Ферментативный гидролиз целлюлозы



Ферментативный гидролиз целлюлозы
Ферментативный гидролиз целлюлозы
Ферментативный гидролиз целлюлозы
Ферментативный гидролиз целлюлозы
Ферментативный гидролиз целлюлозы
Ферментативный гидролиз целлюлозы

 


Владельцы патента RU 2575616:

БОРРЕГОРД АС (NO)

Группа изобретений относится к биотехнологии, а именно к непрерывному способу ферментативного гидролиза целлюлозной биомассы и способу получения моносахаридов, химических веществ на основе сахаров, биологических топлив или материалов вместе с сульфонированным лигнином из лигноцеллюлозной биомассы. Добавляют целлюлозную биомассу, содержащую по меньшей мере 10 мас.% твердых продуктов, в реактор, работающий в стационарном состоянии. Добавляют ферменты, специфично гидролизующие целлюлозу, в указанный реактор. При ферментативном гидролизе обеспечивают стационарное состояние, при котором целлюлозную биомассу непрерывно добавляют в реактор, а по меньшей мере частично гидролизованную биомассу, имеющую вязкость не более чем 25 Па·с, непрерывно удаляют из реактора. В предпочтительном варианте способ осуществляют в каскаде по меньшей мере из двух реакторов. Также предложен способ получения моносахаридов, химических веществ на основе сахаров, биологических топлив или материалов вместе с сульфонированным лигнином. Предварительно обрабатывают лигноцеллюлозную биомассу на стадии сульфитной варки. Разделяют полученную биомассу на жидкую фазу, содержащую 50 мас.% или более сульфонированного лигнина, и на пульпу, содержащую 70 мас.% или более целлюлозы. Способом непрерывного гидролиза гидролизуют пульпу до по меньшей мере частично гидролизованной биомассы, содержащей моносахариды. Перерабатывают моносахариды и сульфонированный лигнин с получением полезных химических веществ, биологических топлив и/или белков. Изобретения позволяют осуществлять гидролиз целлюлозной биомассы при высоких нагрузках твердых веществ в стационарном состоянии с высоким выходом глюкозы и ксилозы с использованием только обычного перемешивания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 пр.

 

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 гидрола 3 каскада из трех гидролизных реакторов, гидролизат (включая ферменты) отделяют от негидролизованных твердых остатков. Указанный гидролизат рециклируют в систему через резервуар для смешивания (крайний слева резервуар на Фигуре 2). В указанном резервуаре для смешивания может иметь место некоторый (остаточный) гидролиз, но указанный реактор, прежде всего, предназначен для смешивания рециклированного гидролизата, содержащего ферменты, с добавленной целлюлозной биомассой ("субстратом"). На необязательной стадии разделения после указанного специального резервуара для смешивания некоторое количество гидролизата, в частности некоторая часть конечного продукта сахаров, может быть отделено для дальнейшей переработки.

По этой причине, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, частично гидролизованной целлюлозной биомассы, которую непрерывно удаляют из реактора, предпочтительно, из последнего реактора каскада из двух или более реакторов, подвергается воздействию стадии разделения, при этом негидролизованные твердые вещества, по меньшей мере, частично отделяются от гидролизата, то есть от жидкой фазы, содержащей гидролизованную целлюлозную биомассу и ферменты, где указанный жидкий гидролизат смешивают затем с целлюлозной биомассой, предпочтительно, в специальном реакторе или резервуаре, затем эту смесь вводят в способ в соответствии с настоящим изобретением.

Дополнительное преимущество этого технологического решения заключается в том, что гидролизат/раствор сахаров (после отделения негидролизованного материала) смешивают с субстратом до (первой) реакционной емкости. Это сильно уменьшит необходимые количества ферментов, по меньшей мере, на 40% (благодаря замещению жидкой фазы в пульпе).

Посредством смешивания гидролизата (после отделения негидролизованных твердых веществ) со свежим субстратом (то есть с целлюлозной биомассой), ферменты с остатком, связывающим углеводы, могут связываться с субстратом (целлюлозой) перед тем, как ее вводят в первый гидролизный реактор. Это позволит дополнительно уменьшить потребление фермента, в дополнение к 40% уменьшению, рассмотренному выше.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, останавливается ингибирование гидролиза на основе содержания сахаров, которое является слишком высоким (высокие TDS).

