Ферментативный гидролиз целлюлозы

Ферментативный гидролиз целлюлозы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к непрерывному способу ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы. Улучшенный гидролиз в соответствии с настоящим изобретением, в частности пригоден для использования, в преобразовании биомассы для целлюлозы, в целом, то есть в способе преобразования целлюлозной биомассы в полезные химические вещества или продукты, например, в биологические топлива.

В одном из вариантов осуществления, настоящее изобретение относится к способу непрерывного гидролиза целлюлозной биомассы, включающему, по меньшей мере, следующие стадии:

(P) обеспечения, по меньшей мере, одного реактора, который может быть работать в стационарном состоянии;

(A) добавления заданного количества целлюлозной биомассы в указанный реактор, при этом указанная целлюлозная биомасса имеет содержание твердых веществ, по меньшей мере, 10%, предпочтительно, по меньшей мере, 15%, предпочтительно, по меньшей мере, 20%, предпочтительно, по меньшей мере, 25%, более предпочтительно, по меньшей мере, 30%; более предпочтительно, 10%-45%, более предпочтительно, 15%-45%, более предпочтительно, 20%-40% или от 15% до 30%;

(Α') добавления заданного количества ферментов в указанный реактор;

(E) осуществления, по меньшей мере, частичного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в указанном реакторе.

В указанном способе достигается стационарное состояние, при котором целлюлозная биомасса непрерывно добавляется в указанный реактор, в то время как, по меньшей мере, частично гидролизованная целлюлозная биомасса непрерывно удаляется из указанного реактора, при этом указанная, по меньшей мере, частично гидролизованная целлюлозная биомасса, которую непрерывно удаляют, имеет вязкость, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), не больше чем 25 Па·с (паскаль-секунда), предпочтительно, не более чем 10 Па·с, предпочтительно, не более чем 5 Па·с, более предпочтительно, не более чем 3 Па·с, более предпочтительно, не более чем 1 Па·с.

Вязкость измеряют при стандартных условиях (20°C, 1 бар). Специалист в данной области найдет дополнительную информацию относительно того, как измерять указанную вязкость, в Примере, приведенном в настоящей заявке.

Предпочтительно, в указанном стационарном состоянии, указанная вязкость остается в основном постоянной или остается в основном ниже любого из описанных выше значений для вязкости в течение продолжительного периода времени, например, в течение 2 часов, 4 часов, 6 часов, 12 часов или более.

Целью установления стационарного состояния в указанном реакторе является предоставление возможности для гидролиза целлюлозной биомассы, имеющей сравнительно высокое содержание твердых веществ. Желательно осуществлять ферментативный гидролиз при высоких нагрузках твердых веществ, предпочтительно, при общем содержании твердых веществ ("TS") 10% или выше, в частности, с точки зрения окружающей среды и экономики, поскольку это уменьшает потребление воды и энергии, а также стоимость капиталовложений в оборудование. Однако одной из проблем при гидролизе целлюлозной биомассы с высоким содержанием твердых веществ является достижение достаточного перемешивания при условиях высокой вязкости суспензии с высоким содержанием твердых веществ. Обычно, в частности, в загрузочных способах, известных в данной области, перемешивание возможно только при использовании энергоемкого и конструктивно сложного оборудования.

В соответствии с настоящим изобретением, в указанном реакторе достигается реакция гидролиза в стационарном состоянии. При этом, целлюлозную биомассу с высоким содержанием твердых веществ в целом (предпочтительно, 10% или выше, более предпочтительно, в пределах между 15 и 40%) непрерывно добавляют в указанный реактор, в то время как, по меньшей мере, частично гидролизованную целлюлозную биомассу непрерывно удаляют из указанного реактора. Устанавливают стационарное состояние, то есть регулируют количество добавляемой целлюлозной биомассы и регулируют количество, по меньшей мере, частично гидролизованной удаляемой целлюлозной биомассы, так что среднее время удерживания целлюлозной биомассы в реакторе больше, чем соответствующее среднее "время ожижения", то есть период времени, необходимый для преобразования суспензии твердых веществ в прокачиваемую жидкость в течение гидролиза, то есть время, необходимое для понижения вязкости суспензии до значения, которое является приемлемым для дальнейшей переработки.

