专利名称：木质纤维素生物质的联合热化学预处理和精制的制作方法
木质纤维素生物质的联合热化学预处理和精制 相关申请 本申请要求了 2007年4月19日申请的美国临时专利申请系列号60/925， 257的 优先权。
背景技术：
由木质纤维素材料制备乙醇的方法包括分解和水解含木质纤维素材料例如木材， 成为二糖如纤维二糖，和最终成为单糖如葡萄糖和木糖。然后微生物试剂，包括酵母通过发 酵反应将所述单糖转化成乙醇，所述发酵反应可以进行几天或几星期。含木质纤维素材料 的热、化学和/或机械预处理可以縮短水解和发酵所需的时间并改进乙醇的产率。由于在 20世纪初期就首次出现了基于氢氧化钠浸渍的碱预处理，所述处理能改进稻草的消化率 (digestibility)，因此现在已经开发了许多用于木质纤维素材料的预处理方法或工艺。
预处理的基本目的就是降低所述纤维素的结晶度并离解所述半纤维素_纤维 素-木质素复合物。所述纤维素的消化率通常随预处理的程度的增加而增加。这种消化率 的增加通常会直接涉及纤维素材料的有效表面积(ASA)的增加，这会促进最终由酶如纤维 素酶产生的酶击(enzymatic attack)。 热化学预处理方法是用于改进这些材料的可获得方法中最有效的方法之一。这种 热化学方法的一个实施例描述在西班牙专利ES87/6829中，其中使用200-250°C的蒸汽在 密封的反应器中处理事先研磨好的木质纤维素材料。在该方法中，一旦木质纤维素材料处 理完毕，所述反应器被逐渐冷却至室温。包括反应器突然减压的热化学处理称作蒸汽爆炸 处理，是能促进最终纤维素解质酶作用的最有效的预处理工艺之一。在一些情况下，所述预 处理方案通常包含催化剂试剂(例如酸)浓度的改变；然而，特征在于高浓度酸的预处理工 艺的使用是昂贵的，因为需要回收和再循环所述酸。 因此本发明的一个目的是提供一种縮短所需发酵时间和/或改进由木质纤维素 生物质生产乙醇的产率的改进的和产率有效的方法。本发明的其它目的由下列说明书、权 利要求和附图进一步说明。
发明概述 本发明涉及使用精制机与温和的预处理条件相结合的加工木质纤维素生物质的 方法，该方法提供高的乙醇产率，同时减少或消除了回收和再循环酸或其它附加催化剂的 需要，并同时降低了不必要的副产物的量。可以认为使用精制机能通过破碎预处理的纤维 素材料成为更小的颗粒而改进乙醇的产率和/或生产速率，其能提高酶水解的敏感度，进 而提高酶水解的效率，并最终导致更大的乙醇产率和/或提高反应速率。
本发明的一个方面涉及通过精制机加工木质纤维素材料的方法，以提高由木质纤 维素材料生产乙醇的产率。在某些实施方案中，将木质纤维素材料投入一个或多个预处理 反应器中，然后在一定的温度、蒸汽压力下并以足够允许蒸汽进入木质纤维素材料中的时 间，将蒸汽注入到所述一个或多个预处理反应器中，由此生产预处理的木质纤维素材料。通 过精制机进料预处理的材料，其中精制机将所述预处理的材料研磨成更小的颗粒。更小的
4精制木质纤维素材料颗粒会对酶水解更加的敏感，导致更高的单糖(monomeric sugar)产 率和/或形成率，并由发酵生产乙醇。
图1描绘了使用(1)连续预处理随后精制和(2)没有精制的间歇预处理的单糖产 率与时间的关系图。 图2描绘了在用过量的酶发酵共培养的葡萄糖和木糖中使用预处理和精制的硬 木碎片同时进行糖化和发酵的结果。 图3给出了 CAFI 2标准白杨木的组分和组分含量(wt % )表。
图4给出了 CAFI预处理的列出了关键特征的表。
图5给出了CAFI l产生的显示了公开物的表。 图6描绘了 Metso P即er的PeriFeeder 机械蒸汽分离器的透视图。
图7描绘了 Andritz的机械蒸汽分离器的透视图。
发明详述 本发明的一个方面涉及一种通过精制机进行蒸汽预处理木质纤维素材料以增加 在发酵中乙醇产率的方法。木质纤维素材料经受蒸汽水解并且通过精制机进料以减小预处 理材料的颗粒大小 所述术语"木质纤维素材料"和"木质纤维素基材"是指任何类型的包含纤维素的 木质纤维素材料，例如但不限制于非木质_植物木质纤维素材料、农业废物、林业残留物、 造纸淤渣、废水处理淤渣、由干和湿研磨谷类乙醇植物得到的玉米纤维和制糖残留物。
