使用盤磨機處理和真空下進行的酶水解處理木質纖維素材料的制作方法

專利名稱：使用盤磨機處理和真空下進行的酶水解處理木質纖維素材料的制作方法
技術領域：
本申請涉及處理植物材料從而釋放可發酵的糖的方法。更具體地，本申請涉及木 質纖維素材料通過盤磨機的預處理然后使該材料進行酶水解過程。這一過程產生的富含糖 的工藝流(process stream)可隨后進行發酵從而產生生物燃料及化學品。
背景技術：
盡管長久以來已經顯示生物量(biomass)是有前途的可再生燃料能源的來源，仍 然需要更有效的方法將生物量轉化為適當的生物燃料。植物材料是可被轉化為生物燃料的 可發酵的糖(如葡萄糖)的重要來源。然而，植物材料中的糖包含于纖維素和半纖維素的 長的聚合物鏈中。利用目前的發酵過程，需要在發酵步驟之前將這些聚合物鏈分解成單糖 (monomeric sugars)0將植物生物量轉化為可發酵的糖的方法在本領域是已知的，一般包括兩個主要步 驟預處理步驟用來松散植物結構，以及酶或化學水解步驟用來將纖維素和半纖維素的聚 合物鏈轉化為單糖。幾個方法已經在預處理步驟中使用，例如自動水解、酸水解、氨激活、硫 酸鹽法制漿(kraft pulping)、有機溶劑制漿、熱水預處理、氨滲流、石灰預處理、苛性溶劑 制漿或堿過氧化物預處理。每種預處理技術都有不同的作用于植物結構的機制，其包括物 理的和/或化學的修飾。然而，預處理的主要目標是使得植物材料可以接近酶。在自動水 解過程中，結合到半纖維素的乙酰基團被蒸汽和壓力分解釋放有機酸(如乙酸)，提供了溫 和酸水解過程的條件。雖然是簡單的過程，但是可發酵的糖的產率較差，另外該過程需要大 量的能源。

發明內容
本申請涉及一種酶過程，優選一種兩階段酶過程，用來從來自植物材料的原料 (feedstock)中制備富含糖的工藝流，其中所述的原料經過預處理階段，在預處理階段中所 述的原料通過盤磨機。該過程和裝置可引起至少約60%，優選地約75%以上，更優選地約 90%以上的纖維素和半纖維素轉化為單糖。所述的富含糖的工藝流可隨后進行發酵從而產 生醇流(alcohol stream)。從發酵階段獲得的醇流(即粗制醇流)可具有約3%至約22% v/v的乙醇含量。可選的操作范圍包括約5%至約15%，優選地約5%至約22%和約8%至 約12%，優選地約8%至約15%和更優選地約8%至約22% (v/v)。可不使用玉米為原料 而獲得這樣的醇濃度。纖維素的乙醇過程，即從來自非玉米植物纖維(即不包括玉米粒的植物纖維)的 纖維素和/或半纖維素的分解獲得的糖中產生乙醇的過程，通常產生乙醇含量為約2-6% v/v的粗制醇流。通過本申請中描述的過程和裝置，纖維素乙醇植物可產生具有與通過基于 玉米的乙醇植物(即從玉米的淀粉中獲得的糖中產生乙醇的植物)獲得的醇濃度相當的醇 濃度的粗制醇流。因此，本發明的過程和裝置的一個優點是與目前纖維素的乙醇植物技術相比，為產生具有可與來自基于玉米的乙醇植物的產物流濃度相當的濃度的燃料乙醇流， 要從粗制醇流中除去的水的量顯著地降低了。由于燃料乙醇流通常通過蒸餾產生，因此此 處描述的過程和裝置與目前的纖維素乙醇植物技術相比，引起蒸餾過程所需的能量的大大 降低，可選地，蒸餾柱的大小(即直徑)的大大降低。此外，本發明的過程允許在酶的過程 開始具有更高的固體濃度(木質纖維素原料)。因此，當固體濃度增加，糖濃度也增加，引起 更低的發酵體積，與目前的纖維素乙醇植物技術相比，表現出2至3倍的降低。原料，或至少其一部分，通過盤磨機，這引起該原料的顯著壓碎和/或混合。不被 理論所限制，據認為使用盤磨機壓碎和/或混合原料引起原料表面積的顯著增加，這使得 該原料更易接近酶。可使用任何本領域已知的盤磨機。在一個具體實施方式
中，該原料進行酶過程。在一個優選的替代具體實施方式
中， 該原料進行兩階段酶水解過程。因此，第一酶水解過程降低了原料的粘度，產生低粘度流出 液流(effluent stream)。在一個具體實施方式