В соответствии с настоящим изобретением, это "время ожижения" соответствующим образом описывается с помощью вязкости, по меньшей мере, частично гидролизованной целлюлозной биомассы, которую непрерывно удаляют из реактора. Указанная вязкость, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), составляет не более чем 25 Па·с (паскаль-секунда), предпочтительно, не более чем 10 Па·с, предпочтительно, не более чем 5 Па·с, более предпочтительно, не более чем 3 Па·с, более предпочтительно, не более чем 1 Па·с.

В предпочтительном варианте осуществления, в соответствии с которым увеличивается выход глюкозы для способа в целом, способ непрерывного гидролиза целлюлозной биомассы осуществляют в каскаде, по меньшей мере, из двух реакторов, то есть стадия (P) представляет собой:

(P) обеспечение каскада, по меньшей мере, из двух реакторов, которые могут работать в стационарном состоянии.

В предпочтительном варианте осуществления, указанный способ непрерывного гидролиза целлюлозной биомассы включает, по меньшей мере, следующие стадии:

(P) обеспечения каскада по меньшей мере из двух реакторов, которые могут работать в стационарном состоянии;

(A) добавления заданного количества целлюлозной биомассы в первый реактор, при этом указанная целлюлозная биомасса имеет содержание твердых веществ, по меньшей мере, 10%, предпочтительно, по меньшей мере, 15%, предпочтительно, по меньшей мере, 20%, предпочтительно, по меньшей мере, 25%, более предпочтительно, по меньшей мере, 30%, более предпочтительно, 10%-45%, более предпочтительно, 15%-45%, более предпочтительно, 20%-40% или от 15% до 30%;

(Α') добавления заданного количества ферментов в указанный первый реактор

(E) осуществления частичного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в указанном первом реакторе,

(T) непрерывного удаления частично гидролизованной целлюлозной биомассы со стадии (E1), которая имеет вязкость, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), не более чем 25 Па·с (паскаль-секунда), предпочтительно, не более чем 10 Па·с, предпочтительно, не более чем 5 Па·с, более предпочтительно, не более чем 3 Па·с, более предпочтительно, не более чем 1 Па·с, и переноса ее во второй реактор, который может работать в стационарном состоянии;

(Ε') осуществления дополнительного ферментативного гидролиза на частично гидролизованной целлюлозной биомассе со стадии (E) в указанном втором реакторе.

Предыдущий уровень техники

Как принято считать повсеместно, ресурсы химических веществ на основе нефти и самой нефти, используемой как (ископаемое) топливо, ограничены. Один из используемых в настоящее время альтернативных ресурсов представляет собой "биологическое топливо", как получают из биомассы. Можно использовать различные источники биомассы.

"Биологические топлива первого поколения" представляют собой биологические топлива, полученные из сахара, крахмала, растительного масла или животных жиров с использованием обычной технологии. Иллюстративный основной исходный материал для получения биологических топлив первого поколения представляет собой семена или зерна, такие как пшеница, которая дает крахмал, который гидролизуют и ферментируют в биоэтанол, или семена подсолнечника, которые отжимают с получением растительного масла, которое может быть преобразовано в биодизельное топливо. Однако эти исходные материалы могут, вместо этого, поступать в пищевую цепочку животных или людей. По этой причине, биологические топлива первого поколения критикуют за изъятие пищевых продуктов из пищевой цепочки человека, что приводит к недостатку продовольствия и росту цен.

В противоположность этому, "биологическое топливо второго поколения" может производиться постоянно с использованием биомассы, состоящей из остатков, не употребляемых в пищу (то есть не перевариваемых) частей современных сельскохозяйственных культур, таких как стволы, листья, багасса (волокнистые остатки сахарного тростника), шелуха, и тому подобное, которые остаются после извлечения частей растений, пригодных в пищу, а также другие исходные материалы, которые не используют для пищевых целей (непищевые сельскохозяйственные культуры), такие как древесина, однолетние растения, и зерновые культуры, которые содержат мало зерна, а также промышленные отходы, такие как древесные опилки, кожура и отжимки от отжима фруктов, приготовления вина, и тому подобное.