在一个非限制性实施例中，所述木质纤维素材料可以包括但不限于，草，例如柳 枝稗、线草、黑麦草、草芦、芒草或它们的组合；制糖残留物，例如但不限于，甘蔗渣；农业废 料，例如但不限于，稻草、稻壳、大麦秸秆、玉米棒、麦秸、油菜秸秆(canola straw)、燕麦草、 燕麦壳和玉米纤维；秸秆，例如但不限于，大豆秸秆、玉米秸秆；和林业废料，例如但不限 于，回收木浆纤维、木屑、硬木、软木或它们的组合。 木质纤维素材料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。通常，木质纤维素材料， 以干重计算，可以包含约50% (w/w)的纤维素、约30% (w/w)的半纤维素和约20% (w/w) 的木质素。木质纤维素材料可以有更低的纤维素含量，例如为至少约20% (w/w)、30% (w/ w)、35% (w/w)或40% (w/w)。 纯的纤维素是P-D-葡萄糖单元的线性、结晶聚合物。所述结构体是刚性的且通 常需要强烈的处理来破坏纤维素。半纤维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-鼠李糖的线性和支化杂聚物。半纤维素的组分含量 随木质纤维素材料的来源而变化。它的结构体不是完全结晶的，因此通常比纤维素更易于 水解。认为用于乙醇制备的木质纤维素材料的实例是硬木、软木、林业残留物、农业残留物 和城市固体废物(MSW)。认为用于乙醇生产的硬木的实例，可以包括但不限于，柳树、枫树、 橡树、胡桃树、桉树、榆树、桦树、七叶树、山毛榉和岑树。认为用于乙醇制备的软木的实例， 可以包括但不限于，美国南方黄松、冷杉、雪松、柏树、铁杉、落叶松、松树和云杉。
纤维素和半纤维素都能用于乙醇制备。所述原料中的戊糖含量很重要，因为戊糖 通常难以发酵为乙醇。为了实现最大的乙醇产率，所有的单糖都应被发酵。软木半纤维素
5含有高比例的甘露糖和比硬木半纤维素含有更多的半乳糖和葡萄糖，而硬木半纤维素通常 包含更高比例的戊糖如D-木糖和L-阿拉伯糖。 术语"反应器"是指任何适于实施本发明方法的容器。所述预处理反应器的尺寸 应足够容纳所述输入和输出所述反应器的木质纤维素材料，以及另外的围绕所述材料的预 留空间。在一个非限制性的实施例中，所述预留空间可以围绕所述材料占据的空间扩展大 约一英尺。此外，所述预处理反应器由能够经受所述预处理条件的材料构成。特别地，反应 器的构成材料应该使得pH、温度和压力不会影响容器的完整性。 基材的尺寸范围根据使用的基材的类型以及给定的方法的需求而广泛的改变。在 本发明的优选实施方案中，所述木质纤维素原料可以以允许在输送机、进料斗等中易于处 理的方式而制备。就木材而言，由商业碎片机获得的碎片是合适的；而就稻草而言，理想的 是稿杆被均匀地切成约1到约3英寸长的。取决于预处理的期望程度，在预处理之前所述 基材颗粒的尺寸可以为小于1毫米到几英寸长。所述颗粒需要只仅具有易于反应的尺寸。
预处理 在某些实施方案中，预处理包括蒸汽水解，其中木质纤维素材料经受 100psig-700psig之间的蒸汽压力。可以通过在反应器内抽真空来除去空气，例如在约50 到约300毫巴的压力下。在约1 OOpsig到约700psig之间的饱和蒸汽压力下，或其间的任 何压力下，将蒸汽添加到所述包含木质纤维素材料的反应器中，例如，所述饱和蒸汽压力可 以为约100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650或700psig。更优选地，可以 使用约140psig到约300psig的饱和蒸汽压力。当预处理期间不再添加其他化学品时，能 消除一些传统方法中产生的不必要的副产物和/或废料。 然而，在某些实施方案中，可能希望在所述预处理期间或之前添加催化剂。如果本 发明的方法中使用酸催化剂，则它可以是本领域已知的任何合适的酸，例如，所述酸可以是 但并非以任何方式限于硫酸、亚硫酸和/或二氧化硫，或它们的组合。添加的酸的量可以是 足以在选择的预处理温度下提供所述木质纤维素材料的预处理的任何量。例如，所述酸的 存在量可以为所述材料的约0%到约12%重量，或其间的任何量；例如，所述酸的存在量可 以为所述木质纤维素材料的约0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12%重量。