一般地，各種生物質(zhì)源的組合物在解剖體和結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出很大的異質(zhì)性，但是它們還表現(xiàn)出一定程度的不變性，也就是存在三種主要的大分子化合物，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。

纖維素是線型葡萄糖聚合物，和因此是發(fā)酵性糖的潛在來源；半纖維素是雜聚物，其最具代表的單體是包含五個碳原子的C5糖(木糖，阿拉伯糖)和易被多種微生物代謝；而木質(zhì)素是復(fù)雜的三維雜聚物，其天然降解是長且復(fù)雜的過程，且至今被認(rèn)為希望從中通過水解得到任何工業(yè)生產(chǎn)過程是不現(xiàn)實的。

木質(zhì)纖維素的特異性要求，特別是出于例如由上述發(fā)酵性糖生產(chǎn)乙醇的目的，進(jìn)行預(yù)處理以解決使纖維素可接近旨在特別是溶解半纖維素和木質(zhì)素的酶試劑的問題。

本申請人CIMV是專門從事處理和開發(fā)木質(zhì)纖維素植物原材料的公司。

就此而言，本申請人已提交且是涉及用于通過在甲酸/乙酸介質(zhì)中分餾木質(zhì)纖維素植物材料生產(chǎn)紙漿、木質(zhì)素、糖和乙酸的方法(WO-A1-00/68494)的各種專利申請和專利的所有人。

本申請人還是涉及用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素植物材料以生產(chǎn)生物乙醇的方法(WO-A2-2010/006840)的專利申請和/或?qū)＠乃腥恕?/p>

這樣的預(yù)處理過程特別地可使得在經(jīng)濟(jì)工業(yè)條件下由木質(zhì)纖維素植物原材料(MPVL)首先獲得表現(xiàn)出用于其隨后酶水解的最佳條件的基本上由脫纖維的纖維素構(gòu)成的基質(zhì)，和由源自半纖維素的甘蔗糖蜜構(gòu)成的第二基質(zhì)，其水解產(chǎn)物不含糠醛。

因此，本申請人已經(jīng)提出用于由木質(zhì)纖維素植物原材料生產(chǎn)生物乙醇的方法，其包括預(yù)處理MPVL、酶水解經(jīng)預(yù)處理的材料和酒精發(fā)酵由水解步驟所得的產(chǎn)物的連續(xù)步驟。

本申請人特別提出用于由木質(zhì)纖維素植物原材料生產(chǎn)生物乙醇的方法，其包括以下的連續(xù)步驟：

-a)預(yù)處理木質(zhì)纖維素植物原材料以便分離包含在該木質(zhì)纖維素植物原材料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，所述預(yù)處理包括以下的連續(xù)步驟：

·(i)通過在包含甲酸、乙酸和水的混合物的存在下將木質(zhì)纖維素植物原材料置于在95℃和110℃之間的反應(yīng)溫度下而使木質(zhì)纖維素植物原材料解構(gòu)；

·(ii)然后，在大氣壓力下和在任何水解然后發(fā)酵作用之前分離：

*一方面，基本由所述纖維素(C6糖)組成的固體相，其能夠然后被水解和發(fā)酵用于生產(chǎn)乙醇；

*和另一個方面，特別是在含水溶液中包含甲酸、乙酸、木質(zhì)素和半纖維素(C5糖)的液體相；

-b)酶水解所述固體相；

-c)酒精發(fā)酵由所述水解步驟所得的產(chǎn)物，其能夠被發(fā)酵用于生產(chǎn)乙醇。

該方法特別詳細(xì)地描述于文獻(xiàn)EP-2235254(WO-A1-2009/0927498)中。

該方法提出完全不同于現(xiàn)有技術(shù)的方法，其通過在酸/水介質(zhì)中溶劑分解來分離三種生物聚合物，這可在纖維素和半纖維素的水解然后發(fā)酵的任何作用之前，分離具有高附加值的線型、非重組、低分子量的木質(zhì)素。

