用于使生物质水解的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于使生物质水解的方法以及由该方法制备的含糖渗透产物和含蛋 白质的产物。在进一方面，本发明涉及用于由含糖渗透物来制备有机化合物的方法。在另一 方面，本发明涉及含蛋白质的产物用于制备发酵培养基的用途。
【背景技术】
[0002] 来自农作物例如甜菜、玉米、稻草(straw)以及其他含糖或含多糖和含蛋白质的材 料的生物质不仅对于精制的糖例如单糖或二糖，而且对于其他成分例如氨基酸、蛋白质和 矿物质均是有益来源。
[0003] 在现有技术状态中存在用于从甜菜中水解和分离和精制单一组分例如糖的方法。 但是，在这些方法中，在提取和精制单糖和二糖例如蔗糖之后，其他有益成分例如细胞壁化 合物和蛋白质被丢弃。在得到认可的方法中，从例如甜菜中通过在连续对流过程中用热水 提取切片的甜菜而移除糖。通常，这种方法需要添加另外的试剂，例如CaO,含量相对于每 l〇〇kg甜菜为约l_3kg。这种方法的产物是称为原汁的糖溶液和所谓的甜菜果肉，后者在果 肉干燥器中干燥。将原汁进一步纯化和过滤，随后浓缩以产生浓汁（65-70%的干物质含 量），或者，在结晶后，产生精制糖。在该方法中升高的温度和pH条件导致溶液中包含的关键 量的单糖被破坏。而且，由于氮化合物的分解产生了氨。另外，所谓的甜菜果肉仍然不仅包 含甜菜的大部分蛋白质，还包含大部分多糖例如纤维素、半纤维素和果胶。根据German Zuckerverband，在201 1/201 2年，德国总计制造了 4 · 266 · 670吨的糖（以 "t Wei0 zuckerwert" 给出），对应于 1 .907.302 吨的Schnitzel( " 残余物"）（以 "t Trockenschnitzelwert"表示）。结果是，每吨糖产生了大约0.45吨的残余物作为废料。 ( http://www.zuckerverbaende.de/zuckermarkt/zahlen-und-fakten/zuckerm arkt-deutschland/ruebenanbau-zuckererzeugung.html)
[0004] 一种先进的方法在EP 0737753A1中有述，其公开了通过真空浓缩由甜菜原汁制备 蔗糖的方法，其通过向一个或多个蒸发器提供原汁，其中在逆流下浓缩且在较低温度下蒸 发更加稀释的果汁。即使已经对该基本方法进行了多种改进，但是很明显，主要缺陷例如高 能耗和大量未分化的残余物仍成问题。
[0005] 另一种用于由甜菜果肉和土豆纤维制备发酵糖浆的方法涉及酶例如纤维素酶和 果胶酶的使用，其在Beldman等人（Enzyme Microb · Technol · 1984, vol · 6，November，p · 503-507)中有述。但是，发现在该方法过程中部分酶活性丧失。而且，采用8.44%(g/g)的极高的 酶与底物的比例，使得该方法不经济。其中没有提及如何可以使所需的酶浓度最小化。而 且，需要两个容器，这很昂贵。另一种使用酶用于甜菜果肉水解的方法在EP 2 256 208A1中 有述，但是，所得的产物仍然包含甜菜的固体成分并且没有将其他有益成分进一步分离。
[0006] 使用化学处理用于使单糖和蔗糖从含纤维素、果胶和半纤维素的生物质例如甜菜 中释放的其它方法在现有技术中有述。例如，可以使用非选择性方法例如硫酸处理来使甜 菜水解;但是这样的处理在低温下效率较低。在较高温下(例如，在200-250°C下的稀酸蒸汽 预处理）得到了抑制性成分例如羟甲基糠醛(HMF)或糠醛，这使得随后的发酵过程有问题 (Jing等人，2009Appl Biochem Biotechnol.2009;159(3) :696_707)〇
