在生物精炼环境中生产醇的方法

专利名称：在生物精炼环境中生产醇的方法
技术领域：
本发明属于生物燃料生产的范围。更特别的，本发明涉及在从纤维素或木质纤维 素材料生产醇的范围内生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶(第二代生物燃料)。目前经济和逻辑原理要求第二代生物燃料生产地点与第一代生产地点相同，因此 形成了所有植物原料被再利用(valoriser)的“生物精炼(biorefinery) ”。因此，目标是 从糖料植物开始再利用甘蔗和木质纤维素甘蔗残渣。
背景技术：
自从二十世纪七十年代起，在水解多糖成分为可发酵的糖之后，将木质纤维素生 物质转化为乙醇已经成为重要的研究工作的对象。大部分木质纤维素残渣由大约40 50 %纤维素、20 25 %半纤维素和15 25 % 木质素构成。在纤维素、半纤维素和木质素这三种聚合物中，纤维素是主要的可发酵乙醇的糖 类的主要来源，因为它由葡萄糖构成，而葡萄糖可以容易地被酿酒糖酵母(Saccharomyces cerevisiae)在批准的和有效的工业方法中发酵成乙醇。半纤维素中所含有的戊糖不能 被有效地转化成乙醇。糖酵母属(Saccharomyces)、毕赤氏酵母属(Pichia)、假丝酵母属 (Candida)、Pachysolen、发酵单孢菌属(Zymomonas)、克雷柏氏杆菌属(Klebsiella)、埃希 氏杆菌属(Escherichia)中的其他微生物可以被选择用于将来自生物质的单体糖再利用 为乙醇。将木质纤维素材料转化为醇的方法包括物理化学预处理阶段，随后是酶促或化学 水解阶段，醇发酵所释放糖的阶段，以及醇回收阶段。预处理阶段的目标是释放在半纤维素中所包含的糖作为单体，特别是戊糖例如木 糖和阿拉伯糖，和己糖例如半乳糖、甘露糖和葡萄糖，以提高附着(Stuck)在木质素和半纤 维素基质中的纤维素的利用度。有许多技术酸性煮沸，碱性煮沸，蒸汽喷发，有机溶剂处理 等等。通过半纤维素回收率和通过纤维素残渣的水解敏感性来测量预处理效率。在温和条 件的酸性预处理和蒸汽喷发是最适合的技术。它们允许戊糖的总回收率和纤维素的好的水 解利用度。通过酸性方法或者通过利用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的酶促方法水 解纤维素残渣。微生物，例如属于木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉 属(Penicillium)或裂褶菌属(SchizophylIum)的真菌，或者例如属于梭状芽孢杆菌属 (Clostridium)的厌氧细菌，产生这些酶，其特别地含有纤维素酶(cellulases)和木聚糖 酶(xylanases)，适于构成植物的聚合物的总水解。用强酸(特别是硫酸)进行的酸性方法是有效的，但是它要求大量化学产品(酸， 然后是碱用于中和)。酶促水解不会有该缺点；它是在温和条件下进行的，以及它是有效 的。另一方面，酶的成本仍然很高。因此进行了相当多的工作以降低成本首先通过选择高 产株以及改良发酵方法增加酶的生产量，然后通过优化预处理阶段或者通过提高这些酶的 比活减少水解中酶的量。在过去十年中，主要的工作在于通过利用分子生物学工具修饰菌株来试图理解纤维素酶的作用机理，以及酶的表达以达到最适合水解木质纤维素底物的酶 复合物的分泌(excretion)。用于生产纤维素酶的最常用微生物是里氏木霉(Trichodermareesei)真菌。在存 在诱导型底物纤维素的情况下具有分泌例如酶复合物能力的野生株被认为最适合纤维素 水解。酶的复合物的酶包含三种主要活性内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和纤维二糖酶。里 氏木霉还产生具有对于水解木质纤维材料而言必要的性能的其他蛋白质，例如木聚糖酶。 诱导型底物的存在对于水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的表达是必要的。含碳底物的 特征对酶复合物的组成具有强影响。对于与诱导型含碳底物如纤维素或乳糖相关的木糖而 言，情况正是如此，其允许显著提高木聚糖酶的活性。