TW201100547A - An improved process for the rapid hydrolysis of high solids biomass - Google Patents

Description

201100547 六、發明說明： 優先權之請求 本專利申請案請求專利申請案PCT/IT2009/000124申 請日2009年3月31日、PCT/IT2009/000127申請日2009年3月 31 日、PCT/IB2009/055736 申請日 2009 年 12 月 14 日、及 PCT/IB2009/055737申請日2009年12月14日之優先權。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種木質-纖維素生物質之水解方法，其 〇 係包含下列步驟：A)將木質-纖維素原料與至少部分溶劑接 觸’該原料包含具有乾含量及水，該溶劑包含水溶性已水 解的種類；其中至少若干該水溶性已水解的種類係與原料 中的生物質水解所得的水溶性已水解的種類相同；B)維持 該原料流之原料與該溶劑之接觸於20 °C至200 °C範圍之溫 度歷經5分鐘至72小時範圍之時間而自該原料中之生物質 產生一已水解的產物。 Q 【先前技術】 法國專利申請案第2609046號教示於澱粉水解酶存在 下的澱粉水解。已知澱粉係萃取自食用植物及穀類植物。 業界人士瞭解由於澱粉的化學鍵故容易水解，而纖維素則 不易水解。該專利案教示加水至已磨粉的乾澱粉來調整於 已磨粉的澱粉質底層中之濃度（以乾物質表示）至發酵中途 介於50克/升至400克/升之數値。該法國專利申請案未曾述 及應用至含纖維素的原料。 技藝界已知若發酵醪含有多於4%乙醇，則自發酵程序 201100547 蒸餾出乙醇的能量成本大減。如此要求高於8%(w/w)之糖濃 度，對大半類型生物質，特別對木質纖維素生物質係相當 於高於20%之初始乾物質含量。 因此能夠利用具有局乾物質含量，較佳高於20 %重量 比之含木質纖維素生物質具有關鍵重要性。先前已經說明 生物質之酶催化水解。但於木質纖維素生物質之情況下， 只有包含平均大小小於1吋（25.4毫米）的纖維及粒子且此外 具有相對低的乾物質含量，亦即低於20%(w/w)的材料才已 〇 經成功地水解。 生物質之酶催化水解傳統上係於類似發酵業使用的裝 配有葉輪（例如拉什頓（Rushton)渦輪或英德米（Intemig)葉 輪）安裝於取中定位的葉輪軸上之經攪拌之反應槽進行。由 於此種設備故，高黏度溶液、極爲沾黏或極乾的材料無法 有效攪拌，而將導致具有極爲不良混合或絲毫也未混合的 非均質維持區。又復，此種溶液的攪拌要求極大能量輸入， 〇 不利於程序經濟。因此使用含多醣生物質之操作先前係限 於約20%(w/w)的可能上限。 於美國專利案第4,409,329號獲得證實，該案說明固體 纖維素材料水解成糖，此處纖維素係經由使用纖維素酶錯 合物處理含30- 80%(w/w)纖維素之3-20%(w/w)固體進料之 粒狀料漿而被水解成單糖。固體含纖維素進料具有直徑自 0.01吋至1吋（0.0254-25.4毫米）之平均粒徑。使用穿孔轉子 葉片用於混合。該專利案之教示係於整個反應區段使用約 Ο 201100547 爲50,000至200,000呎/分鐘/呎的極高切變率。 US200211716 7A說明於生物質材料中之年 催化水解，包含溶解至少部分半纖維素，及才 半纖維素來製造至少一種單醣。所選用的生衫 料或經預處理的材料之水性漿料。該生物質长 半纖維素的任一種含纖維素材料。該方法係措 效用於穀物纖維諸如，玉米、小麥稻米、燕袭 如實例中所見，該纖維素係未經水解。 ϋS20 04 00 5 674A說明一種用於木質纖維素 解之方法。木質纖維素之分解成爲糖，包含g 接觸至少一種輔助酶及至少一種纖維素酶該爸 之材料經磨粉（材料之平均纖維大小未經進一 有低乾物質含量（0.2克已磨粉之乾草材料於 液）。 WO 2006/0 5 68 3 8說明一種用於具有相對 Q 之含多醣生物質之液化與醣化方法。該方法 水解與依賴比重的一型混合，確保生物質接 要爲切變力及撕離力。 前述方法由於要求高切變及時間來水解 昂貴。因此仍然需要使用經濟設計同時處理 生物質。 【發明內容】 發明槪要 :纖維素的酶 〔解已溶解的 J質較佳爲原 卜料可爲包括 丨述爲特別有 1或大麥。但 :之酶催化水 ?木質纖維素 「木質纖維素 步規定）且具 1〇毫升酶溶 5乾物質含量 $組合酶催化 t機械力，主 C料故操作上 5乾物質含量 201100547 技藝界眾所周知纖維素極爲難以分解成爲糖。水解含 纖維素的生物質之努力通常證實爲不經濟。雖然含纖維素 的生物質流可經處理來增加纖維素對水解催化劑’諸如水 解酶的接近性與利用率，但就時間與能量而言仍然極爲難 以將纖維素轉成其基本糖。因此理由故，先前技術系統首 先移除纖維素組分，及單獨水解澱粉或自由態糖組分。此 等系統稱作爲第一代方法。纖維素水解的困難已經於發明 Λ 背景章節引述的晚近先前技術專利案中證實，該等專利案 Ο 係將纖維素材料接受高切變及長時間來切斷纖維。 本說明書揭示一種無需切變且於極短時間水解纖維素 之水解方法。 因此，本說明書揭示一種用於高乾含量之生物質的水 解方法’包含下列步驟，將包含具有乾含量及水二者之生 物質之原料與至少部分包含水溶性已水解的種類之溶劑接 觸；其中至少若干水溶性已水解的種類係與得自生物質水 〇 解的水溶性已水解的種類相同，於催化劑組成物存在下， 維持該原料與該溶劑之接觸於20它至”^範圍之溫度歷經5 分鐘至72小時範圍之時間而自該生物質產生一已水解的產 物。 本說明書揭示該用於生物質之水解之方法也可包含下 歹!J步驟：Α)分配定量具有乾含量及水之生物質進入至少一 第—原料流及一第二原料流，Β)經由以添加催化劑至該第 一原料流水解該第一原料流而產生一第一溶劑流，其中該 201100547 催化劑數量於全部原料流係於01至15〇 FPU /克乾含量之 範圍’及於20 °c至95 °c範圍之溫度進行水解經5分鐘至8小時 範圍之時間’ C)讓非爲第—原料流之該等原料流中之至少 一者接觸該第一溶劑流，及D)維持該非爲第一原料流之的 至少一種原料與該第一溶劑流之接觸於2〇 至95 °C範圍之 溫度歷經5分鐘至72小時範圍之時間而自該生物質產生一 已水解的產物。 進一步揭示於該原料與溶劑接觸之前、之瞬間、或之 〇 後’至少部分催化劑組成物接觸該原料。進一步揭示該原 料之生物質對水之比可爲大於1: 6,或大於1: 5，或大於1 : 4’或大於1: 3，或大於1: 2.5，或大於1: 2，或大於1: 1 .5，或大於1 : 1，或大於1 : 0.9。 進一步揭示原料中生物質對水之含量係於1:4至9: 1、 1: 3.9 至 9: 1、1: 3.5 至 9: 1、1: 3.25 至 9: 1、1: 3 至 9: 1、 1: 2.9至 9: 1、 1: 2至 9: 1、 1: 1.15至 9: 1、 1: 1至 9: Q 1、及1 ·· 0.9至9 : 1之比例範圍。 進一步揭示與原料接觸的溶劑之重量對接觸瞬間之原 料重量之比可於1: 99至99: 1、10: 90至90: 10、20: 80 至90: 10、 30: 70至 90: 10、 40: 60至 90: 10、 50: 50至 90: 10、及60: 40至90: 10之範圍中之任一者。 進一步揭示該催化劑包含酶，而該酶係可將生物質中 之化合物轉化成糖或低分子量糖聚合物。 進一步揭示該酶可水解纖維素，較佳水解成葡萄糖。 201100547 進一步揭示該方法可爲批次式方法，其中該催化劑組 成物係於該原料導入之前、之同時、或之後導入該容器， 及該原料與該溶劑於該容器內係維持於該溫度範圍歷經該 量時間’以及於維持該原料、該溶劑及催化劑於該容器內 於該溫度範圍歷經該量時間後，自該容器移出一定重量之 已水解的產物，其中該被移出的已水解的產物重量實質上 係等於導入的原料加催化劑組成物之重量加導入容器內的 除溶劑以外的其它材料之重量。該方法也可含有得自先前 Ο 已水解的批料之一第二溶劑流。該產物之移除可爲完全， 或部分產物留在容器內。 進一步揭示該方法可爲連續式方法，其中該非爲第一 原料流之至少一種原料流之原料及該第一溶劑流之溶劑係 連續導入原已含有該溶劑流之一容器內，該催化劑組成物 係連續導入該容器內，及該已水解的產物係連續自該容器 移出’其中於一規定的時間量期間移出的已水解的產物重 Q 量係等於於該規定的時間量期間，導入該容器內的原料加 該催化劑組成物重量加導入該容器內的除溶劑以外的其它 材料之重量。 進一步揭示該等方法可具有基於產物溶劑流之循環迴 路的預混步驟，其中於導入該容器前，部分溶劑係與至少 部分原料混合，及溶劑對原料之全部比値係以溶劑總量爲 基準，該溶劑總量係爲容器內的溶劑量加與至少部分原料 混合的任何溶劑量。 201100547 進一步揭示固體可自已水解流分離，及該等固體選擇 性地循環進入水解容器。揭示固體也可於添加至水解容器 前經滌淨或絲毫也未添加至該水解容器° 圖式簡單說明 第1圖爲連續式水解方法之示意圖。 第2圖爲具有循環迴路之連續式水解方法之示意圖。 第3圖爲柱塞流連續式方法之示意圖。 第4圖爲批次式水解方法之示意圖。 〇 U 第5圖爲改良式方法之一個實施例顯示以過量催化劑 處理之示意圖。 第6圖顯示用以進行實驗之裝置類型。 第7圖爲連續式水解方法帶有已水解的產物中之固體 的分離之示意圖。 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 q 本方法係利用纖維素之酶催化水解可極爲快速地發 生，如此，當水解係於得自生物質的相當大量原已水解的 產物存在下進行時，可選擇性地避免切變及過量水。如此， 實施者可避免先前技術提示辦法所述的使用特殊混合機與 高成本混合。 本方法始於原料的選擇。原料係包含具有乾含量及水 之生物質。通常該水並非自由態水，反而係吸收入生物質 本身內部的水。此種生物質常係根據其乾含量（非水）表 -10- 201100547 示。20%乾含量生物質係相當於具有80%水及20%非水（或稱 作固型物含量）的生物質。生物質及水一詞爲該生物質之乾 含量加所吸收的水及自由態水及可能已經添加之水。舉例 言之，對100千克具有20%乾含量之生物質而言，生物質加 水之含量爲100千克。對100千克具有20 %乾含量之生物質 加10千克水而言，生物質加水之含量爲110千克。 