专利名称：加工青贮生物质的方法
技术领域：
本发明在广义上涉及用于生产生物乙醇或其他发酵产物的加工青贮生物质的方法，并且具体而言涉及无需昂贵预处理(例如，热或化学预处理)的方法。
背景技术：
生物乙醇为化石燃料提供了很有前景的替代物，提供了不会造成温室效应的可再生且“碳中和(carbon neutral) ”能源。在生物乙醇前体的其他可能来源中，木质纤维素生物质可被酶法水解而提供可发酵的糖。然而，由于木质纤维素复杂的化学结构，只有在对木质纤维素进行一些使得纤维素纤维易于被酶催化的预处理后才能利用现在已知的酶活性将其有效地水解。这样的预处理过程一般包括将生物质加热至高温(100-25(TC )或加入化学物质。由木质纤维素生物质大规模生产生物乙醇或其他发酵产物需要大规模的预处理和加工。因此，在生产规模上降低成本或者提高生物乙醇的商业可行性的生物质加工方法受到越来越多的关注。对木质纤维素生物乙醇的整体生产成本有重大影响的两个因素是预处理和纤维素酶成本。因此，提供降低能源成本的加工方法和改善纤维素酶效能的水解方法是有利的。近来有报道称青贮生物质可为生物乙醇生产提供很有前景的原料。青贮主要被用作一种保藏植物材料作为动物饲料的方法。青贮物一般包括完整的采收作物(包含茎、 叶和富含淀粉的谷粒)，所述完整的采收作物可被切割、压缩并在无氧条件贮存在例如地窖中。在青贮早期，自然存在的微生物的生长耗尽氧气并将可溶性糖转化为酸，从而降低PH。 在大约3-5周后，青贮生物质中的pH和乳酸浓度变得恒定并且所述青贮物可被贮存直至使用。青贮会抑制其他微生物的有害生长，所述其他微生物可分解多糖并且降解综纤维素。青贮生物质包含淀粉成分和木质纤维素成分，所述淀粉成分可被相对便宜的淀粉酶降解，所述木质纤维素成分只能被纤维素酶降解。在本文中，发明人出人意料之外地报道，从不经耗能预处理而通过直接酶法处理水解的青贮生物质可获得合理的乙醇产量。可从初始酶法水解和/或SSF中回收所述青贮生物质的未水解组分，并且随后对其进行热预处理。
发明内容
本发明提供了在生物乙醇生产中节能且节约成本的加工青贮生物质方法。将青贮生物质不经预处理而使用淀粉酶，以及任选的淀粉酶和纤维素酶活性的结合物直接酶法水解。可从初始酶法处理中回收所述青贮生物质的未水解组分，并且随后对其进行热预处理。
图1显示了对未经热预处理的青贮生物质的酶法处理和SSF中葡聚糖的转化率百分比。显示了用4种不同的酶/酶混合物对未经处理的玉米青贮物的预水解和SSF过程中的转化率百分比，所述四种酶/酶混合物是3. 5g/kg淀粉酶(A)、7FPU/g DM纤维素酶(C)、7FPU/g DM纤维素酶和3.5g/kg淀粉酶(A+C)以及半剂量的淀粉酶和纤维素酶——1. 75g/ kg淀粉酶和3. 5FPU/g DM纤维素酶(1/2A+1/2C)。图2显示了在对经热预处理的青贮生物质的酶处理和SSF中葡聚糖的转化百分比。显示了用4种不同的酶/酶混合物对经预处理的玉米青贮物的预水解和SSF过程中的转化率百分比，所述四种酶/酶混合物是3. 5g/kg淀粉酶(A)、7FPU/g DM纤维素酶(C)、 7FPU/g DM纤维素酶和3.5g/kg淀粉酶(A+C)以及半剂量的淀粉酶和纤维素酶——1. 75g/ kg淀粉酶和3. 5FPU/g DM纤维素酶(1/2A+1/2C)。图3显示了加工青贮生物质的路线。
具体实施例方式本文使用的下列术语具有以下含义(i).青贮木质纤维素生物质青贮木质纤维素生物质是指完整作物或基本完整的作物，包括茎、秆和/或叶以及富含淀粉的谷粒的任意混合物，其中全部碳水化合物成分包括大量的纤维素和半纤维素组分，并且其中全部木质素含量为5%或更多。通过在无氧条件下贮存至少3周的时间将所述生物质“青贮”。(ii).酶法水解酶法水解是指用酶活性以如下方式处理木质纤维素生物质将纤维素和/或淀粉成分转化为糖。酶法水解可使用淀粉酶、纤维素酶、其他酶或它们的混合物进行。(iii).预处理。预处理是指对木质纤维素生物质的操作，所述操作使得它的纤维素组分更易受将碳水化合物转化为可发酵糖的酶影响。预处理可以是热预处理或化学预处理。热预处理是指将生物质加热至100°c或更高温度的预处理。化学预处理是指这样的预处理，即使木质纤维素生物质暴露于所添加的化学物质(例如酸或碱)，直至剧烈度(severity)相当于加热至100°C并维持10分钟时所达到的剧烈度。