形式，其可以通过典型地将高岭土加热高于500摄氏度来制备。在另一个实施方案中，可以对高岭土进行热处理或蒸汽处理以增加表面酸性。例如，可以将高岭土转化为偏高岭土并用作固体酸性催化剂。
此外，固体酸性催化剂，例如高岭土或偏高岭土可被粉碎以形成更小的颗粒并增加表面积，从而增加其酸性。
在另一个实施方案中，固体酸是膨润土，例如酸化膨润土。膨润土是吸水性铝层状硅酸盐，通常为主要由蒙脱石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.(H2O)n组成的不纯的粘土。存在两种类型：膨胀膨润土(也被称为钠膨润土)和非膨胀膨润土或钙膨润土。
酸化的膨润土可以通过用一种或多种酸处理膨润土制备，如通过用1M盐酸溶液处理膨润土制备。
在又一个具体的实施方案中，固体酸是固体超强酸，其包含用2M硫酸处理的氧化铝，过滤并在约800摄氏度下煅烧约5小时。
高岭土和酸化的膨润土是用于本发明的理想材料，因为它们提供高表面酸性以及固有量的水，这两者都是由于存在结构性和表面羟基以及游离水含量导致，它们都可用于水解纤维素材料的糖苷键。因此，使用酸化的膨润土、膨润土、偏高岭土和高岭土作为固体酸性材料可以提供实质性的益处，因为使用这些材料可以消除对增溶过程加入水的需要，从而显著降低纤维素溶解的时间和花费。
在另一个实施方案中，固体酸性材料是酸处理的材料，如硫酸处理的氧化铝以形成超强酸。为了制备这种超强酸，将氧化铝在2M硫酸中搅拌、过滤并在约800摄氏度下煅烧约5小时。用硫酸处理氧化铝将硫酸根离子加到固体氧化铝表面，从而使固体酸性材料进一步接受电子。结果，这些超强酸具有非常高的表面酸性。然而，尽管超强酸可能具有比膨润土或高岭石更高的表面酸性，但超强酸可能不具有那么多的水存在。因此，虽然不希望受到理论的束缚，但看起来在高岭土和膨润土中存在的额外的水含量导致了发现的用膨润土或高岭石比用酸处理的氧化铝更高的对纤维素的溶解效率。这一说法进一步得到如下的支持：显示无水高岭石相对于具有较高水含量的高岭土的溶解效率较低。
因此，目前公开的方法需要a)用固体酸性催化剂预处理生物质，所述固体酸性催化剂是具有表面酸性的任何固体材料。在一个实施方案中，固体酸性催化剂是粘土、硅铝酸盐、水合硅铝酸盐或用或Lewis酸处理的固体介质。在另一个实施方案中，固体酸性催化剂选自高岭石、埃洛石、绿坡缕石、蒙脱石、伊利石、珍珠陶土、地开石、富硅高岭石(annauxite)、高岭土、偏高岭土、膨润土、酸化的膨润土沸石(acidified betonitezeolites)、用硫酸或甲磺酸处理的二氧化钛、用硫酸或甲磺酸处理的氧化铝、氧化铝、用硫酸或甲磺酸处理的氧化铝、蛭石、白云母和滑石。
如上所述，生物质用固体酸性催化剂预处理。这种预处理通常包括用固体酸性催化剂磨碎、研磨或剪切生物质，并且通常在相对干燥的条件下进行。
步骤a)
尽管预处理步骤需要一些水以水解纤维素或半纤维素，但是预处理步骤a)应当在最少的水存在下进行。
“最少的水”或“基本上干燥”的含义是在预处理阶段(步骤a)中来自生物质和固体酸性催化剂的总水含量范围在约0.1至约40重量％的水存在，例如约0.2至约25重量％或约0.5至约20重量％，并且重量％基于生物质和固体酸性催化剂的总重量。
在另一个实施方案中，固体酸性材料的游离水含量范围在按步骤a)中的固体酸性材料的重量计约4％至约10％。固体酸性材料的游离水含量基于固体酸性材料和水分含量的总重量。例如，如果含有水分的固体酸性材料重100g且含有10％水分，则100g的游离水含量为10g。
使用固体酸性材料例如硫酸的优点之一是在相对干燥的状态下磨碎固体酸与生物质，有效地分解纤维素和半纤维素。但是一旦将水加入到预处理的生物质，系统的酸性显著降低，从而几乎不需要调节酶和微生物作用的pH。因此，固体酸对酶和微生物是良性的。另外，由于不需要调节pH，所以不会产生盐副产物。含纤维素材料和固体酸性材料的总游离水含量总体上小于约40重量％，典型地约2重量％至约30重量％，从而不会不合需要地降低在预处理步骤a)期间搅拌时的水解反应所需的动能。“游离水含量”是指含纤维素材料和固体酸性材料中含有的含纤维素材料和含固体酸性材料中的水量，但不涉及二者中任意材料的结构或表面羟基。这样，混合物中有足够的水来驱动水解反应。
可以通过本领域已知的任何方法进行磨碎、研磨或剪切。例如，可以在任何合适的容器或反应器中进行搅拌。在一个实施方案中，在球、辊、罐、锤或振动磨机中进行搅拌。磨机通常通过将样品与一个或多个研磨元件一起放置在壳体中并施加运动到壳体来研磨样品。典型地壳体通常是圆柱形的，并且研磨元件通常是钢球，但是可以是杆、圆柱体或其它形状。
在一些情况下，在预处理步骤期间在生物质存在下(步骤a)将固体酸性催化剂加热至范围从高于室温20℃至约160℃的温度，例如在步骤a)中约40℃至约120℃。
生物质与固体酸性催化剂的比例
所使用的生物质与固体酸性催化剂的重量比可以根据生物质类型、磨碎技术和工艺参数而变化很大。例如，干固体酸性催化剂与干生物质的重量比范围为约0.1比约10至约10比约0.1，例如约0.2比约5至约5比约0.2，例如约0.5比约2至约2比约0.5。感兴趣的特定重量比为约1比约2至约2比约1。
