專利名稱：：改良的將纖維素轉化為燃料乙醇的預處理法的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及從纖維素中生產(chǎn)乙醇燃料的方法。本發(fā)明尤其涉及為乙醇生產(chǎn)而對纖維素原料進行的預處理。對經(jīng)選擇的其阿拉伯聚糖加木聚糖與非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39的原料進行預處理，可以產(chǎn)生比其它原料更優(yōu)良的酶促水解的底物。這些預處理的原料只適于乙醇生產(chǎn)。在如此預處理法中可供選擇的原料的實例包括一些燕麥殼及玉米棒，及高AX/NSP的經(jīng)選育的原料。由于大量原料的可用性，避免燃燒或將其堆積在土壤中的需求及乙醇燃料的清潔性，從纖維素中生產(chǎn)乙醇的可能性已得到更多的關注。如此方法對社會的貢獻已有闡述，如見ATLANTICMONTHLY，(April，1996)封面題材的報道。如此方法中的天然纖維素原料特指為“生物量”。許多類型的生物量，包括木材、農(nóng)業(yè)殘余物、草木作物及城市固體垃圾等，已被認為可作為生產(chǎn)乙醇的原料。這些物質主要由纖維素、半纖維素、及木質素組成。本發(fā)明涉及的是將纖維素轉化為乙醇。熟知的將玉米淀粉轉化為乙醇的方法不在本發(fā)明范圍內(nèi)，該方法中是使用硫酸及淀粉酶將淀粉轉化成乙醇。纖維素是一種經(jīng)β-1，4鍵連接的單糖葡萄糖聚合物。纖維素可明顯抗酸、酶或微生物的降解或解聚。一旦纖維素被轉化成葡萄糖，所得糖經(jīng)使用酵母易于發(fā)酵成為乙醇。該方法的難點所在是將纖維素轉化成葡萄糖。最古老的將纖維素轉化成葡萄糖的方法研究基于酸水解(參見Grethlein，纖維素材料的化學降解，應用化學及生物技術28296-308(1978))。該方法可包括使用濃酸或稀酸。濃酸方法是使用72％(重)的硫酸或42％(重)的鹽酸在室溫下溶解纖維素，隨后將酸稀釋至1％并加熱至100℃～120℃3小時以上以將纖維素寡聚體轉化成葡萄糖單體。該方法可產(chǎn)生高產(chǎn)量的葡萄糖，但酸的回收，構建特殊材料的需求及需使系統(tǒng)中水量降至最低則是該方法的明顯不足。當濃縮的有機溶劑用于纖維素轉化時，也會遇到相似的難題。稀酸方法是使用0.5％～2％(重)的硫酸在180℃～240℃下進行幾分鐘至幾小時。BRINK(美國專利5,221,537及5,536,325)描述了一種木質纖維素經(jīng)酸水解成葡萄糖的二步法。第一步是將半纖維素解聚成木糖及其它糖。第二步將纖維素解聚成葡萄糖。低水平的酸可免于化學回收。但最大的葡萄糖產(chǎn)量只大約是纖維素的55％，且解聚產(chǎn)物的高度產(chǎn)生可抑制經(jīng)酵母發(fā)酵為乙醇的作用。這些難題阻止了稀酸水解方法達到商品化。為克服酸水解法中的難題，已研究發(fā)展了纖維素轉化方法，其利用兩步(1)預處理，(2)包括酶促水解的處理。預處理的目的是不將纖維素完全水解成葡萄糖，而是相反地破壞纖維結構的完整，從而使纖維素更易于在處理階段被纖維素酶作用。在經(jīng)該類型特異性預處理后，底物具有一種泥樣質地。預處理物看上去類似紙漿，但具有較短纖維和對原料的更明顯的物理破壞。眾多預處理方法的目的是提供一機械和化學作用的充分聯(lián)合，以破壞纖維結構并增強原料對纖維素酶的接受能力。機械作用典型地包括使用壓力、研磨、碾磨、切碎、攪拌、壓縮/膨脹、或其它類型的機械作用?；瘜W作用典型地包括使用加熱(通常為蒸汽)、酸及溶劑。下面將闡述一些已知預處理裝置，具體參照擠出機、壓力容器及批式反應器。一種經(jīng)酶促水解的典型處理是將底物與水混合以得到含5％～12％(重)的纖維素的漿液，然后加入纖維素酶。典型地，水解在50℃，pH5下進行24～150小時。在水解作用的末期，水溶性葡萄糖在液體內(nèi)，而未轉化的纖維素，木質素及其它底物未溶部分殘留于懸浮液中。通過過濾水解漿液收集葡萄糖漿；將纖維固體進行沖洗以提高葡萄糖的產(chǎn)量。然后用酵母將葡萄糖漿發(fā)酵成乙醇，并用蒸餾或其它方法回收乙醇。乙醇的發(fā)酵及回收可使用醇工業(yè)中共識的方法進行。預處理加上酶水解的二步法克服了許多與用單一強酸水解相關的難題。酶的特異作用降低了降解產(chǎn)物量而提高了葡萄糖產(chǎn)量。另外，對纖維破壞的預處理比對纖維素水解的預處理較溫和的事實，意味著可使用較少的化學載荷，降低化學回收的需求及產(chǎn)生較少的降解產(chǎn)物，提高產(chǎn)量并降低對酵母發(fā)酵成乙醇的作用的抑制。遺憾地，到目前為止預處理及酶水解的處理方法還不能在足夠低費用下生產(chǎn)葡萄糖，以使發(fā)酵為乙醇的工藝具有商業(yè)吸引力。甚至目前眾多已知的預處理方法中，使纖維素轉化為葡萄糖所需的纖維素酶的量太大，以至于使乙醇生產(chǎn)費用太高。已有許多方法嘗試去降低所需纖維素酶量。簡單地在系統(tǒng)中加入較少量纖維素酶的方法使葡萄糖的生產(chǎn)降低到難以接受的程度。通過延長酶作用于原料的時間來降低所需酶量的方法，導致生產(chǎn)力的浪費，及水解槽的高費用。通過使纖維素水解與葡萄糖的酵母發(fā)酵同時進行以降低所需纖維素酶量的方法也是不足的。如此稱作同步糖化及發(fā)酵(SSF)方法也不適于商業(yè)化，這是由于酵母起作用的最適溫度28℃遠遠低于纖維素酶所要求的50℃的條件。在平均37℃溫度下運行SSF系統(tǒng)同樣無效，且引起微生物的污染。對低耗費的乙醇生產(chǎn)方法的需求促進了大量研究工作以發(fā)展有效的預處理系統(tǒng)。如此的預處理系將吸收目前預處理的所有優(yōu)點，包括降解產(chǎn)物的低產(chǎn)出及化學回收的低需求，但具有纖維素酶的低需求以便使工藝經(jīng)濟。預處理系統(tǒng)的性能特征在于將一定量的纖維素水解成葡萄糖所需的酶量。如果預處理A比B需較少酶去生產(chǎn)定量的葡萄糖，則預處理A比B的性能好。預處理的早期工作集中在作用裝置的構建及最佳性能所需條件的確定上。預處理的一主導方法是通過蒸汽爆炸(steamexplosion)，使用FOODY(美國專利4,461,648)所述的工藝條件，該文在本文并入?yún)⒖?。在FOODY工藝中，將生物量裝入已知作為蒸汽槍的容器中。將大于1％的酸任選地加入在蒸汽槍或預浸液中的生物量中。然后用蒸汽將蒸汽槍迅速裝滿，并在高壓下保持一定長時間，已知為蒸煮(cooking)時間。一旦蒸煮時間過去，將容器快速減壓以排出預處理的生物量，由此有了這些術語“蒸汽爆炸”和“蒸汽槍”。在FOODY工藝中，預處理的性能依賴于蒸煮時間，蒸煮溫度、所用酸的濃度及原料的粒徑。FOODY工藝中建議的預處理條件對所有試驗的纖維素原料(硬木，麥稈及蔗渣)都相似，條件是它們需分成細小顆粒。進一步地，蒸煮溫度的確定是通過裝入蒸汽槍中的飽和蒸汽的壓力來進行的。因而影響預處理性能的實際操作變量是氣壓，蒸煮時間及酸濃度。FOODY工藝描述了最適性能的變量組合；正如可以預料的，延長時間能降低所用溫度，反之亦然。FOODY所教導的氣壓范圍在250～1000psig，相應溫度為208℃～285℃。關于蒸汽爆炸預處理參量的另一公開的研究是FOODY等人，蒸汽爆炸預處理優(yōu)化的最終報告，美國能源部報告ET230501(April1980)。該研究報道了預處理變量，溫度(蒸汽壓)、粒徑、含水量、預調節(jié)作用、模頭構型及木質素含量的作用。報道了對三類麥稈，五種硬木及四種莊稼殘余物而言的最佳蒸汽爆炸條件。由FOODY公布的最佳預處理條件隨后被其它人通過使用其它原料及不同設備而確認。例如，GRETHLEIN(美國專利4,237,226)描述了櫟木、新聞紙、楊木及禾莖經(jīng)連續(xù)活塞式流動反應器的預處理，該裝置同擠出機相似。