用于消化纤维素生物质的简化方法

专利名称：用于消化纤维素生物质的简化方法
技术领域：
本发明涉及一种消化纤维素生物质的方法，特别涉及一种用于消化纤维素生物质 的简化方法。
背景技术：
在过去的几十年中发生了有关能源短缺的多次警告。其一般模式为能源价格飙升 导致显著的经济衰退，后者又暂时减缓了能源需求的压力。同时，人们不甚热心地建立了节 能措施。在过去，这导致能源价格暂时下降，从而使能源消费很快恢复猖獗，而能源节约和 长远的能源规划则完全被遗忘。这次，中国和印度的快速发展正在对能源供应造成越来越 大的压力。这种需求看来或许对典型的循环价格下降形成了缓冲。最近，石油价格飙升至 每桶$150. 00或更多，而且看上去如果节能方法没有改善且新能源没有找到的话可能价格 最终会回到这些水平。此外，能源供应是有限的。最好的估计是石油供应将在四十年左右以内大部分耗 尽。即使随着新油田的发现和现有油田回收率的改善，这个估计也不大可能增加甚至两倍， 到八十年。因此，如果没有大幅改善效率或大量的节约努力，一些现在活着的人几乎肯定会 看到石油动力世界的终结，就像我们没有多少代以前的祖先看到了马力技术的终结那样。 有些人将他们的希望寄托于核能。不幸的是，核燃料的供应也是有限的，特别是考虑到目前 使用的效率低下的核反应堆。此外，核废料的问题非常严重，以至于我们的文明可能无法安 全地依靠核能，即使燃油供应是无限的。其它普遍使用的化石燃料的前景并不比石油更加光明。据估计，目前的天然气供 应将在约六十年内耗尽。即使估计的时间增加一倍，对天然气的广泛依赖也将在不超过 一百二十年后结束。煤炭也许是最丰富的化石燃料，其被认为有至少200年的供应。这意 味着，除非替代能源技术能很快发展，我们的文明将在未来五十年到一百年内完全依赖于 煤炭。然而，煤是开发最早的化石燃料，因为煤炭的燃烧很脏并剩下大量的灰，其已被天然 气和石油大量取代。更不要说采煤带来的可怕的环境成本。但是，可能不仅是煤炭短缺的问题导致必须要放弃使用煤炭。更准确的，它将是由 于化石二氧化碳连续释放到大气中带来的环境后果所导致的。这个通常被称为全球变暖的 问题产生自任何化石燃料的燃烧。在该问题的冲击被人们感受到之前正好是石油可能耗尽 的时候正式正是。全球变暖可能不是一个好的术语，因为虽然由于大气中二氧化碳过多导 致全球气温整体上升，但是真正的问题不在于变暖本身，而在于气候急剧变化。地球的气候 一直在变化——在某些时候比在其它时间更快速。例如，在相对近的过去发生在冰河时期 末尾的剧烈气候变化；该气候变化虽然在地质学标准上是快速的，但是其已经足够缓慢，使得生物体可以适应新的气候或迁移至更适合的气候区域。因此，随着冰川退缩和气温回暖， 适应寒冷温度的“北极”物种向北移动或进入更高海拔的地区。种种迹象表明，化石燃料燃 烧造成的气候变化将会过于快速，使生物体无法迁移。结果将是物种和整体生物多样性的 极端损失，其物种灭绝速率远高于由于我们文明的传播已经造成的高灭绝率。直到一些全新的能源例如融合能源(fusion)进行完善之前，对于能源难题的最 佳答案似乎是显著加强节约以及只利用可再生能源。我们星球的大部分能量最终来自太 阳。因此，光伏发电和太阳能采暖形式的太阳能利用是最理想选择。然而，直接太阳能不能 利用满足我们所有的需要。水力发电和风力发电是另外两种形式的可再生的、基于太阳的 能量。这些能量来源都不会导致二氧化碳在大气中的变化。生物质能(即，木材和其它植 物材料)可能是太阳能的理想补充。这可能看上去令人吃惊，因为通常生物质能源是通过 燃烧生物质获得的，这种燃烧向大气中释放二氧化碳。但是，生物质是可再生的。如果对 绿色植物进行种植以生产生物质，释放的二氧化碳会很快被回收至新的植物材料中。因此， 二氧化碳被反复使用，而大气中二氧化碳的总体水平不会同燃烧化石燃料一样继续增长。 