Усовершенствованный способ быстрого гидролиза биомассы с высоким содержанием твердых веществ

Усовершенствованный способ быстрого гидролиза биомассы с высоким содержанием твердых веществ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ЗАЯВЛЕНИЕ ОБ УСТАНОВЛЕНИИ ПРИОРИТЕТА

Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет на основании патентных заявок PCT/IT2009/000124, поданной 31 марта 2009 года, PCT/IT2009/000127, поданной 31 марта 2009 года, PCT/IB2009/055736, поданной 14 декабря 2009 года, и PCT/IB2009/055737, поданной 14 декабря 2009 года.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Французская патентная заявка № 2609046 описывает гидролиз крахмала в присутствии ферментов, гидролизующих крахмал. Как известно, крахмал экстрагируют из кормовых и зерновых растений. Специалистам в данной области известно, что крахмал содержит химические связи, которые легко гидролизуются, в отличие от целлюлозы, которая с трудом поддается гидролизу. Описанный в данном патенте способ включает в себя добавление воды к измельченному сухому крахмалу до достижения концентрации в подслое размолотого крахмала в пересчете на сухое вещество в диапазоне от 50 до 400 г/литр гущи ферментационного бульона. В патентной заявке Франции не описано применение целлюлозного сырья.

В данной области известно, что затраты энергии на отгонку этанола из процесса ферментации значительно уменьшаются, если ферментационный бульон содержит более 4% этанола. При этом концентрация сахара должна быть выше 8% (масс./масс.), что для большинства типов биомасс, в частности для лигноцеллюлозных биомасс, соответствует исходному содержанию сухих веществ выше 20%.

Следовательно, важно иметь возможность применения лигноцеллюлозных биомасс с высоким содержанием сухого вещества, предпочтительно выше 20% по массе.

Ферментативный гидролиз биомассы описан ранее. Однако в случае лигноцеллюлозных биомасс успешно протекает лишь гидролиз веществ, составляющих волокна и частицы со средним размером меньше 1 дюйма (25,4 мм), при относительно низком содержании сухих веществ, т.е. ниже 20% (масс./масс.).

Ферментативный гидролиз биомассы традиционно проводят в корпусных реакторах с перемешиванием, оборудованных перемешивающими устройствами (такими как турбина Раштона или импеллер Intemig), установленными на находящемся в центре валу импеллера, подобными используемым в бродильной промышленности. Данное оборудование не позволяет эффективно перемешивать растворы с высокой вязкостью, очень липкие или очень сухие вещества, которые остаются негомогенными и сохраняют плохо перемешанные или не перемешанные участки. Кроме того, перемешивание таких растворов требует больших затрат энергии, что плохо сказывается на экономическом эффекте процесса. Следовательно, применение полисахарид-содержащих биомасс ранее было ограничено максимально возможным верхним пределом, составляющим примерно 20% (масс./масс.).

Это подтверждает патент США № 4409329, в котором описан гидролиз твердой целлюлозы до сахара, где целлюлозу гидролизуют до простых сахаров путем обработки гранулярной взвеси, содержащей 3-20% (масс./масс.) твердого сырья, на 30-80% (масс./масс.) состоящего из целлюлозы, целлюлазным ферментным комплексом. Средний диаметр частиц загрузочной массы, содержащей твердую целлюлозу, находится в диапазоне от 0,01 до 1 дюйма (0,0254-25,4 мм). Перемешивание осуществляют с помощью перфорированных лопастей ротора. Идея патента заключается в применении очень высокой скорости сдвига, порядка 50000-200000 фут/минута/фут, во всей зоне реакции.

US2002117167A описывает ферментативный гидролиз гемицеллюлозы в веществе биомассы, включающий в себя солюбилизацию, по меньшей мере, части гемицеллюлозы и гидролиз солюбилизированной гемицеллюлозы с получением, по меньшей мере, одного моносахарида. Выбранная биомасса предпочтительно представляет собой водную взвесь необработанного или предварительно обработанного вещества. Вещество может представлять собой любое целлюлозное вещество, которое включает в себя гемицеллюлозу. Как описано, процесс является особенно эффективным в отношении волокон зерновых, таких как кукуруза, пшеница, рис, овес или ячмень. Однако, как указано в примерах, целлюлоза не гидролизуется.

US2004005674A описывает способ ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы. Деградация лигноцеллюлозы до сахаров включает в себя приведение в контакт лигноцеллюлозы, по меньшей мере, с одним вспомогательным ферментом и, по меньшей мере, с одной целлюлазой. Лигноцеллюлозное вещество измельчают (средний размер волокон вещества дополнительно не указывают) и получают препарат с низким содержанием сухих веществ (0,2 г измельченной соломы в 10 мл раствора фермента).

