專利名稱：加工青貯生物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在廣義上涉及用于生產(chǎn)生物乙醇或其他發(fā)酵產(chǎn)物的加工青貯生物質(zhì)的方法，并且具體而言涉及無(wú)需昂貴預(yù)處理(例如，熱或化學(xué)預(yù)處理)的方法。
背景技術(shù)：
生物乙醇為化石燃料提供了很有前景的替代物，提供了不會(huì)造成溫室效應(yīng)的可再生且“碳中和(carbon neutral) ”能源。在生物乙醇前體的其他可能來(lái)源中，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可被酶法水解而提供可發(fā)酵的糖。然而，由于木質(zhì)纖維素復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，只有在對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行一些使得纖維素纖維易于被酶催化的預(yù)處理后才能利用現(xiàn)在已知的酶活性將其有效地水解。這樣的預(yù)處理過(guò)程一般包括將生物質(zhì)加熱至高溫(100-25(TC )或加入化學(xué)物質(zhì)。由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)生物乙醇或其他發(fā)酵產(chǎn)物需要大規(guī)模的預(yù)處理和加工。因此，在生產(chǎn)規(guī)模上降低成本或者提高生物乙醇的商業(yè)可行性的生物質(zhì)加工方法受到越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)木質(zhì)纖維素生物乙醇的整體生產(chǎn)成本有重大影響的兩個(gè)因素是預(yù)處理和纖維素酶成本。因此，提供降低能源成本的加工方法和改善纖維素酶效能的水解方法是有利的。近來(lái)有報(bào)道稱青貯生物質(zhì)可為生物乙醇生產(chǎn)提供很有前景的原料。青貯主要被用作一種保藏植物材料作為動(dòng)物飼料的方法。青貯物一般包括完整的采收作物(包含莖、 葉和富含淀粉的谷粒)，所述完整的采收作物可被切割、壓縮并在無(wú)氧條件貯存在例如地窖中。在青貯早期，自然存在的微生物的生長(zhǎng)耗盡氧氣并將可溶性糖轉(zhuǎn)化為酸，從而降低PH。 在大約3-5周后，青貯生物質(zhì)中的pH和乳酸濃度變得恒定并且所述青貯物可被貯存直至使用。青貯會(huì)抑制其他微生物的有害生長(zhǎng)，所述其他微生物可分解多糖并且降解綜纖維素。青貯生物質(zhì)包含淀粉成分和木質(zhì)纖維素成分，所述淀粉成分可被相對(duì)便宜的淀粉酶降解，所述木質(zhì)纖維素成分只能被纖維素酶降解。在本文中，發(fā)明人出人意料之外地報(bào)道，從不經(jīng)耗能預(yù)處理而通過(guò)直接酶法處理水解的青貯生物質(zhì)可獲得合理的乙醇產(chǎn)量。可從初始酶法水解和/或SSF中回收所述青貯生物質(zhì)的未水解組分，并且隨后對(duì)其進(jìn)行熱預(yù)處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了在生物乙醇生產(chǎn)中節(jié)能且節(jié)約成本的加工青貯生物質(zhì)方法。將青貯生物質(zhì)不經(jīng)預(yù)處理而使用淀粉酶，以及任選的淀粉酶和纖維素酶活性的結(jié)合物直接酶法水解?？蓮某跏济阜ㄌ幚碇谢厥账銮噘A生物質(zhì)的未水解組分，并且隨后對(duì)其進(jìn)行熱預(yù)處理。


圖1顯示了對(duì)未經(jīng)熱預(yù)處理的青貯生物質(zhì)的酶法處理和SSF中葡聚糖的轉(zhuǎn)化率百分比。顯示了用4種不同的酶/酶混合物對(duì)未經(jīng)處理的玉米青貯物的預(yù)水解和SSF過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率百分比，所述四種酶/酶混合物是3. 5g/kg淀粉酶(A)、7FPU/g DM纖維素酶(C)、7FPU/g DM纖維素酶和3.5g/kg淀粉酶(A+C)以及半劑量的淀粉酶和纖維素酶——1. 75g/ kg淀粉酶和3. 5FPU/g DM纖維素酶(1/2A+1/2C)。圖2顯示了在對(duì)經(jīng)熱預(yù)處理的青貯生物質(zhì)的酶處理和SSF中葡聚糖的轉(zhuǎn)化百分比。顯示了用4種不同的酶/酶混合物對(duì)經(jīng)預(yù)處理的玉米青貯物的預(yù)水解和SSF過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率百分比，所述四種酶/酶混合物是3. 5g/kg淀粉酶(A)、7FPU/g DM纖維素酶(C)、 7FPU/g DM纖維素酶和3.5g/kg淀粉酶(A+C)以及半劑量的淀粉酶和纖維素酶——1. 75g/ kg淀粉酶和3. 5FPU/g DM纖維素酶(1/2A+1/2C)。圖3顯示了加工青貯生物質(zhì)的路線。