在一个非限制性 实施例中，所述酸是二氧化硫，通过注射将其作为蒸汽添加到所述木质纤维素材料中达到 木质纤维素材料的约0. 5%到约4. 0%重量的浓度。 所述酸和蒸汽可以以任何适于本发明的顺序添加。例如，所述酸可以在将所述蒸 汽添加或注射进入预处理反应器之前、同时或之后添加。 反应器在一定温度和pH下保持足以使得所述木质纤维素材料能发生水解的一段 时间。所述时间、温度和PH的组合可以是现有技术中已知的任何适宜条件。在一个非限制 性实施例中，所述温度、时间和pH可以如美国专利No. 4， 461， 648所述，它在此作为参考被 引入本发明。 所述温度可以是约165t:到约22(TC，或其间的任何温度。更具体地说，所述温度 可以是约175"到约21(TC，或约18(TC到约20(TC，或其间的任何温度。例如，所述温度可 以是约165、175、185、195、205、215或22(TC。本领域技术人员应该认识到，所述温度可以在 预处理其间在所述范围内变动。所述温度是指加工材料的反应器的大致温度，承认在特定 位置温度可以比所述平均温度高或低。
在一些实施方案中，所述预处理温度可以大于木质素的玻璃化转变温度。当木质 纤维素材料暴露于超过所述玻璃化转变温度的温度时，木质素成为塑性相，及当冷却时，木 质素会以球状自身相互粘着，而不是被缠绕(wrap)于纤维素中。此结果可以是更多的纤维 素受到酶水解。 木质纤维素材料的非均质酶降解主要由其结构特征控制，因为(1)纤维素具有高 抗性的晶体结构，(2)围绕纤维素的木质素形成物理障碍，和(3)用于酶击的有效位点是有 限的。因此，理想的预处理应当能够降低木质素的含量，并同时降低结晶度和增加表面积。
所述预处理时间可以为约5秒到约15分钟，或其间的任何时间值；例如，所述预处 理时间可以是约5秒、30秒、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15分钟。所述预处理 时间可以小于5分钟。所述预处理时间是指材料在高温下的持续时间，在一些实施方案中， 所述高温在165。C和220。C之间。 相比添加催化剂的预处理，温和预处理如在预处理工序中不添加酸或其它催化剂 的蒸汽水解更加经济。如果不使用酸，则可以消除由回收和再循环酸带来的高成本和多余 时间。通常，通过将所述酸/蒸汽混合物经冷凝接着通过蒸馏来提纯酸而回收酸。相比无催 化蒸汽预处理，具有酸/蒸汽混合物的预处理方法增加了大量的步骤、时间和费用。另外， 无催化蒸汽水解可以制备对酶水解更加敏感的木质纤维素材料。 本发明的方法可以以连续、半连续或间歇的方式进行，并可以根据需要包括固体 再循环、液体再循环和/或蒸汽再循环操作。本发明的方法优选以连续的方式进行。
所述方法可以在单个的预处理区段、或在多个串联或并联的预处理区段中进行； 或者，它们可以间歇地或连续地在一个长的管状区段或一系列这样的区段中进行。所述设 备的结构材料和设计应能经得起所述温度和压力。在工序中可以方便地使用在加工期间引 入和/或调节以间歇或连续方式引入到预处理区段的生物质或蒸汽的量，特别是维持期望 的组分比率的方法。所述步骤可以通过一个组分到另一个组分的增量添加来进行影响。此 外，所述步骤还可以与组分的联合添加相结合。 —旦期望的预处理反应时间结束，可以通过打开反应器来终止所述预处理反应， 其释放蒸汽压力并快速冷却内容物。然后，可以通过现有技术中已知的任何适当手段将所 述预处理材料移出反应器；例如，可以通过输送、翻倒、滴落、冲洗或形成淤浆的方式移出所 述内容物。或者，所述预处理材料可以在进一步加工前保持在高于常压的压力下。
精制 术语"精制机"是指一种能降低颗粒粒度的装置。可以使用市场上可买到的精制 机如本文所述精制木质纤维素材料。例如，如图6和7所示的由Metso和Andritz生产的 圆盘精制机可用于此目的。这种装置包括一个或多个旋转圆盘，或者是另外的设计，并在设 定的压力或常压下操作。精制机可以是板材研磨机、木材研磨机或破碎机。由Hosokawa生 产的破碎机可用于精制预处理的木质纤维素材料。 加料器-水解器-精制机体系的实施方案能在纤维被输入精制机之前由纤维中分 离出蒸汽。桨料或硬木碎片和蒸汽可以被吹入该装置的进口 ，在装置中蒸汽和桨料或硬木 碎片分离。将蒸汽引导至蒸汽出口，且将浆料/硬木碎片输入精制机。该机器可以具有进 口、蒸汽出口、精制机和进料螺杆。所述进料螺杆可以帮助浆料/硬木碎片与蒸汽分离。
