用於纖維素酶法水解的上流式沉降反應器的製作方法

2023-05-18 21:53:31

專利名稱：用於纖維素酶法水解的上流式沉降反應器的製作方法
用於纖維素酶法水解的上流式沉降反應器
本發明涉及纖維素原料的轉化方法。更具體而言，本發明涉及具 有提高的效率的纖維素酶法轉化方法。
背景技術：
燃料乙醇目前是由諸如玉米澱粉、甘蔗以及甜菜等原料生產的。 然而，由於適合生產這類作物的農田有限，而且由於與人類及動物的 食物鏈的利益竟爭，由這些原料生產乙醇不能得到進一步發展。最後， 使用化石燃料在轉化過程中會同時釋放出二氧化碳以及其它產物，使 用這些原料對環境有負面影響。
由含纖維素的原料如農業廢料、乾草及林業廢料生產乙醇的可行 性已受到諸多關注，這是由於這些廉價原料可大量獲得、避免燃燒或 填埋纖維素廢料的需要、以及乙醇作為一種燃料與汽油相比的清潔性 等方面的原因。另外，纖維素轉化過程的副產品一一木質素一一可用 作燃料，用於推進纖維素轉化過程，從而避免了化石燃料的使用。研 究表明，若考慮整個循環，使用由纖維素生產的乙醇產生的溫室氣體 近乎為零。
可用於乙醇生產的纖維素原料包括(1 )農業廢料例如玉米秸、小
麥秸、大麥秸、燕麥秸、燕麥殼、菜籽秸以及大豆秸；(2)乾草例如 柳枝稷(switch grass)、 芒屬(miscanthus)、 大米草(cord grass)、 草蘆(reed canary grass); ( 3 )林業廢料例如山楊木、鋸屑；和(4) 糖加工過程殘渣例如甘蔗渣、甜菜廢粕。
纖維素由具有極強的抗斷損性的晶體結構組成，半纖維素亦是如 此，半纖維素是纖維素原料的另一種最普遍的成分。纖維素纖維到乙 醇的轉化需要l)從木質素釋放纖維素以及半纖維素，或增加纖維素 酶對纖維素原料中纖維素和半纖維素的可接觸性，2 )使半纖維素和纖 維素碳水化合物的聚合物解聚為游離糖，和3)使混合的己糖和戊糖 發酵成為乙醇。
用來使纖維素轉化為糖的熟知方法有在某一溫度、酸濃度及足以 使纖維素水解為葡萄糖的時間長度下使用蒸汽和酸的酸水解法 (Grethlein， 1978, JT. Appl. Chem. Biotechnol. 28: 296-308 )。 而後使用酵母使葡萄糖發酵為乙醇，乙醇通過蒸餾回收及純化。
另一種可選擇的纖維素水解的方法為酸預水解(或預處理)繼之 以酶法水解。在這種過程中，先將纖維素材料用上述的酸水解法進行 預處理，但是在較溫和的溫度、酸濃度和處理時間下進行。該預處理 法雖可提高用於後續酶法轉化步驟的纖維素纖維中纖維素的可接觸 性，但纖維素向葡萄糖的轉化率較低。在接下來的步驟中，將經過預 處理的原料調整到適宜的溫度和pH值，然後通過纖維素酶進行酶轉 化。
纖維素的水解，不管是由酸還是由纖維素酶，都繼之以使糖發酵 為乙醇，而後將乙醇通過蒸餾回收。
來自纖維素材料的纖維素向糖的有效轉化以及後續的使糖發酵為 乙醇，面臨著商業可行性的巨大挑戰。具體而言，酸預水解需要大量 的酸。對於清潔的原料如洗滌過的硬木，硫酸的需要量為原料乾重的 0. 5%至1°/。；對於農業纖維一一其中可能包含了源自土壤的大量的二氧 化矽、鹽以及鹼性含鉀化合物——其酸需要量可最多高出約10倍，達 到原料重量的5%至7%。這明顯增加了所述方法的造價。在預水解過程 使用大量的酸的第二個缺點在於，經過酸化的原料在用纖維素酶進行 酶法水解之前必須先將其中和到pH為約4. 5至約5。用於中和經酸化 的原料的哿性鈉的量與酸化原料時所使用的酸的量是成比例的。因而， 高的酸用量會導致高的苛性鈉用量，這又進一步增加了將纖維素原料 加工為乙醇的造價。此外，酶法水解的造價很高，因為儘管經過預處 理，纖維素還是具有抗水解性，這樣又增加了所需的酶的劑量。這種 增加的需求可通過增加水解時間(90-200小時)而加以抵消，但反過 來導致需要非常大的反應器，又提高了總的造價。
一種減少酶劑量同時維持高的纖維素轉化率的方法是同時糖化發 酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation) ( SSF )。 在該類型系統中，酶法水解與葡萄糖到乙醇的酵母發酵在一個反應器 內同時進行。在SSF過程中，酵母通過使葡萄糖發酵為乙醇而將其從 反應器中去除，這樣就減少了葡萄糖對纖維素的抑制。但纖維素酶還 是會受到乙醇的限制。SSF—般在35-38。C的溫度下進行，該值是對 50。C的纖維素最適宜溫度與28C的酵母最適宜溫度的折中。這一中間
溫度使得不論是纖維素酶還是酵母性能都低於標準性能。由此，效率 不高的催化作用需要很長的反應時間以及很大的反應器——二者的成 本都是很高的。
U.S. 5, 258, 293 ( Lynd )公開了 一種可獲得更高體積生產率的方 法。所述方法使用木質纖維素原料和連續引入反應器的微生物。流體 也是從反應器的底部連續加入，但不發生漿液的機械攪拌。隨著反應 的進行，被消解的木質纖維素原料趨於積聚在空間非均相的層中而乙 醇產品則上升至頂層，從頂層將其移出。不溶解的底物積聚在底層， 可將其從容器中排出。這種安排會使發酵底物具有不同的停留時間， 從而使反應器內的停留時間增加。
在公開於U.S. 5, 837, 506 (Lynd)的另一種方法中，乙醇的生產 使用一種間歇攪拌、連續進料的生物反應器。將木質纖維素漿液和微 生物加入反應器中；然後將混合物攪拌一定時間，通過機械攪拌方式 或通過流體再循環均可，之後使其沉降。而後將乙醇由反應器頂部移 出，添加另外的底物，並使循環繼續進行。在一種類似的方法中， Kleijntjens等(1986, Biotechnology Letters, 8:667-672 )使用 一種上流式反應器，在熱纖梭菌(C. thermocell認)存在下使含纖維 素的底物發酵。底物漿液沉降形成一種聚集的纖維床層，可通過放緩 機械攪拌來加速纖維床層的形成。底物周期性地加入，而液體則連續 加入反應器中。乙醇產品積聚在頂層，由此將其從反應器中移出。U. S. 5, 837, 506、 U.S. 5， 258， 293及Klei jnt jens等所/>開的方法都會引 起反應器內原料的停留時間延長。但是，所有這三種方法都存在SSF 法的缺點。
U.S. 5, 348, 871、 U.S. 5, 508, 183、 U.S. 5, 248， 484以及U. S. 5, 637, 502 (Scott)中講到一種通過使用 一種與攪拌反應器相結合的 攪拌球磨機(attritor)來提高酶法水解的轉化效率的方法。該攪拌 器產生一個高剪切的區域以減小纖維素原料中固體顆粒的尺寸，由此 不斷給纖維素酶提供新的表面積。因此提高了反應效率，並減少了對 酶的需求。但是，高剪切經常會使酶失活。而且，攪拌球磨機設備的 造價遠高於由於酶劑量的減少所節約的成本。
U.S. 5， 888， 806和U. S. 5, 733, 758 (Nguyen) i井述了另 一種4吏用 塔式水解反應器的方法，所述反應器包括交替的混合區和不混合區，
由此減少混合過程的功率消耗及造價。漿液以活塞流向上流過反應器， 並間歇地在混合區中進行混合，從而防止液體的溝流並確保均勻的熱
量傳遞和質量傳遞。儘管U. S. 5， 888, 806和U.S. 5， 733， 758中所7> 開的方法減少了剪切和酶的變性，但混合設備的造價還是很高。此夕卜， 酶的動力學性能並未好於分批水解方式所能獲得的性能。
目前，在現有技術中要想獲得高的轉化效率並同時維持較低的造 價尚存在許多困難。延長水解時間以避免增大酶劑量所引起的較高造 價需要更大的反應器，這反過來增加了設備的造價。在水解過程中原 料的混合及間歇混合可提高酶的效率，但設備的造價也將增大，而且 剪切力會使酶發生變性。其它系統犧牲最優的酶活性並降低酶的效率。

發明內容
本發明涉及用於使纖維素原料轉化為產品的方法。更具體而言， 本發明涉及具有提高的效率的纖維素原料的酶法轉化方法。
根據本發明，提供了 一種用於纖維素酶法水解的上流式沉降反應器。
本發明也提供了一種用於纖維素酶法水解以由經過預處理的纖維 素原料製備水解產物的方法，所述方法包括
i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；
i i)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；
iH)在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶；及
iv)將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
本發明涉及如上所定義的用於纖維素酶法水解的方法，其中，在 引入步驟(步驟ii)中，含水漿液徑向均勻分布地被引入水解反應器 的底部。
本發明涉及如上所定義的用於纖維素酶法水解的方法，其中在加
