由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇和溶劑的方法，其中再循環(huán)獲自戊糖發(fā)酵的乙醇汁液的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種由纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)來生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法，其包括至少以下步驟：a)熱化學(xué)預(yù)處理纖維素或木質(zhì)纖維素基材的步驟；b)任選地，清洗預(yù)處理的基材和調(diào)節(jié)pH的步驟；c)酶水解該預(yù)處理的基材的步驟；d)將獲自步驟(c)的水解產(chǎn)物中所含的己糖通過己糖發(fā)酵微生物來乙醇發(fā)酵成乙醇和獲得來自己糖的乙醇汁液的步驟；e)提取步驟；和f)將獲自前述步驟之一的流中的至少一種中所含的戊糖用戊糖-發(fā)酵微生物來乙醇發(fā)酵和獲得來自戊糖的乙醇汁液的步驟；其中所述來自戊糖的乙醇汁液中的至少一部分被再循環(huán)到酶水解和/或乙醇發(fā)酵步驟中的至少一個(gè)的上游。
【專利說明】由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇和溶劑的方法，其中再循環(huán)獲自戊糖發(fā)酵的乙醇汁液
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)來生產(chǎn)醇和/或溶劑的所謂的“第二代”方法。更具體地，涉及生產(chǎn)乙醇和/或溶劑的方法。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]木質(zhì)纖維素生物質(zhì)代表了地球上最豐富的可再生來源之一。所考慮的基材是高度可變的，因?yàn)樗鼈兩婕暗侥举|(zhì)基材(闊葉的和針葉的)、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物(稻草)二者或來自于工業(yè)產(chǎn)生的木質(zhì)纖維素廢物的那些(農(nóng)業(yè)食品或造紙工業(yè))。
[0003]木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包含三種主要的聚合物:纖維素(35%_50%)、半纖維素(20%-30%)(其是基本由戊糖和己糖組成的多糖)和木質(zhì)素(15%-25%)(其是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高分子量的聚合物，包含經(jīng)由醚鍵連接的芳醇)。
[0004]那些不同的分子決定著植物壁的固有性能，并被組織成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。
[0005]纖維素和可能的半纖維素是酶水解的目標(biāo)物，但是它們不能直接為酶所用。為此原因，這樣的基材必須在酶水解步驟之前經(jīng)歷預(yù)處理。該預(yù)處理目的是改變木質(zhì)纖維素材料的物理和理化性能，著眼于改進(jìn)木質(zhì)素和半纖維素基質(zhì)中所攜帶的纖維素的可利用性。
[0006]存在著許多用于進(jìn)行這樣的預(yù)處理的技術(shù):酸消化、堿消化、蒸汽爆破、有機(jī)溶劑工藝等。預(yù)處理的效率是通過預(yù)處理結(jié)束時(shí)材料的平衡(可溶單體或低聚物或不溶性聚合物形式的糖的回收產(chǎn)率)以及通過纖維素和半纖維素殘留物的水解容易性二者來表征的。
[0007]由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)醇和`/或溶劑的方法(稱作“第二代方法”)包括至少以下步驟:
?基材預(yù)處理；
?預(yù)處理的基材的酶水解；
籲所獲得的水解產(chǎn)物的發(fā)酵；和
?發(fā)酵后獲得的醇和/或溶劑的分離/凈化。
[0008]這類生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法的經(jīng)濟(jì)有效性很難實(shí)現(xiàn)，即使對于能支配大量可用資源的經(jīng)營者來說也是如此。許多位置對于整體成本具有大的影響，包括植物材料資源和提取(通常通過蒸餾來進(jìn)行)的能量。這類方法的優(yōu)化必需包括優(yōu)化所有糖的提質(zhì)，特別是通過最合適的微生物的水解獲得的戊糖。
[0009]野生類型的產(chǎn)醇的酵母如釀酒酵母以用于將己糖轉(zhuǎn)化成乙醇的最有效的微生物為人所知。己糖轉(zhuǎn)化成乙醇的產(chǎn)率通常是0.46-0.48重量，但是戊糖轉(zhuǎn)化成乙醇僅僅是