在某些实施方案中，木质纤维素材料在反应器中进行蒸汽水解或其它的温和自水解。然后，所述预处理的木质纤维素材料输入到分离反应器，在分离反应器中，将所述预处
理的木质纤维素材料破碎成更小的颗粒以增加所述木质纤维素材料的表面积。 在某些实施方案中，可能希望在高压下操作所述预处理反应器和精制机。在此种
情况下，木质素没有机会冷却并包覆纤维。如果木质素不包覆纤维，则易于将木质素除去，
因为它没有附着在纤维上。可以制备更高质量的纤维。同样，由于木质素不包覆纤维导致
的纤维表面积的增加，和/或由精制工序导致的木质纤维素材料的尺寸减小，和/或沉积的
在纤维上的木质素破坏，都导致精制的木质纤维素材料与酶之间的反应性的增加。 在例如在此作为参考被引入本发明的美国专利No. 4， 427， 453中所述的某些实施
方案中，未处理的木质纤维素材料通过形成加压密封、连续工作的螺杆加料器输入到高压
反应器中，在反应器中，基本上除去了包含于木质纤维素材料中的空气和过量流体。在作为
反应容器的连续水平管蒸煮器中在蒸汽相发生水解。在所述蒸煮器的出口，预处理的木质
纤维素材料的尺寸可减小。 所述"连续水平管蒸煮器"可以包括但不限于，由Andritz和Metso，以及 Black-Clawson公司生产的用于制备纤维素的蒸煮器。这种蒸煮器如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。这些蒸煮器都是本领域技术人员所熟知的。 所述术语"螺杆加料器"包括已知的通常作为螺杆压机、栓塞螺杆加料器或栓塞加 料器的装置。该装置由圆锥形的耐压外壳组成，其中装有带旋转驱动的圆锥形螺杆。所述 外壳，在其较大直径端，具有通常辐射状加料进口 ，而在其较小直径端，通常具有圆柱形、轴 向的、出口套筒。 由于1)在纤维上的木质素沉积的破坏，和/或2)由于精制木质纤维素材料的机 械剪切而提高的表面积，和/或3)由于在所述材料"爆发式"减压前减小木质纤维素材料 的尺寸而提高的表面积，使用精制机与连续预处理装置相结合的部分潜在好处是提高的反 应性。此外，所述精制机还可以提供经济有效的方式以由预处理装置输送所述木质纤维素 材料和以通过在加压的蒸煮器的出口上形成密封来协助。
糖化 在预处理的木质纤维素材料精制以后，所述精制的混合物可以在糖化酶的存在下 水解以制备单糖。所述糖化酶可以选自下列种类的酶纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚 糖酶、纤维二糖水解酶、P-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、内切木聚糖酶、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、果胶酶、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、异淀粉酶。 糖化酶可以合成、半合成或生物学地制备，包括使用重组微生物。 在某些实施方案中，糖化和发酵可以同时进行。在此情况下，一个或多个上述糖化
酶可以包括在包含一个或多个选自细菌、真菌和/或酵母的生物催化剂的溶液中。 重组生物体也可以同时进行糖化和发酵。例如，所述重组生物体可
以选自大肠杆菌、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、嗜热脂肪芽孢杆菌
(Bacillusstearothermophilus)、 酉良酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、 热纤
梭菌(Clostridiathermocellum)、角牟糖嗜热厌氧杆菌(thermoanaerobacterium