Важной стадией в преобразовании биомассы в целом для этого биологического топлива второго поколения представляет собой гидролиз необработанной или предварительно обработанной целлюлозной биомассы до единиц меньших размеров. На указанной стадии гидролиза, цепи целлюлозы разрушают с помощью разрушения, по меньшей мере, одной β-1-4-глюкозидной связи.

Более конкретно, целлюлоза представляет собой нерастворимый линейный полимер из повторяющихся глюкановых единиц, связанных с помощью β-1-4-глюкозидных связей. В воде целлюлоза, обычно, гидролизуется под воздействием электрофильного водорода молекулы воды на гликозидную связь. В цепях целлюлозы каждая единица глюкозы может, в принципе, образовывать три водородных связи с мономерами в соседних цепях, с получением стабильной кристаллической структуры, которую нелегко гидролизовать. Скорость реакции гидролиза может быть повышена при использовании повышенных температур и давлений или может катализироваться с помощью разбавленной или концентрированной кислоты или с помощью ферментов (как в случае настоящего изобретения).

В промышленном масштабе особый интерес представляет гидролиз целлюлозной биомассы с высоким содержанием твердых веществ. Обычно, целлюлозную биомассу, имеющую высокое содержание твердых веществ, гидролизуют с использованием избыточных времен гидролиза, часто достигающих 5-7 дней, иногда используя объединенные установки, где гидролиз и ферментирование осуществляют одновременно.

US 2009/0209009 относится к ферментативному гидролизу целлюлозы и описывает, что стоимость ферментов может быть уменьшена посредством введения домена связывания с целлюлозой в один из компонентов фермента, необходимого для деградации целлюлозы, а именно бета-глюкозидазы. Для достижения этого, необходимы специфичные агенты для связывания. Этот агент для связывания позволяет ферменту связываться с целлюлозой для обычного рециклирования. Кроме того, реакцию гидролиза осуществляют в специальных реакторах для удерживания твердых веществ, где твердые вещества имеют время удерживания, которое больше чем время удерживания для жидкости.

WO 2009/14067 описывает загрузочный способ с отделением твердых веществ и разбавлением субстрата, чтобы можно было манипулировать с высокими содержаниями суспендированных твердых веществ в реакторе в целом (TSS).

Статья Brethauer, S.; Wyman, C.E. "Review: Continuous hydrolysis and fermentation for cellulosic ethanol production" Biores. Technol. 2010, 4862 сравнивает загрузочный и непрерывный способы гидролиза и ферментирования в общих терминах, но с ударением на ферментирование. Упоминаемые преимущества включают уменьшение нерабочего времени реактора для очистки и заполнения, что соответствует увеличению объемной производительности, уменьшению размеров реакторов, меньшим капитальным вложениям и упрощению контроля в стационарном состоянии. Данные, представленные в статье, взяты из экспериментов с непрерывным ферментированием.

Статья Fan, Z.L.; South, C; Lyford, K.; Munsie, J.; van Walsum, P.; Lynd, L. R. "Conversion of paper sludge to ethanol in a semi-continuous solids-fed reactor" Bioprocess Biosyst. Eng. 2003, 93, описывает полунепрерывный реактор, где бумажную пульпу вводят через определенные интервалы в реактор, осуществляющий SSF (= одновременное осахаривание и ферментирование). Авторы наблюдают, что посредством уменьшения частоты введения исходных материалов (добавления исходных материалов за время пребывания), нагрузка целлюлозы может быть уменьшена.

В свете предыдущего уровня техники, как обсуждается выше, одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы, в котором целлюлозная биомасса со сравнительно высоким содержанием твердых веществ может гидролизоваться в условиях промышленного масштаба, в то же время, сводя к минимуму затраты (капитальные и на работу).

