CN116568816A - 由残余木质纤维素生物质产生糖浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是可印刷纸、印刷纸或纸板，所述方法包括以下步骤：a.任选地，粉碎所述木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质包括纸废料；b.i.将步骤a完成时获得的粉碎的木质纤维素生物质或木质纤维素生物质浸渍于水性介质中，所述木质纤维素生物质包括纸废料，和ii进行热预处理以获得预处理产物，所述热预处理无需添加酸并在80℃至150℃的温度下以pH 6.5至8.5，特别是pH 6.5至8进行，所述浸渍和热预处理步骤同时进行或依先i后ii依次进行；c.对步骤b完成时获得的预处理产物进行酶促水解，从而将纤维素和半纤维素转化为包含可发酵糖的糖浆；和d.回收步骤c完成时获得的包含可发酵糖的糖浆。

Description

由残余木质纤维素生物质产生糖浆的方法
技术领域
本发明涉及可发酵糖生产领域，并且涉及使用残余木质纤维素资源，例如纸张/纸板类型作为制备所述糖的方法的基质(substrate)。具体地，本发明描述了用于制备原料的方法及其处理，以生产糖浆，特别是可以用作原料，特别是可以用作生物燃料或生物技术行业中原料的纯化葡萄糖糖浆。
具体地，本发明涉及用于由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是印刷纸、已印刷纸、图表纸、包装纸或纸板，具体地，包含可发酵糖的糖浆是包含葡萄糖的糖浆。本发明还涉及包含可发酵糖的糖浆，具体地，能够以所述方法获得的包含葡萄糖的糖浆。
本发明的主题还包括使用方法产生生物源(biosourced)分子或生物燃料，优选乙醇，以及用于产生生物燃料，特别是乙醇的方法。
背景技术
目前主要用作中试或工业规模的可发酵糖来源的木质纤维素生物质是所谓的2G(第二代)生物质，即植物型生物质，如林业和农业的残余物(小麦秸秆、玉米穗轴和甘蔗渣)(Nizami等,2017)。迄今为止，以下限制尤为突出：
-收集渠道和来源分类方面缺乏开发；
-在数量、质量和可用性方面受到季节性变化的影响；
-在田间受到植被覆盖和土壤施肥方面的竞争；
-半纤维素和木质素含量高，进而导致获取纤维素更为复杂且葡萄糖产率更低；
-需要进行繁琐、昂贵的预处理，而这些预处理可能会导致产生抑制发酵的分子(HMF、糠醛等)(Soltanian等，2020)。
纸张和纸板的使用可以克服这些限制中的很大一部分，并通过强度较低且复杂性较低的方法获得纤维素含量更高的产物，这是因为上游生产链(造纸业在进行生产时)对原始材料进行了初次预处理。
就升级木质纤维素生物质而言，现有技术包括多种类型的处理方法。这些方法都旨在将形成生物质的纤维素和/或半纤维素水解成单体。水解(Nizami等,2017)可通过以下方式进行：
-通过生物学或生物化学方式，使用酶和/或微生物；
-通过热化学和/或机械方式。
通过非生物方式的方法包括：使用浓酸、气化、加氢热解和热解的方法。
对于通过生物学方式的方法，第一步包括预处理生物质，以增加纤维素的消化率并释放单体糖(主要是葡萄糖)。存在不同的预处理技术(Soltanian等,2020)，它们包括：
-稀酸法，
-固体酸法，
-碱法，
-AVAP法，
-有机溶剂法，
-蒸汽爆炸，
-超临界水法，
-挤压法。
在预处理步骤中加入化学催化剂如酸或碱可显著提高纤维素对水解酶的可及性，从而提高释放的单糖如葡萄糖的产率。除了成本外，这种预处理的缺点还包括存在产生在高温下会迅速形成的有毒分子如糠醛或羟甲基糠醛(HMF)的风险。在这种预处理后，化学催化剂及其水溶性降解产物如糖分子必须通过分离方法(称为“下游处理”)如离子色谱法或反渗透法提取，而这会产生高昂的成本和技术限制。
为了克服这一限制，人们已经开发了无需化学催化剂(或以极低含量存在)的植物纤维预处理方法：蒸汽爆炸。在高温/高压下浸渍基质后进行高速压力释放步骤能够更有效地将聚合物与糖分离。然而，该方法适用于具有严格控制的粒径和组成的材料流，因此需要碾磨和精筛步骤。因此，含有塑料和/或金属杂质材料混合物的纸废料来源可能会导致蒸汽爆炸设备造成快速损坏。
最后一步是糖的转化(纯化后)。为了获得具有高附加值的最终产品，如乙醇，通常需要进行发酵和蒸馏。
依赖于通过生物学方式进行水解的过程可分为4个子类，具体取决于它们是否将方法的基本步骤组合在一起(Paristham等,2014)：
-“分步水解和发酵”(Separate Hydrolysis and Fermentation，SHF)，
-“同步糖化和发酵”(Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF)，
-“同步糖化和共发酵”(Simultaneous Saccharification and Co-FermentationSSCF)，
-“联合生物处理”(Consolidated Bioprocessing，CBP)。