0.35-0.40。這種類型的野生型酵母不能無基因修飾地轉(zhuǎn)化戊糖。使用基因修飾的微生物使得設(shè)備的管理和方法的管理復(fù)雜化。因此，修飾的酵母將總是主要使用己糖，并且它們僅僅在有限量的葡萄糖(其必須持續(xù)供給到微生物)存在下才可以使用那些戊糖。已知的是戊糖的消耗率遠(yuǎn)低于己糖(Olsson and Hahn-Hagerdah1,1996 ;Hahn_Hjigerdal 等人,2007)。
[0010]將戊糖提質(zhì)成乙醇總是整個(gè)方法的一個(gè)大問題。雖然某些野生類型的酵母能夠?qū)⑦@樣的戊糖轉(zhuǎn)化成乙醇，但是它們必須在微好氧條件下培養(yǎng)，以產(chǎn)生令人滿意的性能。此外，介質(zhì)優(yōu)選基本由戊糖構(gòu)成，因?yàn)閷τ谔豳|(zhì)己糖來說，那些酵母的性能遠(yuǎn)劣于釀酒酵母(Olsson and Hahn-Hagerdahl,Enzymes Microb。Techno 第 18 卷，1996 ;Hahn-Hagerdal 等人，Appl.Microbiol.Biotech 74,937-953, 2007)。
[0011]當(dāng)使用基因修飾的酵母(其能夠，在消耗了葡萄糖后或伴隨著它的消耗，適當(dāng)?shù)厥褂媚咎?時(shí)，其它方案是可以預(yù)想的。但是，這樣的酵母類型通常需要有限的和受控的葡萄糖注射，來確保木糖消耗，這明顯使得該方法的控制復(fù)雜化。此外，這樣的基因修飾的有機(jī)體必須在嚴(yán)格的受限條件下培養(yǎng)，這與在非常大的鄉(xiāng)村設(shè)施中的大規(guī)模生產(chǎn)不是很相容。
[0012]另外，通過蒸餾所進(jìn)行的醇的提取是一種非常耗能的活動?？梢钥吹綖榱烁倪M(jìn)乙醇生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)平衡，應(yīng)當(dāng)降低必須加熱的水的體積，特別是依靠再循環(huán)或合并濃縮了溶劑的不同流。
[0013]本發(fā)明描述了一種生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法，其中將主要由戊糖自己產(chǎn)生的乙醇汁液的一部分再循環(huán)到用于將己糖轉(zhuǎn)化成乙醇的管線，以降低提取的整體成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明涉及一種被稱作第二代方法的生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法，其中木質(zhì)纖維素或纖維素生物質(zhì)在在酶水解和乙醇發(fā)酵然后轉(zhuǎn)化成乙醇之前，經(jīng)歷預(yù)處理。預(yù)處理的植物材料的糖類聚合物被通過纖維素酶水解。該用于乙醇發(fā)酵的產(chǎn)醇的微生物主要使用己糖，優(yōu)選葡萄糖和甘露糖。將所述汁液的醇，分離或沒有分離懸浮材料(SM)，通過蒸餾來提取。釜熘物主要包含未被使用的戊糖。將這些戊糖發(fā)酵成來自戊糖的乙醇汁液和將至少一部分由此獲得的這種汁液再循環(huán)到酶水解上游。該酶水解和乙醇發(fā)酵因此在一部分所述乙醇汁液存在下分別或同時(shí)進(jìn)行，在運(yùn)行條件下該混合物不干涉所述酶和微生物的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是根據(jù)第一實(shí)施方案的由木質(zhì)纖維素基材來生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法的圖示，其包含再循環(huán)來自戊糖的乙醇汁液的步驟。
[0016]圖2是根據(jù)第二實(shí)施方案的由木質(zhì)纖維素基材來生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法的圖示，其包含再循環(huán)來自戊糖的乙醇汁液的步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明描述一種由纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)來生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法，其包括至少以下步驟:
a)熱化學(xué)預(yù)處理纖維素或木質(zhì)纖維素基材的步驟； b)清洗預(yù)處理的基材和調(diào)節(jié)pH的任選步驟；
c)使用分解纖維素的和/或分解半纖維素的酶來酶水解該預(yù)處理的基材，產(chǎn)生水解產(chǎn)物和水不溶性殘留物的步驟，其中所述預(yù)處理的基材任選地是清洗過的；
