專利名稱：木質纖維素生物質的聯合熱化學預處理和精制的制作方法
木質纖維素生物質的聯合熱化學預處理和精制 相關申請 本申請要求了 2007年4月19日申請的美國臨時專利申請系列號60/925， 257的 優先權。
背景技術：
由木質纖維素材料制備乙醇的方法包括分解和水解含木質纖維素材料例如木材， 成為二糖如纖維二糖，和最終成為單糖如葡萄糖和木糖。然后微生物試劑，包括酵母通過發 酵反應將所述單糖轉化成乙醇，所述發酵反應可以進行幾天或幾星期。含木質纖維素材料 的熱、化學和/或機械預處理可以縮短水解和發酵所需的時間并改進乙醇的產率。由于在 20世紀初期就首次出現了基于氫氧化鈉浸漬的堿預處理，所述處理能改進稻草的消化率 (digestibility)，因此現在已經開發了許多用于木質纖維素材料的預處理方法或工藝。
預處理的基本目的就是降低所述纖維素的結晶度并離解所述半纖維素_纖維 素-木質素復合物。所述纖維素的消化率通常隨預處理的程度的增加而增加。這種消化率 的增加通常會直接涉及纖維素材料的有效表面積(ASA)的增加，這會促進最終由酶如纖維 素酶產生的酶擊(enzymatic attack)。 熱化學預處理方法是用于改進這些材料的可獲得方法中最有效的方法之一。這種 熱化學方法的一個實施例描述在西班牙專利ES87/6829中，其中使用200-250°C的蒸汽在 密封的反應器中處理事先研磨好的木質纖維素材料。在該方法中，一旦木質纖維素材料處 理完畢，所述反應器被逐漸冷卻至室溫。包括反應器突然減壓的熱化學處理稱作蒸汽爆炸 處理，是能促進最終纖維素解質酶作用的最有效的預處理工藝之一。在一些情況下，所述預 處理方案通常包含催化劑試劑(例如酸)濃度的改變；然而，特征在于高濃度酸的預處理工 藝的使用是昂貴的，因為需要回收和再循環所述酸。 因此本發明的一個目的是提供一種縮短所需發酵時間和/或改進由木質纖維素 生物質生產乙醇的產率的改進的和產率有效的方法。本發明的其它目的由下列說明書、權 利要求和附圖進一步說明。
發明概述 本發明涉及使用精制機與溫和的預處理條件相結合的加工木質纖維素生物質的 方法，該方法提供高的乙醇產率，同時減少或消除了回收和再循環酸或其它附加催化劑的 需要，并同時降低了不必要的副產物的量。可以認為使用精制機能通過破碎預處理的纖維 素材料成為更小的顆粒而改進乙醇的產率和/或生產速率，其能提高酶水解的敏感度，進 而提高酶水解的效率，并最終導致更大的乙醇產率和/或提高反應速率。
本發明的一個方面涉及通過精制機加工木質纖維素材料的方法，以提高由木質纖 維素材料生產乙醇的產率。在某些實施方案中，將木質纖維素材料投入一個或多個預處理 反應器中，然后在一定的溫度、蒸汽壓力下并以足夠允許蒸汽進入木質纖維素材料中的時 間，將蒸汽注入到所述一個或多個預處理反應器中，由此生產預處理的木質纖維素材料。通 過精制機進料預處理的材料，其中精制機將所述預處理的材料研磨成更小的顆粒。更小的
4精制木質纖維素材料顆粒會對酶水解更加的敏感，導致更高的單糖(monomeric sugar)產 率和/或形成率，并由發酵生產乙醇。
圖1描繪了使用(1)連續預處理隨后精制和(2)沒有精制的間歇預處理的單糖產 率與時間的關系圖。 圖2描繪了在用過量的酶發酵共培養的葡萄糖和木糖中使用預處理和精制的硬 木碎片同時進行糖化和發酵的結果。 圖3給出了 CAFI 2標準白楊木的組分和組分含量(wt % )表。
圖4給出了 CAFI預處理的列出了關鍵特征的表。
圖5給出了CAFI l產生的顯示了公開物的表。 圖6描繪了 Metso P即er的PeriFeeder 機械蒸汽分離器的透視圖。
圖7描繪了 Andritz的機械蒸汽分離器的透視圖。
發明詳述 本發明的一個方面涉及一種通過精制機進行蒸汽預處理木質纖維素材料以增加 在發酵中乙醇產率的方法。木質纖維素材料經受蒸汽水解并且通過精制機進料以減小預處 理材料的顆粒大小 所述術語"木質纖維素材料"和"木質纖維素基材"是指任何類型的包含纖維素的 木質纖維素材料，例如但不限制于非木質_植物木質纖維素材料、農業廢物、林業殘留物、 造紙淤渣、廢水處理淤渣、由干和濕研磨谷類乙醇植物得到的玉米纖維和制糖殘留物。
