木质纤维素生物质的梯度预处理的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2013年3月12日提交的美国临时申请61/776946的权益，该临时申 请全文以引用方式并入。
技术领域
[0002] 本发明提供了用于处理生物质以获得可发酵糖的方法。具体地，本发明涉及一种 用于木质纤维素生物质的预处理方法，该方法使用氨，其中生物质固体的百分比随时间推 移而减小。
【背景技术】
[0003] 木质纤维素原料和废料，诸如农业残留物、木材、林业废弃物、来自造纸的淤渣、以 及市政及工业的固体垃圾为化学品、塑料、燃料和饲料的生产提供了潜在的很大的可再生 原料。包含碳水化合物聚合物纤维素和半纤维素以及木质素的木质纤维素的原料和废料一 般用多种化学的、机械的和酶的方法进行处理以释放主要地己糖和戊糖的糖，然后这些糖 能进行发酵成为有用的产品。
[0004] 预处理方法用于使木质纤维素生物质的碳水化合物聚合物或多糖更易接近用于 糖化的纤维素酶。人们已知多种预处理方法，包括生物质的氨预处理。例如，共同拥有的US 7, 932, 063公开了在高固体含量和低氨水浓度的条件下预处理生物质的方法。所用的氨的 浓度至少是足以保持生物质-氨水混合物的pH为碱性的浓度并且相对于生物质干重至多 小于约12重量百分比。生物质的干重为生物质-氨水混合物重量的至少约15%至最多约 80%〇
[0005]US2010/0184176公开了一种生物质水热分解设备，在该设备中，将生物质进料到 主体中并且从另一端进料热压缩水，使得在该设备内出现生物质浓度的梯度。
[0006] 仍需要用于使用氨预处理木质纤维素生物质，产生可容易糖化的材料的方法，该 方法支持发酵过程中可发酵糖和产生生物催化剂产生的产物的产量增加。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种用于预处理木质纤维素生物质的方法，该方法支持糖化之后生物 催化剂产生的产物的产量增加。
[0008] 因此，本发明提供一种由纤维素生物质生产可发酵糖的方法，所述方法包括：
[0009] a)在起始时间t。在反应容器中提供包含以下物质的反应混合物：
[0010] i)固体浓度在约40%和约70%之间的纤维素生物质，测量为干生物质相对于总 混合物的百分比，基于重量/重量；和
[0011] ii)氨，其具有相对于生物质的干重在约4%和约24%之间的负载浓度；
[0012] b)随时间推移至最终时间tn增大反应混合物的液体含量，其中固体浓度减小约 20 %至约30%，从而产生预处理的生物质；以及
[0013] c)使预处理的生物质与糖化酶聚生体在合适的条件下接触，以产生可发酵糖，其 中所述可发酵糖为用于发酵工艺的生物催化剂提供碳水化合物来源。
【附图说明】
[0014] 图1为示出以用8%NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，在40%固体下，在一个阶 段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度，以及发酵期间（在 0hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图。
[0015] 图2为示出以用8 %NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，在52. 5 %固体下，在一个 阶段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度，以及发酵期间 (在0hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图。
[0016] 图3为示出以用8%NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，在65%固体下，在一个阶 段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度，以及发酵期间（在 0hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图。
[0017] 图4示出在使用固体％的梯度的预处理中（A)和在使用40%的恒定固体的预处理 中⑶的固体％和氨浓度随时间推移的图。
[0018]图5为示出以用8 %NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，梯度为65 %、接着52. 5 %、 接着40%固体的在三个阶段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯 糖浓度，以及发酵期间（在〇hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓 度的图。
[0019] 图6为示出以用8 %NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，在65 %固体下，在一个阶 段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度，以及发酵期间（在 0hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图。
[0020] 图7为示出以用8%NH3/g干生物质预处理的秸杆起始，在40%固体下，在三个阶 段中执行的糖化期间（在24hr、48hr处）葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度，以及发酵期间（在 0hr、26hr和第二个48hr处）葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图。
[0021]图8为示出在使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固体，或梯度65 %至40 %固体预处理 的玉米秸杆的48hr糖化之后，葡萄糖、木糖和阿拉伯糖收率的图，其中梯度使用蒸汽喷射 或干热和水添加来产生。
