專利名稱：用有機(jī)溶劑預(yù)處理生物質(zhì)以促進(jìn)酶解糖化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
提供并公開(kāi)了生產(chǎn)易于糖化的富集碳水化合物的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)的方法。具體地講，通過(guò)在存在低至中等濃度氨和一種或多種親核物質(zhì)的有機(jī)溶劑中，在高溫堿性條件下同時(shí)破碎并選擇性萃取木質(zhì)素以制備預(yù)處理的生物質(zhì)。然后，在預(yù)處理生物質(zhì)中剩余的富集碳水化合物的固體可經(jīng)過(guò)酶解糖化以獲取可發(fā)酵糖，所述可發(fā)酵糖可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理以生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。
背景技術(shù)：
纖維質(zhì)的和木質(zhì)纖維質(zhì)原料以及垃圾例如農(nóng)業(yè)殘余物、木材、林業(yè)垃圾、來(lái)自造紙業(yè)的淤渣、和市政及工業(yè)固體垃圾，提供了潛力巨大的可再生原料，用于生產(chǎn)化學(xué)制品、塑料、燃料和飼料。由纖維素、半纖維素、果膠和木質(zhì)素組成的纖維質(zhì)的和木質(zhì)纖維質(zhì)的原料以及垃圾一般用多種化學(xué)、機(jī)械和酶方法進(jìn)行處理以釋放主要的己糖和戊糖，它們?nèi)缓竽苓M(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生有用產(chǎn)物。預(yù)處理方法常用于制造較易于受纖維素酶作用的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)多糖。纖維素酶消化的其中一個(gè)主要障礙是存在木質(zhì)素、限制酶作用于其底物的障礙、以及酶非生產(chǎn)性結(jié)合的表面。因?yàn)榕c酶解糖化相關(guān)聯(lián)的高成本，希望通過(guò)滅活木質(zhì)素對(duì)酶的吸附或者完全萃取出木質(zhì)素以最小化載酶量。另一個(gè)挑戰(zhàn)是不能酶水解纖維素，這是因?yàn)槔w維素受半纖維素和木質(zhì)素的保護(hù)或是因?yàn)槠浣Y(jié)晶性。試圖克服這些挑戰(zhàn)的預(yù)處理方法包括蒸汽爆破、熱水、稀酸、氨纖維爆破、堿解(包括氨回收過(guò)濾)、氧化去木質(zhì)素和有機(jī)溶劑。以前用于處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的有機(jī)溶劑方法用于生產(chǎn)漿液或生物燃料，一般成功地除去木質(zhì)素，該方法的糖回收率、尤其是木糖回收率不高。例如在高溫下使用弱酸性乙醇-水混合物(如KOH 42重量％)從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中除去木質(zhì)素(Kleinert，T.N.， Tappi 57:99-102,1974)導(dǎo)致大量的碳水化合物損失。在95°C用稀酸水解，然后用有機(jī)溶劑萃取并用酶解糖化(Lee, Y-H.等人，Biotech. Bioeng. ,29 :572-581,1987)導(dǎo)致水解期間的大量半纖維素?fù)p失、有機(jī)溶劑萃取時(shí)的附加碳水化合物損失和酶解糖化殘余時(shí)的低收率 ( 50%的總碳水化合物)。用氣態(tài)水和甲胺處理生物質(zhì)，隨后用有機(jī)溶劑萃取并且然后用水萃取，需要三個(gè)步驟并導(dǎo)致大量碳水化合物損失(Siegfried, P.和GotZ, R.，Chem. Eng. Techno 1.， 15 =213-217,1992)。用聚胺或乙胺在水-脂肪醇混合物加催化劑中，在高溫下進(jìn)行處理需要高液體/固體比率和低濃度的醇，導(dǎo)致糖回收率、尤其是木糖回收率不高(美國(guó)專利 4597830A)。在含水堿液中的硫基乙醇酸鹽用于在高溫下處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)，隨后用熱水洗滌，該處理需要使用堿金屬或堿土金屬的氫氧化物。這種方法需要耗費(fèi)昂貴的無(wú)機(jī)離子、高重量％硫基乙醇酸鹽、以及大量水(美國(guó)專利3，490，993)。在高溫下，在硫化物/ 二硫化物的存在下用有機(jī)溶劑-水混合物進(jìn)行的處理需要高溶劑/固體比率和高硫含量，并導(dǎo)致大量碳水化合物損失(美國(guó)專利4，329，200A)。使用包含高濃度氨的含水有機(jī)溶劑在高溫下處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)(Park J. -K. 和 Phillips，J. Α.，Chem. Eng. Comm. ,65 :187-205，1988)需要在預(yù)處理時(shí)使用高液體 / 固體比率并導(dǎo)致半纖維素大量損失以及纖維素的酶解糖化不佳。以前使用方法的其他缺點(diǎn)包括分開(kāi)的己糖和戊糖液流(例如稀酸)、不充分的木質(zhì)素萃取或不能從多糖、尤其是高木質(zhì)素含量的那些原料(例如蔗渣、軟木)中分離萃取的木質(zhì)素、廢棄產(chǎn)物的處理(例如當(dāng)中和酸或堿時(shí)形成的鹽)、以及由于在洗滌步驟中的破壞或損失造成的低碳水化合物回收率。其他問(wèn)題包括高能耗、資產(chǎn)設(shè)備、和預(yù)處理催化劑回收、以及與糖化酶不相容。生物質(zhì)預(yù)處理的其中一個(gè)主要挑戰(zhàn)是經(jīng)由低成本的高效過(guò)程最大化木質(zhì)素萃取或化學(xué)中和作用(針對(duì)纖維素酶的非生產(chǎn)性結(jié)合)，同時(shí)最小化碳水化合物損失(纖維素加半纖維素)。選擇性越高，在預(yù)處理和酶解糖化后的單體糖總收率就越高。因此，需要開(kāi)發(fā)一種單步驟方法，該方法在預(yù)處理時(shí)使用大體上較低的液體/固體比率和可回收的底料，無(wú)大量半纖維素?fù)p失，纖維素的酶解糖化良好。當(dāng)前的公開(kāi)解決了這一需求。在該公開(kāi)中，使用低至中等濃度的氨在存在一種或多種親核物質(zhì)的情況下，在高溫堿性條件下進(jìn)行有機(jī)溶劑溶液-介導(dǎo)的破碎和選擇性萃取木質(zhì)素。這種高性價(jià)比的方法保持生物質(zhì)的半纖維素含量，同時(shí)選擇性地除去木質(zhì)素并生產(chǎn)富集碳水化合物的生物質(zhì)， 所述生物質(zhì)高度易于受酶解糖化。通過(guò)本文所述方法制備的預(yù)處理生物質(zhì)導(dǎo)致糖化后非常高的可發(fā)酵糖(葡萄糖，以及木糖)收率，繼而導(dǎo)致發(fā)酵后的高目標(biāo)產(chǎn)物(例如增值的化學(xué)制品和燃料)收率。令人驚訝的是，在一種或多種親核物質(zhì)的存在下使用低至中等濃度的氨導(dǎo)致木質(zhì)素破碎和萃取顯著改善，以及高碳水化合物保留，尤其是針對(duì)半纖維素更是如此。發(fā)明概述本發(fā)明提供生產(chǎn)易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)的方法，以及從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中選擇性萃取木質(zhì)素同時(shí)幾乎定量保留碳水化合物尤其是半纖維素的方法。所述方法包括用包含低至中等濃度氨和一種或多種親核物質(zhì)的有機(jī)溶劑溶液在高溫堿性條件下處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)。在預(yù)處理后，可用糖化酶聚生體進(jìn)一步處理生物質(zhì)以制備可發(fā)酵糖。這些糖可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理以生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。因此本發(fā)明提供生產(chǎn)具有高保留的半纖維素的富集碳水化合物的生物質(zhì)的方法， 所述方法包括(a)提供包含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)；(b)將(a)的所述生物質(zhì)懸浮在有機(jī)溶劑溶液中，所述溶液包含水、相對(duì)于干生物質(zhì)重量約2%至約20%的氨和一種或多種親核物質(zhì)，從而在堿性條件下形成生物質(zhì)-溶劑懸浮液；(c)將所述生物質(zhì)-溶劑懸浮液加熱到約100-220°C的溫度約5分鐘至約5小時(shí)， 從而將木質(zhì)素破碎并溶解在懸浮液中；并且(d)在(C)中加熱所述懸浮液之后加壓過(guò)濾自由液體，從而除去溶解的木質(zhì)素并從而制備具有高保留的半纖維素的富集碳水化合物的生物質(zhì)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供同時(shí)破碎并從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中選擇性萃取木質(zhì)素以制備基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)的方法，所述方法包括(a)提供1) 一定量的包含木質(zhì)素和碳水化合物的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)；2)包含約40%至約70%的乙醇水溶液的多組分溶劑溶液；3) 2% 至約 20% 的氨；4)和一種或多種親核物質(zhì)；(b)使所述生物質(zhì)與(a)的多組分溶劑溶液接觸，以形成溶劑-生物質(zhì)混合物；(c)將所述溶劑-生物質(zhì)混合物置于密封的壓力容器中，從而將(b)的所述混合物加熱到約100°C至約220°C的溫度約5分鐘至約5小時(shí)，從而將木質(zhì)素破碎并溶解在所述溶劑中；(d)通過(guò)過(guò)濾除去(C)的溶解的木質(zhì)素；以及(e)用有機(jī)溶劑洗滌所述殘余物質(zhì)，從而制備基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)。