在一個非限制性實施例中，所述木質纖維素材料可以包括但不限于，草，例如柳 枝稗、線草、黑麥草、草蘆、芒草或它們的組合；制糖殘留物，例如但不限于，甘蔗渣；農業廢 料，例如但不限于，稻草、稻殼、大麥秸稈、玉米棒、麥秸、油菜秸稈(canola straw)、燕麥草、 燕麥殼和玉米纖維；秸稈，例如但不限于，大豆秸稈、玉米秸稈；和林業廢料，例如但不限 于，回收木漿纖維、木屑、硬木、軟木或它們的組合。 木質纖維素材料主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。通常，木質纖維素材料， 以干重計算，可以包含約50% (w/w)的纖維素、約30% (w/w)的半纖維素和約20% (w/w) 的木質素。木質纖維素材料可以有更低的纖維素含量，例如為至少約20% (w/w)、30% (w/ w)、35% (w/w)或40% (w/w)。 純的纖維素是P-D-葡萄糖單元的線性、結晶聚合物。所述結構體是剛性的且通 常需要強烈的處理來破壞纖維素。半纖維素具有的主要成分通常是L-阿拉伯糖、D-半乳 糖、D-葡萄糖.D-甘露糖.D-木糖和L-鼠李糖的線性和支化雜聚物。半纖維素的組分含量 隨木質纖維素材料的來源而變化。它的結構體不是完全結晶的，因此通常比纖維素更易于 水解。認為用于乙醇制備的木質纖維素材料的實例是硬木、軟木、林業殘留物、農業殘留物 和城市固體廢物(MSW)。認為用于乙醇生產的硬木的實例，可以包括但不限于，柳樹、楓樹、 橡樹、胡桃樹、桉樹、榆樹、樺樹、七葉樹、山毛櫸和岑樹。認為用于乙醇制備的軟木的實例， 可以包括但不限于，美國南方黃松、冷杉、雪松、柏樹、鐵杉、落葉松、松樹和云杉。
纖維素和半纖維素都能用于乙醇制備。所述原料中的戊糖含量很重要，因為戊糖 通常難以發酵為乙醇。為了實現最大的乙醇產率，所有的單糖都應被發酵。軟木半纖維素
5含有高比例的甘露糖和比硬木半纖維素含有更多的半乳糖和葡萄糖，而硬木半纖維素通常 包含更高比例的戊糖如D-木糖和L-阿拉伯糖。 術語"反應器"是指任何適于實施本發明方法的容器。所述預處理反應器的尺寸 應足夠容納所述輸入和輸出所述反應器的木質纖維素材料，以及另外的圍繞所述材料的預 留空間。在一個非限制性的實施例中，所述預留空間可以圍繞所述材料占據的空間擴展大 約一英尺。此外，所述預處理反應器由能夠經受所述預處理條件的材料構成。特別地，反應 器的構成材料應該使得pH、溫度和壓力不會影響容器的完整性。 基材的尺寸范圍根據使用的基材的類型以及給定的方法的需求而廣泛的改變。在 本發明的優選實施方案中，所述木質纖維素原料可以以允許在輸送機、進料斗等中易于處 理的方式而制備。就木材而言，由商業碎片機獲得的碎片是合適的；而就稻草而言，理想的 是稿桿被均勻地切成約1到約3英寸長的。取決于預處理的期望程度，在預處理之前所述 基材顆粒的尺寸可以為小于1毫米到幾英寸長。所述顆粒需要只僅具有易于反應的尺寸。
預處理 在某些實施方案中，預處理包括蒸汽水解，其中木質纖維素材料經受 100psig-700psig之間的蒸汽壓力。可以通過在反應器內抽真空來除去空氣，例如在約50 到約300毫巴的壓力下。在約1 OOpsig到約700psig之間的飽和蒸汽壓力下，或其間的任 何壓力下，將蒸汽添加到所述包含木質纖維素材料的反應器中，例如，所述飽和蒸汽壓力可 以為約100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650或700psig。更優選地，可以 使用約140psig到約300psig的飽和蒸汽壓力。當預處理期間不再添加其他化學品時，能 消除一些傳統方法中產生的不必要的副產物和/或廢料。 然而，在某些實施方案中，可能希望在所述預處理期間或之前添加催化劑。如果本 發明的方法中使用酸催化劑，則它可以是本領域已知的任何合適的酸，例如，所述酸可以是 但并非以任何方式限于硫酸、亞硫酸和/或二氧化硫，或它們的組合。添加的酸的量可以是 足以在選擇的預處理溫度下提供所述木質纖維素材料的預處理的任何量。