d)將獲自步驟(C)的水解產(chǎn)物中所含的己糖通過產(chǎn)醇的微生物來乙醇發(fā)酵成乙醇和獲得來自己糖的乙醇汁液的步驟；e)提取步驟，該步驟包括:
el)分離和凈化獲自步驟d)的乙醇和/或溶劑；和 e2)分離含有該不溶性殘留物的固體餅和獲得釜熘物；
f)將獲自前述步驟之一的流中的至少一種中所含的戊糖用戊糖-發(fā)酵微生物來乙醇發(fā)酵和獲得來自戊糖的乙醇汁液的步驟；
其中在步驟f)中所獲得的該來自戊糖的乙醇汁液中的至少一部分被再循環(huán)到該酶水解c)步驟和/或乙醇發(fā)酵d)步驟中的至少一個(gè)的上游。
[0018]在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“戊糖”表示含有5個(gè)碳原子的糖的可溶性的單體和低聚物，并且術(shù)語“己糖”表示含有6個(gè)碳原子的糖的可溶性的單體和低聚物。
[0019]縮寫DM表示介質(zhì)中存在的干物質(zhì)(固體和可溶物)，縮寫SM表示介質(zhì)中存在的懸浮的材料(固體)。
[0020]術(shù)語“來自己糖的乙醇汁液”表示獲自通過己糖-發(fā)酵微生物進(jìn)行的發(fā)酵的汁液。
[0021]術(shù)語“來自戊糖的乙醇汁液”表示獲自通過戊糖-發(fā)酵微生物進(jìn)行的發(fā)酵的汁液。
[0022]依靠本發(fā)明的方法，可以顯著改進(jìn)提取步驟的能量平衡。實(shí)際上，將分別獲自己糖和戊糖發(fā)酵的乙醇汁液合并，由此只需單個(gè)提取步驟。節(jié)約率是大約5%-50%。
[0023]有利地，該提取步驟是在具有更高的醇含量的汁液上進(jìn)行的，己糖轉(zhuǎn)化是在含有獲自戊糖發(fā)酵的乙醇的介質(zhì)中運(yùn)行的。
[0024]本發(fā)明的方法優(yōu)選在步驟d)和f)中使用不同的微生物，第一種適于己糖發(fā)酵，其它的僅能夠發(fā)酵戊糖，優(yōu)選 在沒有葡萄糖的連續(xù)和限制性供給的情況下。
[0025]本發(fā)明的方法所用的纖維素或木質(zhì)纖維素基材選自各種生物質(zhì)，但是更具體地選自針葉樹種(軟木，如云杉或松樹)或闊葉樹種(硬木，如桉樹)或選自農(nóng)業(yè)木質(zhì)纖維素廢物(麥桿、稻桿等)或選自專門的種植物(culture)(芒草,柳枝稷)。
[0026]在該熱化學(xué)預(yù)處理之前，該生物質(zhì)可以經(jīng)歷機(jī)械處理，例如一種研磨。
[0027]術(shù)語“熱化學(xué)預(yù)處理”被理解為表示本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的使用化學(xué)試劑(其可以是堿性的或酸性的)和/或加熱該生物質(zhì)的任何預(yù)處理。
[0028]在步驟a)中進(jìn)行的預(yù)處理可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多配置來進(jìn)行(Hendriks 和 Zeeman, Bioresource Technology, 100(2009) 10-18 ；0gier 等人，Oil & GasScience and Technology,第54卷(1999)第67-94頁)。可以提及的有在苛性鈉存在下通過消化進(jìn)行的堿預(yù)處理、通過氨纖維爆破進(jìn)行的預(yù)處理(AFEX)或使用氨進(jìn)行的帶有再循環(huán)的滲濾預(yù)處理(稱作ARP(氨再循環(huán)滲濾))。還可以提及酸消化或在酸性條件下的蒸汽爆破。
[0029]優(yōu)選步驟a)的預(yù)處理是酸消化或在酸性條件下的蒸汽爆破。
[0030]預(yù)處理的作用是通過破壞木質(zhì)纖維素基質(zhì)的結(jié)構(gòu)來使纖維素變得酶可利用。取決于所進(jìn)行的預(yù)處理，木質(zhì)素或半纖維素優(yōu)先被攻擊，或者二者同時(shí)被攻擊。
[0031]可以進(jìn)行用于調(diào)節(jié)pH或用于液化的另外的步驟，以有利于實(shí)施和所述方法的效力和特別是酶水解和乙醇發(fā)酵步驟的進(jìn)展。
[0032]纖維素向乙醇的轉(zhuǎn)化至少包括將纖維素酶水解成葡萄糖的步驟和將葡萄糖發(fā)酵成乙醇的步驟，這兩個(gè)步驟可以分別或同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)兩個(gè)步驟同時(shí)操作時(shí)，該方法稱作“SSF方法”。[0033]該水解步驟過程中所用的分解纖維素的和/或分解半纖維素的酶是通過屬于木霉屬、曲霉屬、青霉屬或裂褶菌屬的微生物或?qū)儆谒缶鷮俚膮捬蹙a(chǎn)生的。
[0034]該水解優(yōu)選在4-5.5的pH和40 V -60 V的溫度進(jìn)行。
[0035]步驟d)所進(jìn)行的乙醇發(fā)酵是使用酵母或其它產(chǎn)醇的微生物來進(jìn)行的。