真正的问题是如何将生物质能源整合到我们的经济中。目前燃烧木材流(wood burning stream)的火车和燃烧木材的汽车明显短缺。而在发电厂直接燃烧生物质也不是特别可行， 因为我们的发电系统适合使用液态石油或天然气或者甚至是煤粉。人们已付出了相当大的努力来从生物质中生产液体燃料(主要是乙醇)。这涉及 糖的发酵，其直接来源于如玉米等的植物，或间接来自消化纤维素生物质形成的可发酵的 糖类。对直接来源的糖进行发酵的技术已经很完善了。目前，美国正在日益走向以来自玉米 的乙醇为基础的燃料系统。虽然这种方法可能在政治上受到玉米产区的青睐，但是它包含 了一个潜在的致命缺陷，即从玉米的食品用途中进行分流可能导致粮食价格的急剧增长。 还有一个问题是高效培养玉米所需求的相当数量的氮肥。氮肥的主要来源是能源密集型的 工业过程，其中消耗的能量和从玉米生产乙醇中获得的几乎一样多。这是非常真实的，因为 从玉米粒转化成乙醇中只能获得一小部分玉米植株的能源。很大部分的能量仍然保留在植 物的纤维素生物质中，而没有回收为乙醇。也许，可再生能源最大的潜在来源是在纤维素生物质中。纤维素向可发酵的糖进 行转化是困难的，在目前并不十分有效率。通常使用酶或酸水解纤维素生物质形成可发酵 的糖。对生物质进行充分的机械预处理是必要的。在一些方法中生物质用化学法预处理， 然后通过压力和温度的急剧变化进行“爆破”。该过程可能会产生大量危险的化学废物。其 它工艺在设备中进行木片的酸煮，其在做法上更像是用于造纸的木浆生产方法。迄今为止 这些方法没有一种被证明是非常成功的。本发明人曾经试图将生物质变为足够小的颗粒以 解决现有技术中的这些问题。发明者发现这些颗粒(称为纤维素微粉)可以通过酶或化学 水解等手段很容易地水解成糖和其它有机单体。可能是因为颗粒的体积非常小，(用于该 微粉的)水解酶比用于其它方法制备的纤维素生物质中更为有效。这种方法的主要缺点似 乎是制备微粉所用设备的复杂性及其消耗的能量。因此，本发明人试图发展一种更有效的 方法将纤维素生物质转换成可发酵的糖。

发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
第一种技术方案一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，包括以下 步骤将生物质颗粒与亲水性聚合物的水溶液进行混合，形成聚合物-生物质混合物；混 合-揉搓该聚合物-生物质混合物，将生物质转化为膨胀和水化的凝胶状态的生物质，其易 于进行酶促水解。其中生物质颗粒具有小于100微米的平均直径，作为优选，其中生物质颗 粒具有20-70微米的平均直径。其中亲水性聚合物选自由多糖和聚乙烯醇组成的组。其中 多糖为糊精。还包括在混合-揉搓的步骤中加热聚合物-生物质混合物到至少至70°C。其 中聚乙烯醇已经被交联形成凝胶。其中添加液化和糖化酶至膨胀和水化的凝胶状态的生物 质中，将其液化并水解为游离糖。第二种技术方案一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，包括以下步 骤通过交联聚乙烯醇的水溶液形成凝胶；将生物质颗粒与交联的聚乙烯醇凝胶进行混 合，形成凝胶-生物质混合物；混合-揉搓该凝胶-生物质混合物，将生物质转化为膨胀和 水化的凝胶状态的生物质，其易于进行酶促水解。其中通过在聚乙烯醇水溶液中加入f硼 酸盐离子形成聚乙烯醇凝胶。其中生物质颗粒具有小于100微米的平均直径，作为优选，其 中生物质颗粒具有20-70微米的平均直径。其中添加液化和糖化酶至膨胀和水化的凝胶状 态的生物质中，将其液化并水解为游离糖。