例如，所述酸的 存在量可以為所述材料的約0%到約12%重量，或其間的任何量；例如，所述酸的存在量可 以為所述木質纖維素材料的約0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12%重量。在一個非限制性 實施例中，所述酸是二氧化硫，通過注射將其作為蒸汽添加到所述木質纖維素材料中達到 木質纖維素材料的約0. 5%到約4. 0%重量的濃度。 所述酸和蒸汽可以以任何適于本發明的順序添加。例如，所述酸可以在將所述蒸 汽添加或注射進入預處理反應器之前、同時或之后添加。 反應器在一定溫度和pH下保持足以使得所述木質纖維素材料能發生水解的一段 時間。所述時間、溫度和PH的組合可以是現有技術中已知的任何適宜條件。在一個非限制 性實施例中，所述溫度、時間和pH可以如美國專利No. 4， 461， 648所述，它在此作為參考被 引入本發明。 所述溫度可以是約165t:到約22(TC，或其間的任何溫度。更具體地說，所述溫度 可以是約175"到約21(TC，或約18(TC到約20(TC，或其間的任何溫度。例如，所述溫度可 以是約165、175、185、195、205、215或22(TC。本領域技術人員應該認識到，所述溫度可以在 預處理其間在所述范圍內變動。所述溫度是指加工材料的反應器的大致溫度，承認在特定 位置溫度可以比所述平均溫度高或低。
在一些實施方案中，所述預處理溫度可以大于木質素的玻璃化轉變溫度。當木質 纖維素材料暴露于超過所述玻璃化轉變溫度的溫度時，木質素成為塑性相，及當冷卻時，木 質素會以球狀自身相互粘著，而不是被纏繞(wrap)于纖維素中。此結果可以是更多的纖維 素受到酶水解。 木質纖維素材料的非均質酶降解主要由其結構特征控制，因為(1)纖維素具有高 抗性的晶體結構，(2)圍繞纖維素的木質素形成物理障礙，和(3)用于酶擊的有效位點是有 限的。因此，理想的預處理應當能夠降低木質素的含量，并同時降低結晶度和增加表面積。
所述預處理時間可以為約5秒到約15分鐘，或其間的任何時間值；例如，所述預處 理時間可以是約5秒、30秒、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15分鐘。所述預處理 時間可以小于5分鐘。所述預處理時間是指材料在高溫下的持續時間，在一些實施方案中， 所述高溫在165。C和220。C之間。 相比添加催化劑的預處理，溫和預處理如在預處理工序中不添加酸或其它催化劑 的蒸汽水解更加經濟。如果不使用酸，則可以消除由回收和再循環酸帶來的高成本和多余 時間。通常，通過將所述酸/蒸汽混合物經冷凝接著通過蒸餾來提純酸而回收酸。相比無催 化蒸汽預處理，具有酸/蒸汽混合物的預處理方法增加了大量的步驟、時間和費用。另外， 無催化蒸汽水解可以制備對酶水解更加敏感的木質纖維素材料。 本發明的方法可以以連續、半連續或間歇的方式進行，并可以根據需要包括固體 再循環、液體再循環和/或蒸汽再循環操作。本發明的方法優選以連續的方式進行。
所述方法可以在單個的預處理區段、或在多個串聯或并聯的預處理區段中進行； 或者，它們可以間歇地或連續地在一個長的管狀區段或一系列這樣的區段中進行。所述設 備的結構材料和設計應能經得起所述溫度和壓力。在工序中可以方便地使用在加工期間引 入和/或調節以間歇或連續方式引入到預處理區段的生物質或蒸汽的量，特別是維持期望 的組分比率的方法。所述步驟可以通過一個組分到另一個組分的增量添加來進行影響。此 外，所述步驟還可以與組分的聯合添加相結合。 —旦期望的預處理反應時間結束，可以通過打開反應器來終止所述預處理反應， 其釋放蒸汽壓力并快速冷卻內容物。然后，可以通過現有技術中已知的任何適當手段將所 述預處理材料移出反應器；例如，可以通過輸送、翻倒、滴落、沖洗或形成淤漿的方式移出所 述內容物。或者，所述預處理材料可以在進一步加工前保持在高于常壓的壓力下。