相信所述方法可利用生物質與水之原料，此處該乾物 質含量對原料之水較佳爲1 5 %至8 0 %，2 0 %至8 0 %，或2 1 % 〇 至8 0 %，較佳2 5 %至7 0 %，或2 6 - 7 0 %，更佳2 5 %至6 0 %，或 2 6% Μ 6 0% > 又更佳 2 5 % 至 5 0%，或 26% 至 5 0%，或 25 % 至 4 0 %，或2 6 %至4 0 %，及最佳2 5 %至3 5 %，或2 6 %至3 5 %，或 2 6 % 至 3 4 %，或 3 1 % 至 4 9 % ° 如此另外可以最小乾含量表示，亦即以乾含量相對於 原料中之水的重量百分比表示。如此係相當於至少18重量 百分比乾含量，較佳至少21或20重量百分比乾含量，較佳 〇 至少25重量百分比乾含量，更佳至少30重量百分比乾含 量，及最佳至少40重量百分比乾含量。此含量之上限係以 10 0%界定，但實際上，若此等含量係以範圍表示，則80重 量百分比爲其上限。 此處所述方法相信可處理接近1〇〇 %乾含量。當然須瞭 解部分水爲水解反應所必需。 因此’適合用於本發明之範圍爲具有大於18%、20%、 2 1 %、2 5 %、2 6 %、3 0 %、3 1 %、3 5 %、3 6 %、4 0 %、5 0%、60%、 201100547 及80 %之乾含量，而對各下限具有80 %或90 %之上限。 生物質之纖維及粒徑的較佳分布可能涉及0毫米至150 毫米，較佳5毫米至125毫米，更佳1〇毫米至1〇〇毫米，又更 佳15毫米至30毫米至90毫米，或20毫米至80毫米，及最佳 26毫米至70毫米之範圍。 纖維及粒徑之較佳分布係定義爲於該較佳間隔範圍以 內之至少20%(w/w)生物質。 本方法之優點爲其可未添加較佳係選自於由硫酸、鹽 〇 酸、磷酸等或其混合物所組成之組群之無機酸，或未使用 木質素增溶性有機溶劑諸如，選自於由碳、含2至6個碳原 子之酮類及丙酮類及其混合物、甲醇、乙醇所組成之組群 之該等溶劑而進行。 另一項優點爲本反應可於大氣壓進行。另外，相信可 提高溫度，因而反應可於與100 °C至200 °C範圍之溫度相關聯 的壓力下使用或未使用酶進行。 U 植物生物質爲較佳原料。除了澱粉外，植物生物質中 的三種主要成分爲纖維素、半纖維素及木質素，常係以通 稱木質纖維素稱之。含多醣之生物質乃包括澱粉及木質纖 維素生物質二者之通稱。因此若干類別原料可爲植物生物 質、含多醣之生物質、及木質纖維素生物質。爲求清晰， 於本說明書中，木質-纖維素生物質可含有或可未含有澱 粉。 本方法主要係針對第二代水解製造，此處該木質-纖維 -12- 201100547 素原料含有大於5%重量比之纖維素之乾含量。而以5%重量 比之乾含量爲較佳量，而又更佳量爲大於原料之10%重量 比之乾含量’而以大於原料至少i 5%重量比之乾含量爲最 佳。 雖然原料可不含澱粉，實質上不含澱粉，或具零之澱 粉含量。但澱粉當存在時事少於75 %重量比之乾含量。並 無較佳澱粉含量範圍，原因在於其存在相信不影響纖維素 的水解。澱粉若存在時其含量範圍爲0至75 %重量比之乾含 〇 量’ 〇至50%重量比之乾含量，〇至30%重量比之乾含量， 及0至2 5 %重量比之乾含量。 預處理常用來確保木質纖維素內容物的結構爲催化劑 諸如酶所更加可接近，且同時有害的抑制性副產物諸如， 乙酸、糠醛及羥甲基糠醛濃度維持實質上低濃度。 有若干策略可達成接近性的增高，其中多種策略尙未 發明。目前的策略暗示讓木質纖維素材料接觸 Q 間之溫度歷經1分鐘至60分鐘時間，例如： 熱水萃取 多階段式稀酸水解，於抑制作用物質形成前去除已溶 解的材料 於相對低度苛刻條件下的稀酸水解 鹼濕氧化 蒸汽爆裂 幾乎任一種預處理皆附有隨後的解毒 -13- 201100547 若選用水熱預處理，則以下列條件爲佳： 預處理溫度：110-250 r，較佳120-240 °c，更佳 130-230 °C ，更佳 140-220 °C ，更佳 150-210 °C ，更佳 160-200 °C，又更佳 170-200 °C，或最佳 180-200 °C。 預處理時間：1-60分鐘，較佳2-55分鐘，更佳3-50分鐘， 更佳4-45分鐘，更佳5-40分鐘，更佳5-35分鐘，更佳5-30 分鐘’更佳5-25分鐘，更佳5-20分鐘，及最佳5-15分鐘。 預處理後的乾物質含量較佳至少20 %(w/w)。後文預期 〇 涵蓋其它較佳更高限。 根據本發明之含多醣之生物質包括任一種含聚合物糖 類的材料，例如呈澱粉及精製澱粉形式、纖維素及半纖維 素。但如前文討論，澱粉並非主要組分。 根據本發明之用於水解與混合之相關生物質類別可包 括衍生自農作物諸如：含有榖物；玉米稈、蔗渣、禾桿例 如得自稻米、小麥、黑麥、燕麥、大麥、油菜、高粱；塊 U 莖例如甜菜、馬鈴薯。 木質-纖維素生物質原料較佳係得自通稱作草類的科 別。適當名稱爲開花植物之百合綱（Liliopsida)(單子葉植物） 中稱作爲禾本科（Poaceae或Gramineae)的科別。此科植物通 稱爲草類’也包括竹子。草類共有約600屬及約9,000至 10,000種或以上（基尤（Kew)世界草種索引）。 禾本科包括全球生長的主食穀物及穀類作物、草坪草 及牧草、及竹。禾本科通常具有稱作爲莖桿的中空莖，其 -14- 201100547 中於稱作「莖節」的間隔被堵塞（實心），葉子係自沿莖稈 之該等點長出。草葉通常爲互生葉、「雙列葉」（於一個平 面）或罕見爲螺旋葉，及平行脈。各片葉子可區分爲環抱莖 一段距離的一下「葉鞘」，及具有緣（通常爲全緣）的一「葉 片」。多種草類之葉片係以二氧化矽植物矽體硬化，其有助 於免於被放牧動物所吃草。於某些草類（諸如菖蒲），如此 造成葉片邊緣刃夠銳利而可切割人類皮膚。稱作爲葉舌的 ^ 膜狀附屬物或髮狀邊緣係位在葉鞘與葉門的接合部，防止 水或昆蟲入侵葉鞘。 草的葉片長在葉片基部而非自細長的莖梢長出。此種 低生長點係涉及回應於放牧動物，允許草類規則地被吃草 或割草而對植株不會造成嚴重損傷。 禾本科的花之排列特徵爲「小穗花序」，各個小穗花序 有一朵或多朵小花（小穗花序又再分成圓錐花序或穗狀花 序）。小穗花序包含於基部的兩個（或偶爾數個）苞片，稱作 〇 爲「穎片」，接著爲一朵或多朵小花。小花包含由稱作爲「外 稃」（外部者）及「內稃」（內部者）的兩個苞片所圍繞的花。 花通常爲雌雄同體（玉蜀黍爲例外，雌雄異花同株），及授 粉幾乎總是藉風媒授粉。花被減少成二鱗片，稱作「肉質 鱗片」’其脹縮而展開外稃及內稃；通常係解譯爲經修改之 萼片。此種複雜結果可見於左側影像，繪出小麥 aeii/vMw)穗狀花序。 禾本科之果實爲穎果，其中種皮係融合至果皮，因而 -15- 201100547 無法分離（如同玉米穗軸）。 草類存在有三大類生長習慣；紮束型（也稱作簇生 型）、匍匐莖型及地下莖型。 草類的成功部分係仰賴其形態及生長程序，而部分係 仰賴其生理多樣性。大部分草類劃分成兩組生理群：使用 C3及C4光合成徑路用於碳固定。C4草類具有光合成徑路鏈 接至特化的克蘭茲（Kranz)葉解剖，該葉解剖特別適合熱帶 氣候及二氧化碳含量低的大氣。 ❹ C3草類稱作爲「涼爽季節草類」，而C4植物稱作爲「溫 熱季節草類」。草類可爲一年生或多年生。一年生涼爽季節 草類之實例爲小麥、黑麥、一年生藍草（一年生草甸草、早 熟禾及燕麥）。多年生涼爽季節草類之實例爲果園草（雞腳 茅、鴨茅）、牛毛草（羊茅種屬（Festucaspp·))、肯塔基藍草 及多年生黑麥草（Lolium perenne)。一年生溫熱季節草類之 實例有玉蜀黍、蘇丹草及珍珠粟。多年生溫熱季節草類之 〇 實例有大須芒草、玫瑰草、百慕達草及軟枝草。 草科之一種分類法有十二個亞科 ： l)anomochlooideae，闊葉草的一個小世系，包括兩屬 (Anomochloa ' Streptochaeta) ', 2)Pharoideae» ， 包括三屬，包括户Ziarwi及囊样竹屬; 3)PueIi〇ideae，——小世系包括非洲屬; 4)禾亞科 (Pooideae)，包括小麥、大麥、燕麥、白露草（Bronnus)及 蘆葦草（拂子茅屬（Ca/atmagrosi/s)) ; 5)竹55科 -16- 201100547 (Bambusoideae)，包括竹子；6)稻亞科（Ehrhartoideae)，包 括稻及野稻；7)蘆竹亞科（Arundinoideae)，包括蘆竹及蘆 葦；8)蜜糖草亞科（Centothecoideae)，11屬的小亞科，偶爾 含括於黍亞科（Panicoideae) ; 9)虎尾草亞科 (Chloridoideae)，包括竹箭草約有 350種，包 括teff)、鼠尾粟（鼠尾粟屬（Sporoh/w，約有160種）、龍爪 稷（£：/βΜ5·ζ·?ίβ coracana(L.) Gaertn.)，及亂子草（亂子草屬 約 175種）；10)黍亞科（Panicoideae)，包 〇 括稗子、玉蜀黍、高粱、甘蔗、大部分粟、尼奧米（fonio) 及須芒草；ll)Micrairoideae; 12)Danthoniodieae，包括蒲 葦；Po a是南北兩半球各個溫度區天生的一屬約500種草類。 生長獲得其可食用的種子之農藝草類稱作爲穀類。三 種常見穀類爲稻、小麥及玉蜀黍（玉米）。全部作物中有7 0% 屬於草類。 甘蔗爲主要製糖來源。草類可用於建築。竹子製成的 Q 鹰架可忍受可能折斷鋼製鷹架的颱風風力。大型竹子及蘆 竹（Ar undo donax)具有粗壯的莖稈，可以類似木材之方式使 用；及草類根可穩定草皮房子的草皮。蘆竹用來 製造木管樂器用的簧片，及竹子用於多項實務。 因此較佳木質纖維素生物質係選自於由草類所組成之 組群。換言之，較佳木質纖維素生物質係選自於由屬於禾 本科植物所組成之組群。大部分情況下澱粉將未經萃取。 如此另一種較佳木質纖維素生物質係選自於由尙未經萃取 -17- 201100547 澱粉的草類所組成之組群。換言之，較佳 質係選自於由屬於尙未萃取其澱粉的禾本 組群。已萃取係與已去除不同。玉米植物 的去除已經去除主要澱粉組分，但尙未萃 粉係透過切割或劈剁以外的化學處理或物 素澱粉組成物中分離澱粉。 於預處理前，木質纖維素生物質可t 20%(W/W)生物質較佳係於26毫米至70毫米 〇 理的材料較佳於進入該處理程序前具有高 含量。除了自該生物質釋放碳水化合物外 滅菌及部分溶解該生物質，及同時自該木 鉀。 生物質將含有可水解成爲可得自該生 性種類。