实施联合工艺(如SSF、SSCF或CBP)的优点在于，通过将能够使纤维素解聚的一种或多种酶和能够使单糖转化为感兴趣分子的一种或多种微生物结合，可以减少步骤和反应器的数量。这通常能够减少所需的投资，从而降低目标分子的生产成本。在这种情况中，该工艺专门针对给定的分子和市场开发和优化。该工艺通常使用经遗传修饰的微生物。
现有技术中已经描述了将纸张升级为糖和/或其他感兴趣的产物，例如乙醇。例如，专利申请CN106520861使用稀酸进行预处理和酶促水解。专利申请CN102382909通过连续使用稀酸和浓酸来进行酸水解。专利申请JP2006088136通过机械预处理实现了生物质的精细喷洒，无需进行酸消化。专利申请US2010/0009422描述了制备乙醇的方法，具体地包括用高温蒸汽进行热预处理的步骤。
发明内容
本发明旨在无需借助于繁琐的预处理和纯化方法的情况下水解残余(residual)木质纤维素生物质中所含的纤维素，并在适当情况下水解其中的半纤维素，从而减少与使用化学催化剂相关的操作成本以及杂质，并简化后续所谓“下游处理”步骤(例如澄清、纯化和浓缩步骤)，同时获得最佳质量产率。
本发明尤其旨在开发用于由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是来自可印刷纸、印刷纸或纸板的废料。本发明还旨在通过产生生物源分子或生物燃料优选乙醇来升级所述糖浆。
本发明还旨在由纸张-纸板废料获得具有高附加值的平台分子(糖或其他)，特别适用于产生对环境影响小且成本低的生物燃料和化学分子。
发明内容
在第一方面，本发明涉及用于由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，具体地，所述方法包括以下步骤：
a.任选地，碾磨木质纤维素生物质；
b.i.浸渍木质纤维素生物质和ii.热预处理木质纤维素生物质，所述浸渍和热预处理同时进行或依先i后ii依次进行；
c.对预处理产物进行酶促水解；和
d.回收包含可发酵糖的糖浆。
在第二方面，本发明涉及包含可发酵糖的糖浆，特别是能够以本发明方法获得的包含葡萄糖的糖浆。
在第三方面，本发明涉及使用本发明方法或糖浆来生产生物源分子或生物燃料，优选乙醇。
在第四方面，本发明涉及产生生物燃料，特别是乙醇的方法。
具体实施方式
除非另有说明，说明书和/或权利要求中对数值范围的任何引用都意味着包括对于该范围的限定。
本发明涉及用于由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆的方法，具体地，所述包含可发酵糖的糖浆可以是包含葡萄糖的糖浆，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是可印刷纸、印刷纸或纸板，所述方法包括以下步骤：
a.任选地，碾磨木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质包括纸废料；
b.i.将进行步骤a后获得的经碾磨的木质纤维素生物质或所述木质纤维素生物质浸渍于水性介质中，优选于水中并在室温下，所述木质纤维素生物质包括纸废料，和ii.进行热预处理以获得预处理产物，所述热预处理无需添加酸并在80℃至150℃的温度下，优选90℃至130℃，更优选100℃或120℃的温度下，以pH 6.5至8.5，特别是pH 6.5至8，更特别是pH 6.8至7.5，优选中性pH下进行，所述浸渍和热预处理同时进行或依先i后ii依次进行；
c.对进行步骤b后获得的预处理产物进行酶促水解，以将纤维素和半纤维素转化为包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆；和
d.回收进行步骤c后获得的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆。
在一个优选的实施方式中，本发明涉及用于由木质纤维素生物质产生包含葡萄糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是可印刷纸、印刷纸或纸板，并包括以下步骤：
a.任选地，碾磨木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质包括纸废料；
b.i.将进行步骤a后获得的经碾磨的木质纤维素生物质或所述木质纤维素生物质浸渍于水性介质中，优选于水中并在室温下，所述木质纤维素生物质包括纸废料，和ii.进行热预处理以获得预处理产物，所述热预处理无需添加酸并在80℃至150℃的温度下，以pH6.5至8.5，特别是pH 6.5至8进行，所述浸渍和热预处理同时进行或依先i后ii依次进行；
c.对进行步骤b后获得的预处理产物进行酶促水解，以将纤维素和半纤维素转化为包含葡萄糖的糖浆；和
d.回收进行步骤c后获得的包含葡萄糖的糖浆。
