从纤维素生物质获得产物糖流的方法

专利名称：从纤维素生物质获得产物糖流的方法
技术领域：
本发明涉及从纤维素生物质获得产物糖流的方法，更具体而言，本发明涉及获得产生自纤维素生物质向糖的酶转化的产物糖流的方法。
背景技术：
目前，从诸如玉米淀粉、甘蔗和甜菜等原料生产燃料乙醇。但是，由于适于生产这些作物的农田有限以及与人和动物食物链的利益竞争，因此从这些来源生产的乙醇不能进一步扩展。最后，由于在转化过程中化石燃料的使用与一氧化碳和其它产物的释放有关，因此这些原料的使用对环境造成负面影响。
从含有纤维素的原料如农业废物、草、林业废物和糖加工残余物产生乙醇的可能性受到了广泛关注，因为这些大量的廉价原料的可用性、避免焚烧或掩埋纤维素废物材料的期望性以及乙醇作为燃料比汽油更清洁。此外，纤维素转化过程的副产物木质素可用作燃料，为纤维素转化过程提供能量，从而避免使用化石燃料。研究表明，考虑到整个循环，使用从纤维素生产的乙醇几乎不产生任何温室气体。
可用于乙醇生产的纤维素原料包括(1)农业废物如玉米秸、小麦杆、大麦秆、双低油菜杆(canola straw)和大豆秆；(2)草如柳枝稷、芒属草(miscanthus)、网茅属草(cord grass)和草芦；(3)林业废物如白杨木和锯末；和(4)糖加工残余物如蔗渣和甜菜渣。
纤维素由很难断裂的晶体结构组成，第二普遍的成分半纤维素也一样。将纤维素纤维转化为乙醇需要1)将纤维素和半纤维素从木质素中释放出来或增加纤维素原料中纤维素和半纤维素与纤维素酶的可接近性；2)将半纤维素和纤维素碳水化合物聚合物解聚为游离糖；和3)将混合的己糖和戊糖发酵成乙醇。
将原料运送至工厂，通常将原料颗粒减小至期望的大小，使之适合于后续加工步骤操作。
用于将纤维素转化为糖的熟知方法之一是包括在足以将纤维素水解为葡萄糖的温度、酸浓度和时间长度下使用蒸气和酸的酸水解方法(Grethlein，J.Appl.Chem.Biotechnol.，1978，28296-308)。然后使用酵母将葡萄糖发酵为乙醇，回收乙醇并蒸馏纯化。对于酸水解已研究了多年，但由于在剧烈的水解条件下低的糖产率，所以仍未取得商业上的成功。
纤维素水解的另一个方法是酸预水解(或预处理)，然后酶水解。在这一顺序中，先将纤维素材料以与上述酸水解过程相似的过程进行预处理，但使用较温和的温度、较低的酸浓度、较短的处理时间或者这些条件的组合。这一预处理过程增加了纤维素纤维中纤维素在后续转化步骤中的可接近性，但其本身却几乎没有转化。在下一步骤中，将预处理的原料调至适当的温度和pH，通常为50℃、pH5，然后进行纤维素酶的酶转化。在预处理过程中选择的蒸气温度、硫酸浓度和处理时间比酸水解过程中的那些显著温和，使得随着纤维素原料转化为泥质(muddy texture)，接触的纤维素表面积大大增加。大部分半纤维素被水解，但纤维素却几乎没有被转化为葡萄糖。在使用纤维素酶的后续步骤中，纤维素被水解为葡萄糖，在这种情况下蒸气/酸处理称为预处理。
在纤维素被酸或纤维素酶水解后，糖发酵为乙醇，然后通过蒸馏回收乙醇。
纤维素材料中的纤维素高效地转化为糖以及后续的糖发酵为乙醇代表着工业中的主要挑战。具体而言，预处理后的糖流中存在大量的杂质，包括盐、糖降解产物、有机酸、可溶性酚类化合物和其它化合物。这些化合物由原料的降解产生，或者对于盐的情况由该方法中加入的酸和碱产生。这些杂质的存在大大地抑制了酵母对糖的发酵。在没有糖的高收率有效发酵的存在下，从生物质生产乙醇在商业上不可行。此外，由于存在大量杂质而不能从糖流中回收乙酸和盐代表该方法损失潜在的收益。
在发酵前将有毒的抑制剂、硫酸和硫酸盐以及乙酸和乙酸盐从糖流中除去是大量研究的主题。研究过的方法包括石灰加入法、离子交换法和离子排阻法。
在石灰加入法中，将不溶性石灰(氢氧化钙)加入糖流中以使杂质沉淀。用石灰处理过的糖溶液具有碱性pH，用酸通常为磷酸、亚硫酸、碳酸或它们的混合物中和。任选地通过过滤将石灰饼与糖分离。第二个选择是在碱性pH下过滤石灰饼，并进行第二次过滤除去酸化步骤中沉淀的物质。石灰处理降低了糖流对酵母和其它微生物的毒性。但是，对石灰饼的任何操作都是困难的且成本高。此外，向糖流中引入钙增加了钙垢沉积于蒸发器、蒸馏塔和其它加工设备上的可能性。清洁垢和避免垢形成都增加了糖加工的成本。此外，引入石灰使盐和乙酸的回收更困难。
在离子交换法中，糖流流过填满离子交换树脂的柱。树脂是阳离子交换型或阴离子交换型或两者的结合。原则上，阳离子交换树脂除去阳离子如钠或钾，而阴离子交换树脂除去阴离子如硫酸根和乙酸根。例如，Nilvebrant等(App.Biochem.Biotech，2001，91-9335-49)研究了离子交换法，其中处理云杉水解产物以除去发酵抑制剂如酚类化合物、呋喃醛和脂族酸。使用阴离子交换剂、阳离子交换剂和不带电荷的树脂进行分离。研究者发现由于在pH10.0下大部分酚基团是离子化的，因此在这一pH下用阴离子交换剂处理除去酚抑制剂。
在实践中，有一些因素限制离子交换处理除去抑制剂的有效性。首先，这些流的多组分性质导致在任何单一的一组条件下无法有效地除去一些种类。第二，高离子负载要求树脂非常频繁的再生且是昂贵的。最后，不是所有的抑制剂都是离子的，离子交换法在从糖中除去非离子化合物方面是无效的。
离子排阻法使用离子交换树脂，但不结合溶液中的目标离子，而是树脂上的电荷与溶液中目标离子相配(match)，从而使它们与树脂排斥。然后被排斥的化合物容易地从柱中洗脱，而不带电化合物则被吸附在树脂上，从柱上更慢地被洗脱下来。例如，硫酸和葡萄糖的浓溶液中氢为主要阳离子。氢型阳离子交换树脂将排斥酸，使之很快被洗脱。不带电的葡萄糖则不被从树脂上排斥，被吸收至树脂腔隙中，从而从柱上比酸更缓慢地被洗脱下来。
多个小组描述了用离子排阻法对生物质流中的糖进行解毒。例如，Wooley等(Ind.Eng.Chem.Res.，1998，373699-3709)教导通过将产物流泵过氢型阳离子交换树脂床的方法来除去生物质糖中的乙酸和硫酸。树脂上的阳离子排斥硫酸中的氢离子，因而使硫酸很快从柱中洗脱下来。不带电的糖分子被吸收在树脂的孔隙空间中，从柱中洗脱的速度比硫酸慢。完全结合的乙酸(非离子)是比糖或硫酸小的分子，因此从柱中洗脱的速度慢于硫酸或糖。此外还描述了用于生产不含硫酸和乙酸的葡萄糖流的模拟移动床(SMB)系统。Wooley的方法的缺点是葡萄糖回收率只有92％。损失的8％葡萄糖是该系统的重要成本。离子排阻法在pH约1-2下进行，在这么低的pH值下木糖可能发生显著降解。
U.S.5,560,827和5,628,907(Hester等)公开了一种使用包括排列在4个区的多个离子排阻柱的SMB装置分离离子组分(酸)与非离子组分(糖)的方法。该分离使用氢型阳离子(或阳离子交换)树脂在低pH下进行。Hester的方法引入多种装置以将分散作用和沟流作用降至最低。将糖/酸溶液加在柱上，酸先洗脱出，而用水将糖后洗脱出来。
U.S.5,407,580(Hester等)公开了一种使用制备规模的离子排阻系统分离离子组分(酸)与非离子组分(糖)的方法。该系统包括浮头分布板，以防止由于树脂床的收缩而产生的稀释层的形成。可以在一系列处理条件下对柱进行操作以生产单独且清楚的酸和糖洗脱曲线。进行该方法可接受的条件为硫酸浓度1.0-20.0％，给料体积为1.0-5.0，流速为0.1-2.0，使用二乙烯基苯树脂，交联百分比为1.0-15。
U.S.5,580,389和5,820,687(Farone等)教导一种生产和分离糖的方法。该两步骤方法包括使用酸将生物质解晶并水解，然后向水解产物加压，收集含有酸和糖的液体。将液体加至强交联阳离子树脂上，在低pH下运行，这样糖被吸附在树脂上。用气体清洗树脂，将酸从树脂中压出，然后用水洗涤树脂，产生糖流。
U.S.5,968,362(Russo等)公开了使用阴离子交换树脂通过离子排阻色谱分离糖与酸的方法。糖从柱中洗脱出来，可能含有残余酸和重金属。可以使用石灰处理除去重金属并中和酸。酸吸附在树脂上并被保留，用水将其从树脂上洗脱下来。