[0036]用于己糖的乙醇發(fā)酵的步驟過程中所用的產(chǎn)醇的微生物優(yōu)選選自酵母和細(xì)菌，可能是基因修飾的。
[0037]當(dāng)該產(chǎn)醇的微生物是酵母時(shí)，釀酒酵母是性能最好的。還可以選擇酵母如粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)或葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)或糖化酵母(diastaticus)。更嗜熱的酵母，如脆壁克魯維酵母(Kluyveromyces fragilis)(現(xiàn)在經(jīng)常稱作K.marxianus),也是令人感興趣的,特別是當(dāng)同時(shí)進(jìn)行酶水解和乙醇發(fā)酵時(shí)(SSF方法)更是如此。
[0038]也可以使用基因修飾的有機(jī)體，例如釀酒酵母類型的酵母，如TMB 3400 (Ohgren等人，J.0f Biotechl26,488-498, 2006)。該酵母可以用于當(dāng)葡萄糖處于限定濃度時(shí),在己糖的乙醇發(fā)酵步驟過程中將一部分戊糖發(fā)酵成乙醇。
[0039]當(dāng)該產(chǎn)醇的微生物是細(xì)菌時(shí)，運(yùn)動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)是優(yōu)選的，因?yàn)樗哂杏行У耐窂健?br> [0040]己糖的乙醇發(fā)酵優(yōu)選在30°C -40°C的溫度和3-6.5的pH進(jìn)行。
[0041 ] 酵母，優(yōu)選釀酒酵母，是最優(yōu)選使用的微生物。它們是最有效的、安全的，并且不必消毒來進(jìn)行所述方法和管理其設(shè)備。
[0042]酵母屬酵母能夠僅發(fā)酵己糖(基本上是葡萄糖和甘露糖)。這些酵母以優(yōu)化的方式將己糖提質(zhì)成乙醇，并且可以用于達(dá)到0.46(w/w)-0.48(w/w)程度的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率，其接近于0.51(w/w)的最大理論產(chǎn)率。只有戊糖和少數(shù)微量的碳質(zhì)源沒有為這些酵母所用。
[0043]當(dāng)己糖的酶水解和乙醇發(fā)酵是在單個(gè)且相同的操作(SSF)中進(jìn)行時(shí)，該操作優(yōu)選在30°C -45°C的溫度和4-6的pH進(jìn)行。
[0044]在步驟el)過程中，將步驟d)中所產(chǎn)生的或在再循環(huán)來自戊糖的乙醇汁液之后在步驟d)中所存在的醇和/或溶劑凈化和分離。然后使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法，特別是蒸餾來分離它們。
[0045]在步驟e2)過程中，將含有不溶性殘留物的固體餅從含有未被產(chǎn)醇的微生物發(fā)酵的糖的釜熘物中分離。該釜熘物因此包含未發(fā)酵的戊糖。
[0046]步驟e2)可以在步驟c)和/或d)的下游進(jìn)行，并且可以任選地結(jié)合有清洗所述餅。清洗可以用于提高獲自水解(步驟c)的糖、在步驟d)過程中所產(chǎn)生的或由于所述再循環(huán)而存在的醇和/或溶劑和/或另外，沒有在步驟d)過程中被微生物發(fā)酵的糖的回收率。
[0047]在通過微生物(其更特定地發(fā)酵戊糖)對戊糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵的步驟f)過程中，釜熘物中所含的糖，特別是未發(fā)酵的戊糖，也被轉(zhuǎn)化成來自戊糖的乙醇汁液。
[0048]用于戊糖發(fā)酵的微生物可以是細(xì)菌、酵母或真菌。
[0049]可以提及的細(xì)菌包括“野生類型的”細(xì)菌，其屬于桿菌屬、擬桿菌屬、高溫厭氧桿菌屬(Thermoanaerobacter)或梭菌屬,和重組細(xì)菌,其中最令人感興趣的是大腸埃希氏菌、產(chǎn)酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)和運(yùn)動發(fā)酵單胞菌(Zymomonasmobilis)。
[0050]可以使用野生類型的細(xì)菌，如樹干畢赤酵母(Pichia stipites)、休哈塔假絲酵母(Candida shehatae)和嗜鞋管囊酵母(Pachysolen tannophilus),其被鑒別為最有效的。在文獻(xiàn)中提及的其它野生類型酵母的例子有高里假絲酵母(Candida guilliermondii)或熱帶假絲酵母。
[0051]可以選擇重組酵母,特別是釀酒酵母,例如Olsson and Hahn-Hagerdahl, 1996或Hahn-Hagerdahl 等人 2007 所述那些。