在本发明的上下文中，术语“糖浆”是指含有糖溶液的粘稠液体。术语“糖浆”可以与术语“糖汁”互换。在一个特定实施方式中，包含葡萄糖的糖浆还包含木糖，其比例低于葡萄糖。在一个特定实施方式中，糖浆包含70至85％的葡萄糖和10至15％的木糖。
在本发明的上下文中，术语“可发酵糖”是指简单糖(simple sugar)或其混合物，例如葡萄糖、果糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、木糖。这些“简单糖”能够在酵母或细菌的作用下发酵产生酒精。具体地，它们是单糖(monosaccharide)(即包含5或6个碳原子的糖)，并且具体地，其是己糖，如葡萄糖。优选地，“可发酵糖”是指单体可发酵糖，即其包含单个单元。更优选地，“可发酵糖”包含或基本上由葡萄糖和较少比例的木糖构成。
在本发明的上下文中，术语“木质纤维素生物质”是指相对于木质纤维素生物质干重测定的基本上由纤维素(30-70％)、半纤维素(5-35％)和木质素(5-25％)构成的基质。在一个特定的实施方式中，木质纤维素生物质是基本上由纤维素(30-70％)、半纤维素(5-25％)和木质素(5-25％)构成的基质。在另一个特定的实施方式中，木质纤维素生物质是基本上由纤维素(30-70％)、半纤维素(5-20％)和木质素(5-20％)构成的基质。在另一个特定的实施方式中，木质纤维素生物质是基本上由纤维素(30-70％)、上至18％的半纤维素和上至19％的木质素构成的基质。纤维素是葡萄糖聚合物，即己糖，半纤维素是基本上由戊糖(如木糖和阿拉伯糖)和葡萄糖构成的多糖，木质素是高酚(醛)单元大分子。纤维素是可发酵糖的主要来源。本发明中使用的“木质纤维素生物质”包括造纸废料。纸废料可能已经多次回收，例如多达7次，并且该纸废料中所含纤维的平均尺寸通常在0mm至2mm之间，更优选在0.1mm至1.5mm之间。
在一个特定实施方式中，提供木质纤维素生物质的基质由纸废料构成。
在一个特定实施方式中，提供木质纤维素生物质的基质包括纸废料和共基质(co-substrate)。
在另一个特定实施方式中，提供木质纤维素生物质的基质包括纸废料，并且包含在更复杂的废料中或由更复杂的废料构成，例如家庭废料的可发酵部分(fermentablefraction of household waste，FFHW)。在本发明的一个特定实施方式中，使用FFHW中包含的木质纤维素基质，FFHW中纤维素的百分比小于50重量％，例如10至40重量％。FFHW以及(更广义地)包含FFHW的家庭废料在所考虑的不同的世界区域中的组成有所不同。在本发明，FFHW可用于以提供待处理的木质纤维素生物质，只要其纤维素、半纤维素和木质素含量，特别是由纸废料所贡献的纤维素、半纤维素和木质素含量能够提供组成上述限定比例内的基质。例如，能够根据本发明处理的FFHW包括10重量％至20重量％的纸，和/或8重量％至15重量％的瓦楞纸板和扁平纸板，和/或者3重量％至6重量％的纺织品和/或15重量％至25重量％的卫生纺织品废物(将其与其他纺织品分开考虑)，例如分别为约13重量％、10重量％、4.6重量％和21重量％，将这些比例确定为所考虑的FFHW的干重百分比。FFHW的剩余部分由食物废料构成(60％至80％)，在适用的情况下，，还和园艺废料或其他类型的纤维如木材残余物相关联。综上，形成FFHW的废料(也称为来自机械生物处理MBT的有机部分或残余有机部分ROF)可以用作实施本发明方法的木质纤维素基质。除可发酵部分外，家庭废料HW还可能含有复合材料、塑料、未分类的可燃/易燃材料、玻璃、金属、未分类不可燃/不易燃材料，并且在一定程度上，可能还含有危险废料。通常在产生FFHW的机械生物分选过程中去除不可发酵废料。因此，考虑到获得FFHW的模式，可以将FFHW定义为收集家庭废料后进行机械生物分离并最终仅保留该废料精细有机部分的所得物。
在本发明的一个特定实施方式中，提供木质纤维素生物质的基质包括纸废料和FFHW作为共基质。
在一个实施方式中，可替代地或附加地，木质纤维素生物质还包括植物型残余物。植物型木质纤维素生物质的非限制性实例包括来自林业和农业的残余物，如小麦秸秆、玉米穗轴和甘蔗渣，来自农产品行业的残余物。在一个特定实施方式中，当木质纤维素生物质包括源自林业或农业的植物型废料时，半纤维素和木质素各自占总生物质混合物干物质重量的比例分别低于19％和18％。在本发明的一个特定实施方式中，木质纤维素生物质仅包括少量(以干物质重量％计)或不包括源自林业或农业的植物型废料。
在本发明的上下文中，纸废料包括或基本上由纸张和纸板废料构成。通常，纸张和纸板废料对应纸张和纸板废料的混合物，所述混合物可能包括相对于干物质5重量％至60重量％的木屑板，5重量％至60重量％、特别是10重量％至20重量％的印刷办公用纸，和5重量％至100重量％的瓦楞纸板。
在本发明的一个特定实施方式中，纸废料选自下组：纸张(特别是印刷纸或可印刷纸)、盒、报纸、杂志和造纸厂污泥。废料可能含有不需要的杂质，例如塑料和金属，以及油墨成分，所述杂质以非常少的量存在。