Nanguneri等(Sep.Sci.Tech.，1990，25(13-15)1829-1842)使用改良的数学模型模拟糖与酸的分离，并将获得的结果与实验数据进行比较。然后对在不同操作参数下的分离特性进行分析以确定最佳操作条件。该模拟方法将使得富含酸的糖流先洗脱出来，然后稀酸/糖交界流洗脱出来，然后是富含糖的糖流洗脱出来。Nanguneri等在最佳加工条件下进行经济学分析，并得出离子排阻法对于将木质纤维素原料进行加工产生乙醇而言非常切实可行的结论。但是，Nanguneri等的方法的缺点是分离并回收稀酸/糖交界流的成本很高。
U.S.6,663,780(Heikkil等)公开了一种方法，其中产物部分如蔗糖、甜菜碱和木糖从糖蜜中分离出来，所述糖蜜从多种来源包括甜菜糖蜜和甘蔗糖蜜以及产生自生物质的水解产物获得。该方法包括用碳酸钠(pH9)处理糖蜜以使钙沉淀，然后除去所得的沉淀。然后用模拟移动床(SMB)方法处理滤液，使用至少两个用强酸阳离子交换树脂填充的SMB系统进行该方法。在第一系统中回收蔗糖，而在第二系统中回收甜菜碱。可以将从第一系统获得的蔗糖结晶，并将结晶剩余液(run-off)施于第二系统。还描述了使用两个系统从亚硫酸盐蒸煮液中回收木糖的方法。在第一系统中分级分离之前，将pH为3.5的亚硫酸盐蒸煮液过滤并稀释至浓度为47％(w/w)。将从第一系统获得的木糖部分结晶，用MgO调至pH3.6，将剩余液加至第二系统中。在第二系统中，使用连续的SMB将木糖与结晶剩余液分离。
U.S.6,663,780(Heikkil等)中公开的分离技术的缺点在于包括两个SMB系统，其不仅成本高而且方法复杂。此外，通过加工木质纤维素生物质产生的水解产物中存在的糖比甜菜加工中的蔗糖更难结晶。U.S.6,663,780中通过结晶进行的蔗糖初步纯化对于生物质系统中的葡萄糖并不成功。
多个小组报告了使用离子排阻色谱或离子交换法从得自甘蔗的糖蜜中分离蔗糖的方法。例如U.S.4,359,430(Heikkil等)公开了一种从逆糖蜜(inverted molasses)中回收甜菜碱的方法。首先将糖蜜用水稀释至浓度为35-40％，然后施加于含有阳离子交换树脂的柱上。用水洗脱，获得第一非糖废物部分，然后是第二含糖部分，以及含甜菜碱的第三部分。通过蒸发和结晶回收甜菜碱。虽然回收了高水平的甜菜碱，但该专利没有描述从含糖部分中回收蔗糖。
U.S.6,482,268(Hyky等)还公开了一种通过模拟移动床(SMB)操作从甜菜糖蜜中分离蔗糖和甜菜碱的方法。与U.S.6,663,780相似，Hyky等的方法包括首先加入碳酸钠，使钙从甜菜糖蜜中沉淀，并将所得碳酸钙过滤。然后将甜菜糖蜜施加于用具有二乙烯基苯骨架的强阳离子交换树脂填充的柱上。首先洗脱下来的是蔗糖部分，然后是甜菜碱部分，然后将甜菜碱部分浓缩并进一步分级分离，得到第二蔗糖部分和含有一些蔗糖的第二甜菜碱部分。将第二蔗糖和甜菜碱部分与起始分级分离中获得的蔗糖和甜菜碱部分合并。虽然Hyky等描述了从甜菜糖蜜中分离蔗糖和甜菜碱，但是在生物质转化过程中这些组分将是不存在的。
GB1,483,327(Munir等)教导了使用离子排阻色谱从糖蜜中分离糖的方法。离子交换柱包括两种类型的阳离子交换树脂，其以盐形式使用以防止柱床的收缩。糖吸附在柱上，用pH调至大于9的去碳水洗脱。
WO95/17517 (Chieffalo等)公开了一种加工城市固体废物以回收可再利用物质和制备乙醇的方法。将纤维素材料切碎，用酸和石灰预处理以除去重金属，然后用浓酸(硫酸)处理以生产糖。将糖与酸在强酸性阳离子交换树脂上分离。
U.S.4,101,338(Rapaport等)公开了一种通过离子排阻色谱分离从甘蔗获得的赤糖糊中存在的盐和糖的方法。进行离子排阻色谱之前，对糖蜜进行处理除去有机非糖杂质和颜色。有多种方法被建议用于除去这些杂质，包括一种利用与铁盐如氯化铁、硫酸铁沉淀形成絮凝物的优选方法。然后将这些不溶性絮凝物从糖蜜流中除去，加入石灰和磷酸或无机磷酸盐将pH升高至7.0以上除去可溶性铁盐。然后将糖蜜流施加至离子交换柱上以产生含有蔗糖和分离的盐的部分。该方法的缺点在于加入铁离子时糖蜜的pH为2.0-3.0。在这样低的pH下，木糖可能发生降解。此外，Rapaport等没有描述从糖中分离乙酸。
Rapaport等的方法无法除去木质纤维素系统中的非碳水化合物类有机杂质。根据Rapaport的方法，经铁盐或乙醇沉淀的固体量不多，离心没有除去任何固体。相反，在木质纤维素原料的加工中生产的糖流中非碳水化合物类有机杂质和无机盐的水平要高得多。Rapaport等没有描述对这些浓糖流的加工。
美国专利6,709,527(Fechter等)公开了一种处理不纯的来自甘蔗的糖汁以生产白糖和白糖蜜(white strap molasses)的方法。该方法包括将糖汁进行微过滤/超滤以降低杂质水平。然后使糖汁与强酸性氢型阳离子交换树脂进行离子交换，然后与氢氧根型阴离子交换树脂进行离子交换。离子交换之后，将所得糖溶液浓缩至产生糖浆，然后使糖浆结晶，产生不纯的晶体糖和白糖蜜。虽然该方法使杂质从蔗糖溶液中除去，但是它也有上述离子交换色谱法相关的局限性。
U.S.4,631,129(Heikkil等)教导一种从亚硫酸盐纸浆废液流中纯化糖的方法。该方法包括两个步骤，其中在第一步骤中，将亚硫酸盐废液的pH调至低于3.5，使该液流经过强酸性离子排阻树脂以回收两个富含木质素磺酸盐的抽余液部分和含有糖和7.8％-55％木质素磺酸盐的产物流。在第二步骤中，将产物流的pH调至5.5-6.5。然后将产物流过滤并加至第二离子排阻柱上，通过将其与该流中大量的木质素磺酸盐分离以进一步纯化该糖。该方法的问题在于使用两个离子排阻系统成本高，使方法变得复杂。此外，Heikkil等没有定量或描述在处理生物质，例如包括硫酸盐在内的无机盐、乙酸和其它有机酸时存在的化合物的分离。
Bipp等(Fresenius J.Anal.Chem.，1997，357321-325)描述了通过离子排阻色谱对乳清粉水解物中糖酸和有机酸进行的分析测定和定量。洗脱用0.005 M硫酸(pH为2.3)在45℃的温度下以及0.05M(pH为1.30)和10℃下进行。虽然分析表明该方法适合于测定和定量包括糖酸和乙酸在内的有机酸，但分离所需温度在工业应用中将是不实际的。此外，这样低的pH值可能会导致降解产物的产生。
需要在糖的微生物发酵之前将糖流解毒的经济的系统。开发这样的系统对于将木质素纤维素原料转化为葡萄糖以及之后转化为乙醇或其它产物的整个过程而言仍是关键的需要。

发明内容
本发明涉及从纤维素生物质获得产物糖流的方法，更具体而言，涉及获得产生自纤维素生物质向糖的酶转化的产物糖流的方法。
本发明的目的是提供性能改进的生物质转化的方法。
本发明提供从纤维素生物质获得产物糖流的方法(A)，所述方法包括a)通过将一种或多于一种酸加入所述纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；b)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；c)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；d)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；e)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；和f)回收所述产物糖流。
本发明还涉及上述的方法(A)，其中在所述处理步骤(步骤e))中，在pH为约6至约10下进行离子排阻色谱。也可以在pH为约6.5至约10下或在pH为约6至约8下进行离子排阻色谱。
本发明还涉及上述的方法(A)，其中将步骤d)中产生的所述澄清糖流在处理步骤(步骤e))之前或期间浓缩。也可以将步骤e)中产生的所述产物糖流浓缩。
在所述回收步骤(步骤f))之后，可以将产物糖流中的糖发酵。此外，可以将所述产物糖流中的糖发酵，产生乙醇或乳酸。本发明还涉及如上所述的方法，其包括回收所述一个或多于一个抽余液流的步骤。