术语“任何预处理之前”仅指加工步骤的顺序并且不排除随后的预处理。预处理不指青贮本身或者在青贮时引入所述生物质的任何防腐剂、细菌、酶或其他添加剂。(iv).淀粉酶淀粉酶是指包含α -淀粉酶(1，4- α -D-葡聚糖葡聚糖水解酶，巡3. 2. 1. 1)活性的任何酶制剂。还包含β-淀粉酶(1，4-α-D-葡聚糖麦芽糖水解酶巡3. 2. 1. 2)和/或 Y-淀粉酶(葡聚糖1，4-α-葡萄糖苷酶或“葡萄糖淀粉酶”，巡3. 2. 1. 3)的任意组合的酶制剂可以是本文中所使用的“淀粉酶”。主要富含其他酶活性——例如纤维素酶活性—— 的酶制剂可含有显著的淀粉酶副活性(side activity)并因此可以是本文中所使用的淀粉酶。(ν).纤维素酶术语“纤维素酶”一般是指任何一种或多种“纤维素分解酶”，包括水解纤维素聚合物的内部键，破坏晶体结构并且释放单个纤维素链的内切-β-1，4-葡聚糖酶，和从每个末端强行地水解纤维素并且释放链长为2-4个糖部分的寡聚体的外切-1，4-葡聚糖酶 (纤维二糖水解酶)。概括性术语“纤维素酶”还指将由纤维二糖水解酶得到的产物水解为D-葡萄糖的β -葡萄糖苷酶(纤维二糖)。(vi).有效量这样的淀粉酶量是“有效量”，即在适于淀粉酶酶法水解的条件下，M小时内可转化青贮木质纤维素生物质的葡聚糖含量的至少15%。不同淀粉酶制剂的混合物可共同构成 “有效量”。至少一种淀粉酶的“有效量”可与一种或多种纤维素酶或其他酶活性结合使用。 非常有效的量是M小时内可转化青贮木质纤维素生物质的葡聚糖含量的至少20%。超级有效量是M小时内可转化青贮木质纤维素生物质的葡聚糖含量的至少25%。(vii).干物质干物质是指不可溶的材料。生物质的干物质含量是指所述生物质的固有特性。最终干物质含量是指在水解开始时水解和/或SSF反应混合物的不可溶固体含量。从青贮木质纤维素生物质中生产生物乙醇的方法已有记载。参见以引用方式全文纳入本文的参考文献[1]。以前，热预处理被认为是优化来自青贮生物质的乙醇产量所必需的。本发明人出乎意料地发现，青贮木质纤维素的淀粉成分基本上可容易地被淀粉酶完全水解，而不需要预处理。避免预处理实际上是优选的。通过避免通常出现在预处理过程中的淀粉损失，提高了由淀粉成分得到的可发酵糖的最终产率。本发明人还发现，青贮木质纤维素生物质中出乎意料高的纤维素成分部分可容易地被纤维素酶水解，而不需要预处理。因此，本发明的一些实施方案提供了在生物乙醇生产中加工青贮生物质的方法， 所述方法无需消耗能量和/或增加成本的预处理。一些实施方案提供了一种加工青贮木质纤维素生物质的方法，所述方法包括-提供青贮木质纤维素生物质，并且-在任何预处理前用有效量的至少一种淀粉酶与一种或多种纤维素酶对所述青贮生物质进行酶法水解。在优选的实施方案中，酶法水解完全或部分地作为同时糖化和发酵(SSF)的过程来进行。其他实施方案还提供其他步骤-在酶法水解之后从所述青贮生物质中回收未水解的材料，并且-将所述未水解的材料在110_250°C下进行热预处理。任何合适的原料都可用于实施本发明的方法，所述原料包括苜蓿、禾本科植物(grasses)、空果篮(empty fruit baskets)、豆科植物(legumes)、玉米、甘蔗、高粱 (sorghum)、黑麦、小麦、大麦、黑小麦、稻和其他植物。优选的原料具有至少40%，最优选至少50 %的葡聚糖含量(即，淀粉和纤维素的总含量)。优选原料的葡聚糖成分包含至少30 % 的淀粉，更优选至少40%的淀粉，或更优选至少50%淀粉。在优选的实施方案中，在青贮前，将生物质通过机械或其他方式来预加工，所述方式包括但不局限于砍(chopping)、剪(cutting)、磨(milling)、切(slicing)或将所述生物质分成部分并减小颗粒大小的任何合适方法。青贮生物质可贮存在田里、地窖中、任何合适的围场(enclosure)中或者以基本上阻止对所述生物质的有害微生物降解的任何方式贮存。在优选的实施方案中，生物质被青贮至少5周。在一些实施方案中，生物质可在成熟的最佳阶段被采收并且使用本领域已知的任何方法来青贮，所述方法包括但不局限于在参考文献[2]和/或[3]中描述的方法，其以引用的方式全本纳入本文。在优选的实施方案中，合适的青贮生物质的生产规模量将被用于实施本发明的方法。本发明的方法优选使用至少500kg、更优选至少IOOOkg青贮生物质、更优选至少 5000kg、还更优选至少10000kg青贮生物质实施。