精制 術語"精制機"是指一種能降低顆粒粒度的裝置。可以使用市場上可買到的精制 機如本文所述精制木質纖維素材料。例如，如圖6和7所示的由Metso和Andritz生產的 圓盤精制機可用于此目的。這種裝置包括一個或多個旋轉圓盤，或者是另外的設計，并在設 定的壓力或常壓下操作。精制機可以是板材研磨機、木材研磨機或破碎機。由Hosokawa生 產的破碎機可用于精制預處理的木質纖維素材料。 加料器-水解器-精制機體系的實施方案能在纖維被輸入精制機之前由纖維中分 離出蒸汽。槳料或硬木碎片和蒸汽可以被吹入該裝置的進口 ，在裝置中蒸汽和槳料或硬木 碎片分離。將蒸汽引導至蒸汽出口，且將漿料/硬木碎片輸入精制機。該機器可以具有進 口、蒸汽出口、精制機和進料螺桿。所述進料螺桿可以幫助漿料/硬木碎片與蒸汽分離。
在某些實施方案中，木質纖維素材料在反應器中進行蒸汽水解或其它的溫和自水解。然后，所述預處理的木質纖維素材料輸入到分離反應器，在分離反應器中，將所述預處
理的木質纖維素材料破碎成更小的顆粒以增加所述木質纖維素材料的表面積。 在某些實施方案中，可能希望在高壓下操作所述預處理反應器和精制機。在此種
情況下，木質素沒有機會冷卻并包覆纖維。如果木質素不包覆纖維，則易于將木質素除去，
因為它沒有附著在纖維上。可以制備更高質量的纖維。同樣，由于木質素不包覆纖維導致
的纖維表面積的增加，和/或由精制工序導致的木質纖維素材料的尺寸減小，和/或沉積的
在纖維上的木質素破壞，都導致精制的木質纖維素材料與酶之間的反應性的增加。 在例如在此作為參考被引入本發明的美國專利No. 4， 427， 453中所述的某些實施
方案中，未處理的木質纖維素材料通過形成加壓密封、連續工作的螺桿加料器輸入到高壓
反應器中，在反應器中，基本上除去了包含于木質纖維素材料中的空氣和過量流體。在作為
反應容器的連續水平管蒸煮器中在蒸汽相發生水解。在所述蒸煮器的出口，預處理的木質
纖維素材料的尺寸可減小。 所述"連續水平管蒸煮器"可以包括但不限于，由Andritz和Metso，以及 Black-Clawson公司生產的用于制備纖維素的蒸煮器。這種蒸煮器如W. Herbert在TAPPI ， Vol. 45 (1962) No. 7 S 207A-210A和U. Lowgren在TAPPI Vol. 45 (1962) ， No. 7， S. 210A—215A 中所述。這些蒸煮器都是本領域技術人員所熟知的。 所述術語"螺桿加料器"包括已知的通常作為螺桿壓機、栓塞螺桿加料器或栓塞加 料器的裝置。該裝置由圓錐形的耐壓外殼組成，其中裝有帶旋轉驅動的圓錐形螺桿。所述 外殼，在其較大直徑端，具有通常輻射狀加料進口 ，而在其較小直徑端，通常具有圓柱形、軸 向的、出口套筒。 由于1)在纖維上的木質素沉積的破壞，和/或2)由于精制木質纖維素材料的機 械剪切而提高的表面積，和/或3)由于在所述材料"爆發式"減壓前減小木質纖維素材料 的尺寸而提高的表面積，使用精制機與連續預處理裝置相結合的部分潛在好處是提高的反 應性。此外，所述精制機還可以提供經濟有效的方式以由預處理裝置輸送所述木質纖維素 材料和以通過在加壓的蒸煮器的出口上形成密封來協助。
糖化 在預處理的木質纖維素材料精制以后，所述精制的混合物可以在糖化酶的存在下 水解以制備單糖。所述糖化酶可以選自下列種類的酶纖維素酶、內切葡聚糖酶、外切葡聚 糖酶、纖維二糖水解酶、P-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖酶、P-木糖 苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡萄糖醛酸酶、淀粉酶、a _淀粉酶、 P-淀粉酶、葡糖淀粉酶、a-葡萄糖苷酶、異淀粉酶。 糖化酶可以合成、半合成或生物學地制備，包括使用重組微生物。 在某些實施方案中，糖化和發酵可以同時進行。在此情況下，一個或多個上述糖化
酶可以包括在包含一個或多個選自細菌、真菌和/或酵母的生物催化劑的溶液中。 重組生物體也可以同時進行糖化和發酵。例如，所述重組生物體可
以選自大腸桿菌、運動發酵單胞菌(Zymomonas mobilis)、嗜熱脂肪芽孢桿菌
(Bacillusstearothermophilus)、 酉良酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、 熱纖
梭菌(Clostridiathermocellum)、角牟糖嗜熱厭氧桿菌(thermoanaerobacterium