轉動螺桿輸送原料漿通過一小孔，在那里機械及化學作用使纖維被破壞。GRETHLEIN列出了所需的孔徑、系統(tǒng)壓力、溫度(180℃～300℃)。存留時間(最長5分鐘)，酸濃度(最多1％硫酸)及粒徑(優(yōu)選60目)。GRETHLEIN對他所鑒定的所有特異性底物都獲得了相似結果(見欄3，行30)。盡管GRETHLEIN的裝置非常異于FOODY的蒸汽槍，但最適性能的時間、溫度及酸濃度等是相似的。最近更多的工作集中在通過預處理所用裝置能增進所供底物的酶促水解這一理解上。BRINK(美國專利5,628,830)描述了通過使用蒸汽法破壞半纖維素，隨后應用纖維素酶進行纖維素的水解來預處理木質纖維素。預處理的代表性優(yōu)點首要說明的是預處理應估價木質素去除的量，脫木質化作用度越高，則完成的越好。參見Fan，Gharpuray，andLee，農(nóng)業(yè)殘留物的酶促轉化的預處理，第三屆能量產(chǎn)生和轉化中的生物技術研討會資料(Gatlinburg，TENNESSEE，May12-15，1981)。對作為預處理特征的脫木質化的見解也見于Cunricingahm等的報道。第七屆燃料和化學品的生物技術研討會資料(Gatlinburg，Tennessee，May14-17，1985).Grethlein及Converse，用于預處理木才的酸預水解和蒸汽爆炸的通用方面，生物能源技術36(2)77-82(1991)，提出了如下見解即脫木質化程度只對已干燥的底物是重要的，因而對大多數(shù)使用非干燥原料的預處理方法沒有大的相關性。Knappert等在作為酶促水解的預處理的纖維素材料的部分酸水解”，生物技術和生物工程，231449-1463(1980)中報道了在預處理后提高的對酶水解的易感性的產(chǎn)生是通過半纖維素的去除所形成的微孔，底物結晶度的變化及纖維素分子的聚合度的嚴重降低所致的。Grohmann等在“生物量的稀酸預處理的優(yōu)化”，第七屆燃料和化學品生物技術研討會(Gatlinburg，TennesseeMay14-17，1985)中特別支持Knappert等的一個假設，他證明預處理中半纖維素的去除導致原料酶水解的增進(見第59-801頁)。Grohmann等用麥稈和楊木在95℃～160℃及蒸煮時間最多21小時條件下工作。在最初預處理后，這兩種原料的大約80％的纖維素被纖維素酶消化，其中80-90％的木聚糖從初始物中去除。Grohmann和Converse也報道了纖維素的結晶度指數(shù)沒有被預處理明顯改變。他們還進一步報道預處理可導致廣泛范圍的聚合度，但產(chǎn)生對酶促水解的相似易感性。由預處理改良酶水解作用的另一解釋是增加了底物表面積。Grethlein和Converse改進了該解釋，相關表面積是與纖維素酶相接觸的表面積，其具有大約51埃的大小。由小分子如氮的接觸性測定的總表面積與底物的酶水解率不相關，原因是不能使酶透過的微孔不影響水解率。盡管對預處理的設備和優(yōu)化條件有良好的了解并且進行了大量預處理方法的機制研究，還不存在一種商業(yè)可行的適當?shù)念A處理方法使纖維素物質轉化為乙醇。如此預處理方法應使纖維素轉化為乙醇的方法具有巨大商業(yè)應用價值。圖1是根據(jù)實施例3，某些原料在121℃預處理反應后，作為原始材料的AX/NSP的函數(shù)的纖維素轉化曲線。圖2是根據(jù)實施例4，某些原料在230℃預處理反應后，作為原始材料的AX/NSP的函數(shù)的纖維素轉化曲線。本發(fā)明揭示了原料的關鍵性能決定了在預處理反應后，使纖維素轉化為葡萄糖所需的相應纖維素酶。該性能是阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率，在后文我們指作“AX/NSP”。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)AX/NSP越高，則預處理反應后需求的纖維素酶越少，且產(chǎn)生更經(jīng)濟的乙醇產(chǎn)物。原料的AX/NSP大于約0.39尤適用于纖維素轉化為乙醇工藝。如此原料的一些實例可以是某些燕麥殼及玉米棒?；谶@些發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人開發(fā)了一種改良的在使木質纖維素原料轉化為乙醇的酶處理前的預處理方法。一種如此方法由以下步驟組成1、選擇阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39的木質纖維素原料。2、在破壞纖維結構，并水解部分纖維素和半纖維素的條件下使選擇的原料反應，以改良預處理后的原料在隨后纖維素酶處理中的可消化性。另一種如此方法由以下步驟組成1、選擇一種木質纖維素原料，其被選育以具有相對增加的阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)。2、在破壞纖維結構并使纖維素和半纖維素部分水解的條件下使選擇的原料反應，以改良預處理的原料在隨后纖維素酶處理中的可消化性。一旦基于高AX/NSP選擇了原料，預處理反應可以在與前述報告一致裝置中進行。這可包括在蒸汽槍、擠出機或其它以前使用的設備中的單步或二步反應?；贏X/NSP選擇原料，預處理反應后纖維素酶所需比除外情況下所需要低得多。這可明顯節(jié)約從木質纖維素物質中生產(chǎn)乙醇的費用。還沒有在特殊選擇的原料預處理后優(yōu)異性能的前期報道，這是由于沒有AX/NSP的特定水平，更不必說AX/NSP的重量比是大于0.39。鑒于FOODY等，文獻同上的U.S.D.O.E研究，其觀察到在蒸汽爆炸及纖維素酶水解后，原料的木聚糖含量與葡萄糖產(chǎn)量之間沒有關聯(lián)，本發(fā)明是令人驚奇的。FOODY等研究了13種原料。纖維素轉化為葡萄糖的轉化率在預處理原料之間變化很大，櫟木和向日葵莖為46～50％，大麥稈和槭木為86～87％。FOODY等的兩種最佳原料大麥稈和槭木，木聚糖的含量分別為31％和19％，其在所報道的最高與最低值之間。櫟木和楊木都含21％的木聚糖，而它們在纖維素酶水解后卻得到分別為46％和72％的非常不同的葡萄糖產(chǎn)量。鑒于GRETHLEIN，文獻同上的專利，本發(fā)明也是令人驚奇的。GRETHLEIN描述了使用稀硫酸對原料預處理的裝置。GRETHLEIN所有的4種原料(櫟木，新聞紙，楊木和玉米棒)性能相似(欄3，第25～32行)。這一報道結果與本發(fā)明的教導完全相反，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)并鑒定了一種新原料性質，AX/NSP，其可用于預期處理后原料的特性。鑒于Knappert等，文獻同上，發(fā)表的文章，本發(fā)明也是令人驚奇的。Knappert研究了4種原料Solka絮凝物、新聞紙、櫟木及玉米棒。Knappert等獲得了在預處理反應后從纖維素中生產(chǎn)葡萄糖的最佳產(chǎn)量。從新聞紙，玉米棒和櫟木中獲得100％產(chǎn)量，從Solka絮凝物中獲得81％產(chǎn)量(表I、II、第1453～1457頁)。由于具有纖維素和木聚糖報道含量的原料是新聞紙和Solko絮凝物，該研究沒有提到原料的AX/NSP與預處理反應后纖維素酶對物質的消化能力之間的關系。本發(fā)明實際上提示Knappert等的教導是不正確的。至少Knappert等的教導與本發(fā)明的教導是不一致的。Knappert等教導物質的低半纖維素含量預示著在預處理期間纖維素消化能力的極少改良。在本發(fā)明的實施例5顯示在半纖維素經(jīng)適度反應被去除后，預處理反應消化燕麥殼的能力大大改良。