所得生物質(zhì)具有高度保守的碳水化合物內(nèi)容物，例如與如本文所述的預(yù)處理之前的生物質(zhì)相比，所述碳水化合物內(nèi)容物可大于或等于85%的所述生物質(zhì)碳水化合物。更具體地講，所得生物質(zhì)富集碳水化合物，使得與如本文所述的預(yù)處理之前生物質(zhì)中存在的碳水化合物量相比，在預(yù)處理后保留至少約50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90 %，95 %，98 %，或100 %的碳水化合物。此外，所得半纖維素內(nèi)容物被保留，使得與如本文所述的預(yù)處理之前生物質(zhì)中存在的半纖維素量相比，在預(yù)處理后至少約50 %，55 %，60%， 65%，70%，75%，80%，85%，90%，95%，98%，或 100% 的半纖維素被保留下來(lái)。尤其適用于本發(fā)明方法的原料包括但不限于柳枝稷、廢紙、來(lái)自造紙業(yè)的淤渣、玉米纖維、玉米芯、玉米殼、玉米秸稈、草、小麥、小麥秸稈、干草、大麥、大麥秸稈、稻稈、蔗渣、 甘蔗桿、黃楊、高粱、大豆、獲取自谷物加工的組分、樹(shù)、樹(shù)枝、根、葉、木屑、鋸屑、灌木和灌叢、蔬菜、水果、花、動(dòng)物糞肥以及它們的組合。發(fā)明詳述申請(qǐng)人:特別在本公開(kāi)中加入了所有引用的參考文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容。除非另行指出， 所有百分?jǐn)?shù)、份數(shù)、比率等均按重量計(jì)。商標(biāo)以大寫(xiě)體標(biāo)示。此外，當(dāng)數(shù)量、濃度或其他數(shù)值或參數(shù)以范圍、優(yōu)選范圍或優(yōu)選上限數(shù)值和優(yōu)選下限數(shù)值的列表形式給出時(shí)，它應(yīng)理解為具體地公開(kāi)由任何范圍上限或優(yōu)選數(shù)值和任何范圍下限或優(yōu)選數(shù)值的任何一對(duì)所構(gòu)成的所有范圍，而不管所述范圍是否被單獨(dú)地公開(kāi)。凡在本文中給出某一數(shù)值范圍之處，該范圍均旨在包含其端點(diǎn)，以及位于該范圍內(nèi)的所有整數(shù)和分?jǐn)?shù)，除非另行指出。當(dāng)定義一個(gè)范圍時(shí)，不旨在將本發(fā)明的范圍限定于所列舉的具體值。本發(fā)明提供處理生物質(zhì)的方法，該方法用于制備易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)以促進(jìn)隨后的酶解糖化步驟。使用涉及預(yù)處理步驟的方法，所述預(yù)處理步驟其中同時(shí)破碎和使用有機(jī)溶劑在氨的存在下、在高溫堿性條件下萃取木質(zhì)素?？墒褂酶郊拥挠H核物質(zhì)以獲得其他有益效果。然后過(guò)濾并洗滌處理后的生物質(zhì)以除去溶解的木質(zhì)素、乙酸、乙酰胺、烷基酰胺和過(guò)多的試劑，隨后用糖化酶聚生體消化以制備可發(fā)酵糖。然后可進(jìn)一步處理所述糖以產(chǎn)生一種或多種目標(biāo)產(chǎn)品。也可進(jìn)一步處理除去的木質(zhì)素并用于其他目的(例如燃燒產(chǎn)生能量)以提高效率。
^JL在該公開(kāi)中使用以下定義當(dāng)涉及溫度時(shí)，“室溫”和“環(huán)境”約15°C至約25°C之間的任何溫度。“可發(fā)酵糖”指在生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的發(fā)酵過(guò)程中糖內(nèi)容物主要包括單糖和一些二糖 (微生物可利用它們作為碳源(可存在一些多糖))?！耙子诎l(fā)酵的糖”指不需要附加耗費(fèi)的過(guò)程和/或使得發(fā)酵微生物在受抑制劑或其他可對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生不利影響的組分最小程度妨礙的情況下與所得糖接觸?！澳举|(zhì)纖維質(zhì)”指包含木質(zhì)素和纖維素的材料。木質(zhì)纖維質(zhì)材料也可包含半纖維素。在本文所述的方法中，木質(zhì)素溶解并基本上從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中除去以制備富集碳水化合物的生物質(zhì)。“半纖維素”指雜聚的支鏈碳水化合物，它與纖維素一起存在于幾乎所有植物細(xì)胞壁中。它主要由戊糖組成，大部分是木糖，但也有阿拉伯糖，通過(guò)阿拉伯糖它很多情況下被酯化成木質(zhì)素。它也能夠包含六碳糖醛酸和一些己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖以及鼠李糖。 半纖維素具有無(wú)規(guī)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度不高并且容易被稀酸或稀堿以及半纖維素酶水解。如本文所用，“高保留的半纖維素”指保留原料中存在的>85%的半纖維素。如本文所用，“溶解木質(zhì)素”指溶解在有機(jī)溶劑溶液中的木質(zhì)素?！癆l木質(zhì)素”指酸不溶的木質(zhì)素?！白詣?dòng)水解”指在存在溶劑(水或有機(jī)溶劑加上水)并且加熱，但無(wú)其他附加處理的情況下水解生物質(zhì)，例如不加入外來(lái)的酸或堿或水解酶?！袄w維質(zhì)”指包含纖維素的組合物?！澳繕?biāo)產(chǎn)物”指發(fā)酵產(chǎn)生的化學(xué)制品、燃料、或化學(xué)結(jié)構(gòu)物。產(chǎn)物按廣義使用，并且包括分子如蛋白質(zhì)，包括例如肽、酶和抗體。目標(biāo)產(chǎn)物的定義也包括乙醇和丁醇?！吧镔|(zhì)的干重”意指移除全部或基本上全部水分后的生物質(zhì)的重量。干重通常依照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)E1756-01 Gtandard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass)或紙漿與造紙工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)，Inc. (TAPPI)標(biāo)準(zhǔn)T-412 om-02 (Moisture in Pulp, Paper and Paperboard)“選擇性萃取”指在除去木質(zhì)素的同時(shí)基本上保留碳水化合物。如本文所用，“溶劑溶液”和“有機(jī)溶劑溶液”是水中的有機(jī)溶劑混合物，它包括溶解固體、液體、或氣體溶質(zhì)產(chǎn)生溶液的任何有機(jī)液體。最適用于本發(fā)明的溶劑溶液是有機(jī)溶劑如乙醇、甲醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、2-丁醇、異丁醇、叔丁醇、戊醇和己醇以及具有相同數(shù)目碳原子的二醇。它們也可包括非質(zhì)子溶劑。溶劑溶液可在混合物中包括與溶液一起的附加組分，例如溶劑溶液可包括一種或多種親核物質(zhì)。如本文所用，“生物質(zhì)”和“木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)”指任何木質(zhì)纖維質(zhì)的材料，包括纖維質(zhì)的和半纖維質(zhì)的材料，例如生物能作物、農(nóng)業(yè)殘余物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、庭院垃圾、木材、林業(yè)垃圾以及它們的組合，下文進(jìn)一步進(jìn)行描述。生物質(zhì)具有碳水化合物內(nèi)容物，其包含多糖和低聚糖，也可包含附加組分如蛋白質(zhì)和/或脂質(zhì)。如本文所用，“高度保守的”指在本文所述工序之后的木質(zhì)纖維質(zhì)材料的碳水化合物內(nèi)容物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，從本文所述方法中高度保守的碳水化合物內(nèi)容物提供了在糖化后具有最小糖收率損失的、基本上類似于理論收率的糖收率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，高度保守的碳水化合物內(nèi)容物指與如本文所述預(yù)處理之前的生物質(zhì)相比， 保存了大于或等于85%的生物質(zhì)碳水化合物。如本文所用，“預(yù)加工”指在預(yù)處理之前加工木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)。