saccharolyticum)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、埃希氏杆菌属、发酵单胞菌属(Zymomonas)、酵母菌属(Saccharomyces)、念珠菌属、毕赤酵母属(Pichia)、链霉菌属、芽
孢杆菌属、乳酸菌属和梭状芽孢杆菌属。 还可以使用酵母和过量糖化酶的共培养进行SSF。
实施例 使用过量的酶进行酶水解，以使用已经使用蒸汽水解预处理和通过精制机的木质 纤维素材料来测定单糖的理论最高产率。释放的葡萄糖和木糖的总和的百分比如表1所 示。 在Andritz的2 odtpd机械成桨体系中，在160psig压力下，硬木碎片进行了 5到 10分钟的蒸汽水解。在所述体系的出口，在高温约188t:和160psig压力下，预处理的木质 纤维素材料的尺寸减小。然后，所述精制的木质纤维素材料被释放并减压至单独的收集器。 随后使用纤维素酶和木聚糖酶对所述材料进行酶水解。将试验的最大理论糖产率(方法l) 与表1所列的各种预处理方法进行对比。
表1 在24小时、48小时和72小时的同时糖化和发酵下的饱和酶速率 (saturatedenzyme rate)下的最大理论糖产率的比较。
方法预处理24小时 产率48小时 产率72小时 产率
1自水解(连续，具有精制)90%92%95%
2自水解(间歇w/o精制)63%68%70%
3自水解(由Chornet公开，连续w/o精制)80-85%
4稀酸水解(CAFI2，白杨木)76%92%95%
5AFEX (CAFI2，白杨木)60% 这些结果表明，相比没有精制工序的间歇预处理(方法2)，使用后接精制工序的 连续蒸汽水解(方法l)的预处理木质纤维素能产生更多的葡萄糖和木糖。所述数据表明， 由被连续预处理并经历精制工序的木质纤维素材料生产的糖的理论产率显示出显著的提 高。图1给出了使用方法1和方法2获得的糖产率的示意图。 相比在SSF48小时之后(方法1)具有的约92%的产率的预处理和精制的木质纤 维素材料，使用方法3获得的结果同样具有较低的最大理论收率，约80%到约85%。
此外，这些结果表明，预处理和精制的木质纤维素材料(方法1)的单糖理论收率 与在72小时的SSF之后的稀酸水解硬木(方法4)的单糖理论收率几乎相等，两种情况下 糖的收率为约95%。方法4的预处理详情如图4所示。图3列出了CAFI 2白杨木的组分 和重量百分组成。
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相比方法1获得的具有约95X的最大糖产率的结果，经受AFEX预处理的CAFI 2 白杨木在72小时反应时间导致要低的多的最大糖产率，为约60%。 图2显示了通过使用过量的酶的葡萄糖发酵酵母和木糖发酵酵母的共培养进行 的同时糖化和发酵的结果。如图所示，相比木糖，葡萄糖转化为乙醇的速率更快。在48小 时的发酵时间之后，可以清楚地看到，几乎所有的葡萄糖和木糖都转化成了乙醇。
本发明的典型方法 根据本发明的一个实施方案，提供一种通过精制机加工木质纤维素材料的方法， 包括下列步骤将木质纤维素材料投入一个或多个预处理反应器中，然后在一定的温度、蒸 汽压力下并以一段时间将蒸汽注入一个或多个预处理反应器中，从而制备预处理的木质纤 维素材料，并让所述预处理的材料通过精制机，其中所述精制机将所述预处理材料研磨成 为更小的份。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述木质纤维素材料包含，以干重 计算，至少约20% (w/w)的纤维素、至少约10% (w/w)的半纤维素和至少约10% (w/w)的 木质素。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述木质纤维素材料选自由草、柳 枝稗、线草、黑麦草、草芦、芒草、制糖残留物、甘蔗渣、农业废料、稻草、稻壳、大麦秸秆、玉米
棒、谷稿秆、小麦秸秆、油菜秸秆、燕麦草、燕麦壳和玉米纤维、秸秆(stover)、大豆秸秆、玉
米秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、硬木和软木，以及它们的组合组成的组。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述硬木选自由柳树、枫树、橡树、