WO 2006/056838 описывает способ ожижения и осахаривания полисахарид-содержащих биомасс с относительно высоким содержанием сухих веществ. Он объединяет ферментативный гидролиз с типом смешивания, основанным на принципе гравитации, который обеспечивает механическое воздействие на биомассу, в первую очередь, воздействие усилий сдвига и разрыва.

Вышеуказанные способы являются дорогостоящими вследствие необходимости применения высоких усилий сдвига и продолжительного времени гидролиза сырья. Следовательно, существует потребность в экономических решениях для обработки биомассы с высоким содержанием сухих веществ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данной области известно, что осуществить деградацию целлюлозы до сахара очень трудно. Доказано, что попытки гидролизовать целлюлозные биомассы, как правило, являются неэкономичными. Хотя потоки целлюлозосодержащей биомассы можно обработать с увеличением доступности целлюлозы для катализаторов гидролиза, таких как ферменты, целлюлозу очень трудно превратить в базовые сахара с точки зрения затрат времени и энергии. По этой причине существующие на известном уровне техники системы включают в себя вначале удаление целлюлозных компонентов, а затем гидролиз крахмала или только свободного сахарного компонента. Указанные системы называют способами первого поколения. Трудность гидролиза целлюлозы подтверждается в последних патентах известного уровня техники, цитирующихся в разделе «Уровень техники изобретения», где для разрушения волокон целлюлозосодержащие вещества подвергают высокому усилию сдвига и длительному периоду воздействия.

Настоящее описание раскрывает способ гидролиза, который не требует применения усилия сдвига и обеспечивает гидролиз целлюлозы в течение очень короткого времени.

Таким образом, настоящее описание раскрывает способ гидролиза биомассы с высоким содержанием сухого вещества, включающий в себя стадии приведения в контакт сырья, включающего в себя биомассу, содержащую как сухие вещества, так и воду, по меньшей мере, с частью растворителя, содержащего водорастворимые продукты гидролиза; где по меньшей мере некоторые из водорастворимых продуктов гидролиза идентичны водорастворимым продуктам гидролиза, которые образуются в результате гидролиза биомассы, при осуществлении контакта сырья и растворителя в присутствии каталитической композиции при температуре в диапазоне от 20°C до 95°C в течение периода времени от 5 минут до 72 часов с получением продукта гидролиза биомассы.

Настоящее описание раскрывает способ гидролиза биомассы, который включает в себя стадии A) разделения количества биомассы, содержащей сухие вещества и воду, по меньшей мере, на первый поток сырья и на второй поток сырья, B) создание первого потока растворителя путем гидролиза первого потока сырья с добавлением катализатора к первому потоку сырья, где количество катализатора находится в диапазоне от 0,1 до 150 FPU/г сухого содержимого во всех потоках сырья, и проведением гидролиза при температуре от 20°C до 95°C в течение периода времени от 5 минут до 8 часов, C) приведение в контакт, по меньшей мере, одного из потоков сырья, который не является первым потоком сырья, с первым потоком растворителя и D) осуществление контакта, по меньшей мере, одного потока сырья, который не является первым потоком сырья, с первым потоком растворителя при температуре от 20°C до 95°C в течение периода времени от 5 минут до 72 часов с получением продукта гидролиза биомассы.

Раскрываемый способ дополнительно включает в себя приведение в контакт, по меньшей мере, части каталитической композиции с сырьем до, во время или после приведения в контакт сырья с растворителем. Также указано, что отношение биомассы к воде в сырье может составлять более чем 1:6, или более чем 1:5, или более чем 1:4, или более чем 1:3, или более чем 1:2,5, или более чем 1:2, или более чем 1:1,5, или более чем 1:1, или более чем 1:0,9.

Также раскрывается, что отношение биомассы к воде в сырье может находиться в диапазоне от 1:4 до 9:1; от 1:3,9 до 9:1, от 1:3,5 до 9:1, от 1:3,25 до 9:1, от 1:3 до 9:1, от 1:2,9 до 9:1, от 1:2 до 9:1, от 1,15 до 9:1, от 1:1 до 9:1 и от 1:0,9 до 9:1.

Далее раскрывается, что отношение массы растворителя, находящегося в контакте с сырьем, к массе сырья в момент контакта может находиться в одном из диапазонов от 1:99 до 99:1, от 10:90 до 90:10, от 20:80 до 90:10, от 30:70 до 90:10, от 40:60 до 90:10, от 50:50 до 90:10 и от 60:40 до 90:10.