入步驟(步驟iii)中，向含水漿液中加入一種或一種以上絮凝作用 化合物，其與纖維素酶分別或一起加入，或與纖維素酶分別以及一起 加入。而且，所述一種或一種以上絮凝作用化合物可在引入步驟(步 驟ii )之前或期間加入，或在引入步驟(步驟ii )之前以及期間加入。 本發明涉及如上所定義的用於纖維素酶法水解的方法，其中，在 提供步驟(步驟i )中，所述漿液中含有約5重量％至約20重量％的未 溶解固體，並且所述未溶解固體中含有約25重量％至約70重量％的纖 維素。本發明涉及如上所述的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料 由小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳 枝稷、草蘆、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。此外，經過預 處理的纖維素原料可在酶法水解之前，已經在約160。C至約280'C溫度 下，用濃度為約0%至約5%的酸預處理過約3秒至約30分鐘。所述酸 可選自硫酸、亞硫酸以及二氧化硫。任選地，在引入步驟(步驟ii) 之前，可將一股含糖的液體物流從經過預處理的纖維素原料中分離出 來。所述液體物流可使用諸如過濾、離心分離、洗滌或本領域技術人 員已知的任何其它適宜的方法從原料中分離。如將洗滌用於分離，則 洗滌可使用適宜的洗滌介質如水、循環的工藝物流、經過處理的排出 物或上述物質的混合物進行。本發明還提供如上所述的方法，其中，在加入步驟(步驟iii) 中，纖維素酶以約1.0至約40.0 FPU/g纖維素的劑量加入。此外，本發明提供如上所述的方法，其中，在移出步驟(步驟iv) 中，通過使用未混合水解反應器頂部的澄清區使至少部分水解產物物 流與未水解的固體相分離。水解產物和未水解的固體可由澄清區的不 同位置移出。或者，通過使用固-液分離器使至少部分水解產物與未水 解的固體相分離。本發明涉及如上所述的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 選擇纖維素酶以生成葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發明還提供如上所述的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 將漿液的pH值調整為約4. 0至約6. 0,優選調整為約4. 5至約5. 5。 此外，所述溫度可為約45n至約優選為約451C至約65n。本發明涉及如上所述的方法，其中在加入步驟(步驟iii )中，
使用一種或一種以上絮凝作用化合物。所述絮凝作用化合物可選自陽 離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、鹽、 明礬及其組合。優選地， 一種或一種以上絮凝作用化合物為陽離子型聚合物，例如但不限於聚丙烯醯胺。所述絮凝作用化合物可以約0. 1 至約4kg/t固體的劑量加入。本發明還涉及如上所述的方法，其中漿液的平均流速介於約0.1 至約12 ft/小時之間，更優選地，介於約0.1至約4 ft/小時之間。本發明還提供一種包含纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組 合物，用於將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組 合。優選地，所述纖維素酶由麴黴屬(Aspergillus),腐質黴屬 (Humicola)、木黴屬(Trichoderma)、芽孢桿菌屬(Baci 1 lus)、喜熱裂 孢菌屬(Thermobifida)或其組合製得。此外，所述一種或一種以上絮 凝作用化合物可選自陽離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚 合物、兩性聚合物、鹽、明礬及其組合。優選地，所述一種或一種以 上絮凝作用化合物為陽離子型聚合物，例如聚丙烯醯胺。本發明還涉及一種將一種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑 的酶組合物用於使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或 其組合的用途。本發明還涉及一種將一種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑 的酶組合物用於纖維素的酶法水解以由經過預處理的纖維素原料製備 水解產物的用途，所述酶組合物的使用方法包括i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。優選地，所述纖維素酶由麴黴屬、腐質黴屬、木黴屬、芽孢桿菌
屬、喜熱裂孢菌屬或其組合製得，而所述一種或一種以上絮凝作用化 合物可選自陽離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩 性聚合物、鹽、明礬及其組合。優選地，所述一種或一種以上絮凝作 用化合物為陽離子型聚合物，例如聚丙烯醯胺。本發明還提供一種包含纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組 合物，用於將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中所述水解通過以下步驟進行i) 提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發明提供一種試劑盒，所述試劑盒包括纖維素酶、 一種或一種 以上絮凝劑和使用說明，用於水解纖維素以由經過預處理的纖維素原 料製備水解產物，所述使用說明包括i) 提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20°/。的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶混合物和一種或一種以上絮凝劑；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。本發明還提供一種用於製備酶組合物的方法，所述酶組合物用於 水解纖維素以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物，所述方法包
括由一種植物、真菌或微生物源獲得纖維素酶，並將所述纖維素酶與 一種或 一種以上絮凝劑相結合以製備酶組合物。本發明還提供一種用於製備如上所述的酶組合物的方法，其中纖 維素酶由麴黴屬、腐質黴屬、木黴屬、芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬製得。本發明提供一種用於使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的系統，所述系統包括 一條與上流式水解反應器入 口流體連通的原料漿液供給管線、 一個固-液分離器，所述固-液分離 器與上流式水解反應器流體連通，並包括用於排出含未水解固體的漿 液的第一出口以及用於排出含水解產物的物流的第二出口 ，所述水解 產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給 管線、上流式水解反應器，或原料供給管線和上流式水解反應器二者 中含有包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。本發明還提供一種如上所述的系統，其中所述原料供給管線在使 用過程中含有經過預處理的原料。所述固-液分離器可為沉降槽、澄清 器、澄清區、離心分離器或過濾器。當系統處於使用狀態時，纖維素 酶可以約1. 0至約40. 0 FPU/g經過預處理原料的纖維素的劑量存在， 且一種或一種以上絮凝作用化合物可以約0. 1至約4. Okg/t經過預處 理原料的固體的劑量存在。如說明書中所述，在一個上流式沉降反應器中水解纖維素的操作 過程可通過添加一種或多種絮凝作用化合物得以改善。絮凝作用化合 物增大了纖維素固體的尺寸，由此增大了纖維素固體的沉降速度。這 有助於使固體在反應器中停留更長的時間，從而提高纖維素的轉化度。 此外，本說明書提供了在水解反應器中不進行混合時水解原料漿液的 方法，因為在水解罐中不需要通過使用葉輪及泵等對漿液進行主動混 合。上流式沉降水解反應器的使用可解決現有技術的幾點不足。本發 明提高了纖維素酶法水解的效率。這導致了纖維素到葡萄糖的更高的 轉化度。或者，上流式沉降反應器使得較傳統水解系統而言對纖維素 酶的需求量更低。在所述的水解反應器中無須漿液混合方面的開支， 而且無需對系統進行劇烈的剪切，即可獲得提高的酶法水解效率。使 用上流式水解反應器所引起的改進可通過使用絮凝作用化合物而得到增強。


本發明的這些特徵以及其它特徵將通過下述參照附圖的描述而變 得更為清晰。圖1所示為包含可用於本發明的一種實施方案的上流式反應器的系統的流程圖。圖1A所示為該系統包含一個上流式反應器和一個沉降 罐。圖1B所示為圖1A的上流式反應器。圖1C所示為該系統的一部 分，其中上流式反應器包括一個澄清區。圖2所示為不添加絮凝劑時在水解反應器中不同高度抽樣獲得的 未溶解固體含量。圖3所示為不添加絮凝劑時在水解反應器中不同高度抽樣所測得 的纖維素轉化百分比。圖4所示為添加絮凝劑時在水解反應器中不同高度抽樣獲得的未 溶解固體顆粒。圖5所示為添加絮凝劑時在水解反應器中不同高度抽樣所測得的 轉化的纖維素的量。圖6所示為添加絮凝劑時與不添加絮凝劑時相比離開水解反應器 的產物中纖維素轉化效率的增加。
