專利名稱：利用生物質(zhì)制備乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在以生物質(zhì)作為原料利用同步糖化發(fā)酵制備乙醇的方法中，通過(guò)原料的混合使用降低發(fā)酵用微生物的初期使用量的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為化石燃料的替代品，被認(rèn)為有助于抑制溫室氣體產(chǎn)生的生物燃料受到矚目。其中，生物乙醇在碳平衡的思想下，以巴西、美國(guó)等為代表，其在世界上的生產(chǎn)量不斷增加。另一方面，來(lái)自食物的生物乙醇，因其在原料生產(chǎn)時(shí)使用很多能量，因此在能否降低溫室氣體、與糧食的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致糧食價(jià)格的上漲問(wèn)題、伴隨新開墾農(nóng)用地帶來(lái)的環(huán)境進(jìn)一步惡化等方面令人擔(dān)心，作為不與糧食競(jìng)爭(zhēng)的已有生物質(zhì)的應(yīng)用，林中殘木或農(nóng)作物的不可食部分、稻桿等農(nóng)業(yè)殘?jiān)惖睦w維素類生物質(zhì)的應(yīng)用被人們寄予希望。這種纖維素類生物質(zhì)，全纖維素占到該有機(jī)物組成的一半以上，因其結(jié)構(gòu)單元為單糖，因此人們正在研究將其分解并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。對(duì)這種纖維素類生物質(zhì)，人們嘗試使用酸或堿的化學(xué)處理、施加熱或壓力的物理處理或基于酶的水解，此外，也在研究同時(shí)使用這些方法。特別地，對(duì)環(huán)境負(fù)荷小，幾乎沒有副產(chǎn)物生成的酶糖化法是有效的方法之一。在進(jìn)行纖維素類生物質(zhì)的酶糖化，作為乙醇制備原料的情況下，大致分為在糖化后發(fā)酵糖化液的糖化后發(fā)酵方法，以及同時(shí)進(jìn)行糖化和發(fā)酵的同步糖化發(fā)酵(simultaneous saccharification and fermentation,以下稱為 SSF)的兩種方法。選擇糖化后發(fā)酵的情況下，如果想要在乙醇發(fā)酵后進(jìn)行蒸餾，則要考慮蒸餾時(shí)的能量損失，可考慮制備來(lái)自高濃度原料的糖化液或者濃縮來(lái)自低濃度原料的糖化液兩種方法。前者通過(guò)酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制(生成物抑制)導(dǎo)致酶活性慢慢降低，而后者在糖液的濃縮上需要很多能量。作為能夠解決對(duì)于這種高濃度原料的問(wèn)題的方法，近年來(lái)特別是SSF作為有效的方法之一被人們所認(rèn)識(shí)。SSF反應(yīng)除原料以外，至少還需要發(fā)酵用微生物和水解酶，通過(guò)其量的平衡能夠?qū)崿F(xiàn)有效反應(yīng)。以纖維素類生物質(zhì)作為原料進(jìn)行SSF反應(yīng)時(shí)，添加作為水解纖維素的酶的纖維素酶，作為發(fā)酵用微生物使用酵母或發(fā)酵單胞菌屬菌等，由水解得到的糖轉(zhuǎn)換為乙醇。目前，纖維素酶的價(jià)格高，需要降低成本，但另一方面，酵母等微生物在反應(yīng)中也需要很多的量。例如，在非專利文獻(xiàn)I中，在IOOml的SSF反應(yīng)中，將8g的玉米秸桿用作原料，添加各種營(yíng)養(yǎng)鹽后，使用Ig干酵母進(jìn)行反應(yīng)，最大可以得到27.8g/l的乙醇濃度，但為了生產(chǎn)此時(shí)使用的Ig干酵母，通常置于托盤的酵母培養(yǎng)液至少需要25ml左右以上，且必須進(jìn)行SSF反應(yīng)的至少1/4以上規(guī)模的預(yù)培養(yǎng)。另一方面，在非專利文獻(xiàn)2中有每單位干重使用0.5g/l的酵母的報(bào)道。此外，在專利文獻(xiàn)I中所研究的SSF (并行復(fù)發(fā)酵)開始時(shí)的酵母使用量為配制成0D600nm=2的濁度，可認(rèn)為其使用量為0.5^2g/l左右。若至少生成因競(jìng)爭(zhēng)性抑制導(dǎo)致活性降低程度的糖，則SSF反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)被抑制，因此，為了維持作為所使用的酶活性的水解能力，可認(rèn)為SSF反應(yīng)時(shí)所需要的酵母量需要添加得多一些。在基于目前已工業(yè)化的分批發(fā)酵進(jìn)行的乙醇發(fā)酵反應(yīng)中，每單位反應(yīng)容量、每單位時(shí)間所生成的乙醇量為1.3 1.5g/l/h (非專利文獻(xiàn)3)，兩天后可以制備60-70g/l的乙醇，但這種情況需要容量為發(fā)酵槽的數(shù)分之一的預(yù)培養(yǎng)槽，并且預(yù)培養(yǎng)需要大量的培養(yǎng)基和營(yíng)養(yǎng)成分?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開2011-004730號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1:Fuel Processing Technology(染料加工技術(shù)),第90卷,第10期，2009 年 10 月，第 1193-1197 頁(yè)。非專利文獻(xiàn)2:Bioresource Technology (生物資源技術(shù)),第101卷,第9期,2010年5月，第3126-3131頁(yè)。非專利文獻(xiàn)3:乙醇手冊(cè)第9版(1997)、發(fā)酵手冊(cè)200