Далее раскрывается, что катализатор содержит фермент, а фермент способен превращать соединение, присутствующее в биомассе, в сахар или низкомолекулярные сахара полимеров.

Также раскрывается, что фермент способен гидролизовать целлюлозу, предпочтительно до глюкозы.

Также раскрывается, что способ может представлять собой периодический процесс, где каталитическую композицию вводят в сосуд до, одновременно или после введения сырья, а сырье и растворитель держат в сосуде в указанном диапазоне температур и в течение указанного периода времени, и после выдерживания в сосуде сырья, растворителя и катализатора в указанном диапазоне температур и в течение указанного периода времени, массу гидролизованного продукта удаляют из сосуда, где масса удаленного гидролизованного продукта практически эквивалентна суммарной массе сырья, каталитической композиции и всех остальных веществ, отличных от растворителя, введенных в сосуд. Процесс также может включать в себя применение второго потока растворителя из ранее гидролизованной партии. Удалять из сосуда можно весь продукт, или его часть.

Также раскрывается, что способ может представлять собой непрерывный процесс, где сырье, по меньшей мере, из одного потока сырья, который не является первым потоком сырья, и растворитель из первого потока растворителя непрерывно вводят в сосуд, уже содержащий поток растворителя, каталитическую композицию непрерывно вводят в сосуд, а гидролизованный продукт непрерывно удаляют из сосуда, где масса гидролизованного продукта, удаленного в течение определенного периода времени, эквивалентна суммарной массе сырья, каталитической композиции и всех остальных веществ, отличных от растворителя, введенных в сосуд в течение определенного периода времени.

Раскрываемые способы также могут включать в себя стадию предварительного смешивания с использованием петли для рециркуляции потока растворителя продукта, где часть растворителя смешивают, по меньшей мере, с частью сырья перед введением в сосуд, а все соотношения растворителя и сырья основаны на общем количестве растворителя, которое представляет собой сумму количества растворителя в сосуде и количества любого растворителя, смешанного, по меньшей мере, с частью потока сырья.

Раскрываемый способ также включает в себя отделение твердых веществ от гидролизованного потока и, необязательно, возвращение твердых веществ в сосуд для гидролиза. Также раскрывается, что твердые вещества можно продуть перед добавлением в сосуд для гидролиза, или их можно совсем не добавлять в сосуд для гидролиза.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 изображена схема непрерывного процесса гидролиза.

На фиг.2 изображена схема непрерывного процесса гидролиза с использованием петли для рециркуляции.

На фиг.3 изображена схема непрерывного процесса с поршневым режимом движения жидкости.

На фиг.4 изображена схема периодического процесса гидролиза.

На фиг.5 изображена схема одного воплощения усовершенствованного способа, включающего в себя обработку избытком катализатора.

На фиг.6 изображен тип аппарата, используемого для проведения экспериментов.

На фиг.7 изображена схема непрерывного процесса гидролиза с отделением твердых веществ от продукта гидролиза.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В данном способе используется открытие, заключающееся в том, что проведение ферментативного гидролиза целлюлозы в присутствии значительного количества уже полученных продуктов гидролиза биомассы позволяет осуществлять этот процесс очень быстро, необязательно избегая применения усилия сдвига и избытка воды. При таком проведении способа практикующий специалист может избежать применения специальных миксеров и высоких затрат, описанных в заявках известного уровня техники.

Проведение способа начинают с выбора сырья. Сырье включает в себя биомассу, содержащую сухие вещества и воду. Обычно вода представляет собой не свободную воду, а воду, абсорбированную биомассой. Биомассу обычно характеризуют по содержанию сухих веществ (отличных от воды). Биомасса с содержанием сухих веществ 20% соответствует биомассе, которая содержит 80% воды и 20% отличных от воды или иных твердых веществ. Фраза биомасса и вода относится к сухому содержимому биомассы наряду с абсорбированной и свободной водой, а также с добавленной водой. Например, количество биомассы и воды для 100 кг биомассы с содержанием сухих веществ 20% составляет 100 кг. Количество биомассы и воды для 100 кг биомассы с содержанием сухих веществ 20% плюс 10 кг воды составляет 110 кг.

Описанный способ позволяет использовать сырье, состоящее из биомассы и воды, где содержание сухих веществ по отношению к воде предпочтительно составляет от 15 до 80%, от 20 до 80% или от 21 до 80%, предпочтительно от 25 до 70% или 26-70%, более предпочтительно от 25 до 60% или от 26 до 60%, еще более предпочтительно от 25 до 50%, или от 26 до 50%, или от 25 до 40%, или от 26% до 40%, наиболее предпочтительно от 25 до 35%, или от 26 до 35%, или от 26 до 34%, или от 31% до 49%.

