从生物质生产糖和醇的制作方法
【专利摘要】本文公开的方法包括使纤维素和/或木质纤维素生物质糖化以及使糖发酵以产生糖醇。
【专利说明】从生物质生产糖和醇
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2011年12月22日提交的美国临时申请号61/579，576的权益。以上申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0003]发明领域
[0004]本发明涉及产物(例如糖醇，例如像赤藓糖醇)的生产。
[0005]背景
[0006]随着对石油的需求增加，对用于制造生物燃料和生物化学物质的可再生原料的兴趣也在增加。自20世纪70年代以来已对木质纤维素生物质作为用于所述制造方法的原料的用途进行了研究。木质纤维素生物质因其丰富、可再生、在国内生产，并且不与食品工业用途竞争而具有吸引力。
[0007]现今可获得许多潜在的木质纤维素原料，包括例如农业残余物、木质生物质、城市废物、油籽/油饼以及海草。目前这些材料用作动物饲料、生物堆肥材料、在联产设施中燃烧抑或被填埋。
[0008]木质纤维素生物质由于植物细胞壁具有坚硬并且紧凑的结构而难以降解。所述结构包括嵌入半纤维素基质中由木质素围绕着的晶体纤维素原纤维。这种紧凑基质难以由酶以及其它化学、生物化学和生物方法接近。纤维素生物质材料(例如，已基本上除去所有木质素的生物质材料)可以更易于由酶和其它转化方法接近，但是即便如此，天然存在的纤维素材料当与水解酶接触时通常具有低产率(相对于理论产率)。木质纤维素生物质甚至更难以受酶攻击。此外，每种类型的木质纤维素生物质具有其自身特定的纤维素、半纤维素和木质素组成。
[0009]虽然多种方法已试图从木质纤维素生物质中提取结构性碳水化合物，但其不是过于昂贵、生产产率过低、在所得产物中留有不期望的化学物质，就是仅降解糖类。
[0010]来自可再生生物质源的糖可以通过代替、补充或取代石油和其它化石原料而成为化学和燃料工业的基础。然而，需要开发将使得可大量并且以可接受的纯度和价格获得这些单糖的技术。
[0011]发明概述
[0012]提供了一种用于由含有一种或多种糖的纤维素或木质纤维素生物质制备糖醇的方法，所述方法包括将所述纤维素或木质纤维素生物质与能够将所述糖中的至少一种转化为糖醇的微生物组合，以及将微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述糖中的至少一种转化为所述糖醇的条件下。在一些实施方式中，所述方法包括:提供纤维素或木质纤维素生物质，其中所述纤维素或木质纤维素生物质含有一种或多种糖；提供能够将所述糖中的至少一种转化为糖醇的微生物；将所述纤维素或木质纤维素生物质与所述微生物组合，从而产生微生物-生物质组合；以及将所述微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述糖中的至少一种转化为糖醇的条件下；从而由纤维素或木质纤维素生物质制备糖醇。可以糖化纤维素或木质纤维素生物质。
[0013]本文提供的任何方法可包括在将纤维素或木质纤维素生物质与微生物组合之前减小其不顺应性以进行糖化。可通过选自由以下组成的组的处理方法减小不顺应性:用电子轰击、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸、化学处理、机械处理以及冷冻研磨。处理方法可为用电子轰击。
[0014]本文提供的任何方法还可包括对纤维素或木质纤维素生物质进行机械处理，以减小其堆积密度和/或增大其表面积。例如，可以粉碎纤维素或木质纤维素生物质，例如可对其进行干磨或可对其进行湿磨。
[0015]在本文提供的任何方法中，可用一种或多种纤维素酶糖化生物质。所述方法中的任何方法还可包括在将纤维素或木质纤维素生物质与微生物组合之前分离一种或多种糖，或者所述方法可包括在将纤维素或木质纤维素生物质与微生物组合之前浓缩一种或多种糖。所述方法还可包括在将纤维素或木质纤维素生物质与微生物组合之前浓缩并分离一种或多种糖。可调节糖化的生物质以具有至少5wt%的初始葡萄糖浓度。也可例如通过除去金属离子来纯化糖化的生物质。
[0016]本文公开的任何方法还可包括在将纤维素或木质纤维素生物质与微生物组合之前，对处于细胞生长阶段的微生物进行培养。
[0017]在本文提供的任何方法中，糖醇可为乙二醇、甘油、赤藓糖醇、苏糖醇、阿糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、半乳糖醇、艾杜醇、肌醇、庚七醇、异麦芽酮糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、麦芽四糖醇或聚糖醇。