預(yù)加工是為預(yù)處理準(zhǔn)備生物質(zhì)的任何處理，例如機(jī)械碾磨和/或干燥至合適的濕度?！吧镔|(zhì)-溶劑懸浮液”指生物質(zhì)和溶劑的混合物。生物質(zhì)-溶劑溶液可包含附加組分如一種或多種烷基胺、氨、硫化物試劑等?！疤腔敝竿ㄟ^(guò)水解酶的作用主要從多糖中生產(chǎn)可發(fā)酵糖。通過(guò)纖維素酶和半纖維素酶的酶解糖化作用從預(yù)處理生物質(zhì)中生產(chǎn)可發(fā)酵糖。如本文所用，“預(yù)處理生物質(zhì)”或“生物質(zhì)預(yù)處理”指使得天然的或經(jīng)預(yù)加工的生物質(zhì)經(jīng)受化學(xué)或物理作用、或它們的任何組合，致使所述生物質(zhì)在糖化之前較易于受酶解糖化或其他水解方法的作用。例如本文受權(quán)利要求書(shū)保護(hù)的方法可稱為預(yù)處理方法，該方法有助于使得生物質(zhì)較易于受水解酶作用而被糖化。“預(yù)處理濾液”指在預(yù)處理之后與生物質(zhì)接觸的自由液體，并且其通過(guò)過(guò)濾分離。如本文所用，“預(yù)處理的生物質(zhì)”指已經(jīng)經(jīng)受化學(xué)或物理作用、或它們的任何組合的天然或經(jīng)預(yù)加工的生物質(zhì)，致使所述生物質(zhì)在糖化之前較易于受酶解糖化或其他水解方法的作用?？赏ㄟ^(guò)與環(huán)境大氣中的空氣平衡干燥生物質(zhì)進(jìn)行“風(fēng)干過(guò)濾后的生物質(zhì)”?！耙子谔腔纳镔|(zhì)”指富集碳水化合物并且更易于被纖維素酶或半纖維素酶水解以生產(chǎn)單體糖和低聚糖的生物質(zhì)，g卩，如本文所述的預(yù)處理生物質(zhì)。如本文所用，“富集碳水化合物的”指通過(guò)本文所述方法制備的生物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)本文所述方法制備的易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)具有按干燥生物質(zhì)重量計(jì)大于或等于85%的碳水化合物濃度，同時(shí)已經(jīng)除去了按干重計(jì)75%或更多的起始生物質(zhì)木質(zhì)素內(nèi)容物?！凹訜嵘镔|(zhì)懸浮液”指使得懸浮在溶劑中的生物質(zhì)溫度大于環(huán)境溫度或室溫。與本文預(yù)處理相關(guān)的溫度為約100至約220°C，或者約140至約180°C，或者在這些溫度范圍內(nèi)或接近這些溫度范圍的任何溫度?！凹訅哼^(guò)濾自由液體”指使得自由液體通過(guò)過(guò)濾器，在過(guò)濾器的反面存在壓力差
已“堿”或“在堿性條件下”指pH大于7. 0。在本發(fā)明中，“在堿性條件下”也指生物質(zhì)-溶劑懸浮液的PH等于或大于存在的親核物質(zhì)的pKa，使得這些溶液是基本上去質(zhì)子化的并且比它們的質(zhì)子化狀態(tài)反應(yīng)性更高。這些親核物質(zhì)將包括烷基胺和氨、硫醇、多硫化物以及氫硫化物(如果存在的話)?！岸r(jià)烷烴”指具有兩個(gè)開(kāi)放價(jià)態(tài)的直鏈的、支鏈的或環(huán)狀的烷烴?！疤妓衔飪?nèi)容物”指木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)樣品的干物質(zhì)百分比，其包括葡聚糖、 木聚糖和阿拉伯聚糖，并且包括來(lái)自纖維素和半纖維素的碳水化合物?！盎旧媳Ａ籼妓衔飪?nèi)容物”指在施用于木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)的預(yù)處理過(guò)程中保留最大量(例如，>85%的初始內(nèi)容物)的各種葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖?！帮L(fēng)干樣品”指已經(jīng)允許在環(huán)境溫度和使其含水量與環(huán)境空氣平衡的壓力點(diǎn)下風(fēng)干的預(yù)處理樣品，通常是> 85%的干物質(zhì)。
“基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)”指其中約彡75%的木質(zhì)素被除去的預(yù)處理樣品?！案缮镔|(zhì)”指干物質(zhì)含量為> 85%的生物質(zhì)。用于干燥生物質(zhì)的方法包括暴露在環(huán)境溫度至真空或者在大氣壓下通風(fēng)和/或在烘箱或真空爐中加熱。“多組分溶劑”指包含有機(jī)溶劑、水、和能夠化學(xué)作用于木質(zhì)素的試劑的溶劑?！皦毫θ萜鳌笔强膳鋫浠虿慌鋫鋽嚢枭镔|(zhì)/溶劑懸浮液的機(jī)構(gòu)的密封容器，其中當(dāng)加熱木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)時(shí)加正壓?！坝H核物質(zhì)”是能夠通過(guò)提供兩個(gè)成鍵電子與其反應(yīng)物形成共價(jià)鍵的化學(xué)試劑?！八猱a(chǎn)物”指與木質(zhì)纖維素生物質(zhì)接觸的液體，它包含作用于生物質(zhì)的水解反應(yīng)的產(chǎn)物(酶解或非酶解)，在這種情況下包括單體糖和低聚糖。“有機(jī)溶劑”指有機(jī)溶劑和水的混合物，它通常與生物質(zhì)接觸，并且其中木質(zhì)素或其片段是可溶解的?！懊妇凵w”或“糖化酶聚生體”是酶的集合，通常由微生物分泌，其在本發(fā)明實(shí)例中將通常包含一種或多種纖維素酶、木聚糖酶、糖苷酶、木素酶和酯酶?！皢误w糖”或“單糖”由單個(gè)戊糖或己糖單位組成，例如葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。“去木質(zhì)素”是從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中除去木質(zhì)素的行為。在本專利申請(qǐng)的情況下，去木質(zhì)素指使用有機(jī)溶劑在高溫堿性條件下，在存在氨以及任選地存在多種親核物質(zhì)的情況下破碎具有高保留碳水化合物的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)(尤其是針對(duì)半纖維素)并從中萃取木質(zhì)素?！捌扑椤笔瞧渲杏糜袡C(jī)溶劑在堿性條件下處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)，將木質(zhì)素降解成較小亞基的過(guò)程。“選擇性萃取”是通過(guò)該方法溶解破碎后的木質(zhì)素的過(guò)程，該方法用有機(jī)溶劑在堿性條件下進(jìn)行處理，留下多糖。如本文所用，“同時(shí)破碎并選擇性萃取”指在有機(jī)溶劑中進(jìn)行的破碎反應(yīng)，該反應(yīng)使得木質(zhì)素片段一從批量生物質(zhì)中釋放出來(lái)就進(jìn)入溶液。提供了預(yù)處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)以制備易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)的方法，所述生物質(zhì)具有高保留的半纖維素。這些方法提供了使得木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)組分較易于或較順應(yīng)酶解糖化的經(jīng)濟(jì)型方法。預(yù)處理可為化學(xué)處理或物理處理，或者前述方法的任何組合。在該公開(kāi)中預(yù)處理在存在NH3并且任選地存在附加堿的情況下進(jìn)行。存在的有機(jī)溶劑和堿性條件有助于木質(zhì)素的破碎和除去以及碳水化合物的回收。此外，本公開(kāi)中所述的方法最小化預(yù)處理過(guò)程中的碳水化合物損失并最大化糖化中溶解(單體+低聚)糖的收率。如上文所公開(kāi)的那樣，本文所述方法包括用包含低至中等濃度的氨和如下文所述的一種或多種親核物質(zhì)的溶劑溶液預(yù)處理木質(zhì)纖維質(zhì)材料，從而制備易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)具有高保留的半纖維素。翻本文所述方法包括使用有機(jī)溶劑溶液預(yù)處理生物質(zhì)以及特異性地破碎并萃取木質(zhì)素。本發(fā)明方法中使用的溶劑在本領(lǐng)域中很多情況下稱為有機(jī)溶劑(Organosolv)(例如 E. Muurinen(2000)Organosolv Pulping，A review and distillation study related to peroxyacid pulping Thesis，University of Oulu，pp. 314 ；S.Aziz, K· Sarkanen，TappiJ.，72/73 :169-175,1989 ；A.K. Varsheny 和 D. Patel, J. Sci.Ind. Res. ,47 :315-319,1988 ； A.A.Shatalov 禾口 H. Pereira, BioResources 1 :45-61, 2006 ；T. N. Kleinert, Tappi J. ,57 99-102,1979 ；Practice of organosolv technology for biofuels,來(lái)自 Kleinert,它已經(jīng)進(jìn)展至試生產(chǎn)規(guī)模，據(jù)描述使用Et0H/H20(W0 20071051269)，以及X. Pan, N. Gilkes， J. Kadla, K. Pye, S. Saka, D. Gregg, K. Ehara, D. Xie, D. Lam,禾口 J. Saddler, Biotechnol. Bioeng.