具體實施方式
本發明涉及用於使纖維素原料轉化為產品的方法。更具體而言， 本發明涉及具有提高效率的纖維素原料的酶法轉化方法。以下只是通過實施例對優選的實施方案進行說明而並不對實施本 發明的必要技術特徵的組合的效果造成限制。本發明涉及將纖維素通過酶法轉化為分解產物的方法，例如但並 不限於，葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。在本發明的一 個方面，所述方法包括將含水纖維素漿液與纖維素酶一起向上泵入不 混合的水解反應器中。漿液向上的速度很慢，以使固體顆粒——其較 主體漿液的密度為大一一傾向於以比液體慢的速度向上流動。已充分 證實纖維素酶與纖維素緊密地結合在一起，並優選與纖維素結合。含 纖維素的固體顆粒的緩慢向上流動使得含纖維素的固體及所結合的纖 維素酶在反應器中停留的時間較液體長。纖維素及所結合的纖維素酶 的滯留提高了纖維素到產物例如葡萄糖的轉化率。靠近反應器頂部時， 將含水的產物流或糖物流及未水解的固體排出。如果產物為葡萄糖， 含水的糖物流排出後用來發酵為乙醇及用於其它進一步的處理。本說 明書所述方法在比液體及固體的活塞流所需反應器更小的反應器中獲 得了更長的纖維素水解時間。或者說，本說明書所述方法用比其它方 法所需的纖維素酶更少的纖維素酶獲得了更高的纖維素轉化率。本發明提供一種用於纖維素酶法水解以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物的方法，所述方法包括i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。此外，在加入步驟(步驟iii)中，也可向漿液中加入一種絮凝 劑，可將其直接加入漿液中，或與要向漿液中添加的纖維素酶一起加 入。然後可將葡萄糖進行進一步的處理以製備感興趣的產品，例如但 並不限於乙醇。儘管如本說明書所述的上流式沉降反應器及方法適用於將纖維素 通過酶法轉化為葡萄糖，但這種反應器以及相關的方法也可用於將纖 維素轉化為其它產品，包括但並不限於纖維二糖(纖維素酶中不含P -葡糖苷酶(PG)時為優選)和葡萄糖低聚物(纖維素酶中不含纖維二 糖水解酶(CBH)和PG時為優選)。為了進一步對本發明進行示例說 明，對將纖維素轉化為葡萄糖的方法進行了描述。但應當理解的是，產品的生產
術語"纖維素原料"或"纖維素材料"意指任何類型的含纖維素 的生物質，所述生物質例如，但並不限於，非木本植物生物質、農業 廢料和林業廢料以及糖加工過程殘渣。例如，纖維素原料可包括，但並不限於，禾本科乾草例如柳枝稷、大米草、黑麥草、芒屬或其組合; 糖加工過程殘渣例如，但並不限於，甘蔗渣、甜菜廢粕；農業廢料例 如，但並不限於，大豆秸、玉米秸、燕麥秸、水稻秸、水稻殼、大麥 秸、玉米穂軸、小麥秸、菜籽秸、燕麥殼以及玉米纖維；以及林業廢 料，例如但並不限於，回收的木漿纖維、鋸屑、硬木、軟木或其組合。 此外，纖維素原料可包括纖維素廢料或林業廢料例如，但並不限於， 新聞用紙、紙板等。纖維素原料可包括一種纖維，或者纖維素原料可 包括源自不同纖維素原料的纖維的混合物。小麥秸、大麥秸、玉米秸、 大豆秸、菜籽秸、柳枝稷、草蘆、甘蔗渣、大米草、燕麥殼、甜菜廢 粕和芒屬由於可廣泛獲得並且造價低廉，尤其有利於用作纖維素原料。原則上，任何包含大量纖維素的材料都適合於本發明的方法。實 際上，纖維素材料中所含的纖維素的量大於約20% (w/w)以生產出大 量的葡萄糖。纖維素材料可具有更高的纖維素含量，例如至少約30% (w/w) 、 35% (w/w) 、 40% (w/w)或更多。因此，纖維素材料中可包 括約20%至約70% (w/w)纖維素，或約25%至約70% ( w/w )纖維素， 或約35%至約70% (w/w)纖維素，或更多，或介於其之間的任何量， 例如但並不限於20、 22、 24、 25、 26、 28、 30、 32、 34、 35、 36、 38、 40、 42、 44、 46、 48、 50、 52、 54、 56、 58、 60、 62、 64、 66、 68及 70% (w/w)纖維素。本發明可使用天然的纖維素原料或使用經過處理過或預處理的纖 維素材料實施。處理和預處理法的目的在於將機械作用和化學作用充 分結合，以破壞纖維結構並增加原料中纖維素酶可接觸的表面積。機 械作用一般包括，但並不限於，使用壓力、研磨、碾磨、攪拌、粉碎、 壓縮/膨脹，或其他形式的機械作用。化學作用可包括，但不限於，使 用熱(通常為蒸汽)、酸及溶劑。幾種化學及機械預處理方法在本技 術領域中是熟知的。對原料進行預處理的方法之一是蒸汽噴發(steam explosion), 使用U. S. 4, 461, 648和U.S. 4， 237, 226 (其內容在此通過引用的方 式納入本文)所述的工藝條件進行。該方法中，在0。/。至5。/。(v/v)或
介於其之間的任何量的硫酸或任何其它適宜的酸存在下，將木質纖維素生物質裝入蒸氣噴發器。而後在蒸氣噴發器中迅速充入蒸氣到約160 1C至約2801C，或介於其之間的任何溫度，並在高壓下保持約3秒至 約30分鐘的蒸煮時間，或介於其之間的任何時間值。之後使容器迅速 減壓排出預處理的生物質。現有技術中已知的影響蒸氣噴發預處理過 程的參數例如，但並不限於，Foody等(Final Report, Optimization of Steam Explosion Pre-treatment， U.S. DEPARTMENT OF ENERGY REPORT ET230501, April 1980;其內容通過引證的方式納入本說明) 提出的參數可應用於本發明的方法。蒸氣噴發所選擇的條件將取決於 原料的性質以及所需的對酶的敏感度。但本領域已知的其它方法也可 根據需要應用於經過預處理的原料的製備，例如但並不限於，US 5， 846， 787 (Ladisch)、 US 5,198， 074 (Vi1lavicencio)、 US 4， 857，145 (Villavicencio)或US 4, 556, 430 (Converse;其內容通過引證的方 式納入本說明書)所公開的方法，氨冷凍噴發(US patent 5, 171, 592, Holtzapple)以及濃鹼處理。不管是否進行預處理步驟，纖維素原料可任選在酶法水解之前用 水洗滌或用水瀝濾，例如如WO 02/070753 (Griffin et al,其內容 通過引證的方式納入本說明書)中所公開的方法。對經過預處理的纖維 素原料的洗滌可除去纖維素酶抑制劑如溶解的糖及糖降解產物、溶解 的木質素及含酚化合物，以及系統中的其它有機化合物。洗滌後的經 過預處理的原料中纖維素的濃度一般會增大，例如達到50%-70%的水 平。將纖維素材料用一種液體調成漿液，該漿液很濃但仍可用泵送。 所述液體例如但並不限於水、循環工藝物流或處理後的排出物。漿液 中纖維素原料的濃度取決於物料，但可在約3%至約30% (w/w)未溶解 固體範圍內，或介於其之間的任何濃度，例如從約5%至約20% (w/w) 未溶解固體，或從約10%至約20% (w/w)未溶解固體，或介於其之間 的任何濃度值。例如漿液中纖維素原料的濃度可為3、 5、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 18、 20、 22、 24、 26、 28或30%未溶解固體(w/w)。本 領域中熟知，懸浮固體或未溶解固體的濃度可通過用玻璃微纖維濾紙 過濾漿液樣品、將濾餅用水洗滌並在105'C下使其乾燥過夜的方法進 行測定。
漿液的pH值通常調整到所用纖維素酶的最優pH值範圍。 一般而 言，將漿液的pH值調整到約3. 0至約7. 0的範圍，或約4. 0至約6. 0 的範圍，或介於其之間的任何pH值，優選在約4. 5至約5. 5的範圍內。 例如，pH值可為約3. 0、 3. 5、 4. 0、 4. 5、 4. 6、 4. 7、 4. 8、 4. 9、 5. 0、 5.1、 5.2、 5.3、 5.4、 5.5、 6.0、 6. 5或7. 0。漿液的pH值可用本領 域已知的任何適宜的酸或鹼調整。例如可使用氫氧化鈉、氨、氫氧化 銨、氫氧化鉀或其它適宜的鹼(如果漿液為酸性)，或硫酸、或其它 適宜的酸(如果漿液為鹼性)。但如果所用的纖維素酶為嗜鹼的或嗜 酸的，則漿液的pH值可分別高於或低於約4. 5至5. 5。漿液的pH值 應當調整到對於所用酶而言的最優pH值範圍內。將漿液的溫度調整到對於纖維素酶的活性而言的最優範圍內。一 般而言，大多數纖維素酶適宜的溫度為約45t:至約70'C,或約45'C 至約65T，或介於其之間的任何溫度。例如漿液的溫度可調整到約45、 46、 47、 48、 49、 50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58、 59、 60、 61、 62、 63、 64、 65、 66、 67、 68、 69或70。C。但對於嗜熱的纖維素 酶，漿液的溫度可更高。而後將纖維素酶加到漿液中。術語"纖維素酶"、"纖維酶"或"酶"意指催化纖維素水解為產物例如葡萄糖、纖維二糖或其它纖維 低聚糖的酶。