Альтернативно его можно выразить в виде минимального содержания сухих веществ, т.е. в виде массового процента сухого содержимого сырья по отношению к воде. Оно может составлять по меньшей мере 18 массовых процентов сухого содержимого, предпочтительно по меньшей мере 21 или 20 массовых процентов сухого содержимого, предпочтительно по меньшей мере 25 массовых процентов сухого содержимого, более предпочтительно по меньшей мере 30 массовых процентов сухого содержимого и наиболее предпочтительно по меньшей мере 40 массовых процентов сухого содержимого. Верхняя граница указанных диапазонов содержания по определению составляет 100%, однако на практике, если содержание указывают в диапазонах, их верхняя граница составляет 80 массовых процентов.

Описанный здесь способ предположительно позволяет обрабатывать сырье с содержанием сухих веществ почти 100%. Конечно, следует понимать, что для проведения реакции гидролиза необходимо некоторое количество воды.

Следовательно, в настоящем изобретении можно использовать биомассы с содержанием сухих веществ в диапазоне, превышающем 18%, 20%, 21%, 25%, 26%, 30%, 31%, 35%, 36%, 40%, 50%, 60% и 80%, с верхней границей 80%, 90% для каждой нижней границы.

Предпочтительное распределение размеров волокон и частиц биомассы может включать в себя диапазоны 0-150 мм, предпочтительно 5-125 мм, более предпочтительно 10-100 мм, еще более предпочтительно от 15-30 до 90 мм или 20-80 мм и наиболее предпочтительно от 26 до 70 мм.

Предпочтительное распределение размеров волокон и частиц определяют как соответствие по меньшей мере 20% (масс./масс.) биомассы предпочтительному интервалу.

Преимущество данного способа заключается в том, что его можно проводить без добавления неорганической кислоты, предпочтительно выбранной из группы, включающей в себя серную кислоту, хлористоводородную кислоту, фосфорную кислоту и т.п., или их смеси, или без добавления органических растворителей, солюбилизирующих лигнин, таких как растворители, выбранные из группы, включающей в себя углерод, кетоны и ацетоны, состоящие из 2-6 атомов углерода, и их смеси, метанол, этанол.

Другое преимущество заключается в том, что реакцию можно проводить при атмосферном давлении. Полагают, что альтернативно температуру можно повысить и проводить реакцию в присутствии или отсутствии ферментов при давлении, соответствующем температуре в диапазоне от 100°C до 200°C.

Предпочтительным сырьем является растительная биомасса. Помимо крахмала растительная биомасса содержит три основных компонента, которые включают в себя целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин и обычно называются общим термином лигноцеллюлоза. Полисахарид-содержащая биомасса представляет собой общий термин, который включает в себя как крахмал-содержащие, так и лигноцеллюлоза-содержащие биомассы. Таким образом, типы сырья могут включать в себя растительную биомассу, полисахарид-содержащую биомассу и лигноцеллюлозную биомассу. Следует понимать, что используемая в данном описании лигноцеллюлозная биомасса может содержать или не содержать крахмал.

Данный способ в первую очередь направлен на получение продуктов гидролиза второго поколения, где лигноцеллюлозное сырье содержит целлюлозу в количестве более 5% по отношению к массе сухого содержимого. Хотя 5% по отношению к массе сухого содержимого является предпочтительным количеством, еще более предпочтительным количеством является содержание целлюлозы более чем 10% по отношению к массе сухого содержимого сырья, и наиболее предпочтительным является содержание целлюлозы более чем, по меньшей мере, 15% по отношению к массе сухого содержимого сырья.

В то же время крахмал в сырье может отсутствовать, практически отсутствовать, или его содержание может быть равно 0. Если крахмал присутствует, его содержание может составлять менее 75% по отношению к массе сухого содержимого. Предпочтительные диапазоны содержания крахмала отсутствуют, поскольку, как полагают, присутствие крахмала не влияет на гидролиз целлюлозы. Диапазоны содержания крахмала, в случае его присутствия, составляют от 0 до 75% по отношению к массе сухого содержимого, от 0 до 50% по отношению к массе сухого содержимого, от 0 до 30% по отношению к массе сухого содержимого и от 0 до 25% по отношению к массе сухого содержимого.

Предварительную обработку часто используют для подтверждения того, что структура лигноцеллюлозного содержимого является более доступной для катализаторов, таких как ферменты, и в то же время концентрации вредных ингибиторных побочных продуктов, таких как уксусная кислота, фурфурол и гидроксиметилфурфурол остаются достаточно низкими.