，94 :851-861, 2006。然而仍舊處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，據(jù)描述使用丙酮/H20，參見(jiàn)美國(guó)專利4，470，851。與使用溶劑和其他預(yù)處理方法相關(guān)的預(yù)處理技術(shù)的更多細(xì)節(jié)可見(jiàn)于Wyman 等人，(Bioresource Tech. ,96 :1959,2005) ；Wyman 等人，(Bioresource Tech. ,96 :2026, 2005) ；Hsu, ( “Pretreatment of biomass" In Handbook on Bioethanol !Production and Utilization, ffyman, Taylor 禾口 Francis Eds. ，p. 179-212,1996)；以及 Mosier 等人， (Bioresource "Tech.，96 :673，200 。本文使用溶劑預(yù)處理生物質(zhì)以除去木質(zhì)素。去木質(zhì)素通常在165-225°C下進(jìn)行，液體對(duì)生物質(zhì)的比率為4 1至20 1，使用50%有機(jī)溶劑 (ν/ν)的液體組合物，并且反應(yīng)時(shí)間為0. 5-12小時(shí)。已經(jīng)測(cè)試了許多單-和多羥基醇作為溶劑。在這些反應(yīng)中已經(jīng)使用了乙醇、丁醇和苯酚(Park, J. K.，和Phillips，J. Α.，Chem. Eng. Comm. ,65 :187-205,1988)。在本發(fā)明方法中的有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑溶液預(yù)處理可包括在經(jīng)選擇的條件參數(shù)下的水和有機(jī)溶劑的混合物，所述參數(shù)包括溫度、時(shí)間、壓力、溶劑與水的比率和固體與液體的比率。溶劑可包括但不限于醇和非質(zhì)子溶劑(不具有在羥基中結(jié)合到氧上或在氨基中結(jié)合到氮上的氫原子的溶劑，例如酮)。醇可包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇和己醇以及它們的異構(gòu)體和具有相同碳原子數(shù)的二醇，例如1，2-乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1， 3-己二醇。本發(fā)明溶液中的溶劑濃度(即水)為約2至約90% (ν/ν)，或者約10%至約85% 或約20%至約80%或約30%至約80%或更優(yōu)選地約40%至約70% (ν/ν)。具體地講，為了本文方法的實(shí)施方案，檢查約0%-80% (ν/ν)乙醇濃度的KOHWH2O混合物，并且發(fā)現(xiàn)包含40-70% (v/v) KOH的溶液是最有效的。氨氨是低成本試劑，因此提供生物質(zhì)預(yù)處理的經(jīng)濟(jì)型手段。氨在預(yù)處理期間或預(yù)處理之后也能夠回收到預(yù)處理反應(yīng)器中，從而獲得附加的經(jīng)濟(jì)有益效果。氨分成液相和蒸汽相，并且氣態(tài)氨能夠比液態(tài)更容易地?cái)U(kuò)散通過(guò)生物質(zhì)，導(dǎo)致在較低濃度下進(jìn)行更有效的預(yù)處理。例如在預(yù)處理后，當(dāng)溫度降低到適于糖化時(shí)，可任選地在真空下釋放氨氣，并且可將其回收。在連續(xù)方法中，可連續(xù)回收氨。在一個(gè)實(shí)施方案中，低至中等濃度的氨預(yù)處理提高生物質(zhì)中的碳水化合物回收率。因?yàn)镹H3與多糖鏈的還原末端形成亞胺，該反應(yīng)可能抑制在堿性ρΗ下通過(guò)“剝落”導(dǎo)致糖損失的β-消除反應(yīng)。NH3*能促進(jìn)木質(zhì)素的氨解作用，這可能隨著通過(guò)降低ΝΗ4+/ΝΗ3& PKa提高的KOH濃度而提高(提高NH3/NH4+比率)。該反應(yīng)也可減少醌甲基化物的形成。 因此加入低至中等濃度NH3的結(jié)果是在較高濃度KOH的H2O溶液預(yù)處理?xiàng)l件下進(jìn)一步增加保留的葡聚糖和木聚糖。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氨(NH3)可單獨(dú)使用，或者除NaOH之外作為溶劑溶液的附加組分使用。在本發(fā)明方法中使用的氨濃度是足以保持生物質(zhì)-氨水混合物堿性PH的最低濃度，其相對(duì)于生物質(zhì)干重最大不超過(guò)約16wt %，或約0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%， 14%，16%，18%或20%。根據(jù)本發(fā)明方法，這種低濃度氨足以進(jìn)行預(yù)處理。已經(jīng)報(bào)道了使用高濃度氨和有機(jī)溶劑的組合預(yù)處理以去木質(zhì)素(Park，J. -K.，和fillips，J. Α.，Chem. Eng. Commun.，65，187-205，1988)。這些實(shí)驗(yàn)需要在預(yù)處理時(shí)使用高液體/固體比率并導(dǎo)致半纖維素大量損失以及纖維素的酶解糖化不佳。如本文實(shí)施例3所示，當(dāng)氨與低濃度NaOH —起補(bǔ)充時(shí)，它在受權(quán)利要求書(shū)保護(hù)的方法中是較有效的。使用氨作為堿源，尤其是在本專利申請(qǐng)中公開(kāi)的低至中等濃度的氨，不存在單獨(dú)使用NaOH時(shí)不可避免的處理問(wèn)題，因?yàn)槟軌蛉菀椎鼗厥杖魏挝捶磻?yīng)的氨。此外，本公開(kāi)中所述的方法最小化預(yù)處理過(guò)程中的碳水化合物損失并最大化糖化中溶解(單體+低聚)糖的收率。如上文所公開(kāi)的那樣，本文所述方法包括用包含如下文所述組分的溶劑溶液預(yù)處理木質(zhì)纖維質(zhì)材料，從而制備易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)具有高保留的半纖維素。溶劑溶液的附加組分在一個(gè)實(shí)施方案中，可使用NaOH作為溶劑溶液的附加組分。可在KOH的H2O溶劑溶液中專門(mén)使用NaOH，并且NaOH的用途可包括加入催化劑如蒽醌到溶劑溶液中以進(jìn)一步破碎木質(zhì)素。NaOH可在多個(gè)濃度使用，例如其量為至少約0. 5至約20% (w/w生物質(zhì))。較合適的濃度包括約1至約10% (w/w生物質(zhì))。最合適的濃度為約2-8% (w/w生物質(zhì))。加入約8% (w/w生物質(zhì))的NaOH到包含20-80%乙醇水溶液(ν/ν)和 0. 5%蒽醌(AQ) (w/v) 作為木質(zhì)素破碎催化劑的溶劑中導(dǎo)致與自動(dòng)水解(僅在Κ0Η/Η20中進(jìn)行)相比，預(yù)處理中保留的木聚糖增加。本發(fā)明方法的實(shí)施方案包括包含20-80 % ν/ν乙醇的H2O溶液與2 %至20 % NH3 (w/ w生物質(zhì))和0. 5%至8% NaOH (w/w生物質(zhì))的溶劑溶液。蔗渣在40-70% EtOH的H2O (ν/ ν)溶液和6% NH3 (w/w生物質(zhì))以及2% NaOH (w/w生物質(zhì))條件下觀察到最佳回收率。觀察到木質(zhì)素萃取隨著H2O中的KOH增加而增加，這可能反映出木質(zhì)素片段的溶解度提高， 而NH3/NH4+隨著H2O中的KOH增加而增加歸因于溶劑極性的降低。用NH3加NaOH比單獨(dú)用NH3的酶解糖收率和木質(zhì)素萃取更高，這可能是前者的PH更高導(dǎo)致的結(jié)果，pH越高導(dǎo)致未質(zhì)子化的NH3濃度越高，使得越多的木質(zhì)素和半纖維素酯鍵氨解，在存在NaOH的預(yù)處理中，水解增加是由于0H—濃度更高，而減少的pH降幅是由于半纖維素乙?；乃?。根據(jù)本發(fā)明方法，含氨的有機(jī)溶劑溶液可任選地包含至少一種附加(無(wú)機(jī)的)的堿，例如氫氧化鈉(如上文所述)、碳酸鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈣和碳酸鈣?？杉尤胨鲋辽僖粋€(gè)附加的堿，加入的量使其與氨結(jié)合形成的總堿量相對(duì)于生物質(zhì)的干重小于約20 重量％百分比。優(yōu)選地一種附加堿加氨的總量為相對(duì)于生物質(zhì)干重小于約20%，或約0%， 2%,4%,6%,8%, 10%, 12%, 14%, 16%, 18 或 20%?？墒褂貌煌瑵舛鹊臒o(wú)機(jī)堿，其濃度至少為0. 5%至約16% (干生物質(zhì)重量％ )。較適用的濃度是至10%。最適用的濃度為2%至8%。木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)本文預(yù)處理的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)包括但不限于生物能作物、農(nóng)業(yè)殘余物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、來(lái)自造紙業(yè)的淤渣、庭園垃圾、木材和林業(yè)垃圾。