此外，“干”固体酸性催化剂或“干”生物质的含义是指催化剂和生物质可能含有一些水，但来自生物质和固体酸性催化剂的水含量范围如上所述。也就是说，在预处理阶段(步骤a)中来自生物质和固体酸性催化剂的总水含量范围在0.1至约40重量％水存在，例如约0.2至约25重量％或约0.5至约20重量％，并且重量％基于生物质的总重量，因此重量％基于生物质和固体酸性催化剂的总重量。为了水解纤维素材料，必须存在一些水。该水可以直接加入到预处理步骤中，或者可以简单地存在于固体材料(生物质和固体酸性催化剂)中。
在预处理步骤a)之后，水可以加入到用固体酸性催化剂预处理的生物质中。水可以是范围约80℃至约240℃的热水。在步骤a)和b)之间热水处理可能是有利的，因为这可以在加入纤维素酶或半纤维素酶或表达这些酶的生物体之前从生物质基质中提取额外的木质素和糖。
步骤b)
一旦生物质用固体酸性催化剂预处理(步骤a)后，将水加入到用固体酸性催化剂预处理的生物质中以形成步骤b)中包含预处理的生物质、固体酸性催化剂的含水反应混合物。这是为了使酶进行其水解功能所必需的。此外，加入水提高了反应混合物的pH。步骤(b)通常在有利于酶的温度下运行。在第二步(b)中，一旦加入酶，温度范围在约20℃或30℃至约75℃。
可以在步骤b)的酶处理之前或与其一起，用蛋白质如牛血清白蛋白(BSA)和或表面活性剂如Tween 80和Tween 20处理固体酸性催化剂和生物质。
这些加入剂可以允许在生物质水解期间较低浓度的酶或更有效地使用酶。
如所建议在含水条件下运行步骤b)。步骤(b)中固体(生物质、固体酸性催化剂)的浓度范围为约10至约60重量％固体。例如，设想约12至约45重量％固体，约15至约40重量％固体。重量％固体基于反应混合物的总重量。
步骤(b)的优点是在加入感兴趣的酶或表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体之前不需要从步骤(a)中的预处理的生物质中除去固体酸性催化剂。事实上，在酶或表达纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体的存在下，保持固体酸性催化剂的存在似乎是有利的。
在步骤b)完成之后，可以过滤反应混合物以除去固体酸性催化剂、酶、表达纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体或残留生物质。或者，可以将步骤b)的残留固体连同废弃的反应混合物直接与发酵或培养基组合以生成产物。携带固体酸性催化剂至步骤c)不会干扰发酵生物合成过程。
因此在步骤c)之前除去固体酸性催化剂是任选的。
酶
纤维素和半纤维素是自然界中第一和第二丰富的多糖。任意的纤维素占木质纤维素生物质(LBM)的30至60％，而半纤维素占木质纤维素生物质(LBM)的约20-35％，所述木质纤维素生物质(LBM)如硬木、软木、玉米纤维、玉米秸秆、麦秆、稻秆和甘蔗渣。虽然纤维素几乎是由通过1,4β-糖苷键连接的数百至数千个D-葡萄糖单元组成的均聚物，但半纤维素是戊糖(木糖、阿拉伯糖)、己糖(甘露糖、葡萄糖、半乳糖)和糖酸的异构聚合物。硬木半纤维素主要含有木聚糖，而软木半纤维素主要含有葡甘露聚糖。因此大多数植物材料的木聚糖是具有1,4-连接的β-D-吡喃木糖单元的均聚主链的杂多糖。除了木糖，木聚糖还可以含有阿拉伯糖；葡萄糖醛酸或其4-O-甲基醚；和乙酸、阿魏酸和对香豆酸。支链的频率和组成取决于木聚糖的来源，而骨架由O-乙酰基、α-阿拉伯呋喃糖、α-1,2-连接的葡萄糖醛酸或4-O-甲基葡萄糖醛酸取代基组成。
为了将纤维素和半纤维素组分有效地转化为它们的单糖、二糖或寡聚糖组分，首先必须从木质纤维素/纤维素复合物中提取这些组分。预处理步骤(a)有助于提取复合物。在固体酸性催化剂存在下，使用纤维素酶和半纤维素酶对这些组分进行的酶促糖化(步骤b)进一步分解糖类，并伴随可忽略不计的底物损失和副产物产生。
尽管是均聚物，纤维素是一种体积非常大、结晶性的和致密的分子，而半纤维素的结构更复杂，因为它包含戊糖、一些己糖和侧链基团，如乙酰基和糖醛酸。因此，纤维素和半纤维素的酶法水解作用需要多于一种酶的组合作用。对于纤维素水解，纤维素的晶体结构需要部分或全部变成无定形的，然后需要外切、内切纤维素酶和纤维二糖酶的混合物将聚合纤维素转化成小得多的低聚和单体分子。另一方面，在半纤维素的情况下，侧链基团的存在妨碍了主要骨架解聚酶，即外切和内切木聚糖酶以及甘露聚糖酶的作用。为了解决这个问题，具有水解侧链能力的辅助酶如α-L-阿拉伯呋喃糖酶、α-葡萄糖醛酸酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶和对香豆酸酯酶可以与主要半纤维素酶一起存在，以实现半纤维素的完全降解，获得高产量单糖的糖(Biely和Tenkanen，1998)。
因此，分别用于解聚或水解纤维素和半纤维素的纤维素酶和半纤维素酶制剂含有共同起作用的许多主要和次要酶。