第三种技术方案一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，包括以下步 骤将生物质颗粒与浓缩的糊精溶液进行混合，形成糊精-生物质混合物；混合-揉搓该糊 精-生物质混合物并同时将混合物加热到至少70°C，直至将生物质转化为膨胀和水化的凝 胶状态的生物质，其易于进行酶促水解。还包括周期性加水的步骤，以暂时降低糊精-生物 质混合物的粘度。还包括周期性地向糊精-生物质混合物中添加额外的生物质的步骤。其 中添加液化和糖化酶至膨胀和水化的凝胶状态的生物质中，将其液化并水解为游离糖。其 中生物质颗粒具有小于100微米的平均直径，作为优选，其中生物质颗粒具有20-70微米的 平均直径。发明的过程中将纤维素生物质转化成凝胶样的状态，其很容易被合适的酶水解。 发明人将这种过程称为“调节(conditioning)”或“共溶(co-solvation) ”。首先用机械 方法缩小生物质的体积。根据不同生物质来源的确切性质，该过程可用于最大尺寸小于2 毫米的材料。然而，能取得最佳的效果的生物质颗粒尺寸最大不超过100微米一一最好在 20-70微米大小的范围内。当然，具有更小尺寸的生物质粉末的表现更完美，但通过这种更 小尺寸的材料得到的改善，如果有的话，似乎不值得去花费额外努力进一步减少生物质颗 粒大小。然后，将生物质与作为调节剂或作为共溶剂的亲水性聚合物水溶液一起进行混合 (mix)/揉搓(knead)。得到的混合物进行混合和揉搓，生物质中的纤维素(和半纤维素) 发生膨胀和水化。这样产生了一种粘性的凝胶状材料。然后，可以通过加水来稀释处理好 的材料，其中将水解酶混合入该材料中。由于多糖被分解为游离的糖，导致混合物粘度迅速 下降。如果生物质已经被调节完全，其在几个小时或更少的时间内发生水解成为游离糖。糊精是调节生物质有效的亲水性聚合物。实验表明，初始调节液应具有显著的粘 度，否则调节过程将非常缓慢。发明人认为，粘稠液体影响了混合/揉搓能量向生物质颗粒 的传递。该传递的能量参与了生物质的水化并使得生物质颗粒的细胞结构被分解。采用糊 精的话，混合/揉搓在高温下(例如，70-90°C)最有效。其部分原因是由于高温保持了混 合物的柔性。由于生物质吸收水分，其变得越来越浓。如果让浓的生物质进行冷却，它可能会完全硬化。糊精的加入有利于定期添加少量水分以阻止生物质变得太浓。水的补充应避 免过度，因为如果粘度降低太多，调节过程的速度会大大减缓。采用糊精调节剂的最佳实践 方式是交替补充水和生物质以保持最佳的工艺条件。该过程对于以重量计30%至50%的 生物质混合物有效。一般来说，整个过程需要混合/揉搓5-10小时。聚乙烯醇(PVA)是另一种有效的用于生物质的调节剂。PVA表现得可以比糊精和 类似的多糖更有效，这或许是因为可以通过添加如硼酸盐等能交联PVA的试剂将PVA溶液 转化为粘性凝胶。当生物质颗粒被混合/揉搓入这样的PVA凝胶时，调节过程在室温下迅 速进行。与糊精调节的材料不同，PVA调节的材料保持其柔性，其允许使用滚动(rolling) 和堆放(stacking)操作从而加快处理。与糊精调节相同，可以根据需要添加水以控制混 合物的粘度，但一般没有必要补充水。像糊精调节一样，PVA的过程可以处理以重量计约 30% -50%的生物质的混合物。PVA的处理过程一般比糊精过程快，可以在短短的一到两个 小时实现完成。调节后，加水稀释浓的凝胶，然后将水解酶混合入其中。混合物的粘度经由 酶解而迅速下降，其大部分在不到5小时内完成。这一过程的关键是在粘性亲水性聚合物溶液的存在下混合生物质颗粒。可以预计 其它能够产生粘性溶液的亲水性聚合物也是有效的，包括交联的聚丙烯酸(及共聚物)和 例如果胶、槐树豆胶、瓜尔豆胶，魔芋胶和海藻酸钠等多糖，其可被硼酸盐离子、钙离子或其 它二价阳离子所交联。调节试剂的选择在一定程度上是根据材料可获得性的经济学以及 用过的材料进行后处理可能存在的问题来决定的。在糊精的情况下，其可以很容易地进行 α -淀粉酶水解和酵母发酵。在PVA的情况下，该材料可从水解液回收和再循环。