Здесь любое потенциальное ингибирование гидролиза, индуцируемое сахарами, предпочтительно преодолевается с помощью последовательного отделения сахаров.

В соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления, как иллюстрируется на Фигуре 3, суспендированные твердые вещества отделяют от жидкости после первого реактора, в котором имеет место реакция гидролиза.

Как правило, приблизительно 60% преобразование целлюлозы/гемицеллюлозы в моносахара может быть достигнуто в гидролизном реакторе, работающем в стационарном состоянии, в соответствии с настоящим изобретением. Остальные 40% негидролизованных волокон переносят затем во второй реактор. Ожидается, что ферменты с остатком, связывающим углеводы, будут связываться с негидролизованными волокнами. Кроме того, ферменты, растворенные в жидкости, захваченной в волокнах, будут также переноситься во второй реактор. В дополнение к ферментам, которые извлекают из первого реактора, во второй реактор предпочтительно добавляют малое количество ферментов.

Предпочтительно, размер второго гидролизного реактора уменьшают для приведения в соответствие с количеством негидролизованных волокон, для достижения такого же TSS, как в первом реакторе, или, по меньшей мере, сходного с ним.

Весь способ может быть повторен таким же образом для следующего гидролизного реактора, который затем пропорционально уменьшают.

В целом, в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления, в способе в соответствии с настоящим изобретением, используют для гидролиза каскад из двух или более реакторов, при этом, по меньшей мере, некоторая часть гидролизата, то есть жидкой фазы, содержащей гидролизованную целлюлозную биомассу и ферменты из первого реактора, отделяют от твердой фазы и подвергают дальнейшей переработке в любом из последующих реакторов, и при этом указанную твердую фазу добавляют в следующий реактор, который предпочтительно является меньшим по размеру и/или по объему, чем первый реактор, где дополнительное заданное количество фермента может быть добавлено в указанный следующий реактор.

Примеры:

Следующие далее условия, как приведено, используют для примеров по всему описанию:

Температура приведена в °C.

% означает мас.%, если не указано иного.

Эквивалент глюкозы - количество глюкозы, получаемое из целлюлозы в субстрате.

Эквивалент ксилозы - количество ксилозы, получаемое из ксилана в субстрате.

Пример 1

Для определения примерного среднего времени удерживания в первом реакторе, один образец щелочного субстрата багассы, полученной с помощью щелочной сульфитной варки в условиях, подобных тем, что описаны в Примере 1 WO 2010/078930, гидролизуют. Гидролиз осуществляют на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W). Скорость вращения составляет 30 об/мин, а температура - 50°C. Концентрация целлюлозной биомассы составляет 10%, а добавление фермента представляет собой 40% объем/масс Accellerase Duet (Genencor, CA, USA). Вязкость непрерывно отслеживают, и вязкость как функция времени показана на Фигуре 4.

Гидролиз дает начальное быстрое уменьшение вязкости и, после короткого периода времени, кривая вязкости начинает становиться более плоской и достигает уровня, при этом образец может выглядеть как жидкий или сходный с жидкостью. Эта вязкость зависит от субстрата (здесь: целлюлозной биомассы) и экспериментальных условий, но гидролизованный материал может считаться ожиженным, когда вязкость ниже чем 3 Па·с (паскаль-секунда), то есть ниже чем 3000 сантипуаз.

Минимальное среднее время удерживания (первого) реактора определяется временем ожижения, которое, в свою очередь, зависит от нескольких параметров, таких как субстрат, концентрация субстрата и количество, и тип ферментов.

Пример 2

Образец субстрата багассы (пульпы из багассы), полученной с помощью кислотной сульфитной варки, при условиях, сходных с теми, что описаны в Примере 2, из WO 2010/078930, подвергают воздействию непрерывного гидролиза в экспериментальной установке с 3 последовательными реакторами, как показано на Фигуре 6. Общий объем системы, согласно измерениям, составляет приблизительно 6,6 литра. Реакторы снабжены кожухами и соединены с водяной баней для контроля температуры, и охлаждающая вода циркулирует в крышках для сведения к минимуму испарения из реакторов.