传统的基因突变技术已经使得选择到纤维素酶高产里氏木霉菌株例 如 MCG77 (Gallo-专禾Ij US—4, 275167)，MCG 80 (Allen, A. L. andAndreotti, R. Ε., Biotechnol-Bioengi 1982,12,451-4591982), RUT C30(Montenecourt, B. S.and Eveleigh, D. Ε. ，Appl. Environ. Microbiol. 1977，34，777—782)禾口 CL847(Durand et al.， 1984, Proc. Colloque SFM “ Genetique des microorganismes industriels “ . Paris. H. HESLOT Ed, pp39-50) 。这些改良使得获得了高产株，其对与野生菌株相关的单糖特别是 例如葡萄糖的降解物阻遏不太敏感。已经从里氏木霉菌株Qm9414，RutC30, CL847获得了重组菌株，其通过克隆异源基 因，例如来自黑色曲霉(Aspergillus niger)的转化酶，其允许里氏木霉利用蔗糖作为碳 源。这些菌株保持了它们的高产量和它们在发酵罐中被培养的能力。通过里氏木霉生产纤维素酶的方法已经成为关于外推至工业规模的主要改进的 对象。为了获得良好的酶产率，有必要提供能够快速被同化用于里氏木霉生长的碳源， 以及允许纤维素酶表达并分泌在培养基中的诱导型底物。纤维素能够发挥这两种作用；但 是，它难以在工业规模上使用，并且它已经被可溶性碳源所替换例如葡萄糖、木糖或乳糖， 乳糖也作为诱导型底物。其他可溶性糖例如纤维二糖和槐糖已经被作为诱导剂而描述，但 它们太贵而不能在工业规模上使用。然而，已经观察到里氏木霉利用可溶性底物的纤维素 酶产量比利用分批工艺在纤维素上获得的那些低得多。这是由于容易同化的糖在高浓度时 的阻遏效应。连续供给可溶性含碳底物已经允许消除降解物阻遏，通过限制培养物中的残 留浓度和通过优化糖的比例允许获得高产率和更好的酶产量(参见本申请人提交的专利 FR-B-2, 555，603)。乳糖仍是在工业水解纤维素酶生产方法中的最适合和不太昂贵的底物之一；然 而，它仍是高成本的，并且占酶成本价格的三分之一。尽管有所有这些进展，但酶的成本在 纤维素生物质转化为醇中仍然是很显著的项目(30 50%)。此外，如果乳糖用作纤维素 酶生产的碳源，则该方法依赖于外部碳源。因此，使用来自工业的含碳底物(例如水解的半 纤维素残渣或乙醇发酵酒糟)是巨大的进步，如果诱导型碳源是容易利用的话。使用水解的半纤维素残渣用于生产纤维素酶已经被描述于专利申请 FR-A-2, 881，753 (本申请人提交)。实际上，这些残渣是纤维素酶生产诱导剂，并且它们导 致了用于水解木质纤维素材料的有效混合物。然而，这些残渣的应用涉及某些可能的限 制
-它们的使用需要其中溶解半纤维素的预处理，-植物原料变化，诸如例如简单的品种变化可能会引起残渣组成的改变，因此引起酶组成的变化，-特别是根据植物和根据预处理条件，抑制剂的存在可能会造成培养再生性的问 题，-残渣的高木糖含量(例如来自稻草)诱导半纤维素酶，其对于水解已经不含其半 纤维素主要部分的底物而言不必然是必需的。另一方面，使用木质纤维素材料水解液发酵酒糟也已经被描述在该专利申请中。 利用该碳源获得的性能等同于甚至高于利用传统底物所获得的那些，但可能的是具有改进 的水解性能的新一代酶以及适于发酵条件的酵母菌株将会以与酶生产不相容的比例降低 诱导型碳源的量。几乎不或者不依赖于待处理的原料，使用可再生的不含抑制剂的组合物的碳源， 将会是重大的进步。通过保持就地可得，该碳源还允许开发生物精炼的概念。

发明内容
本发明描述了从预处理的木质纤维生物质生产醇的方法，其中，酶促水解阶段是 用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶进行的，其中所述水解纤维素和/或水解半纤维素 的酶是利用来自利用糖料植物作为原料的其他生产方法的至少一种排出液生产的。