纖維素酶為一通用術語，表示包括可由多種植物和微生 物製得的外切纖維生物水解酶(exo-cellobiohydrolase) ( CBH )、 內切葡聚糖酶(EG)和p-葡萄糖苷酶(PG)等多種酶的混合物。本 發明的方法可使用任意類型的纖維素酶而不必考慮其來源；但微生物 纖維素酶通常可以比植物纖維素酶更低的造價獲得。研究最為廣泛的、 典型的、商業化生產的纖維素是由麴黴屬、腐質黴屬及木黴屬的真菌， 以及由芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬的細菌製得。由絲狀真菌長枝木黴(7yic力o^77Z7a /f /^/^ac力/'a^iz )製得的纖維素酶包括至少兩種稱為 CBHI和CBHII的纖維生物水解酶和至少4種EG酶。纖維素酶協同作用使纖維素降解為葡萄糖。CBHI和CBHII通常作 用於纖維素微纖維中葡萄糖聚合物的末端釋放出纖維二糖(Teleman et al. 1995， European J. Biochem 231:250—258),而內切葡聚糖 酶則作用於纖維素中隨機位置。這些酶一起作用使纖維素水解為更小 的纖維低聚糖例如纖維二糖。纖維二糖通過p -葡萄糖苷酶水解為葡萄選擇加入漿液中的纖維素酶的劑量以獲得足夠高的纖維素轉化水平而不會過量加劑。例如，適宜的纖維素酶的劑量可為約l.O至約 40. 0 FPU/g纖維素，或介於其之間的任何量。例如，纖維素酶的劑量 可為約l.O、 3.0、 5.0、 8.0、 10.0、 12.0、 15.0、 18.0、 20.0、 22.0、 25.0、 28.0、 30.0、 32.0、 35.0、 38. 0或40. 0 FPU/g，或介於其之間 的任何量。FPU (濾紙單位，Filter Paper Unit)是本領域普通技術 人員熟悉的標準單位，才艮據Ghose ( 1987， Pure and Appl. Chem. 59:257- 268 )定義及檢測。為了完全轉化為葡萄糖，優選纖維素酶含 有足夠量的P-葡萄糖苷酶(纖維二糖酶)活性。P-葡萄糖苷酶的劑 量水平為約5至約600 p-葡萄糖苷酶單位/g纖維素，或介於其之間 的任何值。典型的p-葡萄糖苦酶的劑量水平為約IO至約400 p-葡 萄糖苷酶單位/g纖維素，或介於其之間的任何值；例如其劑量可為10、 12、 15、 17、 20、 22、 25、 27、 30、 32、 35、 37、 40、 42、 45、 47、 50、 52、 55、 57、 60、 62、 65、 67、 70、 72、 75、 77、 80、 82、 85、 87、 90、 92、 95、 97、 100、 120、 140、 160、 180、 200、 220、 240、 260、 280、 300、 320、 340、 360、 380和400 0-葡萄糖苷酶單位/g纖 維素，或介於其之間的任何值。p-葡萄糖苷酶單位根據Ghose (1987， Pure and Appl. Chem. 59: 257-268)的方法測定。粉劑或顆粒劑形式的纖維素酶可以在水溶液中處理。酶可在漿液 進入反應器(也稱作水解塔或水解反應器；圖1中110或110')前 的任何點處加入漿液中。例如但並不限於，纖維素酶可在漿液即將進 入水解塔前加入。也可使用本領域普通技術人員熟知的混合設備將酶 混合到漿液中。在一個非限制性的實施例中，可使用一個位於主水解 反應器上遊的小的補償罐(圖1A中的90)向漿液中加入酶，調節pH 值並達到所需的漿液溫度。參照圖1A，如上所述對原料IO進行預處理。通過使用熱交換器 20與產品物流30或其它適宜的流體換熱使預處理的物流冷卻。然後 可使用另一種流體例如冷水45,在熱交換器50中使漿液40進一步冷 卻。而後可將該漿液泵入水解補償罐90,同時泵入纖維素酶70和氬 氧化銨80以調整pH值。在該實施例中，水解補償罐90內容物混合後 泵出補償罐90，沿管線IOO進入水解罐110。但此纖維素酶也可與原 料在別處混合，例如在190、 195或197中，或在水解反應器的進料管 線中，包括但不限於，管線10、 40或100,或上述進料處的組合。術語"水解塔"、"上流式水解反應器"、"水解反應器"、"水 解罐，，或"上流式沉降反應器"意指一種具有適當結構的能容納纖維 素酶對纖維素漿液的水解的反應器(塔)，例如110 (圖1B)或110， (圖1C)。水解罐可具有絕熱夾套、蒸汽夾套、熱水夾套、電伴熱夾 套或其它熱源以維持所需的溫度。本申請中，水解反應器為非混合水 解反應器，意指在水解反應過程中不對反應器內容物進行混合。如下 所述，由於向系統加入或從系統中取出固體和液體時會有少量的能量 輸入，因而反應器內容物中少量的局部混合是可能發生的。漿液和纖 維素酶混合物可直接從上流式沉降反應器的底部輸入，並在水解塔內 向上泵送；或者，漿液可沿著反應器中部的管(例如105)向下泵入， 出現在反應器底部時再從管四周向上流動。後一種構造的有利之處在 於漿液所帶熱量可在水解反應器內被吸收。 一旦漿液到達水解罐110 或110，的底部，漿液就開始向上流動並沿著水解罐的徑向滲透；而軸 向滲透(即沿著罐高度方向的滲透)則通過避免混合減到最小。選擇 漿液的流速以使漿液中液體成分向上流動的速度比未溶解固體向上流 動的速度快。水解塔設計成使得在任何高度處，漿液中的內容物在徑 向相對均一。均一的分布可使用分布器(例如120)或本領域熟知的 其它i殳備獲得。這可包括分形分布器(例如Rohn Haas Advanced AmerpackTM系統，Amalgamated Research Inc.製造)或旋轉棒。例 如在圖IB中，垂直控制軸在反應器110的底部支撐著一對懸臂桁架臂 (cantilevered truss arm),在頂部支撐著另一對。所述臂將集流系 統(header system)與噴嘴合為一體用以分布容器底部的產品並從頂 部對其進行收集。 一種二通迴轉接頭(two-port rotary joint)用於向 中心軸進料及從中心軸排出物料。水解罐內漿液的分布在不通過葉輪 或泵進行主動混合的條件下實現。圖1C所示為包含一個在罐的頂部的澄清區域135的另一種水解塔 110，。如下面的詳細描述，大部分固體從區域130的頂部排出。過量 的澄清液體繼續向上流動進入區域135中並作為清液排出。如本說明書所述，水解反應器110或110，可以是可維持反應器徑 向具有相對均一的漿液濃度的任意大小的反應器。非限制性地，水解
反應塔的直徑可介於約10 ft至約130 ft ( 3至40 m),或介於其之 間的任何值；例如反應器的直徑可為10、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75、 80、 85、 90、 95、 100、 105、 110、 115、 120、 125或130 ft，或介於其之間的任何值。水解反應器的高度可為 任何高度，只要反應器能實現本說明書所描述的目的。非限制性地， 反應器的高度可為約5至約75 ft或約5至約65 ft ( 1. 5至23 m), 或介於其之間的任何值，優選約20至約65ft;例如，反應器高度可 為約5、 7.5、 10、 12.5、 15、 17.5、 20、 22.5、 25、 27.5、 30、 32.5、 35、 37.5、 40、 42.5、 45、 47.5、 50、 52.5、 55、 57.5、 60、 62. 5或 65 。水解反應器的高度與直徑之比可介於約0. 5至約IO之間，或介 於其之間的任意比例；優選高度與直徑之比為約0. 5至約3。反應器 總體尺寸的選擇應避免當反應器內充滿水時對支撐其的基礎造成過度 的負栽。在一個非限制性實施例中， 一個直徑110ft、高度65 f t的 水解反應器具有4. 60百萬加侖的容積。將漿液向上泵入反應器110或110，，所述漿液的平均流速使得液 體在反應器內均勻地向上流動而含有纖維素的顆粒——其密度較液體 的密度大一一在反應器內向上流動的速度比液體慢得多，沉降並堆積 成比進料的固體濃度高的固體濃縮物。漿液的"平均流速"或"漿液 流速，，由7JC解反應器高度除以漿液標稱停留時間(nominal residence time)得到，標稱停留時間基於反應器容積和漿液進入反應器的流速 得到。例如，漿液以10， 000加侖/小時的流速進入一個30 ft高、 120, 000加侖的水解反應器時標稱漿液停留時間為120, 000加侖 / (10, 000加侖/小時)=12小時，平均漿液流速為30 ft/12小時= 2. 5 ft/小時。選擇平均流速以使固體向上流動的速度低於平均的漿液 流速。這使得固體在水解反應器中具有比標稱漿液停留時間長的平均 停留時間。這點與漿液活塞流反應器是不同的，在活塞流反應器中， 反應器內的液體和固體的流速及停留時間基本相同。達此要求的流速 取決於原料及漿液中固體顆粒的尺寸，以及是否存在任何添加的絮凝 劑。使用絮凝劑使得可採用更高的平均流速。 一般而言，平均流速為 約0. 1至約20 ft/小時，或介於其之間的任何速度。優選地，平均流 速介於約0.1至約12 ft/小時，或介於其之間的任何值。更優選地， 平均流速介於約0. 1至約4. 0 ft/小時，或介於其之間的任何值。例