Эта цель (и другие) достигается (достигаются) с помощью следующего способа непрерывного гидролиза целлюлозной биомассы, включающего, по меньшей мере, следующие стадии:

(P) обеспечения, по меньшей мере, одного реактора, который может работать в стационарном состоянии;

(A) добавления заданного количества целлюлозной биомассы в указанный реактор, при этом указанная целлюлозная биомасса имеет содержание твердых веществ, по меньшей мере, 10%, предпочтительно, по меньшей мере, 15%, предпочтительно, по меньшей мере, 20%, предпочтительно, по меньшей мере, 25%, более предпочтительно, по меньшей мере, 30%; более предпочтительно, 10%-45%, более предпочтительно, 15%-45%, более предпочтительно, 20%-40% или от 15% до 30%;

(Α') добавления заданного количества ферментов в указанный реактор;

(E) осуществления, по меньшей мере, частичного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в указанном реакторе,

где достигается стационарное состояние, при котором целлюлозную биомассу непрерывно добавляют в указанный реактор, в то время как, по меньшей мере, частично гидролизованную целлюлозную биомассу непрерывно удаляют из указанного реактора, при этом указанная, по меньшей мере, частично гидролизованная целлюлозная биомасса, которую непрерывно удаляют, имеет вязкость, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), не более чем 25 Па·с(паскаль-секунда), предпочтительно, не более чем 10 Па·с, предпочтительно, не более чем 5 Па·с, более предпочтительно, не более чем 3 Па·с, более предпочтительно, не более чем 1 Па·с.

В настоящем документе и в описании настоящего изобретения, в целом, термин "содержание твердых веществ" (известный также специалистам в данной области как "TS" или "твердые вещества в целом") обозначает отношение между массой образца после сушки при 105°C в течение 16 часов и массой этого же образца перед указанной сушкой.

Соответственно, термин "TDS" или "растворенные твердые вещества в целом", как используется в настоящей заявке, обозначает отношение между массой высушенного (105°C в течение 16 часов) фильтрата, полученного из образца после его фильтрования, и массой этого же образца перед указанным фильтрованием и сушкой.

Термин TSS" или "суспендированные твердые вещества в целом" обозначает отношение между массой высушенной (при 105°C в течение 16 часов) лепешки на фильтре, получаемой из образца после его фильтрования, и массой этого же образца перед указанным фильтрованием и сушкой. Следовательно, соотношение между этими показателями представляет собой TS=TDS+TSS.

Посредством осуществления непрерывного способа в соответствии с настоящим изобретением, то есть посредством установления стационарного состояния и определенного режима вязкости, решаются проблемы, связанные с высокой начальной вязкостью и сложностью конструкции реактора. В частности, настоящее изобретение решает проблему осуществления коммерчески жизнеспособного ферментативного гидролиза при высоких нагрузках твердых веществ, в то же время, поддерживая вязкость в реакторе низкой. Настоящее изобретение позволяет осуществлять ферментативный гидролиз при высоком содержании твердых веществ в целом и при низком содержании суспендированных твердых веществ в целом ("TSS") в виде непрерывного способа с рециклированием ферментов или без него.

Не требуется никакого специального перемешивания реактора, поскольку нет проблем с высоким TSS. Как следствие, в способе по настоящему изобретению можно использовать обычные CSTR (реакционные емкости с непрерывным перемешиванием). По этой причине, предпочтительно (по меньшей мере, один), реактор, используемый в способе в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой реактор с непрерывным перемешиванием, более предпочтительно, проточный реактор с мешалкой.

Другой вариант осуществления, который достигает указанной выше цели (целей), также повышает выход глюкозы способа в целом. При этом способ непрерывного гидролиза целлюлозной биомассы в соответствии с настоящим изобретением, в частности, стадию (P), осуществляют в каскаде, по меньшей мере, из двух реакторов.

Нет никаких ограничений относительно максимального количества реакторов. Количество реакторов, работающих в каскаде (то есть работающих последовательно), зависит в основном от желаемого выхода глюкозы.

В предпочтительном аспекте настоящего изобретения, количество ферментов, необходимое в способе в целом, уменьшается, по меньшей мере, на 30%, предпочтительно, по меньшей мере, на 40% с помощью включения контура рециклирования, в котором рециклируются ферменты. При этом гидролизат, то есть жидкая фаза, содержащая гидролизованную целлюлозу и ферменты, из (последнего) реактора подвергается воздействию стадии разделения, где негидролизованные твердые вещества отделяют от гидролизата, по-прежнему содержащего ферменты. Затем указанный жидкий гидролизат смешивают с негидролизованной ("свежей") целлюлозной биомассой, которую затем вводят в (первый) реактор гидролиза.