saccharolyticum)、樹干畢赤酵母(Pichia stipitis)、埃希氏桿菌屬、發酵單胞菌屬(Zymomonas)、酵母菌屬(Saccharomyces)、念珠菌屬、畢赤酵母屬(Pichia)、鏈霉菌屬、芽
孢桿菌屬、乳酸菌屬和梭狀芽孢桿菌屬。 還可以使用酵母和過量糖化酶的共培養進行SSF。
實施例 使用過量的酶進行酶水解，以使用已經使用蒸汽水解預處理和通過精制機的木質 纖維素材料來測定單糖的理論最高產率。釋放的葡萄糖和木糖的總和的百分比如表1所 示。 在Andritz的2 odtpd機械成槳體系中，在160psig壓力下，硬木碎片進行了 5到 10分鐘的蒸汽水解。在所述體系的出口，在高溫約188t:和160psig壓力下，預處理的木質 纖維素材料的尺寸減小。然后，所述精制的木質纖維素材料被釋放并減壓至單獨的收集器。 隨后使用纖維素酶和木聚糖酶對所述材料進行酶水解。將試驗的最大理論糖產率(方法l) 與表1所列的各種預處理方法進行對比。
表1 在24小時、48小時和72小時的同時糖化和發酵下的飽和酶速率 (saturatedenzyme rate)下的最大理論糖產率的比較。
方法預處理24小時 產率48小時 產率72小時 產率
1自水解(連續，具有精制)90%92%95%
2自水解(間歇w/o精制)63%68%70%
3自水解(由Chornet公開，連續w/o精制)80-85%
4稀酸水解(CAFI2，白楊木)76%92%95%
5AFEX (CAFI2，白楊木)60% 這些結果表明，相比沒有精制工序的間歇預處理(方法2)，使用后接精制工序的 連續蒸汽水解(方法l)的預處理木質纖維素能產生更多的葡萄糖和木糖。所述數據表明， 由被連續預處理并經歷精制工序的木質纖維素材料生產的糖的理論產率顯示出顯著的提 高。圖1給出了使用方法1和方法2獲得的糖產率的示意圖。 相比在SSF48小時之后(方法1)具有的約92%的產率的預處理和精制的木質纖 維素材料，使用方法3獲得的結果同樣具有較低的最大理論收率，約80%到約85%。
此外，這些結果表明，預處理和精制的木質纖維素材料(方法1)的單糖理論收率 與在72小時的SSF之后的稀酸水解硬木(方法4)的單糖理論收率幾乎相等，兩種情況下 糖的收率為約95%。方法4的預處理詳情如圖4所示。圖3列出了CAFI 2白楊木的組分 和重量百分組成。
9
相比方法1獲得的具有約95X的最大糖產率的結果，經受AFEX預處理的CAFI 2 白楊木在72小時反應時間導致要低的多的最大糖產率，為約60%。 圖2顯示了通過使用過量的酶的葡萄糖發酵酵母和木糖發酵酵母的共培養進行 的同時糖化和發酵的結果。如圖所示，相比木糖，葡萄糖轉化為乙醇的速率更快。在48小 時的發酵時間之后，可以清楚地看到，幾乎所有的葡萄糖和木糖都轉化成了乙醇。
本發明的典型方法 根據本發明的一個實施方案，提供一種通過精制機加工木質纖維素材料的方法， 包括下列步驟將木質纖維素材料投入一個或多個預處理反應器中，然后在一定的溫度、蒸 汽壓力下并以一段時間將蒸汽注入一個或多個預處理反應器中，從而制備預處理的木質纖 維素材料，并讓所述預處理的材料通過精制機，其中所述精制機將所述預處理材料研磨成 為更小的份。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述木質纖維素材料包含，以干重 計算，至少約20% (w/w)的纖維素、至少約10% (w/w)的半纖維素和至少約10% (w/w)的 木質素。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述木質纖維素材料選自由草、柳 枝稗、線草、黑麥草、草蘆、芒草、制糖殘留物、甘蔗渣、農業廢料、稻草、稻殼、大麥秸稈、玉米
棒、谷稿稈、小麥秸稈、油菜秸稈、燕麥草、燕麥殼和玉米纖維、秸稈(stover)、大豆秸稈、玉
米秸稈、林業廢料、回收木漿纖維、木屑、硬木和軟木，以及它們的組合組成的組。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述硬木選自由柳樹、楓樹、橡樹、