在本发明的一个优选实施方式中，纸废料是按如下总干物质重量平均比例的低质量的(纸、纸板类型)木质纤维素废料的混合物(+/-5％，总百分比不超过100％)：
-木屑板:20％
-报纸：30％
-杂志:20％
-办公用纸:10％
-瓦楞纸板:20％。
在本发明的一个特定实施方式中，所述木质纤维素生物质在碾磨和/或浸渍之前(即“原始”木质纤维素生物质)由纸废料构成，其总含量以物质重量计为生物质的70重量％至100重量％，特别是85重量％至96重量％。
在本发明的另一个特定实施方式中，所述木质纤维素生物质在碾磨和/或浸渍之前(即“原始”木质纤维素生物质)由FFHW构成，其总干物质含量为生物质的45重量％至55重量％，例如，特别是约50重量％。
在本发明的另一个实施方式中，其中所述木质纤维素生物质由纸废料和FFHW的混合物构成，根据基质和共基质的添加比例，总干物质含量在生物质的50重量至96重量％之间变化。
浸渍步骤(也称为制浆)b.i能够获得相对均质的悬浮液，不含干燥的和/或漂浮的附聚物。通常，在后续酶促水解步骤c中，附聚物较少，甚至没有被水解。在本发明的一个特定实施方式中，浸渍步骤b.i进行5至30分钟，优选15分钟。浸渍步骤b.i可以包括搅拌。
本领域技术人员能够进行必要的操作以获得所需均质化。例如，可以进行混合直到浮块消失，特别是尺寸大于10cm的团块，这种消失可以通过在反应器中以预定和/或规则间隔进行的目视检查来确定。
进行步骤b.i后获得的经浸渍的生物质通常具有5％至30％，特别是10％至20％的总干物质含量。
在本发明的一个特定实施方式中，特别是对于致密的原始生物质，例如纸张/纸板捆包，所述方法可以包括步骤a，以碾磨原始木质纤维素生物质，所述原始木质纤维素生物质包括纸废料。
在本发明方法的一个特定实施方式中，木质纤维素生物质以纸废料的形式提供。
在本发明方法的一个特定实施方式中，木质纤维素生物质以家庭废料的可发酵部分(FFHW)的形式提供。
在本发明的一个特定实施方式中，所述方法不包括对所述木质纤维素生物质进行碾磨的步骤，所述木质纤维素生物质包括纸废料。这为进入的生物质、塑料或金属杂质的质量提供了更好的宽容度，不影响该方法的有效性或平稳运行。
在本发明的上下文中，木质纤维素生物质经历热预处理，以增加其对酶促水解的反应性并增强酶对纤维素的可及性。
在现有技术中，通常将酸或碱类型的化学试剂添加到木质纤维素生物质中，以改善(催化)纤维素的释放。然而，化学催化剂的存在会在纯化方面产生严重阻碍，严重影响该行为在经济上的可行性。
因此，热预处理步骤b.ii在不添加任何酸的情况下进行，优选不添加任何化学催化剂。这使得有可能避免产生抑制剂分子(特别是对于发酵步骤)，从而降低与使用化学催化剂相关的操作成本并降低下游处理溶液的复杂性，同时获得最佳质量产率。
有利地，热预处理步骤b.ii在1至5巴，优选1.5至3巴，更优选约2巴的压力下进行。
通常，热预处理步骤b.ii进行10分钟至120分钟，优选10分钟至60分钟，更优选30分钟。
浸渍步骤b.i和热预处理步骤b.ii可以同时进行或依次进行，具体取决于木质纤维素生物质的致密性。
如果浸渍步骤b.i和热预处理步骤b.ii同时进行，则这两个步骤可以进行的总时间为10分钟至120分钟，优选10分钟至60分钟，更优选30分钟。
在本发明的一个特定实施方式中，浸渍步骤b.i和热预处理步骤b.ii同时进行，例如在一个相同的反应器内，特别是存在非常松散的木质纤维素生物质如未压实纸的情况下。
在本发明的另一优选实施方式中，浸渍步骤b.i和热预处理步骤b.ii依次进行，例如在两个不同的反应器中。因此，在浸渍步骤b.i后进行热预处理步骤b.ii。在这种情况下，更好控制在浸渍步骤中获得的均质化。这样做的优点是使生物质更加均质化且更易于发挥酶的作用，同时确保最初存在的微生物(特别是细菌)被灭活。
在本发明的上下文中，进行步骤b后获得的预处理产物也可以称为“糊剂”或“浆料”。这意味着，例如，裸眼无法看到纸片或纸板片。
任选地，步骤b后可以进行冷冻和/或解冻和/或巴氏杀菌步骤，以限制后续酶促水解步骤中可能导致产量损失的污染风险。
在本发明的一个特定实施方式中，酶促水解步骤c使用酶促混合物进行，如纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶的混合物，特别是纤维素酶和半纤维素酶的混合物。
纤维素酶可选自下组：内切纤维素酶、外切纤维素酶、β-葡糖苷酶及其混合物。
半纤维素酶可选自下组：木聚糖酶、木糖苷酶、内切葡聚糖酶、内切木聚糖酶和β-木糖苷酶，以及一些阿拉伯呋喃糖苷酶和酯酶及其混合物。
优选地，纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶的混合物选自：(诺维信公司(Novozymes))、(WeissBioTech公司)和Isobake更优选
通常，每克生物质使用10至60mg酶，优选每克纤维素使用10至60mg酶，更优选每克纤维素使用15至25mg酶来进行水解步骤c。