本发明还涉及上述的方法(A)，其中在所述处理步骤(步骤e))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。SMB系统或ISMB系统可以以每个循环给料和收集位置有4至16，8至12，或更优选4至12次移动进行操作。
本发明还提供上述的方法(A)，其中所述纤维素生物质从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得。优选所述酸为硫酸，而所述无机盐包括硫酸盐(其中包括硫酸氢盐)。所述澄清糖流的特征可以为木质素磺酸盐含量为澄清糖流中存在的总干固体的约0至约4％。所述预处理可以选自蒸汽爆破(stream explosion)和稀酸预水解。在所述预处理步骤(步骤a))之前，还可以将所述纤维素生物质原料挤压或浸出。
使用纤维素酶将未转化的纤维素进行酶水解。纤维素酶的剂量可以为每克纤维素约5至约50IU。
本发明还涉及上述方法(A)，其中在所述加入步骤(步骤b))中，所述一种或多于一种碱是可溶性碱。所述可溶性碱可选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨和氢氧化铵。
本发明还涉及上述方法(A)，其中通过微过滤、板框式过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤或离心将所述不溶性残余物与所述粗糖流分离。
本发明还提供生产乙醇的方法(B)，其包括a)从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得纤维素生物质；b)通过将一种或多于一种酸加入所述纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；c)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；d)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；e)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；f)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；和g)回收所述产物糖流和一个或多于一个抽余液流；和h)将产物糖流中的糖发酵成乙醇或乳酸。
本发明还涉及上述的方法(B)，其中在所述处理步骤(步骤f))中，在pH为约6至约11下进行离子排阻色谱。优选在pH为约6.5至约10下或约6至约8下进行排阻色谱。
本发明还涉及上述的方法(B)，其中将步骤e)中产生的所述澄清糖流在所述处理步骤(步骤f))之前或期间浓缩。也可以将步骤f)中产生的产物糖流浓缩。
在所述预处理步骤(步骤b))中，预处理选自蒸汽爆破和稀酸预水解。优选所述酸为硫酸，而所述无机盐包括硫酸盐(其包括硫酸氢盐)。纤维素酶的剂量可以为每克纤维素约5至约50IU。
在所述分离步骤(步骤e))中，可以通过微过滤、板框式过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤或离心将所述不溶性残余物与所述粗糖流分离。所述澄清糖流的特征可以为木质素磺酸盐含量为澄清糖流中存在的总干固体的约0至约4％。另外，在所述预处理步骤(步骤b))之前，还可以将所述纤维素生物质原料挤压或浸出。
本发明还涉及上述的方法(B)，其中在所述处理步骤(步骤f))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。所述离子排阻色谱可以在pH为约6至约8下进行。另外，所述SMB系统或ISMB系统可以以每个循环给料和收集位置有4至16，8至12，或4至12次移动进行操作。
本发明还涉及上述的方法(B)，其中在所述回收步骤(步骤g))中，回收所述抽余液流作肥料。
本发明还提供从粗糖流获得产物糖流的方法(C)，所述粗糖流产生自纤维素生物质向糖的转化，所述方法包括a)用离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述粗糖流，产生含有硫酸盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物流，和b)获得所述产物糖流。
本发明还涉及上述的方法(C)，其中在所述获得步骤(步骤b))后，将所述产物糖流中的糖发酵。例如，将所述产物糖流中的糖发酵，产生乙醇或乳酸。
本发明还涉及上述的方法(C)，其中在所述获得步骤(步骤b))中，回收所述一个或多于一个抽余液流。
本发明还涉及上述的方法(C)，其中在所述处理步骤(步骤a))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。
本发明还涉及上述的方法(C)，其中所述粗糖流的特征为木质素磺酸盐含量为粗糖流总干固体的约0至约10％。
此外，上述的方法(C)中使用的纤维素生物质可以从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、稻草、燕麦秸、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得。优选用酸预处理原料以将纤维素、一部分纤维素、半纤维素、一部分半纤维素或它们的组合转化为糖并产生粗糖流。所述纤维素生物质的预处理可以选自蒸汽爆破、稀酸预水解和高压液体水。在预处理之前还可以将纤维素生物质原料挤压或浸出。
除去杂质可以使糖流更容易发酵。这可以获得较高收率的乙醇或其它产物。或者，与不除去杂质相比，可以更短的时间或使用更小的发酵罐获得相似的收率。无机盐、乙酸盐和其它杂质可以回收并可作为副产物销售，这可能增加该方法的收益。
该方法克服了现有技术的缺点，与以前报告的生物质糖系统相比，该方法在高的多的pH范围下进行离子排阻。在这一高pH范围下，预处理中产生的乙酸作为乙酸盐存在，预处理步骤中引入的酸也以盐形式存在。例如，考虑预处理中使用硫酸。增加所得糖流的pH增加了无机硫酸盐的浓度。使用其它酸形成类似的无机盐。pH值为约5-10时，无机盐和乙酸盐被阳离子排阻树脂排斥。这导致无机盐和乙酸盐在pH5-10下具有相似的洗脱，从而去除了在较酸性条件下所需要的三个液体流来回收无机酸、乙酸和糖的需要。这进一步增加了糖的回收率并降低了系统的复杂性。本发明的方法的糖回收率能够达到98.5％或更高，这与现有技术中在酸性pH下的92％的回收率相比有显著改善。
因此，本发明在木质素纤维素原料的转化中在糖纯化以及无机盐和乙酸盐回收方面提供显著优势。
本发明的发明内容部分不一定描述本发明的全部必要特征。
附图简述从以下的具体实施方式
并参考附图，本发明的这些和其它特征将变得更清楚，在附图中

图1表示模拟移动床(SMB)系统中各区以及液体流向的显示。
图2表示使用离子排阻色谱在不同pH值下分离葡萄糖与硫酸钠和乙酸钠。图2A表示硫酸钠、乙酸钠和葡萄糖在pH8下的洗脱。图2B表示硫酸氢钠、乙酸和葡萄糖在pH3下的洗脱。
图3表示使用离子排阻色谱在pH8下分离生物质转化澄清糖流中的糖(葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)、硫酸钠和乙酸钠。
图4表示使用离子排阻色谱在pH7下进行生物质转化处理流中的木糖和盐的洗脱。
图5表示使用离子排阻色谱在pH5下分离生物质转化处理中的木糖和盐。图5A表示硫酸铵和木糖的洗脱。图5B表示硫酸根离子、铵离子和木糖的洗脱。图5C表示硫酸铵、木糖和乙酸的洗脱。
具体实施例方式
本发明涉及从纤维素生物质获得产物糖流的方法，更具体而言，涉及获得产生自纤维素生物质向糖的酶转化的产物糖流的方法。
以下的描述是优选实施方案。
本发明的方法可以将硫酸、乙酸、盐和其它杂质从木质素纤维素原料转化为糖中产生的粗糖流中除去。将粗糖流中的不溶性残余物除去以产生澄清糖流，将所述澄清糖流在pH约5.0至碱性pH下，例如pH约5至约10下，或者其间任何数字下进行离子排阻色谱。在这一pH范围内操作时，糖被收集在高结合产物糖流中，而其它杂质被收集在一个或多个低结合抽余液流中。然后所述产物糖流可以被微生物发酵，产生乙醇、乳酸或其它发酵产物。
