CN106232824A - 使用初级和木质纤维素糖的整合转化处理甘蔗和甜高粱的方法 - Google Patents

使用初级和木质纤维素糖的整合转化处理甘蔗和甜高粱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明关注涉及使用整合第一和第二代(1G/2G)生物炼制由甘蔗和/或甜高粱制备醇有关的方法和产物，所述第一和第二代生物炼制因此包含初级和次级软木质纤维素糖的整合转化。具体地，公开了处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，所述方法包含如下步骤：提供来自原料的原汁，回收残留的渣，预处理所述渣并使其与一些量的原汁混合，和酶法水解所述预处理的渣。

Description

使用初级和木质纤维素糖的整合转化处理甘蔗和甜高粱的 方法
技术领域
本发明涉及生物技术，特别地涉及醇、可发酵糖和/或发酵产品的制备，通常由植物生物质，包括植物初级糖，例如果糖和蔗糖，以及由源自纤维素和其他多糖，例如葡萄糖和木聚糖制备。特别地，本发明关注涉及整合第一和第二代生物炼制由甘蔗和/或甜高粱制备醇的方法和产物，所述第一和第二代生物炼制包含初级和次级木质纤维素糖的整合转化。
背景技术
甘蔗汁广泛用作食品和可发酵糖的来源，特别是在巴西，作为用于发酵为乙醇的糖的来源。虽然甜高粱作为食物糖的来源不特别有用，它具有与甘蔗类似的作为燃料乙醇作物的潜能。甜高粱是一种快速生长的作物，比甘蔗消耗较少水分和肥料，在不同季节达到高峰。在一些情况下，甘蔗和甜高粱可最佳地以作物轮作的方式种植。
通常以类似的方式实施甘蔗和甜高粱加工以生产乙醇：压榨新鲜甘蔗以产生富糖汁，也叫“原汁”，其通常通过蒸发过程被浓缩和有效地消毒，然后直接发酵为乙醇。高粱进一步包含富含淀粉的种子，通常使用例如淀粉酶和葡糖淀粉酶使所述种子经受水解以产生可发酵溶液。在这两种情况下残留的木质纤维素材料例如渣、秸秆和叶子已通常被用作用于蒸汽(热和功率)产生的燃料。
近年来，对于整合过程方案——藉此整个作物的甘蔗和甜高粱可用在乙醇生产中——具有相当大的兴趣。整合不仅需要初级糖例如蔗糖、葡萄糖和果糖通过号称的“第一代(1G)”工艺在压成的汁方面的转化，也需要纤维素糖，和最终的半纤维糖，通过“第二代(2G)”技术转化。木质纤维素2G糖通常通过一种工艺获得，其中渣、秸秆和/或叶子首先被预处理，然后经受使用基于纤维素酶的酶制剂的酶法水解。由于其物理结构的限制，在无预处理过程的情况下，木质纤维素生物质不能通过酶法水解有效地转化为可发酵糖。已报道了多种不同的预处理方案，其各自具有不同的优点和缺点。查阅参见Agbor等人(2011)，Girio等人(2010)，Alvira等人(2010)，Taherzadeh和Karimi(2008)。从可持续性的观点出发，水热预处理是特别有吸引力的。这些过程利用加压蒸汽/约160–230℃的液态热水以温和地熔化与纤维素线(cellulose strands)杂乱相关的亲水木质素，以溶解主要部分的富含五碳(C5)糖的半纤维素，以及破坏纤维素股以提高产生酶结合的可能性。水热预处理可便利地与现有煤和生物质燃烧发电厂整合以有效地利用涡轮机蒸汽电力生产能力。
一些方案和工艺安排已被报道用于优化通过1G和2G工艺的整合有甘蔗生产乙醇。参加例如(对于蔗糖)Dias等人(2013)、Palacios-Bereche等人(2013)、Macrelli等人(2012)、Dias等人(2012)、Dias等人(2011)、Walter等人(2010)，和(对于高粱)Kim等人(2012)、Ceclan等人(2012)。在至今报道的所有这些整合的工艺方案中，工艺蒸汽的整体保存被认为是关键因素。蒸汽通常用于给过程例如蒸发浓缩器、乙醇蒸馏***、水热预处理***和其他***提供动力。更多的工艺蒸汽可被保存，更多的木质纤维素材料可用于乙醇生产，而不是用于蒸汽产生。
两个最新的研究在优化整合的1G/2G由甘蔗至乙醇的制备中考虑多种不同的工艺配置，Dias等人(2013)和Palacios-Bereche等人(2013)。详细考虑的一个工艺变量是预处理的渣进行酶解的条件。本领域中周知，其中酶法水解在低的总固体浓度下实施时，在任何给定的酶剂量下可得到更高的单体糖产量。至在水解浆体中预处理的生物质总固体的浓度大于约5重量％的程度，生物质浓度越大，在任何给定酶剂量下转化产率将越低。Dias等人(2013)和Palacios-Bereche等人(2013)均推论，尽管在酶法水解阶段较高的产率，低固体水解整体是不利的，因为相比较于导致较高的糖浓度和减少的对蒸发浓缩需求的在较高固体含量下的水解，其需要较高量的蒸汽以在发酵前浓缩所形成的纤维素糖流。在供选择的工艺情况下，其中木质纤维素水解产物直接发酵，不进行蒸发浓缩，且不混合入1G糖工艺流体，水解产物中较高的糖浓度是有利的，因为这反过来导致在最终发酵液中较高的乙醇浓度。发酵液中较高的乙醇浓度导致蒸馏(乙醇回收)中较低的蒸汽消耗。较低的蒸汽消耗与较高的乙醇产量直接对应，其中木质纤维素渣可供选择地用于生产蒸汽或木质纤维素糖用于发酵。
发明内容