具体实施例方式提供下面的描述是为了使本领域技术人员能够进行和使用本发明，并阐述由发明 人设想的实现发明的最佳模式。但是，由于本发明的一般原则已经在此进行了定义并用于 特别提供通过使用化学调节/亲水性聚合物溶解而将生物质分解成为容易水解的形式的 改进的方法，因此对本领域技术人员而言，各种修饰将是显而易见的。本发明人分析了用于将淀粉分解为可发酵糖的过程。在将玉米转化成乙醇的工厂 中，首先通过在水中“蒸煮”进行玉米淀粉(主要是葡萄糖α 1-4聚合物)的水化。在水的 存在下，在高温下淀粉聚合物进行水化并形成凝胶。通常淀粉聚合物过长而不能完全溶解； 但是，作为水合凝胶的聚合物易于接受酶的攻击。酶，例如α-淀粉酶，将α 1-4键拆开并 将淀粉凝胶分解为含有α 1-6支链的较短的聚合物和简单糖(葡萄糖)的液体溶液。添加 葡糖-淀粉酶能将α 1-6键拆开并完成淀粉向可发酵糖(葡萄糖)的转化。如果有可能以类似淀粉的方式水化纤维素生物质，那么应该可以将水合纤维素 更有效地转化成简单的糖。工业上有很多处理纤维素的经验，人们公知将纤维素水化为 半-可溶性的凝胶是不太可能的。如果将纤维素生物质(如木片)进行蒸煮，并在某些化 学品的存在下在高温中进行搅拌，可能从纤维素中分离出木质素从而产生相对纯净的(但 仍不溶的)纤维素。这实质上是用于将木片转化为纸浆的过程。同样公知的，某些碱性成 分和二硫化碳等有机溶剂可用于实际上溶解纤维素。最近已发现更温和的离子液体(如 1-丁基-3-甲基咪唑氯化鐺)可溶解纤维素。虽然任何一种方法都可用于纺织品或材料用 途(例如，玻璃纸)的纤维素再生，但是这些化合物是有毒和/或昂贵的，一般不适合将溶解的纤维素进一步分解为简单糖的酶。因此，发明人寻找了更简单和更安全的方式来水化纤维素。纤维素生物质中发现 的众所周知的纤维素类结晶区域似乎是纤维素水化阻力的至少一部分原因。在发明人早期 的实验中用湿法(见W0/2002/057317)和干法(见W0/2007/106773)分解纤维素生物质 已经表明，有可能通过反复应用水(湿法工艺)或甚至直接通过机械力量(干法工艺)来 分解至少一部分类结晶纤维素。发明人发展了该理论，在亲水性聚合物水溶液的存在下剧 烈混合或揉搓纤维素能够与发明人的湿法和干法工艺的效果相结合。亲水性聚合物会增 加水的粘度，从而使得来自混合的机械能进行更有效地传递。此外，聚合物的存在改变了 周围介质的介电常数，其可能对于氢键强度有影响。这是特别正确的，因为亲水聚合物分 子能与表面纤维素分子相互作用，并有助于将它们从不溶性纤维素团块中进行“剥离”。同 时，亲水性聚合物会插入纤维素聚合物链之间，破坏类结晶区域并维持纤维素处于水合的 半-溶解性形式。本质上，亲水性聚合物能作为纤维素的“共溶剂(co-solvent)”或“调节 器(conditioner)”。应当理解，术语“共溶剂”是为了使用方便，亲水性聚合物并非作为将 纤维素完全溶解的真正意义上的溶剂。相反，聚合物对纤维素进行调节并将其转换为适合 快速酶促水解的凝胶状形式。如下所示，亲水性聚合物确实表现出像是纤维素的共溶剂，因 为它们极大地简化了将生物质转化成容易被酶水解的纤维素形式的任务。该过程的总体概况如