在本发明的一个特定实施方式中，酶促水解的产率在40％至80％之间，通常地在60％至70％之间。理论上，将产率计算为释放的单体糖的量与最初可用的总摩尔量的比率。在实践中，本发明人已经测量了相对于纤维素含量的释放的葡萄糖的量(纤维素含量＝原料总量中以重量计的量)。
该酶促水解步骤c能够水解来源于纤维素和半纤维素部分的糖。
在本发明的一个特定实施方式中，步骤c包括预先调整pH的步骤，以获得酸性pH，例如pH为约5。进行步骤b后获得的预处理产物，任选地，经冷冻和/或解冻和/或巴氏杀菌，通常具有碱性或中性pH，这意味着进行pH调节通常通过添加酸如硫酸或磷酸，优选硫酸。
与经常规处理方法(例如基于酸的处理方法)处理的2G生物质相比，酶促水解后产生的糖浆具有较低的矿物质含量，有助于纯化步骤，并且不产生任何发酵抑制复合物，如糠醛或HMF，同时能够增加糖释放产率。
在本发明的一个特定实施方式中，进行步骤d后回收的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆，至少具有以下特征之一：
-总干物质含量为5重量％至25重量％，优选为5重量％至20重量％，特别是10重量％至20重量％；
-游离葡萄糖含量为干物质的60重量％至75重量％，通常为65重量％至70重量％；
-葡萄糖与总糖比为干物质的60重量％至90重量％，优选80重量％至90重量％。
在本发明的上下文中，干物质含量表示产物中存在的所有干物质，例如根据标准ISO 6731中描述的方案进行测量。游离葡萄糖含量表示葡萄糖的量(以干物质计)相对于产物中所含物质的总量(干物质)，该参数通常通过液相HPLC或等效分析方法测量，然后通过计算估算。
在本发明的一个特定实施方式中，所述方法还包括以下步骤：
e.澄清进行步骤d后回收的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆，以将固体残余物与液体残余物分离，所述澄清步骤优选包括粗筛、细筛和/或沉降和/或离心步骤；
f.纯化进行步骤e后获得的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆，优选在活性炭上进行；和
g.回收进行步骤f后获得的经纯化的包含可发酵糖的糖浆，特别是经纯化的包含葡萄糖的糖浆。
有利地，澄清步骤e包括细筛和/或沉降和/或离心步骤。在一个特定实施方式中，澄清步骤e包括细筛、沉降和离心步骤。
本发明的纯化步骤f能够去除悬浮液中的残余物质，例如一些离子和/或盐，并捕获可溶性污染物，例如金属盐和油墨残余物。
有利地，纯化步骤f通过活性炭过滤进行。可在步骤f中使用的活性炭的非限制性实例是粉末状Colorsorb 620(Jacobi公司)、颗粒状BGX(Chemviron)、粉末状CPW(Chemviron)、CXV(之前用碳((a former carbon))。
因此，关于纯化，简单的澄清步骤(固体/液体分离)与通过活性炭的组合似乎是足够的。与现有技术的方法相比，特别是与通常需要通过离子色谱纯化步骤的2G糖相比，这具有优势。
在本发明的一个特定实施方式中，在纯化步骤f或回收步骤g后，所述方法还包括：
h.浓缩进行步骤f或g后获得的经纯化的包含可发酵糖的糖浆，特别是经纯化的包含葡萄糖的糖浆，优选使用真空蒸发器，更优选通过强制再循环或降膜型薄层蒸发器；和
i.回收进行步骤h后获得的经纯化和浓缩的包含可发酵糖的糖浆，
特别是经纯化和浓缩的包含葡萄糖的糖浆。
具体地，浓缩步骤能够通过减少污染物，特别是细菌的发展风险来确保产品的稳定性。
在一个特定实施方式中，进行步骤g或i后回收的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆至少具有以下特征之一：
-总干物质含量为45重量％至75重量％，优选50重量％或60重量％；
-游离葡萄糖含量为干物质的60重量％至75重量％，通常为65重量％至70重量％；
-葡萄糖与总糖比为干物质的70重量％至90重量％，通常为75重量％至85重量％，特别是80重量％。
在一个优选的实施方式中，用于由木质纤维素生物质产生包含葡萄糖的糖浆的方法包括以下步骤，其中所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是可印刷纸、印刷纸或纸板：
a.任选地，碾磨所述木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质包括纸废料；
b.i.将进行步骤a后获得的经碾磨的木质纤维素生物质或所述木质纤维素生物质浸渍于水性介质中，优选于水中并在室温下，所述木质纤维素生物质包括纸废料，和ii.进行热预处理以获得预处理产物，所述热预处理无需添加酸并在80℃至150℃的温度下，优选90℃至130℃，更优选100℃或120℃的温度下，以pH 6.5至8.5，特别是pH 6.5至8，更特别是pH 6.8至7.5，优选中性pH下进行，所述浸渍和热预处理步骤同时进行或以先i后ii依次进行；