胡桃樹、桉樹、榆樹、樺樹、七葉樹(buckeye)、山毛櫸和^樹組成的組。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述軟木選自由美國南方黃松、冷 杉、雪松、柏樹、鐵杉、落葉松、松樹和云杉組成的組。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述蒸汽壓力在約100psig和約 700psig之間。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述溫度在約165t:和約21(TC之 間。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述溫度在約18(TC和約20(TC之間。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述溫度在約185t:和約195t:之 間。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述時間在約5秒和約15分鐘之 間。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述時間為小于5分鐘。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，進一步包括用糖化酶作用于所述精制
的木質纖維素材料的一個或多個步驟。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述糖化酶選自由纖維素酶、內切 葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、P _葡萄糖苷酶組成的纖維素_水解葡萄糖苷 酶。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述糖化酶選自由木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖酶、P _木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶和 葡萄糖醛酸酶組成的半纖維素_水解葡萄糖苷酶。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述糖化酶選自由淀粉酶、a-淀 粉酶、P-淀粉酶、葡糖淀粉酶、a-葡萄糖苷酶、異淀粉酶組成的淀粉-水解葡萄糖苷酶。
在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述糖化酶體系選自纖維素酶、 內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、P -葡萄糖苷酶、木聚糖酶、內切木聚糖酶、 外切木聚糖酶、P _木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡萄糖醛酸 酶、淀粉酶、a _淀粉酶、|3 _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和異淀粉酶。
在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，進一步包括用糖化酶和生物催化劑作 用于所述精制的木質纖維素材料，以將糖轉化成乙醇的步驟。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述生物催化劑選自由細菌、真菌 和酵母組成的組。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，進一步包含用具有糖化和酵母特性的 重組生物體作用于所述精制的木質纖維素材料的步驟。 在某些實施方案中，本發明涉及上述方法，其中所述重組生物體選自由大腸桿菌、
運動發酵單胞菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌、釀酒酵母、熱纖梭菌、解糖嗜熱厭氧桿菌、樹干畢赤酵