Краткое описание фигур

Фигура 1 показывает непрерывный реактор, работающий в соответствии со способом по настоящему изобретению, вместе с необязательным следующим далее каскадом дополнительных реакторов.

Фигура 2 показывает блок-схему непрерывного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в каскаде, по меньшей мере, из двух реакторов, при этом, по меньшей мере, часть ферментов, добавляемых в реактор, рециклируется.

Фигура 3 показывает блок-схему непрерывного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в каскаде, по меньшей мере, из двух реакторов, при этом ингибирование гидролиза под действием высокой нагрузки сахара сводится к минимуму в каскаде реакторов, которые последовательно уменьшаются по объему.

Фигура 4 изображает изменение вязкости целлюлозной биомассы, подвергаемой воздействию ферментативного гидролиза, со временем, давая информацию об ожидаемом минимальном времени удерживания в стационарном состоянии.

Фигура 5 представляет собой общую концепцию биорафинирования в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фигура 6 показывает блок-схему непрерывного ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы в каскаде из трех реакторов в соответствии с Примерами 2 и 3.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к гидролизу целлюлозной биомассы. Нет никаких ограничений относительно типа или композиции целлюлозной биомассы, кроме того, что указанная биомасса содержит целлюлозу. В соответствии с одним из пригодных для использования определений, "биомасса" представляет собой общую массу (ранее) живой материи, в частности органической материи, в заданной единице области окружающей среды, предпочтительно, растительный материал, растения или сельскохозяйственные отходы, используемые в качестве топлива или источника энергии. Тот факт, что "ранее" живая биомасса включается также как "целлюлозная биомасса" принимает во внимание то, что рециклированные целлюлозные материалы, в частности, рециклированные хлопковые материалы и/или рециклированные продукты на основе бумаги или другие возможные рециклированные материалы на основе целлюлозы, также включаются. Любая смесь рециклированных целлюлозных материалов, таких как рециклированные бумажные продукты, с любым другим типом целлюлозной биомассы также включается.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, указанная целлюлозная биомасса содержит более 30% целлюлозы (% массы по отношению к массе в целом), предпочтительно, более 50% целлюлозы, предпочтительно, более 70% целлюлозы. При этом термин "целлюлоза" также включает термин "гемицеллюлоза". Предпочтительная целлюлозная биомасса в соответствии с настоящим изобретением содержит хлопок, хлопковые линтеры и лигноцеллюлозную биомассу, то есть биомассу, содержащую как лигниновые компоненты, так и целлюлозные и/или гемицеллюлозные компоненты.

Предпочтительная целлюлозная биомасса, которая является особенно пригодной для способа по настоящему изобретению, основывается на энергетических сельскохозяйственных культурах, однолетних растениях, сельскохозяйственных остатках и древесине.

Промышленные энергетические сельскохозяйственные культуры, как правило, представляют собой плотно высаживаемые, дающие высокие урожаи виды, которые предпочтительно имеют ограниченную ценность как пищевые продукты или вообще ее не имеют. Например, древесные сельскохозяйственные культуры, такие как ива, китайский тростник, верба или тополь, являются предпочтительными энергетическими сельскохозяйственными культурами.

Предпочтительные примеры однолетних растений представляют собой солому, сахарный тростник и маниоку.

Сельскохозяйственные остатки включают те части пахотных культур, которые не используются для первичной цели получения пищевых продуктов, кормов или волокон, например использованные подстилки для животных и листья.

Эти остатки иллюстрируются багассой от сахарного тростника и стеблями кукурузы.

Особенно предпочтительный исходный материал сахарного тростника может быть разделен на багассу, сахар и солому. Багасса представляет собой волокнистый материал, состоящий из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнинов, экстрактивных веществ, неорганических солей и других органических веществ, таких как белки и органические кислоты.

Багасса и древесина твердых пород имеют множество сходных особенностей, то есть высокое содержание ксилана, более короткие волокна и более низкое содержание лигнина и целлюлозы по сравнению с древесиной мягких пород. Однако багасса имеет чуть более высокое содержание золы. Содержание золы может объясняться различиями в морфологии растений и способе сбора урожая. Более короткие волокна в багассе связаны в основном с ее высоким содержанием сердцевины (~30%).