如平均漿液流速可為約0. 1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5、 5.0、 5.5、 6.0、 6.5、 7.0、 7.5、 8.0、 8.5、 9.0、 9.5、 10.0、 10.5、 11,0、 11.5、 12.0、 12.5、 13.0、 13.5、 14.0、 14.5、 15.0、 15.5、 16.0、 16.5、 17.0、 17.5、 18.0、 18.5、 19.0、 19. 5或20. 0ft/小時。水解反應器中標稱漿液停留時間一般為 4-120小時，優選12-100小時，最優選20-100小時。採用本發明的方法時，漿液的性質將隨著纖維素水解的進行而改 變。不希望囿於理論，在水解反應過程中，纖維素酶附著於纖維素上, 因而保持附著在漿液中含纖維素的固體顆粒上。漿液的平均向上的流 速很慢，以使較漿液本體密度更大的固體顆粒傾向於以比液體更慢的 速度向上流動。含纖維素固體顆粒的緩慢向上流動使得含纖維素的固 體及其附著在其上的纖維素酶可在反應器中比液體滯留更長的時間。 由於附著的酶消解纖維素並向溶液中釋放出葡萄糖，因而纖維素的量 以及固體顆粒的密度是變化的。依據變化的密度，較小的顆粒將隨著 液體向上流動或沉降到反應器的底部。由於含纖維素的固體顆粒相對 於液體的停留時間的差異，水解反應器內纖維素的濃度將由底至頂減 小，而葡萄糖的濃度則將由底至頂增大。纖維素濃度的減小及葡萄糖 濃度的增大發生在水解反應器110的"水解區域"130(見圖1A和1B)。 含水的糖物流、未水解的固體、以及附近任何含纖維素的顆粒從靠近 反應器110水解區域140頂部的位置移出為150。而後至少將部分固 體與葡萄糖物流相分離——例如使用固-液分離器如沉降罐160，並將 產品物流30送出用來發酵為乙醇及進行其它進一步處理(170)。纖 維素在水解塔內較長的停留時間提高了纖維素到葡萄糖的轉化率，由 此可用較小的反應器獲得比使用混合反應器更長的纖維素水解時間。 或者，使用比其它方式所需的酶劑量更低的劑量獲得更高的纖維素轉 化。術語"未水解的固體"或"未轉化的固體"意指未被纖維素酶消 解的纖維素，以及原料中存在的對纖維素酶呈惰性的非纖維素材料或 其它材料。例如但不限於，未轉化的固體顆粒可包括木質素、二氧化 矽或其它固體材料。由於原料中的纖維素被水解，因而含纖維素的固 體中未轉化的固體的濃度增大。未轉化的固體依據其密度和粒度可隨 產品在150中移出或沉降到底部的沉積物或沉澱物180中。如果在反說明書第18/25頁應器底部由於非常重的顆粒而形成沉澱層，可使用本領域已知的任何 方法除去沉澱物或沉積物。在一個非限制性的實施例中，使用一種刮 具除去沉澱物。在另一實施例中，反應器底部可製成錐形以提供最重的固體顆粒可沉降的路徑，並將其移出(例如線167)送入木質素處 理過程165。在水解反應器110的頂部140附近發現的含水葡萄糖、未轉化的 固體及其它顆粒可作為物流150移出。從反應器的頂部排出後，可將 至少部分未轉化的固體與可溶解的糖物流分離。移出未轉化的固體可 通過使用一種固-液分離器進行，例如通過過濾(例如，壓濾器、帶式 過濾器、鼓式過濾器、真空過濾器或膜過濾器)，離心分離，沉降例 如沉降罐160、 一種傾斜的沉降器(例如，公開於Knutsen andDavis， 2002, AppL， Biochem. Biotech" 98-100: 1161-1172及Mores et al， 2001， Appl. Biochem. Biotech., 91-93: 297-309，這兩篇文獻都通 過引證的方式納入本說明書)， 一種澄清器，或本領域已知的任何其 它適宜的方法。澄清器可包括一定數量的傾斜板以促進固體和液體的 分離，或包括固-液分離領域已知的其它特徵。可溶解的葡萄糖中基本 不含未溶解的固體，適於進一步發酵為乙醇(170)。未轉化的固體主 要為木質素，可燃燒用作工廠的燃料。或者，含水的葡萄糖物流可在一個與排出未轉化固體的位置不同 的位置排出。另一種從葡萄糖中分離未轉化固體的方法是使用圖1C中 具有水解區域130和"澄清區域"135的反應器110，，所述水解區域 從水解塔底部向上延伸到約65%至約85%高度處，所述"澄清區域，，直 接位於水解區域的上方。水解物流從水解區域130的頂部泵送到澄清 區域135。大部分固體從水解區域130的頂部移出。例如但並不限於， 一根帶有噴嘴的水平棒以 一定的時間間隔在反應器頂部前後穿梭，將 富含固體的物流排入棒中並泵出反應器(162)。過量的澄清液體繼續 向上流動進入澄清區域135。在澄清區域135中，固體通常會沉降到 棒的高度，而基本不含固體的含水糖物流從頂部移出(30)。澄清區 域中可包括一定數量的傾斜板以促進固體和液體的分離，還可包括固-液分離領域已知的其它特徵。未轉化的固體(或未水解的固體)可轉 移到一個固-液分離器中以從未水解的固體中分離出至少部分水解產 物。
如果需要，可將從葡萄糖物流分離得到的含纖維素的固體與進料 一起循環回上流式沉降反應器或水解區域以進一步轉化為葡萄糖。應當理解的是，由於向系統加入或從系統中排出固體和液體時會 有少量的能量輸入，因而反應器內容物中某些少量的局部混合是可能發生的。例如，局部混合可由分布器120、棒或將漿液輸入水解反應 器的泵的作用引起。為了達到最佳操作，進行與水解反應器的操作相 關的加入或排出固體和液體所需的能量不超過0. 1 HP/1000加侖。與 上流式反應器的這些作用相關的能量可介於0. 001至0. 1 HP/1000加 侖，或介於其之間的任何範圍。例如，與上流式反應器的這些作用相 關的能量可為0. 001、 0. 003、 0. 008、 0. 01、 0. 02、 0. 03、 0. 04、 0. 05、 0.06、 0.07、 0.08、 0. 09或0. 1 HP/1000 gal。在反應器中不存在特 別設計用於攪拌漿液的葉輪、攪拌器、噴射器或其它設備。如果使用一個以上的水解反應器，可使兩個或兩個以上的反應器 串聯運行，其中第一個反應器的輸出作為第二個反應器的進料。或者， 多個反應器也可並聯運行。此外，可使序列中一些反應器串聯運行， 而其它反應器並聯運行。還應當理解的是，除上流式反應器外，可使用一種或多種其它的 反應器類型，例如一個或多個分批或連續攪拌反應器。在一個非限制 性的實施例中， 一個連續攪拌反應器的出料作為一個上流式反應器的 進料。對本領域技術人員顯而易見的是，在本發明中也可使用其它的 反應器類型的組合。在本發明的另一個方面，可向漿液中加入絮凝作用化合物以提高 本發明的效率。絮凝作用化合物一般為陽離子型、非離子型、陰離子 型或兩性(包含帶電基團的混合物)聚合物，或鹽例如明礬。不希望 囿於理論，絮凝作用化合物有助於使水解反應器內的固體積聚以確保 其更全面地暴露於酶混合物。實施本發明時，可使用一種絮凝作用化合物或含有一種以上絮凝 作用化合物的混合物。絮凝劑可以任何適合加入漿液中的形式提供； 例如，絮凝劑可為粉劑、液體或分散體；例如，分散體可以是在油或 一種含水溶液中成漿狀的絮凝劑。適宜絮凝劑的 一 個非限制性的實例 為陽離子型聚合物，更具體而言為聚丙烯醯胺。這種絮凝劑包括但不 限於CA4500 (SNF Floerger ,法國)和Zetag 7651 (Ciba Specialty Chemicals, 加拿大)。所用絮凝劑的量可根據上流式反應器中使固體積聚所需的量確 定。本領域普通技術人員能夠確定有助於固體積聚而不會對整個過程 增加不期望的造價的絮凝劑添加量。例如但並不限於，添加絮凝劑的 量可介於約0. 1至約4. 0 kg/t固體或介於其之間的任何量，或約0. 5 至約2. Okg/t固體或介於其之間的任何量。例如，添加絮凝劑的量可 為約O. 1、 0.5、 0.75、 1.0、 1.25、 1.5、 1.75、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5 或4. 0 kg/t固體。絮凝作用化合物可直接加入漿液中，或在加入漿液之前用水分散 及稀釋。也可在加入漿液之前使絮凝作用化合物與纖維素酶相混合， 絮凝劑的分散可有助於確保系統內絮凝劑的均勻施用。在本發明 一 個 非限制性實施例中，絮凝劑可以約0. 01重量％至約25重量％的濃度或 介於其之間的任何量分散於水中；例如，絮凝劑的濃度可為0. 01、 0.02、 0.04、 0.06、 0.08、 0.1、 0.15、 0.2、 0.25、 0.3、 0.35、 0.4、 0.45、 0.5、 1.0、 2.0、 3.0、 4.0、 5.0、 7.0、 10.0、 12.0、 14.0、 16.0、 18.0、 20.0、 22. 0或25. 0重量％。可在此濃度下通過以適宜的 時間混合一一例如1分鐘至約1小時一一使絮凝劑分散。而後將分散 的絮凝劑直接加入纖維素漿液中，或在加入水解反應器之前用水進一 步稀釋至約0. 01重量％至約1. 0重量％或介於其之間的任何值的濃度。 例如，進一步稀釋的絮凝劑的濃度可為0. 01、 0. 02、 0. 03、 0. 04、 0. 05、 0.06、 0.07、 0.08、 0.09、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0. 8、 0. 9或1. 0重量％。