步骤b)中的纤维素酶和/或半纤维素酶的加载是非常不同的。也可以使用使用重组技术的纤维素酶。通常在20℃至75℃的温度下用纤维素酶/半纤维素酶处理预处理的纤维素/半纤维素。纤维素酶在约3-7的pH范围内是活性的。糖化步骤可以持续高达144小时。纤维素/半纤维素酶剂量达到纤维素和半纤维素转化的足够高的水平。例如，合适的纤维素/半纤维素酶剂量通常为1至50滤纸单位(FPU或IU)/克纤维素。FPU是标准度量，其根据Ghose(1987,Pure and Appl.Chem.59:257-268)定义和测量。
此外，在步骤b)中可以将步骤a)的处理的生物质与表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体组合。这可以在固体酸性催化剂存在下进行。在步骤a)中处理生物质之后不需要除去固体酸性催化剂，因为它对表达一种或多种纤维素和/或半纤维素酶的生物体没有负面影响。
表达纤维素和/或半纤维素酶的这种生物体可以是在步骤c)中产生产物的相同的原核生物或真核生物。见下文。
原核生物或真核生物
当利用微生物生物合成产生产物时，所述微生物可以是天然微生物或工程化的微生物(例如遗传修饰的微生物(GMO))。例如，微生物可以是细菌(例如纤维素分解细菌)、真菌(例如酵母)、植物或原生生物(例如藻类)、原生动物或类真菌的原生生物(例如粘液菌)、原生动物(例如，动物(例如原生动物，如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和植物(例如藻类，如囊泡虫(alveolates)、chlorarachniophytes、隐滴虫(cryptomonads)、眼虫(euglenids)、glaucophytes、haptophytes、红藻、不等鞭毛类(stramenopiles)和viridaeplantae)、海藻、浮游生物(例如，大型浮游生物、中型浮游生物、微型浮游生物、纳米浮游生物、超微型浮游生物和毫微微型浮游生物)、浮游植物和/或这些的混合物。在一些实施方案中，微生物是白腐真菌。在一些情况下，微生物可以包括单细胞和/或多细胞生物体。当生物体相容时，可以使用混合物。
通常，各种微生物可以通过操作、转化、生物转化或发酵物质来生产许多有用的产物。例如，可以通过发酵或其它方法来生产醇、有机酸、烃、氢、蛋白质、碳水化合物、脂肪/油/脂质、氨基酸、维生素或任何这些物质的混合物。
可生产的产物的实例包括单官能和多官能C1-C6烷基醇、单官能和多官能羧酸、C1-C6烃及其组合。合适的醇的具体实例包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油及其组合。合适的羧酸的具体实例包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、乙醇酸、乳酸、γ-羟基丁酸及其组合。合适的烃的实例包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其组合。
在一些实施方案中，微生物是原核细胞。合适的原核细胞包括革兰氏阳性、革兰氏阴性和革兰氏不定的细菌细胞，优选革兰氏阴性。
因此，可用于本发明的微生物包括但不限于：氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans)、无色葡萄杆菌(Gluconobacter asaii)、德尔无色杆菌(Achromobacterdelmarvae)、粘性无色杆菌(Achromobacter viscosus)、乳酸无色杆菌(Achromobacterlacticum)、根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)、放射形土壤杆菌(Agrobacteriumradiobacter)、粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)、柠檬节杆菌(Arthrobactercitreus)、土壤节杆菌(Arthrobacter tumescens)、Arthrobacter paraffineus、Arthrobacter hydrocarboglutamicus、氧化节杆菌(Arthrobacter oxydans)、天牛金杆菌(Aureobacterium saperdae)、印度固氮菌(Azotobacter indicus)、产氨短杆菌(Brevibacterium ammoniagenes)、双歧短杆菌(Brevibacterium divaricatum)、乳发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum)、黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)、球形短杆菌(Brevibacterium globosum)、短杆菌(Brevibacterium fuscum)、谷氨酸棒杆菌(Brevibacterium ketoglutamicum)、短杆菌(Brevibacterium helcolum)、短芽短杆菌(Brevibacterium pusillum)、短柄短杆菌(Brevibacterium testaceum)，玫瑰短杆菌(Brevibacterium roseum)、Brevibacterium