В целом, на основании того факта, что никакого механического уменьшения размеров может не потребоваться и что получают более высокий выход гидролиза, является особенно предпочтительным осуществление способа в соответствии с настоящим изобретением с помощью не древесных сельскохозяйственных остатков, в частности, багассы, в качестве целлюлозной биомассы.

Древесина также является материалом, пригодным для настоящего способа. При этом пригодными для использования являются все типы древесины.

В соответствии с настоящим способом пульпу из целлюлозной биомассы ферментативно гидролизуют. Целлюлоза представляет собой нерастворимый линейный полимер из повторяющихся глюкановых единиц, связанных β-1-4-глюкозидными связями. В воде целлюлоза гидролизуется под воздействием электрофильного водорода молекулы воды на гликозидную связь. В целлюлозных цепях каждая единица глюкозы может образовывать три водородных связи с мономерами соседних цепей, с получением стабильной кристаллической структуры, которую сложно гидролизовать. Скорость реакции гидролиза можно повысить, используя повышенные температуры и давления, или ее можно катализировать с помощью разбавленной или концентрированной кислоты или с помощью ферментов, предпочтительно, как в случае настоящего изобретения, с помощью ферментов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, на стадии гидролиза используют комплексы внеклеточных или ассоциированных с клеточными мембранами ферментов (целлюлаз), которые могут специфично гидролизовать полимер целлюлозы в виде растворимых мономеров глюкозы. Целлюлазы представляет собой комплексы из множества белков, состоящие из синергических ферментов с различными специфичными активностями, которые можно разделить на экзо- и эндоцеллюлазу (глюканазу) и β-глюкозидазу (целлобиазу). В дополнение к этому, имеются ферменты (гемицеллюлазы, лакказы, лигнолитические пероксидазы, и тому подобное), которые могут разрушать остальные главные компоненты целлюлозной биомассы. Все эти ферменты и любое их сочетание представляют собой предпочтительные ферменты, которые можно использовать при ферментативном гидролизе по настоящему изобретению.

Целлобиоза представляет собой известный ингибитор конечного продукта глюканаз, и β-глюкозидаза, как известно, ослабляет это ингибирование посредством преобразования целлобиозы в глюкозу (стадия, ограничивающая скорость). В промышленных процессах, например, при этанольном ферментировании с помощью дрожжей, эффективность осахаривания целлюлазы может быть улучшена посредством одновременного осахаривания и ферментирования (SSF). Самая большая проблема при SSF относится к различию оптимальных температур для обычных гидролитических ферментов и ферментирующих организмов. В дополнение к ингибированию конечного продукта, лигнин, как известно, ухудшает рабочие характеристики ферментов посредством неспецифичного связывания с целлюлазами.

Является предпочтительным, чтобы целлюлозная биомасса перед гидролизом подвергалась воздействию, по меньшей мере, одного типа предварительной обработки, которая превращает, по меньшей мере, часть лигнина целлюлозной биомассы в водорастворимую форму, тем самым делая их особенно хорошо пригодными для стадии гидролиза настоящего изобретения.

По этой причине, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, осуществляют предварительную обработку целлюлозы для увеличения удельной площади поверхности целлюлозы. Правильная предварительная обработка имеет преимущества увеличения скорости ферментативного гидролиза благодаря большему количеству доступного субстрата, а также посредством удаления потенциально ингибиторных веществ.

Хотя способ в соответствии с настоящим изобретением применим ко всем видам целлюлозных материалов, является предпочтительным, чтобы материал предварительно обрабатывался на отдельной стадии, предшествующей стадии гидролиза. Обнаружено, что указанная стадия предварительной обработки повышает эффективность ферментативного гидролиза.

Указанная предварительная обработка является механической или химической, предпочтительно, химической.

При механической (предварительной) обработке, импульс или энергия переносится в целлюлозную биомассу, например, посредством измельчения или резки, или разбивания биомассы на более мелкие частицы. При этом химических реагентов не добавляют, и химическая структура компонентов материала остается в основном неизменной.

При химической (предварительной) обработке, добавляют, по меньшей мере, один химический реагент, и химическая структура, по меньшей мере, одного компонента из компонентов биомассы изменяется. Как будет обсуждаться более подробно ниже, "сульфитная варка" представляет собой химическую предварительную обработку, и является, фактически, предпочтительным типом предварительной обработки.