生物質(zhì)的實(shí)例包括但不限于玉米芯、作物殘余(如玉米殼、玉米秸稈)、草、小麥、小麥秸稈、大麥、大麥秸稈、干草、稻稈、柳枝稷、廢紙、蔗渣、甘蔗桿、黃楊、高粱、大豆、獲取自谷物、樹(shù)、枝、根、葉、木屑、鋸屑、灌木和灌叢、蔬菜、水果、花和動(dòng)物糞肥的研磨物的組分。在一個(gè)實(shí)施方案中，木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)包括農(nóng)業(yè)殘余物如玉米秸稈、小麥秸稈、大麥秸稈、燕麥秸稈、稻稈、卡諾拉秸稈、和大豆秸稈；草如柳枝稷、芒草、米草、和草蘆；纖維加工殘余如玉米纖維、甜菜漿、紙漿廠殘?jiān)蛷U棄物以及蔗渣；甘蔗桿和高粱；林業(yè)垃圾如黃楊、白楊木、其他硬木、軟木和鋸屑；和消費(fèi)者用過(guò)的紙制品垃圾；以及其他作物或足夠豐富的木質(zhì)纖維質(zhì)材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，用于本發(fā)明的生物質(zhì)包括具有相對(duì)高碳水化合物含量的生物質(zhì)，它們相對(duì)密集，和/或相對(duì)易于收集、運(yùn)輸、貯存和/或處理。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，有用的生物質(zhì)包括玉米芯、玉米秸稈、蔗渣甘蔗桿、黃楊和柳枝稷。木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)可來(lái)源于單一來(lái)源，或者可包括來(lái)源于一種以上來(lái)源的混合物；例如，生物質(zhì)可包括玉米芯和玉米秸稈的混合物、或者桿或莖和葉片的混合物。在本發(fā)明的方法中，預(yù)處理期間生物質(zhì)干重為初始濃度至少約9%至約80%的生物質(zhì)-溶劑懸浮液重量。最適合的是，生物質(zhì)干重為濃度約15 %至約70 %，15 %至約60 %， 或約15%至約50%的生物質(zhì)-溶劑懸浮液重量。生物質(zhì)-溶劑懸浮液中的生物質(zhì)百分比保持高水平以降低預(yù)處理材料的總體積，減少所需的溶劑和試劑量并使得該方法更經(jīng)濟(jì)。生物質(zhì)當(dāng)從來(lái)源獲取時(shí)可直接使用，或者可經(jīng)過(guò)一些預(yù)加工，例如可向生物質(zhì)施加能量以減少尺寸、提高暴露的表面積、和/或在方法的第二步和第三步分別使得生物質(zhì)中存在的木質(zhì)素和纖維素、半纖維素、和/或低聚糖更易于受有機(jī)溶劑預(yù)處理和使用的糖化酶的作用。用于減小尺寸、增加暴露的表面積、和/或提高生物質(zhì)中存在的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、和/或低聚糖對(duì)有機(jī)溶劑預(yù)處理和對(duì)用于從預(yù)處理的生物質(zhì)中生產(chǎn)糖的糖化酶的可用性的能量裝置包括但不限于研磨、壓碎、碾磨、切碎、剁碎、盤(pán)磨、超聲波、和微波。這種能量的施加可發(fā)生于預(yù)處理之前或期間，糖化之前或期間，或它們的任何組合。在預(yù)處理之前的干燥也可通過(guò)常規(guī)手段進(jìn)行，例如暴露在環(huán)境溫度至真空或在大氣壓下通風(fēng)和/或在大氣壓下的烘箱中或真空爐中加熱。預(yù)處理?xiàng)l件在任何合適容器中用包含氨和一種和多種親核物質(zhì)的有機(jī)溶劑溶液在堿性條件下預(yù)處理生物質(zhì)。通常該容器是能耐壓的容器，具有加熱機(jī)構(gòu)和混合內(nèi)容物的機(jī)構(gòu)。可商購(gòu)獲得的容器包括例如 Zipperclave 反應(yīng)器(Autoclave Engineers, Erie, PA)、Jaygo 反應(yīng)器(Jaygo Manufacturing, Inc.，Mahwah, NJ)、和蒸汽噴射反應(yīng)器(如一般方法所述； Autoclave Engineers，Erie，PA)?？墒褂镁哂邢嗨颇芰Φ母笮头磻?yīng)器。作為另外一種選擇，生物質(zhì)和有機(jī)溶劑溶液可在容器中結(jié)合，然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)反應(yīng)器中。生物質(zhì)也可以在一個(gè)容器中進(jìn)行預(yù)處理，然后在另一個(gè)反應(yīng)器如蒸汽噴射反應(yīng)器(如一般方法所述； Autoclave Engineers, Erie, PA)中進(jìn)行進(jìn)一步處理?？稍谌魏魏线m的容器中進(jìn)行預(yù)處理反應(yīng)，例如分批反應(yīng)器或連續(xù)反應(yīng)器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在更高溫度下(超過(guò)100°c)將需要壓力容器。適宜的容器可配備如葉輪的裝置，以用于攪拌生物質(zhì)-有機(jī)溶劑混合物。反應(yīng)器設(shè)計(jì)在Lin，K.-H.，和Van Ness, H. C. (Perry, R. H.禾口 Chilton, C. H.(編輯),Chemical Engineer' s Handbook,第 5 版(1973)Chapter 4，McGraw-Hill，NY中)中進(jìn)行了討論。預(yù)處理反應(yīng)可用分批方法或連續(xù)方法進(jìn)行。在使得所述生物質(zhì)與溶劑接觸之前，可對(duì)包含生物質(zhì)的容器施加真空。通過(guò)從生物質(zhì)孔中抽出空氣，可將溶劑更好地滲透到生物質(zhì)中。施加真空的時(shí)間和施加到生物質(zhì)上的負(fù)壓的量將取決于生物質(zhì)類型，并且能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，以獲得最佳的生物質(zhì)預(yù)處理效果(通過(guò)糖化后可發(fā)酵糖的產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)量)。生物質(zhì)與溶劑一起加熱，加熱溫度為約100°C至約220°C，約150°C至200°C，約 165°C至約195°C。加熱溶液可迅速冷卻至室溫。在另一個(gè)實(shí)施方案中，生物質(zhì)加熱在約 180°C進(jìn)行。生物質(zhì)-溶劑懸浮液可加熱約5分鐘至約5小時(shí)，或者約30分鐘至約3小時(shí)， 或者更優(yōu)選地約1至2小時(shí)。用有機(jī)溶劑溶液和氨預(yù)處理生物質(zhì)在堿性條件下進(jìn)行，pH等于或大于存在的親核物質(zhì)的pKa。在這些高pH條件下，至少50%的親核物質(zhì)處于去質(zhì)子化狀態(tài)。去質(zhì)子化通常提高親核物質(zhì)的反應(yīng)性。存在的親核物質(zhì)除氨之外還能夠包括烷基胺、多硫化物(氫多硫化物)和硫化物(氫硫化物)、以及硫醇。就本文所述預(yù)處理方法而言，溫度、pH、預(yù)處理時(shí)間和反應(yīng)物濃度如有機(jī)溶劑和氨以及附加的親核物質(zhì)、生物質(zhì)濃度、生物質(zhì)類型和生物質(zhì)粒度是相關(guān)的；因此這些變量可根據(jù)每種類型生物質(zhì)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)以優(yōu)化本文所述的預(yù)處理方法。在高溫下預(yù)處理之后，加壓過(guò)濾生物質(zhì)。過(guò)濾可在冷卻之前或之后。在過(guò)濾后，可用水合有機(jī)溶劑在高溫或環(huán)境溫度下洗滌生物質(zhì)一次或多次。然后可用水洗滌或干燥以除去有機(jī)溶劑，隨后進(jìn)行糖化。干燥生物質(zhì)的方法如上所述。為了評(píng)估預(yù)處理的效果，S卩，生產(chǎn)易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)，其具有高保留的半纖維素，以及隨后的糖化(分別評(píng)估或一起評(píng)估)，可測(cè)定來(lái)源于生物質(zhì)原料的糖的理論收率并與測(cè)得的收率進(jìn)行比較。預(yù)處理效果可通過(guò)將總體系統(tǒng)性能中載酶量與其對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物收率的影響相關(guān)聯(lián)進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。進(jìn)一步加工Mt在預(yù)處理后，易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)包含有機(jī)溶劑、氨、親核物質(zhì)、 破碎并萃取的木質(zhì)素和多糖的混合物。在進(jìn)一步加工之前，可從預(yù)處理的生物質(zhì)中通過(guò)過(guò)濾和用KOH的H2O (0%至100% EtOH ν/ν)溶液洗滌樣品除去氨、親核物質(zhì)和木質(zhì)素片段。 可用水洗滌生物質(zhì)或干燥生物質(zhì)以除去Κ0Η，產(chǎn)生富集碳水化合物的、易于糖化的生物質(zhì)， 并且可使用本領(lǐng)域熟知的分析手段測(cè)定所述生物質(zhì)的葡聚糖、木聚糖和酸不溶解的木質(zhì)素內(nèi)容物的濃度。本發(fā)明的有益效果是預(yù)處理的生物質(zhì)既可用水洗滌也可干燥用于糖化。