合适的青贮生物质的干物质含量可以为超过20%，或者甚至更优选地超过30%。任何合适的淀粉酶均可用于实施本发明的实施方案。在优选的实施方案中，使用包含α-淀粉酶和Y-淀粉酶混合物的酶制剂。富含α -淀粉酶的合适制品可包括市售的制品，包括NS50033TM、NOVOZymeS。或者， 可通过本领域熟知的方法从微生物中制备α-淀粉酶，所述微生物包括通常的嗜热杆菌 (Bacillus)菌株、枯草芽孢杆菌(B. Subtilis)、解淀粉芽孢杆菌(B. Amyloliquefaciens)、 木霉属CTrichoderma)菌株、烟曲霉(Aspergillus fumigatus)和其他合适的来源。对于给定的包含至少一种淀粉酶的酶制品，酶法水解的合适条件通常是公知的。 可向淀粉酶制品补加一定量的纤维素酶制品以增加产率。在优选的实施方案中，在同时糖化和发酵(SSF)之前，进行酶法水解作为预水解。预水解优选在合适的条件下进行至少6 个小时。或者，在发酵前，可将青贮生物质充分地水解，水解程度可达到任何预处理前酶法处理所允许的程度。水解之后，或者预水解之前，可将所述水解的组分分离并发酵。随后可取出未水解的材料并对其进行热预处理，之后通过主要使用纤维素酶制品进行额外的酶法水解。或者，可在SSF后取出未水解的材料并随后对其进行热预处理，之后用纤维素酶制品进行额外的酶法水解。实施例1 不经预处理对青贮生物质进行酶法处理和SSF。将2007年10月从丹麦.Nerupg^rd收获的完整玉米在收割机中剁碎，完全压缩并且在不加入化学物质的情况下储存在无氧环境下的青贮槽(bunker silo)中至2008年 8月。所述青贮物的干物质含量为约31%。未经处理的玉米青贮物的组成可根据NREL标准“生物质中木质素和结构性碳水
化合物的测定”来测定
权利要求
1.一种加工青贮木质纤维素生物质的方法，所述方法包括-提供青贮木质纤维素生物质，并且-在任何预处理前，用有效量的至少一种淀粉酶与一种或多种纤维素酶对所述青贮木质纤维素生物质进行酶法水解，所述淀粉酶量足以在M小时内转化葡聚糖含量的至少 15%。
2.权利要求1的方法，还包括步骤-从所述水解的生物质中回收未水解的材料，并且-对所述未水解的材料在110-250°C下进行热预处理。
3.权利要求2的方法，还包括步骤-对所述回收的、未水解的且经预处理材料进行酶法水解并发酵。
4.权利要求1的方法，其中所述青贮生物质有至少500kg。
5.权利要求1的方法，其中所述青贮生物质的最终干物质含量在酶法水解开始时为至少 20%。
6.权利要求1的方法，其中所述至少一种淀粉酶制剂包含至少α-淀粉酶和Υ-淀粉酶的混合物。
7.权利要求1的方法，其中所述酶法水解是作为预水解进行的，随后进行SSF。
8.权利要求1的方法，其中在至少144小时SSF后的葡聚糖转化率为至少55%。
9.权利要求1的方法，其中所述至少一种淀粉酶量为足以在对小时内转化葡聚糖含量的至少25%的超级有效量。
10.权利要求1的方法，其中所述发酵完全或部分地作为SSF过程进行。
11.权利要求1的方法，其中所述生物质包括以下的任一种苜蓿、禾本科植物、空果篮、豆科植物、玉米、甘蔗、高粱、黑麦、小麦、大麦、黑小麦和稻。
12.权利要求1的方法，其中在青贮前，通过机械或其他方式来预加工所述生物质，所述方式包括砍、剪、磨和切的任一种。
13.权利要求1的方法，其中所述淀粉酶包括从任何嗜热杆菌(Bacillus)菌株、枯草芽孢杆菌(B. Subtilis)、解淀粉芽孢杆菌(B. Amyloliquefaciens)、木霉属 CTrichoderma) 菌株或烟曲霉(Aspergillus fumigatus)制备的α-淀粉酶制品。
14.权利要求1的方法，其中所述生物质为在成熟的最佳阶段采收。
15.权利要求1的方法，其中所述生物质为在田里或地窖中青贮。
全文摘要
本发明涉及用于生产生物乙醇或其他发酵产物的加工青贮生物质的方法，并且具体而言涉及无需要昂贵预处理(例如，热或化学预处理)的方法。
文档编号C12P7/10GK102264913SQ200980152127
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月22日
发明者J·拉森, M·*·海文 申请人:因比肯公司