c.对进行步骤b后获得的预处理产物进行酶促水解，以将纤维素和半纤维素转化为包含葡萄糖的糖浆；
d.回收进行步骤c后获得的包含葡萄糖的糖浆；
e.澄清进行步骤d.后回收的包含葡萄糖的糖浆，以将固体残余物与液体残余物分离，所述澄清步骤优选包括粗筛、细筛和/或沉降和/或离心步骤；
f.在活性炭上纯化进行步骤e后获得的包含葡萄糖的糖浆；
g.回收进行步骤f后获得的经纯化的包含葡萄糖的糖浆；
h.浓缩进行步骤g后获得的经纯化的包含葡萄糖的糖浆，优选通过真空蒸发器，更优选通过强制再循环或降膜型薄层蒸发器；和
i.回收进行步骤h后获得的经纯化和浓缩的包含葡萄糖的糖浆。
本发明还涉及能够以本发明的方法获得的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆，其特征在于所述糖浆具有：
-葡萄糖与总糖比为干物质的70重量％至90重量％，或75重量％至85重量％，优选80重量％至85重量％；和/或
-优选地，糠醛或羟甲基糠醛(HMF)含量低于5000ppm，有利地，低于200ppm。
所述糖浆可包含除葡萄糖以外的组分，所述组分以干物质的10重量％至30重量％的比例被包含。所述组分的非限制性实例是糖，如木糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖、痕量溶剂、痕量灰分。
本发明还涉及使用本发明的方法或本发明的糖浆来产生生物源分子。
本发明生物源分子的非限制性实例为：糖(单糖)、乙醇、异丁烯、1,3-丙二醇、2,3-丁二醇、3-羟基丙酸、乙酸、丁酸、癸酸、柠檬酸、富马酸、苹果酸、丙酸、丙酮酸、琥珀酸、乙酰丙酸、2,5-呋喃二甲酸、山梨糖醇和木糖醇。
例如，以下分子可通过葡萄糖的生物转化产生，并已在现有技术中描述：乳酸(Xu等,2014,Yadav等,2020)、乙酸(Kondo等,1996)、丁酸(Fu等,2017)、丙酸(Wang等,2013)、琥珀酸(Ong等,2019)、异丙醇(Ferreira dos Santos Vieira等,2020)、异丁烯(US20180057843,US9249430,WO2014086781)、丁醇(Cheng等,2019；Birgen等,2019)和法呢烷(farnesane)(WO2007139924,WO2008045555)。
本发明的生物源分子优选自：乳酸、乙酸、丁酸、丙酸、琥珀酸、异丙醇和异丁烯，更优选自乳酸、乙酸，丁酸、丙酸和异丙醇。
本发明还涉及使用本发明的方法或本发明的糖浆来产生生物燃料，优选乙醇。
本发明还涉及产生生物燃料，特别是乙醇的方法，其包括本发明方法的步骤和后续发酵步骤，以将进行步骤g或步骤i后回收的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆转化为生物燃料，尤其是乙醇。
在本发明的一个特定实施方式中，发酵步骤通过酵母和/或细菌进行。酵母可选自酵母菌(Saccharomyces)属、耶氏酵母(Yarrowia)属和明串珠菌(Leuconostoc)属的酵母。细菌可选自芽孢杆菌(Bacillus)属、乳杆菌(Lactobacillus)属、醋杆菌(Acetobacter)属、埃希氏菌(Escherichia)属、梭菌(Clostridium)属和发酵单胞菌(Zymomonas)属的细菌。优选地，发酵步骤使用酵母菌(Saccharomyces)属的酵母进行，优选酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)。细菌可选自丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)或大肠杆菌(Escherichia coli)。在一个特定的实施方式中，根据酵母或细菌获得酒精发酵的能力选择酵母或细菌。
本发明的发酵步骤可以通过能够发酵己糖和戊糖的酵母和/或细菌进行。
发酵步骤能够将来源于纤维素部分和半纤维素部分的糖转化为生物燃料，特别是乙醇。
发酵步骤可以在随后称之为“下游处理”步骤前进行，即具体地，在澄清步骤e、纯化步骤f或浓缩步骤h前进行。
在本发明的一个特定实施方式中，发酵步骤在与酶促水解步骤(SHF过程)中使用的反应器不同的反应器中进行，或在同一反应器(SSF、SSCF、CBP过程)中同时进行，优选在与酶促水解步骤(SHF过程)中使用的反应器不同的反应器中进行。
如果发酵步骤与酶促水解步骤在同一反应器中同时进行，则本发明的方法不包括步骤d。
在一个实施方式中，在发酵步骤后，方法可以包括纯化生物源分子或生物燃料的步骤，例如通过蒸馏，特别是对于乙醇；蒸馏步骤前可以进行澄清步骤或可以不进行澄清步骤。
所有上述实施方式可以互相组合。
实施例
以下实施例仅出于说明目的而提供，不应以任何方式解释为限制本发明。
实施例1.热预处理和酶促水解步骤后获得的糖浆。
进行本发明方法的酶促水解步骤c后获得的糖浆具有以下特征：