中，低粘度流出液流的粘度為比原料漿低 至少約15 %，優選地低至少約20 %，更優選地低至少約50 %，最優選地低至少約90 %。在 第一酶水解過程中，半纖維素和纖維素被分解，優選地分解成糖的可溶性寡糖。在這一步驟 中，優選地優先水解半纖維素而不是纖維素(例如，相對于原料中的纖維二糖，優先作用于 原料中的半纖維素)。例如，這一過程步驟可使用包含半纖維素酶和纖維素酶活性的酶制 劑。盡管應認識到適當的酶制劑將通常含有可作用于纖維素的酶，優選地僅有一部分半纖 維素被轉化。隨后，如果使用兩階段過程，來自第一酶水解過程的產物流(其具有更低的粘度) 進行第二酶水解過程。第二酶水解過程優選地利用酶水解纖維素，以及將寡糖轉化為適于 發酵的單糖。優選地，該第二酶制劑具有葡萄糖苷酶活性。例如，第二酶制劑可具有將 纖維素和纖維二糖轉化為單體和纖維寡糖的活性。在這種第二酶水解過程中，優選地所有 (例如，優選地至少60%，更優選地至少75%和最優選地至少90% )，或基本上所有的剩余 纖維素和半纖維素及其寡糖以所期望的程度(但優選地到商業上可行的程度)被轉化成單 糖。不被理論所限制，寡糖特別是纖維二糖對纖維素酶有抑制作用，特別是對內切葡 聚糖苷酶(endo-gluconases)和纖維二糖水解酶(cellobiohydrolases)。因此，在第一步 驟中，用酶處理半纖維素以及可選地處理纖維素來產生可溶性糖。然而，實施該過程，不要 使大部分纖維素轉化為單體或二聚體如纖維二糖。盡管應認識到酶水解將引起一些單體和 纖維二糖的產生，實施該過程以便防止對該酶的大量抑制。隨后，在第二酶過程中，寡糖進 行酶水解從而產生可發酵的糖(優選地為單體)。優選地，第一酶制劑優先作用于半纖維素。根據這一具體實施方式
，不被理論所限 制，據信在這樣的第一酶過程中，半纖維素被分解成寡聚體和單體，作為水介質中(優選地 為水)的可溶性化合物從纖維中除去。這一定向的酶過程通過分解半纖維素以及除去較低 分子量的化合物從而打開纖維結構。本申請中，術語優先水解的意思是指所用的大部分酶 靶向半纖維素而不是纖維素，盡管存在的有些酶可能仍然靶向纖維素。優選的在第一階段 中優先水解，包括水解約60%或更多，優選地約85%或更多的半纖維素，而優選地，水解約 25%以下，更優選地約15%%以下的纖維素。所產生的打開更多的纖維結構允許酶(如纖 維素酶)更容易地進入纖維結構并水解纖維素。因此，第二酶水解步驟使用優先靶向原料中纖維素(與半纖維素相比)(例如，第二酶制劑優先作用于原料中的纖維素和纖維二糖 (與木聚糖相比))。應當認識到第二酶水解步驟可使用包括靶向半纖維素的酶的酶制劑。 然而，因為大部分半纖維素可能已經在第一階段被處理，在第二酶制劑中可以不需要相對 大百分比的這樣的酶。不被理論所限制，據信在第一酶水解階段中，木聚糖轉化為可溶的木聚糖(可溶 性寡聚體)，以及一定程度的木糖，甘露聚糖轉化為甘露糖。第一酶制劑優先作用于木聚糖 的木糖殘基的0_1，4鍵和甘露聚糖的甘露糖殘基的0-1，4鍵。這些反應速率與在這一階 段產生的粘度降低具有強烈的關聯。因此，據信半纖維素的酶水解至少部分地引起粘度降 低，并可能是粘度降低的主要因素。然而，許多商業化的半纖維素酶的酶制劑也具有纖維素酶活性，這也有助于粘度 的降低。特別地，除了產生寡糖和單糖外，當半纖維素水解時，水從纖維中釋放。此外，這一 水解引起半纖維素和纖維素聚合物鏈的長度的降低。水的釋放和分子鏈長度的降低可能也 是在酶水解的第一階段中反應器中混合物粘度迅速降低的一個因素，或一個關鍵因素。在酶水解過程中，乙酰基團從半纖維素中除去。在水介質中它們形成乙酸。乙酸 降低反應器中的混合物的pH，例如，從約4. 9至約4. 4。這種pH降低對第一階段的酶制劑 具有抑制作用。因此，根據一個優選的具體實施方式
，乙酸和其他抑制性化合物被處理或從 該過程中除去。例如，有些乙酸可通過加入中和試劑(例如，尿素、無水氨、氨水、氫氧化鈉、 氫氧化鉀)進行中和，和/或乙酸可從該過程中除去，如通過在真空下操作除去。優選地， 至少一部分乙酸和/或其他抑制性化合物，如糠醛，被揮發掉并從該過程中除去。因為乙酸 是相對揮發性的，當它產生時，可通過真空排掉。進一步而言，因為第一階段酶過程降低反 應器中的混合物的粘度，該混合物更易被誘導而流動，例如由于攪拌，乙酸有更大的機會達 到混合物的表面并揮發。從下列說明結合附圖將顯示本文所述的具體實施方式
的進一步的方面和優點。


為更好理解本文所述的具體實施方式
以及更清楚地顯示怎樣實施它們，現在僅通 過舉例的方式參考顯示了至少一種示例性具體實施方式