具體實(shí)施例方式本文使用的下列術(shù)語(yǔ)具有以下含義(i).青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是指完整作物或基本完整的作物，包括莖、稈和/或葉以及富含淀粉的谷粒的任意混合物，其中全部碳水化合物成分包括大量的纖維素和半纖維素組分，并且其中全部木質(zhì)素含量為5%或更多。通過(guò)在無(wú)氧條件下貯存至少3周的時(shí)間將所述生物質(zhì)“青貯”。(ii).酶法水解酶法水解是指用酶活性以如下方式處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)將纖維素和/或淀粉成分轉(zhuǎn)化為糖。酶法水解可使用淀粉酶、纖維素酶、其他酶或它們的混合物進(jìn)行。(iii).預(yù)處理。預(yù)處理是指對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的操作，所述操作使得它的纖維素組分更易受將碳水化合物轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的酶影響。預(yù)處理可以是熱預(yù)處理或化學(xué)預(yù)處理。熱預(yù)處理是指將生物質(zhì)加熱至100°c或更高溫度的預(yù)處理?；瘜W(xué)預(yù)處理是指這樣的預(yù)處理，即使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)暴露于所添加的化學(xué)物質(zhì)(例如酸或堿)，直至劇烈度(severity)相當(dāng)于加熱至100°C并維持10分鐘時(shí)所達(dá)到的劇烈度。術(shù)語(yǔ)“任何預(yù)處理之前”僅指加工步驟的順序并且不排除隨后的預(yù)處理。預(yù)處理不指青貯本身或者在青貯時(shí)引入所述生物質(zhì)的任何防腐劑、細(xì)菌、酶或其他添加劑。(iv).淀粉酶淀粉酶是指包含α -淀粉酶(1，4- α -D-葡聚糖葡聚糖水解酶，巡3. 2. 1. 1)活性的任何酶制劑。還包含β-淀粉酶(1，4-α-D-葡聚糖麥芽糖水解酶巡3. 2. 1. 2)和/或 Y-淀粉酶(葡聚糖1，4-α-葡萄糖苷酶或“葡萄糖淀粉酶”，巡3. 2. 1. 3)的任意組合的酶制劑可以是本文中所使用的“淀粉酶”。主要富含其他酶活性——例如纖維素酶活性—— 的酶制劑可含有顯著的淀粉酶副活性(side activity)并因此可以是本文中所使用的淀粉酶。(ν).纖維素酶術(shù)語(yǔ)“纖維素酶”一般是指任何一種或多種“纖維素分解酶”，包括水解纖維素聚合物的內(nèi)部鍵，破壞晶體結(jié)構(gòu)并且釋放單個(gè)纖維素鏈的內(nèi)切-β-1，4-葡聚糖酶，和從每個(gè)末端強(qiáng)行地水解纖維素并且釋放鏈長(zhǎng)為2-4個(gè)糖部分的寡聚體的外切-1，4-葡聚糖酶 (纖維二糖水解酶)。概括性術(shù)語(yǔ)“纖維素酶”還指將由纖維二糖水解酶得到的產(chǎn)物水解為D-葡萄糖的β -葡萄糖苷酶(纖維二糖)。(vi).有效量這樣的淀粉酶量是“有效量”，即在適于淀粉酶酶法水解的條件下，M小時(shí)內(nèi)可轉(zhuǎn)化青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的葡聚糖含量的至少15%。不同淀粉酶制劑的混合物可共同構(gòu)成 “有效量”。至少一種淀粉酶的“有效量”可與一種或多種纖維素酶或其他酶活性結(jié)合使用。 非常有效的量是M小時(shí)內(nèi)可轉(zhuǎn)化青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的葡聚糖含量的至少20%。超級(jí)有效量是M小時(shí)內(nèi)可轉(zhuǎn)化青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的葡聚糖含量的至少25%。(vii).干物質(zhì)干物質(zhì)是指不可溶的材料。生物質(zhì)的干物質(zhì)含量是指所述生物質(zhì)的固有特性。最終干物質(zhì)含量是指在水解開始時(shí)水解和/或SSF反應(yīng)混合物的不可溶固體含量。從青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中生產(chǎn)生物乙醇的方法已有記載。參見以引用方式全文納入本文的參考文獻(xiàn)[1]。以前，熱預(yù)處理被認(rèn)為是優(yōu)化來(lái)自青貯生物質(zhì)的乙醇產(chǎn)量所必需的。本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，青貯木質(zhì)纖維素的淀粉成分基本上可容易地被淀粉酶完全水解，而不需要預(yù)處理。避免預(yù)處理實(shí)際上是優(yōu)選的。通過(guò)避免通常出現(xiàn)在預(yù)處理過(guò)程中的淀粉損失，提高了由淀粉成分得到的可發(fā)酵糖的最終產(chǎn)率。