用于生物质水解的体系和方法

摘要

本发明公开了对木质纤维素生物质进行处理的体系和方法，所述木质纤维素生物质将要投放至发酵体系用于发酵产物的生产。该体系和方法包括对生物质进行预处理，得到经过预处理的生物质，并将该经过预处理的生物质分离为含有糖类的液体成分和含有纤维素和木质素的固体成分。该体系和方法还包括对该经过预处理的生物质中的固体成分进行处理，得到处理后成分。所述生物质含有木质纤维素材料。对该固体成分的处理包括添加酶制剂和补充水，以形成浆料。该酶制剂含有纤维素酶。该补充水含有澄清的酒糟水和/或厌氧膜废液成分。

权利要求

1.一种对木质纤维素生物质进行处理的方法，该木质纤维素生物质将要投放至发酵体系，用于发酵产物的生产，所述方法包括：对生物质进行预处理，得到经过预处理的生物质；

将经过预处理的生物质分离为含有糖类的液体成分和含有纤维素和木质素的固体成分；

对经过预处理的生物质的固体成分进行处理，得到处理后成分；

其中，所述生物质含有木质纤维素材料；

所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤包括施加酶制剂和补充水，以形成浆料，其中所述补充水含有玉米胚芽浸出液、发酵产物和/或厌氧膜生物反应器废液成分；且所述酶制剂包括纤维素酶。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤包括释放糖类。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述糖类包括葡萄糖。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述发酵产物选自啤酒、未过滤酒糟、酒糟水、滤泥饼、糖浆、回流、干酒糟及其混合物。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述补充水含有所述厌氧膜生物反应器废液成分，并且其中该厌氧膜生物反应器废液成分在补充水中所占的百分比至少为1%。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，从包括施加酶制剂和补充水的所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤获得的葡萄糖的产率至少是理论上可获得的葡萄糖量的90%。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述补充水含有所述厌氧膜生物反应器废液成分，并且其中所述厌氧膜生物反应器废液成分包括30%至70%的补充水。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，从包括施加酶制剂和补充水的所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤获得的葡萄糖产率至少是理论上可获得的葡萄糖量的60%。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述补充水含有酒糟水。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于该酒糟水成分占补充水的百分比至少为1%。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从包括施加酶制剂和补充水的所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤获得的葡萄糖产率至少是理论上可获得的葡萄糖量的60%。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于该浆料的固含量为5%至25%。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于该浆料的pH值为4.8至6.2。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤进一步包括将浆料保持在30至60摄氏度。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对经过预处理的生物质的固体成分进行处理的步骤进一步包括对该固体成分进行48至144小时的处理。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对生物质进行预处理的步骤进一步包括对生物质进行浸泡，且所述浸泡包括将该生物质与水混合以达到至少10%的固含量并对该生物质添加质量浓度为0.8%至1.3%的硫酸，并将该生物质在130至180摄氏度下保持5至12分钟。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述对生物质进行预处理的步骤还包括蒸汽爆炸，且该蒸汽爆炸包括(a)将浸泡后的生物质保持在150至165摄氏度及75至125磅每平方英寸的压力下，然后(b)释放压力。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述木质纤维素材料含有玉米穗轴、玉米植株外皮、玉米叶和玉米秸秆，其中该玉米穗轴含有25%至50%的木质纤维素材料，该玉米植株外皮和玉米叶含有30%至60%的木质纤维素材料，该玉米秸秆含有10%至30%的木质纤维素材料。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述发酵产物含有乙醇。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述发酵产物含有澄清酒糟水。

说明书

用于生物质水解的体系和方法

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求申请日为2011年1月18日、标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR HYDROLYSIS OF BIOMASS”的美国临时专利申请61/433,864的优先权，该申请在此通过引用并入本文。下列申请也通过引用的方式并入本文：标题为“SYSTEM FOR PRE-TREATMENT OF BIOMASS FOR THE PRODUCTION OF ETHANOL”的美国专利12/716,984和申请日为2010年5月17日、标题为“SYSTEM FOR HYDROLYSIS OF BIOMASS TO FACILITATE THE PRODUCTION OF ETHANOL”的美国专利61/345,486。

技术领域

[0003] 本发明的主题涉及乙醇制造中的生物质处理。本发明主题还涉及经过预处理的生物质在投放发酵体系之前的处理工艺，其目的在于提高乙醇生产的效率。

背景技术

[0004] 乙醇可以用谷类原料(例如玉米、高粱/蜀黍、大麦、小麦、大豆等等)、糖类(例如甘蔗、甜菜中的糖类等等)和生物质(例如柳枝稷、玉米穗轴、秣草等纤维质原料，木材或其他植物材料)来加以制造。

[0005] 生物质包括可直接用作燃料/能源的植物材料，或可作为生物提炼厂(例如通过乙醇工厂)原料而加工成另一种生物产品(例如纤维素乙醇之类的生物燃料)的植物材料。生物质可包括，例如，玉米粒收获期间或之后所得的玉米穗轴和秣草(例如茎秆和叶子)、玉米粒上的纤维、柳枝稷、农场或农业残留物、木片或其他木质废弃物，以及其他植物材料。要利用或加工生物质，先要从田间将其收割聚拢，然后运送到其利用或处理的场所。