[0052]基因修飾的有機(jī)體例如釀酒酵母類型的酵母，如TMB3400 (Ohgren等人，2006)也可以用于將戊糖轉(zhuǎn)化成乙醇，前提是它們被供以受限條件下的葡萄糖以允許同化戊糖。
[0053]真菌也能夠產(chǎn)生乙醇，包括許多鐮刀菌，但是它們?nèi)慷季哂休^差的性能。
[0054]優(yōu)選使用選自畢赤酵母屬或假絲酵母屬的酵母。這些微生物比釀酒酵母類型的酵母更難以培育，因?yàn)樗鼈冃枰鮼懋a(chǎn)生可接受的性能(“微需氧”條件，F(xiàn)romanger等人，J.1nd.Microbiol.Biotechnol, 37,437-445, 2010)Hahn-ffiigerdal 等人，2007)。還已知的是這些戍糖發(fā)酵酵母對抑制改變性能的化合物敏感(Girio等人，Biores Technol, 101,4775-4800,2010)。
[0055]在本發(fā)明的方法中，這些戊糖發(fā)酵酵母有利地在已經(jīng)被己糖發(fā)酵酵母(如釀酒酵母)部分解毒的介質(zhì)中使用，所述己糖發(fā)酵酵母已知能減少特別是主要的醛(Ohgren等人，Applied Biochemistry and Biotechnology,第 121-124 卷，1055-1067 (2005) ;Klinke 等A, Appl Microbiol Biotechnol 66:10-26，2004)例如糠醛和 5-HMF。
[0056]這在以下情況中是特別有利的:獲自在酸條件下進(jìn)行的預(yù)處理(如蒸汽爆破(在硫酸或SO2存在下)或用稀酸(硫酸)消化)的木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物。這些預(yù)處理通常導(dǎo)致產(chǎn)生了呋喃的、酚的和有機(jī)酸的化合物，它們已知對于微生物是有毒的。
[0057]優(yōu)選發(fā)酵步驟f)中所用的菌`株是樹干畢赤酵母(Pichia stipites)或休哈塔假絲酵母(Candida shehatae)類型的菌株(welding)。
[0058]在一種實(shí)施方案中，在步驟f)過程中發(fā)酵的戊糖包含在釜熘物中。
[0059]優(yōu)選該釜熘物(其被送到戊糖的乙醇發(fā)酵步驟f))的糖濃度是30_90g/L的糖或可發(fā)酵產(chǎn)物。
[0060]如果在某一具體的實(shí)施方案中糖或可發(fā)酵產(chǎn)物的濃度不足，可以在將所述流送到發(fā)酵步驟f)之前在預(yù)處理步驟下游轉(zhuǎn)移它。這意味著將不溶性材料帶入到懸浮液中，并且導(dǎo)致戊糖和乙醇發(fā)酵中不使用的糖的富集。
[0061]在另外一種實(shí)施方案中，在步驟f)過程中發(fā)酵的戊糖可以在預(yù)處理結(jié)束時(shí)直接獲得。
[0062]在這種方法變體中，主要含戊糖的流被在預(yù)處理過程中直接提取并送往戊糖的乙醇發(fā)酵步驟。當(dāng)預(yù)處理是酸性的并且包含化學(xué)水解半纖維素的步驟時(shí)，這種變體是適用的。當(dāng)預(yù)處理是在酸條件下進(jìn)行的蒸汽爆破時(shí)，尤其適用。因此可以從預(yù)處理步驟出口處獲得戊糖汁，其可被轉(zhuǎn)化成溶劑如ABE，或如果它沒有被全部送到發(fā)酵步驟f)，則可以用于另一種應(yīng)用。這種可能性可以特別是用于增強(qiáng)預(yù)處理的植物材料(其經(jīng)歷己糖的酶水解和乙醇發(fā)酵(的干物質(zhì)含量，或者它甚至可以用于通過隨戊糖汁抽出至少一部分抑制劑來對該流進(jìn)行部分解毒。
[0063]根據(jù)又一種實(shí)施方案，當(dāng)預(yù)處理步驟是酸性的時(shí)，步驟f)中發(fā)酵的戊糖來源于釜熘物和在預(yù)處理步驟之后直接取出的流二者。[0064]優(yōu)選在來自戊糖的乙醇發(fā)酵步驟f)結(jié)束時(shí)乙醇的濃度是5_40g/L，優(yōu)選5_30g/L。
[0065]根據(jù)本發(fā)明，將至少一部分的該來自戊糖的乙醇汁液再循環(huán)到預(yù)處理步驟a)的下游。
[0066]已經(jīng)發(fā)酵了戊糖的微生物的失活是通過提高溫度或通過改變pH或通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其它技術(shù)來進(jìn)行的。改變PH是優(yōu)選的，因?yàn)樵陬A(yù)處理(步驟a)之后，可能必需為酶水解步驟(步驟b)校正pH。
[0067]根據(jù)一種實(shí)施方案，將離開戊糖乙醇發(fā)酵步驟的含有來自戊糖的乙醇汁液的流分成兩個(gè)流，一個(gè)再循環(huán)到預(yù)處理步驟下游。
[0068]另一個(gè)流可被送往水/溶劑分離步驟，然后也被再循環(huán)和返回到進(jìn)行提取步驟e)的反應(yīng)器。