以纖維素的水溶性已水解的種類 水解成葡萄糖、纖維二糖、及高碳葡萄糖 Q 二元體及寡聚體。如此纖維素的若干水溶 包括葡萄糖、纖維二糖、及高碳葡萄糖聚 個別的二元體及寡聚體。纖維素係藉碳水 纖維素酶水解成葡萄糖。如此碳水化合物 酶乃用於纖維素水解的催化劑之實例。 普遍瞭解纖維素分解系統將纖維素酶 -1，4-β-ϋ-葡聚糖酶或纖維二糖水 3.2.1.91)，其係自纖維素鏈末端裂解纖ί 木質纖維素生物 科植物所組成之 有穗及莖桿。穗 取澱粉。萃取澱 理程序來自纖維 0成多塊，此處 之範圍。經預處 於2 0 %之乾物質 ，該預處理程序 質部分洗掉氯化 物質水解的水溶 爲例，纖維素可 聚合物，且包括 性已水解的種類 合物，且包括其 化合物分解作用 分解作用纖維素 劃分成三類：外 解酶（CBH)(EC 維二糖單元；內 -18 - 201100547 • l，4-p-D-葡聚糖酶（EG)(EC 3.2.1.4)，其隨機水解纖維素鏈 中的內部β-1，4-葡萄糖苷鍵；1，4-β-ϋ-葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.21)，其水解纖維二糖成爲葡萄糖，及也自纖維寡醣 裂解葡萄糖單元。因此’若生物質含有纖維素，則葡萄糖 爲得自生物質水解的水溶性已水解類別，及前述纖維素酶 爲用於纖維素水解的催化劑特例及實驗章節所述者。 經由類似分析，半纖維素之水解產物爲得自生物質水 解的水溶性類別，當然假設生物質含有半纖維素。半纖維 〇 素包括木聚糖、葡萄醛糖木聚糖、阿拉伯糖木聚糖、葡萄 糖甘露聚糖、及木糖葡聚糖。半纖維素中不同的糖係藉半 纖維素酶釋放。由於半纖維素之異質本質，半纖維素分解 系統係比纖維素分解系統更複雜。該等系統可能涉及內 -1，4-P-D-木聚糖酶（EC 3.2.1.8)， 其水解木聚糖鏈內部的 鍵結；1，4-P-D-木糖苷酶（EC 3.2.1.37)，其係由非還原端攻 擊木糖寡醣而釋放木糖；內-l，4-p-D-甘露聚糖酶（EC Q 3.2.1.78)， 其裂解內部鍵結；1，4-P-D-甘露糖苷酶（EC 3.2.1.25)，其將甘露糖寡醣裂解成甘露糖。側基係藉多種 酶移除，諸如α-D-半乳糖苷酶（EC 3.2.1. 22)、α-D-阿拉伯 糖呋喃糖苷酶（EC 3.2.1.55)、a-D-葡萄醛糖苷酶（EC 3.2.1.13 9)、桂皮醯酯酶（EC3.1.1.-)、乙醯木聚糖酯酶 (EC3.1.1.6)及阿魏醯酯酶（EC3.1.1.73)。因此，若該生物質 含有半纖維素，則木糖及甘露糖爲得自含半纖維素之生物 質水解的水溶性已水解種類，及前述半纖維素酶爲用於半 -19- 201100547 纖維素水解的催化劑特例及實驗章節所述者。 該方法中含括催化劑組成物。催化劑組成物包含催化 劑、載劑、及用來將催化劑導入該處理程序之其它添加劑/ 成分。如前文討論，催化劑可包含至少一種酶或微生物’ 其將該生物質中之至少一種化合物轉換成較低分子量化合 物，分子量低抵且包括用來製造於該生物質中的該種化合 物之基礎糖或碳水化合物。可對多種多醣諸如，纖維素、 半纖維素及澱粉達成此項目的的酶爲技藝界所眾所周知’ 〇 且包括尙未發明者。 催化劑組成物也可包含較佳係選自於由硫酸、鹽酸、 磷酸等所組成之組群之無機酸或其混合物。無機酸相信可 用於高於100 °c之溫度處理。該方法特別也可未添加無機酸 進行。 典型地係以載劑諸如，水或以有機爲主的材料添加催 化劑。用於質量平衡目的，因而催化劑組成物一詞包括催 Q 化劑加上用來將催化劑添加至處理程序的載劑。若連同催 化劑添加pH緩衝劑，則也構成催化劑組成物的一部分。經 常木質-纖維素生物質含有澱粉。用於澱粉水解的較爲重要 之酶爲α-澱粉酶（l，4-a-D-葡聚糖葡聚糖水解酶（EC 3.2.1.1))。此等酶爲內部作用水解酶，其裂解l，4-a-D-葡萄 糖苷鍵，且可跳過但無法水解1,6-a-D -葡萄糖苷分支點。但 外部作用糖基澱粉酶諸如，β-澱粉酶（EC 3.2.1.2)及支鏈澱 粉酶（EC 3.2.1.41)也可用於澱粉的水解。澱粉水解的結果 -20- 201100547 主要是葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、α_糊精、及不等量的 寡醣。當以澱粉爲主的水解酶用於發酵時’可優異地添加 蛋白質分解酶。此等酶可防止微生物的絮凝，且可產生微 生物可利用的胺基酸。因此，若該生物質含有澱粉’則葡 萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、α-糊精、及寡醣類屬於自含澱 粉之生物質水解所可得的水溶性已水解的種類，及前述α-澱粉酶爲用於澱粉水解的催化劑特例及實驗章節所述者。 雖然水解可利用於第1圖至第4圖具體實施之溶劑接觸 法，但具有改良水解效率及速率之較佳實施例實質上可藉 由使用新製催化劑改良。相信隨著時間之經過，於實施例 1、2、3及4中之催化劑組成物的部分催化劑將隨時間之經 過而分解。 第5圖提示之方法將生物質3、流1分裂或分配成至少二 流，第一原料流1 a係於容器1 5水解，使用過量催化劑經由 流2導入催化劑組成物，視需要可未使用溶劑法。於流2中 的過量催化劑存在下，於第一原料流1 a水解後，已水解的 產物4係自容器15移出且稱作爲第一溶劑流之溶劑。第一溶 劑流4然後組合至少部分其餘原料流丨b之原料，及於容器i 6 開始溶劑水解法。容器16相當於第1圖之容器1〇、第2圖之 容器10或11、第3圖之容器12、及第4圖之容器13中之任一 者。水解產物6係自容器移出作爲流5。 處理第一原料流之催化劑需要量大爲取決於原料中的 生物質類別及所選用的催化劑或酶。因此催化劑用量之最 -21- 201100547 佳表示法係基於水解給定重量生物質中之1 〇〇%可水解組 分之要求數量。 第一原料流之催化劑之需要量係於自水解1 0 0 %第— 原料流所要求的催化劑之最小量至水解1 〇 〇 %全部原料流 要求數量的兩倍之範圍。 也可以濾紙單位（FPU)/克乾物質（DM)表示。FPU係根 據NREL實驗室分析程序測量及定義（技術報告 NREL/TP-510-42628, 2008年1月）。此種方法使用工業標準 及以每毫升原先（未經稀釋）酶溶液之「濾紙單位」（FPU)爲 單位來測量纖維素活性。用於定量結果，酶製劑必須基於 顯著轉換及相等轉換做比較。給定酶的一個濾紙單位爲於 5〇°C於60分鐘自50毫克得自瓦特曼（Whatman)l號濾紙條之 濾紙呈葡萄糖釋放2.0毫克還原糖（4%轉化率），且已經由國 際純及應用化學聯合會（IUPAC)指導原則指定作爲計算濾 紙纖維素單位（FPU)的節距。任何方法之催化活性原則上係 以任一種可接受形式供應，包括添加微生物來產生相當於 0.00 1 - 1 50 FPU/克乾物質，較佳0.00 1 -25 FPU/克乾物質， 較佳0.01-20 FPU/克乾物質，更佳02-16 FPU/克乾物質，更 佳2-30 FPU /克乾物質及最佳4至25 FPU /克乾物質之酶催 化活性。 於第5圖之水解步驟（容器15)，添加至第一原料流之催 化劑或酶數量係於0.001-150 FPU/克全部原料流之乾物 質，較佳0.001-15 FPU/克全部原料流之乾物質，較佳 -22- 201100547 0.01-30 FPU/克全部原料流之乾物質，更佳〇1_3〇 fpu/克 全部原料流之乾物質’更佳1-25 FPU/克全部原料流之乾物 質，及最佳少於20 FPU/克全部原料流之乾物質但大於〇 i FPU/克全部原料流之乾物質之範圍。雖然FPU之分析爲眾 所周知，但於本例中’將催化劑數量除以總原料數量，然 後判定該濃度是否具有FPU係於該範圍。另外，若已知催 化劑濃度之FPU ’則添加足量催化劑來對給定量原料達成 所需FPU。於使用催化劑水解第一原料流後，已水解材料 變成已知作爲第一溶劑流。第二溶劑流爲全部原料流之已 液化已水解材料且包括第一溶劑流加非爲第一原料流之已 水解材料。全部溶劑流一詞包括用作爲溶劑且接觸未反應 生物質之全部液化流。 然後如後文說明之第一溶劑流用作爲其餘原料流水解 溶劑。將第一溶劑流導入容器內之前、之後、或同時，其 餘原料流導入水解容器內。方法1、2、3及4只是可用來水 Q 解其餘原料流（非爲第一原料流之該等流）之某些方法類 別。 由於第一溶劑流具有只使用一次而過量的催化劑，相 信可更佳水解其餘流，原因在於其餘原料流隨後係接觸比 第1圖至第4圖所示方法但不含第5圖所示方法之預處理步 驟所使用之催化劑更新鮮的催化劑。 如5號實驗所示，顏料劃分爲兩部分，第一部分係以兩 部分共同處理所使用之催化劑數量處理。 -23- 201100547 用於全部方法，也常見對酶催化活性控制PH於最佳條 件，pH係於3至12之範圍，諸如5-10，諸如6-9，諸如7-8及 較佳4 -1 1。 由於高乾含量，於容器15水解需要使用特殊反應器。 相信爲適合的反應器可參考WO 2006/056838且爲該揭示發 明之主旨。 該方法也使用得自溶劑流之溶劑。簡言之，水不溶性 物質除外，溶劑組成係類似（若非確切相同）於生物質水解 〇 後之組成產物。於大部分情況下，溶劑將包含水解後自生 物質原料所得水解產物，且包括酶、緩衝劑、及添加至水 解反應之任何其它物質。 當溶劑爲已水解的生物質時，溶劑添加至原料，而非 由原料所形成。例如，第4圖中，於批次方法，溶劑型材料 量於原料水解時將隨著時間的經過而增加，雖然構成溶劑 中的溶劑，但於計算溶劑對原料比時並未考慮爲溶劑的一 〇 部分，於第4圖之情況下，當原料進入容器及接觸溶劑時計 算溶劑對原料比。 實際上’溶劑流之溶劑通常係來自於先前已水解的生 物質。例如若將水解產物與酶、緩衝劑、不溶性物質等分 離’則水解產物爲溶劑。溶劑流將包含水溶性已水解類別， 其中該水溶性已水解類別中之至少部分係與可得自生物質 原料水解之水溶性已水解類別相同。舉例言之，第4圖之批 次法之較佳操作模式係維持部分批料於容器內作爲下次進 -24- 201100547 給的溶劑。於連續法中，諸如連續攪拌反應器（CSTR)，溶 劑爲恆常可得。 眾所周知於連續反應器內，原料及催化劑係連續導入 容器及產物連續移除。但連續並非經常性表示無開始也無 停止，例如連續滴注被視爲一種連續進料，但並非確切連 續進料，原因在於有些瞬間進料爲非連續。因此於連續反 應器之上下文，連續一詞表示隨著時間的經過進料及產物 各自係間歇性導入或撤出而無須同時導入或撤出。 