[0018]所述微生物可为丛梗抱酵母(Moniliellapollinis)、Moniliellamegachiliensis、解脂耶氏酵母(Yarrowia Iipolytica)、短梗霉属某种(Aureobasidiumsp.)、三型抱菌某种(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、毛抱子菌属某种(Trichosporon sp.)、丛梗抱酵母属(Moniliellaacetoabutans)、Typhulavariabilis、木兰假丝酵母(Candida magnolia)、黑粉菌纲(Ustilaginomycetes)、Pseudozyma tsukubaensis ;接合酵母属(Zygosaccharomyces)的酵母种、德巴利酵母属(Debaryomyces)、汉逊酵母属(Hansenula)和毕赤酵母属(Pichia)、或者暗丛梗抱形圆酵母属(Torula)的真菌。微生物可为丛梗孢菌的种，如丛梗孢酵母(例如菌株CBS461.67)或 M.megachiliensis (菌株 CBS567.85)。
[0019]在本文提供的任何方法中，纤维素或木质纤维素生物质可为:纸、纸制品、废纸、纸浆、有色纸、装料纸、涂布纸、填充纸、杂志、印刷品、打印纸、多涂层纸、卡片材料、卡纸板、纸板、棉花、木材、刨花板、林业废弃物、锯末、杨木、木屑、草、柳枝稷、芒草、绳草、草芦、谷物残洛、稻壳、燕麦壳、小麦壳、大麦壳、农业废弃物、青忙饲料、油菜稻、小麦稻、大麦稻、燕麦稻、稻秸、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、玉米穗轴、玉米秸杆、大豆秸杆、玉米纤维、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工残渣、甘蔗渣、甜菜浆、龙舌兰渣、海藻、海草、粪肥、污物、下水、秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草(oca)、西米、高粱、马铃薯、甘薯、芋头、山药、豆类、蚕豆、扁豆、碗豆，或任何这些的混合物。
[0020]应理解，本发明不限于此概述中所公开的实施方案，并且其旨在涵盖在如由权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的修改。
[0021]附图简述
[0022] 上文将由如附图中所示的本发明的以下示例性实施方案的更具体的描述而显而易见，在附图中，相似参考标号指所有不同视图中的相同部分。附图不必按比例绘制，而是将重点放在示出本发明的实施方案上。
[0023]图1为示出纤维素酶促水解成葡萄糖的图表。纤维素底物(A)由内切纤维素酶(i)转化为纤维素(B)，所述纤维素(B)由外切纤维素酶(ii)转化为纤维二糖(C)，所述纤维二糖(C)由纤维二糖酶葡糖苷酶)(iii)转化为葡萄糖(D)。
[0024]图2为示出生物质原料转化为一种或多种产物的流程图。对原料进行物理预处理(例如，减小其尺寸)(200)、进行任选处理以减小其不顺应性(210)、进行糖化以形成糖溶液(220)，将溶液运送(230)到制造工厂(例如，通过管道、轨道车)(或者如果在途中进行糖化，则运送原料、酶和水)，对糖化的原料进行生物加工以产生所希望的产物(例如，醇)(240)，并且可以例如通过蒸馏对产物进行进一步加工以产生最终产物(250)。用于不顺应性的处理可通过测量木质素含量(201)并设定或调节工艺参数(205)来改进。使原料糖化
(220)可通过将原料与介质和酶混合(221)来改进。
[0025]详述
[0026]本发明涉及加工生物质原料材料(例如，生物质材料或生物质衍生的材料，如纤维素或木质纤维素材料)以获得糖醇(如赤藓糖醇((21?，3幻-丁烷-1，2，3，4-四醇)或其同分异构体或混合物)的方法。
[0027]
【权利要求】
1.一种方法，所述方法包括: 通过将含有一种或多种糖的纤维素或木质纤维素生物质与能够将所述糖中的至少一种转化为糖醇的微生物组合、以及将所述微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述糖中的至少一种转化为所述糖醇的条件下，而由所述纤维素或木质纤维素生物质制备所述糖醇。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在使所述生物质与所述微生物接触之前减小所述纤维素或木质纤维素生物质的不顺应性。
3.如权利要求1或2所述的方法，所述方法进一步包括使所述纤维素或木质纤维素生物质糖化。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述糖醇选自由以下组成的组:乙二醇、甘油、赤藓糖醇、苏糖醇、阿糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、半乳糖醇、艾杜醇、肌醇、庚七醇、异麦芽酮糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、麦芽四糖醇以及聚糖醇。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述糖醇包括赤藓糖醇。