水解木质纤维素类生物质的预处理方法及由使用该预处理方法处理的生物质制造糖化合物和生物乙醇的方法

摘要

本发明涉及一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，更具体而言，涉及一种使用湿磨结合膨化在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，一种由使用该方法预处理的生物质制造糖化合物的方法，和一种由使用该方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。根据本发明，能耗可以得到降低，木质纤维素类生物质可以容易地以环境友好的方式得到预处理，而无需处理化学品，并且水解木质纤维素类生物质的效率可以得到显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，更具体而言，涉及 一种使用湿磨结合膨化在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，一种由使用该方 法预处理的生物质制造糖化合物的方法，和一种由使用该方法预处理的生物质制造生 物乙醇的方法。

背景技术

通常，糖化合物通过使用微生物培养如植物或海藻等天然产物来生产，并且已经 被广泛用于食品和药品领域。葡萄糖是这些糖化合物中的主要的一种。葡萄糖用于许 多发酵技术中，并用于满足能量需求，因此对于各种葡萄糖供应源存在需求。

此外，近来，为解决全球变暖所引起的温室效应和石油枯竭的问题，使用糖化合 物产生生物能的方法已引起了很大关注。在此情况下，甘蔗汁或玉米淀粉已被用作用 于产生生物能(即，生物乙醇)的碳水化合物源。

然而，用于生产第一代生物乙醇(淀粉生物乙醇)的原料遇到许多问题，例如，与 食品和家畜饲料之间的竞争，和用于生长该原料的区域的饱和，等等。因此，为解决 这些问题，美国等国家正在进行由提取自木本和草本植物的木质纤维素生产第二代生 物乙醇(纤维素乙醇)的研究。

由预处理的木质纤维素类生物质产生燃料乙醇的反应机理主要包括糖化和发酵 这两个过程。糖化是使用酶将纤维素转化为葡萄糖的过程。将纤维素转化为葡萄糖的 这一过程包括通过将纤维素酶(酶)吸附在纤维素的反应表面上而将纤维素转化为纤 维二糖的过程和利用β-葡萄糖苷酶的酶促反应将纤维二糖转化为葡萄糖的过程。此 外，发酵是在厌氧条件下使用如酵母等微生物将通过糖化纤维素而产生的葡萄糖转化 为乙醇和二氧化碳的过程。

因此，当木质纤维素类生物质被分解或转化时，可以获得大量的对人类生命有用 的材料，如纤维素、纸浆、葡萄糖、木糖(木聚糖)、木质素、乙醇和木糖醇等。在此 情形中，纤维素的结晶度和孔隙率充当了对于木质纤维素类生物质的生物技术水解具 有重大影响的因素，而且木质素或半纤维素的含量也是重要因素。

具体而言，在使用酶进行木质纤维素类生物质的生物水解时，酶的吸附能力与纤 维素的表面积具有非常密切的关系。木质纤维素类生物质的水解率随着所吸附的酶量 的增加而提高，并且由所吸附的酶量和纤维素的结晶度决定。

同时，需要预处理过程来糖化木质纤维素类生物质是已知的。为了使预处理过程 有效，增加纤维素的量，并降低细纤维的结晶度，从而提高单位面积的木质纤维素类 生物质的酶吸附率，结果使纤维素的反应性增加，由此提高了酶的水解能力。预处理 过程可以通过各种物理和化学方法进行，例如汽爆(steam explosion)、碱处理、二氧 化硫处理、过氧化氢处理、超临界氨处理、弱酸萃取处理和氨冷冻爆裂等。实际中， 预处理过程也可以通过这些方法的组合来进行。

具体而言，汽爆的缺点在于，半纤维素的回收率低，并且会大量地产生各种不可 回收的副产物，如乙酸(发酵抑制剂)和糠醛等。此外，当使用汽爆作为生物质的预处 理方法时，生物质的糖化效率很低。因此，使用的是利用碱、二氧化硫或过氧化氢作 为用于分解弱酸、有机溶剂或液态氨的催化剂的预处理方法。然而，该方法也在存在 以下缺点，即，必须使用昂贵的化学品，并且另外需要用于回收这些化学品的设备， 因此增加了安装费用。基于此原因，汽爆已经很少得到实际使用。