如實驗章節所述，當高乾含量生物質置於部分溶劑內 時，溶解及水解極爲快速，實際上於視覺上爲顯著快速。 因此溶劑流及溶劑包括水及水溶性已水解種類。至少 部分即使並非全部水溶性已水解種類係與可得自原料組成 物中的生物質水解之水溶性已水解種類相同。由於溶劑含 有未溶解的種類，用於物質平衡目的可稱作爲已分散固體 (除非特別排除其中一項），溶劑及溶劑流等詞係指組成方 面及重量二者該材料的總量，及包括水溶性種類及水不溶 性種類、催化劑、載劑、pH緩衝劑、pH控制性化合物諸如 反應期間添加之酸或鹼及其它存在於溶劑之化合物。 該方法包括接觸瞬間，定義爲原料與溶劑彼此結合 時。於第4圖所示批次式方法中，當原料流3通過管線1進入 容器13，接觸容器底部的溶劑流4時發生此接觸瞬間。 催化劑組成物相對於該接觸的添加點並未如此關鍵。 可於原料與溶劑接觸瞬間之前添加至原料流。可於原料與 -25- 201100547 溶劑接觸瞬間之同時添加，或可於原料與溶劑接觸瞬間之 後添加。也可於原料流添加至溶劑流之前添加至溶劑流。 也可於相對於接觸瞬間的三個階段之任一種組合期間分配 且添加。 催化劑添加量容易自業界建立及基於相對於生物質中 乾含量（取決於生物質的組成）數量之催化劑數量添加。 根據該方法，原料、溶劑及催化劑組成物及其它材料 諸如經由反應用來控制pH之pH緩衝劑及酸/鹼較佳係維持 〇 於20°c至100°C範圍及更佳20°c至99°c之範圍，以20°c至95°c 爲最佳範圍之溫度。此溫度係基於催化反應之最佳溫度， 例如催化生物質中之材料水解成爲較低分子量化合物例如 水解產物。 相信壓力也可能扮演某種角色，反應可於與100 °C至 200 °C之溫度相關聯之壓力使用或未使用酶或酸催化劑進 行。 Q 因此相信該方法之最大操作範圍爲20 °c至200 °C。 本發明之優點爲進行該方法可未添加無機酸，較佳係 選自於硫酸、鹽酸、磷酸等或其混合物所組成之組群；或 未添加木質素溶解性有機溶劑，諸如選自於由碳、含2至6 個碳原子之酮類及丙酮類及其混合物、甲醇、乙醇所組成 之組群。 反應持續一段時間直到達到期望的終點。此一時間週 期稱作爲滯留時間或反應時間。雖然5分鐘至8小時爲較佳 -26- 201100547 範圍，但其它較佳滯留時間爲5分鐘至16小時、5分鐘至24 小時、5分鐘至3 6小時、5分鐘至4 8小時、5分鐘至6 0小時、 及5分鐘至72小時。 滯留時間可涵蓋一定範圍之數値。例如滯留時間可能 大於8小時至少於72小時爲較佳範圍，大於8小時至少於60 小時爲另一個較佳範圍，大於8小時至少於48小時爲另一個 較佳範圍，大於8小時至少於36小時爲另一個較佳範圍，及 大於8小時至少於24小時爲另一個較佳範圍。 〇 滯留時間也可以函數方式建立爲達到期望終點所耗的 時間。於此種情況下，期望的終點也可表示爲可供水解的 生物質百分比。例如若100千克生物質原料含有80千克可供 水解的生物質，則當4 5 %可供水解的生物質已經水解時較 佳達到期望的終點，或更佳當5 5 %可供水解的生物質已經 水解時或又更佳當6 5 %可供水解的生物質已經水解時達到 期望的終點。 Q 於期望的反應時間完成後’所得已水解產物（水解產物） 可自容器移開及進一步加工處理。 於第4圖所示批次法中，定量已水解產物6自容器底部 移開及置於第二容器14接受進一步加工處理。自容器13移 出之數量通常係與導入容器之材料量相同，如此流下溶劑 於第一容器欲與又另一批原料及催化劑組成物接觸。但於 一個實施例中’容器13可完全排空’及原料及溶劑係同時 或接近同時添加至該容器。 -27- 201100547 如第4圖所示，包含生物質及水之原料流3係經由進給 管線1供應至批次攪拌槽反應器1 3。含催化劑之催化劑組成 物經由進給管線2供給反應器1 3。於相3之原料及催化劑組 成物接觸溶劑相4,及漸進水解。雖然顯示爲三個分開相， 但三相實際上係呈混合物存在於容器。於期望時間、或滯 留時間、或反應時間後，液體水解產物或水解的產物或稱 作水解產物通過閥20經由反應管線5自反應器中撤出，及進 給容器14，容器14用於同時醣化與發酵。液體水解產物可 〇 能並非全然液體，反而可包括部分尙未水解的固體及部分 無法水解的固體。移出之產物量係等於導入容器13之原料 流及催化劑組成物量。容器1 3與容器1 4間之虛線顯示移出 及置於容器14之量約略等於相3之量，亦即導入容器（相3) 之數量。若該容器將用於第二批次，則留在反應器內之溶 劑流（也稱作爲殘餘餾腳）將有助於加快反應速度。 熟諳技藝人士顯然易知自各個批次移出之量無須與各 〇 個批次水準確切匹配進料量，但於多個批次移出之數量須 實質上等於進料量，否則容器將以溶劑量過低而操作或容 器將溢流。如同於此處討論之批次法和連續法，已知隨著 時間之經過及各批次間添加速率及產物移出速率經常改 變’因此「等於」或「實質上等於」等詞係表示包括此等 變化。 控制參數爲於原料與溶劑接觸瞬間，原料中之溶劑重 量（包括已分散之固體' pH緩衝劑、催化劑、載劑、緩衝液 -28- 201100547 控制劑以及溶劑中的任何其它成分之重量）對原料（生物質 加水）之重量之比値。 該比値預期爲低於此則對水解反應無影響或只有有限 影響的比値，推論雖然理論上該比値並無上限，但應該有 一點，此處額外溶劑流對水解速率極少有影響而只會透過 設備大小成本及操作成本而增加成本。 用於給定量生物質之溶劑量預期係至少部分取決於生 物質的乾含量（高乾含量重量預期需要更大量溶劑）、生物 〇 質及催化劑之類別、pH、操作溫度及所採用之混合類型。 於接觸瞬間於原料中之溶劑重量對生物質加水重量之 比値經由參考實施例可最佳說明。 如第1圖所示，包含生物質及水之原料流3經由管線1 供給連續攪拌槽反應器10。催化劑典型爲酶經由標示爲2 的管線供給作爲導入反應器1 0之催化劑組成物之一部分。 容器1〇內部爲具有已知重量或可測定重量之溶劑流4。由於 〇 於連續攪拌反應器中’滯留時間爲通過管線5離開反應器之 材料被水解至期望點溶劑流速量爲於任何給定的時間點， 容器內之材料重量加於循環迴路及循環槽之數量。生物質 之催化劑係與溶劑混合’水解係以極爲快速速率發生。液 體反應產物（水解產物）（6)經由產物管線5自反應器撤出。於 規定時間通過管線5離開反應器之液體量，係等於於相同規 定時間週期期間’該添加速率加催化劑組成物加已經添加 之其它材料量。 -29- 201100547 此種情況下，於接觸瞬間，溶劑重量對原料中@生物 質加水重量之比爲於共通時間單位，容器內的材料重量加 循環入容器之任何循環迴路及循環槽中之數量（溶劑）對添 加至該容器之生物質加水之瞬時添加速率。熟諳連續法之 業界人士將了解此比値爲滯留時間。 舉例言之，容器含有4 0 0千克溶劑，滯留時間爲4小時。 原料係以100千克/小時添加，水解產物係以100千克/小時 移開。該比値爲400: 1 00或4，或滞留時間爲4小時。因此對 〇 CSTR，該比値爲滯留時間。 第2圖顯示帶有循環流之第1圖之方法。如該圖所示， 生物質及水係經由進給管線1供給預混器11，於該處，生物 質及水接觸自管線7流入之部分溶劑、液體水解產物。混合 物經由管線8供給連續攪拌槽反應器1 0。催化劑組成物經由 進給管線2供給反應器1 0。生物質被漸進水解，及液體水解 產物或產物6經由出口管線5自反應器撤出，然後分裂成循 〇 環流7及產物管線5。於一段規定時間自產物管線5送出之材 料量係等於於相同規定時間週期期間，添加至該容器之速 率加催化劑組成物加來自於管線7以外之其它材料。 該方法之又一實施例顯示於第5圖，可轉換成所示實施 例用於自液體水解產物分離部分或全部固體。依據該反應 是否完全而定，固體可選擇性地送返水解容器16或容器15 用於進一步水解。若水解爲實質上完全，則可於產物流送 至下一個步驟前移出固體。 -30- 201100547 此項改良顯示於第7圖。第7圖中，流5進給至固體分離 裝置12，來去除至少部分固體及可能部分液體進入固體流 9，流5A爲部分固體已經被移除之液體流。如前文指示，至 少部分固體流可選擇性地送返水解容器16或容器15。分離 並非必要發生於滌淨前或滌淨後之流9送返容器1 6或1 5之 前，但較佳係發生於產物流6送至下一個步驟之前。如第7 圖所示，流9可循環返回容器16或15，可自該處理程序完全 移出；或部分流9可自該處理程序移出（漉淨）及其餘循環返 回容器15、16或二者。 自液體流分離固體之裝置爲技藝界眾所周知，及包括 但非限於過濾器、旋流器、離心機、壓機、傾析器、重力 沈降器、撇取器等。較佳分離裝置係選自於水力旋流器及 離心機所組成之組群。 同理，熟諳技藝人士可修改第3圖之柱塞流法來自流5 分離至少部分固體。 模擬證實經由循環固體且將大部分水解產物繼續進行 反應，則對給定大小的容器及滯留時間，轉化率可提高高 達 4 0 0 % ° 此種情況下，溶劑重量對原料中之生物質加水重量之 比爲一小時內容器內材料量加添加至預混器11之溶劑量對 一小時內添加至容器之生物質加水重量之比。再度滯留時 間也表示該比値。 同理，柱塞流反應器實施例如第3圖所示。參考第2圖， -31 - 201100547 顯然第3圖之方法可考慮爲第2圖方法之「修改」方法，因 此該流之全部溶劑係通過預混器11供給而並無任何溶劑留 在容器10內部。如第3圖所示，含有生物質及水之原料流3 係經由進給管線1供給連續柱塞流反應器1 2。催化劑組成物 係通過進給管線2供給反應器12。溶劑流係經由進給管線7 添加至該等材料’進給管線7自管線5分岔且含有已水解產 物。該等成分形成漿料，該漿料漸進被水解，液體水解產 物6通過產物管線5自反應器撤出，分裂成流7。每單位時間 〇 (速率）移出的產物6數量係等於該速率加催化劑組成物2加 自管線7進入之材料以外的全部其它材料。接觸瞬間爲原料 流接觸溶劑流之時。於此種情況下，於接觸瞬間之溶劑重 量對原料中之生物加水之重量比爲每單位時間流7中之材 料重量對每相同單位時間添加至容器之生物質加水之重量 比。 於第4圖顯示及如前文說明之批次法中，於此種情況 〇 下，於接觸瞬間，溶劑重量對原料中之生物質加水重量之 比爲容器中之材料（標示爲相4之溶劑流）重量對每次進料 所添加之生物質加水重量之比。若添加額外溶劑，則將增 加原先已經存在於反應器之相4之重量。 若批次法欲修改成有生物質與水的預混合，則於此種 重料 之進 水次 加每 質對 物量 生重 之劑 中溶 料之。 