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中出乎意料高的纖維素成分部分可容易地被纖維素酶水解，而不需要預(yù)處理。因此，本發(fā)明的一些實(shí)施方案提供了在生物乙醇生產(chǎn)中加工青貯生物質(zhì)的方法， 所述方法無(wú)需消耗能量和/或增加成本的預(yù)處理。一些實(shí)施方案提供了一種加工青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，所述方法包括-提供青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，并且-在任何預(yù)處理前用有效量的至少一種淀粉酶與一種或多種纖維素酶對(duì)所述青貯生物質(zhì)進(jìn)行酶法水解。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，酶法水解完全或部分地作為同時(shí)糖化和發(fā)酵(SSF)的過(guò)程來(lái)進(jìn)行。其他實(shí)施方案還提供其他步驟-在酶法水解之后從所述青貯生物質(zhì)中回收未水解的材料，并且-將所述未水解的材料在110_250°C下進(jìn)行熱預(yù)處理。任何合適的原料都可用于實(shí)施本發(fā)明的方法，所述原料包括苜蓿、禾本科植物(grasses)、空果籃(empty fruit baskets)、豆科植物(legumes)、玉米、甘蔗、高粱 (sorghum)、黑麥、小麥、大麥、黑小麥、稻和其他植物。優(yōu)選的原料具有至少40%，最優(yōu)選至少50 %的葡聚糖含量(即，淀粉和纖維素的總含量)。優(yōu)選原料的葡聚糖成分包含至少30 % 的淀粉，更優(yōu)選至少40%的淀粉，或更優(yōu)選至少50%淀粉。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在青貯前，將生物質(zhì)通過(guò)機(jī)械或其他方式來(lái)預(yù)加工，所述方式包括但不局限于砍(chopping)、剪(cutting)、磨(milling)、切(slicing)或?qū)⑺錾镔|(zhì)分成部分并減小顆粒大小的任何合適方法。青貯生物質(zhì)可貯存在田里、地窖中、任何合適的圍場(chǎng)(enclosure)中或者以基本上阻止對(duì)所述生物質(zhì)的有害微生物降解的任何方式貯存。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，生物質(zhì)被青貯至少5周。在一些實(shí)施方案中，生物質(zhì)可在成熟的最佳階段被采收并且使用本領(lǐng)域已知的任何方法來(lái)青貯，所述方法包括但不局限于在參考文獻(xiàn)[2]和/或[3]中描述的方法，其以引用的方式全本納入本文。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，合適的青貯生物質(zhì)的生產(chǎn)規(guī)模量將被用于實(shí)施本發(fā)明的方法。本發(fā)明的方法優(yōu)選使用至少500kg、更優(yōu)選至少IOOOkg青貯生物質(zhì)、更優(yōu)選至少 5000kg、還更優(yōu)選至少10000kg青貯生物質(zhì)實(shí)施。合適的青貯生物質(zhì)的干物質(zhì)含量可以為超過(guò)20%，或者甚至更優(yōu)選地超過(guò)30%。任何合適的淀粉酶均可用于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用包含α-淀粉酶和Y-淀粉酶混合物的酶制劑。富含α -淀粉酶的合適制品可包括市售的制品，包括NS50033TM、NOVOZymeS。或者， 可通過(guò)本領(lǐng)域熟知的方法從微生物中制備α-淀粉酶，所述微生物包括通常的嗜熱桿菌 (Bacillus)菌株、枯草芽孢桿菌(B. Subtilis)、解淀粉芽孢桿菌(B. Amyloliquefaciens)、 木霉屬CTrichoderma)菌株、煙曲霉(Aspergillus fumigatus)和其他合適的來(lái)源。對(duì)于給定的包含至少一種淀粉酶的酶制品，酶法水解的合適條件通常是公知的。 可向淀粉酶制品補(bǔ)加一定量的纖維素酶制品以增加產(chǎn)率。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在同時(shí)糖化和發(fā)酵(SSF)之前，進(jìn)行酶法水解作為預(yù)水解。預(yù)水解優(yōu)選在合適的條件下進(jìn)行至少6 個(gè)小時(shí)。或者，在發(fā)酵前，可將青貯生物質(zhì)充分地水解，水解程度可達(dá)到任何預(yù)處理前酶法處理所允許的程度。水解之后，或者預(yù)水解之前，可將所述水解的組分分離并發(fā)酵。隨后可取出未水解的材料并對(duì)其進(jìn)行熱預(yù)處理，之后通過(guò)主要使用纖維素酶制品進(jìn)行額外的酶法水解。或者，可在SSF后取出未水解的材料并隨后對(duì)其進(jìn)行熱預(yù)處理，之后用纖維素酶制品進(jìn)行額外的酶法水解。實(shí)施例1 不經(jīng)預(yù)處理對(duì)青貯生物質(zhì)進(jìn)行酶法處理和SSF。將2007年10月從丹麥.Nerupg^rd收獲的完整玉米在收割機(jī)中剁碎，完全壓縮并且在不加入化學(xué)物質(zhì)的情況下儲(chǔ)存在無(wú)氧環(huán)境下的青貯槽(bunker silo)中至2008年 8月。所述青貯物的干物質(zhì)含量為約31%。未經(jīng)處理的玉米青貯物的組成可根據(jù)NREL標(biāo)準(zhǔn)“生物質(zhì)中木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)性碳水