[0006] 定制为利用生物质，例如如上所述的纤维素原料，来生产乙醇的生物提炼厂中，以木质纤维素材料(例如纤维素和/或半纤维素)来生产乙醇。生物质首先要经过制备，以便获得纤维素材料中的糖类(例如纤维素中的葡萄糖和半纤维素中的木糖)，并将其发酵成为含有乙醇(以及其他成分)的发酵产物。随后将该发酵产物送入蒸馏体系，通过蒸馏和脱水来回收乙醇。其他生物产品，例如木质素和有机酸，同样可作为副产物回收。要提高用于乙醇制造的生物质的制备和处理效率，其决定因素在于(除其他方面外)生物质的形式和类型或其组成。

[0007] 用于发酵的木质纤维素材料的制备工艺中，纤维素材料的水解是高成本步骤之一，该步骤需要用酶来使纤维素降解为糖类。一般来说，水解需要大剂量的酶，因为一般认为木质素会与部分酶结合，令其失活。由于酶在水解总成本中占有显著比例，其给传统工艺中带来的低效问题仍有待解决。

发明内容

[0008] 本发明的一个方面涉及一种对木质纤维素生物质进行处理以用于生产发酵产物的发酵体系的处理方法。该方法包括对生物质进行预处理，成为经过预处理的生物质，并将经过预处理的生物质分离为含有糖类的液体成分和含有纤维素和木质素的固体成分。该方法还包括对经过预处理的生物质的固体成分进行处理，得到处理后成分。该生物质包含木质纤维素材料。该固体成分的处理工艺包括向其施加酶制剂和添加剂以形成浆料。该酶制剂含有纤维素酶。在一些实施例中，该添加剂可以包括澄清的酒糟水或厌氧生物膜消化器废液。

[0009] 在一个实施例中，该固体成分处理后释放糖类。在又一个实施例中，对生物质的预处理包括浸泡，其中该浸泡包括混合该生物质以及向该生物质中添加硫酸。

附图说明

[0010] 为了更为清楚地确定本发明的各方面，现在通过举例来描述一些实施例，并引用附图，其中图1A是在一些实施例中提到的配备乙醇生产设备的生物提炼厂的透视图。

[0011] 图1B是在一些实施例中提到的配备乙醇生产设备的生物提炼厂的另一张透视图。

[0012] 图2是在一些实施例中提到的用于制备要送至生物提炼厂的生物质的体系。

[0013] 图3A和3B是在一些实施例中提到的纤维素乙醇生产设备的可选实施方式的原理示意图。

[0014] 图4A是在一些实施例中提到的预处理工艺的工艺流程图。

[0015] 图4B是在一些实施例中提到的预处理工艺的透视示意图。

[0016] 图5是在一些实施例中提到的C6生物质固体成分的水解工艺流程图。

[0017] 图6A至6D是在一个示范实施例中提到的生物质水解操作条件的图表。

[0018] 图7是在一些实施例中提到的生物质在各种加工处理工艺下的乙醇产量占理论值的百分比。

[0019] 图8是在一个示范实施例中提到的，添加和不添加澄清酒糟水添加剂的生物质水解结果的对比图。

[0020] 图9是在一个示范实施例中提到的加入了澄清酒糟水添加剂的生物质水解结果曲线图。

[0021] 图10是在一个示范实施例中提到的，在各种澄清酒糟水添加剂浓度下，生物质水解发酵后的葡萄糖残余量曲线图。

[0022] 图11是在一个示范实施例中提到的，以厌氧膜生物反应器废液为添加剂的生物质水解结果曲线图。

[0023] 图12是在一个示范实施例中提到的，在作为添加剂的厌氧膜生物反应器废液的各种浓度下，生物质水解发酵后的葡萄糖残余量曲线图。

[0024] 图13是在一个示范实施例中提到的，在作为添加剂的厌氧膜生物反应器废液浓度和澄清酒糟水的各种浓度下的生物质水解结果图表。

[0025] 图14A和14B为表格，其列出了在一个典型的示范实施例中，含有来自玉米植株的木质纤维素植物材料的生物质的组分构成。

[0026] 图15A和15B为表格，其列出了在一个典型的示范实施例中，经过预处理的生物质液体成分的组分构成。

[0027] 图16A和16B为表格，其列出了在一个典型的示范实施例中，经过预处理的生物质固体成分的组分构成。

具体实施方式

[0028] 以下将通过附图中展示的若干实施例来详细描述本发明的各方面。下列描述中将会列出大量具体细节，以助于对一个或多个方面实施例的充分理解。但对本领域的技术人员来说，显而易见地，实施例也可以在缺省一些或全部此类具体细节的情况下实施。在其他案例中，省略了对公知加工步骤和/或结构的详细描述，以避免本发明的各种方面显得复杂难懂。结合附图和如下论述，可以更好地理解实施例的特点和优势。