該方法可獲得工業(yè)性能水平，而不管所使用的植物的性質(zhì)，和因此在用于打開新開發(fā)的一年生植物的情況下，特別地在谷物秸稈和甘蔗渣或糖高粱渣的情況下是特別有利的，所述開發(fā)加入由本申請人在涉及用于通過在甲酸/乙酸介質(zhì)中分餾木質(zhì)纖維素植物材料生產(chǎn)紙漿、木質(zhì)素、糖和乙酸的方法的國際申請WO-A1-00/68494中已經(jīng)提出的那些。

例如，通過CIMV“精煉”方法源自植物材料(例如源自麥稈)的纖維素的量和在酶水解之后存在的聚葡糖的量如下:

-CIMV方法的纖維素級分產(chǎn)率：包含88wt％的纖維素的生物質(zhì)(谷物秸稈情況)的48wt％，即生物質(zhì)的42wt％(以重量計)；

-葡萄糖產(chǎn)率：生物質(zhì)的44％(重量比)；

-纖維素醇產(chǎn)率：生物質(zhì)的21％(重量比)。

通過CIMV精煉方法分離的包含半纖維素的物流表示大約20％的發(fā)酵性糖的潛力。

這些發(fā)明(CIMV方法)旨在改進(jìn)由MPVL生產(chǎn)乙醇，和特別是水解纖維素以產(chǎn)生發(fā)酵性糖的工業(yè)條件。

通常和以已知的方式，由MPVL生產(chǎn)乙醇的方法考慮數(shù)個參數(shù)。

在這些參數(shù)中，特別確定木質(zhì)素可以是酶的抑制劑和需要預(yù)處理木質(zhì)纖維素基體以便使得纖維素和半纖維素水解。

由于它們的化學(xué)組成，木質(zhì)素聚合物具有不溶性和高度反應(yīng)性。

因此，木質(zhì)素的存在加強了纖維素-半纖維素網(wǎng)絡(luò)，和它們阻礙酶的滲透和作用，要求水的存在。

當(dāng)與化學(xué)水解比較時，由于各種原因，特別地因為經(jīng)濟(jì)評估的結(jié)果有利于酶水解，酶水解纖維素是獲得發(fā)酵性糖的推薦方法。

此外，酶水解產(chǎn)生少量待處理的流出物和沒有腐蝕問題。

實際的酶水解通過使經(jīng)預(yù)處理的植物原材料與酶溶液簡單接觸來進(jìn)行，同時確保懸浮液均勻和維持最佳條件，所述條件例如對于T.reesei纖維素酶為在45℃和50℃之間的溫度和約4.8的pH。

酶作用時間取決于所用酶的量和取決于酶的特定活性。

在酶水解過程中，還原糖基本上以葡萄糖的形式釋放。

纖維素降解中涉及的酶，通常稱為纖維素酶，為各種類型和具有各種來源和它們的特征特別是它們的活性。

纖維素酶的成本相對高和構(gòu)成通常被評為由MPVL生產(chǎn)生物乙醇中最貴的要素。

因此，已進(jìn)行了大量的努力來確定酶水解的機理以改進(jìn)它，它是可溶性蛋白對不溶性和“耐火”基質(zhì)的作用的復(fù)雜的過程。

酶水解過程的效率和盈利性的另一參數(shù)為水解時間，它可以相對長，為48-72小時。

為了改進(jìn)酶水解纖維素的效率，本申請人CIMV已在文獻(xiàn)WO-A2-2012/049054中提出了用于生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于它包括在酶水解纖維素的步驟之前部分去除木質(zhì)素的步驟以獲得木質(zhì)素的殘余整體水平，其表示為重量百分比(wt％)，它為非零且包括在由分別等于0.30％和4％的下限和上限確定的范圍內(nèi)。該方法的總效率相似或基本上等于由MPVL生產(chǎn)理論最大水平的乙醇，此外，無論整個方法根據(jù)該方法首先使用酶水解步驟和然后發(fā)酵步驟，還是同時進(jìn)行水解和發(fā)酵(SSF方法)，該效率相同。