因而本發明提供了一種使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄 糖低聚物或其組合的系統，所述系統包括 一條與上流式水解反應器 (例如110或110，)入口流體連通的原料漿液供給管線(例如10、 40、 100)、 一個固-液分離器(例如160或135)，所述固-液分離器與上 流式水解反應器流體連通，並包括用於排出含未水解固體的漿液的第 一出口以及用於排出含水解產物的物流的第二出口 ，所述水解產物包 括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給管線、 上流式水解反應器，或原料供給管線和上流式水解反應器二者中含有 包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。優選地，所述原 料供給管線中含有如上所述製備的經過預處理的原料。而且系統中的 纖維素酶以約1. 0至約40. OFPU/g經過預處理的原料的纖維素的劑量 存在，並且一種或一種以上絮凝作用化合物以約0. 1至約4. 0 kg/t 經過預處理的原料的固體的劑量存在。本發明還涉及一種酶組合物的用途，所述酶組合物中含有纖維素 酶和一種或一種以上絮凝劑，用於將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、 葡萄糖低聚物或其組合，如本說明書所述。由於本系統使纖維素到葡 萄糖的轉化達到約60至約98%，因而葡萄糖可用於乙醇的生產。優 選地，纖維素酶由麴黴屬、腐質黴屬、木黴屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂 孢菌屬或其組合製得。所述一種或一種以上絮凝作用化合物選自陽離 子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、鹽、 明礬及其組合。優選地，所述一種或一種以上絮凝劑為陽離子型聚合 物，例如聚丙烯醯胺。所述纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑也可用 於製備將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的 酶組合物。因此，本發明也提供一種含有纖維素酶和一種或一種以上 絮凝劑的酶組合物用於使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低 聚物或其組合、用於生產乙醇的用途。絮凝劑或稀釋的絮凝劑可在向漿液中加入酶的位置前(195;圖 1A)、加入酶的位置處(190)、加入酶的位置後(197)加入，或這 些位置中的多處加入。而且，絮凝劑可在水解反應器的底部或靠近水 解反應器的底部(192;圖1A、 1B和1C)、水解反應器的中部(191 )、 反應器的頂部(193)、反應器外部的位置(195、 197)加入，或這些 位置中的多處加入，在一個非限制性的實施例中，絮凝劑可加入反應 器的底部(192)和中部(191)。如果絮凝劑抑制酶的活性或對酶的 活性有負面影響，則在將絮凝劑加入漿液或水解罐之前，不應使絮凝 劑以可能對酶造成破壞的方式直接與酶接觸。絮凝劑可通過使用泵使其通過一 系列的閥門和彎管而添加。這種 構造可改善絮凝劑與漿液的混合併防止該混合物倒流回系統。在另一 實施例中，使用一種在線混合器增加絮凝劑的擾動程度並由此改進分 散過程。或者，絮凝劑可通過補償罐90加入漿液中(例如在190), 然後與漿液和纖維素酶40—起泵入水解反應器110或110，。絮凝劑一旦進入水解反應器110或IIO，即附著在固體顆粒上並對 水解區域130中的積聚過程起到輔助作用。不希望囿於理論，這有助 於避免含纖維素的顆粒從反應器的頂部被排出、通過使其懸浮在反應 器中而使其避免沉降到沉澱層、或者同時起到上述兩種作用。使固體顆粒附著在一起可使含纖維素的顆粒在水解區域(130 )具有更長的停 留時間，並使纖維素可被纖維素酶更徹底且更有效地消解。在上流式 反應器的頂部140，絮凝劑主要附著於未轉化的固體顆粒上，與顆粒 一起排出反應器(150;圖1A)。預期通過纖維素水解由經過預處理的原料製得的經管線30離開 反應器IIO或110，的葡萄糖可發酵為乙醇(170)。將葡萄糖和其它糖 發酵為乙醇可通過本領域技術人員已知的常規方法進行，並可通過多 種微生物實現，所述微生物包括酵母和細菌，或遺傳修飾的微生物， 例如，但並不限於，WO 95/13362、 WO 97/42307、或Alcohol production from Cellulosic Biomass: The Iogen Process (in: The Alcohol Textbook, Nottingham University Press, 2000;其內容通過引證 的方式納入本說明書)中所提及的微生物。乙醇的生產和回收通過乙醇 工業領域技術人員已知的完善建立的方法進行。如前所示，上流式沉降反應器適合於纖維素到葡萄糖的酶法轉化。 然而，也可使用這種類型的系統將纖維素轉化為其它產品，包括纖維 二糖(如果纖維素酶中不含pG則是優選的)和葡萄糖低聚物(如果纖 維素酶中不含CBH和pG則為優選的)。本發明的方法延長了固體在反應器中的時間，由於酶仍舊附著於 纖維素上，因此延長了纖維素酶和纖維素之間的接觸時間。這反過來 通過提高在給定大小的水解反應器中所獲得的纖維素轉化度提高了水 解工藝的效率。由此使酶法水解的造價減到最小。另外，上流式沉降 方法在反應器內不需攪拌，從而節省了與混合相關的能量和設備的造 價。上面所述並不欲以任何方式限制所要求的發明。另外，所述特徵 的組合對於本發明的方案而言可能並非是絕對必要的。以下將結合實 施例對本發明作進一步闡述。但應當理解的是，這些實施例的目的只 在於示例說明，不應當用於以任何方式限制本發明的範圍。實施例實施例1:大規模上流式水解反應器
採用US 4, 461, 648 (Foody，其內容通過引證的方式納入本說明 書)的方法製備經過預處理的小麥秸。經過預處理的原料為含有7. 8% 未溶解固體的含水漿液，溫度為70X:,質量流速為553 t/小時。通過 在換熱器(20)中與產品物流(30)換熱使該含水漿液冷卻到60匸。 然後將此60'C的漿液在換熱器(45)中用冷水冷卻到最終溫度50°C。 將漿液與纖維素酶(70; 5 FPU/g纖維素)和氨(80; 1200 g/t溼漿液) 一起泵入水解補償罐(90;體積為86, 000加侖)以調節pH到4. 5至 5.0。將水解補償罐中的內容物混合40分鐘停留時間後，將混合的物 流(100)從補償罐泵出，並沿著水解罐(110)中部的管(105)下降。 水解罐夾套中有15 psig的蒸汽以將溫度維持在50X:。在水解罐的底 部，漿液向上泵出並沿著水解管的徑向滲透(120)。水解罐的容積為4. 6百萬加侖。液體在水解罐中的向上流動較固 體顆粒快，從而使固體顆粒在整個罐中沉降到約10°/。的濃度。纖維素 保持在罐中達188小時，該時間足夠長可使92%的纖維素轉化為葡萄 糖。含水的糖物流和未水解的固體(150)從罐的頂部流出並泵入沉降 罐(160)。在容積為1. 12百萬加侖的沉降罐中，固體顆粒沉降到底 部，濃度達到10%，並經過管線162泵出進入木質素壓濾機165以通 過壓濾和洗滌從固體中回收糖。來自此物流的糖與來自沉降器頂部的 糖物流合併，而後送到發酵為乙醇的過程(170)。實施例2:用木黴屬纖維素酶進行上流式水解採用US 4, 461, 648 (Foody，其內容通過引證的方式納入本iJC明 書)的方法製備經過預處理的小麥秸。將經過預處理的原料在水中形成 含有濃度為3. 7%的未溶解固體的漿液，並將其pH值用30%的氫氧化鈉 調整到5. 5。所述未溶解固體為55%的纖維素。將所述漿液以40 L/分 鐘的速度泵入垂直水解反應器(110;圖1C)的底部。這相當於0. 7 ft/ 小時的向上流動速度。塔的容積為144, 700 L,其中水解區域(130) 為下部的115， 000 L(高度為34. 4 ft)，頂部的29， 700 L為澄清區 (135 )。塔的直徑為3. 8 m,高為13. 5 m ( 44. 3 f t )。漿液進入反 應器時的溫度為55°C,在靠近反應器頂部時逐漸降低到50t:。由木黴 屬(由Iogen Bioproducts， Ottawa獲得)獲得的纖維素酶以36 FPU/g 纖維素的劑量加入水解補償罐內的漿液中，類似於實施例1,加入到 進入塔之前的管線中。