图1所示。在第一步骤10中减小生物质的体积，以方便进行 过程的以下步骤。生物质的制备相对很简单，即尽可能地去除泥土、石块、树皮和其它非纤 维素成分。接下来通过切割或类似操作将所产生的主要为纤维素的“已清洗的(cleaned)” 生物质或原料进行分解，使其最大尺寸为约2mm或更小。发明人在先的专利申请中描述的 切割机是这一任务的理想选择。锯屑或尺寸基本上小于2mm的其它生物质能更为迅速地进 行处理。虽然不是必须减少尺寸至基本上低于2mm，但是要理解，在揉搓/混合步骤花费的 时间/精力与在减小生物质尺寸方面花费的时间/精力之间有一个权衡。发明人的在先申 请(同上)中所述的机械装置是最理想的，尽管对于本领域技术人员而言其它合适的装置 将是显而易见的。优选的生物质的尺寸为直径小于2mm，更加优选的直径小于1mm，以及最 优选的尺寸范围是具有直径为约20-70微米的颗粒——即小于100微米。通常植物细胞的 直径小于100微米，且大量的植物细胞在20-70微米的范围。因此，将生物质分解为这个范 围内的颗粒是相对容易的。可以理解，粗生物质不完全是纤维素葡萄糖聚合物。它也包含 数量可变的半纤维素(多糖，其含有以下糖，如木糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖、葡萄糖、阿拉 伯糖以及甘露糖醛和半乳糖醛酸)。半纤维素中的糖主要是戊糖木糖。大多数生物质还含 有木质素，其为松柏醇、对-香豆醇和芥子醇(作为木质醇为人所知)的衍生物的复杂的疏 水聚合物。人们相信木质素一同强化了纤维素和半纤维素的结构。在第二个步骤12中将生物质颗粒混合入凝胶反应调节剂。将生物质与调节剂混 合或揉搓，在此期间，该生物质的细胞结构被分解。纤维素和半纤维素发生部分水化，这些 多糖与木质素之间的相互作用被破坏，从而使植物细胞壁的微观结构被分解。由此产生的 产品非常粘稠，因而必须通过添加水使粘度降低。在步骤14中将水解酶混入，调节后的生 物质迅速变得不那么粘稠。酶促水解之后溶液中存在葡萄糖18和木糖16 (以及其它半纤 维素单体)。木质素20以微小颗粒的形式存在，但目前尚未对部分破坏的木质素的化学结 构进行表征。木质素可以通过过滤或离心进行除去。如果需要回收木糖(有价值的天然产品)的话，可以通过本领域公知的方法(如色谱法)对可溶性糖进行纯化。然后同样如本 领域公知的，将糖溶液(分离之前或之后的)用酵母进行醇发酵生产乙醇。本工艺首先采用寡糖作为生物质调节剂进行了开发。此外已经证明其它亲水性聚 合物作为增加粘度的共溶剂更为有效；所有这些材料价格便宜且一般无毒。目前优选的寡 糖是糊精(相对短的α 1-4葡萄糖聚合物)、麦芽糊精以及甚至是麦芽糖。随着聚合物长度 的增加，糊精聚合物水溶液的粘度增大。看起来，其有效性与达到足够粘度所需要的寡糖的 量有关。在聚合物很短，如麦芽糖的情况下，需要使用非常浓缩的溶液以得到最佳的效果。 聚乙烯醇是目前优选的非-碳水化合物亲水性聚合物。该采用寡糖的工艺中取制备好的生物质，加入糊精“共溶剂”溶液，然后在高温 (约60°C至90°C )下混合所产生的物质，直至形成粘稠的半透明或甚至透明的凝胶状混 合物。在混合中，生物质经历了膨胀一水化的步骤。最后，纤维素或多或少地完全“溶解 (dissolved) ”入粘性凝胶中。在糊精的情况下一般需要加热以保持生物质混合物的柔性。在一个实验中，在糊精共溶剂中搅拌以重量计10-20%的体积减小的生物质混合 物，然后在高温(约60°C至90°C )下进行“揉搓(knead) ”(混合)，直到形成粘性凝胶。所 谓“揉搓”是指一种对固体和液体进行混合的程序，其与用来使面粉和水形成面包团中的 (程序)没有什么不同。可使用类似于适合生产基于面粉的面团的商业混合装置，只要有 办法维持高温即可。发明人发现传统上用以制备用于涂层或注射成型的塑料树脂的双螺旋 搅拌机/挤出机是特别合适的。通常需要大约一小时的混合来水化纤维素生物质并将其转 化成非常有粘性的半透明或透明的凝胶。如果使用例如滤纸等已纯化的纤维素作为检测起 始材料，产生的凝胶是无色透明的。通常在凝胶中困有一些气泡，导致其不是水清澈状。同 样，植物颜料和不溶性物质降低了凝胶的澄清度。该混合物中的固体重量可以达到50%及 以上。