用于快速水解高固体生物质的改进方法 |
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| 申请号 | CN201080025029.5 | 申请日 | 2010-03-31 | 公开(公告)号 | CN102449159A | 公开(公告)日 | 2012-05-09 |
| 申请人 | 康泰斯意大利有限公司; | 发明人 | M·科蒂克梅蒂尼; P·托雷; F·切尔奇; A·里瓦; S·费雷罗; P·奥托内洛; M·加贝罗; | ||||
| 摘要 | 用于 水 解 木质 纤维 素 生物 质 的方法，包括以下步骤：A)使木质 纤维素 原料与至少一部分 溶剂 接触 ，原料包含具有干内容物和水的生物质，溶剂包含 水溶性 经水解的种类；其中至少一些水溶性经水解的种类与自原料中生物质水解可得到的水溶性经水解的种类相同；B)保持原料流中的原料与溶剂在20℃-200℃范围内的 温度 下接触5分钟-72小时范围内的时间，以自原料中的生物质产生经水解的产物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于水解木质纤维素生物质的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于快速水解高固体生物质的改进方法[0002] 该专利申请要求2009年3月31日递交的专利申请PCT/IT2009/000124、2009年3月31日递交的PCT/IT2009/000127、2009年12月14日递交的PCT/IB2009/055736和2009年12月14日递交的PCT/IB2009/055737的优先权。 [0003] 背景 [0004] 法国专利申请第2609046号教导了淀粉在淀粉水解酶存在下的水解作用。已知淀粉提取自食物和谷类植物。本领域人员已知淀粉由于其化学键易于水解，而纤维素不易于水解。该专利教导了向磨碎的干淀粉中加入水以将磨碎的淀粉下层中的浓度(以干物质表示)调节至理解为50-400g/升中间发酵物之间的数值。该法国专利申请没有提及对纤维素原料的适用性。 [0005] 本领域已知如果发酵液含有多于4％乙醇，自发酵过程蒸馏乙醇的能源成本被显著减少。这需要糖浓度高于8％(w/w)，其对于大多数类型的生物质，特别是木质纤维素生物质，相当于最初的干物质含量高于20％。 [0006] 因此至关重要的是能够使用具有高的干物质含量，优选地高于20％(重量)的含有木质纤维素的生物质。 [0007] 生物质的酶水解先前已经得到描述。然而，在木质纤维素生物质的情况中，仅有含有平均尺寸低于1英寸(25.4mm)的纤维和颗粒并具有相对低干物质含量(即低于20％(w/w))的物质已经被成功水解。 [0008] 生物质的酶水解传统地已经在配备叶轮(例如Rushton涡轮或Intemig叶轮)的搅拌釜反应器中进行，这些叶轮固定在被中心安置的叶轮轴上，与发酵工业中所使用的类似。由于该设备，高粘度溶液、非常粘或非常干的材料不能够被有效地搅拌并将造成不均匀、保持非常差地混合或未混合的区域。另外，搅拌这样的溶液需要非常大的能量输入，这对于过程的经济性是不利的。因此对于含有多糖的生物质的操作，先前已经限定可能的上限为约20％(w/w)。 [0009] 这在其描述了固体纤维素材料被水解为糖的美国专利第4409329号中得到证实，其中通过用纤维素酶酶复合体处理含有30-80％(w/w)纤维素的3-20％(w/w)固体原料的颗粒浆状物，将纤维素水解为单糖。含有纤维素的固体装料具有直径在0.01-1英寸(0.0254-25.4mm)范围内的平均粒度。穿孔的转子叶片被用于混合。该专利的教导为采用非常高的剪切速率，遍及反应区域大约为50000-200000英尺/分钟/英尺的等级。 [0010] US2002117167A描述了生物质材料中半纤维素的酶水解，其包括增溶至少一部分半纤维素并水解所增溶的半纤维素，以产生至少一种单糖。所选择的生物质优选地为原料或预处理材料的含水浆状物。生物质材料可为包括半纤维素的任何纤维素材料。该过程被描述为对于谷类纤维例如玉米、小麦、稻谷、燕麦或大麦尤其有效。然而，如在实施例中指明的那样，纤维素未被水解。 [0011] US2004005674A描述了用于酶水解木质纤维素的过程。将木质纤维素降解为糖包括使木质纤维素与至少一种辅助酶和至少一种纤维素酶接触。木质纤维素材料被磨碎(材料的平均纤维大小未被进一步详细说明)并具有低的干物质含量(0.2g磨碎的秸秆材料，在10ml酶溶液中)。 [0013] 以上过程由于其高剪切要求和水解原料的时间，对于操作是昂贵的。因此对使用经济的设计而同时处理高干含量的生物质存在需求。 [0014] 概述 [0015] 本领域熟知纤维素非常难以分解成糖。水解纤维素生物质的努力通常已经证明是不经济的。尽管含有纤维素的生物质流可被处理以增大纤维素对水解催化剂比如酶的可及性，在时间和能量方面仍然非常难以将纤维素转化为其基础糖。正是因为这个原因，现有技术系统首先除去纤维素组分，并单独水解淀粉或游离糖组分。这些系统被称为第一代过程。纤维素水解的困难在背景部分引用的新近现有技术专利中得到证实，这些专利使纤维素材料经受高剪切和长时间以破裂纤维。 [0017] 本说明书因此公开了用于水解高含量的干生物质的方法，方法包括以下步骤：使包含具有干内容物和水两者的生物质的原料与至少一部分包含水溶性经水解种类的溶剂接触；其中至少一些水溶性经水解的种类与自生物质水解可得到的水溶性经水解种类相同，在催化剂组合物存在下，于20□-95℃范围内的温度下，保持原料与溶剂之间的接触5分钟-72小时范围内的时间，以自生物质产生经水解的产物。 [0018] 本说明书公开了用于水解生物质的方法也可包括以下步骤：A)将一定量具有干内容物和水的生物质分配到至少第一原料流和第二原料流中，B)通过向第一原料流加入催化剂水解第一原料流而产生第一溶剂流，其中全部原料流中催化剂量在0.1-150FPU/g干内容物的范围内，并在20℃-95℃范围内的温度下实施水解5分钟-8小时范围内的时间，C)使不为第一原料流的原料流中的至少一种与第一溶剂流接触和D)在20℃-95℃范围内的温度下，保持不为第一原料流的至少一种原料与第一溶剂流之间的接触5分钟-72小时范围内的时间，以自生物质产生经水解的产物。 [0019] 进一步公开了至少一部分催化剂组合物在原料与溶剂接触之前、即刻或之后与原料接触。进一步公开了原料的生物质与水的比率可为大于1∶6，或大于1∶5，或大于1∶4，或大于1∶3，或大于1∶2.5，或大于1∶2，或大于1∶1.5，或大于1∶1或大于 1∶0.9。 [0020] 进一步公开了原料中生物质∶水的量在1∶4-9∶1、1.3.9-9∶1、1∶3.5-9∶1、1∶3.25-9∶1、1∶3-9∶1、1∶2.9-9∶1、1∶2-9∶1、1.15-9∶1、 1∶1-9∶1和1∶0.9-9∶1的比率范围内。 [0021] 进一步公开了在接触时刻与原料接触的溶剂重量∶原料重量的比率可在1∶99-99∶1、10∶90-90∶10、20∶80-90∶10、30∶70-90∶10、40∶60-90∶10、 50∶50-90∶10和60∶40-90∶10中的任何一种范围内。 [0023] 进一步公开了所述方法可为分批方法，其中催化剂组合物在加入原料之前、同时或之后被引入到容器中，并且原料和溶剂在容器中被保持在所述温度范围内所述时间量，并且在容器中保持原料、溶剂和催化剂在所述温度范围内所述时间量之后，自容器除去一定重量的经水解产物，其中被除去的经水解产物重量基本上相当于被引入的原料加上催化剂组合物重量加上所有被引入到容器中的除溶剂以外的其它材料的重量。所述方法也可包含来自先前水解批次的第二溶剂流。产物去除可为完全的或者将一部分产物保留在容器中。 [0024] 进一步公开了所述方法可为连续方法，其中不为第一原料流的至少一种原料流的原料和第一溶剂流的溶剂被连续引入到已经含有溶剂流的容器中，催化剂组合物被连续引入到容器中，并且自容器连续除去经水解的产物，其中在指定量的时间期间除去的经水解产物的重量相当于原料加上催化剂组合物重量加上在指定量的时间期间所有被引入到容器中的除溶剂以外的其它材料的重量。 [0025] 进一步公开了所述方法可具有基于产物溶剂流的再循环回路的预混合步骤，其中一部分溶剂与至少一部分原料在被引入到容器中之前混合，并且溶剂与原料的所有比率为基于溶剂的总量，该总量为容器中溶剂的量加上与至少一部分原料流混合的任何溶剂的量。 [0026] 进一步公开了将固体与经水解的材料流分离，并且将固体任选地再循环进入水解容器中。公开了固体也可在加入到水解容器之前清除(purge)或者根本不加入到水解容器中。 [0028] -图1为连续水解过程的示意图。 [0029] -图2为具有再循环回路的连续水解过程的示意图。 [0030] -图3为活塞流持续过程的示意图。 [0031] -图4为分批水解过程的示意图。 [0032] -图5为显示用过量催化剂处理的改进过程的一个实施方案的示意图。 [0033] -图6描绘用于进行实验的设备类型。 [0034] -图7为包含分离水解产物中固体的连续水解过程的示意图。 [0035] 详细描述 [0036] 该过程利用以下发现：当在显著量的来自生物质的已水解产物存在下进行水解时，纤维素的酶水解可非常快速地发生，并因此任选地避免剪切和过量水。