后文所述的本發(fā)明及優(yōu)選實施方案的描述中使用了下述一些術語。木質纖維素原料意為一些原材料，其可被看作是纖維素轉化為乙醇工藝的原材料。如此材料至少有大約25％的纖維素，且纖維素在工藝中基本上被轉化成葡萄糖，然后轉化為乙醇。典型的木質纖維素原料是木材、谷類及農(nóng)業(yè)廢物。本發(fā)明沒有關于木質素、淀粉、蛋白質或灰分含量的特殊規(guī)定。已被認為用于乙醇生產(chǎn)工藝的木質纖維素原料的實例為木材、草、麥稈及作物垃圾。通常木質纖維素原料源于一種纖維。但本發(fā)明中木質纖維素原料可以是源于許多不同種類的混合物。燃料乙醇的轉化指大約至少40％的纖維素轉化為葡萄糖，然后葡萄糖發(fā)酵為乙醇。本發(fā)明沒有關于產(chǎn)自木質素或半纖維素的轉化產(chǎn)物的特殊規(guī)定。在一優(yōu)選實施方案中，至少60％的纖維素被轉化為葡萄糖且發(fā)酵成乙醇。木聚糖及木聚糖含量是用于表達現(xiàn)存于原料中脫水木糖含量的術語。許多脫水木糖的存在形式是木糖的線性β-1，4連接的多糖。但木聚糖的定義不受限于這種結構的脫水木糖。阿拉伯聚糖及阿拉伯聚糖含量是用于表達原料中脫水阿拉伯糖含量的術語。許多脫水阿拉伯糖是阿拉伯糖的支化α-1，3鍵連的多糖。但阿拉伯聚糖的定義不受限于這種結構的脫水阿拉伯糖。阿拉伯聚糖加木聚糖指原料的阿拉伯聚糖及木聚糖含量的總和。它區(qū)別于術語“阿拉伯糖基木聚糖”，其是指阿拉伯糖和木糖的一種α-1，3鍵連的聚合物。阿拉伯糖基木聚糖是阿拉伯聚糖和木聚糖一種具體實例，但未包括阿拉伯聚糖和木聚糖的所有可能的形式。半纖維素是一通用術語，包括除纖維素及淀粉外所有天然多糖。該術語包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等的聚合物及其混合物。在本發(fā)明中半纖維素的基本組分是阿拉伯糖和木糖。AX/NSP是阿拉伯聚糖加木聚糖與非淀粉多糖的比率，且可基于本文所述分析程序測定任何原料的AX/NSP。AX/NSP可由公式(1)計算AX/NSP＝(木聚糖+阿拉伯聚糖)/(木聚糖+阿拉伯聚糖+纖維素)(1)其中原料的木聚糖、阿拉伯聚糖及纖維素的含量可依據(jù)實施例1中的程序測定，且AX/NSP的計算也見于實施例1。AX/NSP在本文用以代表預處理方法的性能。AX/NSP越高，在預處理后將纖維素水解為葡萄糖所需的纖維素酶則越少。預處理性能對于AX/NSP高于約0.39的原料特別好。該點見實施例3及4的論述。應測定每批使用的原料的AX/NSP，毫無疑問其將受原料的季節(jié)、時期、地理位置及品種而變化。因而沒有AX/NSP的絕對值總能正確地適應所供品種。但燕麥殼和玉米棒在收集到的數(shù)據(jù)中呈最高的AX/NSP，同樣也是預處理性能最好的。源自大量樣品中的燕麥殼和玉米棒因而是生產(chǎn)乙醇工藝中的優(yōu)選原料。AX/NSP的理論最高限為0.75，這存在于有25％纖維素及75％阿拉伯聚糖加木聚糖的物質中。本發(fā)明人了解沒有物質具有這種組分。發(fā)明人觀測到的AX/NSP最高值為0.422。各種物質的半纖維素、纖維素、阿拉伯聚糖及木聚糖的含量已經(jīng)廣泛發(fā)表。但使用的分析方法可明顯影響表觀組成，且這些發(fā)表的文章通常是基于許多變化方法的。因而這些可供依據(jù)的公開文獻只能提供一種這些物質的近似組分的普通觀點。為實施本發(fā)明，對每種候選原料都要進行相同的分析方法，實施例1的那些方法對于所要求的絕對值是優(yōu)選的。在本發(fā)明中，可通過兩種一般方法對高AX/NSP值的原料加以鑒定(1)篩選天然纖維和谷物；(2)篩選各種選育的具有較高AX/NSP水平的品種。反應或預處理反應是指一種用于改變木質纖維素原料，使其更易于經(jīng)纖維素酶水解的化學方法。不進行預處理，所需生產(chǎn)葡萄糖的纖維素酶的數(shù)量太大而不切實際。通過由纖維素酶經(jīng)破壞纖維結構及實現(xiàn)一部分半纖維素及纖維素水解而改良可消化性。該術語指的是由預處理反應所引起的原料的物理及化學上的改變。至少，預處理提高了由纖維素酶從原料中水解出的葡萄糖的量，破壞了纖維，并水解了纖維素及半纖維素的某些部分。本發(fā)明的預處理方法優(yōu)選是將木質纖維素原料轉化為乙醇的完整方法的一部分。該方法包括；預處理后纖維素經(jīng)酶促水解為葡萄糖，葡萄糖發(fā)酵成乙醇及乙醇的回收。纖維素水解指的是使用酶將預處理的纖維素轉化成葡萄糖。在本發(fā)明中，在預處理期間少量纖維素被水解，而大部分未水解而由纖維素酶水解。酶水解進行的方式本發(fā)明未做限制，但優(yōu)選的方式如下在含5％～12％纖維素的水漿中，保持pH值為4.5～5.0，在50℃下進行水解。所用的纖維素酶可以是任何可商購的纖維素酶，其可由IOGENCORPORATION，NOVONORDISK，GENENCORINTERNATIONAL，PRIMALCO，或其它公司生產(chǎn)。纖維素酶可補加β-葡糖苷酶使纖維二糖完全地轉化為葡萄糖。一種商購的β-葡糖苷酶是由NOVONORDISK所售的NOVOZYM188。熟練的從業(yè)者明白水解中使用的纖維素酶的數(shù)量可通過酶的成本，所需水解時間，葡萄糖產(chǎn)量及葡萄糖濃度來檢測，所有這些都受方法經(jīng)濟性的影響，并將隨每種估價的相關技術而變化。代表性的酶用量范圍是12～128小時，每克纖維素需1-50濾紙單位(FPU)纖維素酶。在一優(yōu)選的實施方案中，纖維素酶的范圍是每克纖維素需1～10FPU纖維素酶。實施例2和3較詳細地描述了纖維素的水解。在一優(yōu)選的實施方案中，纖維素水解和乙醇發(fā)酵同時進行，使用的是前文所述的在SSF方法中通用的那些技術。乙醇發(fā)酵及回收其是通過已熟知的常規(guī)方法，如酵母發(fā)酵及蒸餾進行。本發(fā)明不受這些方法限制。在本發(fā)明中，可應用任何類型的原料，包括但不限于天然生成的及選擇性繁殖的原料。由以上所強調的，本發(fā)明新穎性在于使用到目前為止未認識到的高AX/NSP率作為選擇葡萄糖及乙醇生產(chǎn)的最佳原料的關鍵標準；原料的由來是次要方面。在一實施方案中，原料是天然生成的。在這種情況下，原料AX/NSP的測定通過實施例1的方法進行。AX/NSP大約高于0.39的原料優(yōu)選用于纖維素→乙醇工藝。由于AX/NSP毫無疑問隨季節(jié)及原料的年齡、地理位置及栽培而變化，因而應測定所用的每批原料的AX/NSP值。隨著對原料積累的經(jīng)驗，可減少測試AX/NSP的頻率。在另外一個優(yōu)選的實施方案中，原料是經(jīng)選育的。在這種情況下，選育的原料的AX/NSP的測定可用實施例1的方法，并與天然原料的AX/NSP比較。如果因選育而AX/NSP提高，則選育的原料比天然的或起始原料更適于纖維素轉化。原則上，如此的選育可通過各種在植物繁殖時用于篩選所需性狀的一般方法進行。這些方法見H.B.Tukey，《美國植物雜志》44(3)279～289(1957)中“園藝是覆蓋地球的大綠毯”，及AnnM.Thayer，《化學及工程新聞》1997年4月28日p15～19中“轉基因農(nóng)場的賭注”的綜述。這些方法包括1、科學繁殖篩選高AX/NSP值的品種并重復栽培那些顯示該性狀的品種。2、嵌合體將兩種或更多品種嫁接，并篩選所得品種的AX/NSP水平。3、授粉繁殖通過雜交授粉組合兩個或多個品種，并篩選其AX/NSP水平。4、化學稀釋，將作物暴露于化學毒素，如此只有最適合的可存活。要求毒素是阿拉伯聚糖或木聚糖抗性的。5、誘導將品種暴露于可致較高AX/NSP的條件下。6、環(huán)境遇險(distress)將品種暴露于可致死亡除非由高水平的AX/NSP保護的條件下。