图1描述了按照本发明用于转化和生产醇的工艺流程图。图2描述了根据本发明用于转化和生产醇的工艺流程图，其利用糖料植物的残渣 作为木质纤维原料。详细说明本发明涉及在其他生物燃料生产工艺过程中获得的排出液的用途，作为非限制性 例子，来自甜菜或甘蔗清洗的甜汁，或糖精炼糖蜜用于利用使用蔗糖作为碳源的天然或修 饰后的水解纤维素微生物菌株生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶。水解纤维素的微生物属于木霉属、曲霉属、青霉属或裂褶菌属，并优选里氏木霉物 种。在本发明中使用的含有蔗糖的甜汁来自于第一代生物燃料生产工艺，特别是来自 甜菜或甘蔗清洗，或来自糖精炼糖蜜。主要碳源可以是从这些甜汁获得的蔗糖，或者它可以是单体形式的工业可溶性糖 的补充物(complement)例如乳糖或木糖，或者从预处理的生物质获得的半纤维素级分提 取物，或者来自木质纤维素生物质水解产物的发酵酒糟提取物，或其混合物。后两种提取物 也可以用作纤维素酶生产诱导剂。本发明的一个目的是提供容易利用的碳源，允许生产水解纤维素和/或水解半纤 维素的酶，其具有适于水解纤维素生物质的活性，与各种环境中的多种生物醇生产过程相兼容。用于生长的主要为蔗糖的碳源是从甜汁获得的(所述甜汁来自于甜菜浆的扩散洗涤)，或者是从糖精炼之后的糖蜜获得的。类似的，可以使用来自甘蔗糖清洗的甜汁或糖
虫O从含糖植物制备必需品的具体步骤是提取蔗糖。该糖以游离状态存在于植物细胞
的液泡中。通过压制或者通过用热水逆流清洗已经预先切成片的植物进行提取。因此，通常对甜菜进行清洗以除去泥土，并随后切成甜菜丝。随后，通过用热水扩
散而对甜汁进行提取。通常该第一甜汁用于乙醇发酵，但其在本发明中可以以浓缩或不以
糖浆的形式用作碳源用于生产纤维素酶。糖蜜作为糖精炼副产物含有最高达到50重量％
的蔗糖，也可以使用(表2)。在甘蔗的情况中，将甘蔗压碎，并压制，添加热水以溶解糖。随后将可能浓缩的甜
汁以与甜菜选项中相同的方式进行处理。 ^I:从对甜菜进行热水扩散和从对甘蔗进行压碎和加压而获得的甜汁的组成，
仅供参考。杂质的比例通常通过盐过滤和/或沉淀来降低。
甜菜和甘蔗糖蜜的化学组成，仅供参考(来源INRA and Yang etal. (2007))。所使用的木质纤维素生物质选自稻草、木材、林木、醇生产糖料作物和粮食作物残 渣、造纸工业残渣、纤维素和木质纤维的材料转化产物。在图2举例说明的实施方式中，木质纤维素残渣源自于糖料植物，从糖料植物获 得用来生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的甜汁。木质纤维素原料受到可以是或许水解半纤维素的任何性质的预处理。在预处理 后，或许不含水解的半纤维素级分并可能不含木质素的纤维素级分被由特定菌株生产的水 解纤维素和/或水解半纤维素的酶水解，其中里氏木霉是最有效和最适合的，当含碳底物 来自于纤维素或木质纤维素生物质时。所述酶是使用来自于其他乙醇生产方法所产生的至 少一种排出液，如上所述。待水解的材料被悬浮在水相中，比例为6 40%干物质，优选20 30%。pH值被 调节在4 5. 5，优选4. 8 5. 2，温度为40°C 60°C，优选45 50°C。水解反应是通过 添加纤维素酶启动的；通常所使用的比例为10 30mg分泌的蛋白/克预处理的底物，或更 少。反应通常持续15 48小时，这依赖于预处理效率，纤维素酶混合物的组成和所添加酶 的量。在反应的最后，所释放的糖，特别是葡萄糖被量出。通过过滤或离心从非水解固体级 分分离甜的溶液，其中所述级分基本上由木质素构成；其用于乙醇发酵。通常，必须通过蒸馏从发酵分离醇，并且残渣由蒸馏酒糟构成。这些富含诱导剂 的酒糟可以用作诱导型碳源用于生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶，如在专利申请 FR-A-2, 881，753中所描述的。用于生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的菌株是属于木霉 属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)或裂褶菌属 (Schizophyllum)的真菌，优选里氏木霉。然而，某些属于这些属的真菌，特别是里氏木霉 不能利用蔗糖作为碳源。