化合物的測(cè)定”來(lái)測(cè)定
權(quán)利要求
1.一種加工青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，所述方法包括-提供青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，并且-在任何預(yù)處理前，用有效量的至少一種淀粉酶與一種或多種纖維素酶對(duì)所述青貯木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進(jìn)行酶法水解，所述淀粉酶量足以在M小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化葡聚糖含量的至少 15%。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括步驟-從所述水解的生物質(zhì)中回收未水解的材料，并且-對(duì)所述未水解的材料在110-250°C下進(jìn)行熱預(yù)處理。
3.權(quán)利要求2的方法，還包括步驟-對(duì)所述回收的、未水解的且經(jīng)預(yù)處理材料進(jìn)行酶法水解并發(fā)酵。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述青貯生物質(zhì)有至少500kg。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述青貯生物質(zhì)的最終干物質(zhì)含量在酶法水解開始時(shí)為至少 20%。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一種淀粉酶制劑包含至少α-淀粉酶和Υ-淀粉酶的混合物。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述酶法水解是作為預(yù)水解進(jìn)行的，隨后進(jìn)行SSF。
8.權(quán)利要求1的方法，其中在至少144小時(shí)SSF后的葡聚糖轉(zhuǎn)化率為至少55%。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一種淀粉酶量為足以在對(duì)小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化葡聚糖含量的至少25%的超級(jí)有效量。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述發(fā)酵完全或部分地作為SSF過(guò)程進(jìn)行。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)包括以下的任一種苜蓿、禾本科植物、空果籃、豆科植物、玉米、甘蔗、高粱、黑麥、小麥、大麥、黑小麥和稻。
12.權(quán)利要求1的方法，其中在青貯前，通過(guò)機(jī)械或其他方式來(lái)預(yù)加工所述生物質(zhì)，所述方式包括砍、剪、磨和切的任一種。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述淀粉酶包括從任何嗜熱桿菌(Bacillus)菌株、枯草芽孢桿菌(B. Subtilis)、解淀粉芽孢桿菌(B. Amyloliquefaciens)、木霉屬 CTrichoderma) 菌株或煙曲霉(Aspergillus fumigatus)制備的α-淀粉酶制品。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)為在成熟的最佳階段采收。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)為在田里或地窖中青貯。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)生物乙醇或其他發(fā)酵產(chǎn)物的加工青貯生物質(zhì)的方法，并且具體而言涉及無(wú)需要昂貴預(yù)處理(例如，熱或化學(xué)預(yù)處理)的方法。
文檔編號(hào)C12P7/10GK102264913SQ200980152127
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者J·拉森, M·*·海文 申請(qǐng)人:因比肯公司