胡桃树、桉树、榆树、桦树、七叶树(buckeye)、山毛榉和^树组成的组。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述软木选自由美国南方黄松、冷 杉、雪松、柏树、铁杉、落叶松、松树和云杉组成的组。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述蒸汽压力在约100psig和约 700psig之间。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述温度在约165t:和约21(TC之 间。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述温度在约18(TC和约20(TC之间。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述温度在约185t:和约195t:之 间。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述时间在约5秒和约15分钟之 间。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述时间为小于5分钟。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，进一步包括用糖化酶作用于所述精制
的木质纤维素材料的一个或多个步骤。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述糖化酶选自由纤维素酶、内切 葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、P _葡萄糖苷酶组成的纤维素_水解葡萄糖苷 酶。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述糖化酶选自由木聚糖酶、内切木聚糖酶、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、果胶酶和 葡萄糖醛酸酶组成的半纤维素_水解葡萄糖苷酶。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述糖化酶选自由淀粉酶、a-淀 粉酶、P-淀粉酶、葡糖淀粉酶、a-葡萄糖苷酶、异淀粉酶组成的淀粉-水解葡萄糖苷酶。
在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述糖化酶体系选自纤维素酶、 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、P -葡萄糖苷酶、木聚糖酶、内切木聚糖酶、 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、果胶酶、葡萄糖醛酸 酶、淀粉酶、a _淀粉酶、|3 _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和异淀粉酶。
在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，进一步包括用糖化酶和生物催化剂作 用于所述精制的木质纤维素材料，以将糖转化成乙醇的步骤。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述生物催化剂选自由细菌、真菌 和酵母组成的组。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，进一步包含用具有糖化和酵母特性的 重组生物体作用于所述精制的木质纤维素材料的步骤。 在某些实施方案中，本发明涉及上述方法，其中所述重组生物体选自由大肠杆菌、
运动发酵单胞菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、酿酒酵母、热纤梭菌、解糖嗜热厌氧杆菌、树干毕赤酵
