[发明专利]冷却与酶混合前的预处理生物质的方法和装置

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请涉及、并要求2012年9月10日提交的美国临时专利申请第61/698,877号和2012年11月5日提交的美国临时申请第61/722,514号的优先权。每个上述优先权专利申请通过引用整体包含在本文中。

背景技术

术语“生物质”一般涉及从活的或近期存活的生物机体中获得的任何物质。在能量语境中，它常常被用于指示植物材料，然而来自畜牧业、食品加工和生产以及家用有机废物的副产物和废物均可成为生物质的来源。生物质广泛可得并且包含高比例纤维素、半纤维素和木质素。生物质的四个主要类别为：(1)木质残渣(包括锯木厂和造纸厂丢弃物)、(2)市政废纸、(3)农业残渣(包括玉米秸秆和玉米棒和甘蔗渣)以及(4)专用能源作物(主要由诸如柳枝稷和芒草的生长迅速的长形、木质草组成)。木质纤维素生物质含有三种组成植物细胞壁的主要聚合物，即，(1)纤维素，D-葡萄糖聚合物；(2)半纤维素，其含有两种不同的聚合物，即，木聚糖：木糖聚合物、以及葡甘露聚糖：葡萄糖和甘露糖的聚合物；以及(3)木质素：愈创木基丙烷和丁香基丙烷单元的聚合物。由于其可以转化为可发酵成乙醇的葡萄糖单体，这些组分纤维素被认为是最需要的。

本文中描述的示例性实施方式一般涉及生物质(例如，木质纤维素材料)的酶转化(又名酶水解)以获得单体糖的领域、并特别涉及在预处理生物质的液化阶段中最大化酶性能/效率。

从生物质制备乙醇一般需包括如下步骤：(1)向加工厂采集并运输生物质；(2)用蒸汽爆破、化学品(如，添加或不添加酸或碱)、物理手段、生物手段等预处理生物质(预水解)；(3)使用催化纤维素解聚为葡萄糖的高特异性酶实施酶水解；(4)发酵葡萄糖至乙醇；以及(5)从含水发酵液中分离乙醇。最后，分离步骤除去最终剩余的水，制成适于与汽油混合的无水乙醇。

为了制备可更快速有效水解为发酵性糖的基质的目的，已开发出多种预处理生物质的技术。参见，例如，Zheng,Yi等,“Overview of BiomassPretreatment for Cellulosic Ethanol Production,”Int.J.Agric&Biol.Eng.,Vol.2,No.3,pp.51-68(2009)。这些方案使用的共同的条件和程序为：被设计为增加反应物和酶接触的表面积。在使用蒸汽爆破预处理情况中，生物质被纤维化并且纤维素断裂。为了启动酶和预处理生物质间的反应，特别必须存在操作温度范围。

在生物质酶水解前，生物质可进行包括一个或多个以下步骤的预处理：酸性条件水解(添加或不添加酸)，蒸汽爆破，诸如铵水解、石灰水解等其他预处理。特别地，可能有必要冷却预处理生物质，以提高工艺的酶水解(液化)阶段中的酶性能。

例如，诸如木质纤维素材料的生物质可被预处理，以制成易接触酶的诸如半纤维素和纤维素的基于糖的聚合物。在预处理后，在酶水解反应容器中处理生物质，酶水解(例如，分解)半纤维素和纤维素聚合物至单体。预处理生物质趋向于高粘性的。在酶水解期间，随着预处理生物质的聚合物转化为单体，预处理生物质被液化。单体、糖被进一步加工为乙醇、丁醇或其他基于糖的产品。

预处理生物质的酶水解引起许多挑战。这些挑战的范围从酶本身与预处理生物质及其衍生物的生物化学复杂度的相互反应，到液体/纤维、单体/低聚混合物(统称为“浆料”)的物理性质及其流变学特性。

用于实施连续酶水解(在过程中有输入和输出流，但反应体积保持不变的方法)的传统反应器需要具有昂贵强劲叶轮的大型槽将酶混入浆料中。生物质的酶水解或液化可能需要在大型槽中多个小时(通常大于12小时)的混合。混合过程通过将生物质从普遍的固体组合物转化为液化浆料降低表观粘度。典型地，在预处理生物质具有半固体、泥浆型稠度时启动混合过程。

传统附加酶水解系统包括分批和分批补料方法。在分批法中，在酶水解的起始将所有的组分(包括pH控制物)放于反应容器中。在生物质的酶水解过程中，没有向反应容器中的输入或来自反应容器的输出。一种替代分批法的方法是分批补料法。在分批补料法中(如美国专利公开第2010/0255554A1号中的记载)，在过程中并未从反应容器中除去任何物质，但为了通过一种基质的浓度控制反应率，该基质组分被逐步加入。在整个酶水解期间，向反应器中连续加料该基质，而不取出任何水解物直至过程结束(与分批法一样)。