同时，使用氨进行汽爆作为预处理方法近来已引起了很大关注，其需要多种装置， 例如预热线圈、浸出反应器、蒸汽夹套、温度传感器、控制阀、捕集器、开关阀、木 质素排放阀、充氨阀、氨再热器、木质素分离器、氨收集器、电导仪、电导率控制器 和泵等，以及伴随过程。

此外，同时使用化学预处理和化学后处理的汽爆还在下述方面存在问题，即，因 使用了如强酸和强碱等化学品而使得在过程中出现腐蚀并产生废酸或废碱，结果导致 二次环境污染，并且难以回收和再生过程中的介质。

如上所述，公知的物理预处理方法在下述方面存在问题，即，处理缓慢并且能量 消耗很高，因此降低了经济效益；公知的化学预处理方法在下述方面存在问题，即， 因使用强酸或强碱化合物而使得成本增加、不适合采用大容量的工艺、毒性变高，由 此对于环境具有不良影响。

因此，需要开发不引起环境问题并能够降低能耗的有效的预处理方法。

发明内容

技术问题

本发明人已经持续进行了研究和努力以开发能够提高木质纤维素类生物质的水 解效率的木质纤维素类生物质预处理方法。结果，发明人发现，通过组合湿磨和膨化 预处理，明显提高了木质纤维素类生物质的表面积。基于这一发现完成了本发明。

因此，本发明的一个目的是提供：一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方 法，与常规预处理方法相比，所述方法能够降低能耗，并且由于可以不处理化学品， 所述方法是环境友好的；一种由使用上述方法预处理的生物质制造糖化合物的方法； 和一种由使用上述方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。

本发明的另一个目的是提供：一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法， 所述方法与常规预处理方法相比能够大大提高木质纤维素类生物质的水解效率；一种 由使用上述方法预处理的生物质制造糖化合物的方法；和一种由使用上述方法预处理 的生物质制造生物乙醇的方法。

本发明的目的不限于上述目的，对于本领域技术人员而言，由以下描述，其其他 目的将是可理解的。

技术方案

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种在水解前预处理木质纤维素类生 物质的方法，该方法包括以下步骤：将木质纤维素类生物质浸入水中以使所述木质纤 维素类生物质膨胀；湿磨膨胀的木质纤维素类生物质；和膨化湿磨的木质纤维素类生 物质。

在该方法中，膨化湿磨的木质纤维素类生物质的步骤可以使用膨化机在150℃～ 250℃的温度和5kgf/cm²～25kgf/cm²的压力这两个条件中的至少一种条件下进行。

此外，膨化机可以包括：用于直接加热膨化箱的燃烧器；膨化箱，其充有湿磨的 木质纤维素类生物质，并在受到直接加热燃烧器加热时保持高温和高压；膨化产物存 储箱，其具有预定形状的空间体积并可分离地连接至膨化箱，以使得膨化箱的一部分 进入膨化产物存储箱中，由此回收在膨化箱中膨化了的木质纤维素类生物质；马达， 其用于使受到直接加热燃烧器加热的膨化箱转动，以保持膨化箱中温度恒定并使蒸汽 在被充入膨化箱中的整个木质纤维素类生物质中均匀地扩散；和控制单元，其用于控 制膨化箱中的压力和温度中的至少一项。

此外，可以在膨化箱中设置温度传感器和压力传感器中的至少一种。

本发明的另一个方面提供一种由木质纤维素类生物质制造糖化合物的方法，所述 方法包括以下步骤：糖化用预处理木质纤维素类生物质的方法获得的木质纤维素类生 物质。

在该方法中，在糖化木质纤维素类生物质的步骤中，可以以相对于100重量份木 质纤维素类生物质为1重量份～20重量份的量使用糖化酶。

此外，糖化酶可以为选自由纤维素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶及其混合物组成 的组中的任一种。

本发明的另一个方面提供一种由木质纤维素类生物质制造生物乙醇的方法，所述 方法包括以下步骤：通过预处理木质纤维素类生物质的方法预处理木质纤维素类生物 质；糖化预处理的木质纤维素类生物质以获得糖化合物；和使所获得的糖化合物发酵。