母、埃希氏杆菌属、发酵单胞菌属、酵母菌属、念珠菌属、毕赤酵母属、链霉菌属、芽孢杆菌
属、乳酸菌属和梭状芽孢杆菌属组成的组。 通过引用引入本申请的专利 所有本发明中列举的美国专利和美国公开专利申请都通过引用被引入本发明。此 外，本发明还引入下列专利U. S专利4， 136， 207通过引用并入本发明、U. S专利4， 427， 453 通过引用并入本发明、U. S专利4， 600， 590通过引用并入本发明、U. S专利5， 037， 663通过 引用并入本发明、U. S专利5， 171， 592通过引用并入本发明、U. S专利5， 473， 061通过引用 并入本发明、U. S专利5， 865， 898通过引用并入本发明、U. S专利5， 939， 544通过引用并入 本发明、U. S专利6， 106,888通过引用并入本发明、U. S专利6， 176， 176通过引用并入本发 明、U. S专利6， 348， 590通过引用并入本发明、U. S专利6， 392， 035通过引用并入本发明、 U. S专利6，416，621通过引用并入本发明、U. S专利7， 109， 005通过引用并入本发明、U. S专 利7， 198， 925通过弓I用并入本发明、U. S公开专利申请2005/0065336通过弓|用并入本发明、 U. S公开专利申请2006/0024801通过引用并入本发明和U. S公开专利申请2007/0031953 通过引用并入本发明。
等同方案 本领域技术人员应该能够通过本领域的常规实验认识到或确定许多等同于本发 明特定实施方案的技术方案，这些等同技术方案都应包含在本发明后面的权利要求中。
权利要求
一种加工木质纤维素材料的方法，包括下列步骤(a)将木质纤维素材料样品投入预处理反应器中；(b)在一定的温度、蒸汽压力下并以一段时间将蒸汽注入所述预处理反应器中，由此制备具有平均粒径的预处理的木质纤维素材料；和(c)在精制机中加工所述预处理的木质纤维素材料，以提供精制的木质纤维素材料，其中所述预处理的木质纤维素材料的平均粒径大于所述精制的木质纤维素材料的平均粒径。
2. 权利要求1的方法，其中所述木质纤维素材料包含，以干重计算，至少约20% (w/w) 的纤维素、至少约10% (w/w)的半纤维素和至少约10% (w/w)的木质素。
3. 权利要求l的方法，其中所述木质纤维素材料选自由草、柳枝稗、线草、黑麦草、草 芦、芒草、制糖残留物、甘蔗渣、农业废料、稻草、稻壳、大麦秸秆、玉米棒、谷稿秆、小麦秸秆、 油菜秸秆、燕麦草、燕麦壳和玉米纤维、秸秆、大豆秸秆、玉米秸秆、林业废料、回收木浆纤 维、木屑、硬木和软木组成的组。
4. 权利要求1的方法，其中所述木质纤维素材料是硬木；且所述硬木选自由柳树、枫 树、橡树、胡桃树、桉树、榆树、桦树、七叶树、山毛榉和岑树组成的组。
5. 权利要求1的方法，其中所述木质纤维素材料是硬木，且所述硬木是柳树。
6. 权利要求1的方法，其中所述木质纤维素材料是软木；且所述软木选自由美国南方 黄松、冷杉、雪松、柏树、铁杉、落叶松、松树和云杉组成的组。
7. 权利要求l的方法，其中所述木质纤维素材料是软木，且所述软木是美国南方松。
8. 权利要求1的方法，其中所述蒸汽压力在约100psig和约700psig之间。
9. 权利要求1的方法，其中所述温度在约165t:和约21(TC之间。
10. 权利要求1的方法，其中所述温度在约18(TC和约20(TC之间。
11. 权利要求1的方法，其中所述温度在约185t:和约195t:之间。
12. 权利要求1的方法，其中所述时间在约5秒和约15分钟之间。
13. 权利要求1的方法，其中所述时间为小于5分钟。
14. 权利要求1-13中任一项的方法，其中进一步包括将所述精制的木质纤维素材料暴 露于糖化酶的步骤，以制备糖化产物混合物。
15. 权利要求14的方法，其中所述糖化酶选自由纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖 酶、纤维二糖水解酶和P-葡萄糖苷酶组成的组。
16. 权利要求14的方法，其中所述糖化酶选自由木聚糖酶、内切木聚糖酶、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、果胶酶和葡萄糖醛酸酶组成的 组。