本发明关注与1G/2G整合相关的方法和产物，特别地由甘蔗和/或甜高粱至醇的生产，包含初级和次级木质纤维素糖的整合转化。公开了处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，所述方法包含如下步骤：提供来自软木质纤维生物质包括原料的原汁，回收残留渣(bagasse)；预处理所述渣并使其与一些量的原汁混合；和酶法水解所述预处理的渣。
因此，在一个方面，本发明关注处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，其包括如下步骤：
(a)例如通过压榨和/或粉碎从原料中提取原汁，并回收残留渣；
(b)预处理来自步骤(a)的渣；
(c)将来自步骤(b)的预处理的渣与一些量的原汁混合；和
(d)使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解预处理的渣：水解混合物的水性液相包含至少5、10、15、20、25、30、40、50、60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
在一些实施方案中，本发明提供处理甘蔗或甜高粱的方法，其包括如下步骤：
–提供甘蔗或甜高粱未加工的原料
–从所述甘蔗原料提取(压榨、粉碎或其他)原汁以回收残留的渣
–热水解法预处理所述渣
–将预处理的渣与原汁混合，和
–使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解预处理的渣：水解混合物的水性液相包含至少5.0g/L源自所添加原汁的蔗糖，例如至少10、15、20、25g/L、30g/L、40g/L、50g/L或60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
在一些实施方案中，可使用整体浆体来水解预处理的渣，所述整体浆体包含全部预处理的生物质：溶解的和不溶解的。
在一些实施方案中，预处理的渣可经受固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分，其中所述纤维部分单独经受酶法水解。
第二方面涉及一种或多种产物，包括发酵产物、水解产物、溶解固体、混合物或溶解固体和原汁，以及中间产物，所述产物可通过本发明的工艺得到或可得到，包括用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料或燃料添加剂。
附图说明
图1：对于六个摇瓶，葡聚糖转化作为时间的函数。条件：使用0.16mL(10.4FPU)AcTrio/g葡聚糖在50℃下水解170h，12％TS*)，用Ca(OH)2调节pH 4.7–5.2。
图2：145h后相对于添加1G糖汁(原汁)的以％表示的平均葡聚糖转化。条件：使用0.16mL(10.4FPU)AcTrio/g葡聚糖在50℃下水解145h，12％TS*)，用Ca(OH)2调节pH 4.7–5.2。
*)％TS涉及全部(悬浮的)固体。
具体实施方式
定义
如本文所用，术语“干物质(DM％)”指全部固体(溶解和不溶解的)，表示为重量％。
“自水解”涉及如下预处理过程：其中认为在预处理中通过半纤维素水解释放的乙酸进一步催化半纤维素水解。这可应用于任何通常在pH 3.5-9.0下实施的木质纤维素生物质的水热预处理。
如本文所用，术语“整体浆体”指酶法水解反应混合物，其中在酶法水解开始时未溶解的与溶解固体的重量比小于2.2:1。
在本发明的上下文中，术语“纤维素酶”旨在包含水解纤维素(β-1,4-D-葡聚糖连接)和/或其衍生物的酶组合物。纤维素酶包括外切纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶(BG)(EC3.2.191、EC3.2.1.4和EC3.2.1.21)的分类。纤维素酶的实例包括来自例如青霉菌属、木霉属、腐质霉属、镰刀菌属、高温单孢菌属、纤维杆菌属、梭菌属和曲霉属的纤维素酶。合适的纤维素酶是可商购的且是本领域已知的。商业纤维素酶制剂可包含一个或多个进一步的酶添加剂。此外，“纤维素酶”也可与“细胞壁改性酶”交换使用，所述细胞壁改性酶涉及任何能够水解或改性植物细胞壁的复合基质多糖，例如将在“细胞壁溶解试验”中具有活性的任何酶，如例如在WO10115754中描述的，其以引用的方式被包括在本文中。在“细胞壁改性酶”定义内包括纤维素酶，例如纤维二糖水解酶I和纤维二糖水解酶II，内切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶，木葡聚糖酶和半纤维素降解酶，例如木聚糖酶。
在本发明上下文中合适的可商购纤维素酶制剂经常被优化用于木质纤维素生物质转化并可包含足以提供预处理的木质纤维生物质的酶法水解的酶活性物混合物，经常包含内纤维素酶(内切葡聚糖酶)、外纤维素酶(外切葡聚糖酶)、内切木聚糖酶、木糖苷酶和β-葡糖苷酶活性物。术语“优化用于木质纤维素生物质转化”是指一种产品开发过程，其中酶混合物已被选择和/或改性用于提高水解产率和/或降低在预处理的木质纤维素生物质至可发酵糖的水解中酶消耗的具体目的。