immariophilium、亚麻短杆菌(Brevibacterium linens)、Brevibacterium protopharmiae、嗜醋棒杆菌(Corynebacterium acetophilum)、谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)、帚石南棒杆菌(Corynebacterium callunae)、嗜乙酰乙酸棒杆菌(Corynebacteriumacetoacidophilum)、醋谷棒杆菌(Corynebacterium acetoglutamicum)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)、解淀粉欧文氏菌(Erwinia amylovora)、欧文氏菌(Erwiniacarotovora)、草生欧文氏菌(Erwinia herbicola)、菊欧文氏菌(Erwinia chrysanthemi)、黄杆菌(Flavobacterium peregrinum)、黄杆菌(Flavobacterium fucatum)、黄色黄杆菌(Flavobacterium aurantinum)、黄色黄杆菌(Flavobacterium rhenanum)、黄杆菌(Flavobacterium sewanense)、短黄杆菌(Flavobacterium breve)、脑膜炎败血性黄杆菌(Flavobacterium meningosepticum)、微球菌属CCM825、摩氏摩根菌(Morganellamorganii)、不透明诺卡氏菌(Nocardia opaca)、皱褶诺卡氏菌(Nocardia rugosa)、平板球藻(Planococcus eucinatus)、变形杆菌(Proteus rettgeri)、谢氏丙酸杆菌(Propionibacterium shermanii)、假单胞菌(Pseudomonas synxantha)、假单胞菌(Pseudomonas azotoformans)、假单胞菌(Pseudomonas jluorescens)、假单胞菌(Pseudomonas ovalis)、假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)、假单胞菌(Pseudomonasacidovolans)、假单胞菌(Pseudomonas mucidolens)、假单胞菌(Pseudomonastestosteroni)、绿脓假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、红球菌(Rhodococcuserythropolis)、红球菌(Rhodococcus rhodochrous)、红球菌属ATCC 15592、红球菌属ATCC19070、脲孢菌(Sporosarcina ureae)、金黄色酿脓葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、弧菌(Vibrio metschnikovii)、干酪弧菌(Vibrio tyrogenes)、马杜拉放线菌(Actinomaduramadurae)、放线菌(Actinomyces violaceochromogenes)、Kitasatosporia parulosa、链霉菌(Streptomyces avermitilis)、天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)、黄色链霉菌(Streptomyces flavelus)、灰色链霉菌(Streptomyces griseolus)、变青链霉菌(Streptomyces lividans)、葡萄链霉菌(Streptomyces olivaceus)、链霉菌(Streptomyces tanashiensis)、弗吉尼亚链霉菌(Streptomyces virginia)、抗生素链霉菌(Streptomyces antibioticus)、可可链霉菌(Streptomyces cacaoi)、紫色链霉菌(Streptomyces lavendulae)、绿色产色链霉菌(Streptomyces viridochromogenes)、杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)、苏氨酸芽孢杆菌(Bacillus thiaminolyticus)、弗氏大肠杆菌(Escherichia freundii)、氨微杆菌(Microbacterium ammoniaphilum)、粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)、鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)、沙门氏菌(Salmonella schottmulleri)、细胞色素杆菌(Xanthomonas citri)、聚球藻属(Synechocystis sp)、细长聚球藻(Synechococcus elongatus)、Thermosynechococcuselongatus、铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、念珠藻属(Nostoc sp.)、N.commune、N.sphaericum、念珠藻(Nostoc punctiforme)、钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)、巨大鞘丝藻(Lyngbya majuscula)、L.lagerheimii、席藻(Phormidium tenue)、项圈藻属(Anabaena sp.)、Leptolyngbya sp等等。