的附圖，其中圖1為根據優選的具體實施方式
的方法的流程圖，包括可選的步驟；以及圖2根據一個具體實施方式
的方法的流程圖，顯示了關于具體過程步驟的另外的 細節。
具體實施例方式本申請一般涉及處理木質纖維素原料以便將原料中纖維素和半纖維素分解成可 被發酵來產生醇的單糖如葡萄糖的方法。具體而言，本申請一般涉及使用酶水解，聯合在該 原料水解前使原料通過盤磨機來預處理至少一部分原料。申請人驚奇地發現在酶水解過程 前激活和物理修飾該原料引起在工藝流中可發酵的糖的產量的增加和/或更快的反應速率。在一個可選的具體實施方式
中，申請人發現使木質纖維素原料在真空下進行酶水 解過程并從原料中除去揮發性成分流(volatilecomponents stream)提高了可發酵的糖的
6產量和所產生的富含糖的工藝流的純度。圖1例示了本發明的一個具體實施方式
的圖。木質纖維素原料10可選地首先進 行激活、提取、水解和/或物理化學修飾步驟12如通過自動水解產生激活的原料流14。然 后全部或部分原料，優選地為激活的原料流14，進料給盤磨機16以產生精細微粒流(fine particulatestream)18。然后精細微粒流18本身或可選地與沒有通過盤磨機16的原料一起進行酶水解， 如例示的其為可選的兩階段酶水解過程。第一酶水解階段20產生低粘度的流出液流22和 可選的揮發性成分流24，其優選地在第一階段的反應器20中在低于大氣壓下回收。然后低 粘度流出液流22進行第二酶水解階段26以產生富含糖的工藝流28。全部或一部分進行第一酶水解步驟的材料優選地通過循環流30再處理并返回反 應器20，優選地使至少一部分，以及優選地使全部循環流在被再次引入至第一酶水解階段 20之前通過盤磨機16。如例示的，在被引入至盤磨機16之前，循環流可與新鮮的木質纖維 素原料混合。應當認識到一些或全部循環流可直接進料給反應器20。還應認識到進行第二酶水解步驟26的全部或一部分材料優選地通過循環流32除 去并返回到反應器26，一個或兩個酶水解階段都可在真空下進行。使用真空能夠產生揮發性成分流24， 其可從反應器，例如反應器20中除去。然后富含糖的工藝流28可進行進一步處理，優選地 包括發酵步驟34從而產生乙醇，或它可被儲存或用于其他化學過程。輸入的原料木質纖維素原料來自于植物材料。本文所用的"木質纖維素原料"是指含有纖維 素、半纖維素和木質素的植物纖維。申請人認為可以使用用于獲得木質纖維素原料的其他 植物材料來源包括纖維素、半纖維素和木質素以及這些中的任何一個。在一些具體實施方 式中，原料可來自于樹木，優選地為落葉樹如楊樹(例如木屑)。可替代地或此外，原料也 可來自于農業剩余物如玉米秸稈、小麥秸稈、大麥秸稈、稻草、柳枝稷，高粱、甘蔗渣、稻殼和 /或玉米芯。優選地，木質纖維素原料包括農業剩余物和木材生物量，更優選地為木材生物 量以及最優選地為落葉樹。因此，原料可以是任何不含可食用農業產品的原料，但是這樣的 材料是可以使用的。木質纖維素原料優選地是被清潔的，例如，除去灰、硅石、金屬捆扎帶(例如，來自 于農產品)、石頭和污物。木質纖維素原料的成分的大小也可被降低。原料成分的大小可以 是從約0. 05至約2英寸，優選地從約0. 1至約1英寸，更優選地從約0. 125至約0. 5英寸 的長度。應當認識到如果不應用可選的激活、提取、水解或物理修飾，原料可進一步被壓 碎、研磨或別的方式修飾以便降低平均顆粒大小以及增加進料給盤磨機的原料中材料的表 面積。因此，原料成分的大小可以是從約0. 0625至約2英寸，優選地從約0. 125至約1英 寸，更優選地從約0. 125至約0.5英寸。可以使用任何能夠壓碎、研磨或別的方式降低顆粒 大小的處理機械。進料給盤磨機的原料優選地包含從至60%重量的總固體。MM木質纖維素原料通過盤磨機作為原料進行酶水解之前的激活步驟。可以在盤磨機 上游可選地使用另外的激活步驟。本文所用的"激活的"原料是指已經被處理從而增加原料中纖維素和半纖維素對隨后酶水解的敏感性的原料。此外，木質纖維素原料也可進行化 學或物理修飾預處理、提取或水解。申請人:發現某些處理木質纖維素原料的過程令人驚訝地有利于制備用于酶水解 的原料。不被理論所限制，申請人相信激活涉及半纖維素和纖維素聚合物鏈中的氫鍵位點 的化學激活。可選的另外的激活、提取、水解和化學或物理修飾的方法包括但不限于自動水解、 酸水解、氨激活、硫酸鹽法制漿、有機溶劑制漿、熱水預處理、氨滲流、石灰預處理、苛性溶劑 制漿或堿過氧化物預處理。可使用本領域已知的任何處理設備。優選地，自動水解在盤磨機 上游使用。優選地，自動水解在本領域已知的蒸汽噴發消化器(steamexplosion digester) 中進行。在一些具體實施方式
