CN103154259A

CN103154259A - 通过酶法水解纤维素生产生物乙醇的方法

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Publication number: CN103154259A
Application number: CN2011800480272A
Authority: CN
Inventors: M·德尔马斯; B·本杰鲁恩马拉雅
Original assignee: PLANT MATERIAL INDUSTRY S A
Current assignee: PLANT MATERIAL INDUSTRY S A
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-06-12
Also published as: AU2011315717A1; PL2627775T3; PT2627775T; RU2597977C2; WO2012049054A3; LT2627775T; AR083446A1; US20130183733A1; BR112013008150A2; MX345033B; SI2627775T1; EP2627775A2; FR2966154A1; ES2790349T3; MX2013002698A; ZA201302088B; US9518274B2; DK2627775T3; EP2627775B1; AU2011315717B2

Abstract

本发明涉及一种生成生物乙醇的方法，包括预处理步骤（由解构木质纤维素植物原料组成，将所述原料置于含有甲酸、乙酸和水的混合物的存在下，然后分离纤维素），酶法水解步骤和乙醇发酵步骤，其特征在于，在酶法水解之前，该方法包括部分去除木质素的步骤以获得木质素剩余的总体水平（T），按重量百分比计，其不是零并且在由下限和上限Bsup所确定的范围里，所述下限和上限分别等于0.30%和4%。为了获得所述酶法水解步骤前的酸化条件，所述方法包括所述混合物重新酸化的步骤，其通过具有确定的pKa的酸或酸的混合物进行，并且尤其是通过弱有机酸例如乙酸和/或甲酸进行。

Description

通过酶法水解纤维素生产生物乙醇的方法

本发明涉及生产生物乙醇或乙醇的方法，包括为了分离纤维素而对木质纤维素植物原料的预处理，并且包括对纤维素的酶法水解。

申请人CIMV是专注木质纤维素植物原料的处理和经济用途的公司。

在这方面，申请人已经提交了多种专利申请和专利，并且是这些专利申请和专利的所有人，所述专利申请和专利涉及通过甲酸/乙酸介质分馏木质纤维素植物材料以生产纸浆、木质素、糖和乙酸的方法（WO-A1-00/68494）。

申请人还是下述专利申请和/或专利的所有人，该专利申请和/或专利涉及对木质纤维素植物材料进行预处理生产生物乙醇的方法（WO-A2-2010/006840）。

特别地，这种预处理方法使在经济工业条件下从木质纤维素植物原料（LVRM）获得下述产品成为可能，第一是主要由脱纤维（defibred）的纤维素组成的底物，其为随后的酶法水解提供最佳条件，而第二种底物由源自半纤维素的糖蜜组成，半纤维素的水解产物是缺乏糠醛的。

因此，申请人已经提出从木质纤维素植物原料生产生物乙醇的方法，包括下述连续步骤：LVRM的预处理，预处理过的材料的酶法水解和来自水解步骤的产物的乙醇发酵。

特别地，申请人提出从木质纤维素植物原料生产生物乙醇的方法，包括下述连续步骤：

-a）预处理所述木质纤维素植物原料以分离该木质纤维素植物原料中所含的纤维素、半纤维素和木质素，所述预处理包括下述连续步骤：

·（i）解构所述木质纤维素植物原料，通过将其置于包含甲酸和水的混合物的存在下进行，反应温度为95℃到110℃之间；

·（ii）然后，在大气压下和任何水解之前发酵作用，分离：

*一方面，固相主要由能够随后被水解和发酵用于生物乙醇生产的所述纤维素组成；

*另一方面，液相，包含于尤其是水、甲酸、木质素和半纤维素的溶液；

-b）所述固相的酶法水解；

-c）所述水解步骤所得产物的乙醇发酵，其能够被发酵用于生物乙醇的生产。

特别地，该方法被详细描述于文件EP-2235254（WO-A1-2009/092749），其内容可作为参考并以引用的方式并入本文中。

该方法通过先于水解及随后的纤维素和半纤维素的发酵之前，在酸/水介质中溶解分解进行三种生物聚合物的分离，从而提出从根本上与现有技术不同的方法，使得分离高附加值的线性的、非重组的、低分子量木质素成为可能。

该方法使获得产业化性能水平成为可能而不必管所使用的植物的性质如何，并因此其对一年生植物开启新的经济应用方式尤其有利，特别是对于谷物秸秆和甘蔗渣或糖高粱渣，所述经济应用加入到已经被申请人提出的国际申请WO-A1-00/68494，其涉及通过甲酸/乙酸介质分馏木质纤维素植物材料以生产纸浆、木质素、糖和乙酸的方法。

