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专利观察:用于酶促水解木质纤维素原料的方法
来源:生物催化剂设计与改造服务   发布者:左丽媛   日期:2016-12-20  

木质纤维素原料或含纤维素材料,是糖形式的可再生能源,可被转化为有价值的产物,例如生物燃料,例如生物乙醇。该整个过程期间,通过(半)纤维素分解酶,原料(例如麦秸、玉米杆、稻壳等)中存在的(木质或半)纤维素被转化为还原糖,然后通过微生物(比如酵母、细菌和真菌)被转化为有价值的产物,如乙醇。鉴于(半)纤维素是结晶的并包埋在木质素网中,向还原糖的转化通常是缓慢且不完全的。典型地,酶促水解未处理原料产生少于理论量的20%的糖。通过利用化学和热物理预处理,(半)纤维素对(半)纤维素分解酶而言更可触及,因而转化更快且产率更高。

来自源于经预处理玉米杆的葡萄糖的典型乙醇产率是40加仑乙醇/1000kg干玉米杆或0.3g乙醇 / g原料。基于纤维素的乙醇的最大产率是约90%。纤维素分解酶(它们中的大多由比如Trichoderma、Humicola和Aspergillus的物种产生)在商业上被用来将预处理的原料转化为含有不可溶的(半)纤维素、其制得的还原糖以及木质素的糊状物(mash)。从预处理的木质纤维素原料生产糖的一般过程中,水解(还被称为液化、预糖化或糖化)典型地在45-50℃的升高的温度和非灭菌条件下的持续6-168小时的方法中进行。在该水解期间,存在的纤维素被部分(典型地30-95%,可取决于酶活性和水解条件)转化为还原糖。在酶被预处理原料中存在的化合物和被释放的糖抑制的情况下,以及为了使热失活最小化,该升高的温度的时间需尽可能地短。

水解后的发酵在相同或不同容器中在单独的厌氧处理步骤中发生,其中温度被调至30-33℃以适应生长和通过微生物生物质(通常为酵母)生产乙醇。在该发酵方法期间,通过来自水解步骤的已存在的酶,剩余的(半)纤维素材料被转化为还原糖,同时产生微生物生物质和乙醇。因此,这种类型的发酵通常被称为同时糖化和发酵 (Simultaneously Saccharification and Fermentation,SSF)。一旦(半)纤维素材料被转化为可发酵糖并且所有可发酵糖被转化为乙醇、二氧化碳和微生物细胞,发酵完成。这样获得的发酵糊状物由非可发酵糖、非可水解(半)纤维素材料、木质素、微生物细胞(最通常为酵母细胞)、水、乙醇、溶解的二氧化碳组成。在连续步骤中,从糊状物中蒸馏并进一步纯化乙醇。剩余的固体悬浮物被干燥并被用作例如燃烧燃料、肥料或牛饲料。

就每批原料而言,添加酶以使给定的处理时间期间从预处理的木质纤维素原料释放可发酵糖的产率和速率最大化。通常,生产酶的成本、原料到乙醇的产率和投资是总生产成本中的主要成本因素。迄今为止,通过应用来自单一微生物来源或来自多种微生物来源(W0 2008/008793)的具有更宽和/或更高(特异性)水解活性的酶产物来实现酶使用成本降低,使用所述酶目的在于更低的酶需求、更快的转化速率和/或更高的转化产率和因而总体上更低的生物乙醇生产成本。

本专利针对此,利用酸预处理的玉米杆原料进行水解反应。用4M NaOH溶液将原料的pH调节至pH 4. 5。以2个阶段进行水解反应:

1.以半连续模式操作的液化步骤

2.以分批模式操作的糖化步骤

如下进行液化:用1kg10% (重量/重量)预处理的玉米杆原料填充液化反应器。在恒定搅拌、pH控制(pH4.5,4N NaOH)和62℃下操作反应器。填充后,直接定量加入(参见表1)酶以启动水解反应。接下来,在恒定排出反应器内容物的条件下,每10分钟向液化反应器中加入55g额外量的30%干物质原料以保持反应器填充水平恒定在1升。此外,另外的酶与额外原料一起定量加入以在反应期间维持恒定的酶/底物比。约3小时后,反应器中达到约20% (重量/重量)的干物质水平,且加入的原料干物质降低至20% (重量/重量)以保持反应器中的干物质水平在约20% (重量/重量)。开始液化后6小时,将液化反应器的排出物引入糖化反应器中用于进一步处理。在液化反应器中的停留时间为平均约3小时。

如下进行糖化:用来自液化反应器的排出物填充糖化反应器至总反应体积为约1升。这耗费约3小时。在恒定搅拌、pH控制(pH4.5,4N NaOH)和62°C下操作反应器。在填充期间,如表1中所示,在一个实验中同时加入酶。糖化反应进行约70小时。

表1:酶剂量方案

纤维素酶混合物:TEC-210

内切葡聚糖酶:EBA8

酶剂量:mgTCA蛋白质/g原料干物质

利用含内切葡聚糖酶的酶组合物液化木质纤维素原料改善了纤维素酶混合物的纤维分解性能。

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