[0069]根據(jù)另外一種實(shí)施方案，所述另一個(gè)流被用于其它應(yīng)用而不進(jìn)行再循環(huán)。
[0070]根據(jù)另外一種實(shí)施方案，含有獲自發(fā)酵步驟f)的來自戊糖的乙醇汁液的整個(gè)流被再循環(huán)到預(yù)處理步驟下游。在這種情況中，一部分獲自步驟e)的釜熘物被提取而不送到發(fā)酵步驟f)。該釜熘物中所含的糖可被獨(dú)立地提質(zhì)。
[0071]經(jīng)歷提取(步驟e)的來自己糖的和來自戊糖的乙醇汁液可以包含20_150g/L的乙醇。乙醇的濃度一方面取決于干物質(zhì)含量、酶水解和發(fā)酵步驟，另一方面取決于可能供應(yīng)的糖的任何補(bǔ)充?？梢韵蛩鼋橘|(zhì)中補(bǔ)充糖、蔗糖、甜菜或含淀粉的植物。
[0072]下面將參考附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0073]將基材經(jīng)由管線I引入到預(yù)處理反應(yīng)器2中。經(jīng)由管線3引入試劑和用具(utilities)，如進(jìn)行預(yù)處理所必需的蒸汽，和經(jīng)由管線4取出殘留物(冷凝物、黑液、釜熘物水等)。該流的再循環(huán)、再使用或處理是每種類型的預(yù)處理所固有的，在此不再贅述。
[0074]將預(yù)處理的基材經(jīng)由管線6取出。它優(yōu)選包含5%(w/v) -60%(w/v)的DM，更優(yōu)選15% (w/V) -60% (w/v)的 DM、進(jìn)一步更優(yōu)選 30% (w/v) -60% (w/v)的 DM。
[0075]由此，在圖1所示的實(shí)施方案中，經(jīng)由管線6所取出的預(yù)處理的基材包含固體形式(戊聚糖)或可溶形式的大部分戊糖。
[0076]在該方法的一種變體(其中預(yù)處理是酸類型的)中，，將主要含有戊糖的流5在預(yù)處理過程中直接抽出，并送往反應(yīng)器14(在其中進(jìn)行戊糖的乙醇發(fā)酵)。
[0077]根據(jù)另外一種未示出的變體中，一部分戊糖可以在流5中取出，而一部分戊糖在管線6中移動的預(yù)處理的基材中，在戊糖的乙醇發(fā)酵之前將這兩個(gè)流完全或部分混合。
[0078]反應(yīng)器7是其中進(jìn)行纖維素向乙醇的轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器。
[0079]選擇酶水解條件，主要是待水解的混合物的干物質(zhì)含量和酶的用量，使得在反應(yīng)器7中進(jìn)行步驟c)從而能夠以20%-99%的量、更特別是30%-95%的量溶解纖維素。獲得設(shè)想的DM水平所必需的水是經(jīng)由管線8加入的。期望的DM水平是5%(w/v) -45%(w/v)，優(yōu)選8%(w/v) -35 重量 ％。
[0080]該分解纖維素的和/或分解半纖維素的酶是經(jīng)由管線8a加入的。
[0081]用于己糖的乙醇發(fā)酵的微生物是經(jīng)由管線Sb引入的。
[0082]調(diào)節(jié)pH或液化所必需的添加劑是經(jīng)由管線Sc引入的。
[0083]在乙醇發(fā)酵步驟中所產(chǎn)生的醇和/或溶劑是在反應(yīng)器11中提取的。該醇和/或溶劑優(yōu)選是通過蒸餾，經(jīng)由管線12提取的。[0084]含有不溶性殘留物的餅是經(jīng)由管線9a和/或9b取出的。
[0085]在反應(yīng)器Ila中，分離乙醇和/或溶劑，并且經(jīng)由管線13取出釜熘物。
[0086]更具體地，在反應(yīng)器Ilb中，分離乙醇和/或溶劑和水來經(jīng)由管線12取出產(chǎn)物流。
[0087]因此，在反應(yīng)器7和11中進(jìn)行的步驟c)_e)的出口，獲得了:通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何手段取出的產(chǎn)物流12 (醇和/或溶劑)，液體殘留物13 (稱作釜熘物)，其含有未發(fā)酵的糖，特別是戊糖(木糖，樹膠醛糖)，或甚至痕量的己糖(例如半乳糖，最難以使用常規(guī)酵母進(jìn)行代謝的己糖)以及低聚物，和含有獲自初始基材的固體材料(固體殘留物)的固體餅，以及由于固/液分離裝置的局限而導(dǎo)致的液體級分。該固體殘留物部分地由未水解的纖維素和半纖維素，以及木質(zhì)素組成。
[0088]在戊糖乙醇發(fā)酵步驟中所用的微生物經(jīng)由管線15a引入反應(yīng)器14中，以與釜熘物(級分13)混合。正確進(jìn)行發(fā)酵所必需的用具和添加劑是經(jīng)由管線15b引入的。反應(yīng)器14可以是可滅菌的反應(yīng)器。排出發(fā)酵氣體。該反應(yīng)器中的PH可以根據(jù)需要來控制和調(diào)節(jié)。