中，原料在送料給盤磨機16之前進行自動水解。自動水解是 通過暴露于高溫、蒸汽和壓力(優選在存在化學試劑例如硫酸的情況下)而分解半纖維素 和纖維素的過程。當在存在酸的情況下進行時，自動水解過程被稱為酸水解。自動水解經 常引起從乙酰化半纖維素的分解中釋放出乙酸，這進一步幫助水解過程的進行。優選地，自動水解在蒸汽噴發消化器中進行，這在本領域中是已知的。例如，可以 將水分含量優選地為大約45%至大約55重量％的原料給料于自動水解消化器中，其中生 物量在高壓(例如100-400psig)和高溫(例如150-250°C )的蒸汽下被水解(可選地，在 存在催化劑例如硫酸的情況下)。在自動水解中，乙酰基團從植物結構中被水解產生乙酸。 乙酸的釋放降低消化器中反應混合物的PH，例如從中性到酸性(例如3. 0-4. 0)，這為微酸 性水解反應提供了酸條件。在自動水解步驟中，半纖維素被部分水解為木糖、可溶性的木糖 寡糖和其它戊聚糖。產率可以達到大約75%。在自動水解中可以將纖維素和半纖維素的聚合度從大約10，000降低至大約 1，500-1，000。該過程優選在木質素的玻璃化轉變溫度(120-160°C)以上進行。取決于反 應的劇烈程度，仍然可以產生降解產物，例如糠醛、羥甲基糠醛、甲酸、乙酰丙酸和其它有機 化合物。在從消化器(蒸汽噴發)中釋放的瞬間，生物量從高溫高壓的水解器中排除而進 入降低的壓力中，優選為大氣壓，更優選為進入真空中。消化器中的壓力突然下降，例如在 1秒內或優選為瞬間。壓力的迅速下降引起生物量分散成單個的纖維或纖維束。這個步驟 打開了纖維的結構并增加了表面積。木質素與纖維素和殘余的半纖維素保留在纖維中，然 后進行酶水解以從剩余的纖維素和半纖維素中回收可發酵的糖。圖2例示了本發明的一個具體實施方式
，其包括使用自動水解將原料激活。談到 圖2，將木質纖維素原料100置于水和熱浸漬機120中，其中可以向原料中加入水和/或催 化劑。加水時優選為不通過加入蒸汽進行，以避免隨機的和不可控制的加入水分。可以分 析原料的水分含量以便小心地控制加入到原料中的水量。在優選的具體實施方式
中，在開 始自動水解前，原料的水分含量是大約45%至大約55%。然后將潮濕的原料130在水解器 140中進行自動水解。在一些具體實施方式
中，可以在與水解器相同的容器中進行水和熱浸 漬的步驟。所產生的經自動水解的原料150可以進入固體/蒸汽分離單元160，以產生蒸汽 流165和固體流180。分離單元160可以在真空下操作以除去乙酸、糠醛和其它揮發性化合物。可以將蒸汽流165通過洗滌器170以除去揮發性產品，包括水，其中一些可以被回收。還提及圖2，然后在進行酶水解200和發酵210之前，將一些，優選地將全部所產生 的經自動水解的固體流180進行盤磨機處理190。可以使用本領域已知的任何盤磨機。本 申請人:發現使化學水解的木質纖維素原料穿過盤磨機能夠進一步激活原料并增加原料對 酶水解的敏感性。盤磨機的使用還降低了原料中的顆粒尺寸并且增加了原料中顆粒的總的 可獲得的表面積。盤磨機中的溫度優選為保持在大約65°C以下。在該溫度以上，可能發生糖降解， 從而降低材料中的糖含量。優選地，穿過盤磨機的纖維的水分含量為大約50重量％至大約