本发明提供纯化粗糖流的方法，所述粗糖流可适合于进一步加工，例如但不限于用作发酵原料、生长培养基或其它用途。所述方法包括a)通过将一种或多于一种酸加入纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；b)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；c)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；d)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；e)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；和f)回收所述产物糖流。
本发明还提供用于生成乙醇的方法，其包括a)从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得纤维素生物质；b)通过将一种或多于一种酸加入所述纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；c)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；d)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；e)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；
f)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；和g)回收所述产物糖流和一个或多于一个抽余液流；和h)将所述产物糖流中的糖发酵成乙醇或乳酸。
本发明还提供从粗糖流获得产物糖流的方法，所述粗糖流产生自纤维素生物质向糖的转化，该方法包括a)用离子排阻色谱在pH为约6.0至约10.0下处理所述粗糖流，产生含有硫酸盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物流；和b)获得所述产物糖流。
可以将所述产物糖流中的糖发酵，例如产生乙醇或乳酸。
所述粗糖流是木质素纤维素原料经水解转化为糖的产物。术语“木质素纤维素原料”、“木质素纤维素生物质”、“纤维素生物质”或“生物质原料”是指任何类型的含有纤维素的生物质。纤维素生物质可由整个植物或其一部分或者植物或其部分的混合物组成，其中任何一个可以是用于该方法的粗糖源。本发明的方法对于多种生物质原料都有效，所述生物质原料包括(1)农业废物如玉米秸、玉米纤维、小麦杆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草和大豆秆；(2)草如柳枝稷、芒属草、网茅属草和草芦；(3)林业残余物如白杨木和锯末；和(4)糖残余物如蔗渣或甜菜渣；以及它们的任何组合。
纤维素生物质含有的纤维素量高于约20％，更优选高于约30％，更优选高于约40％(w/w)，更优选高于约50％(w/w)。例如，木质素纤维素材料可以含有约20％至约50％(w/w)的纤维素或更多量，或其间任何量的纤维素。
使用本发明的方法的优选糖流来自纤维素原料的转化。还优选这些原料不含有糖蜜或亚硫酸盐废液。糖流中高于约80％，优选高于约85％或90％的糖是纤维素原料中纤维素和半纤维素水解的结果。例如糖流中80、82、85、87、90、92、95、97或100％的糖可以来自纤维素和半纤维素。此外，优选生物质中至少50、55、60、65、70、75、80、85或90重量％的纤维素被转化为葡萄糖。
可以根据本领域已知的任何方法生产糖，例如但不限于对原料进行酸水解(如Brennan等，Biotech，.Bioeng.Symp.No.17，1986中所公开，本文引入该文献作为参考)。可以进行酸水解以将纤维素转化为葡萄糖，将部分纤维素转化为葡萄糖，将半纤维素转化为其单糖木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖，将部分半纤维素转化为其单糖或它们的组合。用于水解的酸可以是本领域中已知的任何类型的合适的酸，包括但不限于硫酸。硫酸可以以原料重量的约0.1％至约5％，或其间的任何浓度的稀硫酸的形式使用，或者硫酸可以以浓硫酸的形式使用，例如将原料浸入约30重量％至约80重量％或其间任何浓度的酸溶液中。优选粗糖流的特征是木质素磺酸盐的含量低于粗糖流总干固体的10％。例如，特征为木质素磺酸盐的含量为粗糖流总干固体的约0至约10％，或为粗糖流总干固体的约10、8、6、4、2、1或0％的粗糖流可以用于本文所述的方法中。
或者，可以对生物质原料进行预处理工艺以将半纤维素、部分纤维素、部分半纤维素或它们的任何组合转化为糖，然后可以用纤维素酶通过酶水解将剩余的纤维素转化为葡萄糖。预处理步骤增加了纤维素生物质对纤维素酶水解的易感性。进行预处理将至少能够将一部分半纤维素转化为木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖以及将一小部分纤维素转化为葡萄糖，然后用纤维素酶经酶水解将剩余的纤维素转化为葡萄糖。该处理的非限制性实例包括蒸汽爆破，如U.S.4,416,648(Foody；本文引入该文献作为参考)中所述。一般而言，对木质素纤维素原料的预处理条件包括温度在约170℃至约260℃，或其间的任何值，时间为约0.1至约30分钟或其间的任何值，pH为约0.4至约2.0或其间的任何值。
适合于实践本发明的其它预处理方法的非限制性实例包括U.S.5,536,325、U.S.4,237,226和Grethlein，J.Appl.Chem.Biotechno1.，1978，28296-308中所述的那些，本文引入这些文献作为参考。预处理后，在酶水解之前将所述材料的pH调至适当的范围。
用于预处理的低pH需要向原料中加入酸。通常预处理中使用稀酸，加入后在原料中的终浓度为约0.02％(w/v)至约3％(w/v)，或其间的任何浓度。用于预处理的酸可以是本领域已知的任何类型的合适的酸，包括但不限于硫酸或磷酸。由于硫酸成本低，在回收后以硫酸盐的形式用于肥料中的用途，所以优选硫酸。术语“硫酸盐”包括也存在的硫酸氢盐，其浓度取决于pH。
纤维素酶通常可以耐受的pH为约4-6，因此在酶水解之前通常将预处理的原料中和。对于纤维素酶而言更有利的pH为例如约4.5至约5.0，或其间的任何值。然后，可以对调节pH且预处理过的原料进行纤维素酶水解。
术语“碱”意在包括当加入水中时产生pH高于7的溶液且适合于中和预处理原料使其pH值与酶水解中使用的酶相容的任何可溶性物质。
优选用可溶性碱进行pH调节。术语“可溶性碱”是指在20℃下在水中溶解度至少为0.1M的碱。该术语意在排除微溶性或不溶性盐。排除在可溶性碱定义之外的不溶性碱的实例有CaCO3和Ca(OH)2。可溶性碱的非限制性实例包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨和氢氧化铵。
术语“纤维素酶”或“酶”是指催化纤维素水解，产生诸如葡萄糖、纤维二糖和其它纤维寡糖的酶。纤维素酶是一般性术语，表示由多种微生物产生的多酶混合物，包括外切纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶(βG)。最广泛研究、表征的商业生产的纤维素酶是从曲霉属(Aspergillus)、腐质霉属(Humicola)和木霉属(Trichoderma)真菌、杆菌属(Bacillus)以及嗜高温双歧菌属(Thermobifida)的细菌获得的纤维素酶。在非限制性实例中，上述的预处理原料可以用木霉菌产生的纤维素酶进行水解。