生物质通常包含木质素和半纤维素以及纤维素。如果，例如，将甘蔗渣(从压碎的 甘蔗中提取糖所留下的浆)与糊精共溶剂混合并在高温下揉搓约一小时，由此产生的凝胶 是黄色或褐色的，且与纯纤维素制成的凝胶相比透明度较差。对凝胶进行的微观检查表明， 大部分细胞结构已基本破坏。不过，甘蔗的表皮细胞有些硅化，部分该细胞结构得以从揉搓 过程中保留下来。此外，还可能存在痕量高度木质化的维管束分子，虽然更长时间的处理将 导致它们完全瓦解。对大量植物材料的实验证明，有些材料比其它的更难以共溶剂化。已发现初始使 用生物质粉末可以得到大大加快的结果，其中颗粒在直径20-70微米的范围内一也就是小 于100微米。很多机械加工设备可以很容易地将纤维素生物质颗粒分解至该体积范围，而 不需要过度的处理。发明人在先的专利申请中使用的设备是合适的。正如这些专利中披露 的，将生物质分解至微米或次微米级的大小范围是更难的。本工艺的优势是它能够利用和 最优化地处理可以很容易通过普通机械设备生产的生物质颗粒。将生物质与糊精共溶剂一起揉搓，特别是在高温下，使得固体纤维素被转化成极 粘稠的凝胶或团块，其与淀粉经蒸煮转化成凝胶完全相同一至少在表面上是这样。已确认 具有较高水平生物质的混合物可以更有效地溶解；似乎在粘稠溶液中最容易出现溶解。需 要高温来维持该粘稠混合物的柔性，如果允许其冷却下来，则它倾向于发生固体化。发明人 认为，在揉搓过程中由加入生物质引起的更高水平的粘度会增加溶解速率。该进程的下一个步骤类似于淀粉加工一即对凝胶进行液化。在大多数情况下，经过揉搓的生物质会非常 粘稠或呈面团状，以至于有必要在添加酶之前加水来降低粘度。纤维素凝胶的液化是通过在凝胶中加入液化酶(内切纤维素酶和内切葡聚糖 酶)并持续搅拌来实现的。凝胶液化后，添加糖化酶(外切纤维素酶、纤维素葡聚糖 酶(cellobioglucanases)和混合的β-葡聚糖酶)以分解剩下的纤维素来释放葡萄 糖。也可以同时添加两种类型的酶使液化糖化在同一时间进行。优选的酶是由瑞氏木霉 (Trichoderma reesii)禾口绿色木霉(Trichoderma viride)以及曲霉属(Aspergillus)、!^ 顶孢属(Acremonium)和青霉属(Penicillium)所产生的。在几个实验中采用了来自日本 东京明治制果株式会社(Meiji Seika Co. Ltd. of Tokyo, Japan)的酶(例如，Meicellase， 一种绿色木霉的酶混合物，其含有纤维素酶、木聚糖酶、β -葡萄糖苷酶和α -L阿拉伯糖苷 酶)，虽然其它生物和商业来源的合适的酶同样可以使用。重要的是要理解，本方法可通过 基本上任何一种具有适当专一性的酶将纤维素转化成更容易水解的形式。一般而言，酶的 添加重量大约是1/100的纤维素原料重量。根据确定使用的酶，最佳的反应在约45°C-60°C 下进行。对于本领域技术人员而言显然液化酶和糖化酶之间在酶活性的类型方面有相当多 的重叠；因此，液化酶能释放出大量的游离糖。现在详细描述一个典型实验。向12. 5克的水中加入50克糊精(例如，麦芽糖) 产生初始的糊精水溶液或糖浆(重量比80%的溶液)。具有更高DE比(葡萄糖当量)的 糊精能产生更大粘度的溶液，并在较低的重量百分比下有效。这表明共溶剂的粘度是很重 要的，更加粘稠的溶剂显著地更加有效。当然，粘性共溶剂可能存在使生物质/共溶剂混合 物过于粘稠而不易混合或揉搓的缺点。通常，膨胀和水化步骤的PH值接近中性。在本实验 中，纤维素和糊精的重量比至少是5 2。最初，将10克纤维素(以滤纸形式存在，切成1 平方厘米)添加到糊精溶液中，得到的混合物在80°C混合-揉搓1小时左右。纤维素通过 该过程发生膨胀，形成透明的凝胶或“面团(dough)”。如果凝胶在这时被冷却到室温，则粘 度显著增加。