[0029] 一些方面涉及木质纤维素水解产物固体部分的酶促水解反应的体系和方法，且其中以添加剂的使用来降低酶用量需求和提高效率。在此公开的多个方面涉及乙醇生产中的生物质处理，还有一些方面涉及提高纤维素的水解效率。在此公开的各方面的体系和方法，涉及一种提高纤维素材料向可发酵糖类转化效率的高性价比途径。

[0030] 如图1A所示为一个示例生物提炼厂100，配有乙醇生产设备，定制为以生物质为原料生产乙醇。该实施例的生物提炼厂100包含一个区域，用于生物质的送达及乙醇投放生产设备前的制备。该纤维素乙醇生产设备包括制备设备102、预处理设备104和处理设备106，该设备106可将生物质处理为适合投放发酵体系进行发酵并产出发酵产物的处理后生物质。该纤维素乙醇生产设备包括蒸馏体系108，该体系可对发酵产物进行蒸馏并脱水生成乙醇。如图1A所示，生物提炼厂100中可以包括废物处理体系110(图示中的该体系包含厌氧消化池和发生器)。在其他可选实施方式中，该废物处理体系可以包含其他用于处理、加工和回收纤维素乙醇生产工艺中的物质成分的设备，例如固体/废弃燃料锅炉、厌氧消化池、有氧消化池或其他生化或化学反应器。

[0031] 如图1B中所示，在一个示范实施例中，生物提炼厂112可以含有共置的纤维素乙醇生产设备114(用于从玉米植株的木质纤维素材料和成分制造乙醇)和基于玉米的乙醇生产设备116(用以从玉米粒的胚乳部分所含淀粉制造乙醇)。如图1B所示，两套乙醇生产设备共置后，可以共用某些工厂体系，例如，用于乙醇的脱水、储放、变性和运输的体系，能量或者燃料到能量的发生体系，工厂管理和控制体系，以及其他体系。玉米粒投放基于玉米的乙醇生产设备进行研磨之前的制备工艺(例如，分馏)中，可获得玉米纤维(玉米粒成分的一种)，用于纤维素乙醇生产设备的原料供应。从纤维素乙醇生产设备获得的燃料或能源，例如甲烷或木质素，可以用来向两台共置设备或其中之一供能。在其他可选的实施方式中，生物提炼厂(例如，纤维素乙醇生产设备)可以与其他类型的工厂和设施共置，例如发电厂、废物处理设施、伐木场、造纸厂或农产品加工厂。

[0032] 如图2所示为用于对抵达生物提炼厂的生物质进行制备的体系200。该生物质制备体系可以包括用于接收/卸载生物质的设备、清洗设备(例如，去除杂质)、研磨设备(例如磨粉、压缩或稠化)和送入工厂加工的输送设备。在一个示范实施例中，玉米穗轴及秣草形式的生物质可以送至生物提炼厂并储放202(例如，成捆、成堆或成箱储放，等等)和管理，以供设备使用。在一个示范实施例中，该生物质可以含有至少约20％至30％的玉米穗轴(按重量)，另有玉米秸秆和其他材料。在其他示范实施例中，生物提炼厂的制备体系204可以定制用于多种类型的生物质(例如，植物材料)的制备，经过制备的生物质在工厂中处理加工成乙醇和其他生物产品。

[0033] 如图3A和3B所示为纤维素乙醇生产设备的可选实施方式300a和300b的原理示意图。在一些实施例中，包括玉米植株植物材料在内的生物质在制备体系中得到制备和清洗。制备完成后，该生物质与水混合成为浆料，并在预处理体系302中进行预处理。在预处理体系302中，生物质被分解(例如，通过水解)，以便于分离304为液体成分(例如，含有C5糖类的液流，俗称戊糖酒精)和固体成分(例如，含有可用于制造C6糖类的纤维素的液流)。含有C5糖类的液体成分(C5液流或戊糖酒精)可以在戊糖清洗处理体系306中进行处理。同样地，含有C6糖类的经过预处理的固体成分，也可以在固体成分处理体系中通过酶促水解308产生糖类。在一个实施例中，可以进行水解(例如酶促水解)来获得纤维素中的C6糖类；也可以通过处理来去除C6液流中的木质素和其他不可发酵成分(或者去除例如残留酸液或可能对效率发酵有抑制作用的酸类)。酶的水解效率可以通过投放添加剂来提高。此类添加剂可以包括厌氧膜消化器废液、澄清酒糟水、滤泥饼、未过滤酒糟、其他可行的蛋白来源或其组合。下面将详细描述该C6固体成分的处理细节。

[0034] 在图3A所示的实施例中，处理后的戊糖酒精可以随后在戊糖发酵体系310中进行发酵，且其发酵产物可以投放戊糖蒸馏体系314进行乙醇回收。相似地，不含有大量C6糖类的处理后固体成分，可以投放至己糖蒸馏体系316进行乙醇回收。蒸馏后得到的釜馏物可以随后在木质素分离体系322中加以处理，分离出液体成分和固体滤泥饼。滤泥饼可随后投放于厌氧膜生物反应器(AnMBR)324中进一步处理。在一些实施例中，厌氧生物膜反应器324的废液可以回收利用为酶促水解釜308中的添加剂。