易于糖化的富集碳水化合物的生物質(zhì)具有高保留的半纖維素，它然后可在糖化酶聚生體的存在下進(jìn)一步水解以釋放水解產(chǎn)物中的低聚糖和/或單糖?？杉尤氡砻婊钚詣┤鏣ween 20或Tween 80或聚氧乙烯如PEG 2000、4000或8000 以改善糖化方法(美國(guó)專利7，354，74!3Β2，以引用方式并入本文)。將表面活性劑(例如 Tween 20)加到酶解糖化過(guò)程中常常提高單體糖釋放的速率和收率?？赡苁潜砻婊钚詣└采w在任何殘余的木質(zhì)素上，減少酶對(duì)木質(zhì)素的非生產(chǎn)性結(jié)合。供選擇的替代方法是提高預(yù)處理中的木質(zhì)素萃取或者化學(xué)性修飾木質(zhì)素使得木質(zhì)素吸附造成的酶損失減少。用于生物質(zhì)處理的糖化酶和方法參見(jiàn)Lynd，L. R.等人，(Microbiol. Mol. Biol. Rev.，66 :506-577, 2002)。糖化酶聚生體可包含一種或多種糖苷酶；糖苷酶可選自纖維素水解糖苷酶、半纖維素水解糖苷酶和淀粉水解糖苷酶。糖化酶聚生體中的其他酶可包括肽酶、脂肪酶、木素酶和酯酶。糖化酶聚生體包括一種或多種酶，所述酶主要選自但不限于“糖苷酶”類，所述酶水解二糖、低聚糖、和多糖的醚鍵，存在于廣義“水解酶”(EC 3.)的分類酶EC 3.2. 1.x中 (Enzyme Nomenclature 1992,Academic Press,San Diego,CA with Supplement 1(1993), Supplement 2 (1994)，Supplement 3 (1995，Supplement 4 (1997) and Supplement5 [分另Ij在 Eur. J. Biochem. , 223 :1-5,1994 ；Eur. J. Biochem. , 232 1-6,1995 ；Eur. J. Biochem. , 237 1-5，1996 ；Eur.J. Biochem.，2501-6,1997 ；和 Eur.J.Biochem.，264 :610-6501999 中])。 本發(fā)明的方法中可用的糖苷酶能根據(jù)它們水解的生物質(zhì)組分進(jìn)行分類。本發(fā)明的方法可用的糖苷酶包括纖維素水解糖苷酶(例如，纖維素酶、內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶)、半纖維素水解糖苷酶(例如，木聚糖酶、內(nèi)木聚糖酶、外木聚糖酶、β -木聚糖苷酶、阿拉伯糖基木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡糖醛酸酶)、 和淀粉水解糖苷酶(例如，淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、異淀粉酶)。此外，它可用于將其他活性加入糖化酶聚生體中，如肽酶(EC 3.4.x.y)、脂肪酶(EC 3. 1. 1. χ和 3. 1. 4. χ)、木素酶(EC 1. 11. 1. χ)、和阿魏酸酯酶(EC 3. 1. 1. 73)，以幫助從生物質(zhì)的其他組分中釋放多糖。本領(lǐng)域熟知生產(chǎn)多糖水解酶的微生物常常表現(xiàn)出某種活性，如纖維素降解，該活性由若干種酶或一組具有不同底物特異性的酶催化。因此，來(lái)自微生物的“纖維素酶”可包括一組酶，所有酶可有助于纖維素降解活性。取決于獲取酶時(shí)利用的純化方案，商業(yè)或非商業(yè)酶制劑，如纖維素酶，可包括多種酶。因此，本發(fā)明方法的糖化酶聚生體可包括酶活性，如“纖維素酶”，然而人們認(rèn)識(shí)到該活性可被一種以上的酶催化。糖化酶可以分離形式商購(gòu)獲得，例如Spezyme CP纖維素酶(Genencor International, Rochester,NY)和 Multifect 木聚糖酶(Genencor)。此外，糖化酶可在生物燃料植物的宿主生物中表達(dá)，包括使用重組微生物。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將懂得如何測(cè)定在復(fù)合酶中使用的酶的有效量，以及如何調(diào)節(jié)條件以獲得最佳酶活性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將懂得如何優(yōu)化在復(fù)合酶中的此類酶的所需活性，以在選擇條件下獲得給定預(yù)處理產(chǎn)物的最佳糖化效果。優(yōu)選地，糖化反應(yīng)在糖化酶的最佳溫度和pH下或接近此最佳pH和溫度的條件下進(jìn)行。在本發(fā)明的方法中糖化酶聚生體使用的最佳溫度在約15°C至約100°C的范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，最佳溫度范圍為約20°C至約80°C，最常見(jiàn)的為45-50°C。最佳pH范圍為約2至約11。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明方法中使用的糖化酶聚生體的最佳pH范圍為約4至約5. 5。糖化可進(jìn)行約若干分鐘至約120小時(shí)，優(yōu)選約若干分鐘至約48小時(shí)。反應(yīng)時(shí)間將取決于酶濃度和比活性，以及使用的底物、其濃度(即載入的固體)和環(huán)境條件如溫度和 PH0本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地決定特定底物和糖化酶聚生體使用的溫度、pH和時(shí)間的最佳條件。
糖化能分批進(jìn)行或以連續(xù)方法進(jìn)行。糖化也能一步進(jìn)行或多步進(jìn)行。例如，糖化所需的不同酶可表現(xiàn)出不同的最佳PH或溫度。能用酶在某個(gè)溫度和pH下進(jìn)行首次處理， 隨后使用不同酶在不同溫度和/或PH下進(jìn)行第二次或第三次(或更多次)處理。此外，用不同酶在連續(xù)步驟中進(jìn)行的處理可以在相同PH和/或溫度下進(jìn)行，或在不同pH和溫度下進(jìn)行，例如使用在更高PH和溫度下穩(wěn)定的和活性更高的半纖維素酶處理，隨后用在更低pH 和溫度下有活性的纖維素酶處理。糖化后來(lái)自生物質(zhì)的糖的溶解度能通過(guò)測(cè)量釋放的單糖和低聚糖進(jìn)行監(jiān)控。測(cè)量單糖和低聚糖的方法是本領(lǐng)域熟知的。例如，還原糖的濃度能使用1，3_ 二硝基水楊酸 (DNS)檢測(cè)分析法(Miller, G. L.，Anal. Chem. ,31 =426-428,1959)。作為另外一種選擇，可使用適當(dāng)?shù)闹?jīng)由HPLC測(cè)定糖，如下文所述。發(fā)酵成目標(biāo)產(chǎn)物:通過(guò)本發(fā)明方法制備的具有高保留的半纖維素、易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)可通過(guò)如上所述的酶水解以制備可發(fā)酵糖，然后可將其發(fā)酵成目標(biāo)產(chǎn)物?！鞍l(fā)酵”指任何發(fā)酵過(guò)程或包括發(fā)酵步驟的過(guò)程。目標(biāo)產(chǎn)物包括但不限于醇(例如阿拉伯糖醇、丁醇、 乙醇、甘油、甲醇、1，3_丙二醇、山梨醇、和木糖醇)；有機(jī)酸(例如乙酸、醋酮酸、己二酸、抗壞血酸、檸檬酸、2，5_ 二酮-D-葡萄糖酸、甲酸、富馬酸、葡糖二酸、葡萄糖酸、葡糖醛酸、戊二酸、3-羥基丙酸、衣康酸、乳酸、蘋(píng)果酸、丙二酸、草酸、丙酸、琥珀酸、和木質(zhì)酸)；酮(例如丙酮)；氨基酸(例如天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、賴氨酸、絲氨酸、和蘇氨酸)；氣體(例如甲烷、氫(H2)、二氧化碳(CO2)、和一氧化碳(CO))。發(fā)酵過(guò)程也包括用于消費(fèi)醇工業(yè)(例如啤酒和葡萄酒)、乳品工業(yè)(例如發(fā)酵乳產(chǎn)品)、皮革工業(yè)、和煙草工業(yè)的過(guò)程。除上文所述之外，如本文所述糖化預(yù)處理生物質(zhì)制備的糖一般來(lái)講可用于制備有機(jī)產(chǎn)品、化學(xué)制品、燃料、商品和特定化學(xué)制品如木糖、丙酮、乙酸、甘氨酸、賴氨酸、 有機(jī)酸(例如乳酸)、1，3_丙二醇、丁二醇、甘油、乙二醇、糠醛、聚羥基鏈烷酸、順式，順式-粘康酸、和動(dòng)物飼料(Lynd, L. R.，Wyman, C. E.，和 Gerngross, T. U.，Biocom. Eng.， Biotechnol. Prog. , 15 :777-793,1999 ；以及Philippidis, G. P. , Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol Production and Utilization, Wyman, C. Ε., ed. ，Taylor & Francis，Washington, D. C. ，179—212，1996 ；禾口 Ryu，D. D. Y.，以及 Mandels, Μ. , Cellulases :biosynthesis and applications, Enz.Microb. Technol. , 2 :91-102, 1980)。也可制備潛在的共生產(chǎn)品，例如從發(fā)酵碳水化合物中得到的多個(gè)有機(jī)產(chǎn)品。在預(yù)處理和發(fā)酵后保留的富含木質(zhì)素的殘余可轉(zhuǎn)化成木質(zhì)素來(lái)源的化學(xué)制品、化學(xué)結(jié)構(gòu)物或用于發(fā)電。發(fā)酵和/或糖化的常規(guī)方法是本領(lǐng)域已知的，包括但不限于糖化、發(fā)酵、分開(kāi)水解和發(fā)酵(SHF)、同步糖化和發(fā)酵(SSF)、同步糖化和共發(fā)酵(SSCF)、復(fù)合水解和發(fā)酵(HHF)、 和直接的微生物轉(zhuǎn)化(DMC)。SHF使用分開(kāi)的工序以首先酶促水解纖維素成糖如葡萄糖和木糖，然后將糖發(fā)酵成乙醇。在SSF中，將纖維素的酶促水解和葡萄糖發(fā)酵成乙醇合并成一個(gè)步驟(Philippidis，G. P.，同上)。SSCF 包括多糖的共發(fā)酵(Sheehan，J.和 Himmel，Μ.，