-总干物质(TDM)含量为6.1％，
-游离葡萄糖为70.7％，
-葡萄糖与总糖比为84.7％。
下表1给出了该糖汁的组成。
[表1]
实施例2.固体/液体分离(澄清)、纯化和浓缩步骤后获得的糖浆。进行本发明方法的步骤i后获得的糖浆具有以下特征：
-总干物质含量为59.79％，
-游离葡萄糖为70.8％，
-葡萄糖与总糖的比为80.5％。
下表2给出了该糖汁的组成。
[表2]
实施例3.涉及预处理步骤的不同测试。
对预处理阶段的酸含量进行了测试；结果表明无酸消化能够获得最佳质量产率(表3)。
[表3]
在这些测试中，可以看出：
-最佳消化率在以120℃/60分钟但无酸的条件下对纸张进行处理处获得；
-次最佳预处理是用磷酸，然后用硫酸。
结果示于表4中。
[表4]
实施例4.pH敏感性研究
对一系列消化后的纸张、纸板进行pH敏感性研究；结果示于表5中。
[表5]
实施例5.剂量效应研究(酶浓度)
对一系列消化后的纸张、纸板进行剂量效应研究，结果见表6。
[表6]
实施例6.用不同的酶混合物进行测试
在20mg酶促蛋白/g纤维素存在的情况下，将3种不同的混合物用于再制浆的(repulped)预处理纸。结果示于表7。
[表7]
纯度％/干重(于63h) Ctech3 Deltazym Isobake CX
葡萄糖(％) 62.15 55.86 41.76
木糖(％) 11.58 1.65 5.95
总糖(％) 73.7 57.5 47.7
葡萄糖/木糖比 5.4 33.9 7.0
实施例7.用不同的活性炭进行测试。
测试4种活性炭对水解和澄清后糖浆的纯化：
-Jacobi提供的粉末状Colorsorb 620
-Chemviron提供的颗粒状BGX
-Chemviron提供的粉末状CPW
-CXV(之前常用于ARD的碳)。
结果示于表8。
[表8]
实施例8.单独发酵
使用未纯化糖浆和未浓缩的糖浆测试能够将游离葡萄糖转化为乙醇的野生型酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株的生长。在第一阶段，在澄清糖浆(SHF)后进行测试，在第二阶段，在水解步骤中或结束时直接添加酵母，以便发酵在同一反应器中进行(分别为SSF#2和SSF#1)。所得结果示于表9。
[表9]
实施例9：比较根据本发明的糖浆的发酵与源自常规渠道包含相同量的葡萄糖和 木糖的参比糖浆的发酵。
可以在能够生产乙醇的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株上测试含有由纸张和纸板产生的糖的浆料(称为糖浆)，上述酵母菌株由乐斯福(Lesaffre)公司销售用于产生乙醇(菌株Cellux 4)。发酵测试在锥形瓶(Erlenmeyer)或肖特瓶(Schott)中以两种给定的糖浓度进行：140和210g/kg培养基(对应于葡萄糖和木糖的累积量)，分别命名为TAV8和TAV 12。制备含有相同量的葡萄糖和木糖的参比糖浆(称为1G)，并在相同条件下进行测试。
比较发酵结果的目的是证明与使用源自常规渠道，即由主要由甜菜根、小麦、蔗糖构成的1G(即第1代)资源生产的葡萄糖和木糖浆料相比，源自本发明的糖浆在发酵时的质量以及不存在抑制剂效应。
通过与CO2产生相关的质量损失来监测乙醇产生，CO2产生与乙醇产生直接相关联。实际最终浓度在实验结束时通过HPLiC进行验证。
结果示于下表。对转化产率的观察显示出非常好的性能，并突出了这些由纸张和纸板产生的糖具有整合到工业乙醇生产渠道潜力。
表
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Claims (19)

1.一种用于由木质纤维素生物质产生包含可发酵糖的糖浆的方法，所述木质纤维素生物质包括纸废料，特别是可印刷纸、印刷纸或纸板，所述方法包括以下步骤：
a.任选地，碾磨所述木质纤维素生物质，所述木质纤维素生物质包括纸废料；
b.i.将源自步骤a的经碾磨的木质纤维素生物质或所述木质纤维素生物质浸渍于水性介质中，所述木质纤维素生物质包括纸废料和ii.进行热预处理以获得预处理产物，所述热预处理步骤无需添加酸，并在80℃至150℃的温度下以pH 6.5至8.5，特别是pH 6.5至8进行，所述浸渍和热预处理步骤同时进行或先i后ii依次进行；
c.对进行步骤b后获得的预处理产物进行酶促水解，以将纤维素和半纤维素转化为包含可发酵糖的糖浆；和
