酶解纖維素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)應(yīng)用的領(lǐng)域，且涉及一種改進的酶解(enzymatic hydrolysis)纖維素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)，尤其是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)(lignocellulosic b1mass)，是生產(chǎn)(生物)燃料、化學(xué)品、高性能產(chǎn)品和能源的寶貴資源。木質(zhì)纖維素是陸地上最豐富的可再生生物質(zhì)，因此也相對廉價。其主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。許多研宄都立志于開發(fā)將生物質(zhì)，尤其是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)低成本地轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的化合物的方法。其中一個例子是將纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，葡萄糖可轉(zhuǎn)而作為‘第二代’生物乙醇(通過葡萄糖發(fā)酵)的前體，因此適用于制備生物燃料。
[0003]將纖維素酶解成葡萄糖還未商業(yè)應(yīng)用，因為其還不能與由第一代生物質(zhì)資源(淀粉、蔗糖等)生產(chǎn)的葡萄糖相媲美，由于需要高成本的大量纖維素酶。纖維素酶解的其他替代方式，如濃縮的酸處理，對環(huán)境并不理想，并且還會產(chǎn)生更多的糖降解反應(yīng)副產(chǎn)物。因此，目前研宄的一個挑戰(zhàn)是尋找能夠降低纖維素酶解成本的方法，從而使其能夠工業(yè)應(yīng)用，例如通過增強酶活性和降低所需的酶量的方式。
[0004]生物質(zhì)的預(yù)處理是指將纖維素大分子制成更易于被水解酶接近的過程。未進行預(yù)處理的情況下，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)內(nèi)的纖維素難以被水解酶接近，因為它們被木質(zhì)素和半纖維素遮擋(shield) 了。預(yù)處理則可破壞(通常是部分地除去)木質(zhì)素和半纖維素的遮擋，并瓦解纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，甚至可以降低纖維素的聚合度。預(yù)處理可以包括瓦解生物質(zhì)的微孔結(jié)構(gòu)(cellular structure)以及可以除去生物質(zhì)中的木質(zhì)素和/或半纖維素，這取決于預(yù)處理的類型。本領(lǐng)域公知不同類型的預(yù)處理(如Zheng et al., Int.J.Agric.&B1l.Eng.2009, 2，51-68等中的預(yù)處理方法，將其通過引用全部并入本文)。這些類型大致可分為化學(xué)的或機械的預(yù)處理。化學(xué)的預(yù)處理包括催化蒸汽爆破(catalysed steamexplos1n)、酸預(yù)處理、喊預(yù)處理、氨纖維/冷凍爆破(ammonia fibre/freeze explos1n)、有機溶劑預(yù)處理(organosolv)、水熱裂解(aquathermolysis)、pH-調(diào)控液態(tài)熱水預(yù)處理(pH-controlled liquid hot water pretreatment)以及離子液體預(yù)處理。物理的預(yù)處理包括非催化蒸汽爆破、機械粉碎(mechanical comminut1n)和高能福射。
[0005]通過預(yù)處理得到的含纖維素的產(chǎn)品(有時稱為漿柏(pulp))通常含有大量的非纖維素成分。即便預(yù)處理包括除去(大部分的)半纖維素和木質(zhì)素，這些成分仍然在一定程度上存在于含纖維素的產(chǎn)品中。在提高的溫度下采用能與水混溶的有機溶劑進行處理，即所謂的“有機溶劑預(yù)處理”處理，例如將木質(zhì)素和半纖維素從纖維素漿柏中分離(參見:Wildschut et al.B1resource Technology, 135(2013), 58-66,將其通過引用全部并入本文)。然而，以生物質(zhì)中原有的木質(zhì)素總含量為基準，這種纖維素產(chǎn)品含有近10-30wt.%的木質(zhì)素。這部分在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中存在的木質(zhì)素對脫木質(zhì)化(delignificat1n)有較高的耐受性。富纖維素漿柏中的雜質(zhì)在酶解過程中會阻礙酶進入纖維素。而且，水解酶將不可逆地吸附于木質(zhì)素上，從而引起酶失活。