在本发明的上下文中，术语“葡聚糖”旨在包含纤维素和其他葡糖-低聚物和其他葡糖-聚合物。这样的低聚糖和多糖由葡萄糖单体组成，通过糖苷键连接。
“水热预处理”通常是指使用水，无论是热液体，蒸汽或含高温液体或蒸汽的加压蒸汽或浴，在120℃或更高的温度下，添加或不添加酸或其他化学物质，来“熬制”生物质。
“固/液分离”相关术语指一种主动的机械过程，由此通过应用借助按压、离心或其他力的力的应用将液体与固体分离，由此提供“固体”和“液体”部分。所分离的液体统称为“液体部分”。包含相当大的不溶固体含量的残留部分称为“固体部分”。“固体部分”会具有干物质含量且通常也包含一些“液体部分”的残留。
“软木质纤维素生物质”指植物生物质例如根据本发明的甘蔗和/或甜高粱，且也涉及非木质生物质，包含纤维素、半纤维素和木质素。
术语“约(about)”、“约(around)”、“约(approximately)”或“～”表示，例如，在本领域中通常经历的测量不确定性，其可在例如+/-1、2、5、10、20或甚至50百分数(％)的数量级，通常+/-10％。
术语“包含”解释为具体说明所表述的部分、步骤、特征或组分的存在，但不排除一种或多种其他部分步骤、特征或组分的存在。例如，包含一种化合物的组合物可包含额外的化合物。
在下文中，更详细地公开本发明。
发明人发现一些纤维素酶酶制剂在含高百分比的来自甘蔗或甜高粱的原汁的环境中相对不受抑制。因此，使用这些酶制剂的酶法水解可有利地在较低固体含量下实施，其中用原汁增补水解混合物，而不是新鲜水或再生的工艺水。所形成的水解产物包含较高的糖浓度，合并了1G和2G糖二者，且由此允许合并的乙醇发酵，所述合并的乙醇发酵将达到在蒸馏(乙醇回收)成本方面有利的重量％的乙醇水平。
表1示出了在水解产物的发酵中预期的最终乙醇浓度的报告，其中甘蔗渣已经受水热预处理并在不同水平的干物质(全部固体)％水平下水解至平衡转化。显示的是预期乙醇的以重量％表示的值，其中使用含90％水、10％蔗汁，或70％水和30％蔗汁，或50％水和50％蔗汁的混合物稀释水解产物。也示出了在不同干物质水平下在无甘蔗汁增补时预期的酶消耗的比例。
表1.作为DM％和％蔗汁增补的函数的最终乙醇浓度和相对酶消耗
正如所示出的，通过使用蔗汁和水的混合物作为预处理的渣的水解中的稀释液，使用大幅下降的酶剂量可实现发酵液中相等的最终乙醇浓度。即使其中蔗汁对酶活性产生一些抑制，然而使用蔗汁稀释液增补水解可为有利的。例如，使用被优化用于木质纤维素生物质转化和以商品名ACCELLERASE TRIO Tm由GENENCOR Tm提供的可商购的纤维素酶制剂，在12％DM下水解中增补稀释液相对于使用纯水作为稀释液的水解预期产生在绝对产率方面约4％葡聚糖转化的损失。然而，相比较于在无蔗汁增补下通常需要达到4.63重量％的最终乙醇产量的18％DM，该4％的葡聚糖转化的损失容易通过约16-19％酶剂量的节约而弥补，其中水解可在约12％DM下进行。本领域中周知蒸馏成本在乙醇浓度低于4.0重量％时指数增长且在4.0％和5.0％之间急剧下降。
考虑到通过各给定的纤维素酶酶制剂在原汁环境中经历的抑制的程度，要使用的原汁增补的精确量是要优化的变量。
因此，在第一方面，提供有关处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，其中1G和2G工艺被整合。在一些实施方案中，一种方法呈现了处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，包含步骤：
(a)例如通过压榨和/或粉碎从原料中提取原汁，并回收残留渣；
(b)预处理来自步骤(a)的渣；
(c)将来自步骤(b)的预处理的渣与一些量的原汁混合；和
(d)使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解预处理的渣：水解混合物的水性液相包含至少5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
在一些实施方案中，使用水热和/或自水解预处理来预处理所述渣。
在一些实施方案中，所述预处理的渣经受至少一个固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分；并任选地洗涤所述纤维部分以移除溶解固体，例如通过一系列压榨和稀释步骤，或其他本领域已知的洗涤步骤实施所述洗涤。
在一些实施方案中，根据权利要求3的预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：初始不溶解固体为10-25重量％，10-20重量％，或约15重量％。
在一些实施方案中，预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：初始溶解的来自所添加原汁的蔗糖为5-60g/L重量，和/或约5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L。在其他实施方案中，预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：初始溶解的来自所添加原汁的蔗糖为5-60g/L，10-60g/L,15-60g/L,20-60g/L,25-60g/L,30-60g/L,40-60g/L或50-60g/L。