[0035] 在图3B所示的替代实施例中，所得的处理后的戊糖酒精和处理后的固体成分可以在处理后混合(例如，成为浆料)并在发酵体系318中共同发酵。发酵体系318中得到的发酵产物可投放于共蒸馏体系320中进行乙醇回收。在任一实施例中，都可以在发酵体系中采用适合的发酵生物(产乙醇菌ethanologen)。在某些方面中，产乙醇菌ethanologen的选用可以基于多种考虑，例如浆料中的主要糖类类型。以C5液流和C6液流为原料生产的乙醇，其脱水和/或改性可以分开进行，也可以共同进行。如前所述实施例中，蒸馏后得到的釜馏物随后可在木质素分离体系322中加以处理，分离出液体成分和固体滤泥饼。滤泥饼可随后投放于厌氧膜生物反应器(AnMBR)324中作进一步处理。在一些实施例中，厌氧生物膜反应器324的废液可以回收利用为酶促水解釜308中的添加剂。

[0036] C5和/或C6液流的处理工艺中，可以对各成分进行加工以回收副产物，例如有机酸和木质素。对C5液流和C6液流两者或其中之一中的生物质进行处理加工并生产乙醇的过程(或蒸馏过程)中所移除的成分，可以进行处理或加工，成为生物产品或燃料(例如，可用于固体燃料锅炉的木质素，或由诸如厌氧消化池中的酸类和木质素等残留物/移除物处理得到的甲烷)，或经回收加以利用及再利用。

[0037] 在一个实施例中，该生物质包括来自玉米植株的植物材料，例如玉米穗轴、玉米植株外皮、玉米叶子和玉米秸秆(例如，玉米秸秆上端至少一半或四分之三的部分)。在一些方面，该植物材料的组成成分(例如，纤维素、半纤维素和木质素)约如图14A和14B中所示(例如，至少经过生物质的首次制备，包括去除所有杂质)。在一个实施例中，该植物材料包括玉米的穗轴、外壳/叶子和秸秆。例如，该植物材料可以含有(按重量)来自玉米植株100％的穗轴，或100％的外壳/叶子，或约50％穗轴和约50％外壳/叶子，或约30％穗轴、50％外壳/叶子和20％秸秆，或多种其他穗轴、外壳/叶子和秸秆组合方式中的任一种。如图14A所示。在另一个替代实施例中，该木质纤维素植物材料可以含有来自玉米粒的纤维(例如，连同其他植物材料)。图14B提供了含有玉米植株木质纤维素材料的生物质的多种典型组成成分范围。在示范实施例中，该(来自玉米植株的)生物质中的木质纤维素植物材料可能包含(按重量)约30％至55％纤维素、约20％至50％半纤维素和约10％至25％木质素。在又一个示范实施例中，该生物质中的木质纤维素植物材料(例如，玉米植株的穗轴、外壳/叶子和秸秆部分)可能包含(按重量)约35％至45％纤维素、约24％至42％半纤维素和约12％至20％木质素。在一个特殊的实施例中，该生物质的预处理可能产生一种含有(按重量)不低于约1.0％木糖的液体成分和含有(按重量)不低于约45％纤维素(可用于产生葡萄糖)的固体成分。

[0038] 图4A和图4B所示为一个示范实施例中，用于木质纤维素生物材料的制备、预处理和分离的设备400、450。如图所示，生物质在研磨机402(例如，研磨机或其他适宜设备或磨粉机)进行制备。对制备好的生物质进行预处理，即按照预设浓度(或pH)和其他操作条件，向反应釜404(或成套反应釜454)投放制备好的生物质和酸/水。经过预处理的生物质可以用分离器406进行分离。如图4B所示，经过预处理的生物质可以用离心机456进行分离为液体成分(C5液流，主要含有液体，也有些许固体)和固体成分(C6液流，含有液体和固体，例如木质素和纤维素，可以对其进行进一步处理生成葡萄糖)。

[0039] 在一个实施例中，生物质的预处理可以按照标题为《用于乙醇制造的生物质的预处理》的美国专利12/716,984所述进行，该申请在此作为参考文献全文引入。

[0040] 在一个实施例中，可向预处理体系中的制备好的生物质添加酸，来促进生物质的分解，以便将其分离为液体(戊糖酒精)成分(可从中回收C5可发酵糖类的C5液流)和固体成分(可从中获取C6可发酵糖类的C6液流)。在一些实施例中，可在预定的操作条件(例如，酸浓度、pH、温度、时间、压力、固体浓度、流速、处理水或蒸汽供应量，等等)下将该酸添入反应釜中的生物质中，并在反应釜中对该生物质加以搅拌/混合，以促进其分解。在示范实施例中，可向该生物质中添加酸，例如硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、醋酸等等(或多种酸的组合/混合)。在一个特殊的实施例中，可将该制备好的生物质以约0.8％到1.5％的酸(例如硫酸)对约12％到25％的生物质固体，在约100至180摄氏度下进行约5至180分钟的预处理。该预处理还可以包括一个蒸汽爆炸步骤，将生物质加热并在约150至165摄氏度、加压(例如，100psi)和1.4至1.6的pH值下，维持(例如，维持时间)约1至15分钟，然后释放压力，以进一步促进纤维素的分解。预处理完成后，该经过预处理的生物质分离为固体成分(C6)和液体戊糖酒精成分(C5)，如图4A和4B所示。