选择纤维素酶的剂量以将原料中的纤维素转化为葡萄糖。例如适当的纤维素酶的剂量可以是每克纤维素约5.0至约50.0滤纸单位(Filter Paper Unit(FPU或IU)或其间的任何剂量。例如纤维素酶的剂量可以是约5、8、10、12、15、18、20、22、25、28、30、32、35、38、40、42、45、48或50FPU，或其间的任何剂量。FPU是本领域技术人员熟悉的标准量度，其根据Ghose(Pure and Appl.Chem.，1987，59257-268)进行定义和度量。
在预处理之前从原料中除去盐可以降低预处理需要的酸量。可以通过洗涤、沥滤或这些方法的组合除去盐。WO02/070753(Griffin等，该文献引入本文作为参考)教导了一种类型的沥滤法。该方法包括使原料与水接触两分钟或更长时间，然后通过挤压或过滤将固体与水相(沥滤液)分离。沥滤后，水相含有钾和其它盐以及微量元素。该方法不仅可以降低成本，也可以降低木糖在预处理过程中的降解。
如上所述从生物质原料降解获得的本发明的粗糖流可能含有水作为主要组分。粗糖流中存在的水的量可以是约40％至约95％(w/w)或其间的任何量。优选从浓缩步骤产生的粗糖流含有约50％至约85％(w/w)或其间任何量的水。
可以使用本领域技术人员已知的任何技术进行粗糖流的浓缩。例如，可以对粗糖流进行膜过滤、蒸发或它们的组合将其浓缩。非限制性的，可以利用微过滤(孔径为0.05-5微米)除去颗粒，然后进行超滤(500-2000mw截断值)以除去可溶性木质素和其它大分子，并进行反渗透将固体物质的浓度增加至约12至约20％或其间的任何量，然后蒸发。
所述糖流不应该含有任何显著量的不溶性化合物，因为不溶性化合物会污染离子排阻色谱系统。如本领域技术人员已知，可以采用任何合适用于将不溶性残余物从粗糖流中除去以生成澄清糖流的方法。这些方法包括但不限于微过滤、板框式过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤和离心等。
优选所述澄清糖流的特征是木质素磺酸盐含量低于澄清糖流总干固体的4％。例如所述澄清糖流的特征可以是木质素磺酸盐含量为澄清糖流总干固体的约0-约4％。
澄清糖流中的可溶性化合物可以包括单糖如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和这些糖的低聚物；乙酸、硫酸、乳酸、草酸和其它有机酸以及这些酸的盐；阳离子，包括钠、钙、钾、铵、镁等；阴离子，除了上述有机酸之外，还包括硅酸根、磷酸根和碳酸根。优选所述澄清糖流中的固体含有至少30重量％的糖，例如所述澄清糖流中的固体可以含有高于30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95重量％的糖。还优选所述澄清糖流中的乙酸加乙酸盐的最低浓度为约5g/L。所述澄清糖流中存在多种其它化合物，包括糖降解产物如糠醛和羟甲基糠醛以及来自木质素的可溶性酚类化合物。还存在有机萃取化合物，如皂类(soaps)和脂肪酸。
如下详细所述，澄清糖流经离子排阻色谱处理以将糖和其它非离子化合物与盐和其它离子化合物分离开来。离子排阻色谱优选在约中性至碱性pH下进行。例如，pH可以为约5.0至约10.0或其间任何pH值，例如pH为约6.0至约10.0，pH为约6.5至约10，pH为约6至约8，或pH为约5.0、5.2、5.5、5.7、6.0、6.2、6.5、6.7、7.0、7.2、7.5、7.7、8.0、8.2、8.5、8.7、9.0、9.2、9.5、9.7、10.0。为将pH维持在期望的5-10下，可以将澄清糖流的pH调至该范围内。本领域技术人员会知道适合于调节所述澄清糖流pH值的化合物，例如但不限于氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氨或硫酸。
图2A显示根据本发明的方法在碱性pH下将糖与硫酸钠和乙酸钠分离(实施例1)。此外，根据实施例2的方法在pH3下将糖与生物质转化得到的糖流中存在的硫酸氢钠和乙酸分离开来。参考图2B，在这些条件下，在pH3下将糖与硫酸氢钠和乙酸分离导致不期望的分离特性，因为乙酸与糖产物共同被洗脱。
本发明的离子排阻系统可以在约20℃至约90℃的温度范围内，优选约45℃至约80℃的温度下或其间任何值的范围内进行，例如在约60℃至约70℃的温度下或约45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75、77、80℃下进行。
离子排阻色谱方法可能涉及一个或多个离子交换树脂填充柱的使用，其对本领域技术人员是清楚的。简单起见，将例示单个柱的操作，但多个柱的使用也认为在本发明的范围内。离子交换树脂是阳离子交换树脂。优选，所述树脂是强阳离子交换树脂，例如但不限于聚苯乙烯骨架和4-8％的二乙烯基苯交联物。这些树脂具有磺酸基官能团，可以商购获得钠形式或者不太优选的氢、钾或铵形式。树脂的直径优选为约0.1至约1.0mm。阳离子交换树脂可以从包括Dow或Mitsubishi在内的几个销售厂商获得。
进行分离之前可以将柱转化为期望的阳离子交换型以将柱准备好。这可以包括用一些体积的澄清糖流冲洗该柱。该体积可以是柱内树脂体积的约2至约5倍，或者可以进行冲洗至洗脱液pH与澄清糖流的pH相配为止。或者，可以用一些体积的含有与澄清糖流中存在的阳离子相应的阳离子的溶液冲洗该柱来将该柱准备好。
一旦柱为适当的阳离子交换型，将所述澄清糖流(给料流)施加于柱上。例如但不限于澄清糖流的量为柱体积的约0.05至约0.3倍或其间的任何倍数。但是，澄清糖流的施加量可能与刚才公开的量不同，其可以根据实验确定柱容量和分离来容易地确定。选择期望的液体流速，其也可以由本领域技术人员容易地确定，例如但不限于液体流速相当于每小时柱容积的约5％至约70％或其间的任何值。
随着澄清糖流被给料，盐中的带电离子和其它带电化合物被树脂排斥，流过柱。糖和其它非离子化合物不被带电树脂排斥，穿透入树脂孔中。糖和其它非离子化合物因此保留在树脂中，从而从柱中洗脱的速率要慢于离子化合物。
期望体积的澄清糖流注射完以后，将给料液体转换为水，所述给料用水可以预先软化以降低多价阳离子的浓度。离子化合物包含无机盐，例如用于pH调节的碱的无机盐和用于预处理的酸的无机盐，以及源于纤维素生物质的乙酸和其它有机酸。离子化合物流过柱，作为一个或多个液体流被收集。这一个或多个液体流被称为“抽余液”(一个或多个抽余液)，其含有大多数的无机盐和乙酸盐以及微量的糖。一个或多个抽余液后，洗脱由纤维素生物质加工产生的糖和非离子化合物，它们与一个或多个抽余液分开收集。产物糖流(产物流)含有大部分糖，而几乎没有盐和其它离子组分。
在优选的实施方案中，离子排阻色谱通过模拟移动床(SMB)装置进行。SMB含有与上述的离子排阻系统相似的离子交换树脂，对产物流中的糖和非离子化合物与抽余液流中的盐和其它离子化合物进行同样类型的分离。对于给定的给料流，SMB在与离子排阻系统相同的pH和温度下运行。
但是，SMB系统对于澄清糖流给料、稀释水给料以及糖产物和一个或多于一个抽余液流提取具有不同的位置。例如但不限于可以在一个或多个柱上使用四个等间距的液流位置。任意地从给料入口开始，各位置的顺序为1)澄清糖流给料，2)抽余液提取，3)稀释水给料，以及4)产物提取。若使用单个柱，可以使用柱顶端出口为底端给料，这样完成一个循环。若按通常使用多个柱，则各柱的出口为下一个柱给料，也产生液流循环。因此，SMB比单柱离子排阻系统更是一个完全连续的操作。若要收集多个抽余液流，则可以包括另外的液流位置。
SMB与单柱离子交换系统之间的另一差异在于SMB具有补充并与所有其它液流并流的再循环液流。仔细选择该再循环液流以及其它液流以提供糖流和盐流之间的最佳分离。
此外，SMB系统模拟树脂床向液体液流相反的方向运动。参考图1，周期性地将四个液流位置移动整个床的一部分来进行模拟运动。例如，若将SMB系统看作是环状系统10，例如一个钟，则液体20在该系统中逆时针方向流动。钟上的12小时位置可以表示具有12个区的SMB，将给料30随意地定在12点处。随着液体圆周流动，对树脂50具有亲和力的抽余液40在9点处被提取。在6点处加入稀释水60，其速率为给料速率的约1.0至约4.0倍。在优选的实施方案中，稀释水液流的加入速率为给料速率的约1.0至约1.5倍。稀释水60加入以后，已结合的化合物的亲和力不足以在高流速下保持结合状态。这些化合物在3点处的产物流提取液70的位置从树脂50上洗脱下来。在产物提取液70之后，相对干净的液流流回至12点处继续循环。