在一些实施方案中，预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：pH保持在pH7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0或更低。在其他实施方案中，预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：pH保持在pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0附近+/-0.1-0.25pH单元，保持在pH 7-4、7-5、7-6、6-4、6-5、5-4的范围内，和/或pH保持在低于pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0。
在一些实施方案中，使用被优化用于木质纤维素生物质转化的纤维素酶制剂例如可商购的纤维素酶制剂来水解所述预处理的渣和/或纤维部分。
在一些实施方案中，使用这样的纤维素酶制剂水解所述预处理的渣，所述纤维素酶制剂在至少8FPU/g DM的酶用量下在对于测试的酶制剂合适的条件下145h水解后多于20％不被添加的蔗汁抑制，其中源自所添加汁的蔗糖为至少5g/L。在一些实施方案中，使用纤维素酶制剂水解所述预处理的渣和/或纤维部分，所述纤维素酶制剂在至少8FPU/g DM的酶用量下在对于测试的酶制剂合适的条件下在24、48、72、96、120或145h水解后多于10、15、20、25、30、35、40、45或50％不被添加的原汁抑制，其中源自所添加汁或原汁的蔗糖为至少5、10、15或20g/L。
在一些实施方案中，在预处理的渣和/或纤维部分水解后得到的水解产物例如通过使用内部洗涤的压滤器经受至少一个固/液分离步骤以提供与溶解固体分离的不溶固体，任选地包含进一步的干燥步骤。
在一些实施方案中，不溶固体适合作为燃料和/或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。这可能需要一个或多个常规工艺步骤，例如干燥和/或造粒。
在一些实施方案中，包含纤维素糖和源自甘蔗或高粱汁的糖类的溶解固体与另外量的原汁混合，任选地随后进行浓缩步骤，例如蒸发浓缩和/或反渗透浓缩。也可使用其他常规浓缩步骤或程序。在一些实施方案中，所述另外量的添加的原汁可为约1、2、5、10、15、20、30、40或50重量％或体积％的范围内，和/或至少1、2、5、10、15、20、30、40或50重量％或体积％。
在一些实施方案中，根据上述方法之一得到的水解产物随后进行发酵以提供一种或多种产物，任选地在这之后和/或之前有浓缩、纯化或任何其他步骤。
在一些实施方案中，溶解固体随后发酵以提供一种或多种产物，任选地在这之后和/或之前有浓缩、纯化或任何其他步骤。
在一些实施方案中，溶解固体和原汁的混合物随后发酵以提供一种或多种产物，任选地在这之后和/或之前有浓缩、纯化或任何其他步骤。
在一些实施方案中，水解产物、溶解固体的任何组合，包括溶解固体和原汁的混合物，和任何浓缩的溶液随后发酵以提供一种或多种产物，任选地在这之后和/或之前有浓缩、纯化或任何其他步骤。
通常，使用酵母，通常是酵母属，例如酿酒酵母实施发酵，尤其是在乙醇生产领域的发酵。替代选择在本领域中是已知的，特别是当旨在提供除乙醇外的其他发酵产物时。
因此，根据一些实施方案，提供一种或多种发酵产物，为例如，一种或多种化学品、醇、乙醇或其任何组合。
通常，可以不同的方式实施水解。根据一些实施方案，所述水解可作为整体浆体实施。根据其他实施方案，在水解前实施固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分，其中所述纤维部分单独经受酶法水解。
其他实施方案涉及一种或多种产物，所述产物包含水解产物、溶解固体、溶解固体和原汁的混合物以及任何如本文描述提供的浓缩物，或基本上由它们组成。这也包括任何水解产物、溶解固体、溶解固体和原汁的混合物以及任何浓缩物的任何组合。
与实施方案有关的其他产物适合为燃料或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。这可由溶解固体分离的不溶固体提供，所述分离例如通过内部洗涤的压滤器，任选地包含进一步的干燥步骤，如本文所描述的。这样的燃料或燃料添加剂被认为提供动力、热和/或蒸汽。在一些实施方案中，所述燃料被提供为固体燃料，例如以小球的形式。
一些实施方案涉及其他产物，其包含0.1-99.9％重量/重量或体积/体积的根据本发明的任何产物。
编号的实施方案
在下文中，在下面编号的实施方案(A和B)的列表中呈现本发明的其他实施方案。
编号的实施方案A
1a.一种处理甘蔗或甜高粱的方法，包含如下步骤：
–从甘蔗原料提取(压榨、粉碎或其他)原汁以回收残留的渣
–热水解法预处理所述渣
–将预处理的渣与一些量的原汁混合，和