[0022] 图9为示出在120hr的发酵之后葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图，发酵使 用由玉米秸杆产生的水解产物，玉米秸杆使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固体，或梯度65 % 至40%固体预处理，其中梯度使用蒸汽喷射或干热和水添加来产生，其中发酵以2%v/v种 菌起始。
[0023] 图10为示出在发酵的时间=0时葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图，发酵使 用由玉米秸杆产生的水解产物，玉米秸杆使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固体，或梯度65 % 至40%固体预处理，其中梯度使用蒸汽喷射或干热和水添加来产生，其中发酵以10%v/v 种囷起始。
[0024] 图11为示出在48hr的发酵之后葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和乙醇浓度的图，发酵使 用由玉米秸杆产生的水解产物，玉米秸杆使用恒定40 %、52. 5 %或65 %固体，或梯度65 % 至40%固体预处理，其中梯度使用蒸汽喷射或干热和水添加来产生，其中发酵以10%v/v 种囷起始。
【具体实施方式】
[0025] 本发明涉及一种用于预处理木质纤维素生物质和将预处理的生物质糖化以产生 可发酵糖的方法。存在与预处理过程中使用的生物质固体的最佳浓度相关的相反因素，包 括可从生物质中释放的糖的量和另外释放的抑制剂的量，以及生物质对预处理剂的可接近 性。在本文所述的条件下，能够有效地以高生物质固体浓度起始并且在预处理反应期间降 低生物质固体浓度。使用该方法，预处理的生物质产品更有效地糖化，从而在发酵期间产生 更高收率的可发酵糖，导致增强的生物催化剂产物合成。
[0026] 以下定义和缩写将用于权利要求和说明书的解释。
[0027] 如本文所用，术语"包含"、"包括"、"具有"或"含有"，或者其任何其他变型旨在涵 盖非排它的包括。例如，包含元素列表的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限 于那些元素，但可以包括其他未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品 或设备固有的元素。此外，除非明确指出相反，"或"是指包含性的或而非排他性的或。例 如，条件A或B满足下列任一项：A为真实的（或存在的）且B为虚假的（或不存在的），A 为虚假的（或不存在的）且B为真实的（或存在的），以及A和B均为真实的（或存在的）。
[0028] 此外，涉及元素或组分的例子（即出现）的数目在本发明元素或组分前的不定冠 词"一个"或"一种"旨在为非限制性的。因此，应将"一个"或"一种"理解为包括一个或至 少一个，并且元素或组分的词语单数形式也包括复数，除非数字明显表示为单数。
[0029] 如本文所用，术语"发明"或"本发明"是非限制性术语，并且不旨在意指本发明的 任何单个实施例，而是涵盖如本说明书和权利要求所述的所有可能的实施例。
[0030] 如本文所用，所用修饰本发明的成分或反应物的量的术语"约"是指数值量的变 化，其可能发生在例如，典型的测量和用于制备浓缩液或实际使用溶液的液体处理程序中； 这些程序中的偶然误差中；制造、来源、或用于制备组合物或实施方法的成分的纯度的差异 中；等等。术语"约"还包括由于对于起因于特定起始混合物的组合物的不同平衡条件而不 同的量。无论是否由术语"约"来修饰，权利要求包括量的等同量。在一个实施例中，术语 "约"指在报告数值10 %以内，优选地在报告数值5 %以内。
[0031] 术语"可发酵糖"是指在发酵过程中能被微生物用作碳源的低聚糖和单糖。
[0032] 术语"木质纤维素"是指包含木质素和纤维素的组合物。木质纤维素材料也可包 含半纤维素。
[0033] 术语"纤维素"是指包含纤维素和包括半纤维素在内的附加组分的组合物。
[0034]术语"糖化"是指由多糖产生可发酵糖。
[0035] 术语"预处理的生物质"是指在糖化之前已经过预处理的生物质。
[0036] 术语"丁醇"是指异丁醇、1-丁醇、2-丁醇、或它们的组合。
[0037] 术语"纤维素生物质"是指任何木质纤维素材料，并且包括包含纤维素、半纤维素、 木质素、淀粉、低聚糖和/或单糖的材料。生物质也可包含附加组分，诸如蛋白质、脂质、灰 分、和/或提取物。生物质可来源于单一来源，或生物质可包括来源于一种以上来源的混合 物；例如，生物质可包括玉米棒和玉米秸杆的混合物，或草和叶片的混合物。木质纤维素生 物质包括但不限于生物能源作物、农业残留物、市政固体垃圾、工业固体垃圾、来自造纸业 的淤渣、庭院垃圾、木材和林业垃圾。生物质的示例包括但不限于玉米棒、作物残余物诸如 玉米壳、玉米猜杆、玉米粒纤维、草、甜菜衆、小麦猜杆、小麦壳、燕麦猜杆、大麦猜杆、大麦外 壳、干草、稻杆、稻壳、柳枝稷、细叶芒（miscanthus)、大米草、草芦、废纸、甘蔗渣、高粱渣、高 粱秸杆、大豆秸杆、从谷物研磨中获得的组分、树、枝、根、叶、木片、锯末、棕榈废料、灌木和 灌木丛、蔬菜、水果、花和动物粪肥。
[0038] 术语"干物质含量"是指以除去物质的含水量后存在的主体物质的重量计的量。
[0039] 术语"生物质水解产物"指来源于生物质糖化的产物。生物质也可在糖化前进行 预处理或预加工。
[0040] 术语"生物质水解产物发酵液体培养基"是指包含产物的液体培养基，所述产物得 自包含生物质水解产物的培养基中的生物催化剂生长和生产。该液体培养基包括没有被生 物催化剂消耗的生物质水解产物的组分、以及生物催化剂本身和生物催化剂产生的产物。
[0041] 术语"目标化合物"或"目标产物"是指任何由发酵中的微生物生产宿主细胞产生 的产物。目标化合物可为宿主细胞中遗传工程的酶的途径的产物或可由内源性途径产生。 典型的目标化合物包括但不限于：酸、醇、烷烃、烯烃、芳烃、醛、酮、生物聚合物、蛋白质、肽、 氨基酸、维生素、抗生素和药物。
[0042] 伸用牛物质固体梯度的预处理
[0043] 在本发明方法中，预处理反应中生物质固体的浓度随反应时间进程的推移而减 小。生物质的浓度为固体浓度，其为基于重量/重量，干生物质相对于总预处理反应混合物 的百分比。
[0044] 生