[发明专利]发酵含木素纤维素材料

说明书

发明领域

本发明涉及基于含木素纤维素材料的发酵方法。

发明背景

由于化石燃料有限的储量和对温室气体排放的担忧，人们越来越多地关注使用可再生能源。

包含含木素纤维素材料的植物材料可由发酵生物(包括细菌、酵母和真菌)转化为可发酵的糖，并用作能源用于工业目的。例如，含木素纤维素材料可由酶转化为糖，且所得的糖可用作原料供工业微生物产生产物，如塑料和乙醇。

由含木素纤维素材料的发酵生成发酵产物(如乙醇)在本领域中是已知的，并且通常包括含木素纤维素材料的预处理、水解和发酵。

含木素纤维素材料的预处理导致例如，乙酸、酚类和呋喃由含木素纤维素材料释放，所述材料在水解和发酵期间可以不可逆地结合加入的酶。这些化合物也可对于发酵生物体的代谢是有毒的，并且抑制发酵生物体的性能。为了克服对酵母的这种抑制，实践中将水解物稀释，并在低干固体浓度的条件下发酵，从而实现了对所述抑制化合物浓度的相应的稀释。

通过增加pH可减少特别是乙酸和其它弱酸对酵母的毒性也是众所周知的。然而，为了控制腐败(spoilage)细菌的污染，对经水解的含木素纤维素材料的发酵通常在酸性pH(低于5.5)进行。因此，经水解的含木素纤维素材料的发酵通常在低pH和低干固体浓度进行。

需要从含木素纤维素材料产生发酵产物的改进的方法。

发明概述

本发明人现已发现，可在较高pH发酵经水解的含木素纤维素材料的醪液(mash)，并同时控制腐败细菌的污染。这是通过在发酵过程中使用非常高的干固体浓度来实现的。不拘于理论，相信虽然弱酸(如乙酸)对发酵生物的毒性在高pH时减少从而允许发酵生物的增殖，但是腐败细菌的生长受高浓度的其它抑制化合物控制。

因此，本发明在第一个方面涉及从含木素纤维素材料产生发酵产物的方法，包括下述步骤：(a)(i)预处理含木素纤维素材料的材料，(a)(ii)水解经预处理的含木素纤维素材料，(b)使用发酵生物发酵在步骤(a)中获得的水解物，和(c)任选地，回收所述发酵产物，其中，在步骤(b)中的发酵过程中，pH为5.5-9.0，而高的干固体浓度为至少20％。

在第二个方面，本发明涉及产生发酵产物的方法，所述方法包括：(a)提供经预处理的含木素纤维素材料的水解物，(b)将所述水解物与发酵生物相接触以产生发酵产物，和(c)任选地，回收所述发酵产物，其中，在步骤(b)中的发酵过程中，pH为5.5-9.0，而高的干固体浓度为至少20％。

在上述方面中，所述发酵生物优选酵母，而发酵产物优选乙醇。

上述方面步骤的具体细节如下所述(例如，在“预处理”、“水解”和“发酵”部分中)。

具体实施方式

含木素纤维素材料

本文使用的术语“含木素纤维素材料”指主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的材料。该术语与“木素纤维素材料”同义。这种材料经常称为“生物质”。

本发明包括任何含木素纤维素材料。含木素纤维素材料可以是包含木质纤维素的任何材料。在一个优选实施方案中，含木素纤维素材料包含至少30wt.％，优选至少50wt.％，更优选至少70wt.％，甚至更优选至少90wt.％的木质纤维素。应理解的是，含木素纤维素材料还可以包含其它组分，如蛋白质材料、淀粉、糖，如可发酵的糖和/或不可发酵的糖。

通常在例如植物的茎、叶、壳、皮和穗轴或树的叶、枝和木材中发现含木素纤维素材料。含木素纤维素材料还可以是，但不限于，草本材料、农业残余物、林业残余物、城市固体废物、废纸，和纸浆和造纸厂残余物。在本文应理解的是，含木素纤维素材料可以是植物细胞壁材料的形式，其在混合的基体中包含木质素、纤维素和半纤维素。

在一个优选实施方案中，含木素纤维素材料包括玉米秸秆、玉米纤维、稻草、松木、木屑/刨花(wood chip)、杨木、甘蔗渣、纸和纸浆(pulp)处理废物中的一种或多种。

其它含木素纤维素材料的实例包括硬木，如杨木和桦木，软木，谷类草杆(cereal straw)，如麦秆(wheat straw)，柳枝稷(switchgrass)，城市固体废物，工业有机废物，办公用纸，或它们的混合物。

在一个优选实施方案中，木素纤维素材料是玉米秸秆或玉米纤维，优选通过蒸汽爆炸(steam explosion)预处理，优选经酶法水解，并在约6的pH和约30％的干固体浓度用酵母发酵产生乙醇。所述乙醇优选回收用作燃料乙醇。

预处理