这样做时，从业者可避免在现有技术建议中描述的特殊混合器的使用和混合的高成本。 [0037] 所述过程开始于原料选择。原料包含具有干内容物和水的生物质。通常水不为游离水，而是被吸收到生物质自身中的水。该生物质通常根据其干内容物(非水)进行表达。20％干内容物生物质相当于具有80％水和20％非水(或固体内容物)的生物质。术语生物质和水，为生物质的干内容物加上被吸收的水和游离水以及可能已经加入的水。例如，对于具有20％干内容物的100kg生物质加上10kg水，生物质加上水的量为110kg。 [0038] 认为所描述的过程能够采用生物质和水的原料，其中原料的干物质含量对于水优选地为15-80％、20-80％，或21-80％，优选地为25-70％，或26-70％，更优选地为25-60％，或26-60％，甚至更优选地为25-50％，或26-50％，或25-40％，或26％-40％并且最优选地为25-35％，或26-35％，或26-34％，或31％-49％。 [0039] 这或者可表达为最小干含量，即表达为相对于原料中水的干内容物的重量％。这相当于至少18重量％干内容物，优选地为相当于至少21或20重量％干内容物，优选地为至少25重量％干内容物，更优选地为至少30重量％干内容物，并且最优选地为至少40重量％干内容物。如果它们以范围表达的话，这些内容物的上限按照定义为100％，但实际上80重量％为这些内容物的上限。 [0040] 认为本文所描述的过程能够处理几乎100％的干内容物。当然意识到一些水对于水解反应是必需的。 [0041] 因此，适合于本发明的范围为具有干内容物大于18％、20％、21％、25％、26％、30％、31％、35％、36％、40％、50％、60％和80％的生物质，对于每一个下限，上限为80％、 90％。 [0042] 生物质的纤维和粒度的优选分布可包括0-150mm，优选地为5-125mm，更优选地为10-100mm，甚至更优选地为15-30至90mm或20-80mm和最优选地为26-70mm的范围。 [0043] 纤维和粒度的优选分布被定义为至少20％(w/w)的生物质在优选区间的范围内。 [0044] 该过程的一个有利条件是，在不加入优选地选自硫酸、盐酸、磷酸等的无机酸或其混合物的情况下，或者在没有木质素增溶有机溶剂例如选自2-6个碳原子的碳、酮类(cetone)和丙酮及其混合物、甲醇、乙醇的那些溶剂的情况下，可进行该过程。 [0045] 另一个有利条件是该反应可在大气压力下进行。或者，认为温度可被升高以致于可在有或无酶存在下，在与100℃-200℃范围内温度有关的压力下进行该反应。 [0046] 植物生物质为优选的原料。植物生物质中除淀粉以外的3种主要组分为纤维素、半纤维素和木质素，其通常用通用术语称为木质纤维素。含多糖的生物质为包括淀粉和木质纤维素生物质两者的通用术语。因此，一些类型的原料可为植物生物质、含多糖的生物质和木质纤维素生物质。为了清楚起见，在本说明书中，木质纤维素生物质中可含有淀粉或可不含有淀粉。 [0047] 该过程主要目的在于第二代水解生产，其中木质纤维素原料含有大于干内容物5％(重量)的纤维素。尽管干内容物的5％(重量)为优选量，甚至更优选的量为纤维素含量大于原料干内容物的10％(重量)，大于原料干内容物的至少15％(重量)为最优选。 [0048] 尽管原料可不含淀粉，基本上不含淀粉，或具有淀粉含量为0，如果存在，淀粉可为干内容物的少于75％(重量)。不存在优选的淀粉范围，因为不认为其存在会影响纤维素的水解。如果存在，淀粉量的范围在干内容物的0-75％(重量)、干内容物的0-50％(重量)、干内容物的0-30％(重量)和干内容物的0-25％(重量)之间。 [0049] 预处理通常用于确保木质纤维素内容物的结构被赋予催化剂例如酶的更可及性，并且同时确保有害的抑制性副产物比如乙酸、糠醛和羟甲基糠醛的浓度保持本质上低的。 [0050] 存在几种策略以实现增大的可及性，其中许多可能尚未被发明。现行的策略意指使木质纤维素材料经受在110-250℃之间的温度1-60分钟，例如： [0051] 热水提取 [0052] 多级稀酸水解，其在形成抑制性物质之前除去被溶解的物质 [0053] 在相对低苛刻度条件下的稀酸水解 [0055] 蒸汽爆破(Steam explosion) [0056] 几乎任何预处理伴随随后的解毒作用 [0057] 如果选择水热预处理，以下条件为优选： [0058] 预处理温度：110-250℃，优选地为120-240℃，更优选地为130-230℃，更优选地为140-220℃，更优选地为150-210℃，更优选地为160-200℃，甚至更优选地为170-200℃或最优选地为180-200℃。 [0059] 预处理时间：1-60分钟，优选地为2-55分钟，更优选地为3-50分钟，更优选地为4-45分钟，更优选地为5-40分钟，更优选地为5-35分钟，更优选地为5-30分钟，更优选地为5-25分钟，更优选地为5-20分钟和最优选地为5-15分钟。 [0060] 在预处理后的干物质含量优选地为至少20％(w/w)。其它优选的上限在以下进行设想。 [0061] 本发明的含多糖生物质包括含聚合的糖(例如为淀粉以及精制淀粉、纤维素和半纤维素形式)的任何物质。然而，如早先讨论的那样，淀粉不为主要组分。 [0063] 木质纤维素生物质原料优选地来自通常称为禾草的科。固有名称为在有花植物的百合纲(单子叶植物)中称为禾本科(Poaceae或Gramineae)的科。该科植物通常称为禾草，并且包括竹子。存在约600个属和约9000-10000或更多种类的禾草(Kew世界草类索引(Kew Index of World Grass Species))。 [0064] 禾本科包括生长在世界各地的主食谷物和谷类作物、草地和饲草以及竹子。禾本科通常具有称为秆的中空的茎，其在称为茎节(沿着秆发出叶子的位置)的间隔处被堵塞(实心)。禾草叶通常为互生的、对生的(在一个平面)或罕有地为旋列，并且为平行叶脉的。每一个叶子分化为环绕茎一段距离的下叶鞘和具有通常为全缘的边缘的叶片。许多禾草的叶片由硅石植物石硬化，其助于阻止食草动物。在一些禾草(比如剑状叶草)中，这使得草叶的边缘锋利得足以切割人皮肤。膜状附属物或毛状缘，称为叶舌，位于叶鞘与叶片之间的接合点，防止水和昆虫深入叶鞘。 [0065] 草叶在叶根并且不是自伸长的茎尖生长。该低的生长点响应食草动物进化形成，并且使得禾草被定期啃食或割草而没有严重损害植物。 [0066] 禾本科的花被有特性地以小穗状花序排列，每一个小穗状花序具有一个或更多个小花(小穗状花序被进一步集合为圆锥花序或穗状花序)。小穗状花序在基部包含两个(或者有时较少的)苞片，称为颖，接着是一个或更多个小花。小花组成由两个称为外稃(外部的一个)和内稃(内部)的苞片围绕的花。花通常为两性的(玉米，雌雄同株的，为例外)并且授粉几乎总是风媒的。花被减少至两片，称为浆片，其扩展并收缩以伸展外稃和内稃；这些通常被解释为变态萼片。该复杂结构可见于描绘小麦(Triticum aestivum)穗状花序的左边图象。 [0067] 禾本科的果实为颖果，其中种皮融合于果壁并且因此不可与其分离(如在玉米粒中)。 [0068] 目前禾草存在3种一般类型的生长习性；簇生型(也称为丛生的)、匍匐茎的和地下茎的。 [0069] 禾草的成功部分在于其形态学和生长过程，并且部分在于其生理学多样性。大部分禾草分为两个生理学组，使用C3和C4光合作用途径用于碳固定。C4禾草具有与专门的Kranz叶解剖学相关联的光合作用途径，使其特别适应炎热气候和低二氧化碳的大气。 [0070] C3禾草被称为“凉季禾草”，而C4植物被认为是“暖季禾草”。禾草可为一年生的或多年生植物。一年生凉季禾草的实例为小麦、黑麦、一年生蓝草(bluegrass)(一年生草地早熟禾、早熟禾和燕麦)。多年生凉季禾草的实例为果园草(orchardgrass)(鸡脚草(cocksfoot)、鸭茅(Dactylis glomerata))、牛毛草(羊茅属)、肯塔基蓝草(Kentucky Bluegrass)和多年生黑麦草(多年生黑麦草属(lolium perenne))。一年生暖季禾草的实例为玉米、苏丹草和珍珠粟。多年生暖季禾草的实例为大须芒草、假高粱(indiangrass)、狗牙根和柳枝稷。 [0071] 禾本科的一种分类法认为有12个亚科：这些科为1)三芒草亚科(anomochlooideae)，包括两个属(Anomochloa，Streptochaeta)的阔叶草的小谱系； 2)Pharoideae，包括三个属的禾草的小谱系，包括Pharus和囊稃竹属(Leptaspis)；3)Puelioideae，包括非洲属巨菌草(Puelia)的小谱系；4)早熟禾亚科(Pooideae)，其包括小麦、大麦、燕麦、雀麦草(Bronnus)和芦苇草(拂子茅属(Calamagrostis))；5)竹亚科，其包括竹子；6)稻亚科，其包括稻谷和野生稻；7)芦竹亚科，其包括芦竹和芦苇；8)假淡竹叶亚科，11个属的小亚科，有时被包括在黍亚科中；9)虎尾草亚科(Chloridoideae)，包括画眉草属(Eragrostis，约350种，包括埃塞尔比亚画眉草(teff))、鼠尾粟属(Sporobolus，约 160种)、龙爪稷属(Eleusine coracana(L.)Gaertn.)