在该方法中，糖化预处理的木质纤维素类生物质的步骤和使所获得的糖化合物发 酵的步骤可以在单一反应器中同时进行。

此外，为了同时进行糖化预处理的木质纤维素类生物质的步骤和使所获得的糖化 合物发酵的步骤，可以使用能够进行糖化和发酵的重组菌株，并且该重组菌株可以是 选自由产酸克雷伯氏菌P2、卡斯酒香酵母(Brettanomyces curstersii)、葡萄汁酵母 (Saccharomyces uvzrun)和甘蓝假丝酵母(Candida brassicae)组成的组中的任一种。

有利效果

本发明具有以下优点。

根据在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法、由使用该预处理方法预处理的 生物质制造糖化合物的方法和由使用该预处理方法预处理的生物质制造生物乙醇的 方法，与常规预处理方法相比，能够降低能耗，并且这些方法是环境友好的，因为可 以不处理化学品。

根据在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法、由使用该预处理方法预处理的 生物质制造糖化合物的方法和由使用该预处理方法预处理的生物质制造生物乙醇的 方法，与常规预处理方法相比，其木质纤维素类生物质的水解效率能够得到大大提高。

附图说明

图1是显示将生物质生物转化为乙醇的过程的方块图，该过程包括本发明的预处 理过程；

图2显示的是显示根据本发明的实施方式在水解前进行预处理过程之后稻秸形 态发生的变化的电子显微镜照片；

图3是显示在本发明实施方式的制造糖化合物的方法中在水解前进行预处理过 程之后由酶引起的稻秸水解率的变化的图。

最佳实施方式

本说明书和权利要求书中所使用的术语和词语不应解释为限于常见的含义或字 典定义，而应当基于发明人可以适当地限定术语的概念以描述他或她所知的最佳的用 于实现本发明的方法这一原则，将这些术语和词语解释为具有与本发明的技术范围相 关的含义和概念。

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。但是，本发明不限于以下实施 方式，并可以得到各种修改。

图1是显示将生物质生物转化为乙醇的过程的方块图，该过程包括本发明的预处 理过程；图2显示的是显示根据本发明的实施方式在水解前进行预处理过程之后稻秸 形态发生的变化的电子显微镜照片；图3是显示在本发明的实施方式的制造糖化合物 的方法中在水解前进行预处理过程之后由酶引起的稻秸水解率的变化的图。

首先，本发明提供一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，需要所述方 法来由木质纤维素类生物质产生糖化合物和/或生物乙醇。即，根据图1中所示的预 处理木质纤维素类生物质的方法，最终获得的预处理的木质纤维素类生物质的表面结 构的构造使得生物质与水解酶的接触面积得到增加，从而显著地提高生物质的水解效 率。具体而言，在湿磨及之后膨化木质纤维素类生物质的预处理过程中，木质纤维素 类生物质的水解效率与膨化及之后干磨木质纤维素类生物质的预处理工序的水解效 率相比提高了70%以上。

因此，本发明的在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法包括以下步骤：将木 质纤维素类生物质浸入水中以使木质纤维素类生物质膨胀；湿磨膨胀的木质纤维素类 生物质；和膨化湿磨的木质纤维素类生物质。此处，膨化湿磨的木质纤维素类生物质 的步骤可以使用膨化机在150℃～250℃的温度和/或5kgf/cm²～25kgf/cm²的压力下 进行，并可以优选在170℃～250℃的温度和/或15kgf/cm²～25kgf/cm²的压力下进行。

如图2所示，被开发用于执行膨化过程的膨化机100包括直接加热燃烧器110、 膨化箱120、膨化产物存储箱130、马达140和控制单元150。

首先，直接加热燃烧器110是汽爆中所使用的蒸汽发生器的替代物。即，常规汽 爆过程以直接加热方式进行，其中蒸汽发生器通过蒸汽夹套连接至爆裂箱以使爆裂箱 内部保持高温和高压。相比之下，构成本发明的膨化机100的直接加热燃烧器110被 构造为使得膨化箱120被直接加热，以使膨化箱120内部保持高温和高压。因此，可 以看出，与汽爆过程中所使用的蒸汽发生器相比，所述直接加热燃烧器110在热利用 和稳定性方面非常优异。