–使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解所述预处理的渣：其中水解混合物的水性液相包含至少5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
2a.根据实施方案1a所述的方法，其中使用水热预处理来预处理渣。
3a.根据实施方案2a所述的方法，其中使用自水解水热预处理来预处理渣。
4a.根据实施方案1a所述的方法，其中预处理的渣经受至少一个固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分。
5a.根据实施方案4a所述的方法，其中所述纤维部分被洗涤以移除溶解固体。
6a.根据实施方案5a所述的方法，其中通过一系列压榨和稀释步骤实施洗涤。
7a.根据实施方案4a所述的方法，其中预处理的纤维部分在初始不溶解固体为10-25重量％的条件下水解。
8a.根据实施方案4a所述的方法，其中预处理的纤维部分在来自添加的甘蔗或高粱汁的初始溶解的蔗糖为5-60g/L的条件下水解。
9a.根据实施方案1a所述的方法，其中预处理的渣在初始不溶解固体为10-25重量％的条件下水解。
10a.根据实施方案1a所述的方法，其中预处理的渣在来自添加的甘蔗或高粱汁的初始溶解的蔗糖为5-60g/L的条件下水解。
11a.根据实施方案1a所述的方法，其中预处理的渣在pH保持在4.5或更低的条件下水解。
12a.根据实施方案1a所述的方法，其中使用被优化用于木质纤维素生物质转化的市售纤维素酶制剂来水解预处理的渣。
13a.根据实施方案1a所述的方法，其中使用这样的纤维素酶制剂来水解预处理的渣，所述纤维素酶制剂在至少8FPU/g DM的酶用量下在对于测试的酶制剂合适的条件下145h水解后多于20％不被添加的蔗汁抑制，其中源自所添加汁的蔗糖为至少5g/L。
14a.根据实施方案1a所述的方法，其中预处理的渣水解后得到的水解产物经受至少一个固/液分离步骤以提供与溶解固体分离的不溶固体。
15a.根据实施方案14a所述的方法，其中使用内部洗涤的压滤器实施所述固/液分离步骤。
16a.根据实施方案14a所述的方法，其中不溶固体用作用于蒸汽产生的固体燃料。
17a.根据实施方案14a所述的方法，其中在浓缩步骤之前将包含纤维素糖和源自甘蔗和高粱汁的糖类的溶解固体与甘蔗或高粱汁混合。
18a.根据实施方案17a所述的方法，其中使用蒸发浓缩实施所述浓缩步骤。
19a.根据实施方案17a所述的方法，其中使用反渗透浓缩实施所述浓缩步骤。
20a.根据实施方案14a所述的方法，其中包含纤维素糖和源自甘蔗和高粱汁的糖类的溶解固体经受浓缩步骤。
21a.根据实施方案14a所述的方法，其中随后将浓缩的溶液进行发酵以生产乙醇，任选地在中间浓缩、纯化或其他步骤之后。
22a.根据实施方案17a所述的方法，其中随后将浓缩的溶液进行发酵以生产乙醇，任选地在中间浓缩、纯化或其他步骤之后。
23a.根据实施方案14a所述的方法，其中随后将浓缩的溶液进行发酵以生产化学品，任选地在中间浓缩、纯化或其他步骤之后。
24a.根据实施方案17a所述的方法，其中随后将浓缩的溶液进行发酵以生产化学品，任选地在中间浓缩、纯化或其他步骤之后。
编号的实施方案B
1b.一种处理甘蔗或甜高粱的方法，包含如下步骤：
(a)例如通过压榨和/或粉碎从原料中提取原汁，并回收残留渣；(b)预处理来自步骤(a)的渣；(c)将来自步骤(b)的预处理的渣与一些量的原汁混合；和(d)使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解预处理的渣：水解混合物的水性液相包含至少5、10、15、20、25、30、40、50、60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
2b.根据实施方案1b所述的方法，其中使用水热和/或自水解预处理来预处理渣。
3b.根据实施方案1b或2b所述的方法，其中预处理的渣经受至少一个固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分；并任选地洗涤所述纤维部分以移除溶解固体，例如通过一系列压榨和稀释步骤实施所述洗涤。
4b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或根据实施方案3所述的纤维部分在如下条件下水解：其中初始不溶解固体为10-25重量％，10-20重量％，或约15重量％。
5b.根据前述实施方案任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：初始溶解的来自所添加原汁的蔗糖为5-60g/L、10-60g/L、15-60g/L、20-60g/L、25-60g/L、30-60g/L、40-60g/L或50-60g/L，和/或约5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L。