和乱子草属(Muhlenbergia，约175种)；10)黍亚科(Panicoideae)，包括黍、玉米、高粱、甘蔗、大多数小米、福尼奥(fonio)和须芒草；11)小草亚科(Micrairoideae)；12)扁芒草亚科(Danthoniodieae)，包括蒲苇； Poa为约500种禾草的属，源于两个半球的温带。 [0073] 甘蔗为糖生产的主要来源。禾草用于建筑。自竹子制造的脚手架能够经受住使钢制脚手架断裂的台风风力。较大的竹子和芦竹具有可以与木材类似的方式使用的坚固的空心茎，并且草根稳固草皮房子的草皮。芦竹(Arundo)被用于制造木管乐器的簧舌，且竹子被用于无数的器具。 [0074] 因此，优选的木质纤维素生物质选自禾草。换而言之，优选的木质纤维素生物质选自属于禾本科(Poaceae或Gramineae family)的植物。在大多数情况中，淀粉将没有被提取。因此另一种优选的木质纤维素生物质为选自淀粉没有被提取的禾草。换而言之，优选的木质纤维素生物质选自没有提取其淀粉的属于禾本科或禾本科的植物。提取不同于除去。玉米株型具有穗和秸秆。穗的去除，除去主要的淀粉组分，但不是提取淀粉。提取淀粉为通过非切割或斩断的化学或物理过程自纤维素淀粉组份分离淀粉。 [0075] 在预处理之前，木质纤维素生物质可被切削成片，其中20％(w/w)的生物质优选地在26-70mm范围内。预处理的材料在进入所述过程之前优选地具有干物质含量为高于20％。除了自生物质释放碳水化合物以外，预处理过程灭菌并部分溶解生物质且同时自木质素部分中洗掉氯化钾。 [0076] 生物质将含有一些化合物，其可水解为自生物质水解可得到的水溶性种类。在纤维素的水溶性经水解种类的情况中，纤维素可被水解为葡萄糖、纤维二糖和高级葡萄糖聚合物并且包括二聚物和低聚物。因此纤维素的一些水溶性经水解种类为葡萄糖、纤维二糖和高级葡萄糖聚合物并且包括它们各自的二聚物和低聚物。纤维素经碳水解(carbohydrolytic)纤维素酶水解为葡萄糖。因此碳水解纤维素酶为用于纤维素水解的催化剂的实例。 [0077] 纤维素水解系统的普遍理解将纤维素酶分为3种类型：外切型-1，4-β-D-葡聚糖酶或纤维二糖水解酶(CBH)(EC 3.2.1.91)，其自纤维素链末端裂解掉纤维二糖单元；内切型-1，4-β-D-葡聚糖酶(EG)(EC3.2.1.4)，其随机水解纤维素链中的内部β-1，4-葡萄糖甙键；1，4-β-D-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21)，其水解纤维二糖为葡萄糖并且也自纤维寡糖裂解掉葡萄糖单元。因此，如果生物质含有纤维素，那么葡萄糖为自生物质水解可得到的水溶性经水解种类，并且前面提及的纤维素酶，以及在实验部分中提及的那些，为用于水解纤维素的催化剂的具体实例。 [0078] 通过类似分析，半纤维素的水解产物为自生物质水解可得到的水溶性种类，当然假定生物质含有半纤维素。半纤维素包括木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯糖木聚糖(arabinoxylan)、葡甘露聚糖和木糖葡聚糖。半纤维素中的不同糖由半纤维素酶释放。半纤维素水解(hemicellulytic)系统由于半纤维素的异源性而比纤维素分解系统更加复杂。除其他之外，这些系统可包括内切型-1，4-β-D-木聚糖酶(EC3.2.1.8)，其水解木聚糖链中的内部键；1，4-β-D-木糖苷酶(EC 3.2.1.37)，其从非还原端进攻木寡糖并释放木糖；内切型-1，4-β-D-甘露聚糖酶(EC3.2.1.78)，其裂解内部键；1，4-β-D-甘露糖苷酶(EC 3.2.1.25)，其裂解甘露寡糖为甘露糖。侧基由多种酶除去；比如α-D-半乳糖苷酶(EC 3.2.1.22)、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶(EC 3.2.1.55)、α-D-葡糖醛酸酶(EC3.2.1.139)、肉桂酰基酯酶(EC 3.1.1.-)、乙酰基木聚糖酯酶(EC 3.1.1.6)和阿魏酸酯酶(EC 3.1.1.73)。因此，如果生物质含有半纤维素，那么木糖和甘露糖为自含有半纤维素的生物质水解可得到的水溶性经水解种类的实例，并且前面提及的半纤维素酶，以及在实验部分中提及的那些，为用于水解半纤维素的催化剂的具体实例。 [0079] 催化剂组合物包括在所述过程中。催化剂组合物由催化剂、载体以及用于向所述过程引入催化剂的其它添加剂/组分所组成。如以上讨论的那样，催化剂可包含至少一种酶或微生物，其将生物质中的至少一种化合物转化为较低分子量的化合物(一或多种)，下至并且包括用于产生生物质中化合物的基础糖或碳水化合物。能够对各种多糖比如纤维素、半纤维素和淀粉这样做的酶是本领域熟知的，并将包括尚未发明的那些酶。 [0080] 催化剂组合物也可包含无机酸，其优选地选自硫酸、盐酸、磷酸等或其混合物。认为无机酸适用于在大于100℃的温度下操作。所述过程也可特别地在不加入无机酸的情况下运行。 [0081] 典型的是向所述过程伴随载体加入催化剂，比如基于水或有机物的材料。为了质量平衡的目的，术语催化剂组合物因此包括催化剂加上用于向所述过程加入催化剂的载体。如果伴随催化剂加入pH缓冲剂，那么其也为催化剂组合物的部分。 [0082] 通常木质纤维素生物质将含有淀粉。用于淀粉水解的更重要的酶为α-淀粉酶(1，4-α-D-葡聚糖葡聚糖水解酶，(EC 3.2.1.1))。这些酶为内切作用的水解酶，其裂解1，4-α-D-糖苷键并可绕过但是不能水解1，6-α-D-葡糖苷支化点。然而，还有外切作用的淀粉糖化酶(glycoamylase)比如β-淀粉酶(EC 3.2.1.2)和支链淀粉酶(EC 3.2.1.41)可用于淀粉水解。淀粉水解的结果主要是葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、α-糊精和变化量的低聚糖。当基于淀粉的水解产物被用于发酵作用时，可以有利的是加入蛋白水解酶。这样的酶可防止微生物絮凝，并可产生对微生物可用的氨基酸。因此，如果生物质含有淀粉，那么葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、α-糊精和低聚糖为自含有淀粉的生物质水解可得到的水溶性经水解种类的实例，并且前面提及的α-淀粉酶，以及在实验部分中提及的那些，为用于水解淀粉的催化剂的具体实例。 [0083] 尽管水解可使用在图1-4中体现的溶剂接触过程，具有改善的水解效率与速率的优选实施方案可通过使用新鲜催化剂得到显著改善。认为随着时间推移，实施方案1、2、3和4中的催化剂组合物中的一部分催化剂将随着时间推移发生降解。 [0084] 在图5中建议的过程将生物质3，流1分裂或分配成至少两个流，第一原料流1a在容器15中被水解，过量的催化剂通过流2被引入到催化剂组合物中，任选地不使用溶剂过程。在流2中的过量催化剂存在下第一原料流1a水解之后，自容器15除去经水解的产物4，并且称之为第一溶剂流的溶剂。然后第一溶剂流4与原料流1b的至少一部分剩余原料合并，并在容器16中开始溶剂水解过程。容器16可对应于图1中的容器10、图2中的容器 10或11、图3中的容器12和图4中的容器13中的任何一种。水解产物6作为流5自容器除去。 [0085] 处理第一原料流需要的催化剂的量极大地取决于原料流中的生物质类型和所选择的催化剂或酶。因此，催化剂量的最佳表达方式基于在给定重量的生物质中水解100％可水解组分所需要的量。 [0086] 对第一原料流需要的催化剂的量在水解100％第一原料流需要的最小催化剂量-水解100％全部原料流需要量的两倍的范围内。 [0087] 这也可以滤纸单位(Filter Paper Units)(FPU)/g干物质(DM)表达。FPU按照NREL实验室分析程序(NREL Laboratory Analytical Procedure)(技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42628，2008年1月)测定和定义。该方法使用行业标准，并且根据每毫升初始(未稀释)酶溶液的“滤纸单位(filter paper units)”(FPU)测量纤维素活性。为了定量结果，酶制剂必须基于显著和相等的转化进行比较。对于给定酶的一个滤纸单位为，在50℃下于60分钟内自50mg来自Whatman 1号滤带的滤纸释放2.0mg还原糖作为葡萄糖(4％转化)需要的酶量，并且已经指定为用于根据国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)指南计算滤纸纤维素单位(FPU)的截距(intercept)。对于任何过程的催化活性原则上可以任何可想象的形式被提供，包括加入微生物产生相当于0.001-150FPU/g干物质，优选地为0.001-25FPU/g干物质，优选地为0.01-20FPU/g干物质，更优选地为0.2-16FPU/g干物质，更优选地为2-30FPU/g干物质和最优选地为4-25FPU/g干物质的酶活性。 [0088] 在图5的水解步骤(容器15)中，加入到第一原料流的催化剂或酶的量在0.001-150FPU/g全部原料流的干物质，优选地为0.001-15FPU/g全部原料流的干物质，优选地为0.01-30FPU/g全部原料流的干物质，更优选地为0.1-30FPU/g全部原料流的干物质，更优选地为1-25FPU/g全部原料流的干物质和最优选地为少于20FPU/g全部原料流的干物质但是大于0.1FPU/g全部原料流的干物质范围内。尽管FPU的分析为公知的，在该情况中人们将催化剂量除以总的原料量，并然后确定所述浓度是否具有在所述范围内的FPU。 或者，如果人们知道该催化剂浓度的FPU，人们将加入足够的催化剂以对给定量的原料达到要求的FPU。 [0089] 在用催化剂水解第一原料流之后，经水解的材料变为称为第一溶剂流。第二溶剂流将为全部原料流的液化的经水解材料，并将包括第一溶剂流加上不为第一原料流的经水解的材料。术语全部溶剂流将包括用作溶剂并与未反应的生物质接触的所有液化的流。 [0090] 然后如以下描述的，第一溶剂流可用作水解剩余原料流的溶剂。剩余的原料流然后可在第一溶剂流被引入到容器之前、之后或同时被引入到水解容器中。过程1、2、3和4仅是可用于水解剩余原料流(不为第一原料流的那些流)的过程的一些类型。 [0091] 因为第一溶剂流具有仅被使用一次并且过量的催化剂，认为其更好地水解剩余的流，因为剩余的原料流接着与比在图1-4中显示的过程(没有在图5中显示的过程的预先步骤)所使用的更新鲜的催化剂接触。 [0092] 如在5号实验中显示的那样，原料被分为两部分，用两部分一起处理时要使用的催化剂量处理第一部分。 [0093] 对于所有过程也常将pH控制在对酶催化活性最佳条件下，在3-12，比如5-10，比如6-9，比如7-8和优选地为4-11范围内。 [0094] 由于高的干含量，对于在容器15中水解可需要特殊的反应器。认为合适的反应器可见于WO 2006/056838，并且为其公开的发明目的。 [0095] 所述过程也使用来自溶剂流的溶剂。简单来说，除水不溶性材料以外，溶剂组成将为生物质水解之后类似的(如果不是确切的)产物组成。在大多数情况中溶剂将包含得自水解后生物质原料的水解产物，并且包括酶、缓冲剂以及另外向水解反应中加入的任何其他物质。 [0096] 当溶剂为经水解的生物质时，溶剂被加入到原料中，其不由原料产生。例如在图4中(分批过程)，溶剂型材料的量因为原料被水解而将随着时间增大，尽管这加入溶剂中的溶剂，但是不把它认为是用于计算溶剂与原料比率的目的的溶剂部分，该比率在图4的情况中当原料进入容器并接触溶剂时被计算。 [0097] 实际上，用于溶剂流的溶剂通常来自先前经水解的生物质。如果人们例如将水解产物与酶、缓冲剂、不溶物等分离，那么该水解产物为溶剂。溶剂流应包含水溶性经水解的种类，其中至少一些水溶性经水解的种类与可得自或可获得自生物质原料水解的水溶性经水解的种类相同。例如，操作图4的分批过程的优选模式为在容器中保留一部分批量用作随后的装料的溶剂。在连续过程中，例如连续搅拌的反应器(CSTR)中，溶剂为始终可利用的。 [0098] 人们熟知在连续反应器中，将原料和催化剂连续引入到容器中并且连续除去产物。然而，连续不总是意指没有开始和结束，不断的滴下例如被认为是连续进料，然而其不是确切的连续进料，因为存在进料不连续的时刻。因此在连续式反应器的上下文中，短语连续意指进料和产物各自可随着时间推移被间歇地引入或抽取并且不必同时进料和抽取。 [0099] 如在实验部分中描述的那样，当高干含量的生物质被置于一部分溶剂中时，溶解和水解极其快速，事实上目测明显。 [0100] 溶剂流和溶剂因此包括水和水溶性经水解的种类。至少一些(如果不是所有的)水溶性经水解种类，与自原料组合物中生物质水解可得的水溶性经水解种类相同。因为溶剂含有不溶解的种类(其可称为分散固体)，为了质量平衡目的，除非有物品被明确地排除在外，术语溶剂和溶剂流指在组成和重量两方面的材料总量，并且包括水溶性种类和水不溶性种类、催化剂、载体、pH缓冲剂、pH控制化合物(比如在反应期间加入的酸或碱)以及存在于溶剂中的其它化合物。 [0101] 所述过程包括接触的时刻，被定义为原料和溶剂集合在一起时。在如图4中显示的分批过程中，该接触时刻发生于原料流3通过管线1进入容器13并在容器底部接触溶剂流4时。 [0102] 加入催化剂组合物的时间点相对于该接触不这么关键。其可在原料与溶剂的接触时刻之前加入到原料流中。其可在原料与溶剂的接触时刻同时加入，或者其可在原料与溶剂的接触时刻之后加入。其还可在向溶剂流加入原料流之前加入到溶剂流中。其也可被分配，并在相对于接触时刻的这3个阶段的任何组合期间加入。 [0103] 要加入的催化剂的量从技术角度易于确定，并且基于催化剂的量/生物质中干内容物的量加入，这取决于生物质的组成。 [0104] 根据所述过程，原料、溶剂和催化剂组合物及其它物质(比如贯穿反应期间用于控制pH的pH缓冲剂和酸/碱)优选地被保持在20℃-100℃范围内并且更优选地在20℃-99℃范围内的温度下，20℃-95℃为最优选。该温度为基于催化反应例如将生物质中的材料水解至较低分子量化合物(例如水解产物)的最佳温度。 [0105] 也认为可能压力将起作用，并且反应可在有或无酶或酸催化剂存在下于与100℃-200℃之间温度有关的压力下进行。 [0106] 因此认为对于所述过程的最大操作范围为20℃-200℃。 [0107] 该过程的一个有利条件是，其可在不加入无机酸(优选地选自硫酸、盐酸、磷酸等)或其混合物下或者在不加入木质素增溶有机溶剂(比如选自2-6个碳原子的碳、酮类(cetone)和丙酮及其混合物、甲醇、乙醇的那些溶剂)下进行。 [0108] 反应继续一段时间直到达到要求的终点。该段时间称为停留时间或反应时间。尽管5分钟-8小时可为优选的范围，其它优选的停留时间为5分钟-16小时、5分钟-24小时、5分钟-36小时、5分钟-48小时、5分钟-60小时和5分钟-72小时。 [0109] 停留时间可包括许多数值。例如，停留时间可为大于8小时和少于72小时作为一个优选范围，大于8小时和少于60小时为另一个优选范围，大于8小时和少于48小时为另一个优选范围，大于8小时和少于36小时为另一个优选范围，大于8小时和少于24小时为另一个优选范围。 [0110] 停留时间也可以功能方式确定为达到要求的终点所花费的时间。在该情况中，所要求的终点也可表示为可用于水解的生物质百分数。例如，如果100kg生物质原料具有80kg可用于水解的生物质，当45％可用于水解的生物质已经被水解，则优选地达到要求的终点，或者更优选地当55％可用于水解的生物质已经达到，或者甚至更优选地当65％可用于水解的生物质已经达到。 [0111] 在所要求的反应时间完成后，所生成的经水解的产物(水解产物)可自容器除去并进一步处理。 [0112] 在图4中显示的分批过程中，一定量的水解产物6自容器底部除去并置于第二容器14中用于进一步处理。自容器13中除去的量通常与被引入到该容器中的材料量相同，因此在第一容器中剩余的溶剂与又一批原料和催化剂组合物接触。然而，在一个实施方案中，容器13可被完全腾空并且同时或接近同时地向容器中加入原料和溶剂。 [0113] 如在图4中显示的那样，包含生物质和水的原料流3通过进料管线1供给间歇式搅拌釜反应器13。含有催化剂的催化剂组合物通过进料管线2供给反应器13。相3中的原料和催化剂组合物与溶剂相4接触，并且逐渐水解。尽管显示为3个不同的相，这些相实际上遍及整个容器作为混合物存在。在要求的时间量或停留时间或反应时间之后，经阀门20通过产物管线5自反应器抽取液体水解产物或水解的产物或水解产物，并供给容器14，其可被用于同时糖化和发酵。液体水解产物可不完全为液体，而是可包括一些仍未水解的固体和一些不可水解的固体。被除去产物的量大约等于被引入到容器13中的原料流和催化剂组合物的量。在容器13和14之间的虚线描述被除去和置入容器14中的量约为相3的量，即被引入到容器(相3)的量。如果容器要用于第二批次，剩余在反应器中的溶剂流(也称为残液)将助于加速反应。 [0114] 对本领域技术人员应显而易见的是，在批与批之间被除去的量不需精确匹配在每一批加入至批量水平的量，但是经多批除去的量应基本上等于所加入的量，否则容器将伴随过低溶剂量操作或者容器将溢出。如同在本文描述的分批和连续过程中那样，已知加入速率和产物去除速率通常随着时间和批至批的推移而存在变化，以致于术语“等于”或“基本上等于”意指包括这些变化。 [0115] 控制参数为，在溶剂与原料的接触时刻溶剂重量与原料中的原料(生物质加上水)重量的比率，溶剂重量包括溶剂中的分散固体、pH缓冲剂、催化剂、载体、缓冲控制剂和任何其他物质重量。 [0116] 预计将会有一比率，低于其对水解反应没有或仅有有限影响。作为推论，尽管理论上该比率不存在上限，但是有这样的点，使得额外的溶剂流对水解速率几乎没有影响，并且仅通过规模和操作成本增大设备成本。 [0117] 用于给定量生物质的溶剂的量预计至少取决于生物质的干内容物的量(高的干内容物重量预计需要更多溶剂)、生物质和催化剂的类型、pH、操作温度和所采用的混合类型。 [0118] 在接触时刻溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率通过参照实施方案得到最好解释。 [0119] 如在图1中显示的那样，包含生物质和水的原料流3通过管线1供给连续搅拌釜反应器10。