膨化箱120是填充有湿磨的生物质的容器，其可以由能够耐高温高压且能够直接 火烧的材料制成，因为其必须在高温和高压下稳定。膨化箱120的一侧固定在公知的 框架上，从而使得马达140可以驱使膨化箱120转动，并且其另一侧被设置为使得用 于充入或排放样品(湿磨的生物质)的开口121可以用盖密封。在此情形中，开口121 处可以设置舱口，使得膨化后包含在样品中的蒸汽立即得到排放。

膨化箱120被构造为使得用于检测膨化箱120内部温度的温度传感器(未示出)设 置在膨化箱120内，以将所检测的温度传输至控制单元150。必要时，膨化箱120可 以被构造为使得压力传感器安装在膨化箱120的内部，而不是将压力计安装在膨化箱 120的外部。

膨化产物存储箱130的空间体积具有预定形状，并起到回收膨化的样品的作用。 如图2中所示，膨化产物存储箱130可以可分离地连接至膨化箱120，使得膨化箱120 的一部分放入膨化产物存储箱130中。此外，如图2所示，膨化产物存储箱130可以 设置有用于将膨化的生物质排放至与膨化箱120相连的一侧的对侧的出口。

马达140起到下述作用：使膨化箱120转动，从而在直接加热燃烧器110提升膨 化箱120中的温度时，使得膨化箱120中的温度和蒸汽在样品中的扩散均匀。

控制单元150以包括键盘和显示窗口的控制箱的形式设置，其能够通过关闭直接 加热燃烧器110的加热器之间的阀而将压力和温度控制在设定的压力和/或温度，且 能够控制马达140。

具体而言，糖化预处理的生物质的过程通常可以通过酸糖化来进行。然而，在本 发明中，优选的是，糖化预处理的生物质的过程可以在不添加任何化学品的情况下通 过酶促糖化来进行。此外，用在酶促糖化中的糖化酶可以选自由纤维素酶、木聚糖酶、 β-葡萄糖苷酶及其混合物组成的组。优选的是，糖化酶可以是重量比为1～2:1～2的、 特别是2:1的纤维素酶和木聚糖酶的混合物。糖化酶可以以相对于100重量份生物质 为1重量份～20重量份的量使用。糖化预处理的生物质的过程可以在40℃～45℃的 温度下进行6小时～24小时、特别是24小时。

此外，在本发明中，可以使用酵母(例如酿酒酵母)作为用于产生生物乙醇的发酵 菌株。发酵菌株可以是选自下述菌株中的任一种：即使在高糖浓度也能进行发酵的耐 糖菌株；即使在作为最适糖化温度的40℃～45℃的温度下也能将生物质转化为乙醇 的耐热菌株；和可以进行糖化和发酵的重组菌株，如产酸克雷伯氏菌P2、卡斯酒香 酵母、葡萄汁酵母和甘蓝假丝酵母等，这对本领域人数人员而言是公知的。发酵过程 可以独立于糖化过程，并在25℃～30℃、特别是30℃下进行12小时～24小时。发 酵过程和糖化过程可以同时进行。

具体实施方式

实施例1

将100g秋天收割的稻秸浸入水中1天，以使稻秸充分膨胀。之后，使用研磨机 对膨胀的稻秸和水进行湿磨，以获得精细湿磨的产物。然后，将湿磨的产物投入图2 所示的膨化机中，随后在200℃的温度和21kgf/cm²的压力下进行膨化，以获得本发 明的预处理的稻秸产物(湿磨+膨化)。

比较例1

将100mg秋天收割的稻秸充分浸入水中1天，以使稻秸膨胀。之后，将膨胀的 稻秸投入图2所示的膨化机中，在200℃的温度和21kgf/cm²的压力下进行膨化，随 后粉碎以获得比较性的预处理的稻秸产物(膨化)。

比较例2

将100mg秋天收割的稻秸充分浸入水中1天，以使稻秸膨胀。之后，使用研磨 机对膨胀的稻秸和水进行湿磨，以获得比较性的精细湿磨的预处理产物(对照)。

实验例1

通过电子显微镜观察在实施例1和比较例1和2中获得的预处理产物，其照片显 示在图2中。此外，分析了这些预处理产物的化学组分，其结果提供在下表1中。

[表1]