在一些实施方案中，微生物是真核细胞。合适的真核细胞包括酵母细胞，例如酵母属(Saccharomyces sp)如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、汉逊酵母属(Hansenulasp.)如多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces sp.)如粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces sp.)如乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)和马克斯克鲁维酵母(Kluyveromycesmarxianus)、耶氏酵母属(Yarrowia sp.)如解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、毕赤酵母属(Pichia sp.)如甲醇毕赤酵母(Pichia methanolica)、毕赤酵母(Pichia stipites)和巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)、接合酵母菌属(Zygosaccharomyces sp.)如Zygosaccharomyces rouxii和Zygosaccharomyces bailii、假丝酵母属(Candida sp.)如Candida boidinii、产朊假丝酵母(Candida utilis)、弗里斯假丝酵母(Candidafreyschussii)、光滑假丝酵母(Candida glabrata)和Candida sonorensis,许旺酵母属物种(Schwanniomyces sp.)，如Schwanniomyces occidentalis、Arxula sp.如Arxulaadeninivorans、Ogataea sp.如Ogataea minuta、克雷伯氏菌属(Klebsiella sp.)如肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)。
许多细菌工业菌株特别适用于本文公开的方法中。在一些实施方案中，微生物是棒状杆菌(Corynebacterium)属的物种，例如C.acetophilum、谷氨酸棒状杆菌(C.glutamicum)、C.callunae、C.acetoacidophilum、C.acetoglutamicum。在一些实施方案中，微生物是芽孢杆菌(Bacillus)属的物种，例如苏云金芽孢杆菌(B.thuringiensis)、炭疽芽孢杆菌(B.anthracis)、巨大芽孢杆菌(B.megaterium)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、扁豆芽孢杆菌(B.lentils)、环状芽孢杆菌(B.circulans)、短小芽孢杆菌(B.pumilus)、B.lautus、凝结芽孢杆菌(B.coagulans)、短芽孢杆菌(B.brevis)、坚强芽孢杆菌(B.firmus)、B.alkaophius、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)、克劳氏芽孢杆菌(B.clausii)、嗜热芽孢杆菌(B.stearothermophilus)、端耐碱芽孢杆菌(B.halodurans)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、短小芽孢杆菌(B.pumilus)和解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens)。在一些实施方案中，微生物是欧文氏菌(Erwinia)属的物种，例如E.uredovora、E.carotovora、E.ananas、E.herbicola、E.punctata和E.terreus。在一些实施方案中，微生物是埃希氏菌(Escherichia)属的物种，例如大肠杆菌(E.coli)。在其它实施方案中，微生物是泛菌(Pantoea)属的物种，例如P.citrea或成团泛菌(P.agglomerans)。在其它实施方案中，微生物是链霉菌(Streptomyces)属的物种，例如S.ambofaciens、S.achromogenes、阿维链霉菌(S.avermitilis)、天蓝色链霉菌(S.coelicolor)、金霉素链霉菌(S.aureofaciens)、金黄色链霉菌(S.aureus)、S.fungicidicus、灰色链霉菌(S.griseus)或变铅青链霉菌(S.lividans)。在进一步的实施方案中，微生物是发酵单胞菌(Zymomonas)属的物种，例如运动发酵单胞菌(Z.mobilis)或解脂耶氏酵母(Z.lipolytica)。在进一步的实施方案中，微生物是红球菌(Rhodococcus)属的物种，例如Ropacus。