母、埃希氏桿菌屬、發酵單胞菌屬、酵母菌屬、念珠菌屬、畢赤酵母屬、鏈霉菌屬、芽孢桿菌
屬、乳酸菌屬和梭狀芽孢桿菌屬組成的組。 通過引用引入本申請的專利 所有本發明中列舉的美國專利和美國公開專利申請都通過引用被引入本發明。此 外，本發明還引入下列專利U. S專利4， 136， 207通過引用并入本發明、U. S專利4， 427， 453 通過引用并入本發明、U. S專利4， 600， 590通過引用并入本發明、U. S專利5， 037， 663通過 引用并入本發明、U. S專利5， 171， 592通過引用并入本發明、U. S專利5， 473， 061通過引用 并入本發明、U. S專利5， 865， 898通過引用并入本發明、U. S專利5， 939， 544通過引用并入 本發明、U. S專利6， 106,888通過引用并入本發明、U. S專利6， 176， 176通過引用并入本發 明、U. S專利6， 348， 590通過引用并入本發明、U. S專利6， 392， 035通過引用并入本發明、 U. S專利6，416，621通過引用并入本發明、U. S專利7， 109， 005通過引用并入本發明、U. S專 利7， 198， 925通過弓I用并入本發明、U. S公開專利申請2005/0065336通過弓|用并入本發明、 U. S公開專利申請2006/0024801通過引用并入本發明和U. S公開專利申請2007/0031953 通過引用并入本發明。
等同方案 本領域技術人員應該能夠通過本領域的常規實驗認識到或確定許多等同于本發 明特定實施方案的技術方案，這些等同技術方案都應包含在本發明后面的權利要求中。
權利要求
一種加工木質纖維素材料的方法，包括下列步驟(a)將木質纖維素材料樣品投入預處理反應器中；(b)在一定的溫度、蒸汽壓力下并以一段時間將蒸汽注入所述預處理反應器中，由此制備具有平均粒徑的預處理的木質纖維素材料；和(c)在精制機中加工所述預處理的木質纖維素材料，以提供精制的木質纖維素材料，其中所述預處理的木質纖維素材料的平均粒徑大于所述精制的木質纖維素材料的平均粒徑。
2. 權利要求1的方法，其中所述木質纖維素材料包含，以干重計算，至少約20% (w/w) 的纖維素、至少約10% (w/w)的半纖維素和至少約10% (w/w)的木質素。
3. 權利要求l的方法，其中所述木質纖維素材料選自由草、柳枝稗、線草、黑麥草、草 蘆、芒草、制糖殘留物、甘蔗渣、農業廢料、稻草、稻殼、大麥秸稈、玉米棒、谷稿稈、小麥秸稈、 油菜秸稈、燕麥草、燕麥殼和玉米纖維、秸稈、大豆秸稈、玉米秸稈、林業廢料、回收木漿纖 維、木屑、硬木和軟木組成的組。
4. 權利要求1的方法，其中所述木質纖維素材料是硬木；且所述硬木選自由柳樹、楓 樹、橡樹、胡桃樹、桉樹、榆樹、樺樹、七葉樹、山毛櫸和岑樹組成的組。
5. 權利要求1的方法，其中所述木質纖維素材料是硬木，且所述硬木是柳樹。
6. 權利要求1的方法，其中所述木質纖維素材料是軟木；且所述軟木選自由美國南方 黃松、冷杉、雪松、柏樹、鐵杉、落葉松、松樹和云杉組成的組。
7. 權利要求l的方法，其中所述木質纖維素材料是軟木，且所述軟木是美國南方松。
8. 權利要求1的方法，其中所述蒸汽壓力在約100psig和約700psig之間。
9. 權利要求1的方法，其中所述溫度在約165t:和約21(TC之間。
10. 權利要求1的方法，其中所述溫度在約18(TC和約20(TC之間。
11. 權利要求1的方法，其中所述溫度在約185t:和約195t:之間。
12. 權利要求1的方法，其中所述時間在約5秒和約15分鐘之間。
13. 權利要求1的方法，其中所述時間為小于5分鐘。
14. 權利要求1-13中任一項的方法，其中進一步包括將所述精制的木質纖維素材料暴 露于糖化酶的步驟，以制備糖化產物混合物。
15. 權利要求14的方法，其中所述糖化酶選自由纖維素酶、內切葡聚糖酶、外切葡聚糖 酶、纖維二糖水解酶和P-葡萄糖苷酶組成的組。
16. 權利要求14的方法，其中所述糖化酶選自由木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖 酶、P -木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶和葡萄糖醛酸酶組成的 組。