[0089]經(jīng)由管線16離開反應(yīng)器14的流對應(yīng)于來自戊糖的乙醇汁液。分離微生物沒有作用。
[0090]進(jìn)入反應(yīng)器用于己糖水解和/或發(fā)酵的含水流包含5_40g/L的乙醇。
[0091]根據(jù)圖1所示的實(shí)施方案，將離開戊糖乙醇發(fā)酵步驟的流16分成兩個(gè)流。流16a被再循環(huán)到預(yù)處理步驟下游。
[0092]流16b可被送往反應(yīng)器17中的水/溶劑分離步驟，然后也被經(jīng)由管線18再循環(huán)和返回分離反應(yīng)器lib。
[0093]根據(jù)另外一種實(shí) 施方案中，將流16b沒有再循環(huán)地用于其它應(yīng)用。
[0094]在圖2所示的實(shí)施方案中，離開戊糖乙醇發(fā)酵反應(yīng)器的所有流16被再循環(huán)到預(yù)處理步驟下游。未被送往發(fā)酵步驟f)的多余的釜熘物部分是經(jīng)由管線19取出的。包含在該釜熘物中的糖可以獨(dú)立地提質(zhì)。
[0095]因?yàn)楸景l(fā)明的方法，在單個(gè)提取步驟上的節(jié)約是顯著的。如以下實(shí)施例所示，它可以聞至40%。
實(shí)施例
[0096]以下實(shí)施例說明了本發(fā)明，而絕不限制它的范圍。
[0097]實(shí)施例1 (非本發(fā)明)
考慮一種由C6糖(己糖)和C5糖(戊糖)發(fā)酵開始的生產(chǎn)乙醇的方法。
[0098]所用基材是在酸性條件下預(yù)處理的稻草。然后中和該預(yù)處理的基材和引入到反應(yīng)器中，用于通過酶水解以及葡萄糖和甘露糖(含有6個(gè)碳原子的糖)的發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇。
[0099]該方法處理了 52噸/小時(shí)的糊(基于干物質(zhì))。干材料的組成如下:
纖維素(%) 141.7%
木聚糖(%) 2^2%
甘露聚糖(%廠0%
木質(zhì)素(%) 23.2%
Wt (%) \9.9%
[0100]在預(yù)處理過程中，纖維素和半纖維素?fù)p失分別是5%和10%的程度。在預(yù)處理的出口，干物質(zhì)含量是35% (w/v)。[0101]用于將C6和C5糖轉(zhuǎn)化成乙醇的方法包含以下步驟:酶水解，C6糖的乙醇發(fā)酵，將固體殘留物與汁液分離，乙醇蒸餾，釜熘物餾分的乙醇發(fā)酵，然后乙醇蒸餾。兩個(gè)乙醇蒸餾步驟可以合并，這意味著僅僅需要單個(gè)乙醇精餾塔。
[0102]酶水解是在pH 5運(yùn)行的，并且入口流含有11.8%的干物質(zhì)。在所選擇的水解條件下，95%的糖聚合物被溶解成單體。
[0103]該甜汁然后被送往乙醇發(fā)酵，在這里90%的糖類葡萄糖和甘露糖被通過釀酒酵母轉(zhuǎn)化成乙醇。
[0104]將汁液送去離心分離，以分離固體相和液體相。
[0105]然后將液體相送去蒸餾。頂部產(chǎn)物主要包含乙醇級分；底部產(chǎn)物包含釜熘物(水、戊糖和仍然存在的固體的混合物)。
[0106]將該釜熘物送往用樹干畢赤酵母(Pichia stipites)種的酵母進(jìn)行的乙醇發(fā)酵步驟。戊糖分別被轉(zhuǎn)化成乙醇、副產(chǎn)物和微生物，它們的摩爾量分別是74.4%,24.5%和1.1%。
[0107]在不存在再循環(huán)時(shí)，將從蒸餾頂部回收的乙醇餾分送往精餾塔，以提供共沸的乙醇-水混合物。
[0108]將獲自戊糖乙醇發(fā)酵的產(chǎn)物送往蒸餾塔，以分離出水，然后送到精餾塔(其可以與獲自己糖發(fā)酵的乙醇所用的為同一個(gè))，以產(chǎn)生共沸的乙醇-水混合物。
[0109]對于這種方法布置，乙醇產(chǎn)量是14.6 t/h。
[0110]該方法的整體能耗是34.6MW,其對應(yīng)于8.55 MJ/kg所產(chǎn)生溶劑的平均消耗。
`[0111]實(shí)施例2
實(shí)施例2的前提與實(shí)施例1相同，除了將來自戊糖的發(fā)酵流再循環(huán)到所述方法的兩個(gè)點(diǎn)之外。
[0112]第一再循環(huán)，占該流的71%，被送到酶水解的上游；其余的被送到用于分離汁液和乙醇的公共位置。在酶水解階段，補(bǔ)充水補(bǔ)充量是O。
[0113]將在汁液蒸餾塔頂部回收的乙醇級分送往精餾塔，以分離出水和乙醇(共沸的乙醇-水混合物)。
[0114]對于這種方法布置，乙醇產(chǎn)量是14.46 t/h ο
[0115]該方法的整體能耗是30.3MW,其對應(yīng)于7.55 MJ/kg所產(chǎn)生溶劑的平均消耗。
[0116]根據(jù)本發(fā)明，此使用具有兩個(gè)乙醇再循環(huán)的布置的實(shí)施例可以用于獲得與實(shí)施例1相比12%的能量節(jié)約(MJ/kg所產(chǎn)生的溶劑)。
[0117]實(shí)施例3