发酵
发酵条件将取决于生物体(工程化或天然的)而不同。在一些实施方案中，步骤c)中使用的微生物在分批、补料分批或连续发酵条件下生长。经典分批发酵是一种封闭的系统，其中培养基的组成是在发酵开始时设定的，并且在发酵过程中不经过人工改变。分批系统的变化是补料分批发酵。在这种变化中，随着发酵进行，以增量的方式加入底物。当分解代谢抑制可能抑制细胞的代谢并且期望在培养基中具有有限量的底物时，补料分批系统是有用的。分批和补料分批发酵是本领域常用的和公知的。连续发酵也是可能的，其是将确定的发酵培养基连续加入到生物反应器中、同时除去等量的条件培养基(例如含有所需最终产物)进行处理的系统。连续发酵通常使培养物保持恒定的高密度，其中细胞主要处于最终产物生产增强的生长阶段。连续发酵系统努力保持稳定状态的生长条件。用于调节连续发酵过程的营养和生长因子的方法以及用于最大化产物形成速率的技术在工业微生物学领域是众所周知的。
在一些实施方案中，发酵在范围约10℃至约60℃、约15℃至约50℃、约20℃至约45℃、约25℃至约45℃、约30℃至约45℃和约25℃至约40℃的温度下进行。在一个优选实施方案中，温度为约34℃、35℃或36℃。在最优选的实施方案中，温度为约37℃或38℃。
在一些其它实施方案中，发酵进行约8小时至240小时、约8小时至约168小时、约10小时至约144小时、约15小时至约120小时、或约20小时至约72小时的期间。优选发酵进行约20小时至约60小时。
在一些其它实施方案中，发酵在范围约4至约9、约4.5至约8.5、约5至约8或约5.5至约7.5的pH下进行。优选地，发酵在5或7的pH下进行。
发酵产物
发酵产物取决于用于生产产物的有机体。本领域已知有许多不同的生物体，既包括原核生物又包括真核生物，可用来生产多种产物，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸(almitic acid)、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸或琥珀酸盐、戊二酸、油酸、亚油酸、乙醇酸、乳酸或乳酸盐、γ-羟基丁酸、3-羟基链烷酸、丙氨酸、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷、丙酮酸盐、天冬氨酸盐、苹果酸盐、缬氨酸、亮氨酸及其组合。
固体酸性催化剂的回收利用
固体酸性催化剂可以在步骤b)之后回收利用。或者，可以保持在产物生产的发酵步骤c)中，从产物分离并重新使用。
如果催化剂是高岭土，则在步骤b)或步骤c)中分离之后的替代用途是在胶凝体系中作为火山灰质材料。不希望被理论所束缚，在高岭土表面上进行的机械作业可能会扰乱表面结晶度并且允许使用这种高岭土作为火山灰质材料。在步骤b)或步骤c)中分离之后，高岭土催化剂的火山灰质特性可通过在高温下燃烧产生偏高岭土来改善。在一些情况下，与将未使用的高岭土催化剂转化为偏高岭土相比，将使用过的高岭土催化剂(即，在步骤b)或步骤c)中分离之后)转化为火山灰质偏高岭土材料需要较低的热能。
偏高岭土是由高岭土产生的高价值产物，其在胶凝体系中用作火山灰质材料。这种偏高岭土的火山灰质活性显著高于进料高岭土。这意味着用于通过机械化学活化将纤维素材料转化成糖的方法的产物偏高岭土对基于胶凝剂的体系具有高的可持续性优势。
此外，与木质素副产物混合的高岭土可能还有其它的潜在用途，例如分离木质素以从木质素衍生出有价值的化学品，或者使用高岭土和提取的木质素的混合物作为填料。
实施例
实施例1磨碎的生物质/高岭土粉末的发酵过程
1.用8目筛子筛选锯屑以除去大片材料。
2.混合25g干重的高岭土粘土(来自Middle Georgia的三级高岭土)、25g干重的混合硬木锯屑和1600g的磨碎介质、3mm氧化钇稳定的氧化锆。
3.将水浴加热至100℃。
4.密封混合容器并将其放入水浴中。
5.使用由钻床驱动的搅拌叶片开始进行混合。
6.以1920rpm混合1小时。
7.停止干研磨。
8.移除磨碎介质
9.称取3、4和5g的磨碎生物质和高岭土混合物，放入发酵瓶分别以15％、20％和25％固体浓度进行发酵。
10.将0.2g酵母提取物和0.4g胰蛋白胨作为发酵营养物加入每个发酵瓶中。
11.在每个发酵瓶中加入0.1g碳酸钙作为缓冲剂。
12.在每个发酵瓶中加水，使每个发酵瓶中的发酵体积达到17.33ml；用手摇动瓶子，彻底混合瓶中的内容物。
13.将0.67ml酶(来自Kerry的Biocellulase W)加入到每个发酵瓶中。
14.将2ml酿酒酵母种子培养物(在摇瓶中过夜生长)加入每个发酵瓶中。