6b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：pH保持在pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0，例如保持在pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0附近+/-0.1-0.25pH单元，保持在pH 7-4、7-5、7-6、6-4、6-5、5-4的范围内，和/或pH保持在低于pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0。
7b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中使用被优化用于木质纤维素生物质转化的纤维素酶制剂例如市售的纤维素酶制剂来水解预处理的渣和/或纤维部分。
8b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中使用纤维素酶制剂水解预处理的渣和/或纤维部分，所述纤维素酶制剂在至少8FPU/g DM的酶用量下在对于测试的酶制剂合适的条件下在24、48、72、96、120或145h水解后多于10、15、20、25、30、35、40、45或50％不被添加的原汁抑制，其中源自所添加汁或原汁的蔗糖为至少5、10、15或20g/L。本文具体公开％抑制、水解时间和来自所述(原)汁的g/L蔗糖的所有组合/排列。
9b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中预处理的渣和/或纤维部分水解后得到的水解产物例如通过使用内部洗涤的压滤器经受至少一个固/液分离步骤以提供与溶解固体分离的不溶固体，任选地包含进一步的干燥步骤。
10b.根据实施方案9b所述的方法，其中不溶固体适合作为燃料和/或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。
11b.根据实施方案9b或10b所述的方法，其中包含纤维素糖和源自甘蔗或高粱汁的糖类的溶解固体与另外量的原汁混合，任选地随后进行浓缩步骤，例如蒸发浓缩和/或反渗透浓缩，其中所述另外量的添加的原汁可为约1、2、5、10、15、20、30、40或50重量％或体积％的范围内。
12b.根据前述实施方案B任一项所述的方法，其中随后将(i)根据前述实施方案任一项得到的水解产物，(ii)根据实施方案9b得到的溶解固体；(iii)根据实施方案11b得到的溶解固体和原汁的混合物，(iv)根据实施方案11b通过浓缩步骤提供的浓缩的溶液，和/或(i)、(ii)、(iii)和/或(iv)的任何组合进行发酵以提供一种或多种产物，任选地在这之后和/或之前有浓缩、纯化或任何其他步骤。
13b.根据实施方案12b所述的方法，其中所述发酵产物为一种或多种化学品、醇、乙醇或它们的任何组合。
14b.根据前述实施方案任一项所述的方法，其中所述水解作为整体浆体实施，所述整体浆体包含基本所有的溶解或不溶解的预处理的生物质，或其中在水解前实施固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分，其中所述纤维部分单独经受酶法水解。
15b.根据前述实施方案B任一项提供的发酵产物。
16b.根据前述实施方案B任一项提供的产物，其包含根据前述实施方案B任一项提供的水解产物，根据实施方案9b提供的溶解固体，根据实施方案11b提供的溶解固体和原汁的混合物，根据实施方案11b通过浓缩步骤提供的浓缩的溶液，和/或(i)、(ii)、(iii)和/或(iv)的任何组合，或基本由它们组成。
17b.根据实施方案9b或10b提供的燃料或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。
18b.其他产物，包含0.1-99.9％重量/重量或体积/体积的根据实施方案16b或17b一种或多种产物。
实施例
实施例1
来自甘蔗或甜高粱的原汁的表征。
可表征来自甘蔗或甜高粱的汁以确定糖类组分。
通过汁榨提取蔗汁，然后使用X-射线照射所述汁以消除污染微生物，然后将其存储在4℃下直至使用。甘蔗汁的通常浓度/组成在13-16白利糖度的范围内，大致具有下面的糖组成：总糖＝蔗糖(97％)+果糖(1.5％)+葡萄糖(1.5％)。
已公开了甘蔗汁可溶干物质的组成为：
(来源：Sugar Technology,Beet and Cane Sugar Manufacture(1998)Van derPoel,P.W.；Schiweck,H.；Schwartz,T；see e.g.Table 2/21,pag.153)。
实施例1
选择的纤维素酶酶制剂的表征
可由在作为碳源的来自预处理的高粱渣的富C5液体部分上培养的里氏木霉RUT-C30得到纤维素酶制剂，如Korpos等人(2012)描述的。
可由在作为碳源的预处理的甘蔗渣上培养的青霉菌得到纤维素酶制剂，如Pereira等人(2013)描述的。
可由在作为碳源的麦麸上培养的曲霉sp.S4B2F得到纤维素酶制剂，如Soni等人(2010)描述的。
可由在作为碳源的预处理的甘蔗渣上培养的哈茨木霉得到纤维素酶制剂，如Delabona等人(2012)描述的。
可由在作为碳源的甘蔗渣上培养的枯草杆菌KIBGE HAS得到纤维素酶制剂，如Bano等人(2013)描述的。