催化剂，通常为酶，作为催化剂组合物的部分供给，通过标号为2的管线引入到反应器10中。在容器10中为已知的或可确定重量的溶剂流4。因为在连续搅拌的反应器中，停留时间使得通过管线5离开反应器的材料被水解至要求的点，在任何给定的时间点，溶剂流的量为容器中的材料重量加上任何再循环回路和再循环槽中的量。生物质和催化剂与溶剂混合并以非常快的速率发生水解。液体反应产物(水解产物)(6)通过产物管线5自反应器取出。在指定时间内通过管线5离开反应器的液体量等于速率(rate)加上催化剂组合物加上在相同的指定时间期间内已加入到容器中的其它材料。 [0120] 在该情况中，接触时刻溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率为，容器中的材料重量加上再循环至容器(溶剂)中的任何再循环回路和再循环槽中的量∶在共同的时间单位加入至容器的生物质加上水的瞬间加入速率。熟悉连续过程的那些人将把该比率当作停留时间。 [0121] 例如，容器含有400kg溶剂，停留时间为4小时。原料以100kg/小时加入并且水解产物以100kg/小时除去。比率为400∶100或4，或者停留时间为4小时。因此，对于CSTR，该比率为停留时间。 [0122] 图2显示具有再循环流的图1过程。如在图中显示的那样，生物质和水通过进料管线1供给预混合器11，其中它们与一部分溶剂，自管线7输入的液体水解产物接触。混合物通过管线8供给连续搅拌釜反应器10。催化剂组合物通过进料管线2供给反应器10。生物质被逐渐水解，并且液体水解产物或产物6通过排出管线5退出反应器，其然后分开进入再循环流7和产物管线5。经指定的时间期间排出产物管线5的材料量等于速率加上催化剂组合物加上在相同指定时间期间内被加入到容器中的(除了来自管线7的)其它材料。 [0123] 所述过程的一个其它实施方案被描绘在图5中，并且其可被转化成已显示的实施方案，以自液体水解产物分离一些或全部固体。取决于反应有多完全，固体可任选地返回到水解容器16或容器15中用于进一步水解。如果水解基本完全，可在将产物流转到下一步之前除去固体。 [0124] 该改进显示在图7中。在图7中，流5被供给固体分离装置12以除去至少一些固体(并且很可能一些液体)到固体流9中，流5A为除去一些固体的液体流。如同早先指出的那样，至少一部分固体流可任选地返回到水解容器16或容器15。分离发生后，不一定必须取用流9，之前或之后将流9送回容器16或15，但是优选地在分离发生后使产物流6转到下一步骤。如在图7中显示的那样，流9可再循环回容器16或15中、可自所述过程完全除去，或者一部分材料流9可自所述过程除去(清除)并且其余部分被再循环回容器15、16或两者中。 [0126] 用类比的方法，本领域技术人员可改变图3的活塞流过程以自流5分离至少一些固体。 [0127] 模拟实验已经证实，通过将固体再循环并把大多数水解产物传递下去，对于给定大小的容器和停留时间的转化率可被增大至多达400％。 [0128] 在该情况中，溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率为，容器中的材料重量加上1小时内加入到预混合器11中的溶剂量∶1小时内加入容器中的生物质加上水的重量。而且，停留时间也表示比率。 [0129] 通过类似的类比，存在如在图3中描绘的活塞流反应器实施方案。参照图2，显然图3的过程可被认为是图2中过程的“修改”，使得所有流的溶剂通过预混合器11供给并且在容器10中毫无遗留。如在图3中显示的那样，含有生物质和水的原料流3通过进料管线1供给连续活塞流反应器12。催化剂组合物通过进料管线2供给反应器12。溶剂流通过进料管线7加入到材料中，其从含有水解产物的管线5转来。组分形成浆状物，其逐渐水解，液体水解产物6通过产物管线5自反应器抽取并分成流7。每单位时间除去的产物6的量(速率)等于速率加上催化剂组合物2加上除自管线7进入的以外的所有其它材料。接触时刻为原料流接触溶剂流时。在该情况中，接触时刻该重量与原料中生物质加上水的重量的比率为每单位时间材料流7中的材料重量：每相同单位时间加入到容器中的生物质加上水的重量。 [0130] 在于图4中显示的和先前描述的分批过程中，在该情况中，接触时刻溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率为容器中的材料重量(溶剂流标为相4)∶每次装料加入的生物质加上水的重量。如果加入另外的溶剂，其将加入到已经在反应器中的4的重量。 [0131] 可能分批过程被改变以具有生物质与溶剂的预混合，在该情况中，接触时刻溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率为容器中的溶剂重量加上该装料中的溶剂重量：每次装料被加入到容器中的生物质加上水的重量。 [0132] 溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比值可在1∶99-100∶1变化。然而，更优选的是范围在5∶95-95∶5，或者甚至更优选的是10∶90-90∶10，比率为20∶80-80∶20更加优选，20∶80-60∶40的范围为最优选，但是10∶90-90∶10、 20∶80-90∶10、30∶70-90∶10、40∶60-90∶10、50∶50-90∶10和60∶40-90∶10也是合适的范围。 [0133] 溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比值也可表示为最小比率，因为认为不存在理论上的最大值。因此，该比率应为至少0.8∶1.0，或者更优选地为至少1∶1，或者甚至更优选地为至少1.2∶1，至少1.5∶1为更优选，2∶1为甚至更优选和3∶1为甚至更优选。 [0134] 因为纤维素水解为所述过程的主要特征，溶剂与原料中生物质加上水的重量的比率可通过使用纤维素及其水解产物代替。如在实施例中公开的那样，在引入下一个连续量的原料之前没有水解产物被除去。因此，溶剂中纤维素的量加上来自经水解纤维素的产物量与原料中纤维素量的比率同溶剂重量与原料中生物质加上水的重量的比率相同。原料和溶剂中纤维素的量可易于确定。来自纤维素经水解产物的量可通过测定溶剂中的产物并减去来自非纤维素物质的水解或初始原料中用于形成溶剂的那些产物的量而确定。例如，淀粉也水解为葡萄糖及其它对于纤维素相同的可水解种类。因此，溶剂中葡萄糖及其它对于纤维素相同的可水解种类的量将必须至少减去来自淀粉的量。这可通过获知由此形成溶剂的进料中的淀粉量、溶剂中的淀粉量而确定，该差值为来自淀粉的可水解种类的量。 [0135] 控制比率可表达为溶剂中纤维素量加上来自经水解纤维素的产物量与原料中纤维素量的最小比率。该比率应为至少0.8∶1.0，或者更优选地为至少1∶1，或者甚至更优选地为至少1.2∶1，至少1.5∶1为更优选，2∶1为甚至更优选和3∶1为甚至更优选。以下列出的实例也将确定比率为至少4∶1和至少5∶1也起作用。应该注意在实施例5中，尽管增大比率减小水解时间，对于各附加量的溶剂，该改进较小。应该指出该比率为纤维素及其水解产物专有的。因此，存在于原料中的葡萄糖和为纤维素已知水解产物的产物要自存在于溶剂中的那些减去。另外，源于半纤维素或淀粉或其它非纤维素材料水解的任何产物也需要自溶剂中减去。这将包括确定多少淀粉被还原为葡萄糖并减去该葡萄糖。 [0136] 因为溶剂最好在分离除不溶性物质以外的任何物质之前使用，在溶剂液体部分中的水溶性物质相对组成与没有分离水溶性组分的原料的水溶性水解产物的相对组成相同。尽管人们可加入水以稀释水溶性组分，这些组分彼此相对的量保持相同。 [0138] 粘度减少的实验性试验 [0139] 实验设备 [0140] 2个相同的玻璃反应器，具有以下几何特性(参见图6)： [0141] ●T(反应器直径)＝0.15m [0142] ●Z(反应器高度)＝0.30m [0143] ●用于热交换流体的夹套，围绕侧面和底部，宽度4cm； [0144] ●半球形底部； [0146] 两个反应器配备两个不同的锚式搅拌器(A和B)，得到以下构造： [0147] 构造A： [0148] D(“翼幅”)＝0.136m [0149] S(叶片宽度)＝0.01m [0150] H(锚高度)＝0.12cm [0151] C(间隙，叶片-壁距离)＝0.007m [0152] D/T＝0.907 [0153] D/S＝13.6 [0154] T/S＝15 [0155] 构造B： [0156] 在该构造中，叶片以45度角倾斜用于更好地刮擦器壁 [0157] D(“翼幅”)＝0.145m [0158] LS(叶片宽度)＝0.0141m [0159] S(叶片投影宽度)＝0.01m [0160] H(锚高度)＝0.145cm [0161] C(间隙，叶片-壁距离)＝0.0025m [0162] D/T＝0.967 [0163] D/S＝14.5 [0164] T/S＝15 [0165] 搅拌由Heidolph RZR 2102控制电动机(功率：140W)提供。 [0166] 两个热浴经反应器夹套中的45℃循环水确保温度的保持。 [0167] 材料 [0168] 所用起始原料为预处理的甜高粱(Sorgo)和芦竹(Arundo Donax)。