15.用橡皮塞和铝封密封发酵瓶。
16.将发酵瓶放入35℃的振荡器中，以200rpm振荡6天。
17.在发酵结束时，从每个瓶子取样并提交HPLC分析以测量乙醇、葡萄糖、木糖和副产物浓度。
图1是显示使用磨碎的干生物质和干高岭土粘土混合物的同时糖化和发酵(SSF)过程的图。在35℃下分别用15％、20％和25％固体浓度的酵母菌株酿酒酵母进行发酵。每克磨碎的干生物质以10mg蛋白质加载纤维素酶。总发酵时间为144小时。
实施例2
玉米纤维与高岭土颗粒以玉米纤维：高岭土重量比为3：1在100℃下磨碎1小时。在5％固体载量、10mg/g玉米纤维的酶载量、50℃的温度、和用50mM柠檬酸盐缓冲液将pH控制在5下进行酶法水解。水解24小时后取样，通过HPLC分析测定葡萄糖和木糖的浓度。图2是显示高岭土处理的玉米纤维的酶法水解的条形图。
实施例3
通过将锯屑样品和高岭土颗粒一起在100℃下以1：1的生物质/高岭土重量比一起磨碎1小时来生产干样品。通过向磨碎的干高岭土/生物质混合物中加入沸水并在恒定温度下搅拌一段时间来制备液体提取物。在35℃下进行SSF，其中酵母菌株酿酒酵母为25％的固体浓度、纤维素酶以10mg蛋白质/克磨碎的干生物质加载。总发酵时间为144小时。通过HPLC测量乙醇和残留的糖。以理论转化率90％从残留的糖计算潜在的乙醇。图3是显示SSF比较的条形图，其中干磨碎锯屑样品和液体提取物样品以等量生物质固体加载。
所附权利要求书的组合物和方法不受本文所述的具体组合物和方法在范围上的限制，这些具体组合物和方法旨在作为权利要求一些方面的说明，并且任何功能上等同的组合物和方法都旨在落入本发明权利要求的范围内。除了本文所示和所述的组合物和方法以外，组合物和方法的各种修改意图落入所附权利要求的范围内。此外，尽管仅具体描述了本文公开的某些代表性材料和方法步骤，但是即使没有具体列举，材料和方法步骤的其它组合也意图落入所附权利要求的范围内。因此，在此可以明确提到步骤、元件、组分或构成的组合；然而，即使没有明确说明，也包括步骤、元件、组分或构成的其它组合。

Claims (31)

1.一种从生物质中释放糖的方法，其包括以下步骤：
a)用固体酸性催化剂预处理生物质，
b)形成含水反应混合物，其含有步骤a)的预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物、或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。
2.一种通过生物合成制备产物的方法，其包括以下步骤：
a)用固体酸性催化剂预处理生物质，
b)形成含水反应混合物，其含有预处理的生物质、固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体；和
c)在步骤b)中的反应混合物或步骤b)中的反应混合物的含水提取物的存在下培养原核生物体或真核生物体，以形成产物。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述生物质是任何源自植物的有机物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤a)在基本上干燥的条件下进行，其中干燥条件范围为约0.1至约40重量％水存在，例如约0.2至约25重量％或约0.5至约20重量％，并且重量％是基于生物质和固体酸性催化剂的总重量。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述源于植物的有机物选自玉米、纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、牧草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米穗轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、合成纤维素、海草、藻和这些的混合物。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述固体酸性催化剂是具有表面酸性的任何固体材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述固体酸性催化剂是用Bronsted或Lewis酸处理的粘土、硅铝酸盐、水合硅铝酸盐或固体介质。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述固体酸性催化剂选自高岭石、埃洛石、绿坡缕石、蒙脱石、伊利石、珍珠陶土、地开石、富硅高岭石、高岭土、偏高岭土、膨润土、酸化的膨润土沸石、用硫酸或甲磺酸处理的二氧化钛、用硫酸或甲磺酸处理的氧化铝、氧化铝、用硫酸或甲磺酸处理的氧化铝、蛭石、白云母和滑石。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，干固体酸性催化剂与干生物质的重量比范围为约0.1比约10至约10比约0.1，例如约0.2比约5至约5比约0.2，例如约0.5比约2至约2比约0.5。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中在使用生物质与固体酸性催化剂的预处理步骤a)期间加热。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在步骤a)中施加的热的范围从约20℃至约160℃，例如约40℃至约120℃。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中在预处理步骤a)之后、但在步骤b)中加入酶之前加入水。