[0007] 因此，需要一种用于使生物质水解的改进的方法，其中不仅可以获得大量的单糖 和二糖，还能够保留并分离生物质的有益成分以用于特殊目的。而且，需要一种能量高效和 经济性的方法。另外，需要一种使得生物质水解能够采用减少量的水解酶的方法。最后，需 要一种用于从生物质中获得较高产率的单糖和二糖的方法。
[0008] 因此，本发明的目的在于提供一种用于使生物质水解的方法，其不显示在现有技 术状态中已知方法的任何缺点。
【发明内容】
[0009] 在第一方面，本发明提供用于使生物质水解的方法，其包括以下步骤：
[0010] a)将生物质与酶组合物在容器中接触，所述酶组合物包含至少一种选自水解酶类 的酶；
[0011] b)将一部分所述生物质除去；
[0012] c)对所述一部分生物质进行过滤，并移除渗透物；
[0013] d)将至少一部分经过滤的生物质反馈回容器；
[0014] e)任选地添加与根据步骤c)通过过滤移除的量相对应的量的液体；
[0015] 其中该方法的步骤b)和步骤c)在不同的回路中进行。
[0016] 本发明中使用的术语"生物质"指的是本领域技术人员已知适用于本发明方法的 任何类型的生物质。特别优选的是植物来源的生物质。在进一步优选的实施方式中，生物质 的初始干物质含量选自5-40wt%、更优选15-30wt%。术语"干物质"（d.m.)指的是在使用IR 平衡将水和其他挥发性化合物从新鲜组织中移除之后测定的质量与生物质的比例。从而特 别优选的是选择其中其干物质包含至少25wt%、更优选至少40wt%、特别优选至少60wt%、 进一步优选至少80wt %的糖例如单糖、二糖以及寡糖和/或多糖的生物质。而且，合适的生 物质的任意混合物包括在术语"生物质"中。
[0017] 特别优选的生物质选自"甜菜生物质"和/或"甘蔗生物质"和/或"木质纤维素生物 质"。术语"甜菜生物质"指的是甜菜(Beta Vulgaris)的完整且未经处理的根组织，包括其 外皮和内部果肉。甜菜的干组织包含80wt %的可溶性蔗糖，而甜菜果肉包含大约7 %的果 胶、7 %的纤维素、7 %的半纤维素、17 %的阿拉伯糖、20 %的葡萄糖和3.5 %的果糖以及10 % 的蛋白质，所有这些均相对于生物质的干物质（d.m.)。术语"甜菜生物质"还包括甜菜果肉 (甜菜片）。
[0018] 术语"甘蔗生物质"指的是甘蔗属的完整且未经处理的茎，包括外皮和内部果肉。 甘蔗属的干组织包含80wt %的可溶性蔗糖，而干的甘蔗渣由大约70 %的聚合糖组成，包括 45%的纤维素、23%的木质素和25%的主要为木聚糖形式的半纤维素，所有这些均相对于 生物质的干物质(d.m.)。术语"甘蔗生物质"还包括甘蔗压饼(甘蔗渣）。
[0019] 术语"木质纤维素生物质"指的是来自农业和林业、食品加工和造纸业以及公共废 料的残余物、废料和/或副产物。具体而言，本发明中使用的术语"木质纤维素生物质"包括 谷草和/或斯佩尔特小麦（spelt)(例如小麦、黑麦、大麦、燕麦）、玉米秸杆、干草（stover) 和/或纺徒（spindles)、草例如Sericea lespedeza、柳枝稷（Panicum virgatum)、象草（芒 草(Miscanthus);中国芦_)、苏丹草（Sorghum sudananse，Sorghum drummondi)、芦竹、树 皮、木材、木材残余物、木片和/或木肩、水果果肉和龙舌兰残余物。
[0020] 适用于该方法的进一步的生物质是来自畜舍的肥料，草本材料，咖啡粉和来自榨 油厂的废料例如来自工厂的菜籽压饼和废水，来自造纸厂的造纸原液（stock)和废水，废 纸，蔬菜和水果的残渣。
[0021] 在本发明方法的一个优选实施方式中，生物质选自含有纤维素、半纤维素和/或木 质素的生物质。
[0022]在本发明方法的一个特别优选的实施方式中，生物质选自甜菜、甘蔗、稻草、玉米、 木材、油籽及其混合物。
[0023]在本发明方法的另一个特别优选的实施方式中，生物质为来自农业残余物例如麦 杆、甘蔗渣、甘蔗叶和茎、和/或玉米秸杆和干草的木质纤维素生物质。