[0041] 该液体戊糖酒精成分(C5液流)含有水、将用于发酵以生成乙醇的可溶糖类(例如木糖、阿拉伯糖和葡萄糖)、酸和其他从半纤维素中回收的可溶成分。(图15B所示为我们认为具有代表性的含玉米植株木质纤维素材料的生物质的组成成分的典型范围和期望范围。)在一个示范实施例中，该液体成分可以含有约5％至7％固体成分(例如悬浮/残留固体成分,诸如部分水解的半纤维素、纤维素和木质素)。在一个特殊的实施例中，该液体成分可以含有至少2％至4％木糖(按重量)。在其他示范实施例中，该液体成分可以含有不少于1％至2％的木糖(按重量)。图15A和15B列出了在具有示范性和代表性的实施例中，(从如图14A和14B所示的制备好的生物质所得的)经过预处理的生物质中的该液体成分的组成成分。

[0042] 该固体成分(C6液流)含有水、酸和固体成分，例如可以生成葡萄糖等可发酵产生乙醇的糖类的纤维素，以及木质素。(图16B所示为具有代表性的含玉米植株木质纤维素材料的生物质的组成成分典型范围。)在一个示范实施例中，该固体成分可以含有约10％至40％固体(按重量)(分离后)。在一个特殊的实施例中，该固体成分可以含有约20％至30％固体(按重量)。在另一个实施例中，该固体成分中的固体可以包含不少于30％的纤维素，且该固体成分还可以含有其他可溶性糖类(例如，葡萄糖和木糖)。图16A和16B列出了在示范性和代表性的实施例中，(从如图14A和14B所示的制备好的生物质所得的)经过预处理后的生物质中的该固体成分的组成成分。

[0043] 如图5所示，在C5液体成分和C6固体成分分离之后，可以进一步地将该固体成分在酶促水解体系500中进行处理。在一个实施例中，预处理后，将该固体成分(C6)投放至容器502，与酶、试剂和水一同进行酶促水解(或糖化水解)。该酶可促使经过预处理的纤维素分解为糖类(例如，葡萄糖)，生成酶促水解产物。该富糖酶促水解产物随后可发酵成为乙醇，或用于其他任一后续步骤中。

[0044] 在一些实施例中，该C6固体成分可以用一种连续水解发酵(SHF)工艺进行处理，其中该固体成分先经过一项酶促水解(至少80％的葡聚糖转化率)，再进行发酵。虽然该过程需要两个步骤，但经由SHF工艺，酶促水解可以在优化的pH和温度下进行，将纤维素转化为糖类。典型的SHF流程在约50摄氏度、pH 5.5和15％总固体含量的浆料中，对固体成分进行纤维素酶处理。

[0045] 可选地，该C6固体成分也可以通过一种同时糖化水解发酵(SSF)工艺进行处理，其中该酶促水解和发酵在同一时间进行。同时糖化水解发酵可以在酵母菌生产乙醇的适宜温度(例如，约37℃)进行，该温度可能略低于纤维素酶的最佳作用温度。就这一点而言，可能会降低酶促效率。对SSF和SHF两者而言，纤维素酶和木质素的结合都可能是尤需注意的问题，因为，取决于所用的原料，木质素可能会在如上所述的稀酸预处理过程后散布到固体成分表面。这可能尤其会在以玉米秸秆生物质作为原料时造成问题。

[0046] 在一个示范实施例中，将含有能够水解纤维素的酶的酶制剂添加到该固体成分(C6)中，以促进该酶促水解，例如高分子纤维素(例如高分子葡聚糖)在酶作用下糖化水解成为可利用的单分子糖类(例如，单分子葡萄糖)。此类纤维素酶的一个例子是诺纤力赛力三代(Cellic CTec)(例如，NS22074)，由位于北卡罗来纳州弗兰克林顿(Flanklinton)的北美诺维信公司(Novozymes North America,Inc.)生产。所需酶制剂的用量或装载(剂量)可根据操作条件而变化。在一个示范实施例中，可以添加约2至12毫克酶蛋白/每克纤维素。在一个特殊的实施例中，可以添加约3至9毫克酶蛋白/每克纤维素。在一些方面，采用了向含纤维素材料的酶促水解反应中投放添加剂的方法来促进酶的效率。由于纤维素材料的水解成本中有很大一部分都是酶，因此，减少所需酶剂量，或增加纤维素转化效率，可能带来商业优势。