如以上表1中所提供的，可以看出，通过湿磨及之后膨化稻秸获得的预处理产物 (湿磨+膨化)的化学组分的变化、通过膨化及之后粉碎稻秸获得的预处理产物(膨化) 的变化和通过湿磨稻秸获得的预处理产物(对照)的变化彼此并无显著不同。然而，如 图3所示，可以看出，使用电子显微镜观察到的其物理变化和形态变化彼此明显不同。

此外，如图3所示，可以看出，通过浸入及之后湿磨稻秸获得的预处理产物(对 照)的表面积大于未预处理产物的表面积，而通过浸入及之后膨化稻秸获得的预处理 产物(膨化)的表面积大于通过浸入及之后湿磨稻秸获得的预处理产物(对照)的表面 积。具体而言，可以看出，通过浸入、湿磨及之后膨化稻秸获得的预处理产物(湿磨+ 膨化)的表面积显著增加。

实施例2

将纤维素酶(600U/g生物质)和木聚糖酶(300U/g生物质)添加至50mg在实施例1 中得到的预处理的稻秸产物(湿磨+膨化)中，然后在37℃的温度下糖化该预处理的 稻秸产物24小时以获得糖化合物(湿磨+膨化)。

比较例3

将纤维素酶(600U/g生物质)和木聚糖酶(300U/g生物质)添加至50mg在比较例1 和2中得到的每个预处理的稻秸产物中，然后在37℃的温度下分别糖化这些预处理 的稻秸产物24小时以获得比较性糖化合物(膨化)和比较性糖化合物(对照)。

实验例2

使用高效液相色谱(HPLC)测量在比较例3中获得的比较性糖化合物(膨化)和比 较性糖化合物(对照)以及在实施例2中获得的糖化合物(湿磨+膨化)的浓度，其结果 显示在图4中。

由图4可以看出，比较性糖化合物(对照)具有0.1mg/ml的低水解率，比较性糖 化合物(膨化)具有3.6mg/ml的较高水解率，而在实施例2中获得的糖化合物(湿磨+ 膨化)具有6.4mg/ml的高水解率。因此，可以看出，糖化合物(湿磨+膨化)的水解 率是比较性糖化合物(对照)的64倍，并且是比较性糖化合物(膨化)的约2倍(高出70% 以上)。

由以上结果可以看出，在本发明的预处理方法中，浸入、湿磨及之后膨化生物质 的复合预处理方法比浸入、膨化及之后粉碎生物质的预处理方法优异。因此，可以清 楚地理解，在本发明的预处理方法中，浸入、湿磨及之后膨化生物质的复合预处理方 法适于使用酶的生物技术工艺。

实施例3：生物乙醇的产生

1.在水解前的预处理过程

将100g秋天收割的稻秸浸入水中1天，以使稻秸充分膨胀。之后，使用研磨机 对膨胀的稻秸和水进行湿磨，以获得精细湿磨的产物。然后，将湿磨的产物投入图2 所示的膨化机中，随后在200℃的温度和21kgf/cm²的压力下进行膨化，以获得预处 理的稻秸产物。

2.糖化过程

将纤维素酶(600U/g生物质)和木聚糖酶(300U/g生物质)添加至50mg上述预处 理的稻秸产物中，然后在37℃的温度下糖化该预处理的稻秸产物24小时以获得糖化 合物，即葡萄糖。

3.发酵过程

将获得的葡萄糖(糖化合物)浓缩至10%的浓度。然后，将15g/l该浓缩的葡萄糖 添加至酿酒酵母(用于产生生物乙醇的发酵菌株)中，之后在30℃的温度下发酵24小 时以获得生物乙醇。

在此情形中，糖化过程和发酵过程可以同时进行。

在上述实施例中，使用了秋天收割的稻秸作为木质纤维素类生物质。然而，本发 明的范围并不限于此，因为只要含有木质纤维素类生物质，稻秸就可以用在本发明中。

虽然出于说明性目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员知道， 可以进行各种修改、添加和取代，而不偏离所附权利要求中公开的本发明的范围和主 旨。