这些发明（CIMV方法）致力于提高从LVRM生产乙醇或生物乙醇的工业条件，并尤其是纤维素的水解以提供可发酵的糖。

通常并且以已知的方式，从LVRM生产生物乙醇的方法考虑到几个参数。

特别地，这些参数中，已被鉴定的是木质素可以是酶抑制剂并且木质纤维素基质必须预处理以使纤维素和半纤维素可水解。

根据它们的化学组成，木质素聚合物是不溶性的和高反应性的。

结果，木质素的存在加强了纤维素-半纤维素网络，并且它们阻止了酶的渗透与作用，需要水的存在。

纤维素的酶法水解是获得可发酵糖的值得推荐的方法，其有多种原因，特别是当与化学水解相比，经济评估的结果对酶法水解有利。

此外，酶法水解产生很少需要处理的废水，并且没有腐蚀问题。

实际的酶法水解通过简单地使预处理过的植物原料接触酶溶液进行，同时确保悬液是均匀的并且保持最适条件，所述条件例如对里氏木霉（T.reesei）纤维素酶来说是温度在45℃到50℃之间且pH约4.8。

酶的作用时间取决于所使用的酶的量和酶的特异性。

在酶法水解过程中，还原糖基本上以葡萄糖的形式释放。

纤维素降解中的酶，通常被称为纤维素酶，有多种类型和多种来源并且它们的特点尤其在于它们的活性。

纤维素酶的成本相对较高，构成在从LVRM生产生物乙醇过程中往往是最昂贵的因素。

其结果是，已作出重要的努力从为了提高它的角度来确定酶法水解的机制，它成为可溶蛋白作用于不溶并且“难治”的底物的复杂过程。

酶法水解过程的效率和成本效益的另一个参数是水解时间，其可以是比较长的，从48至72小时。

一旦纤维素通过酶法水解被水解为葡萄糖，葡萄糖以与例如从淀粉得到的葡萄糖相同的方式进行发酵。

使用LVRM作为初始底物特有的已知问题依然存在，例如可能存在的来自半纤维素和木质素的有毒化合物及抑制剂，以及还有在单一步骤中进行酶法水解和发酵的可能。

水解物中存在的抑制剂源自糖的降解（至糠醛），源自存在于半纤维素中的基团，源自木质素。

抑制剂的存在取决于LVRM的自然属性和它的预处理的条件。

除了糠醛对酶的抑制之外，还注意到多种抑制剂的组合效应。

至于根据“SSF”（“同步糖化发酵”）的同时发酵和水解过程，其由在单一步骤中进行酶法水解和乙醇发酵组成，其主要优点在于通过消除先进行酶法水解所必需的操作来降低投资，并且没有葡萄糖对纤维素酶的抑制，当葡萄糖出现时即被发酵微生物消耗了。

这导致水解水平和速率的提高以及乙醇或生物乙醇总产率的提高。

此外，减少了富含葡萄糖的水解物的微生物污染的风险。

但是，很明显SSF过程提供的收益，特别是从经济的角度来看，需要某些方面进行优化，特别是最初的干物质浓度，以获得高浓度的乙醇。

为了弥补这些缺点，本发明的目的是提出一种改进的用于生产生物乙醇或乙醇方法，包括木质纤维素植物原料的预处理，以分离纤维素，和纤维素的酶法水解，其特征在于，首先通过在酶法水解步骤之前仅部分去除木质素，以获得木质素确定的非零的残留总水平T（按重量百分比计），其在两个限定值之间，即一个确定的范围内的水平。为了测定木质素的水平T，没有考虑再次沉积的木质素，仅考虑固有的木质素。

实际上，令人惊讶的是，已经发现，不彻底去除木质素使得达到的最好的可能的产率（即酶法水解的水平T等于100%）成为可能。

更具体地，该方法特征在于其包括，在酶法水解步骤之前，部分去除木质素以获得木质素残留的总水平（T），按重量百分比计，其是非零的并且其在由下限（Llow）和上限（Lupp）确定的范围里，所述下限和上限分别等于0.30%和4%。

优选地，木质素残留的总水平（T）在由下限（Llow）和上限（Lupp）确定的范围里，所述下限和上限分别等于0.35%和3.5%。

更优选地，木质素残留的总水平（T）等于约1.65%。

这种为了达到上文所建议的木质素水平而对纤维素处理从而去除木质素，例如，可通过如下方式进行：用氢氧化钠处理的步骤，后面接着一个旨在于酶法水解步骤之前去除残留的氢氧化钠的洗涤步骤。

根据本发明的方法的另一个特征，为了获得在酶法水解之前酸化的条件，并且尤其是pH大约5，混合物的“再酸化”通过具有确定pKa的酸进行，并且尤其是通过例如乙酸和/或甲酸的弱有机酸、和/或其他例如柠檬酸的弱酸进行。