17. 權利要求14的方法，其中所述糖化酶選自由淀粉酶、a -淀粉酶、|3 -淀粉酶、葡糖 淀粉酶、a-葡萄糖苷酶和異淀粉酶組成的組。
18. 權利要求14的方法，其中所述糖化酶選自由纖維素酶、內切葡聚糖酶、外切葡聚糖 酶、纖維二糖水解酶、P-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖酶、P-木糖苷 酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡萄糖醛酸酶、淀粉酶、a -淀粉酶、 P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和異淀粉酶組成的組。
19. 權利要求14-18中任一項的方法，其中進一步包括用產生乙醇作為代謝物的生物 體作用于所述糖化產物混合物的步驟。
20. 權利要求19的方法，其中所述生物體選自細菌、真菌和酵母。
21. 權利要求19的方法，其中所述生物體是酵母。
22. 權利要求1-13中任一項的方法，其中進一步包括將所述精制的木質纖維素材料暴 露給重組生物體的步驟，所述重組生物體產生乙醇作為代謝物并能產生糖化酶。
23. 權利要求22的方法，其中所述重組生物體選自大腸桿菌、運動發酵單胞菌、嗜熱 脂肪芽孢桿菌、釀酒酵母、熱纖梭菌、解糖嗜熱厭氧桿菌、樹干畢赤酵母、埃希氏桿菌屬、發 酵單胞菌屬、酵母菌屬、念珠菌屬、畢赤酵母屬、鏈霉菌屬、芽孢桿菌屬、乳酸菌屬和梭狀芽 孢桿菌屬。
24. 權利要求22的方法，其中所述重組生物體是酵母。
25. 權利要求22-24中任一項的方法，其中所述糖化酶選自由纖維素酶、內切葡聚糖 酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和P _葡萄糖苷酶組成的組。
26. 權利要求22-24中任一項的方法，其中所述糖化酶選自由木聚糖酶、內切木聚糖 酶、外切木聚糖酶、P _木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶和葡萄糖 醛酸酶組成的組。
27. 權利要求22-24中任一項的方法，其中所述糖化酶選自由淀粉酶、a-淀粉酶、 P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和異淀粉酶組成的組。
28. 權利要求22-24中任一項的方法，其中所述糖化酶選自由纖維素酶、內切葡聚糖 酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、P -葡萄糖苷酶、木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖 酶、P-木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡萄糖醛酸酶、淀粉酶、 a _淀粉酶、P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和異淀粉酶組成的組。
全文摘要
本發明的一方面涉及一種加工木質纖維素材料的方法，包括先通過蒸汽預處理提供具有一定平均粒徑的預處理的木質纖維素材料，接著通過精制提供具有一定平均粒徑的精制的木質纖維素材料，其中所述預處理的木質纖維素材料的平均粒徑要大于所述精制的木質纖維素材料的平均粒徑。在某些實施方案中，所述木質纖維素材料選自草、柳枝稗、線草、黑麥草、草蘆、芒草、制糖殘留物、甘蔗渣、農業廢料、稻草、稻殼、大麥秸稈、玉米棒、谷稿稈、小麥秸稈、油菜秸稈、燕麥草、燕麥殼、玉米纖維、秸稈、大豆秸稈、玉米秸稈、林業廢料、回收木漿纖維、木屑、硬木和軟木。
文檔編號A23K1/02GK101743257SQ200880012222
公開日2010年6月16日 申請日期2008年4月18日 優先權日2007年4月19日
發明者C·R·索斯, H·加蘭特, R·L·馬丁 申請人:馬斯科馬公司