Существует несколько способов достижения повышенной доступности и многие еще могут быть изобретены. Существующие в настоящее время способы предполагают воздействие на лигноцеллюлозное вещество температур в диапазоне 110-250°C в течение 1-60 мин, например:

Экстракция горячей водой

Многостадийный гидролиз разбавленной кислотой, в процессе которого растворенное вещество удаляется до образования ингибиторных веществ

Гидролиз разбавленной кислотой в условиях относительно низкой жесткости

Влажное окисление в присутствии щелочи

Обработка паром

Фактически любая предварительная обработка с последующей детоксикацией

При выборе гидротермической предварительной обработки предпочтительно использовать следующие условия:

Температура предварительной обработки: 110-250°C, предпочтительно 120-240°C, более предпочтительно 130-230°C, более предпочтительно 140-220°C, более предпочтительно 150-210°C, более предпочтительно 160-200°C, еще более предпочтительно 170-200°C и наиболее предпочтительно 180-200°C.

Время предварительной обработки: 1-60 мин, предпочтительно 2-55 мин, более предпочтительно 3-50 мин, более предпочтительно 4-45 мин, более предпочтительно 5-40 мин, более предпочтительно 5-35 мин, более предпочтительно 5-30 мин, более предпочтительно 5-25 мин, более предпочтительно 5-20 мин и наиболее предпочтительно 5-15 мин.

Содержание сухих веществ после предварительной обработки предпочтительно составляет по меньшей мере 20% (масс./масс.). Другие, более высокие предпочтительные границы рассматриваются ниже.

Полисахарид-содержащие биомассы в соответствии с настоящим изобретением включают в себя любые вещества, содержащие полимерные сахара, такие как, например, крахмал, в том числе рафинированный крахмал, целлюлоза и гемицеллюлоза. Однако, как описано ранее, крахмал не является основным компонентом.

Типы биомасс, подходящие для гидролиза и смешивания в соответствии с настоящим изобретением, могут включать в себя биомассы, полученные из сельскохозяйственных культур, такие как, например: биомасса, содержащая зерна; кукурузная солома, багасса, солома, полученная, например, из риса, пшеницы, ржи, овса, ячменя, рапса, сорго; клубнеплоды, например свекла, картофель.

Лигноцеллюлозную биомассу как сырье предпочтительно получают из растений семейства, обычно называемого злаковые травы. Подходящим семейством является Poaceae или Gramineae, класс Liliopsida (однодольные) цветковых растений. Растения этого семейства, которые включают в себя бамбук, обычно называют злаковые травы. Существует примерно 600 родов и приблизительно 9000-10000 или больше видов злаковых трав (Kew Index of World Grass Species).

Poaceae включают в себя основные пищевые зерна и зерновые культуры, выращиваемые по всему миру, газонные и кормовые травы и бамбук. Poaceae обычно имеют полые стебли, называемые соломинами, которые через определенные промежутки закупориваются (отверждаются), образуя так называемые узлы вдоль соломины, на которых растут листья. Как правило, листья трав имеют поочередное, двухрядное (на одном растении) или, в редких случаях, спиральное и параллельно-нервное расположение. В каждом листе различают нижнее влагалище листа, которое охватывает стебель на определенном участке, и пластину, обычно имеющую сплошные края. Пластины листьев многих трав отверждаются фитолитами из диоксида кремния, которые помогают отпугивать травоядных животных. Фитолиты делают края пластин некоторых трав (таких как серебряная трава) достаточно острыми, чтобы разрезать человеческую кожу. В месте сочленения влагалища и пластины находится мембранное образование, или пленчатый вырост, называемый лигула, который предотвращает проникновение во влагалище воды и насекомых.

Пластины листьев растут из основания пластины, а не из удлиненных кончиков стеблей. Такая низкая точка роста образовалась в результате эволюции в ответ на травоядных животных, благодаря чему регулярное поедание животными травы или регулярное скашивание травы не причиняет растению серьезного вреда.

Цветки Poaceae обычно образуют колоски, причем каждый колосок содержит один или несколько отдельных цветочков (колоски, в свою очередь, могут образовывать метелки или початки). В основании колоска обычно находится два (или иногда меньше) прицветника, называемых оболочка зерна, после которых следует один или несколько отдельных цветочков. Отдельный цветочек состоит из цветка, окруженного двумя прицветниками, называемыми цветковая чешуя (наружный) и верхняя цветковая чешуя (внутренний). Цветки обычно являются гермафродитными (маис, однодомный, является исключением) и почти всегда опыляются ветром. Околоцветник сводится к двум чешуйкам, называемым лоликулы, которые, увеличиваясь в объеме, препятствуют разрастанию цветковой чешуи и верхней цветковой чешуи; обычно их считают модифицированными чашелистиками. Такую сложную структуру можно видеть слева на изображении колоса пшеницы (Triticum aestivum).