根据该方法的一个特征，混合物再酸化的步骤通过混合乙酸和/或甲酸和/或柠檬酸进行。

根据该方法的一个特征，混合物再酸化的步骤通过混合乙酸和甲酸方式进行，其包含相对于纤维素的干燥物料按重量计0,2%的甲酸和按重量计0,4%的乙酸。

所述再酸化步骤之后，混合物的pH优选在4至6之间，优选在4.5至5.5之间。

更优选地，所述再酸化步骤之后，混合物的pH等于5。

根据该方法的一个特征，部分去除木质素的步骤于温度在80℃至85℃之间进行。

根据该方法的一个特征，部分去除木质素的步骤在大气压下进行。

令人惊讶的是，已经证实这些酸的使用使得获得最大水平的水解成为可能，与之相反，例如，则是强酸例如硫酸的使用。

此外，如上述提到的CIMV方法的上下文中，这种乙酸和/或甲酸的工业应用是特别有利的，因为这些酸是早已被使用的并且存在于从LVRM生产纤维素的工业循环中。

本发明的其他优点中，已经证实该方法生产乙醇或生物乙醇的整体效率与从LVRM生产乙醇的理论最大水平接近或几乎相等，并且此外该效率是否相同取决于整个方法是否首先应用根据本发明的酶法水解步骤，和随后应用发酵步骤，或者是否同时进行水解和发酵方法（SSF方法）。

这种相同的效率，是由于这样的事实，根据本发明的酶催化水解不产生发酵抑制剂。

此外，已经证明，根据本发明的方法的优点（木质素的总水平和再酸化的特定条件）没有被修饰，即具有相同的性质并具有相同的值，而不管所使用的纤维素酶，并且特别是它们是否是更大或更小的效率的纤维素酶。

通过测试结果的实施例：

所测试的酶的实施例和它们的活性：

用于测试的酶：Cellic CTec和Cellic CTec2（酶活比第一代高40%的“新一代”酶）。

水解条件：温度等于50℃，pH在4.5和5之间，酶的浓度等于42U/g。

碱提取对水解纤维素水平的影响：参见图1，其中：

-原料浆：提取后称为“CIMV”的浆料，脱木质化并洗涤；

-碱提取后的浆料：原料浆于pH12、85℃处理1小时。

残留的木质素水平对纤维素浆料水解的影响：参见图2。

于pH5用于酸化（“再酸化”）的酸的pKa对纤维素浆料水解的影响：

	乙酸	乙酸+甲酸	甲酸	硫酸
					%水解24h后	95	80	78	45

Claims

1.从木质纤维素植物原料生产生物乙醇的方法，包括如下连续步骤：

-a）预处理所述木质纤维素植物原料以分离该木质纤维素植物原料中所含的纤维素、半纤维素和木质素，所述预处理包括由下述连续步骤：

·（i）解构所述木质纤维素植物原料，通过将其置于包含甲酸和水的混合物的存在下、反应温度为95℃到110℃之间进行；

·（ii）然后，在大气压下和任何水解之前然后发酵作用，分离：

-b）所述固相的酶法水解；

-c）所述水解步骤所得产物的乙醇发酵，其能够被发酵用于生物乙醇的生产，

其特征在于，生产生物乙醇的方法，在酶法水解步骤b）之前，包括部分去除木质素的步骤以获得木质素剩余的总体水平（T），按重量百分比计，其不是零并且在由下限（Llow）和上限（Lupp）所确定的范围里，所述下限和上限分别等于0.30%和4%。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，木质素剩余的总体水平（T）在由下限（Llow）和上限（Lupp）所确定的范围里，所述下限和上限分别等于0.35%和3.5%。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，木质素剩余的总体水平（T）等于约1.65%。

4.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，部分去除木质素的所述步骤通过氢氧化钠处理来实施，随后进行洗涤步骤，旨在在酶法水解步骤之前去除残留的氢氧化钠。

5.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，为了获得在酶法水解步骤之前的酸化条件，所述方法包括所述混合物重新酸化的步骤，其通过确定pKa的酸或酸的混合物进行，并且尤其是通过弱有机酸例如乙酸和/或甲酸和/或柠檬酸进行。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述混合物重新酸化的所述步骤通过乙酸和/或甲酸和/或柠檬酸进行。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述混合物重新酸化的所述步骤通过乙酸和甲酸的混合物进行，所述混合物含有按重量计0,2%的甲酸和按重量计0,4%的乙酸。

8.根据权利要求5-7任一项的方法，其特征在于，在所述重新酸化步骤之后，所述混合物的pH在4和6之间。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在所述重新酸化步骤之后，所述混合物的pH在4.5和5.5之间。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，在所述重新酸化步骤之后，所述混合物的pH等于5。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于，部分去除木质素的所述步骤在温度为80℃和85℃之间进行。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于，部分去除木质素的所述步骤在大气压下进行。