原中比 對料量 量進重 重加之 劑量水 溶重加 間劑質 瞬溶物 觸之生 接中之 於器器 , 容容 下爲至 況比加 情 量 添 -32- 201100547 原料中之溶劑重量對生物質加水之重量比値可自1:99 變化至100:1。但更佳該範圍係自5:95至95:5，或又更佳自 10:90至 90:10,以 20:80對 80:20之比爲更佳，以 20:80對 60:40 之範圍爲最佳，但10:90至90:10、20:80至90:10、30:70至 90:10、 40:60至 90:10、 50:50至 90:10、及 60:40至 90:10也屬 適當範圍。 原料中之溶劑重量對生物質加水之重量比値也可表示 爲最小比値，原因在於相信並無理論最大値。因此，該重 〇 量比須爲至少0 · 8 : 1 · 0，或更佳至少1 : 1，或又更佳至少 1.2:1，以至少1.5:1爲更佳，以2:1爲又更佳，及以3:1爲又 更佳。 由於纖維素水解爲本方法之中心特徵，原料中溶劑重 量對生物質加水重量比可使用纖維素及其水解產物取代。 如實例揭示，於其次連續原料量導入前並未移出任何水解 產物。如此，溶劑中纖維素量加來自已水解纖維素之產物 〇 量對原料中之纖維素量之比係與原料中溶劑重量對生物質 加水之重量比相等。原料中之纖維素及溶劑之數量容易測 定。得自纖維素之已水解產物量之測定方式可經由測定溶 劑中之產物量及扣除來自於纖維素中之某種成分的水解， 或用來製造溶劑之初始原料中之該等產物量而測定。例 如’澱粉也水解成葡萄糖及與纖維素共通的其它可水解種 類。因此溶劑中之葡萄糖及其它與纖維素共通的可水解種 類之含量必須至少扣除來自於澱粉之數量。其測定方式係 -33- 201100547 經由知曉原料中用於製造溶劑之澱粉量、溶劑中之澱粉 量’二者之差異爲來自於澱粉之可水解種類量。 控制比可以溶劑中之纖維素量加來自於已水解之纖維 素產物量對原料中之纖維素量之最小比値表示。此比値須 至少爲0.8:1，〇’或更佳至少爲1:1，或又更佳至少爲1.2:1， 以1 · 5 :1爲更佳’以2 : 1爲又更佳，及以3 : 1爲又更佳。後文 列舉之實例已經建立至少4 : 1及至少5 : 1之比値也有效。須 注意於實例5中，當提高比値及縮短水解時間，改良係小於 〇 各種額外量溶劑。須指出該比値係排它地針對纖維素及其 水解產物。因此，葡萄糖及已知存在於原料中之纖維素的 水解產物之該等產物須自存在於溶劑中之數量扣除。此 外’衍生自半纖維素或澱粉或其它非纖維素材料之任何產 物也須自溶劑中扣除。包括測定多少澱粉已經還原成葡萄 糖及扣除該葡萄糖。 由於溶劑最佳係於不溶性物質以外的任何成分分離前 Q 使用’故於溶劑液體部分之水溶性產物的相對組成係與未 分離水溶性組分原料水解之水溶性產物之相對組成相同。 如此可添加水來稀釋水溶性組分，而其相對於彼此之數量 維持相同。 前述實施例並非設計來限制說明書或申請專利範圍， 有多種組態爲熟諳技藝人士可資利用，包括一系列連續容 器’或半批次反應器或有或無柱塞流反應器的組合。 黏度減低之實驗性測試 -34- 201100547 實驗裝置 2個相同的玻璃瓶具有如下幾何形狀特性（參考第6 圖）： •T(反應器直徑0.15米 •Z(反應器高度）=0.30米 •熱交換流體之夾套環繞外側面及底部，寬4厘米； •半球形底部； _ •有氣密墊及封之蓋，有5個開口（1個用於攪拌器軸的 ❹ 中孔；4個側孔，用於添加材料或取樣，側孔於測試期間將 加蓋關閉）。 二反應器裝配兩個不同錨攪動器（A及B)來獲得下列組 態： 組態A : D (「翼幅」）=0.136米 S (葉片寬度）=〇.〇1米 Ο Η (錨高度）=0.12厘米 C (餘隙，葉片至壁面距離）=0.007米 D/T= 0.907 D/S =13.6 T/S = 1 5 組態B : 本組態中，爲了較佳刮壁面，葉片係傾斜4 5度角 D (「翼幅」）=0.145米 -35- 201100547 LS (葉片寬度）=0.0141米 S(凸起葉片寬度）=0.01米 Η (錨高度）=0.145厘米 C (餘隙，葉片至壁面距離）=0.0025米 D/T= 0.967 D/S = 14.5 T/S = 1 5 藉海多芙（Heidolph) RZR2102控制馬達（功率：140瓦） ϋ 提供攪動。 二加熱浴確保於反應器夾套內循環45 °C之水而維持溫 度。 材料 所使用之材料爲經前處理之高粱及蘆竹。材料係儲存 於-1 8 °C來防止分解。 起始物料之特性如下： 〇 -36- 201100547 高粱 蘆竹 乾含量 % wt. 2 0.41% 3 0.3 9% WIS % wt. 16.01% 2 4.51% wss % w t . 4.4 0 % 5 . 8 8 % 已溶解固體/總固體 % wt. 2 1.58% 19.34% 水 % w t . 7 9.5 9% 6 9.6 1 % 葡萄糖 % wt. 0.0 3 % 0.1 0 % 木糖 % w t. 0.3 4 % 1 . 1 9 % 纖維二糖 % wt. 0.0 0 % 0.0 0 % 半乳糖 % w t . 0.0 0 % 0.0 0 % 阿拉伯糖 % wt. 0.0 0 % 0.0 0 % 甲酸 % wt. 0.0 0 % 0.0 0 % 乙酸 % w t . 0.2 8 % 0.5 8 % 5-HMF % wt. 0.0 1 % 0.0 5 % 糠醛 % w t . 0.0 4 % 0.1 9 % 乙醯丙酸 % w t · 0.0 0 % 0.0 0 % 乳酸 % wt. 0.0 0 % 0.0 0 % 葡寡糖 % w t . 0.2 3 % 0.2 2 % 木寡糖 % wt. 1.4 8 % 1 . 9 6 % 半乳寡糖 % w t . 0.0 0 % 0.0 0 % 阿拉伯寡糖 % w t . 0.0 0 % 0.0 0 % 已溶解之乙醯基 % wt. 0 . 1 1 % 0.29% -37- 201100547 其它已溶解部分 % wt. 1 . 8 9 % 1 . 3 0 % 葡聚糖 % wt · 9.0 1 % 1 3.6 5 % 木聚糖 % wt. 1.16% 1.2 6 % 半乳聚糖 % w t . 0.0 0 % 0.0 0 % 阿拉伯聚糖 % wt. 0.0 0 % 0.0 0 % 未溶解之乙醯基 % w t . 0.1 2 % 0.2 2 % 克雷森（klason)木質 素 % wt. 5.2 9 % 8.9 0 % 其它不溶解部分 % wt. 0.4 2 % 0.4 8 % 總量 % wt. 1 0 0.0 0 % 1 0 0.0 0 % WIS爲水不溶性固體百分比（以總材料爲基準）。 WSS爲水已溶解固體百分比（以總材料爲基準）。 WSS及WIS之和係等於乾含量値。 組成特性係使用標準分析方法測定，程序如下： 生物質中之結構碳水化合物及木質素之測定 〇 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：2008年4月25曰 技術報告NREL/TP-510-42618 2008年4月修訂 生物質中可萃取物之測定 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：2005年7月17日 技術報告 NREL/TP-5 1 0-4261 9 2008年 1 月 用於組成分析之試樣之製備 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：2005年9月28日 技術報告NREL/TP-510-42620 2008年 1 月 -38- 201100547 生物質中總固體及液體處理試樣中之總溶解固體之測 定 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：20〇8年3月31曰 技術報告NREL/TP-510-42621 2008年3月修訂 生物質之灰分測定 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：2005年7月17曰 技術報告 NREL/TP-5 1 0-42622 2008年 1 月 液體部分處理試樣中之糖類、副產物及分解產物之測 〇定 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：2006年12月8日 技術報告 NREL/TP-5 1 0-42623 2008年 1 月 經前處理的生物質材料中之不溶性固體之測定 實驗室分析程序（LAP)頒布日期：200 8年3月21日 技術報告 NREL/TP- 5 1 0-42 627 200 8年 3 月 使用之酶混合液具有下列特性，全部測試皆維持恆定： ❹ -39- 201100547 組分 體積組成 密度 比活性 \ % 克/毫升 \ 纖維素酶錯合物 8 7.4% 1.08 100 FPU/克組分 木聚糖酶 5.3% 1.2 5 00 FXU/克組分 半纖維素酶 6.6% 1 . 1 470 FXU/克組分 酶錯合物 0.7% 1.2 100 FBG/克組分 總計 10 0.0% 1.09 素SS錯合物酶製劑爲催化纖維素材料分解成葡萄 糖 '纖維二糖及較高分子量葡寡糖之溶液。酶溶液、半纖 維素酶及木聚糖酶主要係催化半纖維素解聚合成爲呈單醣 或呈寡聚物形式的成分；但顯示旁支催化活性至較低程度。 酶錯合物爲作用於多種碳水化合物且可提升如此所製 備之溶液活性之酶溶液。 所述酶混合液具有下列活性： 酶混合液活性 94.39 FPU/毫升 86.60 FPU/克 65.92 FXU/毫升 60.48 FXU/克 0.84 FBG/毫升 0.77 FBG/克 FPU係根據NREL實驗室分析程序（技術報告 NREL/TP-5 1 0-42 62 8，2008年1月）測量及定義。本方法使用 工業標準及以每毫升原先（未經稀釋的）酶溶液之「濾紙單 位j (FPU)表示來測量纖維素活性。爲了獲得定量結果酶製 -40- 201100547 劑必須基於顯著轉化率及相等轉化率做比較。一種給定酶 之一個濾紙單位爲於50 °C於60分鐘內自50毫克得自瓦特曼 1號濾紙條的濾紙釋放2.0毫克還原糖呈葡萄糖（4%轉化率） 所需要之酶數量，且係藉國際純及應用化學聯合會（IUPAC) 指導原則指定作爲用於計算濾紙纖維素單位（FPU)之截距。 FXU中之木聚糖酶活性係相對於具有已知活性之酶標 準測定。於後文說明上清液之分光光度測量値係與藉標準 試樣獲得之標準曲線做比較。 木聚糖酶係與經瑞瑪佐（remazol)染色之小麥阿拉伯糖 木聚糖酶基質共同培養。未轉化的酶基質使用乙醇沈澱。 因未沈澱的經過瑞瑪佐染色之酶基質分解產物導致上清液 之藍色著色強度係與木聚糖內切酶活性呈正比。色彩側寫 資料因酶而異。