這樣的相同效率是由于根據(jù)該方法的酶水解纖維素不能產(chǎn)生發(fā)酵抑制劑的事實。此外，顯示出該方法的優(yōu)點(整體木質(zhì)素水平和特定再酸化條件)未改變，即具有相同性質(zhì)和具有相同值，無論所用的纖維素酶，和無論是否涉及更低或更高效率的纖維素酶。

當(dāng)通過酶水解將纖維素水解為葡萄糖時，葡萄糖以與例如由淀粉所得的葡萄糖一樣的方式進(jìn)行發(fā)酵。

使用MPVL作為初始基質(zhì)所特定的已知問題依然存在，例如可能存在由半纖維素和木質(zhì)素所得的有毒的化合物和抑制劑，和還可能在單一步驟中進(jìn)行酶水解和發(fā)酵。

水解產(chǎn)物中存在的抑制劑源自糖的降解(至糠醛)，所述糖存在于半纖維素和來自木質(zhì)素。

抑制劑的存在取決于MPVL的性質(zhì)和其預(yù)處理的條件。

除了由糠醛抑制酶以外，注意到各種抑制劑的組合效果。

已提出了根據(jù)稱為SSF(同時糖化和發(fā)酵)的方法在相同反應(yīng)器中同時實施水解和發(fā)酵操作，所述方法的第一優(yōu)點看上去是顯著的，因為它要求單一設(shè)備，但是所述方法要求使用酶和酵母在相同物理化學(xué)環(huán)境中工作。

然而，它們的最佳溫度相對離得很遠(yuǎn)(對于酵母30℃和對于纖維素酶50℃)。

因此，SSF的發(fā)展需要能夠在高很多的溫度下發(fā)酵的酵母菌株的發(fā)展。

就根據(jù)“SSF”(“同時糖化和發(fā)酵”)方法(其包括在單一步驟中進(jìn)行酶水解和乙醇發(fā)酵)同時進(jìn)行發(fā)酵和水解而言，它的主要優(yōu)點在于通過消除預(yù)先進(jìn)行酶水解所需的操作的投資降低，和不存在由葡萄糖的纖維素酶抑制，所述葡萄糖在它出現(xiàn)時被發(fā)酵性微生物消耗。

這導(dǎo)致整體乙醇生產(chǎn)力和水解的水平和速率的提高。

此外，降低了富含葡萄糖的水解產(chǎn)物的微生物污染的風(fēng)險。

然而，顯而易見的是由SSF方法提供的獲益，特別是從經(jīng)濟(jì)角度來看，要求某些方面需要被優(yōu)化，特別是初始固體濃度，以獲得高濃度的乙醇。

根據(jù)共發(fā)酵的另一概念，可以提出在單一步驟中組合由預(yù)處理所得的C5糖與酶水解產(chǎn)生的C6糖的糖化和共發(fā)酵。

然而，這樣的SSCF(同時糖化和共發(fā)酵)方法要求廢除這樣的機理，其中幾乎所有的微生物處于適當(dāng)位置以便在糖的混合物的存在下在其它糖同化之前系統(tǒng)地促進(jìn)葡萄糖同化。

因此，從現(xiàn)有技術(shù)已知的各種選項的可能組合自然出現(xiàn)了兩種不同的工業(yè)工藝方案。

第一方案提供了在預(yù)處理步驟結(jié)束時分離C5糖，該C5糖物流單獨發(fā)酵和它可用于任選用于生產(chǎn)纖維素酶的一種級分，它可用于由預(yù)處理所得的待被SSF方法處理的不溶性級分(纖維素+木質(zhì)素)。

第二方案顯然更簡單，基于SSCF，要求能夠同時發(fā)酵C5和C6糖并恰好具有相同效率的微生物(或微生物的混合物)的可用性。

這是因為代謝速率的不同使得需要延長發(fā)酵直到代謝最慢的糖耗盡，由此導(dǎo)致用于生產(chǎn)、特別是用于在生物乙醇生產(chǎn)的情況下發(fā)酵的整個工業(yè)設(shè)備使用不足。