然后加入额外的至少10克的纤维素(以重量计20%的纤维素混合物)，并在 相似的一段时间内被吸收到凝胶中。在进一步的处理中，慢慢加入相对较小的水量(在此 为5ml)以暂时降低粘度使之易于加工。粘度的降低允许了更加充分的混合，包括进行“敲 打(beating)”，其中溶液受到剪切力影响以帮助分解原纤维和其它植物细胞壁结构。随着 越来越多的纤维素发生膨胀和水化，粘度开始增加，因而加入另一份水(在此为IOml)再次 显著降低粘度。这时再加入另一份纤维素，且该添加循环(见图1)重复5到10次。由于 纤维素的数量增加了，每次重复处理时间略有下降。当添加过程重复五次时，最终的溶液中 纤维素以重量计约为30%。该混合-揉搓(包括“敲打”的剪切力)具有机械作用，将生物材料(植物细胞壁) 分解为原纤维和亚原纤维。同时，热量和共溶剂有助于将纤维素的类结晶区域分解为可溶 性区域。剩下的原纤维在该过程中发生膨胀和分离一最终被完全吸收进入凝胶溶液中。基 于如何施加混合-揉搓和“敲打”的剪切力，可以对该过程进行加速，但是加工设备确切的 机械配置并不重要。定期加水(见图2)有助于降低过量的粘度，从而实现最快速的膨胀和 水化。出人意料的是，在天然生物质中存在的木质素表现得有助于该进程。如果像在造纸 中那样用化学法去除木质素的话，纤维素分子更难以膨胀和水化。这意味着脱木质化后纤 维素结构变得更加坚硬或抗溶解。
膨胀和水化完成后，将温度降低到60°C (或更低一见上文)并加入液化酶形成以 重量计约0. 02%的酶溶液。凝胶在大约30分钟的额外混合后完全液化。然后将温度降低至 约50°C，加入糖化酶形成以重量计约0.05%的酶溶液并将pH值调整为pH 4.5。酶和生物 质的重量比约为1 100。经过3小时的持续混合，纤维素向葡萄糖的转化至少完成80%— 更久的孵育能得到进一步的水解。如果含有合适的酶，半纤维素也将被水解为其组成的糖。 可以理解，较低的酶量也可以是有效的，但需要更长的处理时间。应根据所采用的不同酶进 行时间、温度和PH值的变化。已经对滤纸、日本柏(柳杉属，Cryptomeria)的软木片Qmm)、玉米秸秆、甘蔗渣、 甜高粱秸秆、稻草、稻壳和油棕榈废料(EFB或去果的棕榈束)用本糊精工艺全部进行了测 试。所有这些生物质材料都可以被本共溶剂法所溶解。我们认为，该方法能适用于基本上 任何纤维素生物质。表1显示了各种不同纤维素微粒(直径为20-70微米，采用上述方法 生产)的结果。将给定重量的粉末加至给定重量的82%的糊精溶液并进行如上所述的混合 /揉搓。按照以上描述添加一次或更多次的水。由于揉搓过程中的粘度(较高)，水的补充 是必要的。易溶解的材料粘度较低，需要较少(或不需要)的加水。表 权利要求
1.一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，其特征在于包括以下步骤 将生物质颗粒与亲水性聚合物的水溶液进行混合，形成聚合物-生物质混合物； 混合-揉搓该聚合物-生物质混合物，将生物质转化为膨胀和水化的凝胶状态的生物质，其易于进行酶促水解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有小于100微米的平 均直径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有20-70微米的平均直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中亲水性聚合物选自由多糖和聚乙烯 醇组成的组。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于其中多糖为糊精。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于还包括在混合-揉搓的步骤中加热聚合 物-生物质混合物到至少至70°C。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于其中聚乙烯醇已经被交联形成凝胶。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中添加液化和糖化酶至膨胀和水化的 凝胶状态的生物质中，将其液化并水解为游离糖。