15Bioethanol, Biotechnol. Prog.，15 :817_827，1999)。HHF 包括在相同反應(yīng)器中進(jìn)行的兩個(gè)分開(kāi)步驟，但是溫度不同，即，高溫酶解糖化后在發(fā)酵菌種能夠承受的較低溫度下進(jìn)行 SSF。DMC將所有三個(gè)過(guò)程(纖維素酶生產(chǎn)、纖維素水解、和發(fā)酵)合并在一個(gè)步驟中(Lynd， L. R. , ffeimer, P. J. , van Zyl, W. H.,禾口 Pretorius, I. S. , Microbiol. Mol. Biol. Rev. , 66 506-577,2002)。這些方法可用于從富集碳水化合物的生物質(zhì)中制備目標(biāo)產(chǎn)物，所述生物質(zhì)具有高保留的半纖維素，通過(guò)本文所述的預(yù)處理方法制備。本方法的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所述的方法用于預(yù)處理木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)，預(yù)處理在高溫堿性條件下使用低至中等濃度的氨破碎并選擇性萃取木質(zhì)素，產(chǎn)生顯著改善的木質(zhì)素破碎效果和高碳水化合物(尤其是半纖維素)保留，因此提供獲得用于酶解糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)的高性價(jià)比方法。此類生物質(zhì)然后產(chǎn)生高收率的可發(fā)酵糖(葡萄糖、以及木糖)，它們生物轉(zhuǎn)化成增值的化學(xué)制品和燃料。當(dāng)前文獻(xiàn)中描述的有機(jī)溶劑方法的主要缺點(diǎn)在于預(yù)處理后的碳水化合物(尤其是木糖)的回收率低、需要分開(kāi)的己糖和戊糖液流、產(chǎn)生糖降解產(chǎn)物、使用大量溶劑和高資金耗費(fèi)。例如某些現(xiàn)有的方法包括使用酸性有機(jī)溶劑條件，該條件產(chǎn)生半纖維素和纖維素的水解產(chǎn)物。在酸性條件下半纖維素的不穩(wěn)定性較高，導(dǎo)致形成單體木糖降解產(chǎn)物(例如糠醛)，大量減少木糖的回收(Pan等人，同上)。在這種方法的一個(gè)版本中(Arato，C. ,Pye, Ε. K.，和 Gjennestad, G.，Appl. Biochem. Biotech. 121-124 :871-882, 2005)，將半纖維素在酸性條件下水解，并且在中和后將纖維素酶促水解。在糖化之前中和酸的需求、部分損失的木糖、和分開(kāi)的戊糖和己糖液流處理都增加了該方法的成本。此外，使用酸性條件需要在反應(yīng)器和管道中使用合金，這很大程度上增加了設(shè)備的資金成本。這一公開(kāi)描述了高選擇性方法的開(kāi)發(fā)，其中使用廉價(jià)的試劑選擇性破碎并萃取木質(zhì)素，并且半纖維素和纖維素在生物質(zhì)中保持在一起直到后期的酶解糖化。這一方法尤其允許保持高濃度的生物質(zhì)半纖維素。萃取到有機(jī)溶劑溶液中的木質(zhì)素的量為> 75%，并且殘余生物質(zhì)中的木聚糖和葡聚糖回收率接近定量，因此克服了文獻(xiàn)中描述的程序的缺點(diǎn)， 所述程序用于如上文所述的有機(jī)溶劑生物質(zhì)預(yù)處理。根據(jù)本專利申請(qǐng)所述的方法，多糖的高回收率是由于以下原因?qū)е率褂脺p少半纖維素水解和糖降解的堿性條件、使用低至中等濃度的氨阻止多糖在堿性條件下剝落、以及減少半纖維素水解并產(chǎn)生不溶性木糖低聚物的高乙醇含量的有機(jī)溶劑溶液。此外，使用的堿性條件不需要在設(shè)備中使用外來(lái)的合金，從而降低資金成本。在反應(yīng)物或產(chǎn)物中使用少量無(wú)機(jī)鹽或不使用無(wú)機(jī)鹽(例如NaOH、NaC03、 CaSO4)實(shí)施該方法導(dǎo)致與最終處理無(wú)機(jī)廢物相關(guān)聯(lián)的少量成本或無(wú)成本。未反應(yīng)的試劑 (例如Κ0Η、ΝΗ3)是可回收的，提供附加的節(jié)省成本有益效果。文獻(xiàn)中描述的許多方法使用較大的溶劑對(duì)生物質(zhì)的比率。在本發(fā)明的實(shí)例中，使用堿性條件并通過(guò)加入親核物質(zhì)基本上破碎木質(zhì)素意味著溶劑液流能夠積聚高濃度的木質(zhì)素，減少需要的大溶劑體積并同時(shí)減少痕量溶解碳水化合物的損失。最后，使用酶將殘余碳水化合物充分糖化，這可能是因?yàn)轭A(yù)處理中的高水平木質(zhì)素片段萃取、半纖維素和木質(zhì)素之間酯鍵的有效破壞、和多糖聚合程度的一些降低。使用有機(jī)溶劑改善生物質(zhì)的可潤(rùn)濕性和酶進(jìn)入底物孔中的能力。實(shí)施例胃制制··■■■、龍■仆制·下述實(shí)驗(yàn)工作的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)木質(zhì)纖維素的經(jīng)濟(jì)型預(yù)處理方法，該方法最大化預(yù)處理中的木質(zhì)素萃取和糖保留，并且制備易于糖化的、富集碳水化合物的生物質(zhì)，其具有高保留的半纖維素，可進(jìn)行進(jìn)一步加工以在酶解糖化后獲取最大的單體糖收率。采用的方法為選擇性破碎木質(zhì)素并將其萃取到合適溶劑中，同時(shí)保留固體殘余中的糖。以下實(shí)驗(yàn)顯示有機(jī)溶劑溶液的開(kāi)發(fā)，其結(jié)合存在的親核物質(zhì)如NH3用于選擇性萃取木質(zhì)素。組合存在的有機(jī)溶劑和低至中等濃度的NH3以及任選地附加堿選擇性破碎并溶解生物質(zhì)的木質(zhì)素組分， 產(chǎn)生包含高水平碳水化合物尤其是半纖維素的預(yù)處理生物質(zhì)。蔗渣在預(yù)處理前被Wiley切碎機(jī)切碎通過(guò)Imm的篩網(wǎng)。實(shí)施例中使用以下縮寫(xiě)“HPLC”為高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography)，“C”為攝氏度；“％”為百分比；“wt”為重量；“w/w”為重量比；“mL”為毫升；“0D”為外徑；“ID”為內(nèi)徑；“h”為小時(shí)；“rpm”為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)；ItOH”為乙醇；"mg/ g”為毫克每克；“g/100mL”為克每100毫升；“N”為正常值；“g”為克；“NaOH”為氫氧化鈉； “w/v”為重量體積比；“ν/ν”為體積比；“冊(cè)3”為氨；“mm”為毫米；“mL/min”為毫升每分鐘； “min”為分鐘；“mM”為毫摩爾每升。MM硫酸、氫氧化銨、乙酸、乙酰胺、酵母提取物、2-嗎啉乙磺酸(MES)、磷酸鉀、葡萄糖、木糖、胰蛋白胨、氯化鈉、檸檬酸、單甲基和二甲胺購(gòu)自Sigma-Aldrichd Louis, M0)。 Spezyme CP 禾口 Multifect CX12L 得自 Genecor (Genencor International, Palo Alto,CA), Novozyme 188 得自 Novozyme(Bagsvaerd, Denmark)。實(shí)施例1有效乙醇濃度該實(shí)施例的目標(biāo)是檢查水中的溶劑(例如乙醇)濃度在不控制PH的情況下對(duì)碳水化合物回收和木質(zhì)素溶解/萃取的效應(yīng)。將蔗渣(0. 2g，95. 78%干物質(zhì))懸浮在1. 56mL EtOH/水溶液中，該溶液包含不同濃度(從O至80% )的Κ0Η。將懸浮液載入316型不銹鋼管(1/4英寸10，3/8英寸00，4英寸長(zhǎng)度)，該管用Swagelock裝置(Penn Fluid System Technologies, Huntingdon Valley, PA)封端。將這些管子置于流化砂浴(Techne Model SBS-4,Techne Inc. ,Burlington,NJ)中并加熱到180°C 2小時(shí)，并且在室溫下將其投入水浴使其迅速冷卻。將樣品從管中移出并使用Spin-X過(guò)濾器(CostanCorning Inc. ,Corning NY)在14，OOOrpm離心過(guò)濾以除去溶解的木質(zhì)素，過(guò)濾在室溫下進(jìn)行，使用臺(tái)上離心機(jī) (Spectrifuge 16M, Labnet International he.，Edison, NJ)。保留下的每個(gè)樣品用 0. 5mL Et0H/H20洗滌Gx)，使用與180°C處理(0-80% EtOH的H2O溶液)中所用KOH濃度相同的濃度。