[0024]本发明中使用的术语"水解"应理解为通过水解反应使聚合物解聚。水解反应应理 解为通过添加水使化学键断裂。一种技术上实施水解的方式是向生物质中添加水解酶。
[0025]优选地，由于根据本发明的用于使生物质水解的方法，由生物质材料获得糖，其中 特别优选所获得的糖的至少50wt%、优选至少65wt%、更优选至少75wt%、同时优选至少 85wt %且最优选99wt %处于单糖和二糖的形式，所有这些均相对于生物质的干物质 (d.m.)。当应用根据本发明的用于使生物质水解的方法时，还可以由生物质材料获得氨基 酸、寡肽、寡糖和/或蛋白质。
[0026] 优选在进行酶处理之前洗涤生物质，并且在进一步加工之前，将洗涤水移除。而 且，优选例如在步骤(a)之前，通过切割、研磨、碾磨、剪切、剪切分散、切削、分散和/或混合 来提供颗粒形式的生物质。
[0027] 该用于使生物质水解的方法的特别优势在于应用相对较大的生物质颗粒将仍然 实现有利的结果。生物质颗粒的尺寸优选为使得至少90wt%的颗粒具有200mm、更优选 100mm、甚至更优选50mm且最优选25mm的最大长度。进一步优选的是生物质颗粒的尺寸优选 为使得至少95wt %的颗粒具有200mm、更优选100mm、甚至更优选50mm且最优选25mm的最大 长度。
[0028] 在用于使生物质水解的方法的步骤(a)中，将生物质与酶组合物接触，所述酶组合 物包含至少一种选自水解酶类的酶。
[0029] 如在用于使生物质水解的方法中使用的术语"接触"包括本领域技术人员已知适 用于本发明方法的任何将生物质与酶组合物接触的类型。在优选的实施方式中，生物质与 酶组合物的"接触"通过将酶组合物添加到生物质中而实现。而且，特别优选的是添加酶组 合物之后或同时进行酶组合物和生物质的混合。
[0030] 本发明的用于使生物质水解的方法中使用的术语"酶组合物"指的是包括至少一 种选自水解酶类的酶的任意组合物。至少一种选自水解酶类的酶的量优选为1-99.99wt% (相对于酶组合物的重量）、进一步优选5_99wt%、特别优选10-95wt%且最优选20-90wt%， 并且还可以包含至少一种选自裂解酶类的酶。在本发明的其中酶组合物包含至少一种选自 裂解酶类的酶的实施方式中，上述至少一种选自水解酶类的酶的量优选为0.01_50wt% (相 对于酶组合物的重量）、优选0.05-20wt %、更优选0.08-5wt %且最优选0.1-lwt %。
[0031] 在本发明的用于使生物质水解的方法的优选实施方式中，酶组合物包含纤维素 酶、半纤维素酶和/或果胶酶。
[0032] 在用于使生物质水解的方法的进一步优选的实施方式中，酶组合物还包含至少一 种选自果胶甲酯酶、鼠李半乳糖醛酸酶(rhamnogalacturonases)、1，3-/1，6-β-?-葡聚糖酶 和/木聚糖酶的酶。
[0033] 在用于使生物质水解的方法的更优选的实施方式中，酶组合物包含纤维素酶、半 纤维素酶和果胶酶以及至少一种选自果胶甲酯酶、鼠李半乳糖醛酸酶、1，3-/1，6-i3_D-葡聚 糖酶和/木聚糖酶的酶。
[0034] 在用于使生物质水解的方法的特别优选的实施方式中，酶组合物包含纤维二糖水 解酶（CBH) (EC 3 · 2 · 1 ·-)、内切-1，4-β-葡聚糖酶(EG) (EC 3 · 2 · 1 · 4)、内切木聚糖酶(EC 3.2.1.8)、0-木糖苷酶"〇3.2.1.37)、聚半乳糖醛酸酶"〇 3.2.1.15,67,82;6!128)和果 胶/果胶酸盐裂解酶(EC 4.2.2.2，6,9,10)。在进一步特别优选的实施方式中，该酶组合物 还包含一种或多种选自葡糖苷酶(EC 3.2.1.4)、糖苷水解酶(GH61和CBM33)、β-葡聚糖酶 (EC 3.2.1.-)、乙酰木聚糖酯酶(EC 3.1.1.72)、乙酰半乳聚糖酯酶(3.1