99重量％。 本申請人發現盤磨機可以與不同的顆粒尺寸范圍的木質纖維素原料一起使用。優 選地，送料給盤磨機的顆粒尺寸為大約0. 0625至大約2英寸，更優選為大約0. 125至大約 1英寸，最優選為大約0. 125至大約0. 5英寸。在進行酶水解之前使用盤磨機可以增強纖維素至葡萄糖的轉化和木聚糖至木糖 的轉化。在進行酶水解之前在經過自動水解的原料上使用化漿盤磨機可能將纖維素至葡萄 糖的產率以及木聚糖至木糖的產率從不使用盤磨機時的大約60%至大約80%提高至使用 盤磨機時的大約80 %至大約95 %。第一酶水解步驟原料在進行盤磨機處理之后進行酶水解。可以使用本領域已知的任何酶水解過程。本申請人在本文中描述了一種將木質纖維素原料有效分解為可發酵的糖的優選 的方法。然而，應當認識到可以使用任何酶水解過程。木質纖維素原料一般含有纖維素、半纖維素和木質素并具有高聚合度。半纖維素 與木質素共價連接，它們又可以與其它多糖例如纖維素交聯，從而產生木質纖維素材料基 質。木質素是疏水性交聯的芳香族聚合物，其為植物細胞壁的一個主要成分，代表大約四分 之一至三分之一的木材干重。半纖維素是支鏈的異質聚合物，其具有隨機的無定形結構，結構中包括一些不同 的糖分子，例如木糖和阿拉伯糖。木糖是半纖維素中存在的最常見的糖分子。木糖和阿拉 伯糖均為戊糖——存在于植物材料中的聚合五碳糖。半纖維素酶分解半纖維素結構。半纖維素酶的使用引起木聚糖骨架以及側鏈的分 解形成戊糖，例如木糖和阿拉伯糖以及其它的糖和多糖。對本領域技術人員明顯的是多數 商售的半纖維素酶制劑也具有纖維素酶活性。因此，本公開中所使用的第一酶制劑(即在 半纖維素酶制劑中)可能具有大約10%至90%的半纖維素酶活性，優選為大約30%至大 約90%的半纖維素酶活性，更優選為大約50%或更多(例如至大約90%)的半纖維素酶活 性。在一個具體實施方式
中，半纖維素酶優先作用于木聚糖的木糖殘基的0_1，4鍵和甘露 聚糖的甘露糖殘基的0_1，4鍵。纖維素是線性的葡萄糖聚合物，其中葡萄糖殘基由— 4)糖苷鍵連接在一 起。纖維素酶通過打斷糖苷鍵催化纖維素水解為較小的聚合物單元。內切纖維素酶通 常切割纖維素內部的糖苷鍵以產生較小的多糖鏈；而外切纖維素酶能夠從纖維素鏈的末端 切掉2-4個葡萄糖單元。纖維素酶通常不能將纖維素切割成單個的葡萄糖分子。
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相反，纖維二糖酶或3 _葡萄糖苷酶催化3 _糖苷鍵水解，從而釋放至少一個葡萄 糖分子。因此葡萄糖苷酶能夠切割纖維二糖，纖維二糖由糖苷鍵連接的兩個葡萄 糖分子組成。本領域技術人員將認識到酶可能對不同的底物顯示出不同的活性范圍。如本文 所用，優選的是當酶對某底物比對其它可能的底物的相對活性高的時候，該酶制劑“優先作 用于”該底物。例如，相對于作用于纖維素以產生葡萄糖這種活性來說，半纖維素酶將會優 先作用于半纖維素以產生戊糖。酶制劑可以是單一的酶或多個酶的組合。雖然可以從一些來源例如細菌、酵母或 真菌的天然培養物中分離酶制劑，但是本領域技術人員將認識到使用以重組技術產生的酶。在一些具體實施方式
中，本申請人發現本申請中描述的兩階段酶水解過程能夠提 高所產生的工藝流的糖含量，也就意味著在兩階段酶水解中以高的總固體含量起始。如本文所使用的“總固體含量”是指原料中可溶和不可溶材料的總量。例如，在木 質纖維素原料中，可溶性材料包括單糖、一些寡糖、有機酸、提取物和從自動水解產生的低 分子量化合物。不可溶材料包括纖維素、木質素和半纖維素。由于粘性高，所以不可溶材料 含量高的懸浮液通常難以被處理。此外，即使并非不可能，高粘性混合物是難以通過常規 泵抽過程混合或處理的。在一些具體實施方式
中，本申請中描述的富含糖的工藝流有大約 15%以上的總固體含量。在其它具體實施方式
中，富含糖的工藝流有大約15%至大約30% 的總固體含量。在其它具體實施方式
中，富含糖的工藝流可以有高達大約50% (例如，大約 15%至大約50%，優選為大約30%至大約50% )的總固體含量。不被特別的理論所限制，本申請人注意到通過以兩個階段進行酶水解，半纖維素 酶，特別是木聚糖酶不暴露于第二酶水解階段中產生的抑制性濃度的糖單體和二聚體，特 別是葡萄糖和纖維二糖。第一酶水解階段使用第一酶制劑，其優選包含半纖維素酶。如本領域技術人員 已知的，半纖維素酶制劑也具有纖維素酶活性。在一個具體實施方式
中，第一酶制劑是木 聚糖酶混合物，例如Dyadic XBP 。在另一個具體實施方式
中，第一酶制劑是酶混合物如 AlternaFuellOOL .本領域技術人員將理解可以使用酶制劑的組合。在一個具體實施方 式中，第一酶制劑將具有大約10%至大約90%的半纖維素酶活性和大約90%至大約10% 的纖維素酶活性。在一個具體實施方式