Плод Poaceae представляет собой зерновку, в которой оболочка семени соединяется с плодовой оболочкой и, следовательно, не отделяется от нее (например, зернышко маиса).

Существует три основных типа формы роста трав: пучками (этот тип также называют дерновой), подземными побегами и корневищный.

Успех трав отчасти обусловлен их морфологией и процессами роста, и отчасти физиологическим разнообразием. В основном, травы подразделяют на две физиологические группы, в которых для фиксации углерода используются пути фотосинтеза C3 и C4. Травы C4 имеют путь фотосинтеза, связанный со специализированной кранц-анатомией листьев, которая позволяет листьям адаптироваться к жаркому климату и низкому содержанию диоксида углерода в атмосфере.

Травы C3 называют "холодостойкими травами", тогда как растения C4 считаются "злаками, вегетирующими в теплый сезон". Травы могут быть однолетними или многолетними. Примерами однолетних холодостойких трав являются пшеница, рожь, однолетний мятлик (однолетняя луговая трава, мятлик однолетний и овес). Примерами многолетних холодостойких трав являются ежа сборная (ежа сборная, Dactylis glomerata), овсяница (Festuca spp), мятлик луговой и многолетний плевел (Lolium perenne). Примерами однолетних трав, вегетирующих в теплый сезон, являются кукуруза, суданская трава и просо американское. Примерами многолетних трав, вегетирующих в теплый сезон, являются бородач, айра голубая, бермудская трава и просо прутьевидное.

В соответствии с одной классификацией семейство трав подразделяют на двенадцать подсемейств: 1) Anomochlooideae, небольшая группа широколистных трав, которая включает в себя два рода (Anomochloa, Streptochaeta); 2) Pharoideae, небольшая группа трав, которая включает в себя три рода, в том числе Pharus и Leptaspis; 3) Puelioideae, небольшая группа, которая включает в себя африканский род Puelia; 4) Pooideae, в состав которого входит пшеница, ячмень, овес, костер (Bronnus) и вейник (Calamagrostis); 5) Bambusoideae, в состав которого входит бамбук; 6) Ehrhartoideae, в состав которого входит рис и канадский рис; 7) Arundinoideae, в состав которого входит арундо тростниковый и тростник обыкновенный 8) Centothecoideae, небольшое семейство, состоящее из 11 родов, которое иногда относят к Panicoideae; 9) Chloridoideae, в состав которого входит полевичка (Eragrostis, примерно 350 видов, включая метличку абиссинскую), спороболусы (Sporobolus, около 160 видов), просо пальчатое (Eleusine coracana (L.) Gaertn.) и мюленбергия (Muhlenbergia, примерно 175 видов); 10) Panicoideae, в состав которого входит ежовник, маис, сорго, сахарный тростник, большая часть проса, фонио и бородатая трава. 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, в состав которого входит пампасная трава; и Poa, в состав которого входит примерно 500 видов трав, свойственных климатическим поясам обоих полушарий.

Сельскохозяйственные травы, выращиваемые из-за съедобных семян, называют зерновыми злаками. Тремя наиболее распространенными зерновыми злаками являются рис, пшеница и маис (кукуруза). 70% всех сельскохозяйственных культур составляют травы.

Сахарный тростник является основным источником для производства сахара. Травы используют для строительства. Строительные леса, сделанные из бамбука, способны противостоять ветру тайфунной силы, который может разрушить стальную конструкцию. Крупные бамбуки и Arundo donax имеют прочные стебли, которые можно использовать как лесоматериалы, а корни травы укрепляют дерн сделанных из дерна домов. Arundo используют для изготовления деревянных духовых инструментов, а бамбук используют для изготовления несчетного числа инструментов.