材料储存于-18℃下以防止降解。 [0169] 起始原料的特性如下： [0170] [0171] [0172] WIS为水不溶的固体百分数(基于总的材料)。 [0173] WSS为水溶的固体百分数(基于总的材料)。 [0174] WSS与WIS的总和等于干含量值。 [0175] 组成特性采用标准分析方法测定，以下程序为： [0176] 生物质中结构性碳水化合物和木质素的测定 [0177] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：4/25/2008 [0178] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42618 2008年4月修订 [0179] 生物质中提取物的测定 [0180] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：7/17/2005 [0181] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-426192008年1月修订 [0182] 用于组成分析的样品制备： [0183] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：9/28/2005 [0184] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42620 2008年1月修订 [0185] 生物质中总固体和液体过程样品中溶解的总固体的测定 [0186] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：3/31/2008 [0187] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42621 2008年3月修订 [0188] 生物质中灰分的测定 [0189] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：7/17/2005 [0190] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42622 2008年1月修订 [0191] 液体分馏过程样品中的糖类、副产物和降解产物的测定 [0192] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：12/08/2006 [0193] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42623 2008年1月修订 [0194] 预处理生物质材料中的不溶性固体的测定 [0195] 实验室 分析程 序(Laboratory Analytical Procedure)(LAP)签发日 期：03/21/2008 [0196] 技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42627 2008年3月修订 [0197] 所使用的酶混合物具有以下特性，对所有实验保持恒定： [0198] [0199] 纤维素酶复合体酶制剂为催化纤维素物质分解为葡萄糖、纤维二糖和较高分子量的萄糖寡聚体的溶液。酶溶液半纤维素酶和木聚糖酶主要催化半纤维素，解聚合为其以单糖或寡聚体形式存在的组分，此外，它们在较小程度上显示副(side)催化活性。 [0200] 酶复合体为对各种碳水化合物起作用的酶溶液，并显示提高由此制备的溶液活性的能力。 [0201] 所描述的混合物(cocktail)具有以下活性： [0202] [0203] FPU按照NREL实验室分析程序(Laboratory Analytical Procedure)(技术报告(Technical Report)NREL/TP-510-42628，2008年1月)测量和确定。该方法使用行业标准并依据每毫升初始(未稀释的)酶溶液的“滤纸单位(filter paper units)”(FPU)测量纤维素活性。为了定量结果，酶制剂必须基于有效和相等的转化进行比较。对于给定酶的一个滤纸单位为，在50℃下于60分钟内自50mg来自Whatman 1号滤带的滤纸释放2.0mg还原糖作为葡萄糖(4％转化)需要的酶量，并且已经由国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)指南指定为用于计算滤纸纤维素单位(FPU)的截距。 [0204] 以FXU表示的木聚糖酶活性相对于具有已知活性的酶标准进行测量。将对以下所描述上清液的分光光度计测量与通过标准样品得到的标准曲线进行比较。 [0205] 木聚糖酶样品与雷马素(remazol)染色的小麦阿糖木聚糖底物一起进行孵育。未转化的底物用乙醇沉淀。由于未沉淀的雷马素染色的底物降解产物，上清液显蓝色的强度与内切木聚糖酶活性成比例。颜色分布可在酶与酶之间变化。 [0206] [0207] 其中： [0208] C为来自标准曲线的酶活性读数(FXU/ml) [0209] F为样品体积(ml) [0210] D为样品的进一步稀释(例如第二或第三次稀释) [0211] W为样品重量(g) [0212] 一FBG为，按照以下描述的标准程序(Somogyi Nelson法)，以相当于每分钟1mol葡萄糖还原能力释放葡萄糖或还原碳水化合物的酶的量。 [0213] 标准反应条件： [0214] ●样品应被稀释以得到在0.02-0.10FBG/ml之间的活性。 [0215] ●底物：0.5％β葡聚糖 [0216] ●温度：30℃ [0217] ●pH：5.0 [0218] ●反应时间：30分钟 [0219] 在至葡萄糖或其可作为还原糖测定的还原性碳水化合物的形成过程期间，真菌的β-葡聚糖酶与β-葡聚糖反应。 [0220] 另外，为了保持pH为约5的数值，因为不可能使用pH计(由于材料的性质)，使用1N柠檬酸盐缓冲溶液，总量为基于所装料材料量的1％。 [0221] 1号试验 [0222] 材料：高粱(在以上得到描述) [0224] 两个反应器均填充刚融解的1.5kg材料，并且启动搅拌速度以使材料均匀。两个3 反应器中没有一个可见有游离水。在这些条件下材料的密度约等于600kg/m。在12rpm下的两个搅拌系统表明超载(所提供的扭矩值超出测量刻度，为多于200N·cm)。 [0225] 在时间t＝0时，在两个反应器中均加入如下组成的溶液(总重量为约96g)： [0226] ●29.4ml具有以上所描述组成的酶混合物，被测定提供20FPU/g葡聚糖的纤维素酶复合体活性(意指葡聚糖为液相中纤维二糖和葡糖寡聚体及固相中的葡聚糖的总和)，并且因此提供其它活性。20FPU/g葡聚糖约为9FPU/g总干物质，基于原料的纤维素含量计算。 [0227] ●16.5克如以上描述的缓冲溶液(柠檬酸盐)，并确定为总材料的约1％。 [0228] ●48.5克H2O，以稀释酶溶液并改善其分散；确定要加入的水量以致于要加入的总溶液(H2O+混合物+柠檬酸盐)等于初始预处理的材料的干内容物的约30％。 [0229] 在加入后，在每一个反应器中存在1.6kg总材料，干含量(计算的)为约19.2％。在盖子下存在凝结，提示干含量可能实际上更高。搅拌速率被增大至约180rpm(一会儿)以混合材料和加入的溶液。此时，不存在游离水，并且反应器中的材料水平与之前相同(在 3 该阶段，估计浓度为约650kg/m)。 [0230] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟，将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0231] 在整个试验过程期间，对反应器A的发动机所测量的扭矩总是低于对B所测量的扭矩。在约5小时后，反应器A中的材料具有液体外观(在100rpm下扭矩值为约20N·cm)，而另一个(尽管部分发生了反应，这通过扭矩从初始的多于200N·cm降至100rpm下约140N·cm值的事实证实)具有固体外观。 [0232] 在又一个小时(t＝6h)之后，其中两个反应器中的条件基本上未变，将反应器B中的所有材料(其具有可忽略的游离液体释放，但是仍然具有固体外观)插入到反应器A中。在加入之后，将搅拌设定为等于200rpm几秒钟以使材料均匀，并然后设定为等于100rpm，具有扭矩为120N·cm，并且材料外观为很湿的固体。在约10分钟后，所测量的扭矩值已经降至20N·cm，并且材料呈现液体外观，类似于在加入之前存在于反应器A中的情况。试验在另外10分钟后停止，此时在100rpm下扭矩已经降至约15N·cm。此时测量的材 3 料密度为约1100kg/m。 [0233] 2号试验 [0234] 材料：高粱(在以上得到描述) [0235] 安装反应器(包括混合器)并使热交换流体达到温度(45℃)。2个发动机被校准以在12rpm搅拌速度(仪器的最小速度)下提供(没有材料，仅有搅拌惯性)等于0.0N·cm的扭矩值。 [0236] 在2号试验中，于A反应器中，在1号试验的相同条件下进行试验(在相同反应器中进行)，具有相似结果。 [0237] 将B反应器填充1.5kg来自1号试验的材料(液体外观，密度为1100kg/m3，在100rpm下所测量的扭矩等于约15N·cm)。向该材料中加入1.5kg预处理的高粱(具有在先前部分中描述的特性，尤其是干含量等于20.41％)并且加入在1号试验中采用的相同溶液(总计为约96g)。干含量在各种加入之后被计算为等于19.2％。在盖子下存在凝结提示实际的干含量可能更高。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料。此时，均 3 匀化的材料具有表观密度为约800kg/m，并且在100rpm下的扭矩值等于约150N·cm。 [0238] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0239] 在2号试验期间，在反应器B中得到对于1号试验在6小时液化之后仍未达到的明显更好的结果。特别是，在约3小时之后(低于在反应器A中需要的时间)，材料具有液体外观，在100rpm下扭矩值等于约20N·cm(而在反应器A中，所测量的值为约100N·cm，并且材料具有湿固体外观)。在约7小时试验之后，在两个反应器中的材料具有相似的外观，但是在反应器B中于约60％的时间内达到该结果。 [0240] 对反应器B中所得到材料(7小时后)的组成分析试验显示，对葡萄糖的酶水解产率(对于总的葡聚糖)等于约25％和对木糖(对于总的木聚糖)等于约50％。这些值高于在早先粘度减少试验中得到的那些值。 [0241] 另外，对于最终材料实施pH测量，并且发现等于3.9。该值低于按照文献数据确保最高酶活性的值(pH＝5)。 [0242] 3号试验 [0243] 材料：芦竹(在以上得到描述) [0244] 在3号试验中遵循的程序与在1号试验(用高粱的试验)中使用的相同。 [0245] 自两个反应器中，每一个反应器被填充1.5kg预处理的芦竹(所测量的干含量等3 于30.4％)，没有可见的游离水。在这些条件下材料的密度约等于600kg/m。在12rpm下搅拌两个系统，显示超载。 [0246] 在时间t＝0时，在两个反应器中均加入溶液(组成如下，总重量为约140g)： [0247] ●44.1ml具有以上所描述组成的酶混合物，被测定提供20FPU/g葡聚糖的纤维素酶复合体活性(意指葡聚糖为液相中纤维二糖和葡糖寡聚体及固相中的葡聚糖的总和)，并且因此提供其它活性。 [0248] ●17.3克如以上描述的缓冲溶液(柠檬酸盐)，并确定为总材料的约1％。 [0249] ●78.4克H2O，以稀释酶溶液并改善其分散；确定要加入的水量以致于要加入的总溶液(H2O+混合物+柠檬酸盐)等于初始预处理的材料的干内容物的约30％。 [0250] 在加入后，在每一个反应器中有1.6kg总材料，干含量(计算的)为约27.8％。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。搅拌速率被增大至约180rpm(一会儿)以混合材料和加入的溶液。此时，不存在游离水，并且反应器中的材料水平与之前相同(在该阶3 段，估计密度为约650kg/m)。 [0251] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟，将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0252] 在整个试验过程期间，对反应器A的发动机所测量的扭矩总是低于对B的发动机所测量的扭矩。在约6.5小时后，反应器A中的材料具有液体外观(在100rpm下扭矩值为约20N·cm)，而另一个(尽管部分发生了反应，这通过扭矩从初始的多于200N·cm降至100rpm下约140N·cm值的事实证实)具有固体外观。 [0253] 在另外30分钟之后，其中两个反应器中的条件基本上未变，将反应器B中的所有材料(其具有可忽略的游离液体释放，但是仍然具有固体外观)插入到反应器A中。在加入之后，将搅拌设定为等于200rpm几秒钟以使材料均匀，并然后设定为等于100rpm，具有扭矩为130N·cm，并且材料外观为很湿的固体。在约20分钟后，所测量的扭矩值已经降至20N·cm，并且材料呈现液体外观，类似于在加入之前存在于反应器A中的情况。试验在另外40分钟后停止，此时在100rpm下扭矩已经降至约15N·cm。此时测量的材料密度为约 3 1100kg/m。 [0254] 4号试验 [0255] 材料：芦竹(在以上得到描述) [0256] 在4号试验中遵循的程序与在2号试验(用高粱的试验)中使用的相同。 [0257] 在4号试验中，于A反应器中，在3号试验的相同条件下进行试验(在相同反应器中进行)，具有相似结果。 [0258] 将B反应器填充1.5kg来自3号试验的材料(液体外观，密度为1100kg/m3，在100rpm下所测量的扭矩等于约15N·cm)。向该材料中加入1.5kg预处理的芦竹(具有在先前部分中描述的特性，尤其是干含量等于30.4％)并且加入在3号试验中采用的相同溶液(总计为约140g)。干含量在各种加入之后经计算为等于27.8％。在盖子下存在凝结提示实际的干含量可能更高。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料。此时，均 3 匀化的材料具有表观密度为约750kg/m，并且在100rpm下的扭矩值等于约170N·cm。 [0259] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟，将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0260] 在4号试验期间，在反应器B中得到对于3号试验其中在7小时液化过程之后仍未达到的明显更好的结果。特别是，在约5小时之后(低于在反应器A中需要的时间)，材料具有液体外观，在100rpm下扭矩值等于约20N·cm(而在反应器A中，所测量的值为约90N·cm，并且材料具有湿固体外观)。在约8小时试验之后，在两个反应器中的材料具有相似的外观，但是在反应器B中于约75％的时间内达到该结果。 [0261] 5号试验 [0262] 材料：芦竹(在以上得到描述) [0263] 将B反应器填充1.5kg来自3号试验的材料(液体外观，密度为1100kg/m3，在100rpm下所测量的扭矩等于约15N·cm)。向该材料中加入0.5kg预处理的芦竹(具有在先前部分中描述的特性，尤其是干含量等于30.4％)。 [0264] 在时间t＝0时，在两个反应器中加入组成如下的溶液(总重量为约46.5g)： [0265] ●14.7ml具有以上所描述组成的酶混合物，被测定提供20FPU/g葡聚糖的纤维素酶复合体活性(意指葡聚糖为液相中纤维二糖和葡糖寡聚体及固相中的葡聚糖的总和)，并且因此提供其它活性。 [0266] ●28.8克如以上描述的缓冲溶液(柠檬酸盐)，并确定为总材料的约5％。 [0267] ●3.1克H2O，以稀释酶溶液并改善其分散；确定要加入的水量以致于要加入的总溶液(H2O+混合物+柠檬酸盐)等于初始预处理的材料的干内容物的约30％。 [0268] 在加入后，在反应器中存在2.05kg总材料，干含量(计算的)为约27.8％。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合3 材料和加入的溶液。此时，均匀化的材料具有表观密度为约900kg/m，并且在100rpm下的扭矩值等于约150N·cm。 [0269] 在第一个小时保持搅拌速率等于100rpm进行反应，每20分钟将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0270] 在约65分钟后，材料具有液体外观(在100rpm下扭矩值为约30N·cm)。估计密3 度为约1100kg/m。 [0271] 此时，向反应器中的材料中加入500g预处理的芦竹和46.5g以上描述的溶液。在加入后，在反应器中存在约2.6kg总材料，干含量(计算的)百分数为约27.8％。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。 [0272] 搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以使材料均匀，其具有表观密度为约3 950kg/m，并且在100rpm下的扭矩值等于约120N·cm。 [0273] 在约45分钟后，材料具有液体外观(在100rpm下扭矩值为约30N·cm)。估计密3 度为约1100kg/m。 [0274] 此时，向反应器中的材料中加入500g预处理的芦竹和46.5g以上描述的溶液。在加入后，在反应器中存在约3.15kg总材料，干含量(计算的)百分数为约27.8％。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。 [0275] 搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以使材料均匀，其具有表观密度为约3 950kg/m，并且在100rpm下的扭矩值等于约120N·cm。 [0276] 在约35分钟后，材料具有液体外观(在100rpm下扭矩值为约30N·cm)。估计密3 度为约1100kg/m。 [0277] 试验在约8小时后停止。1.5kg预处理的材料的液化在2小时25分钟内全面实现，该时间等于4号试验中反应器B花费时间的约50％，和3号与4号试验中反应器A所需要时间的约38％。 [0278] 6号试验 [0279] 材料：高粱(在以上得到描述) [0280] 安装反应器(包括混合器)并使热交换流体达到温度(45℃)。2个发动机被校准以在12rpm搅拌速度(仪器的最小速度)下提供(没有材料，仅有搅拌惯性)等于0.0N·cm的扭矩值。 [0281] 在6号试验中，于B反应器中，在2号试验的相同条件下进行试验(在相同反应器中进行)，具有相似结果。 [0282] 将A反应器填充0.75kg预处理的高粱(特性在先前部分中得到描述，尤其是干含3 量等于20.4％)。向具有密度为约600kg/m 的固体中加入组成如下的溶液(总重量为约 96g)： [0283] ●29.4ml具有以上所描述组成的酶混合物，被测定提供40FPU/g葡聚糖的纤维素酶复合体活性(意指葡聚糖为液相中纤维二糖和葡糖寡聚体及固相中的葡聚糖的总和)，并且因此提供其它活性。该40FPU/g葡聚糖约为18FPU/g总干物质，基于原料的纤维素含量计算。 [0284] ●16.5克如以上描述的缓冲溶液(柠檬酸盐)并确定为总材料的约2％。 [0285] ●48.5克H2O，以稀释酶溶液并改善其分散；确定要加入的水量以致于要加入的总溶液(H2O+混合物+柠檬酸盐)等于初始预处理的材料的干内容物的约60％。 [0286] 以这种方式，A反应器伴随为1号和2号试验的两倍的每克葡聚糖的酶载荷进行工作。另外，初始干含量被计算为等于17.5％(低于1号和2号试验中计算的值)。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。 [0287] 搅拌速率被增大至约180rpm(一会儿)以混合材料和加入的溶液。所得到材料的3 表观密度为约700kg/m，并且在100rpm下所测量的扭矩等于约160N·cm。 [0288] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟，将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0289] 在该试验中，在反应器A中得到对于1号和2号试验(在相同反应器中进行)以及对于在反应器B中进行的反应明显更好的结果。特别是，在约1小时之后，材料具有液体3 外观(表观密度为约1000-1100kg/m)，在100rpm下扭矩值为约20N·cm。同时，反应器B中，材料具有湿固体外观，在100rpm下扭矩值等于约100N·cm。 [0290] 此时，在反应器A中，进一步加入750g预处理的高粱(如在先前部分中描述的那样，干含量等于20.41％)。作为该加入的结果，所计算的干含量回到先前试验的值19.2％，并且每克纤维素的酶载荷被减少至先前试验的值(20FPU/g葡聚糖)。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料。 [0291] 此时，均匀化的材料具有表观密度为约800kg/m3，并且在100rpm下扭矩值等于约120N·cm。 [0292] 在搅拌另外1小时之后，材料再次具有液体外观，密度和扭矩值大约等于加入之前测量的相同值。在约7小时试验之后，材料在两个反应器中具有相似的外观，但是在A反应器中达到液体状态需要的时间为，B中需要时间的约65％，和1号和2号试验中反应器A中需要时间的约39％。 [0293] 7号试验 [0294] 材料：芦竹(在以上得到描述) [0295] 在7号试验中，于B反应器中，在4号试验的相同条件下进行试验(在相同反应器中进行)，具有相似结果。 [0296] 将A反应器填充0.75kg预处理的芦竹(特性在先前部分中得到描述，特别是干含3 量等于30.4％)。向具有密度为约600kg/m 的该固体中加入组成如下的溶液(总重量为约140g)： [0297] ●44.1ml具有以上所描述组成的酶混合物，被测定提供40FPU/g葡聚糖的纤维素酶复合体活性(意指葡聚糖为液相中纤维二糖和葡糖寡聚体及固相中的葡聚糖的总和)，并且因此提供其它活性。 [0298] ●17.3克如以上描述的缓冲溶液(柠檬酸盐)并确定为总材料的约2％。 [0299] ●78.4克H2O，以稀释酶溶液并改善其分散；确定要加入的水量以致于要加入的总溶液(H2O+混合物+柠檬酸盐)等于初始预处理的材料的干内容物的约60％。 [0300] 以这种方式，A反应器伴随为3号和4号试验的两倍的每克葡聚糖的酶载荷进行工作。另外，初始干含量被计算为等于25.6％(低于3号和4号试验中计算的值)。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。 [0301] 搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料和加入的溶液。所得到材料的3 表观密度为约750kg/m，并且在100rpm下所测量的扭矩等于约180N·cm。 [0302] 两个反应平行进行，保持搅拌速率在两者的情况中相同，搅拌速率在第一个小时被设定等于12rpm，然后升至100rpm值。每60分钟将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0303] 在该试验中，在反应器A中得到对于3号和4号试验(在相同反应器中进行)以及对于在反应器B中进行的反应明显更好的结果。特别是，在约2.5小时之后，材料具有液3 体外观(表观密度为约1000-1100kg/m)，在100rpm下扭矩值为约20N·cm。同时，反应器B中，材料具有湿固体外观，在100rpm下扭矩值等于约130N·cm。 [0304] 此时，在反应器A中，进一步加入750g预处理的芦竹(如在先前部分中描述的那样，干含量等于30.4％)。作为该加入的结果，所计算的干含量回到先前试验的值27.8％，并且每克纤维素的酶载荷被减少至先前试验的值(20FPU/g葡聚糖)。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料。 [0305] 在搅拌另外1.5小时之后，材料再次具有液体外观，密度和扭矩值大约等于加入之前测量的相同值。在约8小时试验之后，材料在两个反应器中具有相似的外观，但是在A反应器中达到液体状态需要的时间为，B中需要时间的约80％，和3号和4号试验中反应器A中需要时间的约57％。 [0306] 对于最终材料实施pH测量，并且发现等于2.4。该值低于按照文献数据确保最高酶活性的值(pH＝5)。 [0307] 8号试验 [0308] 材料：芦竹(在以上得到描述) [0309] 将A反应器填充1.5kg来自7号试验的材料(液体外观，密度为1100kg/m3，在100rpm下所测量的扭矩等于约15N·cm)。向该材料中加入0.75kg预处理的芦竹(具有在先前部分中描述的特性，特别是干含量等于30.4％)。 [0310] 向材料中加入约140g在7号试验中使用的溶液。在加入后，在反应器中有2.4kg总材料。 [0311] 以这种方式，反应器伴随为3号和4号试验的两倍的每克葡聚糖的酶载荷进行工作。另外，初始干含量被计算为等于25.6％(低于3号和4号试验中计算的含量)。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。 [0312] 搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料和加入的溶液。所得到材料的3 表观密度为约850kg/m，并且在100rpm下所测量的扭矩等于约150N·cm。 [0313] 保持设定为等于100rpm的搅拌速率，实施试验。每20分钟，将搅拌速率升至180rpm(几秒钟)以使材料均匀。 [0314] 特别地，在约2小时后，材料具有液体外观(表观密度为约1000-1100kg/m3)，在100rpm下扭矩值为约25N·cm。 [0315] 此时，在反应器中进一步加入750g预处理的芦竹(如在先前部分中描述的那样，干含量等于30.4％)，并且材料总量为3.15kg。作为该加入的结果，所计算的干含量回到先前试验的值27.8％，并且每克纤维素的酶载荷被减少至先前试验的值(20FPU/g葡聚糖)。在盖子下存在凝结提示干含量可能实际上更高。搅拌速率被增大至约150rpm(一会儿)以混合材料。 [0316] 此时，均匀化的材料具有表观密度为约900kg/m3，并且在100rpm下扭矩值等于约135N·cm。 [0317] 在搅拌另外1小时之后，材料再次具有液体外观，表观密度值等于约1100kg/m3和在100rpm下扭矩等于约25N·cm。在约8小时试验之后，材料在两个反应器中具有相似的外观，但是在A反应器中达到液体状态的时间为，B中需要时间的约80％，和3号和4号实验中反应器A中需要时间的约57％。 [0318] 试验进行约8小时。 [0319] 1.5kg预处理的材料的液化在3小时内全面实现，该时间等于7号试验中反应器花费时间的约75％。 |
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