[0006]有人提出在纖維素酶解中采用商購的純化蛋白來中和生物質(zhì)副產(chǎn)物的抑制作用，例如玉米稻桿蛋白質(zhì)(Han and Chen, B1chemical EngineeringJournal, 48(2010)218-224)、牛血清白蛋白(Yang and Wyman, B1technology andB1engineering, 94(2006),611-617 或 Pan et al., Applied B1chemistry and Biotechnolgy, 121-124(2005)，1069-1079)。但這仍然不能得到商業(yè)上可行的方法，原因在于商購的純化蛋白的成本。從生物質(zhì)提取蛋白質(zhì)已被Bals和Dale (B1technologyand B1engineering, 198(2011), 530-537)以及 Chiesa 和 Gnansounou(B1resourceTechnology, 102 (2011)，427-436)所描述，將它們通過引用全部并入到本文中。
[0007]至今，并未得到商業(yè)上可行的方法以中和殘余的木質(zhì)素引起的失活作用。本申請將提供這樣的方法滿足本領(lǐng)域的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]出人預(yù)料的是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在酶解過程中加入來自生物質(zhì)的含水提取物時，尤其是含蛋白質(zhì)的提取物時，纖維素酶解過程中的酶活性可以得到顯著的增強。如此，在酶解步驟中的酶用量將顯著降低，且不會對葡萄糖的產(chǎn)量造成負面影響。出人預(yù)料的是，適用于增強水解酶活性的富蛋白的含水生物質(zhì)提取物可以有效地由水洗生物質(zhì)并隨后過濾混合物而制得。不需要進一步的純化步驟來顯著提高酶解過程中的酶活性。在水提取(aqueous extract1n)過程中，同時從生物質(zhì)中提取出來的其他成分不會在纖維素酶解過程中抑制水解酶(纖維素酶)，或者這種抑制更多地被根據(jù)本發(fā)明的方法引起的活性增高所補償。來自生物質(zhì)本身的蛋白質(zhì)組成了相對廉價的且容易獲得的蛋白源。因為隨著所需酶的減少，本發(fā)明將滿足降低纖維素酶解成本的需求。
[0009]不受理論的限制，本發(fā)明的發(fā)明人假定來自含水提取物的蛋白質(zhì)將被纖維素底物中的木質(zhì)素所吸附。因此，被釋放的木質(zhì)素吸附導(dǎo)致失活的水解酶的量將降低。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明涉及生物質(zhì)中所含纖維素的酶解方法，該方法包括:
[0011](a)采用含水液體提取含有蛋白質(zhì)和纖維素的生物質(zhì)以得到提取后的生物質(zhì)和含水提取物；
[0012](b)對含纖維素的生物質(zhì)進行機械預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和/或熱預(yù)處理；以及
[0013](c)將步驟(b)中預(yù)處理后的生物質(zhì)與以下物質(zhì)接觸:
[0014](i)能夠水解纖維素的酶；和
[0015](ii)步驟(a)中得到的含水提取物。
[0016]所述含水提取物通常將含有至少部分來自生物質(zhì)的蛋白質(zhì)，并且以下也稱作含蛋白質(zhì)的提取物。
[0017]適用于根據(jù)本發(fā)明的方法的生物質(zhì)包括木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，例如林業(yè)殘余物(forestry residues)、農(nóng)業(yè)殘余物(agricultural residues)、園林廢物(yard waste)、動物和人類廢物。這樣的生物質(zhì)通常含有40-80wt.%的碳水化合物(以干物質(zhì)為基準)，是生物質(zhì)精煉(b1refinery)的寶貴原材料。優(yōu)選采用的含纖維素的生物質(zhì)還含有大量的蛋白質(zhì)；否則，在采用木質(zhì)生物質(zhì)的情況下，用于提取蛋白質(zhì)的生物質(zhì)將不同于用于纖維素水解的生物質(zhì)。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方法采用的是草本生物質(zhì)(herbaceous b1mass)。更優(yōu)選地，所述草本生物質(zhì)是(農(nóng)業(yè))殘余物形式的，如稻桿(straw)和草(grass)。
[0018]在優(yōu)選的實施方式中，將所述方法的步驟(a)中得到的提取后的生物質(zhì)用作步驟(b)中的含纖維素的生物質(zhì)。
[0019]預(yù)提取(Pre-extract1n)
[0020]在優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括在預(yù)處理前