7、營養(yǎng)及施肥開發(fā)營養(yǎng)方案以提高AX/NSP。8、基因工程遺傳修飾品種以提高其AX/NSP水平。在一優(yōu)選的實施方案中，選育的木質纖維素原料的AX/NSP高于0.39，然后將該選育原料反應以提高其由纖維素酶的可消化性并通過用纖維素酶將纖維素水解為葡萄糖，發(fā)酵葡萄糖，及回收乙醇來轉化成乙醇。在另一優(yōu)選實施方案中，選擇性繁殖的木質纖維素原料比初始原料具有增高的AX/NSP值，但仍低于0.39。然后將該原料反應以提高其由纖維素酶的可消化性并轉化為乙醇。將原料的AX/NSP含量提高是有利的，即使低于0.39水平，原因是在某些地理區(qū)域氣候只適合小范圍原料的生長。例如玉米就不能生長在每年超過40F的天數(shù)少于240天的氣候里。在這些較寒冷區(qū)域，原料的選擇要受限制，且也許沒有哪些原料的AX/NSP接近0.39。在這些氣候中，通過選擇性繁殖以使原料的AX/NSP比初始原料有所提高而對原料加以改良，從而即使AX/NSP仍＜0.39也可有效地改良纖維素轉化為乙醇作物的功效。在這些情況下，本發(fā)明將提供一種新的對比標準，通過該標準可測定和比較這種選育的原料。所需預處理程度可由一些適當方法而獲得，包括但不限于那些在本文優(yōu)選實施方案及實施例中討論的方法?？梢鸹瘜W改變的機械與化學處理的任何組合均包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。這包括任何反應器，化學添加物，溫度、時間、粒徑、濕度及其它可改變原料的參數(shù)。在第一個優(yōu)選實施方案中，在GRETHLEIN所述的酸預處理的條件下進行預處理反應，這是將經(jīng)選擇的原料在180℃～270℃下進行5秒～60分鐘處理。本領域技術人員已知原料溫度是它自身的，其可不同于在反應器外所測的溫度。本領域技術人員也已知一段時間內(nèi)指定的溫度范圍是那個時期的平均溫度，考慮到溫度對反應速率的影響。例如，反應器需從環(huán)境條件升至180℃的短期加熱?；诜磻獎恿W的知識(如在給定物質的限定溫度范圍內(nèi)，溫度每提高10℃，反應速率幾乎雙倍增長)，溫度增高對總反應的影響可被計算出且從而可確定平均溫度。預處理反應典型地用存在于水解漿料中的0.1～2％硫酸進行。但本領域的技術人員能意識到，一些原料中存在的堿或酸可改變酸需求量使其在典型范圍之外。酸度最好用pH范圍表達，不管使用的是何種酸或濃度如何，其應在0.5～2.5之間。實施例8詳述了在此條件范圍內(nèi)的預處理反應。第二個優(yōu)選的實施方案使用了由FOODY發(fā)表的作為蒸汽爆炸預處理優(yōu)化的較窄的條件。該條件見于實施例4所述，預處理由蒸煮步驟組成，是在220～270℃，pH為0.5～2.5的條件下處理5秒～120秒。用于進行該預處理的設備優(yōu)選包括密封批式反應器及連續(xù)擠出機。這些預處理條件的大規(guī)模實例見實施例6、7所述。第三個優(yōu)選實施方案使用二步預處理，其中第一步改良纖維素水解同時主要增溶半纖維素而不是纖維素。第二步完成整個預處理。在該實施方案中，第一步反應在低于180℃下進行而第二步反應在高于180℃下進行。二步預處理的優(yōu)點是，如后文實施例5所示，促進了半纖維素的分離回收用于下游加工。在第三個優(yōu)選實施方案中，第一步反應是在大約60℃～140℃，在pH為0.5～2.5條件下進行24小時。更優(yōu)選地，預處理的第一步是在100℃～130℃，pH為0.5～2.5下進行3小時。在第4個實施方案中，第二步反應是在180℃～270℃，pH為0.5～2.5條件下進行5秒～120秒。原料可以是干燥的(脫水的)或水漿性的。在一優(yōu)選實施方案中，選育的原料是木質纖維。木材是寒冷氣候下最普遍的木質纖維素物質。成功實施本發(fā)明的另一方面是將預處理工藝與用纖維素酶水解預處理的原料以生產(chǎn)葡萄糖的工藝結合起來。在一優(yōu)選實施方案中，預處理原料中至少40％纖維素由纖維素酶水解成葡萄糖。生產(chǎn)出的葡萄糖可經(jīng)提純、結晶并以固體糖包裝。或者，其可溶解成液漿以進一步處理或使用。實施例1原料中AX/NSP的測定所供原料的阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率的測定基于對原料的組分分析。該分析如下進行受檢的原料是大麥稈、小麥稈、小麥殼、燕麥殼、禾本植物、玉米莖、槭木、松木及三種玉米棒。除了燕麥殼來自Peterborough，Ontario的QuakerOats，其余的都得自Ottawa，Ontario。在Waring攪拌器內(nèi)粗磨原料，然后用Wiley研磨機經(jīng)一#20篩研磨。將原料在環(huán)境溫度下貯存于密封口袋中直至使用。小樣品的水含量為5％～10％，通過在100℃下干燥而檢測到。將大約0.3g的樣品置入試管，每個試管都含有5ml70％的硫酸。將試管渦旋混合，蓋蓋并置于50℃水浴中一小時，每10分鐘劇烈渦旋一次。經(jīng)1小時保溫后，將試管內(nèi)容物轉入含195ml去離子水的預秤重的250ml的燒瓶中，其使酸含量降至1.75％。將內(nèi)容物混合，然后將10g等份轉入試管中。渦旋混合試管然后將其轉至一蒸汽高壓滅菌器中，在121℃下保持1小時。高壓滅菌后，用少量碳酸鋇將溶液內(nèi)容物中和，然后在玻璃微纖維濾紙上真空抽濾。用DionexPulse-AmperametricHPLC測定濾過物中葡萄糖，木糖及阿拉伯糖的濃度，然后將這些測量值與原料初始樣品的重量相關并分別以原料中葡聚糖、木聚糖及阿拉伯聚糖含量表示，根據(jù)(1)使聚合物產(chǎn)生單體的水合作用的水，(2)由濃酸破壞的物質的量進行微調，其可通過采用純纖維素、木糖及阿拉伯糖對照來測定。檢測可用三份進行并報告其平均值。纖維素含量是通過在總葡聚糖中減去淀粉含量而測定的。淀粉含量的測定是通過向含20ml去離子水，0.2ml的91.7g/LCaCl2·2H2O貯存液及50微升的1∶100的Sigmaα-淀粉酶#A3403的去離子水溶液的250ml燒瓶中加入1gWiley-研磨的原料而進行的。將每個燒瓶用稀氫氧化鈉將pH調至6.4-6.6，然后在一沸水浴中將其溫育1小時。在另加入50ml淀粉酶后將燒瓶在蒸汽高壓滅菌器中在121℃下溫育30分鐘。最終，在燒瓶中再加入50ml淀粉酶，再在沸水浴中溫育60分鐘。然后將燒瓶冷卻至室溫，并用稀鹽酸將pH值調至4.2-4.4。加入0.5mlNovoSpritamylase貯存液，貯存液由100ml去離子水及3g酶組成。以150RPM在50℃將燒瓶振蕩20小時。將后將燒瓶冷卻，并將其內(nèi)容物經(jīng)玻璃微纖維濾紙過濾。然后用YellowSpringsInstrument(YSI)葡糖分析儀測葡萄糖濃度，并考慮水解淀粉所需水用于檢測原料中淀粉含量。原料中蛋白質及灰分含量的測定可通過凱氏定氮法及灰分烘箱法進行。樣品中木質素含量的測定是通過測定在對原料進行硫酸處理后仍保留的不溶固體量，然后減去灰分量而得。這些結果示于表1?；厥瘴镌?42～1019mg/g初始固體物之間。其相當于84.2％(重)～101.9％(重)的初始物，是這些系統(tǒng)中典型的物料衡算。表1原料的組成</tables>(1)總重＝葡聚糖+木聚糖+阿拉伯聚糖+木質素+灰分+蛋白質(2)ND＝未測原料的AX/NSP示于表2。在11種分析的原料中，有4種其AX/NSP大于0.39。這些原料包括燕麥殼及玉米。其余的7種原料的AX/NSP小于約0.39。表2原料的AX/NSP組成(1)纖維素＝葡聚糖-淀粉(2)AX＝木聚糖+阿拉伯聚糖(3)NSP＝木聚糖+阿拉伯聚糖+纖維素實施例2一種酶的纖維素酶活性測定一種酶的纖維素酶活性的測定是使用如下Ghose，PUREANDAPPL.CHEM.59257-268(1987)所述步驟。