然后在室溫下風(fēng)干樣品(干燥至 92%的干物質(zhì))，并且使用National Renewable Energy Laboratory (NREL) Tj (Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass-Version 2006,Amie Sluiter 等人，得自 NREL 網(wǎng)站)測(cè)定殘余物的葡聚糖、木聚糖和酸不溶解的木質(zhì)素含量。后續(xù)的酶解糖化將上文制備的風(fēng)干樣品以 14%的固體載量懸浮在pH 4. 6的50mM檸檬酸緩沖液中。加入的糖化酶如Spezyme CP、Multifect CX12L和Novozyme 188，其濃度分別為 6:3: 6mg/g纖維素。也加入(w/v) Tween 20和0.01% (w/v)NaN3,后者阻止微生物生長(zhǎng)。將樣品( 0. 4mL)置于其中包含兩個(gè)5mm玻璃珠的螺帽小瓶中，以250rpm在旋轉(zhuǎn)振蕩器上，在46°C培養(yǎng)。從起始點(diǎn)開(kāi)始在4h并且每隔24h的間隔移出等分試樣，并且用 0. OlN H2SO4稀釋41. 25倍用于分析。然后通過(guò)Spin-X過(guò)濾器過(guò)濾樣品，并且通過(guò)HPLC分析濾液(Agilent 系列 1100/1200，Agilent Technologies, Wilmington, DE)。使用 BioRad HPX-87H Aminex 柱(Bio-Rad Laboratories, Hercules CA 94547 分離釋放的糖，其使用 0.01N 作為流動(dòng)相，流量為0.6mL/分鐘。柱子保持在60°C。使用示差折光率檢測(cè)器檢測(cè)洗脫的糖，并且保持在。葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的保留時(shí)間分別為9. 05,9. 72和 10. 63分鐘)。表IA列出了以0% -80%的KOH濃度進(jìn)行預(yù)處理后葡聚糖和木聚糖的回收百分比和酸不溶解(Al)木質(zhì)素含量的百分比變化。蔗渣濃度為(0. 2g/l. 56mM)可變濃度 EtOH，在 180°C使用 2h。表IA籠種· 1白請(qǐng)胃翩棘細(xì)赫
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)具有高保留的半纖維素的富集碳水化合物的生物質(zhì)的方法，所述方法包括(a)提供包含木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)；(b)將(a)的生物質(zhì)懸浮在有機(jī)溶劑溶液中，所述溶液包含水、相對(duì)于干生物質(zhì)重量約 2%至約20%的氨和一種或多種親核物質(zhì)，從而在堿性條件下形成生物質(zhì)-溶劑懸浮液；(c)將所述生物質(zhì)-溶劑懸浮液加熱到約100-220°C的溫度約5分鐘至約5小時(shí)，從而將木質(zhì)素破碎并溶解在所述懸浮液中；以及(d)在(c)中加熱所述懸浮液之后加壓過(guò)濾自由液體，從而除去所述溶解的木質(zhì)素并從而制備具有高保留的半纖維素的富集碳水化合物的生物質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括(e)用溶劑溶液洗滌步驟(d)中制備的生物質(zhì)。
3.權(quán)利要求2的方法，所述方法還包括(f)用水洗滌步驟(e)后產(chǎn)生的生物質(zhì)，從而制備易于糖化的富集碳水化合物的生物質(zhì)。
4.權(quán)利要求2的方法，所述方法還包括干燥步驟(e)中制備的生物質(zhì)，從而制備易于糖化的富集碳水化合物的生物質(zhì)。
5.權(quán)利要求2或3的方法，所述方法還包括重復(fù)步驟(e)和(f)一次或多次。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述一種或多種親核物質(zhì)選自NaOH、一種或多種烷基胺、硫化物、氫硫化物、多硫化物、氫多硫化物、硫醇試劑、以及它們的組合。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述一種或多種烷基胺選自R-NH2、R2-NH、R3N、(H2N-R-NH2)、 (H2N-R(NH2)2)、(HO-R-NH2)、((HO) 2-R_NH2)、(H0-R-(NH2) 2)、(HS-R-NH2)、((HS) 2-R-NH2), (HS-R-(NH2)2)和(H2N-R(OH) (SH)以及它們的組合，其中R獨(dú)立地為一價(jià)、二價(jià)或三價(jià)的1_6 個(gè)碳的直鏈的、環(huán)狀的或支鏈的烷烴、烯烴或炔烴。
8.權(quán)利要求7的方法，其中R獨(dú)立地為甲基、乙基、丙基或丁基。
9.權(quán)利要求7的方法，其中所述烷基胺為甲胺。
10.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)中的所述溶劑溶液對(duì)生物質(zhì)的重量比為約10比 1至0. 5比1。
11.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟⑷中的過(guò)濾之前，將步驟(c)的加熱懸浮液冷卻至室溫。
12.權(quán)利要求2的方法，所述方法還包括在步驟(e)之后在真空下蒸發(fā)掉經(jīng)過(guò)過(guò)濾和洗滌的生物質(zhì)的溶劑。
13.權(quán)利要求3、4或12的方法，所述方法還包括用酶聚生體糖化所述生物質(zhì)，從而制備可發(fā)酵糖。
14.權(quán)利要求3的方法，所述方法還包括不干燥情況下糖化所述生物質(zhì)，這通過(guò)在步驟 (f)中用水洗滌之后使所述生物質(zhì)與酶聚生體接觸進(jìn)行，從而制備可發(fā)酵糖。
15.權(quán)利要求13或14的方法，所述方法還包括發(fā)酵所述糖以制備目標(biāo)產(chǎn)物。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述目標(biāo)產(chǎn)物選自乙醇、丁醇、或1，3-丙二醇。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所述生物質(zhì)選自柳枝稷、廢紙、來(lái)自造紙業(yè)的淤渣、玉米纖維、玉米芯、玉米殼、玉米秸稈、草、小麥、小麥秸稈、干草、大麥、大麥秸稈、稻稈、蔗渣、甘蔗桿、黃楊、高粱、大豆、獲取自谷物加工的組分、樹(shù)、樹(shù)枝、根、葉、木屑、鋸屑、灌木和灌叢、蔬菜、水果、花、動(dòng)物糞肥、以及它們的組合。
18.同時(shí)破碎并從木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)中選擇性萃取木質(zhì)素以制備基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)的方法，所述方法包括(a)提供1)一定量的包含木質(zhì)素和碳水化合物的木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)；2)在水中包含約40%至約70%乙醇的多組分溶劑溶液；3)2%至約20%的氨；4)和一種或多種親核物質(zhì)；(b)使所述生物質(zhì)與(a)的多組分溶劑溶液接觸，以形成溶劑-生物質(zhì)混合物；(c)將所述溶劑-生物質(zhì)混合物置于密封的壓力容器中，從而將(b)的所述混合物加熱到約100°C至約220°C的溫度約5分鐘至約5小時(shí)，從而將木質(zhì)素破碎并溶解在所述溶劑中；(d)通過(guò)過(guò)濾除去(c)的溶解的木質(zhì)素；以及(e)用有機(jī)溶劑洗滌所述殘余物質(zhì)，從而制備基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述基本上不含木質(zhì)素的生物質(zhì)為所述生物質(zhì)初始重量的約60%至約100%。
20.權(quán)利要求1或18中任一項(xiàng)的方法，其中所述有機(jī)溶劑溶液還包含一種或附加組分， 其選自堿金屬或堿土金屬的氫氧化物或碳酸鹽、氨、硫醇、硫化物、氫硫化物、多硫化物、氫多硫化物、以及它們的組合。
21.權(quán)利要求1或18的方法，其中所述溶劑溶液和任何氨或其他不反應(yīng)的組分是可回收的。
22.權(quán)利要求1或18的方法，其中所述有機(jī)溶劑溶液包含選自醇、二醇和非質(zhì)子溶劑的溶劑。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述有機(jī)溶劑溶液包含選自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇和己醇、它們的異構(gòu)體、以及它們的二醇的溶劑。
全文摘要
使用有機(jī)溶劑溶液在堿性條件下預(yù)處理生物質(zhì)，所述溶液中存在氨和任選地一種附加的親核物質(zhì)以在不損失半纖維素的情況下破碎并萃取木質(zhì)素。用糖化酶聚生體進(jìn)一步水解預(yù)處理的生物質(zhì)?？衫锰腔尫诺目砂l(fā)酵糖發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)化學(xué)制品。
文檔編號(hào)D21C3/02GK102257151SQ200980151128
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者B·A·迪納, J·范 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司