Ферменты (Accellerase DUET от Genencor, CA, USA), буфер (натрий ацетатный буфер, концентрация в реакторах в стационарном состоянии 50 мМ) и пульпу из багассы непрерывно добавляют в реактор 1. Реакционную смесь поддерживают при 50°C в реакторах 1-3. Гидролизат собирают в резервуаре для продукта, который охлаждают водой примерно до 5°C.

Среднее общее поступление в систему составляет 144,2 г/час. Средняя концентрация сухого субстрата на входе составляет 17,1%, и средняя нагрузка фермента составляет 0,273 г Accellerase DUET/г сухого субстрата. Среднее время гидролиза (удерживания), согласно вычислениям, составляет 46 час, считая, что плотность реакционной смеси составляет 1,0 г/мл.

Выход из системы в резервуар для продукта взвешивают регулярно. Выход в среднем на 5,1% ниже, чем поступление в систему. Главной причиной потерь считается испарение воды из трех реакторов и/или аккумулирование материала в реакторах. Образцы отбирают изо всех трех реакторов дважды в день для измерения выхода глюкозы и ксилозы. Через 4-5 дней количества глюкозы и ксилозы во всех трех реакторах стабилизируются, показывая тем самым, что достигнуты условия стационарного состояния. Выход глюкозы вычисляют как (г выхода глюкозы/час)/(г поступления эквивалентов глюкозы/час). Выходы глюкозы в трех реакторах, вычисленные как средние значения по трем дням, при стационарном состоянии составляют 24,6% (реактор 1), 40,2% (реактор 2) и 49,6% (реактор 3). Выход ксилозы вычисляют как (г выхода ксилозы/час)/(г поступления эквивалентов ксилозы/час). Выходы ксилозы во всех трех реакторах, вычисленные как средние значения по трем дням, в стационарном состоянии, составляют 33,7% (реактор 1), 56,0% (реактор 2) и 66,0% (реактор 3). Вязкость измеряют с использованием реометра Physica MCR 101, снабженного чашкой с мешалкой (FL 100/6W), скорость вращения составляет 1 об/мин и температура равна 50°C. Среднее значение вязкости в реакторе 1 в стационарном состоянии составляет 1,7 Па·с (паскаль-секунда) по сравнению с вязкостью поступления (17,1% суспензия субстрата), которая, как измерено, составляет 82,2 Па·с.

Этот пример показывает, что непрерывный способ гидролиза при высоких нагрузках твердых веществ в стационарном состоянии дает гидролизат с очень высоким выходом глюкозы и ксилозы с использованием только обычного перемешивания. Вязкость в первом реакторе значительно ниже, чем для исходных материалов в стационарном состоянии.

Пример 3

Образец субстрата багассы (пульпы из багассы), полученной с помощью щелочной сульфитной варки, при условиях, сходных с теми, что описаны в Примере 1 из WO 2010/078930, подвергают воздействию гидролиза в экспериментальной установке с 3 последовательными реакторами, как изображено на Фигуре 6. Общий объем системы, согласно измерениям, составляет приблизительно 6,6 литра. Реакторы снабжены кожухами, и соединены с водяной баней для контроля температуры, и охлаждающая вода циркулирует в крышках для сведения к минимуму испарения из реакторов.

Ферменты (Accellerase DUET от Genencor, CA, USA), буфер (натрий ацетатный буфер, концентрация в реакторах в стационарном состоянии 50 мМ) и пульпу из багассы непрерывно добавляют в реактор 1. Реакционную смесь поддерживают при 50°C в реакторах 1-3. Гидролизат собирают в резервуаре для продукта, который охлаждают водой примерно до 5°C.

Среднее общее поступление в систему составляет 144,1 г/час. Средняя концентрация сухого субстрата на входе составляет 18,8%, и средняя нагрузка фермента составляет 0,173 г Accelerase DUET/г сухого субстрата. Среднее время гидролиза (удерживания), согласно вычислениям, составляет 46 час, считая, что плотность реакционной смеси составляет 1,0 г/мл.