因此，有必要使用基因修饰的菌株，例如表达来自黑色曲霉的转化 酶，例如根据 BergSs etal.，Curr. Genet. 1993Jul_Aug 24(1-2) :53_59 针对里氏木霉所描 述的，以便蔗糖可以用作碳源。独立地，这些菌株可以被修饰成提高水解纤维素和/或水解 半纤维素的酶，通过突变选择方法，诸如例如IFP CL847菌株(法国专利FR-B-2，555，803)； 通过遗传重组技术改善的菌株也可以被使用。这些菌株在搅拌和充气的发酵罐中被培养，在与其生长和酶生产兼容的条件下。 根据其性质，在灭菌之前，所选择用于获得生物质的含碳底物被供给到发酵罐，或者分别灭 菌并在其灭菌后供给到发酵罐内，以便具有20 35g. Γ1的起始浓度。可以不在该时期添 加诱导型源。含有选择用于生产酶的底物的水溶液是以200 250g. Γ1的浓度制备的；该溶液必须含有诱导型底物。在排出该起始底物后注射它，以补充最佳量(35 45mg. g-1细 胞)(分批补料)的细胞。在该分批补料阶段过程中，在培养基中残余的糖浓度低于Ig. Γ1。在酶促水解阶段之后是发酵阶段，然后是蒸馏和分离所获得醇的阶段。在乙醇发酵的情况中，所获得的醇是乙醇。在丙酮丁醇(acetonobutylic)或ABE型发酵的情况中，丁醇和乙醇构成的醇混合 物是在方法的最后获得的。该类型的发酵是由属于梭状芽孢杆菌属的细菌完成的，特别是 丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)物种。类似的，如果发酵是使用Clostridium bejerinckii菌株的IBE类型的，则获得异 丙醇、丁醇和乙醇构成的混合物。可以同时进行酶促水解和发酵阶段(SSF方法_同时糖化和发酵)，随后是蒸馏和 分离所获得醇的阶段。通过比较的方式给出实施例1，实施例2描述了本发明而不限制本发明的范围。实施例1 在乳糖上生产酶在机械搅拌的发酵罐中进行纤维素酶的生产。培养基具有下列组成Κ0Η 1. 66g. Γ1, 85 % H3P042ml. Γ1, (NH4) 2S042. 8g. Γ1, MgSO4, 7H200. 6g. Γ1，CaCL2O. 6g. Γ1， MnS043. 2mg. Γ1，ZnSO4, 7H20 2. 8mg. Γ1，CoC124. Omg. Γ1，FeSO4, 7H20 IOmg. Γ1，玉米菜(Corn Steep) 1. 2g. L—1，消泡剂 0. 5ml. Γ1·将含有1. 751矿物培养基和70g乳糖的发酵罐在120°C下灭菌，并接种0. 251 CL847里氏木霉菌株的液体预培养物。预培养物的培养基被补充了 Sg.L—1钛酸钾以控制pH 变化，其与发酵罐的相同。使得预培养物真菌在乳糖上生长，浓度为SOg.r1。接种体生长 持续2 3天，并在摇动器(shaker)桌上在27°C 30°C之间进行。在生长46小时后，排出发酵罐的起始底物，并连续注入250g. Γ1乳糖溶液，流速为 4. 5ml.tr1，达到 142 小时。在生物质生长阶段过程中，将温度设定在27°C，随后为25°C直到培养的最后。在 生长阶段过程中，将PH值设定为5，随后为4，直到培养的最后，通过添加氨水溶液，其提供 合成分泌的蛋白质所必须的氮。溶解的氧含量保持在15 20%，其通过充气和搅拌。酶生产之后是在通过过滤或离心菌丝分离后，通过Folin (Lowry)方法测量细胞 外蛋白质。测定水解纤维素活性，其通过滤纸活性方法(FPU:滤纸单位)获得整体活性和 纤维二糖酶活性，该活性被认为限制木质纤维素生物质的酶促水解的进程。FPU活性是在 Whatman No. 1滤纸上以50g. Γ1的起始浓度进行测量的；确定待分析酶促溶液的测试样品， 其在60分钟内释放2g. Γ1当量的葡萄糖(比色分析确定)。对纤维二糖酶以20mM的浓度 测量纤维二糖酶活性；确定30分钟内释放0. 5g. Γ1葡萄糖的测试样品(酶促测定)。U. πιΓ1为单位的活性是以每分钟每毫升酶促溶液释放的葡萄糖微摩尔数表达的。最终的分析测定给出下列结果 实施例2 在蔗糖上生产酶在与实施例1相同的条件下进行酶生产，但是在分批阶段用蔗糖替换乳糖，并用 60%乳糖和40%蔗糖进行补料-分批阶段。所使用的菌株是CL847-衍生的菌株，其被转化 了黑色曲霉转化酶(Berges et al.，1993)。为含有1. 751矿物培养基和40g纯蔗糖的发酵罐接种0. 251 CL847里氏木霉菌株 的液体预培养物。预培养的含碳底物是浓度为ZOg.r1的葡萄糖。生长48小时后，排出起 始底物，连续注入200g. rhO^乳糖和40%蔗糖的溶液，流速为5ml. h—1，达到165小时。最终的分析测定给出下列结果 就酶活性和产率而言，所获得的酶生产相近。这些数值可以与有效的木质纤维素 水解相适应。对于两个实施例，酶促水解和发酵给出了就醇生产而言相似的结果。