W 試樣活性（FXU/克）=dD 此處： C爲讀取自標準曲線之酶活性（FXU/毫升） F爲試樣體積（毫升） D爲試樣之進一步稀釋（例如第二稀釋或第三稀釋） W爲試樣重量（克） —個FBG爲根據後文說明之標準程序（索摩吉（Somogyi) 尼爾森（Nelson)方法）釋放葡萄糖或還原碳水化合物而還原 能力係等於每分鐘1莫耳葡萄糖之酶數量。 -41 - 201100547 標準反應條件： •試樣須稀釋來獲得0.02-0.10 FBG/毫升之活性。 •酶基質0.5% β葡聚糖

•溫度：30°C pH ： 5.0 •反應時間：30分鐘 真菌β葡聚糖酶與β葡聚糖於形成過程中反應成爲葡萄 糖或還原碳水化合物而測定爲還原糖。 〇 此外，爲了維持pH於約5之數値，由於無法使用pH計（由 於材料的本質緣故），故對基於所載荷之材料量之1 %總量， 使用1 N檸檬酸鹽稀釋溶液。 測試1號 材料：高粱（說明如前）。 反應器經裝配（包括混合器）及將熱交換流體調整至溫 度（45 °C) »兩部引擎經校準來以12 rpm之攪拌速度（儀器的 Q 最低速度）提供（不含材料，只有攪拌慣量）等於〇·〇牛頓•厘 米之扭矩値。 二反應器裝配1.5千克剛溶解的材料，啓動攪拌速率來 均化材料。二攪拌器內皆未見自由態水。此等條件下材料 之密度係約略等於600千克/立方米。 於12 rpm二攪動系統指示過載（所提供之扭矩値超出 量規範圍，大於200牛頓•厘米）。 於時間t = 0，於二反應器內添加如下組成之溶液（總重 -42- 201100547 約爲96克）： •29.4毫升具有前述組成之酶混合液，測得提供20 FPU/ 克葡聚糖之纖維素酶錯合物活性（表示葡聚糖爲液相中之 纖維二糖及葡寡糖與固相中之葡聚糖之和），結果提供其它 活性。基於原料之纖維素含量計算，此20 FPU/克葡聚糖約 爲9 FPU/克總乾物質。 _ 1 6.5克如前文說明之緩衝液（檸檬酸鹽）測得爲占總材 料之約1 %。 〇 •48.5克水俾稀釋酶溶液及改良其分散性；水之添加量 係測定使得總添加溶液（水+混合液+檸檬酸鹽）係等於初始 經前處理材料之乾含量之約30 %。 添加後，各反應器內總材料量爲1.6千克，乾含量（計 算値）約爲19.2%。於蓋子下方冷凝的存在提示乾含量實際 上更高。攪拌速率升高至約180 rpm(—段時間）來混合材料 及所添加之溶液。此時，不含自由態水，反應器內之材料 Q 濃度係與前述相等（於此階段估計密度約爲650千克/立方 米）。 並列進行二反應，兩種情況下維持攪動速度相等，第 一小時之攪拌速率設定係等於12 rpm，然後升高至1〇〇 rpm 數値。每60分鐘’攪拌速率升高至18〇 rpm(數秒）來均化材 料。 於整個測試期間，於反應器A引擎上測量得之扭矩經常 係比反應器B低1。約5小時後’反應器a中之材料具有液體 -43- 201100547 外觀（扭矩値於100 rpm約爲20牛頓•厘米），而其它材料（雖 然部分發生反應，由扭矩値自最初之超過200牛頓·厘米降 至於100 rpm約140牛頓•厘米可證）具有固體外觀。 又經一小時（t = 6小時）後，其中二反應器之條件實質上 並未改變，反應器B之全部材料（具有自由態水可忽略的釋 放，但仍然具有固體外觀）插入反應器A。於添加後，攪動 設定爲等於200 rpm歷時數秒來均化材料，及然後設定爲 100 rpm，具有120牛頓•厘米扭矩，材料外觀爲極濕的固 〇 體。於約10分鐘，測得之扭矩値降至20牛頓•厘米，材料形 成液體，類似於添加前存在於反應器A者。又經10分鐘後， 停止測試，此時扭矩已經於100 rpm降至1 5牛頓•厘米。於 此點測得之材料密度約爲1100千克/立方米。 測試2號 材料：高粱（如前文說明）。 反應器經裝配（包括混合器）及熱交換流體調整至溫度 Q (45°C)。兩部引擎經校準因此於12 rpm之攪拌速度（儀器之 最低速度）提供（不含材料，只有攪拌慣量）等於0.0牛頓•厘 米之扭矩。 於2號試驗中’於A反應器中，於測試1號之相同條件下 (於相同反應器內進行）進行測試，獲得類似的結果。 B反應器塡充以1.5千克來自於測試1號之材料（液體外 觀’ 1100千克/立方米密度，於1〇〇 rpm測量得之扭矩等於 約15牛頓•厘米）。於此材料內，添加1.5千克經前處理的高 -44- 201100547 粱（具有於先前章節說明之特性，特別乾含量等於 2 0 · 4 1 °Λ) ’及添加測試1號所用的相同溶液（總量約9 6克）。 各次添加後’乾含量計算得等於19.2%。蓋子下方出現冷凝 提示實際乾含量爲更高。攪拌速率提高至約150 rpm(一段 時間）來混合材料。此時，已均化的材料具有約8〇〇千克/立 方米之名目密度，及於100 rpm之扭矩等於約150牛頓•厘 米。 二反應係並列進行’兩種情況下維持攪動速度相等， 〇 第一小時攪拌速率設定爲等於12 rpm，然後升高至10〇 rpm 數値。每60分鐘，攪拌速率升高至18〇 rpm(歷時數秒）來均 化材料。 於測試2號期間，於反應器B中，達成比測試丨號顯著更 佳的結果，測試1號中經6小時後尙未達成液化。特別，約3 小時後（低於反應器A所需時間），材料具有液體外觀，於ι〇〇 rpm之扭矩値等於約20牛頓•厘米（而於反應器A，測量値爲 Ο 約1 00牛頓•厘米，材料具有濕固體外觀）。約經7小時測試 後’二反應器內之材料具有類似的外觀，但於約6〇%時間 於反應器B達到該結果。 對反應器B所得材料（7小時後）進行組成分析測試，顯 示對葡萄糖（相對於總葡聚糖）之酶催化水解產率係等於約 25%，而對木糖（相對於總木聚糖）係等於約5〇%。此等數値 係高於先前之黏度減低試驗所得之數値。 此外，對最終材料進行pH測量，發現pH係等於3·9。此 -45- 201100547 數値係低於1，根據參考文獻資料，確保最高酶活性（pH=5)。 測試3號 材料：蘆竹（說明如前）。 如下測試3號之程序係於測試1號（使用高粱試驗）相 同。 於一反應器內’各自塡充1.5千克經前處理的蘆竹（測 量得之乾含量係等於30.4%)，未見任何自由態水。此等條 件下之材料密度約等於6〇〇千克/立方米。於12 rpm之二攪 〇 動系統指示過載。 於時間t = 0，於二反應器內添加溶液（總量約14〇克，組 成如下）： •44.1毫升具有前文說明之組成之酶混合液，測得可提 供20 FPU/克葡聚糖之纖維素酶錯合物活性（表示葡聚糖爲 液相中之纖維二糖及樸寡糖與固相中之葡聚糖之和），及結 果提供其它活性。 Ο ·17·3克如前文說明之緩衝液（檸檬酸鹽）及測得占總材 料之約1 %。 •7 8.4克水來稀釋酶溶液且改良其分散性；水之添加量 係測得使總添加溶液（水+混合液+檸檬酸鹽）係等於初始經 前處理材料之乾含量之約30 %。 於添加後，於各反應器內，有1.6千克總材料量，具有 約27.8%乾含量9計算値）》於蓋子下方出現冷凝提示乾含量 實際上更高。攪拌速率升高至約180 rpm(—段時間）來混合 -46- 201100547 材料與所添加的溶液。此時，不含自由態水，反應器內之 材料含量係如前述（於此階段，估計密度約爲650千克/立方 米）。 二反應係並列進行’兩種情況下維持攪拌速度相等， 第一小時攪拌速率設定爲等於12 rpm，及然後升高至1〇〇 rPm數値。每60分鐘’攪拌速率升高至18〇 rpm(歷時數秒時 間）來均化材料。 Q 整個測試期間，反應器A引擎測量得之扭矩經常性比反 應器B低1。約經6.5小時後，反應器A之材料具有液體外觀 (於100 rpm約20牛頓·厘米之扭矩値），而其它（雖然部分發 生反應，由扭矩値自最初的200牛頓•厘米降至於1〇〇 rpm約 14 0牛頓•厘米之數値可證）具有固體外觀。 又經30分鐘後，其中二反應器之條件實質上不變，反 應器B之全部材料（具有自由態液體可忽略的釋放，但仍然 有固體外觀）皆插入反應器A中。於添加後，攪動設定爲等 〇 於200 rpm歷時數秒來均化材料，及然後設定爲等於100 rpm，具有130牛頓•厘米扭矩，及材料外觀爲極濕固體。於 約20分鐘後，測量得之扭矩値降至20牛頓•厘米，材料獲得 液體外觀，類似於添加前存在於反應器A之材料外觀。又經 4 0分鐘後中止測試，此時扭矩降至於1〇〇 rpm約爲1 5牛頓· 厘米。此時測量得之材料密度約爲11 0 0千克/立方米。 測試4號 材料：蘆竹（說明如前）。 •47- 201100547 測試4號所遵照之程序係與測試2號（使用高粱試驗）之 程序相同。 測試4號中，於A反應器內，進行測試3號之相同條件測 試（於相同反應器內進行），獲得類似的結果。 反應器B塡充以1.5千克來自於測試3號之材料（液體外 觀，1 1 0 0千克/立方米密度’於1 〇 〇 r p m測量得之扭矩係等 於約15牛頓•厘米）。於此材料內，添加1.5千克經過前處理 之蘆竹（具有先前章節所述特性，特別乾含量係等於30.4%) 及測試3號所利用的相冋溶液（總量約1 4 〇克）。各次添加 後，乾含量計算得等於27.8%。於蓋子下方存在有冷凝提示 實際乾含量可能更高。攪拌速率升高至約150 rpm(—段時 間）來混合材料。此時，均化材料具有約750千克/立方米之 名目密度，及於100 rpm等於約170牛頓·厘米之扭矩。 二反應係並列進行’兩種情況下維持攪動速度爲相 等’攪拌速率設定爲第一小時等於12 rpm，然後升高至100 Q rPm之値。每60分鐘，攪拌速率升高至18〇 rpm(歷時數秒時 間）來均化材料。 於測試4號期間，於反應器B中，相對於測試3號達成顯 著更佳結果，測試3號中經7小時後尙未達成液化。特別， 約5小時後（低於反應器A所示時間），材料具有液體外觀， 於100 rpm之扭矩値係等於約20牛頓•厘米（而於反應器a 中’測量値約爲90牛頓•厘米’材料具有濕固體外觀）。約 經8小時測試後，二反應器內之材料具有類似的外觀，但於 -48- 201100547 反應器B於約75%時間達成結果。 測試5號 材料：蘆竹（說明如前） B反應器塡充以1.5千克來自於測試3號之材料（液體外 觀’ 1100千克/立方米密度，於10〇 rpm測量得之扭矩等於 約15牛頓•厘米）。於此材料內，添加0.5千克經前處理的蘆 竹（具有先前章節說明之特性，特別乾含量等於3 0.4 %)。 