Выход из системы в резервуар для продукта взвешивают регулярно. Выход в среднем на 1% ниже, чем поступление в систему. Главной причиной потерь считается испарение воды из трех реакторов и/или аккумулирование материала в реакторах. Образцы отбирают изо всех трех реакторов дважды в день для измерения выхода глюкозы и ксилозы. Через 4-5 дней количества глюкозы и ксилозы во всех трех реакторах стабилизируются, показывая тем самым, что достигнуты условия стационарного состояния. Выход глюкозы вычисляют как (г выхода глюкозы/час)/(г поступления эквивалентов глюкозы/час). Выходы глюкозы в трех реакторах, вычисленные как средние значения по трем дням, при стационарном состоянии составляют 39,8% (реактор 1), 55,0% (реактор 2) и 58,8% (реактор 3). Выходы ксилозы вычисляют как (г выхода ксилозы /час)/(г поступления эквивалентов ксилозы/час). Выходы ксилозы в трех реакторах, вычисленные как средние значения по трем дням, в стационарном состоянии составляют 75,0% (реактор 1), 93,2% (реактор 2) и 89,6% (реактор 3). Вязкость измеряют с использованием реометра Physica MCR 101, снабженного чашкой с мешалкой (FL 100/6W), скорость вращения составляет 30 об/мин, и температура равна 50°C. Среднее значение вязкости в реакторе 1 в стационарном состоянии составляет 1,5 Па·с (паскаль-секунда), по сравнению с вязкостью моделируемого поступления (10% суспензия субстрата должна использоваться вместо 18,8% суспензии субстрата из-за очень высокой вязкости), которая, как измерено, составляет 249 Па·с.

Этот пример показывает, что непрерывный способ гидролиза на основе другого субстрата при высоких нагрузках твердых веществ в стационарном состоянии дает гидролизат с очень высоким выходом глюкозы и ксилозы с использованием только обычного перемешивания. Вязкость в первом реакторе значительно ниже, чем для исходных материалов в стационарном состоянии.

1. Способ непрерывного гидролиза целлюлозной биологической массы, включающий по меньшей мере следующие стадии:
(Р) обеспечения по меньшей мере одного реактора, который может работать в стационарном состоянии;
(А) добавления заданного количества целлюлозной биологической массы в указанный реактор, при этом указанная целлюлозная биологическая масса имеет содержание твердых продуктов по меньшей мере 10 мас.%;
(А') добавления ферментов в указанный по меньшей мере один реактор, при этом указанные ферменты содержат комплексы внеклеточных или ассоциированных с клеточными мембранами ферментов, в частности смесь целлюлаз и β-глюкозидаз, которые могут специфично гидролизовать полимер целлюлозы до растворимых мономеров глюкозы;
(Е) осуществления по меньшей мере частичного ферментативного гидролиза целлюлозной биологической массы в указанном реакторе,
при этом достигается стационарное состояние, при котором целлюлозную биологическую массу непрерывно добавляют в указанный по меньшей мере один реактор, в то время как по меньшей мере частично гидролизованную целлюлозную биологическую массу непрерывно удаляют из указанного по меньшей мере одного реактора, при этом указанная по меньшей мере частично гидролизованная целлюлозная биологическая масса, 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).

2. Способ по п.1, в котором на стадии (Р) создается каскад по меньшей мере из двух реакторов, и который предпочтительно дополнительно включает следующие стадии
(Т) непрерывного удаления частично гидролизованной целлюлозной биологической массы со стадии (Е), которая имеет вязкость, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), не более чем 25 Па·с, и переноса ее в последующий реактор, который может работать в стационарном состоянии;
(Е') осуществления дополнительного ферментативного гидролиза частично гидролизованной целлюлозной биологической массы со стадии (Е) в указанном последующем реакторе.

3. Способ по п.1 или 2, в котором содержание твердых продуктов целлюлозной биологической массы, которую добавляют в указанный реактор, составляет по меньшей мере 15 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 20 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 25 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере 30 мас.%; более предпочтительно 10 мас.% - 45 мас.%, более предпочтительно 15 мас.% - 45 мас.%, более предпочтительно 20 мас.% - 40 мас.% или от 15 мас.% до 30 мас.%.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором вязкость непрерывно удаляемой частично гидролизованной целлюлозной биологической массы, как измерено на реометре Physica MCR 101 в чашке с мешалкой (FL 100/6W), составляет 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.