权利要求
从预处理的木质纤维素生物质生产醇的方法，其中酶促水解阶段是利用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶进行的，所述水解纤维素和/或水解半纤维素的酶是使用来自利用糖料植物作为原料的其他乙醇生产方法的至少一种排出液生产的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于生产水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的 所述排出液包含从甜菜或甘蔗清洗和/或糖精炼糖蜜获得的甜汁。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的生产 是利用水解纤维素的微生物菌株达到的，其中所述分解纤维素的微生物菌株天然地或在修 饰后利用蔗糖作为其生长的碳源。
4.根据权利要求3所述的方法，其中水解纤维素和/或水解半纤维素的酶的生产是利 用真菌达到的，所述真菌还利用来自预处理生物质的单体形式的其他工业可溶性糖或半纤 维素级分提取物作为碳源，或者来自木质纤维素生物质水解产物的发酵酒糟提取物或其混 合物作为碳源。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述微生物属于木霉属、曲霉属、青霉属或裂 裙菌属。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述微生物属于里氏木霉物种。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中木质纤维素生物质选自稻草、木材、林 木、醇生产糖料作物和粮食作物残渣、造纸工业残渣、纤维素和木质纤维的材料转化产物。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中酶促水解阶段之后为发酵阶段，随后是 蒸馏和分离醇阶段。
9.根据权利要求8所述的方法，其中发酵阶段是乙醇发酵类型的，并且所获得的醇是乙醇。
10.根据权利要求8所述的方法，其中发酵阶段是ABE发酵类型的，并且所获得的醇是 丁醇和乙醇的混合物。
11.根据权利要求8所述的方法，其中发酵阶段是IBE发酵类型的，并且所获得的醇是 丁醇、乙醇和异丙醇的混合物。
12.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中酶促水解和发酵是同时进行的，并且之 后为蒸馏和分离醇阶段。
全文摘要
本发明描述了一种从预处理的木质纤维素生物质生产醇的方法，其中利用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶进行酶促水解阶段，其中所述水解纤维素和/或水解半纤维素的酶是使用来自利用糖料植物作为原料的其他乙醇生产方法的至少一种排出液生产的。该方法可以整合入从纤维素或木质纤维素生产醇的方法中，被称为第二代方法，其包括下列阶段1)对纤维素或木质纤维素底物进行化学和/或物理预处理，2)使用水解纤维素和/或水解半纤维素的酶对预处理的底物进行酶促水解，3)利用适当的产生醇的微生物对来自阶段(2)的水解产物进行醇发酵，直到获得必要的发酵，以及分离在阶段(3)中使用的产生醇的微生物，分离和/或纯化醇。
文档编号C12N9/42GK101868549SQ200880117355
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月21日
发明者A·马乔特, F·莫诺特 申请人:Ifp公司