可通过商业途径得到市售的被优化用于木质纤维素生物质转化并以商品名CELLIC CTEC3TM由NOVOZYMESTM出售的纤维素酶制剂。
可通过商业途径得到市售的被优化用于木质纤维素生物质转化并以商品名ACCELLERASE TRIOTM由GENENCORTM出售的纤维素酶制剂。
可通过商业途径得到市售的被优化用于木质纤维素生物质转化并由DSM Tm出售的纤维素酶制剂。
可通过商业途径得到市售的被优化用于木质纤维素生物质转化并由Dyadic Tm出售的纤维素酶制剂。
纤维素酶制剂的纤维素酶活性可被测定并表示每单位体积或质量为“滤纸单位”，如通过如下方法测定的：Adney,B.和Baker,J.,实验室分析程序#006,"纤维素酶活性测试",1996年8月12日,USA国家可再生能源实验室(NREL)，其通过引用的方式以整体清楚地并入本文。本领域技术人员将容易理解FPU提供一种纤维素酶活性测试，但额外的酶活性可有用地包括在纤维素酶的有效混合物中，包括但不限于半纤维素酶活性。
纤维素酶制剂的其他实例可例如发现于本文“定义”中，和例如WO10115754中。
实施例3
所选择的纤维素酶制剂在原汁环境中酶活性的比较性能。
在实施例2中提到的任一酶制剂均可用于在存在不同量的甘蔗汁时比较性能测试，如在实施例4中描述的。
实施例4
对于给定纤维素酶制剂的原汁增补的优化。
对于任一给定的酶制剂，有利的原汁增补将是增补时在具有添加的汁的发酵液中最终乙醇浓度等于“基础情况”条件，而不是水解作用的DM％充分的降低以提供在给定酶剂量总体下较高的转化，尽管添加的汁造成一些转化抑制。
检测市售的被优化用于木质纤维素生物质转化并以商品名ACCELLERASE TRIOTM由GENENCORTM出售的纤维素酶制剂。
通过Ghose(1987)方法对于ACCELLERASE TRIO TM测定以滤纸单位(FPU)的纤维素酶活性测试，并发现为65FPU/g酶制剂。在实验中使用0.16ml/g葡聚糖(或10.4FPU/g葡聚糖)的酶剂量。
设置一套六个摇瓶，使用下面三个条件的双重测试作为参考：100wt-％1G糖汁、50wt-％1G糖汁和0％糖汁(纯水)。在250rpm搅拌下和50℃下温育摇瓶。
在Inbicon 100kg/h试验工厂在50kg TS/h供料流下预处理如实施例1中描述的在蔗汁提取后得到的渣，正如Petersen等人(2009)描述的。在预处理前，将新鲜渣(SCB批次E)浸在水中以达到在环境温度下40wt-％TS105℃的干物质含量，不添加任何化学品。预处理条件为195℃，停留时间12分钟，log severity Ro 3.88。在离开预处理反应器后，压榨所述预处理的生物质浆体以得到约55％DM的纤维部分和液体部分。在稳态前保持3h的调整期并取样品。收集和分析预处理的材料、纤维部分和液体部分。测定样品的干物质和组成。
在摇瓶实验中使用如所描述的得到的预处理的渣纤维部分，干物质含量12％，不添加任何除AcTRIO外的添加剂和pH调节化学物质。使用20％Ca(OH)2将pH调节至pH 5。在酶添加前，使用HPLC测量糖含量。当制备用于HPLC的样品时，使用硫酸稀释溶液，由此蔗糖被分解为葡萄糖和果糖。为跟踪水解，在6、24、50、72、145和170h后在HPLC上测量样品。从测量的葡萄糖和木糖浓度中减去在酶添加前测量的值以消除1G糖的贡献。
基于来自纤维部分的糖类计算随时间的葡聚糖转化，已减去来自1G汁的糖。图1示出了对于所述六个摇瓶的葡聚糖转化。对于不使用1G糖汁(0％OAI糖汁)、使用50％1G糖汁和使用100％1G糖汁的摇瓶在170h后得到的葡聚糖转化测定为分别约73％、70％和65％。
图2示出了随添加至水解物的1G糖汁的百分比的145h水解后平均葡聚糖转化。该关系可通过线性函数描述并当从0％糖汁至100％糖汁变化时显示8％转化(绝对的)的下降。推定对于较高干物质含量将得到相似或略微较小的下降。
正如所示出的，与在18％DM下作为整体浆体的预处理的渣的“基础情况”水解相比，根据表1，和在该实施例中呈现的结果，在使用酶制剂ACCELLERASE TRIOTM的单独的纤维部分的酶法水解中蔗汁增补的使用将是特别有利的，其中在水解中使用的稀释液约30％为蔗汁，70％为水。在这些条件下，可在发酵液中实现相等的最终乙醇浓度，但水解可在15％DM下实施。预期葡聚糖转化的下降对应于71％vs 73％(71/73＝0.973)。然而，同时，在等酶剂量下期待增加的转化产率，其中相对酶等剂量仅为0.903。相应地，预期在等剂量下的转化产率为约1/0.903＝1.107。在15％DM下使用含30％蔗汁的稀释液实施水解时，预期等酶剂量下转化产率净收益期望为(1.107)*(0.973)＝1.08，即，在等酶剂量下约5％的绝对转化增加。
本领域技术人员将容易理解的是，基于所述结果，可对任一特定的酶制剂应用相似的优化程序。
在这种情况下，其中用于稀释纤维部分的稀释液为30％蔗汁，和其中在15％DM下实施水解，在酶法水解开始时水解产物中的蔗糖浓度包含至少12g/L，假定在蔗汁中蔗糖浓度至少70g/L。
本领域技术人员将容易理解的是所提供的实施方案和实施例仅是描述性的，且不旨在限制由权利要求定义的本发明的范围。