為了在所述方法的可行性和盈利性方面采取決定性步驟，本發(fā)明以已知的方式提出了新的方法，其基于第一預(yù)處理部分導(dǎo)致纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分離，和然后驚奇地順序水解C6和C5多糖，導(dǎo)致獲得最終水解產(chǎn)物(或共水解產(chǎn)物)，其特別地根據(jù)所用的酵母特別地能夠被發(fā)酵用于生產(chǎn)生物乙醇或任何其它產(chǎn)物。

出于該目的，本發(fā)明提出了用于由木質(zhì)纖維素植物原材料(MPVL)生產(chǎn)產(chǎn)物如生物乙醇的方法，其包括以下步驟：

-a)預(yù)處理木質(zhì)纖維素植物原材料以便分離包含在該木質(zhì)纖維素植物原材料中的纖維素(C6)、半纖維素(C5)和木質(zhì)素，所述預(yù)處理包括以下的連續(xù)步驟：使木質(zhì)纖維素植物原材料解構(gòu)，然后分離一方面能夠然后被水解(和發(fā)酵用于生產(chǎn)生物乙醇)的纖維素(C6)和另一個方面能夠然后被水解的半纖維素(C5低聚糖)；

-b)酶水解纖維素(C6)；

-c)酶水解半纖維素(C5)；

其特征在于水解纖維素和水解半纖維素根據(jù)以下的連續(xù)步驟以順序方式進(jìn)行：

-i)通過至少一種酶(纖維素酶)開始酶水解纖維素(C6)達(dá)第一時間(T1)以獲得中間水解產(chǎn)物；

-ii)將半纖維素(C5)加入所述中間水解產(chǎn)物；

-iii)繼續(xù)酶水解混合物直到在酶水解的總時間(T2)結(jié)束時獲得最終水解產(chǎn)物。

例如，對于一公噸的構(gòu)成木質(zhì)纖維素植物原材料的秸稈，根據(jù)本發(fā)明的方法可使得增加大約20％的所產(chǎn)生乙醇的量。

因此，可以清楚地看到，以順序和受控方式“組合”由生物質(zhì)精煉所得的兩種初始不同物流的優(yōu)點，同時提高總產(chǎn)率和消除單獨處理兩種糖物流的生產(chǎn)單元的操作成本和設(shè)備的一部分。

有利地，和特別是為了能夠容易實施該方法，通過免除粘度問題同時加工具有高固體含量的纖維素，所述酶水解纖維素的步驟i)包括以下：

i1)將所述至少一種第一酶引入反應(yīng)器；

i2)添加纖維素的第一部分直到獲得固體(MS)含量在10wt％和15wt％之間的混合物；

i3)使混合物水解在六小時和十五小時之間的時間；

i4)在數(shù)個步驟中添加纖維素的剩余部分以獲得在20wt％和25wt％之間的最終固體(MS)含量。

根據(jù)所用的酶或酶的混合物，所述酶水解纖維素的第一時間(T1)在二十小時和四十小時之間。

所述酶水解纖維素的第一步驟i)例如在45℃和55℃之間的溫度下進(jìn)行。

纖維素的固體含量在10wt％和25wt％之間。

纖維素的固體含量優(yōu)選大于20wt％。

在引入所有待水解的纖維素之后，所述添加半纖維素的步驟ii)在單一步驟中進(jìn)行。

所述添加半纖維素的步驟ii)還包括同時添加特別能夠水解半纖維素的另一酶。

所述包括繼續(xù)酶水解的步驟iii)在45℃和55℃之間的溫度下進(jìn)行。

半纖維素的固體含量在20wt％和35wt％之間。

順序酶水解纖維素和順序酶水解半纖維素的總時間(T2)在四十八小時和七十二小時之間。

所述至少一種酶為能夠水解纖維素的酶，特別是纖維素酶，例如，Cellic CTec^TM加Htec^TM(來自Novozyme)或CMAX^TM(來自Dyadic)。

所述至少一種酶為能夠水解纖維素和半纖維素的酶的混合物，例如，Cellic CTec^TM加Htec^TM(來自Novozyme)或CMAX^TM(來自Dyadic)。