d.回收进行步骤c后获得的包含可发酵糖的糖浆。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素生物质在碾磨和/或浸渍之前的总干物质含量为生物质的70重量％至100重量％，特别是85重量％至96重量％，并由纸废料构成；或者所述木质纤维素生物质在碾磨和/或浸渍之前的总干物质含量为生物质的45重量％至96重量％，特别是50重量％至70重量％，并由废料构成，所述废料由纸废料和共基质，例如FFHW，的混合物构成。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热预处理步骤b.ii.在1至5巴，优选1.5至3巴，更优选约2巴的压力下进行。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热预处理步骤b.ii.进行一段时间，该时间包括10分钟至120分钟，优选10分钟至60分钟，更优选30分钟。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述酶促水解步骤c通过纤维素分解酶和/或半纤维素分解酶的混合物，特别是纤维素酶和半纤维素酶的混合物进行。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，进行步骤d后回收的所述包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆具有至少以下特征之一：
-总干物质含量为5重量％至25重量％，优选5重量％至15重量％；
-游离葡萄糖含量为干物质的60重量％至75重量％，通常为65重量％至70重量％；
-葡萄糖与总糖比为干物质的60重量％至90重量％，优选80重量％至90重量％。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
e.澄清进行步骤d后回收的包含可发酵糖的糖浆，以将固体残余物与液体残余物分离；
f.纯化进行步骤e后获得的包含可发酵糖的糖浆；和
g.回收进行步骤f后获得的经纯化的包含可发酵糖的糖浆。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在纯化步骤f后，所述方法还包括：
h.浓缩进行步骤f后获得的经纯化的包含可发酵糖的糖浆；和
i.回收进行步骤h后获得的经纯化和浓缩的包含可发酵糖的糖浆。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，纯化步骤f通过活性炭过滤进行。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述木质纤维素生物质以纸废料的形式提供。
11.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述木质纤维素生物质以家庭废料的可发酵部分(FFHW)的形式提供。
12.如权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，进行步骤g或i后回收的包含可发酵糖的糖浆具有至少以下特征之一：
-总干物质含量为50重量％至75重量％，优选60重量％；
-游离葡萄糖含量为干物质的60重量％至75重量％，通常为65重量％至70重量％；
-葡萄糖与总糖比为干物质的70重量％至90重量％，通常为75重量％至85重量％，特别是80重量％。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述包含可发酵糖的糖浆是包含葡萄糖的糖浆，以及适用情况下，包含葡萄糖和木糖的糖浆。
14.一种能够通过权利要求1至12中任一项所述的方法获得的包含可发酵糖的糖浆，特别是包含葡萄糖的糖浆，其特征在于，所述糖浆：
-葡萄糖与总糖比为干物质的70重量％至90重量％，优选75重量％至85重量％，特别是80重量％至85重量％；和/或
-优选地，糠醛或羟甲基糠醛(HMF)的含量低于5000ppm，有利地，低于200ppm。
15.权利要求1至12中任一项所述的方法或权利要求14所述的糖浆在产生生物源分子中的用途，具体地，所述生物源分子选自下组：乳酸、乙酸、丁酸、丙酸、琥珀酸、异丙醇和异丁烯。
16.权利要求1至12中任一项所述的方法或权利要求14所述的糖浆在产生生物燃料，优选乙醇中的用途。
17.一种产生生物燃料，特别是乙醇的方法，其包括如权利要求1至12所述的方法的步骤和随后的发酵步骤，以将进行步骤g或i后回收的包含可发酵糖的糖浆转化为生物燃料，特别是乙醇。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述发酵步骤通过酵母进行，特别是酵母(Saccharomyces)属，优选酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，和/或细菌，特别是丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)或大肠杆菌(Escherichia coli)。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中,以通过HPLiC测量相对于糖高40％，例如45％和51％之间的产率产生所述乙醇。
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