Следовательно, предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, включающей в себя травы. Другими словами, предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, включающей в себя растения семейства Poaceae или Gramineae. В большинстве случаев крахмал не экстрагируют. Таким образом, другую предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, включающей в себя растения семейства Poaceae или Gramineae, из которых крахмал не экстрагирован. Другими словами, предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, включающей в себя растения семейства Poaceae или Gramineae, из которых крахмал не экстрагирован. Экстракция и удаление - разные процессы. Зерновое растение имеет початок и солому. При удалении початков происходит удаление первичного крахмального компонента, но не экстракция крахмала. Экстракция крахмала представляет собой отделение крахмала от целлюлозно-крахмальной композиции химическим или физическим способом, отличным от резания или крошения. Лигноцеллюлозную биомассу можно разрезать на кусочки так, чтобы до предварительной обработки 20% (масс./масс.) биомассы составляли частицы, размер которых предпочтительно варьирует в диапазоне 26-70 мм. Перед вступлением в процесс и после предварительной обработки биомасса содержит более 20% сухих веществ. Помимо высвобождения углеводов из биомассы процесс предварительной обработки обеспечивает стерилизацию, частичное растворение биомассы и одновременно вымывание хлорида калия из лигнин-содержащей фракции.

Биомасса содержит соединения, которые в процессе гидролиза биомассы образуют водорастворимые вещества. Водорастворимые гидролизуемые разновидности целлюлозы могут гидролизоваться с образованием таких продуктов, как глюкоза, целлобиоза и высшие полимеры глюкозы, которые включают в себя димеры и олигомеры. Так, некоторые водорастворимые продукты гидролиза целлюлозы включают в себя глюкозу и соответствующие димеры и олигомеры, такие как целлобиоза и высшие полимеры глюкозы. Целлюлоза гидролизуется до глюкозы под действием карбогидролитических целлюлаз. Карбогидролитические целлюлазы являются примерами катализаторов гидролиза целлюлозы.

В общепринятом представлении о целлюлолитических системах целлюлазы разделяются на три класса; экзо-1,4-β-D-глюканазы или целлобиогидролазы (CBH) (EC 3.2.1.91), которые отщепляют мономеры целлобиозы с концов целлюлозных цепей; эндо-1,4-β-D-глюканазы (EG) (EC 3.2.1.4), которые гидролизуют произвольные внутренние β-1,4-глюкозидные связи целлюлозной цепи; 1,4-β-D-глюкозидаза (EC 3.2.1.21), которая гидролизует целлобиозу до глюкозы и отщепляет мономеры глюкозы с целлоолигосахаридов. Следовательно, если биомасса содержит целлюлозу, то водорастворимым продуктом гидролиза биомассы является глюкоза, а вышеупомянутые ферменты наряду с ферментами, описанными в экспериментальном разделе, являются конкретными примерами катализаторов гидролиза целлюлозы.

Подобным образом, если биомасса содержит гемицеллюлозу, в процессе гидролиза биомассы образуются водорастворимые продукты гидролиза гемицеллюлозы. Гемицеллюлоза включает в себя ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксилан, глюкоманнан и ксилоглюкан. Под действием гемицеллюлаз из гемицеллюлозы высвобождаются разные сахара. Вследствие гетерогенной природы гемицеллюлозы гемицеллюлолитическая система является более сложной, чем целлюлолитическая система. Гемицеллюлолитические системы могут включать в себя, в числе прочих, эндо-1,4-β-D-ксиланазы (EC 3.2.1.8), которые гидролизуют внутренние связи в ксилановой цепи; 1,4-β-D-ксилозидазы (EC 3.2.1.37), которые расщепляют ксилоолигосахариды на невосстанавливающем конце и высвобождают ксилозу; эндо-1,4-β-D-маннаназы (EC 3.2.1.78), которые расщепляют внутренние связи; 1,4-β-D-маннозидазы (EC 3.2.1.25), которые расщепляют манноолигосахариды до маннозы. Боковые группы удаляют с помощью ряда ферментов, таких как α-D-галактозидазы (EC 3.2.1.22), α-L-арабинофуразинозидазы (EC 3.2.1.55), α-D-глюкуронидазы (EC 3.2.1.139), циннамоилэстеразы (EC 3.1.1.-), ацетилксиланэстеразы (EC 3.1.1.6) и ферулоилэстеразы (EC 3.1.1.73). Следовательно, если биомасса содержит гемицеллюлозу, то водорастворимыми продуктами гидролиза биомассы являются ксилоза и манноза, а вышеупомянутые гемицеллюлазы наряду с ферментами, описанными в экспериментальном разделе, являются конкретными примерами катализаторов гидролиза гемицеллюлозы.

В процессе участвует каталитическая композиция. Каталитическая композиция состоит из катализатора, носителя и других добавок/ингредиентов, используемых для введения катализатора в процесс. Как указано выше, катализатор может содержать, по меньшей мере, один фермент или микроорганизм, который превращает, по меньшей мере, одно из соединений, входящих в состав биомассы, в соединение или соединения с более низкой молекулярной массой, в том числе, вплоть до мономерных сахаров или углеводов, из которых состоит соединение, входящее в состав биомассы. Ферменты, способные осуществлять превращение разных полисахаридов, таких как целлюлоза, гемицеллюлоза и крахмал, хорошо известны в данной области и включают в себя еще не открытые ферменты.