[0047] 如上所述，在此公开的实施例意欲向反应釜502投放添加剂，以增进该经过预处理的纤维素的酶促水解效率和产量。该经过预处理的固体成分包含木质素和其他可能与蛋白质结合的材料。向反应釜502中添加酶时，该酶有一部分与木质素和/或其他微粒相结合，这可能会使得被结合酶的效率降低甚至失效。如上所述情况下，整个水解反应的酶促效率降低。为克服这一效率降低问题，传统方法是添加更多的酶。

[0048] 通过投放添加剂而增加了另一种蛋白质来源后，这些蛋白质可以竞争木质素材料上的结合位点，因此降低了酶与木质素的结合率，也相应地提高了水解效率。乙醇工厂中可能的富含蛋白质副产品包括酒糟水、厌氧膜生物反应器(AnMBR)废液、滤泥饼、未过滤酒糟和其他副产品。下面将会更详细地讨论投放添加剂以提高水解效率的特殊实施例。

[0049] 在第一个实施例中，该添加剂可以包括来自于一种常见(例如，基于玉米的)乙醇生产设施的酒糟水成分。在一个特殊的实施例中，该添加剂可以包含来自于一种常见(例如，基于玉米的)乙醇生产设施的澄清酒糟水。通过充分去除酒糟水中的全部固体和油，便可以从酒糟水得到澄清酒糟水。澄清酒糟水的基本成分包括水和酒糟水可溶成分。在一个实施例中，该添加剂至少含有部分酒糟水可溶成分作为其活性成分。

[0050] 在第二个实施例中，该添加剂可以含有一种来自纤维素(例如，基于生物质)乙醇生产设施中的厌氧膜生物反应器废液成分。该基于生物质的乙醇工厂蒸馏得到的木质素滤饼，在厌氧生物膜反应器中进行消化。厌氧微生物对该滤泥饼材料的消化充分地保持了该材料的营养成分。该生物膜将相对洁净的废液从固体成分和微生物中分离。该消化器废液可能含有高浓度的胞外聚合物(酶蛋白S)，包括蛋白质、酯类和核酸。

[0051] 在一个实施例中，存在于酒糟水和厌氧膜生物反应器废液中的该活性蛋白质成分，还可能存在于其他的发酵产物或副产物和中间产物中，例如啤酒、未过滤酒糟、滤泥饼、糖浆、回流和干酒糟(含或不含可溶物)，其中任一种都可以用作是该添加剂的替代物。在一个替代实施例中，该添加剂可以含有溶剂为水或溶剂为基于水的液体的玉米胚芽浸出液(例如，用一种分离体系从玉米粒中制造出的)，还可以向该反应釜中添加其他添加剂(例如，用于调节pH的氢氧化钾或氢氧化钠)。

[0052] 在一个示范实施例中，处理该固体成分(C6)所用的酒糟水、澄清酒糟水和/或厌氧膜生物反应器废液添加量可以约占全部液体的1％-90％。在一个实施例中，该酒糟水、澄清酒糟水或厌氧膜生物反应器废液可以约占全部液体的20％至70％。

[0053] 如图6A至图6D所示为在一个示范实施例中，为将纤维素水解为糖类，而对该经过预处理的生物质固体成分进行处理时，各对象参数的操作条件范围。操作条件范围在附图中表示为嵌套范围，包括可接受的操作范围(所示最外/最宽范围)、示例操作范围(所示居中范围)和具体示例操作范围(所示最内/最窄范围)。

[0054] 在一个示范实施例中，该固体成分(C6)的处理温度可以约为30至60摄氏度。在一个实施例中，该固体成分(C6)的处理温度可以约为45至55摄氏度。在一个特殊实施例中，该固体成分(C6)的处理温度可以约为49至51摄氏度。

[0055] 在一个示范实施例中，该固体成分(C6)的处理时间可以约为48至144小时。在一个实施例中，该固体成分(C6)的处理时间可以约为60至120小时。在一个特殊实施例中，该固体成分(C6)的处理时间可以约为72至96小时。

[0056] 在一个示范实施例中，投入该处理体系的该固体成分(C6)的固含量可以约为按重量5％至25％之间。在一个实施例中，该固体成分(C6)的固含量可以约为按重量10％至20％之间。在一个特殊实施例中，该固体成分(C6)的固含量可以约为按重量12％至17％之间。

[0057] 在一个示范实施例中，该固体成分(C6)的处理pH可以约为4.8至6.2。在一个实施例中，该固体成分(C6)的处理pH可以约为5.2至5.8。在一个特殊实施例中，该固体成分(C6)的处理pH可以约为5.4至5.6。