於時間t = 0，於二反應器內添加溶液（總重約46.5克）， 〇 組成如下： •14.7毫升具有前述組成之酶混合液，測定可提供20 FPU/克葡聚糖（葡聚糖表示液相中之纖維二糖及葡寡糖與 固相中之葡聚糖之和）之纖維素酶錯合物活性，結果提供其 它活性。 •28.8克如前述緩衝溶液（檸檬酸鹽）及測得占總材料之 約5 % 〇 Ο ·3.1克水俾稀釋酶溶液及改良其分散性·，水之添加量 測得爲欲添加之總溶液（水+混合液+檸檬酸鹽）係等於占初 始經前處理之材料之約30%。 於添加後於反應器內，有2.05千克總材料，具有約 2 7· 8%之乾含量（計算値）。蓋子下方冷凝的出現提示乾含量 實際上爲更高。攪拌速率提高至約150 rpm(—段時間）來混 合該材料及添加之溶液。此時，已均化之材料具有約9〇〇 千克/立方米名目密度，及於100 rpm之扭矩値等於約150牛 -49- 201100547 頓·厘米。 反應之進行係維持攪拌速率等於100 rpm歷經第一小 時’每20分鐘將攪拌速率提高至18〇 rpm(歷經數秒時間）來 均化材料。 約65分鐘後，材料具有液體外觀（扭矩値於1〇〇 rpm約 爲30牛頓•厘米）。估計得重量約爲1100千克/立方米。 於此點，於反應器內之材料中添加5 00克經過前處理之 蘆竹及46· 5克前述溶液。添加後，反應器內約有2.6千克總 〇 材料，乾物質百分比（計算値）約爲27.8%。蓋子下方冷凝的 出現提示乾含量實際上更高。 攪拌速率提升至約150 rpm(—段時間）來均化材料，具 有約950千克/立方米之名目密度，及扭矩値於1〇〇 rpm等於 約120牛頓·厘米。 約45分鐘後，材料具有液體外觀（於1〇〇 rpm約3 0牛頓· 厘米之扭矩値）。估計密度約爲1 1 00千克/立方米。 Q 此時，於反應器之材料添加5 00克經前處理之蘆竹及 46.5克前述溶液。於添加後，反應器內有約3.15千克總材 料’具有約27.8%之乾百分比（計算値）。蓋子下方冷凝的存 在提示乾含量實際上爲更高。 攪拌速率提升至約150 rpm (—段時間）來均化材料，具 有約950千克/立方米之名目密度，及扭矩値於1〇〇 rpm等於 約120牛頓·厘米。 約35分鐘後，材料具有液體外觀（於1〇〇 rpm約30牛頓· -50- 201100547 厘米之扭矩値）。估計密度約爲1100千克/立方米。 約經8小時後，停止測試。1,5千克前處理材料於2小時 25分全部性達成液化，該時間係等於測試4號中反應器b所 耗時間之約50%及測試3號及4號中反應器A所需時間之約 3 8%。 測試6號 材料：高粱（說明如前）。 反應器經裝配（包括混合器）及將熱交換流體調整至溫 〇 度（4 5 °c)。兩部引擎經校準來以12 rpm之攪拌速度（儀器的 最低速度）提供（不含材料，只有攪拌慣量）等於0·0牛頓•厘 米之扭矩値。 於測試6號中，於反應器B內進行於測試2號相同條件之 測試（於相同反應器內進行），獲得類似的結果。 A反應器係塡充以0 · 7 5千克經前處理之高粱（特性說明 於先前章節，特別乾含量等於20.4%)。於具有約600千克/ Q 立方米密度之固體內添加組成如下之溶液（總重約96克）： •29.4毫升具有前述組成之酶混合液，測得提供40 FPU/ 克葡聚糖之纖維素酶錯合物活性（表示葡聚糖爲液相中之 纖維二糖及葡寡糖與固相中之葡聚糖之和），結果提供其它 活性。基於原料之纖維素含量計算，此40 FPU /克葡聚糖約 爲1 8 FPU/克總乾物質。 •16.5克如前文說明之緩衝液（檸檬酸鹽）測得爲占總材 料之約2 %。 -51- 201100547 •4 8.5克水俾稀釋酶溶液及改良其分散性；水之添加量 係測定使得總添加溶液（水+混合液+檸檬酸鹽）係等於初始 經前處理材料之乾含量之約60%。 藉此方式，反應器A係以相對於測試1號及2號爲兩倍之 每克葡聚糖酶負載量操作。此外，初乾含量計算得係等於 17.5 %(低於測試1號及2號計算得之數値）。蓋子下方存在有 冷凝提示乾含量實際上更高。 攪拌速率提高至約180 rpm(—段時間）來混合材料及所 ^ 添加的溶液。所得材料之名目密度約爲700千克/立方米， 及於100 rpm測量得之扭矩係等於約160牛頓·厘米。 二反應係並列進行，兩種情況維持攪動速度相同，攪 拌速率設定爲第一小時等於12 rpm，然後提高至100 rpm之 値。每60分鐘，攪拌速率提高至180 rpm(歷經數秒）來均化 材料。 於本測試中，於反應器A內，比較測試1號及2號達成顯 Q 著更佳結果（於相同反應器進行），也比較於反應器B中進行 之反應達成顯著更佳結果。特定言之，約一小時後，材料 具有液體外觀（約1000-1100千克/立方米名目密度），於1〇〇 rpm之扭矩値係於約2〇牛頓•厘米。同時於反應器B中，材料 具有濕固體外觀，具有於100 rpm之扭矩値等於約1 00牛頓· 厘米。 此時，反應器A中又添加75 0克經前處理的高粱（如先前 章節所述，乾含量係等於2 0.41%)。由於此項添加結果，計 -52- 201100547 算得之乾含量返回先前測試値1 9.2%，每克纖維素之酶負_ 量降至先前測試之數値（20 FPU /克葡聚糖）。攪動速率提高 至約150 rpm(—段時間）來混合材料。此時，已均化的材料 具有約800千克/立方米名目密度，及於1〇〇 rpin扭矩値約爲 120牛頓·厘米。 又經一小時攪拌後，材料再度具有液體外觀，密度及 扭矩値係等於添加前測量得之約略相同數値。約經7小時測 試後，二反應器內之材料'具有類似外觀，但於B反應器所需 〇 時間之約6 5 %，於A反應器已經達到液態，且爲反應器A於 測試1號及2號所需時間之約3 9%。 測試7號 材料：蘆竹（說明如前）。 於測試7號中，於反應器B內進行於測試4號相同條件之 測試（於相同反應器內進行），獲得類似的結果。 A反應器係塡充以0.75千克經前處理之高粱（特性說明 Q 於先前章節，特別乾含量等於30.4%)。於具有約600千克/ 立方米密度之固體內添加組成如下之溶液（總重約1 40克）： • 44.1毫升具有前述組成之酶混合液，測得提供40 FPU/ 克葡聚糖之纖維素酶錯合物活性（表示葡聚糖爲液相中之 纖維二糖及葡寡糖與固相中之葡聚糖之和），結果提供其它 活性。 • 1 7.3克如前文說明之緩衝液（檸檬酸鹽）測得爲占總材 料之約2 %。 -53- 201100547 • 7 8.4克水俾稀釋酶溶液及改良其分散性；水之添加量 係測定使得總添加溶液（水+混合液+檸檬酸鹽）係等於初始 經前處理材料之乾含量之約6 0%。 藉此方式，反應器A係以相對於測試3號及4號爲兩倍之 每克葡聚糖酶負載量操作。此外，初乾含量計算得係等於 2 5 _6% (低於測試3號及4號計算得之數値）。蓋子下方存在有 冷凝提示乾含量實際上更高。 攪拌速率提高至約150 rpm(—段時間）來混合材料及所 〇 添加的溶液。所得材料之名目密度約爲750千克/立方米， 及於100 rpm測量得之扭矩係等於約180牛頓·厘米。 二反應係並列進行，兩種情況維持攪動速度相同，攪 拌速率設定爲第一小時等於12 rpm，然後提高至1〇〇 rpin之 値。每60分鐘，攪拌速率提高至180 rpm(歷經數秒）來均化 材料。 於本測試中，於反應器A內，比較測試3號及4號達成顯 Q 著更佳結果（於相同反應器進行），也比較於反應器B中進行 之反應達成顯著更佳結果。特定言之，約2.5小時後，材料 具有液體外觀（約1000-1100千克/立方米名目密度），於1〇〇 rpm之扭矩値係於約20牛頓•厘米。同時於反應器B中，材料 具有濕固體外觀，具有於100 rpm之扭矩値等於約130牛頓· 厘米。 此時，反應器A中又添加75 0克經前處理的高粱（如先前 章節所述，乾含量係等於30.4%)。由於此項添加結果，計 -54- 201100547 算得之乾含量返回先前測試値27.8%，每克纖維素之酶負載 量降至先前測試之數値（20 FPU/克葡聚糖）。攪動速率提高 至約150 rpm(—段時間）來混合材料。 又經1. 5小時攪拌後’材料再度具有液體外觀，密度及 扭矩値係等於添加前測量得之約略相同數値。約經8小時測 試後’二反應器內之材料具有類似外觀，但於B反應器所需 時間之約80°/〇 ’於A反應器已經達到液態，且爲反應器a於 測試3號及4號所需時間之約57%。 〇 _ 於終材料進行p Η之測量，發現係等於2 · 4。此値係低於 參考文獻資料之値，確保獲得最高酶活性（ΡΗ = 5)。 測試8號 材料：蘆竹（如前文說明）。 Α反應器內塡充1.5千克得自測試7號之材料（液體外 觀’ 1100千克/立方米密度，於100 rpm測量得之扭矩係等 於約15牛頓•厘米）。於此材料內，添加0.75千克經前處理 Q 之蘆竹（具有先前章節所述特性，特別乾含量係等於 3 0.4%)。 約140克測試7號使用之溶液添加至該材料。於添加 後，反應器內總材料量爲2.4千克。 藉此方式，反應器A係以相對於測試3號及4號爲兩倍之 每克葡聚糖酶負載量操作。此外，初乾含量計算得係等於 2 5.6% (低於測試3號及4號計算得之數値）。蓋子下方存在有 冷凝提示乾含量實際上更高。 -55- 201100547 攪拌速率提高至約150 rpm(—段時間）來混合材料及所 添加的溶液。所得材料之名目密度約爲850千克/立方米， 及於100 rpm測量得之扭矩係等於約150牛頓·厘米。 維持攪拌速率設定於等於100 rpm進行反應。每20分 鐘，攪拌速率提高至180 rpm (歷經數秒時間）來均化材料。 特別於約2小時後，材料具有液體外觀（約1〇〇〇至11〇〇 千克/立方米名目密度），具有於100 rpm之扭矩値約25牛頓· 厘米。 〇 此時，於反應器內進一步添加750克經前處理之蘆竹 (如先前章節說明，乾含量等於3 0.4%)，及材料總量爲3.15 千克。由於此添加結果，計算得之乾含量返回先前測試之 數値（2 7.8%)，每克纖維素之酶負載量降至先前測試數値 (20 FPU/克葡聚糖）。於蓋子下方存在有冷凝提示乾含量實 際爲更高。攪動速率提升至約150 rpm( —段時間）來混合材 料。 Q 此時，已均化之材料具有約900千克/立方米名目密 度，及於100 rpm等於約135牛頓•厘米之扭矩値。 又經一小時攪拌後，材料再度具有液體外觀，具有名 目密度値等於約1100千克/立方米及扭矩等於於1〇〇 rprn約 25牛頓•厘米。約經8小時測試後，材料於二反應器內具有 類似外觀’但反應器A於B反應器所需時間之約8 0 %達到液 態’且爲測試3號及4號中反應器A所需時間之約5 7 %。測試 進行約8小時。 -56- 201100547 1.5千克經前處理材料於3小時全面性達成液化，該時 間係等於測試7號之反應器所耗時間之約75%。 【圖式簡單說明】 第1圖爲連續式水解方法之示意圖。 第2圖爲具有循環迴路之連續式水解方法之示意圖° 第3圖爲柱塞流連續式方法之示意圖。 第4圖爲批次式水解方法之示意圖。 第5圖爲改良式方法之一個實施例顯示以過量催化劑 〇 ^ 處理之示意圖。 第6圖顯示用以進行實驗之裝置類型。 的產物中之固體 第7圖爲連續式水解方法帶有已水解的 的分離之示意圖。 【主要元件符號說明】 1…流、管線、進給管線 la, lb...第一原料流 Q 2…流、進給管線 3…生物質、原料流 4…已水解的產物、溶劑流、溶劑相 5,5A...流、產物管線 6…水解產物 7,8·..管線 9…固體流 1〇..·容器、反應器、連續式攪拌槽反應器 -57- 201100547 11.. .容器、預混器 12.. .容器、固體分離裝置 1 3 ...反應器、批次式攪拌槽反應器 14，15...容器 16.. .容器、水解容器 2 0 ...閥 C. ..餘隙、葉片與壁之距離 D. ..翼幅 〇 H...錨高度 LS...葉片寬度 5.. .葉片寬度、凸起的葉片寬度 T...反應器直徑 Z...反應器高度 〇 -58-