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述微生物选自由以下组成的组:丛梗孢酵母、Moniliella megachiliensis、解脂耶氏酵母、短梗霉属某种、三型孢菌某种、变异三角酵母、毛孢子菌属某种、丛梗孢酵母属、Typhula variabilis、木兰假丝酵母、黑粉菌纲、Pseudozyma tsukubaensis ;接合酵母属的酵母种、德巴利酵母属、汉逊酵母属和毕赤酵母属；以及暗丛梗孢形圆酵 母属的真菌。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述微生物为丛梗孢菌的种。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述微生物为丛梗孢酵母。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述微生物为丛梗孢酵母菌株CBS461.67。
10.如权利要求7所述的方法,其中所述微生物为M.megachiliensis。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述微生物为M.megachiliensis菌株CBS567.85。
12.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述纤维素或木质纤维素生物质选自由以下组成的组:纸、纸制品、废纸、纸浆、有色纸、装料纸、涂布纸、填充纸、杂志、印刷品、打印纸、多涂层纸、卡片材料、卡纸板、纸板、棉花、木材、刨花板、林业废弃物、锯末、杨木、木屑、草、柳枝稷、芒草、绳草、草芦、谷物残渣、稻壳、燕麦壳、小麦壳、大麦壳、农业废弃物、青贮饲料、油菜稻、小麦稻、大麦稻、燕麦稻、稻稻、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、玉米穗轴、玉米秸杆、大豆秸杆、玉米纤维、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工残渣、甘蔗渣、甜菜浆、龙舌兰渣、海藻、海草、粪肥、污物、下水、农业或工业废弃物、秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草、西米、高粱、马铃薯、甘薯、芋头、山药、豆类、蚕豆、扁豆、碗豆，以及任何这些的混合物。
13.如权利要求2所述的方法，其中所述不顺应性通过选自由以下组成的组的处理方法来减小:用电子轰击、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸、化学处理、机械处理以及冷冻研磨。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述处理方法为用电子轰击。
15.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述生物质材料为木质纤维素生物质。
16.如以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括对所述纤维素或木质纤维素生物质进行机械处理以减小其堆积密度和/或增大其表面积。
17.如权利要求16所述的方法，其中对所述纤维素或木质纤维素生物质进行粉碎。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述粉碎为干磨。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述粉碎为湿磨。
20.如权利要求3所述的方法，其中所述生物质用一种或多种纤维素酶糖化。
21.如以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括在将所述纤维素或木质纤维素生物质与所述微生物组合之前分离所述一种或多种糖。
22.如以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括在将所述纤维素或木质纤维素生物质与所述微生物组合之前浓缩所述一种或多种糖。
23.如以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括在将所述纤维素或木质纤维素生物质与所述微生物组合之前，对处于细胞生长阶段的所述微生物进行培养。
24.如权利要求3所述的方法，其中调节所糖化的生物质以具有至少5wt%的初始葡萄糖浓度。
25.如权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括纯化所述糖化的生物质。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述纯化包括除去金属离子。
【文档编号】C12P7/00GK104011215SQ201280062596
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】M·梅多夫, T·马斯特曼, J·穆, A·吉田 申请人:希乐克公司