在大约10分钟至4小时的选择间隔时间，优选15分钟至2小时的间隔时间，将液流位点(液流位置)顺时针移动以模拟床的运动。若所述位点1小时移动一次位置，则给料30在1点处，产物70在4点处，稀释水在7点处，抽余液40在10点处，该系统的位置移动1/12。
选择床位置移动的频率和程度使感兴趣物质的分离最佳化，这取决于糖与盐对树脂的亲和力、液体流速以及该转换系统的成本。典型的SMB旋转该循环的约1/16至约1/4的位置，从而分别定义约16至约4个区。该4-16个区可以在单个柱上进行。在优选的实施方案中，使用一个柱。这简化区的划分，对于给定的柱从流水线上取下来进行清洁或维修而不过度扰乱运行。例如但不限于可以使用约4至约16个柱子。在更优选的实施方案中，使用约4至约8个柱子。但是，柱的数目可以根据需要调整。
如本文所述，也可以使用改进SMB(″ISMB″)系统(例如可从Eurodia Industrie S.A.，Wissous，France；Applexion S.A.，Epone，France；或Amalgamated Research Inc.，Twin Falls，Idaho获得)。ISMB系统包括给料、稀释水、产物、抽余液或它们的组合的可变流速，或者一个或多个液流切断的顺序时间长度，柱内液体进行或不进行再循环，或者这些特征中的两个或多个的组合。本发明可以用ISMB或SMB操作来进行。
可以将澄清糖流、离子排阻色谱后获得的产物糖流或这两个流浓缩。可以使用任何合适的方法用于将产物糖流或澄清糖流浓缩。这包括以上所述的用于浓缩粗糖流的方法。
离子排阻色谱后获得的产物糖流可以容易地被发酵。发酵前，可以将产物糖流pH调至约4至约6，随具体发酵需求而定。发酵前产物糖流可以通过蒸发、过滤或本领域技术人员熟悉的其它方法进行浓缩。
在优选的实施方案中，将产物糖流中的糖发酵为乙醇。发酵可以使用酵母菌、细菌或其它能够以期望的效率和收率发酵产物流的微生物进行。在优选的实施方案中，发酵使用除能够发酵己糖葡萄糖、甘露糖、半乳糖或它们的组合之外还能够发酵戊糖木糖、阿拉伯糖或它们的组合的基因工程酵母菌或细菌，所述基因工程酵母菌例如但不限于酵母菌属(Saccharomyces)或毕赤酵母(Pichia)，所述细菌例如但不限于发酵单胞菌(Zymomonas)或大肠杆菌(E.coli)。本领域技术人员熟悉糖发酵为乙醇、乳酸或其它产物的要求。
可以使抽余液流中的无机盐结晶、干燥或进行电渗析或附聚和成粒，并如期望的用作例如固体肥料。或者，可以将无机盐浓缩为湿浆液，以液体形式使用，例如作为液体肥料。无机盐液流的加工可以根据共同在审的题为″Recovery of Inorganic Salt During Processing ofLignocellulosic Feedstock″的美国专利申请中所述进行，该文献引入本文作为参考。
所述抽余液液流中的铵、钾、硫酸盐和磷酸盐通常都具有价值。包括钠盐和亚硫酸盐在内的存在的其它化合物在肥料中价值较低。但是，这些盐可以被转化为具有较高价值的形式。例如但不限于使用本领域技术人员熟悉的离子交换法将钠盐转化为铵盐或钾盐。在该实例中，处理木质素纤维素原料中，可以使用氢氧化钠中和部分或全部硫酸，并用阳离子交换树脂用铵或钾交换钠离子。然后所得铵盐或钾盐可以是具有较高价值的肥料。此外，经空气或其它氧化剂如亚硫酸或二氧化硫可以将亚硫酸盐转化为硫酸盐。
以下实施例将进一步例示本发明。
实施例实施例1离子排阻法分离硫酸钠、乙酸钠和葡萄糖本实施例例示在pH8下离子排阻法作为除去葡萄糖中的乙酸钠和硫酸钠的方法的有效性固定床离子排阻柱用Mitsubishi Chemical树脂#UBK530填充。填充柱之前，将135ml树脂悬浮于1升去离子水中，使之沉降。滗出上清液，该步骤进行三次，其足以除去任何可见的微粒。滗出第三次上清液后，向树脂中加入体积为树脂两倍的去离子水，将浆液倾入至127ml的柱中。该柱包括热水套，但在填充树脂步骤中不使用该套。用与水泵相连的橡皮塞将柱顶端密封。小心操作确保密封不漏气。
用300ml脱气的去离子水冲洗填充后的柱。这除去溶解的气体，使树脂沟道效应降至最低。若柱中的气泡过多，则将树脂重新洗涤，并重新装柱。
一旦柱的脱气令人满意，使70℃的水在水套内循环。用水洗涤该柱直至水浴温度达到70℃。
此时，用给料溶液(澄清糖流)准备树脂。对于该实验，给料溶液是溶于去离子水中且用10N氢氧化钠将pH调至8.0的具有1％的乙酸、10％的硫酸钠和2.5％的葡萄糖(w/w)的合成糖流。所得钠离子终浓度为32.4g/L。将200ml体积的给料溶液加至柱上，流速为1ml/min。从柱上收集并弃去洗脱液。若给料液中形成悬浮固体，则将给料液过滤并重新开始液流。
一旦给料体积达到200ml，用去离子水洗涤柱。测量洗脱液的导电性，当洗脱液的导电性与水给料相当时认为水洗涤完成。此时，用移液枪除去柱床顶端存在的任何剩余水。然后在床顶端给料6.4克样，如前所述用塞子将柱密封。以1ml/分钟的速度用泵开始泵水。将柱低端的活塞打开，在4分钟内收集4ml部分。水给料和部分收集持续至收集30份部分为止。收集第30份部分后，在下一次运行之前，用300ml去离子水洗涤柱。小心操作避免树脂在过夜储存期间干燥。
对产物部分进行硫酸钠、乙酸钠和葡萄糖分析。对于乙酸盐测定，用稀硫酸将样品调至pH3-3.5，然后注射入气相色谱中并检测乙酸。
洗脱的结果见图2A。硫酸钠与乙酸钠的洗脱重叠程度高，然后葡萄糖洗脱出来。分离效果很好，盐中几乎没有葡萄糖，葡萄糖中也几乎没有盐。
实施例2比较例-在pH3下将葡萄糖和乙酸分离本实施例例示在pH3下使用离子排阻分离糖与乙酸和硫酸氢钠。在pH3下乙酸与葡萄糖的分离效果差，因为这两种成分被共同洗脱出来(见图2B)。使用本文所述方法提供优异的乙酸和糖的分离。
固定床离子排阻柱用Mitsubishi Chemical树脂#UBK530填充。填充之前，将135ml树脂悬浮于1升去离子水中，使之沉降。滗出上清液，该步骤进行三次，其足以除去任何可见的微粒。滗出第三次上清液后，向树脂中加入体积为树脂两倍的去离子水，将浆液倾入至122ml柱中。该柱包括热水套，但在填充树脂步骤中不使用该套。用与水泵相连的橡皮塞将柱顶端密封。小心操作确保密封不漏气。
用300ml脱气的去离子水冲洗填充柱。这除去溶解的气体，并使树脂沟道效应降至最低。若柱中装载的气泡过多，则将树脂重新洗涤，并重新填柱。
一旦柱脱气令人满意，使70℃的水在水套内循环。用水洗涤该柱直至水浴温度达到70℃。
此时，使树脂与给料溶液平衡。对于该实验，给料溶液是溶于去离子水且用10N氢氧化钠将pH调至3.0的含有25g/L乙酸、150g/L硫酸钠和75g/L葡萄糖(w/w)的合成糖流。所得的硫酸氢钠浓度是约190g/L。将200ml的给料溶液加至柱上，流速为1.6ml/min。收集从柱中收集的洗脱液并弃去。若给料液中形成悬浮固体，则将给料液过滤并重新开始液流。
一旦给料体积达到200ml，用去离子水洗涤柱。测量洗脱液的导电性，当洗脱液的导电性与水给料相当时认为洗涤完成。此时，用移液枪除去柱床顶端存在的任何剩余水。然后在床顶端给料6.4克，如前所述用塞子将柱密封。用泵以1.6ml/min的速率开始泵水。将柱低端的活塞打开，在4分钟内收集4.8ml部分。水给料和部分收集持续至收集30份部分为止。收集第30份部分后，在下一次运行之前，用300ml去离子水洗涤柱。小心操作避免树脂过夜储存期间干燥。
对产物部分进行硫酸氢钠浓度、乙酸钠、葡萄糖以及干重分析。对于乙酸测定，用稀硫酸将样品调至pH3-3.5，然后注射入气相色谱中。