[0058] 如图7中的曲线图所示，利用现有纤维素酶对生物质(例如玉米穗轴、外壳、叶子和/或秸秆)进行酶促水解，在不添加酒糟水、澄清酒糟水或厌氧膜生物反应器废水的情况下，其可能达到的葡萄糖产量，在同时糖化水解发酵(SSF)704中约为理论葡萄糖产量(例如，计算所得的)702的35％至40％，在连续水解发酵(SHF)704中约为理论葡萄糖产量的55至70％。确切的葡萄糖产量可能随着预处理过程而变化。例如，如图所示，在预处理中加入如上所述的蒸汽爆炸步骤，可以提高SHF处理生物质的葡萄糖转化产量。在一个实施例中，添加木质素结合添加剂，例如澄清酒糟水和/或厌氧膜生物反应器(AnMBR)废液，可以提高45％至110％的葡萄糖产量。

具体实施方式

[0059] 在该体系的一个示范实施例中，实施了一系列有限实例，以评价在该固体成分(C6)的处理过程中采用各种添加剂的作用。我们进行了实验和测试，以评价各种添加剂投放后的C6水解反应葡萄糖产量。以下实验意在阐明体系和操作方式的实施例，并非意在限制此公开各方面的范围。

[0060] 实施例中所用的体系包括一个控温反应釜和一个压力管。生物质包括约35％玉米穗轴、45％外壳/叶子和20％秸秆，并进行以下预处理：在140摄氏度和14.3％固体浓度下，以约1％至1.3％的酸液(例如，硫酸)进行50分钟浸泡，并在pH 1.5和约154摄氏度下进行保持时间为4分钟的蒸汽爆炸。该经过预处理的生物质浆料与补充水和酶一起投放于反应釜中，其固体浓度为12-15％，并进行纤维素到葡萄糖的转化实验，并测定所得水解产物的发酵产量。

[0061] 实施例1

[0062] 在第一个实施例中，将该经过预处理的生物质和补充水一起投入两个反应釜中。其中一个容器中的补充水成分为水，另一个反应釜的补充水中含有40％水和60％澄清酒糟水。该澄清酒糟水是由酒糟水(7％固体浓度)在5000rpm转速下离心20分钟所得。离心后的酒糟水分为三层：固体底层、液体中间层和乳化油顶层。该液体中间层含有4％固含量，以该中间层为澄清酒糟水，将其分离后用于以下的实施例。

[0063] 该浆料的pH用氢氧化钾调整为5.5，并在每个容器中加入约7.2毫克/每克纤维素的含纤维素酶酶制剂(例如，诺纤力维力，供应商为位于北卡罗来纳州弗兰克林顿的北美诺维信公司)，在50摄氏度下进行酶促水解，并用高压液相色谱仪(HPLC)在0、24、48、72和96小时分别测定每个容器中的葡萄糖含量。

[0064] 第96小时所观察到的葡萄糖产量，在生物质+水的容器中仅约为理论值的52.6％，而在生物质+水和澄清酒糟水的容器中约为理论值的76.1％。澄清酒糟水在生物质酶促水解中的运用带来了约45％的产量提高。该结果如图8所示。

[0065] 实施例2

[0066] 在第二个实施例中，进行了剂量反应实验，以测定澄清酒糟水(CTS)在糖化水解中的最佳浓度；所测试的两个酶剂量分别为5.6和8.4毫克/每克葡聚糖的含纤维素酶符合酶制剂，所用酶为赛力第二代(Ctec2)。该澄清酒糟水在15％总固体浓度的浆料中分别占补充水的0(对照)、10、20、30、40、50和60％。在50摄氏度和初始pH 5.5下进行约96小时的糖化水解反应，随后在32摄氏度和初始pH5.5下进行48至72小时的发酵反应。如图9中的示例为总葡萄糖902(％w/v)结果随补充水中澄清酒糟水(CTS)904浓度变化的曲线图。

[0067] 该结果再次表明，使用澄清酒糟水可以显著提高糖化水解过程的葡萄糖产量。进一步地，该SHF实验的结果显示在两种受试酶剂量下，CTS在占补充水20％至60％的添加量中变化，所得到的葡萄糖产量变化甚微。

[0068] 实施例3

[0069] 在第三个实施例中，在96小时的酶促水解后，将反应器冷却到32摄氏度，将pH调整回5.5，加入浓度为0.06g/L的尿素(作为氮源)和浓度为5ppm的乳糖苷247，并接种入密度为0.5g(干重)/L的酵母菌，进行72小时发酵反应。反应进行至24小时时，测定剩余葡萄糖浓度。

[0070] 图10中示例所示为发酵反应1002进行24小时后剩余葡萄糖含量随补充水所含CTS百分比变化的图表。有趣的是，补充水中CTS含量为20％至60％的CTS的反应釜中，发酵反应在24小时内就已完成(也就是说，所有剩余淀粉都已充分消耗)。而在未加入CTS的容器中，尽管反应器中的糖浓度低，发酵反应也经过72小时才完成(未显示在图中)。

[0071] 24小时内，葡聚糖转化乙醇产量在酶剂量为5.6毫克酶蛋白/每克葡聚糖时超过了理论最高产量的70％，在酶剂量为8.4毫克酶蛋白/每克葡聚糖时超过最大理论产量的80％。这些乙醇产量结果来源于补充水中CTS含量为20％至60％之间的反应。未向糖化水解反应加入任何CTS时，在受试的两种酶剂量下，葡聚糖经过72小时发酵的最终乙醇产量分别为最大理论产量的56％和60％。因此，添加木质素结合添加剂不止促进了纤维素到葡萄糖的酶促转化，还提高了发酵效率。