Каталитическая композиция также может содержать неорганическую кислоту, предпочтительно выбранную из группы, включающей в себя серную кислоту, хлористоводородную кислоту, фосфорную кислоту и т.п. или их смеси. Неорганическая кислота предположительно является полезной для процессов, протекающих при температуре выше 100°C. Процесс также можно проводить без добавления неорганической кислоты.

Катализатор обычно добавляют в процесс вместе с носителем, таким как вода или органическое вещество. Следовательно, в целях баланса веществ термин каталитическая композиция включает в себя катализатор (катализаторы) и носитель (носители), используемый для добавления катализатора (катализаторов) в процесс. Если вместе с катализатором добавляют буфер, он также является частью каталитической композиции.

Зачастую лигноцеллюлозная биомасса содержит крахмал. Для гидролиза крахмала обычно используют такие ферменты, как альфа-амилазы (1,4-α-D-глюкан-глюканогидролазы (EC 3.2.1.1)). Они представляют собой эндо-гидролазы, которые расщепляют 1,4-α-D-глюкозидные связи и обходят 1,6-α-D-глюкозидные точки ветвления, не гидролизуя их. Однако для гидролиза крахмала также можно использовать экзо-глюкоамилазы, такие как бета-амилаза (EC 3.2.1.2) и пуллуланаза (EC 3.2.1.41). В результате гидролиза крахмала, в основном, образуются глюкоза, мальтоза, мальтотриоза, α-декстрин и разные количества олигосахаридов. Если для ферментации используют полученный из крахмала гидролизат, он может представлять собой благоприятную среду для добавления протеолитических ферментов. Такие ферменты могут предотвращать флокуляцию микроорганизмов и способствовать образованию аминокислот, доступных для микроорганизмов. Таким образом, если биомасса содержит крахмал, примерами водорастворимых продуктов гидролиза крахмала являются глюкоза, мальтоза, мальтотриоза, α-декстрин и олигосахариды, а упомянутые выше альфа-амилазы наряду с ферментами, описанными в экспериментальном разделе, являются конкретными примерами катализаторов гидролиза крахмала.

При проведении процесса гидролиза в контакте с растворителем, как описано на фиг.1-4, предпочтительное воплощение процесса с повышенной эффективностью и скоростью гидролиза можно значительно улучшить путем применения свежих катализаторов. Полагают, что в воплощениях 1, 2, 3 и 4 часть катализатора из каталитической композиции с течением времени разрушается.

Способ, описанный на фиг.5, включает в себя разделение или распределение биомассы 3, поток 1, по меньшей мере, на два потока, при этом первый сырьевой поток 1a гидролизуется в сосуде 15 в присутствии избыточного количества катализатора, вводимого в составе каталитической композиции в потоке 2, необязательно без применения процесса с растворителем. После гидролиза первого сырьевого потока 1a в присутствии избытка катализатора, вводимого в потоке 2, продукт гидролиза 4 удаляют из сосуда 15 и используют в качестве первого потока растворителя. Затем первый поток растворителя 4 объединяют, по меньшей мере, с частью оставшегося сырья из сырьевого потока 1b и процесс гидролиза с растворителем запускают в сосуде 16. Сосуд 16 может соответствовать любому из сосудов 10 на фиг.1, сосуду 10 или 11 на фиг.2, сосуду 12 на фиг.3 и сосуду 13 на фиг.4. Продукт гидролиза 6 удаляют из сосуда в виде потока 5.

Количество катализатора, необходимое для обработки первого потока сырья, зависит, в основном, от типа биомассы, используемой в качестве сырья, и выбранного катализатора или фермента (ферментов). Следовательно, лучше всего выражать количество катализатора на основе количества, необходимого для гидролиза 100% гидролизуемых компонентов в заданной массе биомассы.

Количество катализатора, необходимое для гидролиза первого сырьевого потока, находится в диапазоне от минимального количества катализатора, необходимого для гидролиза 100% первого сырьевого потока, до удвоенного количества, необходимого для гидролиза 100% всех сырьевых потоков.

Это количество также можно выразить в виде единиц фильтровальной бумаги (FPU)/г сухого вещества (DM). FPU измеряют и определяют в соответствии с аналитической методикой лаборатории NREL (технический отчет NREL/TP-510-42628, январь 2008). Данный способ, основанный на применении промышленного стандарта, позволяет измерить активн