洗脱的结果见图2B。大部分硫酸氢钠在葡萄糖之前被回收。但是，一部分硫酸氢钠与葡萄糖共洗脱出来，出现在含葡萄糖样品中。此外，葡萄糖与乙酸的分离效果差，显著量的乙酸与葡萄糖共同洗脱出来。这是因为乙酸在pH3下处于非离子状态，这使得在这一pH下很难与葡萄糖分离。这与实施例1和3相反，实施例1和3显示在碱性pH例如但不限于pH8.0下硫酸钠和乙酸与葡萄糖的分离效果显著改善。
实施例3生物质糖的洗脱在U.S.4,461,648中所述条件下用硫酸预处理小麦秆制备生物质糖的给料样品。预处理的pH为1.4，用氢氧化钠将所得的预处理原料的pH调至5。用木霉属真菌产生的纤维素霉对中和的纤维素生物质进行酶水解以生成粗糖流。通过板框式过滤将粗糖流与主要是木质素的不溶性残余物分离。将澄清糖流蒸发至总固体的44％，其含有浓度109g/L的硫酸钠盐和钾盐、300g/L葡萄糖、44g/L木糖、5.3g/L阿拉伯糖、10.9g/L乙酸钠(按乙酸测量)以及各种微量金属。将澄清糖流蒸发，pH调至8，然后加至柱上，并如实施例1所述洗脱。结果见图3。
离子排阻系统提供了糖与乙酸钠和硫酸钠好的分离。几乎全部的糖都在糖流中，几乎全部的盐都在盐流中。即使糖流来自生物质转化方法，结果依然如此。
实施例4从纤维素中大规模纯化糖并发酵生产乙醇利用实施例2的方法从纤维素制备糖给料流，其含有浓度为145g/L的硫酸钠和硫酸钾盐、153g/L葡萄糖、49g/L木糖、7.3g/L阿拉伯糖、9.1g/L乙酸钠(按乙酸测量)、各种微量金属以及显著量的未鉴别的杂质。该给料流被分为两部分。第一部分在水中1∶3稀释，留出供发酵用，含有浓度为48.4g/L的硫酸钠和钾盐以及51g/L葡萄糖、16g/L木糖、2.6g/L阿拉伯糖、3.1g/L乙酸钠。第二部分用于大规模离子排阻色谱。
色谱在改进模拟移动床(ISMB)系统(Eurodia Industrie S.A.，Wissous，France，通过Ameridia，Somerset，New Jersey商购获得)中进行，体积为6700升，用从Mitsubishi Chemical获得的阳离子交换树脂#UBK530填充。ISMB系统由4个柱组成，每个循环有四次床移动，用保持在pH7.5-8.0下的给料流操作。该系统与糖给料和稀释水一起保持在70℃下。糖流的给料平均速率为每分钟4升，稀释水与糖给料的加入比例为4∶1。收集产物流和抽余液流，其中产物流中含有1.6g/L硫酸盐、66g/L葡萄糖、22g/L木糖、3.3g/L阿拉伯糖和0.09g/L乙酸盐(按乙酸测量)。
将稀释的给料流和产物流都泵入发酵罐中，液体体积为100升，总体积为200升。发酵罐中接种4g/L的从Purdue University获得的1400-LNHST酵母菌株。如U.S.5,789,210中所述，该菌株被开发用于将葡萄糖和木糖发酵为乙醇。处理以及未处理的产物流的乙醇收率见表1。
表1处理过的糖流和未处理糖流的乙醇收率糖流乙醇(g/L)乙醇收率48小时后(g/g最初葡萄糖和木糖)稀释，未处理的糖12.2 0.182离子排阻处理的糖37.9 0.431经离子排阻处理的糖流基本全部被酵母菌发酵。不希望被理论所束缚，使用未经处理的糖流生产的乙醇收率的降低可能是该给料流中存在的抑制剂的结果。如表1所示，经离子排阻处理的糖流导致乙醇的收率高的多，这可能是由于在离子排阻处理的糖流中抑制剂的量减少。这证实了经离子排阻色谱将糖流解毒并除去乙酸盐以及可能的其它抑制剂。
实施例5在pH7下分离盐和本糖根据WO02/070753(Griffin等)所述方法将小麦秆沥滤以除去无机盐。然后在U.S.4,461,648(Foody)所述的条件下，用硫酸处理沥滤的小麦秆生产生物质糖原料样品。预处理pH为1.4，用氢氧化铵将pH调至4.5-5.0。用木霉属真菌产生的纤维素酶对预处理的原料进行酶水解以生产粗糖流。
利用板框式过滤将所得的粗糖流与主要是木质素的未水解的残余物分离。过滤后，在65-75℃的温度下真空蒸发澄清糖流使固体含量增加3-4倍。然后对浓缩的水解产物进行板框式过滤。用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将澄清糖流中的葡萄糖发酵为乙醇。尽管葡萄糖很容易发酵，但水解产物中存在的木糖却较难发酵。
发酵后，将发酵液过滤，然后离心除去酵母细胞。然后用氢氧化铵将pH调至7.0。将发酵液蒸馏产生燃料级乙醇以及釜残液，然后将其蒸发至含有13％总固体(w/w)。浓缩的釜残液含有44g/L硫酸钠盐、钾盐和铵盐、0.4g/L葡萄糖、12.1g/L木糖、0.3g/L阿拉伯糖、9.3g/L乙酸以及各种微量金属。然后用少量1M NaOH将釜残液pH调至7，并过滤。如实施例1所述将浓缩的釜残液进行离子排阻色谱，只是在加入糖流之前先使硫酸铵通过柱以将树脂转化为铵型。
将每部分中的1ml置于预先称重的托盘中，使之在烘箱中100℃下蒸发至少一个小时以测量每部分的总固体含量。使托盘短时冷却，然后再次称重，用质量差除以体积得到溶解的总固体浓度，以g/L表示。
对于木糖分析，使用Miller，G.L.(Anal.Chem.，1959，31426)所述的DNS(3，5-二硝基水杨酸)法分析含有溶解固体的每部分等份试样中糖的减少。
洗脱结果见图4。盐首先被洗脱出来，然后是木糖被洗脱出来。分离效果很好，因为几乎没有木糖与糖一起被洗脱出来，也几乎没有盐与木糖一起被洗脱出来。
然后用能够将木糖转化为乙醇的酵母菌株将纯化的木糖发酵为乙醇。U.S.5,789,210(Ho等)中描述了这种菌株的实例。
实施例6在pH5下将盐和木糖分离利用实施例5的方法从纤维素生物质制备糖给料流，只是将其给料至离子排阻柱上之前将糖流的pH保持在5。
用离子交换色谱测量硫酸盐浓度，用比色测定法测量铵的浓度。总固体的测量如实施例5所述。在pH5下洗脱的结果见图5A、5B和5C。
如图5A所示，硫酸铵首先被洗脱出来，然后是木糖被洗脱出来。分离效果很好，因为在木糖峰中几乎没有盐存在，且在两峰之间硫酸铵浓度和木糖浓度都接近0。
图5B显示在pH5下所选脉冲测试部分中硫酸根离子、铵离子和木糖的含量。硫酸根和铵的洗脱峰重叠，然后是含有木糖的洗脱峰。
图5C比较了在pH5下硫酸铵、木糖和乙酸的洗脱。在这一pH下，“乙酸”包含1/3酸和2/3乙酸盐。如图5C所示，乙酸在硫酸铵峰结束处被洗脱出来，但没有进入木糖峰中。乙酸从木糖中被除去是可以接受的。预计在较低pH下将有较多量的乙酸进入木糖峰中，如实施例2B中在pH3下所观察到的结果所示。
本文引入所有引用的文献作为参考。
本发明描述了一个或多个实施方案。但是，本领域技术人员应清楚，在不偏离本发明权利要求书定义的范围的前提下，可以对本发明进行多种变化和修改。
权利要求
1.一种从纤维素生物质获得产物糖流的方法，所述方法包括a)通过将一种或多于一种酸加入所述纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；b)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；c)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；d)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；e)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有所述无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；和f)回收所述产物糖流。
2.权利要求1的方法，其中在所述处理步骤(步骤e))中，在pH为约6至约10下进行所述离子排阻色谱。
3.权利要求2的方法，其中在所述回收步骤(步骤f))之后，将所述产物糖流中的糖发酵。
4.权利要求3的方法，其中将所述产物糖流中的糖发酵，产生乙醇或乳酸。
5.权利要求2的方法，其还包括回收所述一个或多于一个抽余液流的步骤。
6.权利要求2的方法，其中在所述处理步骤(步骤e))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。