[0072] 实施例4

[0073] 在第四个实验实施例中，以实验鉴定了酶促水解中的AnMBR废液最佳剂量。在此实验实施例中，所采用的测试剂量为5.8毫克酶/每克葡聚糖，并再次使用了赛力第二代酶。在总固体浓度为15％的浆料中，该AnMBR废液的投放剂量为分别占补充水的0(对照)、15、30、45和60％。该糖化水解反应在50摄氏度和初始pH5.5下进行了115小时，接着进行了32摄氏度和初始pH5.5下的47小时发酵反应。

[0074] 如图11所示为115小时糖化水解后葡萄糖1102产量占理论产量百分比随AnMBR废液占补充水百分比1104变化的示意图。结果显示，最高葡萄糖产量出现在AnMBR废液添加量占补充水百分比30％时，这暗示AnMBR废液可以作为一种可用的效率促进剂运用在木质纤维素C6固体的糖化水解中。

[0075] AnMBR作为效率促进剂的一项优点在于，使用AnMBR废液液流可以维持该工艺用水的水平衡。如上所述，酒糟水也是一种可用选项，但AnMBR废液的使用不需要将水从玉米籽粒乙醇工厂运输到纤维素工厂。除简化了水平衡之外，选用AnMBR废液而非酒糟水或大多数其他添加剂，还可以防止纤维素工厂和玉米籽粒乙醇工厂之间的交叉污染。

[0076] 实施例5

[0077] 在第五个实施例中，在115小时的酶促水解反应后，将反应器冷却至32摄氏度，将pH调整回5.5，加入浓度为0.06g/L的尿素(作为氮源)和浓度为5ppm的乳糖苷247，并接种密度为0.5g(干重)/L的酵母菌，进行47小时发酵反应。反应进行至24小时和47小时时，测定剩余葡萄糖浓度。

[0078] 图12中示例所示为发酵反应进行24和47小时后剩余葡萄糖含量1202随补充水中AnMBR废液1204百分比变化的图表。有趣的是，补充水中AnMBR含量为15％至60％的反应釜中，发酵反应在47小时内就已完成(也就是说，所有剩余淀粉都已充分消耗)。而在未加入AnMBR的容器中，47小时后发酵釜中仍有残余糖类。该结果再一次地表明，使用木质素结合添加剂不仅能促进纤维素到葡萄糖的转化，还能提高发酵效率。

[0079] 实施例6

[0080] 在第6个实施例中，进行了一项实验，以确定酒糟水(CTS)和厌氧膜生物反应器(AnMBR)废液的组合能否为C6固体成分的水解效率带来额外的提高。在此，进行了一项3(CTS浓度)乘4(AnMBR废液浓度)全因子实验，以评估两种添加剂中可能存在的交互作用。CTS(酒糟水)浓度分别为补充水总量的0、10和25％，AnMBR废液浓度则分别为补充水总量的
0、10、20和30％。所用诺维信赛力第2代酶剂量为6毫克酶蛋白/每克葡聚糖，总固体浓度为
15％，糖化水解反应进行了120小时，其实验结果如图13示例所示。

[0081] 该结果表明，CTS和AnMBR废液组合用于促进C6木质纤维素固体成分的糖化水解时，两者之间存在交互作用。在此实施例中，最高葡萄糖产量(80.2％葡聚糖至葡萄糖转化率)出现在CTS和AnMBR废液各为补充水总量的10％之时。但是，令AnMBR废液用量占30％补充水总量，有助于生产设施中的水平衡，且其葡聚糖到葡萄糖的转化率也有良好表现，约为79％。因此，有利的做法是根据水负载需求来调节补充水的成分构成，以优化工厂运作并同时提高C6固体成分的水解效率。

[0082] ***

[0083] 本申请中所公开和描述的实施例(包括“附图”部分和“具体实施形式”部分)意在说明和解释所公开的方面。对本发明的实施例，例如，对所述设备、所采用(或将要采用)的工艺以及所采用(或将要采用)的组分构成和处理步骤，可进行可能的修改和变化；所有此类修改和变化，其本意均为包括在其中一个或多个方面的范围中。

[0084] 词语“示范”意在表示示例、举例或例证。任何实施例或设计被描述为“示例”，并不意味着其相对其他实施例或设计是必然推荐的或优选的，也不意味着排除对该领域中的普通技术人员而言等同的示范结构和技术。与之相反，词语“示范”的使用，意在给概念赋予具体形式，而本发明的主题内容并非局限于此类例子。

[0085] 词语“或者”意在表达“包括”而非“仅限于”。在此意义上，“包含”、“有”、“含有”及其他在细节描述或权利要求中所用的类似词语，为避免歧义，此类词语都意在表示“包括”，与“包含”相似，作为开放性的转接词使用，而非排除任何附加的或其他的元素。