В предпочтительном варианте осуществления, в настоящем способе используют целлюлозную биомассу, в частности лигноцеллюлозную биомассу, которая не требует механической (предварительной) обработки, и при этом сульфитная варка представляет собой единственную (предварительную) обработку. Сульфитная варка может быть разделена на четыре главных группы: кислотная, кислотная бисульфитная, слабощелочная и щелочная сульфитная варка.

При предпочтительной предварительной обработке в соответствии с настоящим изобретением целлюлозную биомассу варят с помощью сульфита, предпочтительно сульфита натрия, кальция, аммония или магния, при кислотных, нейтральных или основных условиях. Эта стадия предварительной обработки растворяет большую часть лигнина как сульфонированный лигнин (лигносульфонаты) вместе с частями гемицеллюлозы.

Неожиданно в настоящем способе обнаружено, что использование сульфитной варки в качестве стадии предварительной обработки при получении топлив или химических веществ из ферментируемых сахаров является очень эффективным, поскольку оно приводит к повышению выхода химических веществ в целом. По существу достигается более высокий выход (>80%) полезных химических веществ, чем в любой другой известной технологии биорафинирования на платформе сахаров.

Тот факт, что целлюлозная пульпа, получаемая в результате одностадийной предварительной обработки, имеет особенно мало примесей, в частности лигнина, делает более простой разработку или адаптирование ферментов для гидролиза.

Сульфитную предварительную обработку предпочтительно осуществляют в соответствии с одним из следующих вариантов осуществления. В настоящем документе и по всему настоящему описанию "сульфитная предварительная обработка" упоминается также как "варка":

• кислотная варка (предпочтительно SO₂ с гидроксидом, более предпочтительно, с Ca(OH)₂, NaOH, NH₄OH или Mg(OH)₂),

• бисульфитная варка (предпочтительно SO₂ с гидроксидом, более предпочтительно с NaOH, NH₄OH или Mg(OH)₂),

• слабощелочная варка (предпочтительно Na₂SO₃, более предпочтительно, с Na₂CO₃) и

• щелочная варка (предпочтительно Na₂SO₃ с гидроксидом, более предпочтительно с NaOH).

Относительно стадии сульфитной предварительной обработки (сульфитной варки), которая представляет собой предпочтительную предварительную обработку, которая должна осуществляться перед ферментативным гидролизом в соответствии с настоящим изобретением, соответствующее описание WO 2010/078930 с заглавием "Lignocellulosic Biomass Conversion", как подано 16 декабря 2009 года, включается в качестве ссылки в настоящее описание.

Настоящее изобретение также относится к объединенному способу получения моносахаридов, химических веществ на основе сахаров, биологических топлив или материалов вместе с сульфонированным лигнином из лигноцеллюлозной биомассы, включающему, по меньшей мере, следующие стадии:

(i) предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы, предпочтительно, на стадии сульфитной варки;

(ii) разделения предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы со стадии (i) на

(a) жидкую фазу "отработанного сульфитного щелока", предпочтительно содержащую 50% или более лигнина из лигноцеллюлозной биомассы в форме сульфонированного лигнина, и на

(b) пульпу, предпочтительно содержащую 70% или более целлюлозы из лигноцеллюлозной биомассы;

(iii) гидролиза пульпы (b) со стадии (ii) до платформы химии сахаров, содержащей моносахариды; при этом указанная стадия гидролиза представляет собой способ непрерывного гидролиза лигноцеллюлозной биомассы, как описано выше;

(iv) необязательной дополнительной переработки моносахаридов со стадии (iii), с получением полезных химических веществ, биологических топлив и/или белков; и

(v) прямого преобразования или дополнительной переработки сульфонированного лигнина из жидкой фазы (a) со стадии (ii) в полезные химические вещества, биологические топлива и/или материалы.

Этот способ в целом схематически изображен на Фигуре 5.

Стадия (iv) указанного способа относится к ферментированию моносахаридов, в частности, гексоз и пентоз, в этанол или другие химические вещества на основе сахаров или с получением белков биомассы.