將含有預處理固體和纖維素酶的漿液泵入塔105的底部，並隨著 漿液在塔內的向上流動發生水解。漿液在水解區域的頂部轉移到澄清 區域135，所述水解區域佔塔容積的79%。含沉降固體顆粒的物流在水 解區域和澄清區域的交界處排出(162;圖1C)。水相中幾乎不含未 溶解固體的含葡萄糖的第二物流30自澄清區域的頂部收集。運行過程中反應器內固體的分布如圖2所示。在底部以上1 ft的 高度，未溶解固體沉降到濃度為8重量％至14重量％，這明顯高於進料 的3. 7%未溶解固體的濃度。在更高的點處，固體顆粒的濃度更低。纖維素轉化率的分布如圖3所示。在15 ft和24ft的高度，運行 初期纖維素的轉化度為73%至83%，運行末期為95%。流出上流式反應 器的物流中葡萄糖的濃度為25 g/L。這表明無需混合反應器、無需提 供剪切，或除了用泵將物料沿著反應器緩慢向上推送之外無需其它方 式移動物料即可獲得優良的纖維素轉化率和葡萄糖生產量。實施例3:在絮凝作用化合物存在下用木黴屬纖維素酶進行上流 式水解如實施例2所述對含4. 4%未溶解固體的經過預處理的小麥秸進行 水解，不同之處在於添加絮凝劑以改善固體顆粒的沉降。陽離子型聚 合物CA4500 (SNF Floerger , France)以2 kg/t未溶解固體的劑量 加入， 一旦在向漿液中添加酶的位置之後將其加入，其即在管線中滲 透。運行過程中反應器內固體顆粒分布如圖4所示。在底部以上l ft 的高度，未溶解固體沉降到濃度為6重量％至10重量％，與實施例2中 所觀察到的相近，明顯較進料的4.4%未溶解固體的濃度更高。在反應 器內高於此點處，固體的濃度為5. 5%至8%。這表明絮凝劑對於使固體 集聚和沉降是有效的。纖維素轉化率的分布如圖5所示。在15 ft和24ft的高度，運行 初期纖維素的轉化度為65%至85%，運行末期為85%至92%。流出反應 器的物流中葡萄糖的濃度為27 g/L。這表明無需混合反應器、無需提 供剪切，或除了用泵將物料沿著反應器緩慢向上推送之外無需其它方 式移動物料即可獲得優良的纖維素轉化率。實施例4:在絮凝作用化合物存在及不存在時不同酶水平下的纖 維素轉化
實施例2和3中所述的水解反應顯示出相近的最終葡萄糖濃度， 這可能是由於過量酶的存在之故。為了確定絮凝劑對水解效率的影響, 在存在及不存在絮凝劑時進行了在不同酶劑量下的水解。如實施例2和3所述對經過預處理的小麥秸進行水解，不同之處 在於所添加的纖維素酶的量是可變的。在存在及不存在絮凝劑時，用 8、 12、 16、 20、 24、 28、 32和36 FPU的酶進4亍48小時的水解。測 定了纖維素轉化率(以％表示)並示於圖6。如圖6所示，在較低的酶劑量時，使用絮凝劑提高了纖維素的轉 化率。這代表從總體上節約了纖維素轉化的造價。
權利要求
1.一種用於纖維素酶法水解以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物的方法，所述方法包括i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液體中含有約3％至約30％的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約20％的纖維素；ii)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0.1至約20ft/小時，以使未溶解固體顆粒向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii)在引入步驟(步驟ii)之前或期間，或在上述兩段時間內，向含水漿液中加入纖維素酶；及iv)將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出，所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
2. 根據權利要求l的方法，其中在引入步驟(步驟ii )中，所 述含水漿液徑向均勻分布地被引入水解反應器的底部。
3. 根據權利要求l的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中，向 含水漿液中加入一種或一種以上絮凝作用化合物，所述絮凝作用化合 物與纖維素酶分別或一起加入，或與纖維素酶分別以及一起加入。
4. 根據權利要求3的方法，其中一種或一種以上絮凝作用化合物 在引入步驟(步驟ii )之前或期間加入，或在引入步驟(步驟ii )之 前以及期間加入。
5. 根據權利要求l的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草聲、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
6. 根據權利要求2的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草蘆、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
7. 根據權利要求4的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料由 小麥秸、燕麥秸、大麥秸、玉米秸、大豆秸、菜籽秸、甘蔗渣、柳枝 稷、草^"、大米草、燕麥殼、甜菜廢粕或芒屬得到。
8. 根據權利要求l的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料已 在酶法水解之前，在約160"C至約280'C溫度下，用濃度為約0%至約 5%的疏酸預處理過約3秒至約30分鐘。
9. 根據權利要求6的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料已 在酶法水解之前，在約1601C至約280X:溫度下，用濃度為約0%至約 5y。的為t酸預處理過約3秒至約30分鐘。
10. 根據權利要求7的方法，其中所述經過預處理的纖維素原料 已在酶法水解之前，在約160。C至約2801C溫度下，用濃度為約0%至 約5。/。的石危酸預處理過約3秒至約30分鐘。
11. 根據權利要求l的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g纖維素的劑量加入。
12. 根據權利要求9的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g纖維素的劑量加入。
13. 根據權利要求10的方法，其中在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶以約1.0至約40. OFPU/g纖維素的劑量加入，並且一種或一 種以上絮凝作用化合物以約0. 1至約4. 0 kg/t固體的劑量加入。
14. 根據權利要求1的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之前， 通過水解反應器頂部的澄清區使至少部分水解產物與未水解的固體相 分離。
15. 根據權利要求12的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之 前，通過水解反應器頂部的澄清區使至少部分水解產物與未水解的固 體相分離。
16. 根據權利要求13的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)之 前，通過水解反應器頂部的澄清區使至少部分水解產物與未水解的固 體相分離。
17. 根據權利要求l的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將含有水解產物和未水解的固體的含水物流移至固 -液分離器中以使 至少部分水解產物與未水解的固體相分離。
18. 根據權利要求14的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將一股含有未水解的固體的物流移至固-液分離器中以使至少部分水 解產物與未水解的固體相分離。
19. 根據權利要求16的方法，其中，在移出步驟(步驟iv)中， 將一股含有未水解固體的物流移至固-液分離器中以使至少部分水解 產物與未水解的固體相分離。
20. 根據權利要求14的方法，其中所述水解產物和未水解固體自 澄清區的不同位置移出。
21. 根據權利要求15的方法，其中所述水解產物和未水解固體自 澄清區的不同位置移出。
22. 根據權利要求16的方法，其中所述水解產物和未水解固體自 澄清區的不同位置移出。
23. 根據權利要求l的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖。
24. 根據權利要求12的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖。
25. 根據權利要求13的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖。
26. 根據權利要求l的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖和纖 維二糖。
27. 根據權利要求12的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖和纖 維二糖。
28. 根據權利要求13的方法，其中所述水解產物包括葡萄糖和纖 維二糖。
29. 根據權利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液的pH值為約4. 0至約6. 0。
30. 根據權利要求29的方法，其中所述漿液的pH值為約4. 5至 約5. 5。
31. 根據權利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 溫度為約45匸至約70匸。