Claims (1)

1. 201100547 七、申請專利範圍： 1. 一種用於木質-纖維素生物質之水解之方法，包含下 列步驟 A)將木質-纖維素生物質原料與至少部分溶劑接 觸，該原料包含具有乾含量及水二者之生物質， 而該溶劑包含水溶性已水解的種類；其中至少若 干水溶性已水解的種類係與原料中的生物質水解 所得的水溶性已水解的種類相同； Ο B )維持該原料流之原料與該溶劑之接觸於2 0 °C至 9 5 °C範圍之溫度歷經5分鐘至7 2小時範圍之時間 而自該原料中的生物質產生一已水解的產物。 2. 如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中該 乾含量包含纖維素、半纖維素，及於該乾含量中的纖 維素重量百分比係大於乾含量的5重量百分比；其中 至少若干水溶性已水解的種類係與原料中的纖維素 Q 水解所得的水溶性已水解的種類相同，及該原料與溶 劑間之接觸係於纖維素水解用催化劑之存在下進行。 3 .如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於1 ’· 9 9 至99 : 1之範圍。 4 .如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於1 〇 : 9 0 至9 0 : 1 0之範圍。 5 .如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 -59- 201100547 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於2 0 : 8 0 至90 : 1 0之範圍。 6 ·如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於30:70 至90 : 1 0之範圍。 7.如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於4 0 : 6 0 至9 0 : 1 0之範圍。 Ο 8 .如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於50:50 至90 : 1 0之範圍。 9 .如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中與 該原料接觸的溶劑重量對該原料重量之比係於60:40 至90 : 1 0之範圍。 10.如申請專利範圍第2項之方法，其中與該原料接觸 ^ 的溶劑重量對該原料重量之比係大於0.8: 1。 〇 1 1 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 料中的纖維素重量之比係大於1: 1。 1 2 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 料中的纖維素重量之比係大於1.5: 1。 13.如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 -60- 201100547 料中的纖維素重量之比係大於2 : 1。 14.如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 料中的纖維素重量之比係大於3: 1。 1 5 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 料中的纖維素重量之比係大於4 : 1。 1 6 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該溶劑中的纖 〇 維素加纖維素之水解產物重量對該木質-纖維素原 料中的纖維素重量之比係大於5 : 1。 1 7 .如申請專利範圍第2至1 6項中任一項之方法，其中 係於該原料與該溶劑之至少部分接觸之前，該催化 劑組成物中之至少部分係與該原料接觸。 1 8 .如申請專利範圍第2至1 6項中任一項之方法，其中 係於該原料與該溶劑之至少部分接觸之後，該催化 _ 劑組成物中之至少部分係與該原料接觸。 〇 1 9 .如申請專利範圍第2至1 6項中任一項之方法，其中 係於該原料與該溶劑之至少部分接觸之同時，該催 化劑組成物中之至少部分係與該原料接觸。 20.如申請專利範圍第1至16項中任一項之方法，其中 該原料之生物質對水之比係大於1 : 4。 2 1 .如申請專利範圍第1至1 6項中任一項之方法，其中 該原料之生物質對水之比係大於1 : 3。 22.如申請專利範圍第1至16項中任一項之方法，其中 -61 - 201100547 該原料之生物質對水之比係大於1 : 2。 2 3 .如申請專利範圍第1至1 6項中任一項之方法，其中 該原料之生物質對水之比係大於1 : 1 . 5。 2 4 .如申請專利範圍第1至1 6項中任一項之方法，其中 該原料之生物質對水之比係大於1 : 1。 2 5 .如申請專利範圍第1至1 6項中任一項之方法，其中 該原料之生物質對水之比係大於1 : 〇 . 9。 2 6 .如申請專利範圍第2至2 5項中任一項之方法，其中 〇 該催化劑組成物包含酶。 2 7 .如申請專利範圍第1至2 6項中任一項之方法，其中 該溫度係於2 0 °C至1 0 5 °C之範圍。 2 8 .如申請專利範圍第1至2 6項中任一項之方法，其中 該溫度係於2 0 °C至9 5 °C之範圍。 2 9 .如申請專利範圍第1至2 8項中任一項之方法，其中 該時間係於5分鐘至4 8小時之範圍。 _ 3 0 .如申請專利範圍第1至2 8項中任一項之方法，其中 U 該時間係於5分鐘至3 6小時之範圍。 3 1 .如申請專利範圍第1至2 8項中任一項之方法，其中 該時間係於5分鐘至2 4小時之範圍。 3 2 .如申請專利範圍第1至2 8項中任一項之方法，其中 該時間係於5分鐘至1 2小時之範圍。 3 3 .如申請專利範圍第1至2 8項中任一項之方法，其中 該時間係於5分鐘至8小時之範圍。 3 4 .如申請專利範圍第1至3 3項中任一項之方法，其中 -62- f 201100547 該方法爲包含下列步驟之批次式方法： A) 將該原料導入原已含有至少部分溶劑之一容器 內， B) 於該原料之導入該容器內之前、同時、或之後， 將該催化劑組成物導入該容器內， C) 維持於該容器內的該原料、溶劑、及催化劑組成 物於2 0 °C至2 0 0 °C之溫度範圍歷經於5分鐘至7 2小 時之範圍之時間， O D)自該容器內移出該已水解的產物。 3 5 .如申請專利範圍第3 4項之方法，其中於導入更大量 含有水溶性已水解的種類之原料及溶劑前，全部已 水解的產物係自該容器移出。 3 6 .如申請專利範圍第3 4項之方法，其中部分該已水解 的產物亦即餾餘物係留在該容器內。 3 7 .如申請專利範圍第1至3 3項中任一項之方法，其中 q 該方法爲包含下列步驟之連續式方法： A)將該原料連續地導入原已含有至少部分溶劑之一 容器內， B )將該催化劑組成物導入該容器內， D)自該容器內連續地移出該已水解的產物。 3 8 .如申請專利範圍第3 7項之方法，其中該方法爲柱塞 流方法。 3 9 .如申請專利範圍第3 7項之方法，其中該方法係利用 連續式攪拌的反應器。 -63- 201100547 4 0 ·如申請專利範圍第3 4至3 9項中任一項之方法，其中 該溶劑流中之一部分係於導入該容器前與該原料混 合，及該溶劑對該原料流之比係以於該容器內的溶 劑量加該溶劑與原料流之量爲基準。 4 1 .如申請專利範圍第1至4 0項中任一項之方法，其中 於該木質-纖維素原料與該溶劑接觸前，定量原料係 分配入至少一第一原料流來經由以添加催化劑至該 第一原料流水解該第一原料流而產生一第一溶劑 Ο 流，其中該催化劑數量係於占全部原料流〇」至1 5 0 FPU /克乾含量之範圍，及該水解係於20°C至95°C範 圍之溫度進行歷經5分鐘至7 2小時範圍之時間，及該 木質-纖維素原料、該溶劑、及該第一溶劑流之溶劑 彼此接觸，而該接觸係於該溫度範圍維持歷經該時 間範圍之時間。 4 2 .如申請專利範圍第4 1項之方法，其中於導入一容器 ^ 前，該第一溶劑流之一部分係混合非爲該第一原料 %J 流之原料，及該溶劑流對該原料流之全部比値係以 溶劑流總量爲基準，該溶劑流總量爲第一溶劑流及 該容器內之溶劑之數量。 4 3 .如申請專利範圍第1至4 2項中任一項之方法，其中 該於已水解的產物中之至少部分固體係自該已水解 的產物分離。 4 4 .如申請專利範圍第1至4 3項中任一項之方法，其中 自該已水解的產物分離之固體中之至少一部分係循 -64- 201100547 環至該處理程序。 4 5 .如申請專利範圍第1至4 3項中任一項之方法，其中 自該已水解的產物流分離至少部分固體係藉選自於 由水力旋流器及離心機所組成之組群中之一裝置進 行。 〇

   -65-