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Claims (18)

1.一种处理甘蔗和/或甜高粱原料的方法，包含步骤：
(a)例如通过压榨和/或粉碎从原料中提取原汁，并回收残留渣；
(b)预处理来自步骤(a)的渣；
(c)将来自步骤(b)的预处理的渣与一些量的原汁混合；和
(d)使用纤维素酶酶制剂在如下条件下通过酶法水解来水解预处理的渣：水解混合物的水性液相包含至少5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L的源自所添加原汁的蔗糖。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用水热和/或自水解预处理来预处理所述渣。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预处理的渣经受至少一个固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分；并任选地洗涤所述纤维部分以移除溶解固体，例如通过一系列压榨和稀释步骤实施所述洗涤。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或根据权利要求3所述的纤维部分在如下条件下水解：初始不溶解固体为10-25重量％，10-20重量％，或约15重量％。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：初始溶解的来自所添加原汁的蔗糖为5-60g/L重量，和/或约5、10、15、20、25、30、40、50或60g/L。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述预处理的渣和/或纤维部分在如下条件下水解：pH保持在pH 7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5或4.0或更低。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中使用被优化用于木质纤维素生物质转化的纤维素酶制剂例如可商购的纤维素酶制剂来水解所述预处理的渣和/或纤维部分。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中使用这样的纤维素酶制剂来水解所述预处理的渣和/或纤维部分，所述纤维素酶制剂在至少8FPU/g DM的酶用量下在对于测试的酶制剂合适的条件下145h水解后多于20％不被添加的原汁抑制，其中源自所添加汁的蔗糖为至少5g/L。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在预处理的渣和/或纤维部分水解后得到的水解产物例如通过使用内部洗涤的压滤器经受至少一个固/液分离步骤以提供与溶解固体分离的不溶固体，任选地包含进一步的步骤例如干燥步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中不溶固体适合作为燃料和/或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中包含纤维素糖和源自甘蔗或高粱汁的糖类的溶解固体与另外量的原汁混合，任选地随后进行浓缩步骤，例如蒸发浓缩和/或反渗透浓缩。
12.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中随后将(i)根据前述权利要求任一项所述得到的水解产物，(ii)根据权利要求9所述得到的溶解固体；(iii)根据权利要求11所述得到的溶解固体和原汁的混合物，(iv)根据权利要求11所述通过浓缩步骤提供的浓缩的溶液，和/或(i)、(ii)、(iii)和/或(iv)的任何组合进行发酵以提供一种或多种产物，任选地在浓缩、纯化或任何其他步骤之后。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述发酵产物为一种或多种化学品、醇、乙醇或其任何组合。
14.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述水解作为整体浆体实施，或者其中在水解前先实施固/液分离步骤以提供纤维部分和液体部分，其中所述纤维部分单独经受酶法水解。
15.根据前述权利要求任一项提供的发酵产物。
16.一种产物，其包含根据前述权利要求任一项所述提供的水解产物，根据权利要求9所述提供的溶解固体，根据权利要求11所述提供的溶解固体和原汁的混合物，根据权利要求11所述通过浓缩步骤提供的浓缩溶液，和/或(i)、(ii)、(iii)和/或(iv)的任何组合，或者基本由它们组成。
17.根据权利要求10所述提供的燃料或燃料添加剂，例如用于产生动力、热和/或蒸汽的燃料和/或燃料添加剂。
18.一种另外的产物，其包含0.1-99.9％重量/重量或体积/体积的根据权利要求16或17所述的一种或多种产物。
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