9.一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，其特征在于包括以下步骤 通过交联聚乙烯醇的水溶液形成凝胶；将生物质颗粒与交联的聚乙烯醇凝胶进行混合，形成凝胶-生物质混合物； 混合-揉搓该凝胶-生物质混合物，将生物质转化为膨胀和水化的凝胶状态的生物质， 其易于进行酶促水解。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于其中通过在聚乙烯醇水溶液中加入f硼 酸盐离子形成聚乙烯醇凝胶。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有小于100微米的平 均直径。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有20-70微米的平均直径。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于其中添加液化和糖化酶至膨胀和水化的 凝胶状态的生物质中，将其液化并水解为游离糖。
14.一种将纤维素生物质转化为易水解混合物的方法，其特征在于包括以下步骤 将生物质颗粒与浓缩的糊精溶液进行混合，形成糊精-生物质混合物；混合-揉搓该糊精-生物质混合物并同时将混合物加热到至少70°C，直至将生物质转 化为膨胀和水化的凝胶状态的生物质，其易于进行酶促水解。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于还包括周期性加水的步骤，以暂时降低 糊精-生物质混合物的粘度。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于还包括周期性地向糊精-生物质混合 物中添加额外的生物质的步骤。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于其中添加液化和糖化酶至膨胀和水化 的凝胶状态的生物质中，将其液化并水解为游离糖。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有小于100微米的平均直径。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于其中生物质颗粒具有20-70微米的平均直径。
全文摘要
本发明过程将纤维素生物质转化为凝胶状的形态，其容易被合适的酶水解。首先，用机械方法缩小生物质的体积。然后，将生物质与作为调节剂或共溶剂的亲水性聚合物水溶液进行混合及揉搓。在混合过程中生物质内的纤维素(和半纤维素)进行膨胀并发生水化形成一种粘性的凝胶状材料。然后可以将经过处理的材料通过加水进行稀释，其中将水解酶混合入该材料，其迅速发生水解成为游离糖。糊精是用于调节生物质的有效的亲水性聚合物。通过加入硼酸盐离子，聚乙烯醇是用于将生物质转化为粘性凝胶的特别有效的调节剂。
文档编号C13K1/02GK102046876SQ200980120973
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年4月1日
发明者秦诚二 申请人:生物质转换公司