將一片50mg的Whatman#1濾紙置于每個含有1ml50mM檸檬酸鈉緩沖液pH4.8的試管上。將濾紙卷起并將試管渦旋使濾紙混入液體中。制備在50mM檸檬酸鈉緩沖液，pH4.8中起始濃度的1∶200～1∶1600濃度范圍之間的一系列稀釋酶。將稀釋酶貯液及底物分別預熱至50℃，然后將每種稀釋酶貯液的0.5ml等份與底物置入試管中。在50℃下將試管溫育60分鐘。經(jīng)在每試管中加入3ml二硝基水楊酸(DNS)試劑并煮沸10分鐘而使反應終止。在每個試管中加入Rochelle鹽及去離子水以顯色還原糖和DNS試劑之間的反應。測定由每種酶的樣品產(chǎn)生的糖的量，計入酶及濾紙的背景，并將每試管中糖的量與經(jīng)反應產(chǎn)生的已知糖標準相對比。濾紙活性單位定義為每分鐘產(chǎn)生的糖的微摩爾數(shù)。用產(chǎn)生2mg糖所需的酶量計算活性。發(fā)現(xiàn)Iogen纖維素酶樣品每ml具有140濾紙單位，如表3所示表3-Iogen纖維素酶的濾紙活性產(chǎn)生2mg糖所需酶量(ml)酶活性(FPU/ml)0.00264140.0實施例3原料的適度預處理反應該實施例介紹了在對原料進行適度預處理即主要分解半纖維素之后，原料的對照性能。這種其自身的預處理反應不是最優(yōu)化的，但是其可以是兩步預處理反應的第一步。這個適度反應說明了利用AX/NSP表示原料在乙醇生產(chǎn)中的合適性。優(yōu)化的預處理反應見稍后實施例所述。將4g實施例1中的經(jīng)Wiley研磨過的樣品置于在250ml燒瓶內(nèi)的96g1％硫酸(pH0.6～0.9)中。將燒瓶內(nèi)容物充分混合，然后將燒瓶置于121℃蒸汽高壓滅菌器中1小時。后將燒瓶冷卻，并經(jīng)玻璃微纖維濾紙真空抽濾。用碳酸鋇中和并用DionexPulsed-AmperometricHPLC分析以檢測選定的濾液中的葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的濃度。用自來水沖洗濾紙上的結塊物，并在空氣中干燥。用實施例1所述的方法。將該固體物等份溶于70％硫酸中，用以檢測其中纖維素，木聚糖和阿拉伯聚糖的濃度。反應對所選的原料中纖維素及半纖維素水平的影響如表4所示。在所有情況下，少量(小于8％)的纖維素被水解，而超過70％的半纖維素被水解。表4在121℃的預處理反應對不同原料的影響</tables>隨后將所有11種原料用纖維素酶水解。將相應于0.2g纖維素的預處理的固體樣品加入含19.8g0.05M檸檬酸鈉緩沖液，pH5.0的250ml燒瓶中，將Iogen纖維素酶(標化至140FPU/ml)和Novozym188β-葡糖苷酶(1440BGU/ml)以相應于9FPU/g纖維素及125BGU/g纖維素的量加入至燒瓶中。少量與β-葡糖苷酶一起加入至燒瓶中的葡萄糖計算在內(nèi)。將每個燒瓶在50℃置于NewBrunswick旋轉搖床上并以250RPM搖動20小時。在這個階段末期，將燒瓶內(nèi)容物經(jīng)玻璃微纖維濾紙過濾，并用YSI葡糖分析儀測定濾液中葡萄糖濃度。將葡萄糖濃度與預處理原料的纖維素濃度相關聯(lián)以確定纖維素的轉化。圖1是依據(jù)實施例3，作為AX/NSP函數(shù)的某些原料在平均溫度121℃的纖維素轉化圖解。如圖1所示，令人驚奇的是，經(jīng)這種特定的預處理反應纖維素轉化隨初始原料的AX/NSP呈線性提高。具有最高AX/NSP的四種原料(燕麥殼及三種玉米棒)具有最高的轉化為葡萄糖的能力。這些結果表明，原料的AX/NSP越高，經(jīng)預處理后原料越適于乙醇的生產(chǎn)。實施例4原料的高效預處理反應該實施例介紹了在預處理反應后原料的對照性能。該預處理反應是在隨后纖維素水解中呈最佳性能的條件下進行的。來自實施例1的0.28gWiley研磨的樣品被置于密閉的不銹鋼“彈式反應器”中的7g1％硫酸(pH0.6-0.9)中。高壓反應器的容積為9ml。對于任一個試驗，準備5個等含量的彈式反應器，且將反應產(chǎn)物合并以產(chǎn)生足夠量。將彈式反應器置入一預熱的290℃的油浴中50秒鐘，然后取出并置入自來水中冷卻。溫差電偶測定結果顯示在加熱階段末期彈式反應器的內(nèi)部溫度達到260℃。平均等效溫度為235℃。經(jīng)用自來水漂洗取出彈式反應器內(nèi)容物，然后經(jīng)玻璃微纖維濾紙真空抽濾。用自來水沖洗過濾結塊物并在空氣中干燥。如實施例1所述將結塊物溶于70％硫酸中檢測其纖維素濃度。隨后將反應過的原料用纖維素酶水解。將相應于0.05g纖維素的反應固體樣品加入含4.9g0.05M檸檬酸鈉緩沖液，pH4.8的250ml燒瓶中。在燒瓶中加入相應于9FPU/g纖維素和125BGU/g纖維素量的Iogen纖維素酶(140FPU/ml)和Novozym188β-葡糖苷酶(1440GBU/ml)，要計入與β-葡糖苷酶一起帶至燒瓶中的少量葡萄糖。將每個燒瓶放在50℃Orbit旋轉搖床上并以250RPM搖動20小時。在該階段末期，將燒瓶內(nèi)容物經(jīng)玻璃微原纖維濾紙過濾，濾液中葡萄糖濃度經(jīng)DionexPulsed-AmperomctricHPLC測定。將葡萄糖濃度與預處理原料中纖維素濃度相關以確定纖維素的轉化。圖2是依據(jù)實施例4，作為AX/NSP函數(shù)的某些原料在平均溫度235℃的纖維素轉化圖解。如在121℃的反應，圖2呈現(xiàn)纖維素的轉化隨初始原料的AX/NSP呈線性提高。具有最高AX/NSP的四種原料(燕麥殼及三種玉米棒)，觀測到它們的纖維素轉化水平最高，大約有超過65％的纖維素水解為葡萄糖。這些結果表明原料的AX/NSP越高，則在高效預處理之后原料越適于乙醇的生產(chǎn)。表5示出達到80％轉化為葡萄糖所需纖維素酶量。所需酶量是確定乙醇生產(chǎn)工藝可行性的關鍵因素，表5的數(shù)據(jù)來自圖2所示結果加上其它描述作為纖維素酶劑量的函數(shù)的纖維素轉化數(shù)據(jù)。最高的四種原料，包括燕麥殼及玉米棒，比次佳原料小麥殼在將纖維素轉化為葡萄糖時，所需的纖維素酶要少23％～68％。最高的四種原料具有比其它試驗原料好得多的性能。最高四種原料的AX/NSP大于0.39，而其它原料的AX/NSP低于該值。這數(shù)據(jù)表明AX/NSP大于0.39的原料所需纖維素酶較少，酶的低需求量是乙酸生產(chǎn)工藝的顯著優(yōu)勢。表5纖維素酶需求量</tables>實施例5燕麥殼的二步預處理反應該實施例介紹燕麥殼二步預處理反應的使用，第一步溫和處理后接第二步較劇烈處理。在第一步，將4g來自實施例1的經(jīng)Wiley研磨的原料樣品置于250ml燒瓶內(nèi)的96g1％硫酸(pH0.6～0.9)中。將燒瓶內(nèi)容物充分混合，然后將燒瓶置于蒸汽高壓滅菌器中在121℃處理40分鐘。然后將燒瓶冷卻并經(jīng)玻璃微原纖維濾紙真空抽濾。用碳酸鋇中和并用DionexPulsed-AmperometricHPLC分析樣品以檢測濾液中葡萄糖，木糖及阿拉伯糖濃度。用自來水沖洗濾物塊并在空氣中干燥。如實施例1所述將固體物等份溶于70％硫酸中檢測其中纖維素，木聚糖及阿拉伯聚糖濃度。溫和反應對原料中纖維素及半纖維素(阿拉伯聚糖+木聚糖)水平的影響見表6所示。幾乎所有的半纖維素都溶解了，這提高了纖維素的濃度。表6溫和預處理反應后燕麥殼的組成原料燕麥殼纖維素(％)半纖維素(％)預處理前27.922.0預處理后39.53.0在溫和處理條件下將0.28g反應的原料樣品置入如實施例4所述不銹鋼彈式反應器中的7g1％硫酸(pH0.6～0.9)中。準備5個等含量彈式反應器并將反應產(chǎn)物合并以得到足夠量。