5. Способ по п.1 или 2, в котором целлюлозная биологическая масса представляет собой лигноцеллюлозную биологическую массу и предпочтительно содержит древесину, однолетние растения, сельскохозяйственные остатки или отходы, в частности багассу или энергетические культуры.

6. Способ по п.1 или 2, в котором целлюлозная биологическая масса содержит более 70 мас.% целлюлозы.

7. Способ по п.1 или 2, в котором целлюлозную биологическую массу подвергают воздействию предварительной обработки перед указанным гидролизом, где указанная предварительная обработка предпочтительно представляет собой сульфитную варку и целлюлозная биологическая масса предпочтительно представляет собой лигноцеллюлозную биологическую массу.

8. Способ по п. 1 или 2, в котором реактор представляет собой CSTR, то есть проточный реактор с мешалкой.

9. Способ по п. 1, в котором ферменты включают целлюлазы, гемицеллюлазы и/или β-глюкозидазы.

10. Способ по п.1 или 2, в котором по меньшей мере некоторую часть по меньшей мере частично гидролизованной целлюлозной биологической массы, которую непрерывно удаляют из реактора, подвергают воздействию стадии разделения, при этом негидролизованные твердые продукты по меньшей мере частично отделяют по меньшей мере от части гидролизата, то есть жидкой фазы, содержащей гидролизованную целлюлозную биологическую массу и ферменты, при этом указанный гидролизат смешивают затем с целлюлозной биологической массой, которую затем вводят в стадию (А) способа.

11. Способ по п.2, в котором используют каскад из двух или более реакторов для гидролиза,
и в котором по меньшей мере некоторую часть гидролизата, то есть жидкой фазы, содержащей гидролизованную целлюлозную биологическую массу и ферменты, из первого реактора отделяют от твердой фазы и подвергают дальнейшей переработке,
и в котором указанную твердую фазу от указанного разделения добавляют в следующий далее реактор, предпочтительно имеющий меньший размер и/или объем, чем первый реактор, более предпочтительно, где дополнительное заданное количество фермента добавляют в указанный следующий далее реактор.

12. Способ по п.11, который повторяют для любой последующей пары соседних реакторов в каскаде из трех или более реакторов для гидролиза, при этом, предпочтительно, каждый следующий реактор меньше по размеру и/или объему, чем каждый предшествующий реактор, соответственно.

13. Способ получения моносахаридов, химических веществ на основе сахаров, биологических топлив или материалов вместе с сульфонированным лигнином из лигноцеллюлозной биологической массы, включающий по меньшей мере следующие стадии:
(i) предварительной обработки лигноцеллюлозной биологической массы, предпочтительно, на стадии сульфитной варки;
(ii) разделения предварительно обработанной лигноцеллюлозной биологической массы со стадии (i) на
(а) жидкую фазу "отработанного сульфитного щелока", предпочтительно содержащую 50 мас.% или более лигнина из лигноцеллюлозной биологической массы в форме сульфонированного лигнина, и на
(b) пульпу, предпочтительно содержащую 70 мас.% или более целлюлозы из лигноцеллюлозной биологической массы;
(iii) гидролиза пульпы (b) со стадии (ii) до по меньшей мере частично гидролизованной целлюлозной биологической массы, содержащей моносахариды; при этом указанная стадия гидролиза представляет собой способ непрерывного гидролиза целлюлозной биологической массы по любому из пп.1-12;
(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 (а) со стадии (ii) в полезные химические вещества, биологические топлива и/или материалы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ получения одного или нескольких спиртов из газообразного субстрата.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ ферментации газообразного субстрата.

Настоящее изобретение относится к способу газификации углеродсодержащих материалов с образованием синтез-газа. Способ газификации углеродсодержащих материалов в газогенераторе включает загрузку углеродсодержащих материалов в газогенератор, подачу газа, содержащего молекулярный кислород, подачу газообразного диоксида углерода и необязательно воды; причем общее количество подаваемого кислорода составляет от 0.75 до 3.0 фунт на фунт общего количества углерода, загруженного в газогенератор; при этом в газогенераторе получают золу содержащую углерод в золе, где указанная зола содержит менее 10% углерода в золе; и образуется газ, содержащий монооксид углерода, водород и деготь; который затем обрабатывают при температуре от 954°С до 1927°С в присутствии молекулярного кислорода с образованием сингаза-сырца, содержащего моноокисд углерода, водород и углерод в сингазе.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ ферментации газообразного субстрата.