7.权利要求2的方法，其中所述澄清糖流的特征为木质素磺酸盐含量为所述澄清糖流中存在的总固体的约0至约4％。
8.权利要求2的方法，其中所述纤维素生物质从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得。
9.权利要求2的方法，其中所述酸为硫酸，而所述无机盐包括硫酸盐。
10.权利要求2的方法，其中所述纤维素酶的剂量为每克纤维素约5至约50 IU。
11.权利要求2的方法，其中预处理选自蒸汽爆破和稀酸预水解。
12.权利要求2的方法，其中在所述预处理步骤(步骤a))之前，将所述纤维素生物质挤压或浸出。
13.权利要求6的方法，其中所述SMB系统或ISMB系统以每个循环给料和收集位置4-16次移动进行操作。
14.权利要求13的方法，其中所述SMB系统或ISMB系统以每个循环给料和收集位置4-12次移动进行操作。
15.权利要求5的方法，其中回收所述抽余液流作为肥料。
16.权利要求2的方法，其中在所述加入步骤(步骤b))中，所述一种或多于一种碱是可溶性碱。
17.权利要求16的方法，其中所述可溶性碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨和氢氧化铵。
18.权利要求2的方法，其中在所述分离步骤(步骤d))中，通过微过滤、板框式过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤或离心将所述不溶性残余物与所述粗糖流分离。
19.权利要求2的方法，其中在pH为约6.5至约10下进行所述离子排阻色谱。
20.权利要求2的方法，其中在pH为约6至约8下进行所述离子排阻步骤。
21.权利要求2的方法，其中将步骤d)中产生的所述澄清糖流在所述处理步骤(步骤e))之前或期间浓缩。
22.权利要求2的方法，其中将步骤e)中产生的所述产物糖流浓缩。
23.权利要求2的方法，其中在所述处理步骤(步骤e))中，产生一个含有无机盐和乙酸盐的抽余液流。
24.一种生产乙醇的方法，其包括a)从选自农业废物、玉米秸、小麦秆、大麦秆、双低油菜杆、燕麦秸、稻草、大豆秆、草、柳枝稷、芒属草、网茅属草、草芦、林业残余物、白杨木或锯末、糖残余物、蔗渣和甜菜渣的原料获得纤维素生物质；b)通过将一种或多于一种酸加入所述纤维素生物质中而在pH为约0.4至约2.0下预处理所述纤维素生物质，以将所述纤维素生物质中的一部分纤维素和至少一部分半纤维素水解，产生含有葡萄糖、乙酸以及选自木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和它们的组合的糖单体的预处理的纤维素生物质；c)将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0至约6.0，从而产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质；d)用纤维素酶将所述中和的纤维素生物质水解，产生粗糖流；e)将不溶性残余物与所述粗糖流分离，产生澄清糖流；f)使用具有阳离子交换树脂的离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述澄清糖流，产生含有所述无机盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物糖流；g)回收所述产物糖流和所述一个或多于一个抽余液流；和h)将所述产物糖流中的糖发酵成乙醇或乳酸。
25.权利要求24的方法，其中在所述处理步骤(步骤e))中，在pH为约6至约10下进行所述离子排阻色谱。
26.权利要求25的方法，其中在所述水解步骤(步骤d))中，纤维素酶的剂量为每克纤维素约5至约50 IU。
27.权利要求25的方法，其中在所述预处理步骤(步骤b))中，预处理选自蒸汽爆破和稀酸预水解。
28.权利要求25的方法，其中所述酸为硫酸，而所述无机盐包括硫酸盐。
29.权利要求25的方法，其中在所述分离步骤(步骤e))中，通过微过滤、板框式过滤、交叉流过滤、加压过滤、真空过滤或离心将所述不溶性残余物与所述粗糖流分离。
30.权利要求25的方法，其中在所述预处理步骤(步骤b))中，所述澄清糖流的特征为木质素磺酸盐含量为所述澄清糖流中存在的总干固体的约0至约4％。
31.权利要求25的方法，其中在所述预处理步骤(步骤b))之前，将所述纤维素生物质挤压或浸出。
32.权利要求25的方法，其中在所述处理步骤(步骤f))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。
33.权利要求32的方法，其中所述SMB系统或ISMB系统以每个循环给料和收集位置4-16次移动进行操作。
34.权利要求33的方法，其中所述SMB系统或ISMB系统以每个循环给料和收集位置4-12次移动进行操作。
35.权利要求25的方法，其中在所述回收步骤(步骤g))之后，回收所述抽余液流作为肥料。
36.权利要求25的方法，其中在所述加入步骤(步骤c))中，所述一种或多于一种碱是可溶性碱。
37.权利要求36的方法，其中所述可溶性碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨和氢氧化铵。
38.权利要求25的方法，其中在所述分离步骤(步骤e))中，在pH为约6至约8下进行所述离子排阻色谱。
39.权利要求25的方法，其中在所述分离步骤(步骤e))中，在pH为约6.5至约10下进行所述离子排阻色谱。
40.权利要求25的方法，其中将步骤e)中产生的所述澄清糖流在所述处理步骤(步骤f))之前或期间浓缩。
41.权利要求25的方法，其中将步骤f)中产生的所述产物糖流浓缩。
42.权利要求25的方法，其中在所述处理步骤(步骤f))中，产生一个含有无机盐和乙酸盐的抽余液流。
43.一种从粗糖流获得产物糖流的方法，所述粗糖流产生自纤维素生物质向糖的转化，所述方法包括a)用离子排阻色谱在pH为约5.0至约10.0下处理所述粗糖流，产生含有硫酸盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物流，和b)获得所述产物糖流。
44.权利要求42的方法，其中在所述获得步骤(步骤b))之后，将所述产物糖流中的糖发酵。
45.权利要求44的方法，其中将所述产物糖流中的糖发酵，产生乙醇或乳酸。
46.权利要求42的方法，其中在所述获得步骤(步骤b))中，回收所述一个或多于一个抽余液流。
47.权利要求42的方法，其中在所述处理步骤(步骤a))中，使用模拟移动床(SMB)系统或改进模拟移动床(ISMB)系统进行所述离子排阻色谱。
全文摘要
本发明公开了从纤维素生物质获得产物糖流的方法。在一种方法中，通过加入一种或多于一种酸在pH为约0.04－2.0下对纤维素生物质进行预处理，以产生含有乙酸的预处理的纤维素生物质。然后将一种或多于一种碱加入所述预处理的纤维素生物质中，以将所述预处理的纤维素生物质的pH调节至约4.0－约6.0，产生含有无机盐和乙酸盐的中和的纤维素生物质。然后用纤维素酶将所述中和的生物质水解，生成粗糖流。将不溶性残余物与所述粗糖流分离，用离子排阻色谱在pH约5.0至约10.0下处理所得的澄清糖流，产生一个或多个抽余液流以及产物流。所述抽余液流含有无机盐和乙酸盐，而所述产物流含有糖。然后可以将所述产物流发酵或进一步加工。在另一种方法中，从产生自纤维素生物质向糖的转化的粗糖流获得产物糖流。可以使用任何合适的方法产生所述纤维素生物质。在该方法中，使用离子排阻色谱在pH约5.0－约10.0下处理所述粗糖流，产生含有硫酸盐和乙酸盐的一个或多于一个抽余液流以及含有糖的产物流，并且获得所述产物糖流。
文档编号C12P7/10GK101023179SQ200580031101
公开日2007年8月22日 申请日期2005年7月15日 优先权日2004年7月16日
发明者布莱恩·弗蒂, 杰弗里·S.·托兰 申请人:埃欧金能量有限公司