將彈式反應器置入預熱至290℃的油浴中50秒鐘，然后取出并置于自來水中冷卻。用自來水漂洗除下容器內(nèi)容物，然后經(jīng)玻璃微原纖維濾紙真空抽濾。用自來水沖洗濾物塊并在空氣中干燥。如實施例1所述將濾物塊等份溶于70％硫酸中以檢測其中纖維素濃度。在一級或二級預處理反應后，如下用纖維素酶將各種原料水解。將相應于0.05g纖維素的預處理固體樣品加入含4.9g0.05M檸檬酸鈉緩沖液pH4.8的25ml燒瓶中。以相應于10FPU/g纖維素及125BGU/g纖維素量的Iogen纖維素酶(140FPU/ml)和Novozym188β-葡糖苷酶(1440BGU/ml)加入到燒瓶中。要計入隨β-葡糖苷酶帶至燒瓶中的少量葡萄糖。將每個燒瓶在50℃置于Orbit搖床上以250RPM搖動20分鐘。在該階段末期將燒瓶內(nèi)容物經(jīng)玻璃微原纖維濾紙過濾，用DionexPulsed-AmperometricHPLC測定濾物中葡萄糖濃度。將葡萄糖含量與預處理的原料中纖維素濃度相關以確定葡萄糖產(chǎn)量。結果見表7。在第一步反應后，在燕麥殼中殘留少量半纖維素。在纖維素被纖維素酶水解后葡萄糖產(chǎn)量僅為340mg/g。在第二步預處理反應后，葡萄糖產(chǎn)量比第一步高85％，因而第二步預處理反應提供了水解性能的明顯增強。二步預處理使葡萄糖產(chǎn)量在如實施例4所述燕麥殼的單步反應后的產(chǎn)量少6％之內(nèi)。這些結果明顯與Knappert等的教導相反，他們斷定低半纖維素含量的物質在預處理之后不具備改善的由纖維素酶的可消化性。在本實施例，經(jīng)第一步反應之后燕麥殼中只有極少量半纖維素殘留，但第二步反應明顯地提高了其可消化性。Knappert等教導，如此低半纖維素的物質對預處理沒有較良好反應。本發(fā)明的教導正相反。表7燕麥殼的二步預處理反應實施例6燕麥殼的大規(guī)模預處理使用Werner-Pflederer雙螺桿擠出機(Ramsey，NJ)進行燕麥殼大規(guī)模預處理。在Wiley研磨機內(nèi)研磨之后，將燕麥殼用1％硫酸(pH0.7～1.2)漿化為30％固體的濃度。以每小時10磅的速度及壓力為500psig將漿液填入擠出機。向擠出機內(nèi)注入新蒸汽而使之保持在230℃。在平均速度下，物質在30秒內(nèi)經(jīng)過擠出機。收集擠出的燕麥殼并用水沖洗以除去溶解物，然后經(jīng)玻璃微原纖維濾紙過濾。用實施例1的方法測定擠出的燕麥殼的纖維素含量。隨后用纖維素酶將擠出的燕麥殼水解。將相應于0.05g纖維素的擠出的燕麥殼樣品加入含4.9g0.05MpH4.8的檸檬酸鈉緩沖液的25ml燒瓶中。以相應于9FPU/g纖維素和125BGU/g纖維素的量的Iogen纖維素酶(140FPU/ml)和Novozym188β-葡糖苷酶(1140BGU/ml)加入燒瓶中。隨葡糖苷酶帶至燒瓶中的少量葡萄糖要計入。將每個燒瓶置于50℃Oribit旋轉搖床上，并以250RPM搖動20小時。在該階段末期，將燒瓶內(nèi)容物經(jīng)玻璃微原纖維濾紙過濾，并用DionexPulse-AmperometricHPLC測定濾液中葡萄糖濃度。將葡萄糖濃度與擠出的燕麥殼的纖維素濃度相關以確定葡萄糖產(chǎn)量。結果見表8。大規(guī)模燕麥殼的預處理反應的葡萄糖產(chǎn)量比實施例4的實驗室規(guī)模預處理的產(chǎn)量略少(8％)。這表明可以進行大規(guī)模燕麥殼預處理反應，這是由于擠出機運轉的優(yōu)化毫無疑問可以克服實驗室預處理反應的8％的優(yōu)勢。表8產(chǎn)生自預處理燕麥殼的葡萄糖產(chǎn)量預處理葡萄糖(mg/g纖維素)擠出機630彈式反應器(實施例4)685實施例7硬木的大規(guī)模預處理用蒸汽爆炸方法及FOODY，US專利4,461,648所述技術預處理楊木樣品。用水沖洗所得預處理物并命名為“蒸汽分解的硬木”。用實施例1的方法測定蒸汽分解的硬木的纖維素含量。隨后用纖維素酶將蒸汽分解的硬木水解。將相應于0.05g纖維素的蒸汽分解硬木樣品加入含4.9g0.05MpH4.8的檸檬酸鈉緩沖液的25ml燒瓶中。將相應于9FPU/g纖維素和125BGU/g纖維素的量的Iogen纖維素酶(140FPU/ml)和Novozym188β-葡糖苷酶(1440BGU/ml)加入燒瓶中。要計入隨β-葡糖苷酶帶至燒瓶中的少量葡萄糖。將每個燒瓶置于50℃Orbit旋轉搖床上，并以250RPM搖動20小時。在該階段末期將燒瓶內(nèi)容物用玻璃微原纖維濾紙過濾，并用DionexPulsed-AmperometricHPLC測定濾物中葡萄糖濃度。將葡萄糖濃度與蒸汽分解硬木的纖維素濃度相關以確定葡萄糖產(chǎn)量。結果見表9。用大規(guī)模方法反應的硬木的產(chǎn)量與實驗室規(guī)模的產(chǎn)量相差2％(重)。在此情況下蒸汽爆炸的大規(guī)模應用大大地優(yōu)化且能勝過實驗室結果。表9硬木的預處理反應方法葡萄糖產(chǎn)量(mg/g纖維素)蒸汽爆炸415實驗室(實施例4)425實施例8溫度對燕麥殼單步及二步預處理反應的影響實施例介紹在燕麥殼的單步及二步預處理反應中溫度范圍的使用。在單步預處理反應，將0.28g燕麥殼樣品置于實施例4所述密閉不銹鋼彈式反應器中的7g1％硫酸(pH0.6)中。準備5個等含量彈式反應器并將反應產(chǎn)物合并以得到足夠量。將彈式反應器置入預熱的油浴中，然后取出并置入自來水中冷卻。在油浴中的溫度及時間如下(1)235℃，50秒；(2)180℃，6分鐘；(3)170℃，8分鐘。用自來水漂洗以除下容器內(nèi)容物，然后經(jīng)玻璃微原纖維濾紙真空抽濾。用自來水洗濾物塊并在空氣中干燥。如實施例1所述將濾物塊等份溶于70％硫酸中以檢測其中纖維素濃度。對于二步預處理反應，第一步是將4gWiley研磨的燕麥殼樣品置入含96g1％硫酸(pH0.6)的250ml燒瓶。將燒瓶內(nèi)容物輕輕混合，然后將燒瓶置于蒸汽高壓處理器中在121℃處理40分鐘。將燒瓶冷卻并用玻璃微原纖維濾紙真空抽濾。用自來水沖洗濾物塊并在空氣中干燥。如實施例1所述將濾物塊等分溶于70％硫酸中以檢測其纖維素、木聚糖及阿拉伯聚糖濃度。第二步反應的進行是將0.28g來自第一步反應的物質置入如實施例4所述密封不銹鋼“彈式反應器”中的7g1％硫酸(pH0.6)中。準備5個等含量彈式反應器并將反應產(chǎn)物合并以獲得足夠量。將彈式反應器置于預熱的油浴中，然后取出并將其置入自來水中冷卻。在油浴中的溫度及時間與單步反應類似(1)235℃，50秒；(2)180℃，6分鐘；(3)170℃，8分鐘。經(jīng)用自來水漂洗除下容器內(nèi)容物，然后將其經(jīng)玻璃微原纖維濾紙真空抽濾。用自來水洗下濾物塊并在空氣中干燥。如實施例所述將濾物塊等分溶于70％硫酸中，以檢測其中纖維素濃度。將一步或二步反應后的原料用纖維素酶水解。將相應于0.05g纖維素的反應后固體樣品置于含4.9g0.05M檸檬酸鈉緩沖液pH4.8的25ml燒瓶中。向燒瓶內(nèi)加入相應于9FPU/g纖維素及125BGU/g纖維素的量的IOGEN纖維素酶(140FPU/ml)及NOVOZYM188β-葡糖苷酶(1440BGU/ml)。要計入隨葡糖苷酶帶至燒瓶中的少量葡萄糖。將每個燒瓶在50℃置于Orbit旋轉搖床上并以250RPM搖動20小時。在該階段末期，用玻璃微原纖維濾紙過濾燒瓶內(nèi)容物，并用DionexPulsed-AmperometricHPLC測定濾物中葡萄糖濃度。將葡萄糖濃度與預處理原料中纖維素濃度相關以確定葡萄糖產(chǎn)量。結果見表10。使用單步反應，葡萄糖產(chǎn)量在180℃幾乎與在最適溫度相同。隨著溫度由180℃降至170℃，葡萄糖產(chǎn)量下降。二步反應與單步預處理反應具有相同溫度曲線，在180℃和最適溫度有相似性能，且低于180℃時性能下降。