中，半纖維素酶的活性為大約30%至大約90%，纖 維素酶的活性為大約70%至大約10%。在另一個具體實施方式
中，半纖維素酶的活性為大 約50%至大約90%，纖維素酶的活性為大約50%至大約10%。在一個具體實施方式
中，使用酸流或使用堿流以調節過程的pH，從而原料的pH在 適合于酶活性的范圍內。在優選的具體實施方式
中，將PH調整為大約4. 5至大約6. 0。第一酶過程的溫度也是可以控制的。在一個具體實施方式
中，將過程的溫度調整 為大約30°C至大約70°C。在另一個具體實施方式
中，第一酶過程在大約20°C至大約70°C 進行。可以使用間接的冷卻水將該過程冷卻或者使用間接的流加熱將該過程加熱，或者通 過本領域已知的其它方法進行。對原料進行第一酶過程的結果是產生低粘度的流出液流，其可能含有木聚糖、纖 維二糖、葡萄糖、木糖、木質素、灰和有機酸。低粘度的流出液流的粘性可能比原料漿的粘性低至少大約15 %，優選低至少大約20 %，更優選低至少大約50 %，最優選低至少大約90 %。 一般地，第一酶制劑的作用產生短鏈的多糖(寡糖)，例如纖維二糖，而不是產生大量的單 個葡萄糖分子。不被理論所限制，我們認為這能防止第一酶制劑中的半纖維素酶被葡萄糖 分子抑制。在一個可選的具體實施方式
中，第一酶過程在真空下進行，并且產生揮發性成分 流，可以從低粘度流出液流中除去所述揮發性成分流。在一個具體實施方式
中，揮發性成分 流包括至少一種酵母、真菌、細菌或者酶的抑制性化合物存在于第一酶水解過程中，并且被 除掉的揮發性成分流包括至少一種抑制性化合物。在另一個具體實施方式
中，揮發性成分 流中的抑制性化合物可能包含水、乙酸、糠醛、甲酸和任何其它揮發性有機化合物。第一循環流在一個具體實施方式
中，獲得包含來自第一酶水解過程的材料的循環流，優選使 至少一部分的循環流通過盤磨機而進行物理修飾(例如尺寸降低)該原料，并被重新引入 第一酶水解過程。在一個具體實施方式
中，通過磨漿機(refiner)的那部分循環流為循環 流體積的大約10%至大約90%。在另一個具體實施方式
中，所有來自第一酶水解過程槽底 部的循環流被除掉并在被重新引入第一酶水解過程槽頂部之前通過盤磨機。可以將循環流 與新鮮原料在盤磨機中混合，或者在被重新引入第一酶水解過程槽之前混合。優選地，使至 少一部分的原料和至少一部分的循環流通過盤磨機，更優選地，使所有的原料和至少一部 分的循環流通過盤磨機。第二酶水解步驟如果使用兩階段酶過程，則在第二酶水解過程中，以第二酶制劑處理低粘度流出 液流以產生富含糖的工藝流，其富含可發酵的糖，例如葡萄糖。優選地，第二酶制劑主要包括纖維素酶活性。在另一個具體實施方式
中，第二酶制 劑包含葡萄糖苷酶活性以將二糖和其它葡萄糖小聚合物轉化為單糖。在一個具體實施 方式中，第二酶制劑是NovozymlSS ，其可以從Novozymes 獲得。在另一個具體實施方式
中，第二酶制劑包括NS50073 。應認識到可以使用酶制劑的組合。在一個具體實施方式
中，使用酸流或堿流調節第二水解過程的pH，從而原料漿的 PH處于在適合于酶活性的范圍內。在優選的具體實施方式
中，將pH調節至大約4. 5至大約 5.4。在一個具體實施方式
中，酸流包含任何無機酸。在另一個具體實施方式
中，酸流包含 硝酸、硫酸、磷酸、乙酸和/或鹽酸。在一個具體實施方式
中，堿流包含氫氧化鉀、氫氧化鈉、 氫氧化銨、尿素和/或氨。第二酶過程的溫度也是可以控制的。在一個具體實施方式
中，將過程的溫度調整 為大約20°C至大約70°C。在另一個具體實施方式
中，第二酶過程在大約30°C至大約70°C 進行。可以使用間接的冷卻水將該過程冷卻或者使用間接的流加熱將該過程加熱，或者通 過本領域其它已知的方法進行。所產生的富含糖的工藝流含有大約5%至大約45重量％的可發酵的糖。可選的 范圍包括大約5%至大約30%，優選為大約10%至大約30%，更優選為大約15%至大約 25%，以及大約10%至大約45%，優選為大約15%至大約45%，更優選為大約25%至大約 45%。可選地，富含糖的工藝流還含有大約10%至大約60%的總固體含量。真空