Ферментирование включает микроорганизмы, которые разрушают сахара, высвобождая энергию, при этом способ приводит к получению продуктов подобных спирту или кислоте. Saccharomyces cerevisiae (хлебопекарные дрожжи) используют чаще всего для ферментирования гексоз до этанола. Один моль глюкозы стехиометрически будет давать 2 моля этанола плюс 2 моля диоксида углерода. Пульпа из багассы содержит относительно большие количества пентоз. Эти сахара также могут быть либо ферментированы, либо метаболизированы с получением белков биомассы.

Со ссылкой на описанный выше объединенный способ получения моносахаридов или без нее настоящее изобретение относится к гидролизу целлюлозной биомассы, как описано выше. По отношению к указанному гидролизу, предпочтительными являются следующие варианты осуществления.

В предпочтительном варианте осуществления, в непрерывном способе по настоящему изобретению, вся суспензия из жидких и твердых компонентов перемещается через реакторы с одинаковой скоростью, то есть твердые вещества негидролизованных волокон и водная фаза суспензии удерживаются в течение одинакового интервала времени в указанном реакторе.

В соответствии с первым вариантом осуществления, как иллюстрируется на Фигуре 1, субстрат, то есть целлюлозная биомасса, вводится в реактор, и добавляются ферменты. Способ осуществляют непрерывно, то есть в стационарном состоянии. В указанном реакторе субстрат, то есть целлюлозная биомасса, гидролизуется. Вязкость частично гидролизованной целлюлозной биомассы в реакторе, работающем в соответствии с настоящим изобретением, с TS 25% (состоит из TSS 10% и TDS 15%) может аппроксимироваться вязкостью в соответствующем загрузочном эксперименте после времени реакции 16 часов.

Не существует никаких ограничений относительно реактора, необходимого для осуществления способа, хотя CSTR (проточный реактор с мешалкой) является предпочтительным.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, также показанным на Фигуре 1, предусматривают каскад реакторов для улучшения выхода глюкозы. В дополнительных реакторах (следующих за первым реактором, описанным выше), субстрат дополнительно гидролизуется с получением гидролизата с высокой концентрацией сахаров (= высокому содержанию растворенных твердых веществ в целом, "TDS") и твердого остатка, состоящего из материала, который не может быть гидролизован (лигнина, неорганических материалов, и тому подобное).

Даже если реактор запитывают субстратом, имеющим высокое содержание твердых веществ, например, TS 25%, содержание суспендированных продуктов в целом ("TSS") в реакторе составляет только примерно 10% в стационарном состоянии (предполагая 3 реактора последовательно при общем времени реакции 48 часов, по 16 час в каждом реакторе). Вязкость раствора с TS 25% (состоит из TSS 10% и TDS 15%) в стационарном реакторе по настоящему изобретению соответствует вязкости в загрузочном реакторе после времени реакции 16 часов или меньше.

Среднее время удерживания в реакторе для целлюлозной биомассы, добавленной в реактор для гидролиза, должно быть примерно равным времени, необходимому для ожижения в загрузочном реакторе с хорошим перемешиванием, предпочтительно, чуть больше, чем это время. По этой причине среднее время удерживания первого реактора должно быть выбрано так, чтобы достигалось достаточное ожижение для суспензии, чтобы суспензию можно было прокачивать.

В соответствии со вторым вариантом осуществления затраты на фермент понижаются при использовании рециклирования фермента. Способ схематически описан на Фигуре 2.

В предпочтительном аспекте настоящего изобретения количество фермента, необходимое для способа в целом, понижается, по меньшей мере, на 30%, предпочтительно, по меньшей мере, на 40% посредством включения контура рециклирования, в котором рециклируются ферменты.

В соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления гидролизат, то есть жидкая фаза, содержащая гидролизованную целлюлозу и ферменты, из (последнего) реактора подвергается воздействию стадии разделения, где негидролизованные твердые вещества, по меньшей мере, частично отделяют от гидролизата, по-прежнему содержащего ферменты. Затем указанный жидкий гидролизат смешивают с негидролизованной ("свежей") целлюлозной биомассой, которую затем вводят в реактор для гидролиза.

Это иллюстрируется на Фигуре 2. Здесь, после реактора