葡萄糖產(chǎn)量在二步反應比在單步反應低15％。表10溫度對燕麥殼的葡萄糖產(chǎn)量的影響本發(fā)明的優(yōu)選實施方案已呈現(xiàn)并加以敘述，本發(fā)明僅限于權利要求書的范圍內(nèi)，包括本領域普通技術人員能想到并未被現(xiàn)有技術所預示的每一權利要求引述元素的任何等價物。權利要求1.一種改良的預處理待轉化為燃料乙醇的木質纖維素原料的方法，包括以下步驟a、選擇至少含有半纖維素及纖維素，且特征在于阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39的原料；b、將經(jīng)選擇的原料在破壞其纖維結構并實現(xiàn)半纖維素及纖維素部分水解的條件下反應，以產(chǎn)生在被纖維素酶處理期間具有增高的可消化性的預處理原料。2.如權利要求1所述的方法，其中將經(jīng)選擇的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒～60分鐘。3.如權利要求1所述的方法，其中將經(jīng)選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒～120秒。4.如權利要求1所述的方法，其中反應步驟以二步進行，第一步反應平均溫度在180℃以下，而第二步反應平均溫度高于180℃。5.如權利要求4所述的方法，其中第一步反應是在平均溫度60℃～140℃，pH0.5～2.5下處理0.25～24小時。6.如權利要求5所述的方法，其中第一步反應是在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下處理0.5～3小時。7.如權利要求4所述的方法，其中第二步反應是將經(jīng)選擇的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒～60分鐘。8.如權利要求7所述的方法，其中第二步反應是將經(jīng)選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒～120秒。9.如權利要求1所述的方法，其中原料在反應階段與水混合成漿。10.如權利要求1所述的方法，其中在反應階段原料不另加水分。11.如權利要求1所述的方法，其中反應步驟用蒸汽爆炸或擠出裝置進行。12.一種改良的將木質纖維素原料轉化為乙醇的方法，包括以下步驟a、選擇至少含有半纖維素及纖維素，且特征在于阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39的原料；b、將經(jīng)選擇的原料在破壞纖維結構及實現(xiàn)半纖維素及纖維素部分水解的條件下反應，從而產(chǎn)生在用纖維素酶處理期間具有增高的可消化性的預處理原料；c、用纖維素酶將預處理原料水解成糖；d、將所得糖發(fā)酵為乙醇；e、回收乙醇。13.如權利要求12的方法，其中反應步驟的進行是將經(jīng)選擇的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒～60分鐘，隨后用1.0～10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶將纖維素酶促水解。14.如權利要求13的方法，其中反應步驟的進行是將經(jīng)選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至120秒，隨后用1.0～10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶將纖維素酶促水解。15.如權利要求12的方法，其中反應步驟分二步進行，第一步反應平均溫度低于180℃，第二步反應平均溫度高于180℃。16.如權利要求15的方法，其中第一步反應是在平均溫度60℃～140℃，pH0.5～2.5下進行0.25～24小時。17.如權利要求16的方法，其中第一步反應是在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下進行0.5至3小時。18.如權利要求15的方法，其中第二步反應是將經(jīng)選擇的原料在180℃-270℃，pH0.5-2.5下處理5秒至60分鐘，隨后用1.0-10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶將纖維素酶促水解。19.如權利要求15的方法，其中第二步反應是將經(jīng)選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至120秒，隨后用1.0～10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶將纖維素酶促水解。20.如權利要求12的方法，其中原料在反應期間與水混合成漿。21.如權利要求12的方法，其中原料在反應階段不另加水分。22.如權利要求12的方法，其中用蒸汽爆炸或擠出裝置進行預處理。23.如權利要求12的方法，其中纖維素水解步驟與乙醇發(fā)酵步驟是同時進行的。24.一種改良的預處理待轉化為燃料乙醇的木質纖維素原料的方法，包括以下步驟a、選擇經(jīng)選育的原料，其至少包括半纖維素及纖維素且其阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)比原始原料提高；b、將選育的原料在破壞纖維結構及實現(xiàn)半纖維素及纖維素部分水解的條件下反應，以產(chǎn)生在經(jīng)纖維素酶處理期間具有提高的可消化性的預處理原料。25.如權利要求24的方法，其中選擇繁殖的原料的AX/NSP大于0.39。26.如權利要求25的方法，其中反應步驟的進行是將選育的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至60分鐘。27.如權利要求25的方法，其中反應步驟的進行是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至120秒。28.如權利要求25的方法，其中反應步驟以二步進行，第一步反應平均溫度低于180℃而第二步反應平均溫度高于180℃。29.如權利要求28的方法，其中第一步反應是在平均溫度60℃-140℃，pH0.5-2.5下進行0.25-24小時。30.如權利要求28的方法，其中第一步反應是在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下進行0.5～3小時。31.如權利要求28的方法，其中第二步反應是將選育的原料在平均溫度180℃～270℃下處理5秒～60分鐘。32.如權利要求28的方法，其中第二步反應是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5～120秒。33.如權利要求24的方法，其中選育的原料在反應期間與水混合成漿。34.如權利要求24的方法，其中選育的原料在反應期間不另加水分。35.如權利要求24的方法，其中預處理是在反應期間用蒸汽爆炸或擠出裝置進行。36.一種將木質纖維素原料轉化為乙醇的方法，包括以下步驟a、選擇經(jīng)選育的原料，其至少含有半纖維素及纖維素，且其阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)比原始原料高；以及b、將選育的原料在破壞纖維結構及實現(xiàn)半纖維素和纖維素部分水解的條件下反應，以產(chǎn)生在纖維素酶處理期間具有增高的可消化性的預處理原料；c、用纖維素酶將預處理原料水解為糖；d、將所得糖發(fā)酵為乙醇；e、回收乙醇。