17. 权利要求14的方法，其中所述糖化酶选自由淀粉酶、a -淀粉酶、|3 -淀粉酶、葡糖 淀粉酶、a-葡萄糖苷酶和异淀粉酶组成的组。
18. 权利要求14的方法，其中所述糖化酶选自由纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖 酶、纤维二糖水解酶、P-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、内切木聚糖酶、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、果胶酶、葡萄糖醛酸酶、淀粉酶、a -淀粉酶、 P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和异淀粉酶组成的组。
19. 权利要求14-18中任一项的方法，其中进一步包括用产生乙醇作为代谢物的生物 体作用于所述糖化产物混合物的步骤。
20. 权利要求19的方法，其中所述生物体选自细菌、真菌和酵母。
21. 权利要求19的方法，其中所述生物体是酵母。
22. 权利要求1-13中任一项的方法，其中进一步包括将所述精制的木质纤维素材料暴 露给重组生物体的步骤，所述重组生物体产生乙醇作为代谢物并能产生糖化酶。
23. 权利要求22的方法，其中所述重组生物体选自大肠杆菌、运动发酵单胞菌、嗜热 脂肪芽孢杆菌、酿酒酵母、热纤梭菌、解糖嗜热厌氧杆菌、树干毕赤酵母、埃希氏杆菌属、发 酵单胞菌属、酵母菌属、念珠菌属、毕赤酵母属、链霉菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属和梭状芽 孢杆菌属。
24. 权利要求22的方法，其中所述重组生物体是酵母。
25. 权利要求22-24中任一项的方法，其中所述糖化酶选自由纤维素酶、内切葡聚糖 酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和P _葡萄糖苷酶组成的组。
26. 权利要求22-24中任一项的方法，其中所述糖化酶选自由木聚糖酶、内切木聚糖 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、果胶酶和葡萄糖 醛酸酶组成的组。
27. 权利要求22-24中任一项的方法，其中所述糖化酶选自由淀粉酶、a-淀粉酶、 P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和异淀粉酶组成的组。
28. 权利要求22-24中任一项的方法，其中所述糖化酶选自由纤维素酶、内切葡聚糖 酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、P -葡萄糖苷酶、木聚糖酶、内切木聚糖酶、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、果胶酶、葡萄糖醛酸酶、淀粉酶、 a _淀粉酶、P _淀粉酶、葡糖淀粉酶、a -葡萄糖苷酶和异淀粉酶组成的组。
全文摘要
本发明的一方面涉及一种加工木质纤维素材料的方法，包括先通过蒸汽预处理提供具有一定平均粒径的预处理的木质纤维素材料，接着通过精制提供具有一定平均粒径的精制的木质纤维素材料，其中所述预处理的木质纤维素材料的平均粒径要大于所述精制的木质纤维素材料的平均粒径。在某些实施方案中，所述木质纤维素材料选自草、柳枝稗、线草、黑麦草、草芦、芒草、制糖残留物、甘蔗渣、农业废料、稻草、稻壳、大麦秸秆、玉米棒、谷稿秆、小麦秸秆、油菜秸秆、燕麦草、燕麦壳、玉米纤维、秸秆、大豆秸秆、玉米秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、硬木和软木。
文档编号A23K1/02GK101743257SQ200880012222
公开日2010年6月16日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月19日
发明者C·R·索斯, H·加兰特, R·L·马丁 申请人:马斯科马公司