Изобретение относится к смеси для осуществления ферментации низкомолекулярного сахара. Предложенная смесь содержит низкомолекулярный сахар, предварительно измельченный материал лигноцеллюлозной биомассы, имеющей значение пористости по меньшей мере 35%, и растворитель, в качестве которого используют воду.
Изобретение относится к биотехнологии. Штамм бактерий Bacillus stratosphericus Сол.
Изобретение относится к микробиологии и биотехнологии. Предложен штамм бактерий Bacillus stratosphericus ВКПМ В-11677, продуцирующий этанол из лигноцеллюлозной биомассы.
Изобретение относится к гидролизной промышленности, в частности к способам очистки гидролизатов лигноцеллюлозного сырья от ингибиторов ацетонобутилового брожения, и может быть использовано при подготовке питательных сред для получения биоэтанола, биобутанола, ацетона.

Изобретение относится к области биотехнологии. Представлен трансформированный микроорганизм - дрожжи Saccharomyces для получения этанола, где упомянутый микроорганизм трансформирован нуклеотидной последовательностью, кодирующей ксилозоизомеразу, и указанный микроорганизм трансформирован нуклеотидной последовательностью, кодирующей ксилулокиназу, или указанный микроорганизм трансформирован промотором, способным повышать экспрессию эндогенной ксилулокиназы.

Изобретение относится к спиртовой промышленности, в частности к способу подогрева бражки теплом барды. Способ включает подачу бражки в трубное пространство одного кожухотрубного теплообменника, при этом барда направляется в трубные пучки другого теплообменника, а межтрубное пространство заполняется жидким теплоносителем (лютером, технологической водой, ректификованным спиртом), который постоянно перекачивается насосом из межтрубного пространства одного теплообменника в межтрубное пространство другого, обеспечивая непрерывную циркуляцию теплоносителя между двумя теплообменниками и теплообмен в системе барда-теплоноситель-бражка.

Изобретение относится к способу получения жидкого сахара и к устройству для осуществления способа. Способ предусматривает стадию (1) добавления целлюлазы, выделенной из нитчатого гриба, принадлежащего роду Trichoderma, к целлюлозе для осуществления первичного гидролиза, (2)стадию добавления свежей выделенной из нитчатого гриба целлюлазы к гидролизату со стадии (1) для осуществления вторичного гидролиза и стадию (3), на которой гидролизат со стадии (2) подвергают разделению твердого вещества и жидкости, получая жидкий сахар, из которого получают регенерированный фермент, при этом регенерированный фермент, получаемый на стадии (3), используют на стадии (1) следующего и дальнейших процессов получения жидкого сахара, причём способ предусматривает повторение стадий (1)-(3) два или более раза.

Изобретение относится к способу изготовления сахарного раствора и устройству для осуществления способа. Способ предусматривает добавление карбогидразы к целлюлозе для осуществления первичного гидролиза, разделение твердых и жидких фаз первичного гидролизата для получения первичного сахарного раствора, стадию добавления воды к твёрдым веществам, осуществление вторичного гидролиза, разделение твердых и жидких фаз вторичного гидролизата для получения сахарного раствора и остатка, фильтрование первичного и вторичного сахарного раствора через ультрафильтрационную мембрану, причем время реакции первичного гидролиза составляет от 2 до 200 часов, концентрация твердых веществ перед вторичным гидролизом составляет от 1 мас.% до 20 мас.%, а время реакции вторичного гидролиза составляет от 5 до 180 минут.

Изобретение относится к области биотехнологии. .

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при кормлении животных и людей. .
Изобретение относится к пищевой промышленности. .
Изобретение относится к пищевой промышленности. .
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для получения сбраживаемых сахаров, предназначенных для переработки в этанол, а также в качестве кормовых добавок.

Изобретение относится к биотехнологии и пищевой промышленности и касается способа ферментативного гидролиза зернистого крахмала в растворимый гидролизат крахмала при температуре ниже, чем начальная температура желатинизации указанного зернистого крахмала.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложены способ обработки лигноцеллюлозного материала, способ разжижения лигноцеллюлозного материала и система разжижения лигноцеллюлозного материала.
Наверх