37.如權利要求36的方法，其中經(jīng)選育的原料的AX/NSP高于0.39。38.如權利要求37的方法，其中反應步驟的進行是將選育的原料在平均溫度180～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至60分鐘，并用1.0～10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶進行水解。39.如權利要求37的方法，其中反應步驟的進行是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5～120秒，并用1.0～10.0濾紙單位(FPU)/g纖維素的纖維素酶進行水解。40.如權利要求37的方法，其中反應以二步進行，第一步反應平均溫度低于180℃，第二步反應平均溫度高于180℃。41.如權利要求40的方法，其中第一步反應在平均溫度60℃-140℃，pH0.5～2.5下進行0.25～24小時。42.如權利要求40的方法，其中第一步反應在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下進行0.5～3小時。43.如權利要求40的方法，其中第二步反應是將選育的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至60分鐘。44.如權利要求40的方法，其中第二步反應是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至120分鐘。45.如權利要求36的方法，其中選育的原料在反應期間與水混合成漿。46.如權利要求36的方法，其中選育的原料在反應期間不另加水份。47.如權利要求36的方法，其中預處理在反應期間以蒸汽爆炸或擠出裝置進行。48.如權利要求36的方法，其中水解步驟與發(fā)酵步驟是同時進行的。49.一種改良的將木質纖維素轉化為葡萄糖的方法，包括以下步驟a、選擇一種原料，其至少含有半纖維素及纖維素，且特征在于阿拉伯糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39；b、將經(jīng)選擇的原料在破壞纖維結構并實現(xiàn)半纖維素及纖維素部分水解的條件下反應，以產(chǎn)生在用纖維素酶處理期間具有增高的可消化性的預處理的原料c、用纖維素酶將預處理原料中至少40％的纖維素水解為葡萄糖。50.如權利要求49的方法，其中反應的進行是將選擇的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至60分鐘，隨后以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)的纖維素酶將纖維素進行酶水解。51.如權利要求49的方法，其中反應的進行是將選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至120秒，隨后以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)的纖維素酶將纖維素進行酶水解。52.如權利要求49的方法，其中反應以二步進行，第一步反應平均溫度低于180℃，第二步反應平均溫度高于180℃。53.如權利要求52的方法，其中第一步反應在平均溫度60℃～140℃，pH0.5～2.5下反應0.25～24小時。54.如權利要求52的方法，其中第一步反應在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下進行0.5～3小時。55.如權利要求52的方法，其中第二步反應是將選擇的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下處理5秒至60分鐘，并隨后以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)纖維素酶將纖維素水解。56.如權利要求52的方法，其中第二步反應是將選擇的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下進行5秒至120秒，隨后以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)的纖維素酶將纖維素水解。57.如權利要求49的方法，其中原料在反應期間與水混合成漿。58.如權利要求49的方法，其中原料在反應期間不另加水分。59.如權利要求49的方法，其中反應步驟在蒸汽爆炸或擠出裝置中進行。60.一種改良的將木質纖維素轉化為葡萄糖的方法，包括以下步驟a、選擇經(jīng)選育的原料，其至少含有半纖維素及纖維素，且其阿拉伯聚糖加木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)比初始原料高；b、將選育的原料在破壞其纖維結構及實現(xiàn)半纖維素和纖維素部分水解的條件下反應，以產(chǎn)生在用纖維素酶處理期間具有增高的可消化性的預處理原料；c、用纖維素酶將預處理的原料中至少40％的纖維素水解為葡萄糖。61.如權利要求60的方法，其中選育的原料的AX/NSP大于0.39。62.如權利要求61的方法，其中反應的進行是將選育的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至60分鐘，并以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)纖維素酶進行水解。63.如權利要求61的方法，其中反應的進行是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至120秒，并以每克纖維素用1.0～10.0濾紙單位(FPU)纖維素酶進行水解。64.如權利要求61的方法，其中反應以二步進行，第一步反應溫度180℃，第二步反應平均溫度高于180℃。65.如權利要求64的方法，其中第一步反應在平均溫度60-140℃，pH0.5～2.5下進行0.25～24小時。66.如權利要求64的方法，其中第一步反應在平均溫度100℃～130℃，pH0.5～2.5下進行0.5～3小時。67.如權利要求64的方法，其中第二步反應的進行是將選育的原料在平均溫度180℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5秒至60分鐘。68.如權利要求64的方法，其中第二步反應的進行是將選育的原料在平均溫度220℃～270℃，pH0.5～2.5下反應5至120秒。69.如權利要求60的方法，其中選育的原料在反應期間與水混合成漿。70.如權利要求60的方法，其中選育的原料在反應期間不需另加水分。71.如權利要求60的方法，其中預處理在反應期間在蒸汽爆炸或擠出裝置中進行。全文摘要一種改良的纖維素原料預處理方法,其能使經(jīng)酶處理的乙醇生產(chǎn)較經(jīng)濟。該改良的預處理方法包括選擇一種其阿拉伯木聚糖與總非淀粉多糖的比率(AX/NSP)大于0.39的原料,或一種基于其AX/NSP高于初始原料而選育的原料,并在破壞其纖維結構及將纖維素與半纖維素部分水解的條件下反應。該預處理產(chǎn)生了一種優(yōu)異的酶促水解的底物,能用較少纖維素酶生產(chǎn)比許多已知方法較多的葡萄糖。該預處理獨特地適于乙醇生產(chǎn)。優(yōu)選的AX/NSP大于0.39的原料包括燕麥殼及玉米棒。文檔編號C12P7/10GK1201832SQ9810224公開日1998年12月16日申請日期1998年6月9日優(yōu)先權日1997年6月9日發(fā)明者布萊恩·弗迪,杰弗里·S·托蘭,杰羅姆·D·伯恩斯坦申請人:埃歐金公司