13.根据权利要求13所述的方法，其中加入的水的温度范围为约60℃至约240℃，例如约80℃至约160℃。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的方法，其中所述生物体是原核生物并且是细菌。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述细菌是革兰氏阳性或革兰氏阴性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述细菌选自棒状杆菌(Corynebacterium)属、芽孢杆菌(Bacillus)属、欧文氏菌(Erwinia)属、埃希氏菌(Escherichia)属、泛菌(Pantoea)属、链霉菌(Streptomyces)属、发酵单胞菌(Zymomonas)属和红球菌(Rhodococcus)属。
17.根据权利要求2至13中任一项所述的方法，其中所述生物体是真核生物。
18.根据权利要求17的方法，其中所述真核生物是选自酵母属(Saccharomyces)、汉逊酵母属(Hansenula)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)、克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces)、耶氏酵母属(Yarrowia)、毕赤酵母属(Pichia)、接合酵母菌属(Zygosaccharomyces)、假丝酵母属(Candida)、许旺酵母属(Schwanniomyces)、Arxula、Ogataea和克雷伯氏菌属(Klebsiella)的酵母。
19.根据权利要求2至18中任一项所述的方法，其中所述产物选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸或琥珀酸盐、丙烯酸正丁酯、癸二酸、戊二酸、油酸、亚油酸、乙醇酸、乳酸或乳酸盐、γ-羟基丁酸、3-羟基链烷酸、丙氨酸、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷、丙酮酸盐、天冬氨酸盐、苹果酸盐、缬氨酸、亮氨酸及其组合。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其中所述固体酸性催化剂和生物质在步骤b)用酶处理之前或与用酶处理一起用蛋白质如牛血清白蛋白(BSA)和/或表面活性剂如Tween 80和Tween 20处理。
21.根据权利要求2至20中任一项所述的方法，其中在步骤b)之后将固体酸性催化剂从步骤b)的反应混合物中分离以形成含水提取物，并将所述含水提取物与原核生物体或真核生物体培养以形成产物。
22.根据权利要求21所述的方法，其中再利用从步骤b)的反应混合物中分离的所述固体酸性催化剂。
23.根据权利要求2至20中任一项所述的方法，其中在步骤b)的反应混合物的生物质、固体酸性催化剂和酶的存在下培养原核生物体或真核生物体以形成产物。
24.根据权利要求1-23中任一项所述的方法，其中所述固体酸性催化剂是高岭土。
25.根据权利要求24所述的方法，其中从培养产物中分离所述高岭土以提供火山灰质材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中从培养产物中分离的高岭土被燃烧以形成偏高岭土。
27.一种生物合成反应混合物，其包含
a)用固体酸性催化剂预处理的生物质，和
b)一种或多种纤维素酶或半纤维素酶或其组合或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体。
28.根据权利要求27所述的生物合成反应混合物，其中所述混合物还包含具有原核生物体或真核生物体的发酵培养基。
29.由一种方法制备的火山灰质材料，所述方法包括
a)用高岭土固体酸性催化剂预处理生物质。
30.根据权利要求29所述的火山灰质材料，其中所述制备火山灰质材料的方法还包括以下步骤：
b)形成含有步骤a)的预处理的生物质、高岭土固体酸性催化剂和一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶或其混合物或能够表达一种或多种纤维素酶和/或半纤维素酶的生物体的含水反应混合物；和
c)分离高岭土固体酸性催化剂以提供火山灰质材料。
31.根据权利要求29或30所述的火山灰质材料，其中制备火山灰质材料的方法还包括加热高岭土以形成偏高岭土。
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