32. 根據權利要求31的方法，其中所述溫度為約45C至約651C。
33. 根據權利要求l的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶由麴黴屬(J^/;ei^/7/"50 、腐質黴屬(iy"巡/co/a)、木黴屬(rr/c力oder邁a)、芽孢桿菌屬(勘ci/7";y)、喜熱裂孢菌屬 (r力ei"邁o6/Z"A/a )或其組合製得。
34. 根據權利要求4的方法，其中所述一種或一種以上絮凝作用 化合物選自陽離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩 性聚合物、鹽、明礬及其組合。
35. 根據權利要求34的方法，其中所述一種或一種以上絮凝作用 化合物為陽離子型聚合物。
36. 根據權利要求35的方法，其中所述陽離子型聚合物為聚丙烯 醯胺。
37. 根據權利要求4的方法，其中所述纖維素酶與一種或一種以 上絮凝作用化合物一起加入所述漿液中。
38. 根據權利要求4的方法，其中所述纖維素酶和一種或一種以 上絮凝作用化合物分別加入所述漿液中。
39. 根據權利要求3的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液的pH值為約4. 0至約6. 0。
40. 根據權利要求39的方法，其中所述漿液的pH值為約4. 5至 約5.5。
41. 根據權利要求3的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 溫度為約45"C至約70'C。
42. 根據權利要求41的方法，其中所述漿液的溫度為約451C至 約65。C。
43. 根據權利要求3的方法，其中，在加入步驟(步驟iii)中， 纖維素酶由麴黴屬、腐質黴屬、木黴屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂孢菌屬 或其組合製得。
44. 根據權利要求l的方法，其中，在提供步驟(步驟i)中， 所述漿液中含有約5重量°/。至約20重量。/。的未溶解固體，並且所述未溶 解固體中含有約25重量％至約70重量％的纖維素。
45. 根據權利要求l的方法，其中，在引入步驟(步驟ii)之前， 將一股含糖的液體物流從步驟i的經過預處理的纖維素原料中分離出 來。
46. 根據權利要求45的方法，其中在將所述液體物流從原料中分 離出來的過程中使用一個洗滌步驟。
47. 根據權利要求46的方法，其中在所述洗滌步驟中使用一種選 自水、循環的工藝物流、經過處理的排出物及其組合的洗滌介質。
48. 根據權利要求1的方法，其中所述漿液的平均流速介於約0. 1 至約12 ft/小時之間。
49. 根據權利要求1的方法，其中所述漿液的平均流速介於約0. 1 至約4 ft/小時之間。
50. —種酶組合物，所述組合物中含有纖維素酶和一種或一種以 上絮凝劑，用於將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或 其組合，其中水解通過以下步驟進行i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時， 以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii )之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
51. 權利要求50的酶組合物，其中纖維素酶由麴黴屬、腐質黴屬、 木黴屬、芽孢桿菌屬、喜熱裂孢菌屬或其組合製得。
52. 權利要求50的酶組合物，其中所述一種或一種以上絮凝劑選 自陽離子型聚合物、非離子型聚合物、陰離子型聚合物、兩性聚合物、 鹽、明礬及其組合。
53. 權利要求52的酶組合物，其中所述一種或一種以上絮凝劑為 陽離子型聚合物。
54. 權利要求53的酶組合物，其中所述陽離子型聚合物為聚丙烯 醯胺。
55. —種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物用於 將纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合的用途。
56. —種含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物用於 由經過預處理的纖維素原料通過纖維素酶法水解製備水解產物的用 途，所述酶組合物的使用方法包括i)提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；i i)將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時，以使未 溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii)在引入步驟(步驟ii )之前或期間，向含水漿液中加入酶組 合物；及i v)將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
57. —種試劑盒，包括纖維素酶、 一種或一種以上絮凝劑和使用 說明，用於水解纖維素以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物， 所述使用說明包括i) 提供一種經過預處理的纖維素原料的含水漿液，所述漿液的液 體中含有約3%至約30%的未溶解固體，所述未溶解固體中含有至少約 20%的纖維素；ii) 將含水漿液引入水解反應器的底部，通過避免混合而限制反應 器內的軸向滲透，漿液的平均流速為約0. 1至約20 ft/小時，以使未 溶解固體顆粒向上流動的速度低於液體向上流動的速度；iii) 在引入步驟(步驟ii)之前或期間，向含水漿液中加入纖維 素酶和一種或一種以上絮凝劑；及iv) 將含有水解產物和未水解固體的含水物流自水解反應器移出， 所述水解產物包括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
58. —種系統，用於使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖 低聚物或其組合，所述系統包括 一條與上流式水解反應器入口流體 連通的原料漿液供給管線、 一個固-液分離器，所述固-液分離器與上 流式水解反應器流體連通，並包括用於排出含未水解固體的漿液的第 一出口以及用於排出含水解產物的物流的第二出口 ，所述水解產物包 括葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合，其中原料供給管線、 上流式水解反應器，或原料供給管線和上流式水解反應器二者中含有 包括纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑的酶組合物。
59. 權利要求58的系統，其中所述原料供給管線中，含有經過預 處理的原料。
60. 權利要求58的系統，其中所述固-液分離器選自沉降槽、澄 清器、澄清區、離心分離器及過濾器。
61. 權利要求60的系統，其中所述固-液分離器為沉降槽。
62. 權利要求60的系統，其中所述固-液分離器為澄清區。
63. 權利要求60的系統，其中所述固-液分離器為過濾器。
64. 權利要求58的系統，其中所述纖維素酶以約1. 0至約40. 0 FPU/g經過預處理的原料的纖維素的劑量存在。
65. 權利要求58的系統，其中一種或一種以上絮凝劑以約0. 1至 約4. 0 kg/t經過預處理的原料的固體的劑量存在。
66. —種製備酶組合物的方法，所述酶組合物用於使纖維素水解 以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物，所述方法包括由植物、 真菌或微生物源獲得纖維素酶，並將所述纖維素酶與一種或一種以上 絮凝劑混合以製備酶組合物。
67. 權利要求66的方法，其中纖維素酶由麴黴屬、腐殖黴屬、木 黴屬、芽孢桿菌屬及喜熱裂孢菌屬製得。
68. —種酶組合物，含有纖維素酶和一種或一種以上絮凝劑，用 於使纖維素水解為葡萄糖、纖維二糖、葡萄糖低聚物或其組合。
全文摘要
提供一種用於纖維素酶法水解以由經過預處理的纖維素原料製備水解產物的方法。所述方法包括將經過預處理的纖維素原料的含水漿液引入水解反應器的底部。通過避免混合而限制反應器內的軸向滲透，並維持漿液的平均流速為約0.1至約20ft/小時，以使未溶解固體向上流動的速度低於液體向上流動的速度。在引入步驟之前或期間向含水漿液中加入纖維素酶。將含有水解產物和未水解固體的含水物流從水解反應器中移出。還提供用於該方法的包含纖維素酶和絮凝劑的酶組合物。另外，提供一種包含纖維素酶和絮凝劑的試劑盒。
文檔編號C12P19/02GK101120095SQ200580048183
公開日2008年2月6日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月17日
發明者B·福迪, J·S·託蘭, Z·拉赫梅爾 申請人:埃歐金能源公司