本申請人發現，木質纖維素原料中存在的某些化合物對酶水解和所產糖流的發酵 具有抑制性效應。因此，優選地至少一些酶水解在真空下進行。如本文所用的“抑制性化合 物”是指對酶水解過程、酵母菌發酵或從木質纖維素原料中回收醇具有抑制性效應的化合 物。抑制性化合物的例子包括糠醛、羥甲基糠醛、有機酸和酚化合物。在另一個具體實施方 式中，抑制性化合物是乙酸或甲酸。其它也被除去的化合物和/或分子包括氮氣、氧氣、氬 和二氧化碳。本申請人發現，在真空下進行木質纖維素原料的酶水解能夠從原料中除去至少一 部分抑制性化合物或者除去至少一部分酶水解中產生的抑制性化合物。如果使用單一階段 的酶水解過程，則該單一階段可以在真空下進行。或者，如果使用多個階段的酶水解過程， 則任何一個或更多，優選所有這些階段都在真空下進行。在真空下進行酶水解步驟從而獲 得富含糖的工藝流和揮發性成分流。在另一個具體實施方式
中，揮發性成分流包括至少一 種抑制性化合物。在一個具體實施方式
中，從第一酶水解過程中持續除去揮發性成分流。在 優選的具體實施方式
中，通過在真空壓力下進行酶水解而除去揮發性成分流。在本公開的一個具體實施方式
中，酶水解在輕微真空下進行。真空可以是700至 50mm Hg(S卩，容器中的壓力可以為700至50mmHg)。優選地，真空為大約600mm Hg以下，更 優選為大約100mm Hg以下，最優選為大約50mm Hg以下。優選的，可以應用的最大真空為 大約4mm Hg。其它
具體實施例方式在一些具體實施方式
中，富含糖的工藝流用于產生其他源自糖的產品。在本發明 的一個具體實施方式
中，富含糖的工藝流用于通過發酵產生醇。可發酵的糖例如葡萄糖和 木糖可以在添加酵母之后被發酵成為醇。在一個具體實施方式
中，所產生的醇是甲醇、乙醇 和/或丁醇。將認識到，某些為了清楚起見而在分開的具體實施方式
或分開的方面的上下文中 描述的本發明的特征也可以組合在一起而在一個單一的具體實施方式
中提供。相反，為了 簡明起見而在單一的具體實施方式
或單一的方面中描述的本發明的各個特征也可以單獨 地提供或以任何合適的次級組合提供。雖然已經結合本發明的特異性具體實施方式
描述了本發明，但是，很多的替代、修 飾和改變對本領域技術人員是明顯的。因此，本發明旨在包括所有落入隨附的權利要求書 的精神和寬范圍內的這樣的替代、修飾和改變。另外，本申請中任何參考文獻的引用或認同 均不應被理解為承認這樣的參考文獻對于本發明來說是現有技術。
權利要求
一種處理包含纖維素、半纖維素和木質素的木質纖維素原料以產生富含糖的工藝流的方法，該方法包括(a)使該原料通過盤磨機；和(b)在真空下將該原料進行酶水解并獲得揮發性成分流和富含糖的工藝流。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述的原料包含從約至約60%重量的總固體。
3.根據權利要求1和/或2所述的方法，其中所述的酶水解包括第一和第二酶水解過程。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其中第一酶水解過程使用第一酶制劑 并產生揮發性成分流和低粘度流出液流，使用第二酶制劑對該低粘度流出液流進行第二酶 水解并產生所述的富含糖的工藝流。
5.根據權利要求4所述的方法，其中相對于原料中的纖維二糖，第一酶制劑優先作用 于原料中的半纖維素。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有半纖維素酶活性和纖維素 酶活性。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約10%至約90%的半纖維 素酶活性和在90%至10%之間的纖維素酶活性。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約30%至約90%的半纖維 素酶活性和約70%至約10%的纖維素酶活性。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約50%至約90%的半纖維 素酶活性和約50%至10%的纖維素酶活性。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述的半纖維素酶優先作用于木聚糖的木糖殘 基的0_1，4鍵和甘露聚糖的甘露糖殘基的0-1，4鍵。