實(shí)施例3的前提與實(shí)施例1相同，不同在于來自戊糖的發(fā)酵流被部分再循環(huán)到酶水解上游。該流的未再循環(huán)的部分被用于其它應(yīng)用。
[0118]該再循環(huán)，占該流的71%，被送到酶水解的上游。在酶水解階段，補(bǔ)充水補(bǔ)充量是O0
[0119]將在汁液蒸餾塔頂部回收的乙醇餾分送到精餾塔，以分離出水和乙醇(共沸的乙醇-水混合物)。
[0120]對于這種方法布置，乙醇產(chǎn)量是13.llt/h。
[0121]該方法的整體能耗是27.1麗，其對應(yīng)于7.46 MJ/kg所產(chǎn)生溶劑的平均消耗。
[0122]在這種構(gòu)造中，該方法所需的裝置量減少了一個(gè)蒸餾塔。[0123] 對于此實(shí)施例，該具有獲自戊糖發(fā)酵的乙醇再循環(huán)的布置可以用于獲得與實(shí)施例1相比13%的能量節(jié)約(MJ/kg所產(chǎn)生的溶劑)。
【權(quán)利要求】
1.一種由纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)來生產(chǎn)醇和/或溶劑的方法，其包括至少以下步驟: a)熱化學(xué)預(yù)處理纖維素或木質(zhì)纖維素基材的步驟； b)清洗預(yù)處理的基材和調(diào)節(jié)pH的任選步驟； c)使用分解纖維素的和/或分解半纖維素的酶來酶水解所述預(yù)處理的基材，產(chǎn)生水解產(chǎn)物和水不溶性殘留物的步驟，其中所述預(yù)處理的基材任選地是清洗過的； d)將獲自步驟(C)的水解產(chǎn)物中所含的己糖通過產(chǎn)醇的微生物來乙醇發(fā)酵成乙醇和獲得來自己糖的乙醇汁液的步驟； e)提取步驟，該步驟包括: el)分離和凈化獲自步驟d)的乙醇和/或溶劑； e2)分離含有所述不溶性殘留物的固體餅和獲得釜熘物； f)將獲自前述步驟之一的流中的至少一種中所含的戊糖用戊糖-發(fā)酵微生物來乙醇發(fā)酵和獲得來自戊糖的乙醇汁液的步驟； 其中在步驟f)中所獲得的所述來自戊糖的乙醇汁液中的至少一部分被再循環(huán)到所述酶水解和/或醇發(fā)酵步驟中的至少一個(gè)的上游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，在其中在步驟f)過程中發(fā)酵的戊糖包含在所述釜熘物中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)處理是酸類型的，且在步驟f)過程中發(fā)酵的戊糖來源于在預(yù)處理步驟后直接取出的流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的方法，其中當(dāng)預(yù)處理步驟是酸性的時(shí)，在步驟f)中發(fā)酵的戊糖來源于所述釜熘物和在預(yù)處理步驟后直接取出的流二者。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中步驟f)所用的菌株是樹干畢赤酵母或休哈塔假絲酵母類型的菌株。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中所述酶水解步驟和乙醇發(fā)酵步驟是在30 0C -45 °C的溫度和4-6的pH同時(shí)進(jìn)行的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中餅分離步驟e2)是在步驟c)和/或d)下游進(jìn)行的，并且任選地結(jié)合有清洗所述餅。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中送往發(fā)酵步驟f)的釜熘物的糖濃度為30-90g/L的糖或可發(fā)酵產(chǎn)物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一的方法，其中在送往戊糖發(fā)酵步驟f)之前，將釜熘物送到預(yù)處理步驟下游。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中將步驟e2)中所獲得的全部釜熘物送往戊糖乙醇發(fā)酵步驟，并且將沒有再循環(huán)到預(yù)處理步驟下游的那部分含有來自戊糖的乙醇汁液的流送往水/溶劑分離步驟，然后再送往提取步驟e)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一的方法，其中僅僅一部分釜熘物被送往戊糖乙醇發(fā)酵步驟。
【文檔編號】C12P7/14GK103492580SQ201280018399
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月14日
【發(fā)明者】M.羅帕爾, C.艾馬爾, R.達(dá)斯蒂隆, S.梅尼 申請人:Ifp 新能源公司