所述其它酶為能夠水解半纖維素的酶，例如，Cellic Htec^TM(來自Novozyme)或CMAX^TM(來自Dyadic)。

該方法包括在所述將半纖維素(C5)加入所述中間水解產(chǎn)物的步驟ii)之前從包含半纖維素的相至少部分去除木質(zhì)素的步驟。

根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下的連續(xù)步驟：

·(j)通過在包含甲酸、乙酸和水的混合物的存在下將木質(zhì)纖維素植物原材料置于在95℃和110℃之間的反應(yīng)溫度下而使木質(zhì)纖維素植物原材料解構(gòu)；

·(jj)然后，在大氣壓力下和在任何水解作用之前分離：

*一方面，基本由所述纖維素組成的固體相，其構(gòu)成能夠然后被水解的第一共基質(zhì)；和

*另一個方面，特別是在含水溶液中包含甲酸、乙酸、木質(zhì)素和半纖維素的液體相，其構(gòu)成能夠在分離酸和分離木質(zhì)素之后然后被水解的第二共基質(zhì)。

對于生產(chǎn)生物乙醇，該方法包括酒精發(fā)酵最終水解產(chǎn)物的額外步驟。

如上所述，例如，對于一公噸的構(gòu)成木質(zhì)纖維素植物原材料的秸稈，根據(jù)本發(fā)明的方法可使得增加大約20％的所產(chǎn)生乙醇的量。

通過水解C6和C5糖的兩種物流，可以移動包含在兩種物流中的糖和獲得滿意的發(fā)酵產(chǎn)率。

研究了移動這些C6和C5糖的數(shù)種可能性：

a)水解和發(fā)酵經(jīng)分離的C6和C5物流或流；

b)單獨水解兩種C6和C5物流，之后共發(fā)酵兩種共水解產(chǎn)物；

c)共水解C6和C5物流，和發(fā)酵共水解產(chǎn)物。

a)水解纖維素+發(fā)酵纖維素，水解和發(fā)酵C5低聚糖(糖汁)+發(fā)酵木糖。

a-i)在高濃度(高于20％)下水解和發(fā)酵纖維素至乙醇:

-水解，具有95％的產(chǎn)率

-以0.48的轉(zhuǎn)化率將葡萄糖發(fā)酵至乙醇。

因此，達(dá)到每kg生物質(zhì)總共0.21kg乙醇。

a-ii)水解和發(fā)酵C5糖漿：包含在糖汁中的低聚糖的水解可以以小于20％的干物質(zhì)進(jìn)行；低聚糖水解產(chǎn)率低于50％：參見圖1。

但是該C5糖物流的發(fā)酵不具有發(fā)酵性或具有差的發(fā)酵性。

事實上，發(fā)酵該物流需要包括層析純化步驟，這使得除去部分的酵母抑制劑。在沒有這樣的純化的情況下，糖漿不具有發(fā)酵性。

在這種情況下，這意味著可以產(chǎn)生的乙醇的量為由纖維素級分獲得的乙醇的量，即為生物質(zhì)的21wt％。

因此，達(dá)到每kg生物質(zhì)總共0.21kg乙醇。

b)在對于每種20％的干物質(zhì)(MS)的濃度下單獨水解兩種物流和共發(fā)酵:

在這種情況下，產(chǎn)生乙醇的量以及乙醇濃度相對低。

因此，達(dá)到每kg生物質(zhì)總共0.24kg乙醇。

c)共水解和共發(fā)酵C6和C5的共水解產(chǎn)物:

在共水解的情況下，可以以大于22％的濃度使用糖汁(C5)，以獲得最濃縮的可能共水解產(chǎn)物；由此在共水解之后獲得的發(fā)酵性糖的量(重量比為65/35)高于180g/升和乙醇產(chǎn)率為約0.47-0.48g/l。

參見圖2。

因此，達(dá)到每kg生物質(zhì)總共0.265kg乙醇，即所產(chǎn)生乙醇的量的大于20％的增加。