11.根據權利要求4至10中任意一項所述的方法，相對于原料中的木聚糖，所述的第二 酶制劑優先作用于原料中的纖維素和纖維二糖。
12.根據權利要求4所述的方法，其中所述的第二酶制劑包括葡萄糖苷酶和纖維素 酶，其中所述的葡萄糖苷酶和纖維素酶優先作用于纖維二糖和纖維素的0-1，4鍵。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述的葡萄糖苷酶和纖維素酶將第一酶水 解中產生的纖維素和寡糖完全轉化為單糖。
14.根據權利要求4至13中任意一項所述的方法，進一步包括從第一酶水解過程中獲 得循環流并將所述循環流引入第一酶水解過程。
15.根據權利要求14所述的方法，包括將該循環流再次引入第一酶水解過程之前使至 少一部分的該循環流通過盤磨機。
16.根據權利要求15所述的方法，其中通過盤磨機的該循環流的部分為約10%至約 90%。
17.—種處理包含纖維素、半纖維素和木質素的木質纖維素原料以產生富含糖的工藝 流的方法，該方法包括(a)使該原料在真空下進行酶水解，獲得揮發性成分流和富含糖的工藝流；(b)從該酶水解中獲得循環流，在將該循環流再次引入酶水解之前使至少一部分的該 循環流通過盤磨機。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述的原料包含從約至約60%重量的總固體。
19.根據權利要求17和/或18所述的方法，其中所述的酶水解包括第一和第二酶水解 過程。
20.根據權利要求19所述的方法，其中第一酶水解過程使用第一酶制劑并產生揮發性 成分流和低粘度流出液流，使用第二酶制劑對該低粘度流出液流進行第二酶水解并產生所 述的富含糖的工藝流。
21.根據權利要求20所述的方法，其中相對于原料中的纖維二糖，第一酶制劑優先作 用于原料中的半纖維素。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有半纖維素酶活性和纖維 素酶活性。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約10%至約90 %的半纖 維素酶活性和約90%至約10%的纖維素酶活性。
24.根據權利要求22所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約30%至約90 %的半纖 維素酶活性和約70%至約10%的纖維素酶活性。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述的第一酶制劑具有約50%至約90%的半纖 維素酶活性和約50%至10%的纖維素酶活性。
26.根據權利要求22至25中任意一項所述的方法，其中所述的半纖維素酶優先作用于 木聚糖的木糖殘基的0_1，4鍵和甘露聚糖的甘露糖殘基的0-1，4鍵。
27.根據權利要求20至26中任意一項所述的方法，相對于原料中的木聚糖，所述的第 二酶制劑優先作用于原料中的纖維素和纖維二糖。
28.根據權利要求27所述的方法，其中所述的第二酶制劑包括葡萄糖苷酶和纖維 素酶，其中所述的葡萄糖苷酶和纖維素酶優先作用于纖維二糖和纖維素的0-1，4鍵。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述的3_葡萄糖苷酶和纖維素酶將第一酶水 解中產生的纖維素和寡糖完全轉化為單糖。
30.根據權利要求17至29中任意一項所述的方法，其中通過盤磨機的該循環流的部分 為約10%至約90%。
全文摘要
公開了一種處理木質纖維素原料以產生富含糖的工藝流的方法。更具體而言，包含纖維素、半纖維素和木質素的木質纖維素原料進行盤磨機處理(disc refining)，隨后進行真空下的酶水解從而產生所述的富含糖的工藝流。富含糖的工藝流可隨后進行發酵以產生生物燃料如乙醇和其他化學品。
文檔編號C08H8/00GK101855360SQ200880115427
公開日2010年10月6日 申請日期2008年10月10日 優先權日2007年10月10日
發明者B·薩維爾, C·石澤, M·J·伯克 申請人:山奧樸達生物工藝公司