發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)SSF反應(yīng)，在使用纖維素類生物質(zhì)制備乙醇中，酵母的使用量成為高成本的原因，但減少使用量則無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)，也會(huì)引起酶的使用量增加。在實(shí)際研究中的酵母使用量，需要以SSF反應(yīng)槽的數(shù)分之一的容量進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，在預(yù)培養(yǎng)成本及設(shè)備負(fù)擔(dān)方面成為問(wèn)題，甚至很可能成為普及利用發(fā)酵制備生物乙醇的阻礙。本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種乙醇的制備方法，該方法能夠減少發(fā)酵用微生物的初期使用量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)。本發(fā)明人進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)將纖維素類生物質(zhì)與有機(jī)性廢棄物一起進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)，可以解決上述技術(shù)問(wèn)題，從而完成本發(fā)明。即，本發(fā)明涉及:(I) 一種制備乙醇的方法，其將纖維素類生物質(zhì)用水解酶和作為發(fā)酵微生物的酵母，通過(guò)同時(shí)反應(yīng)的同步糖化發(fā)酵反應(yīng)制備乙醇，其特征在于，將該纖維素類生物質(zhì)與有機(jī)性廢棄物一起進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)，所述有機(jī)性廢棄物由廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥中的一種以上構(gòu)成；每個(gè)反應(yīng)槽的酵母初期添加量以干重計(jì)為0.125 0.0025g/kg。(2)根據(jù)上述(I)所述的方法，其特征在于，同步糖化發(fā)酵反應(yīng)時(shí)的所述纖維素類生物質(zhì)的濃度為總反應(yīng)量的10 25%。本發(fā)明將纖維素類生物質(zhì)與有機(jī)性廢棄物一起進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)，所述有機(jī)性廢棄物由廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥中的一種以上構(gòu)成，每個(gè)反應(yīng)槽的酵母初期添加量以干重計(jì)為0.125^0.0025g/kg。如此，本發(fā)明能夠減少發(fā)酵用微生物的初期使用量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)。


圖1是表示比較例I的結(jié)果的圖表。圖2是表示實(shí)施例1的結(jié)果的圖表。圖3是表示在實(shí)施例2中，通過(guò)SSF反應(yīng)得到的乙醇濃度的結(jié)果的圖表。圖4是表示實(shí)施例2中，反應(yīng)中的CFU的推移的圖表。圖5是表示根據(jù)本發(fā)明得到的效果的圖表。
具體實(shí)施例方式
下面，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明中的纖維素類生物質(zhì)，只要其生物質(zhì)的構(gòu)成成分中全纖維素含量占據(jù)主要，則沒有特別限定，例如，廢材、鋸末、修剪下的樹枝、紙、紙屑、造紙漿、藻類、草本類、棉類、布類等，或它們的混合物。此外，與纖維素類生物質(zhì)一起作為同步糖化發(fā)酵原料的有機(jī)性廢棄物，只要是不與食物競(jìng)爭(zhēng)，且含有酵母增殖所必需的成分，則沒有特別限定，例如，可以由廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥中的一種以上構(gòu)成。有機(jī)性廢棄物與纖維素類生物質(zhì)的比例，以干重比計(jì)，優(yōu)選為10飛0%。用于進(jìn)行SSF反應(yīng)時(shí)的水解酶，由于以纖維素類生物質(zhì)作為原料，因而纖維素酶是必須為，并且，還可以添加木聚糖酶、半乳糖苷酶、甘露糖苷酶等其他糖鏈的水解酶。此夕卜，通過(guò)添加至少一種以上淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等水解酶作為水解一起用作原料的廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄 物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥的酶，能夠促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。這些原料在用于SSF反應(yīng)之前，為了更好地進(jìn)行反應(yīng)，也可以實(shí)施預(yù)處理。作為這些預(yù)處理，有細(xì)化、破碎、加壓、加熱、藥劑處理、pH調(diào)節(jié)、濃度調(diào)整、脫水、加水、腐化、混合等，或它們的復(fù)合處理，但沒有特別限定。本發(fā)明中，關(guān)于將混合的生物質(zhì)用作原料的情況下的SSF反應(yīng)所需要的酵母量，可以在每單位反應(yīng)量的酵母干重為0.125g/kg以下進(jìn)行反應(yīng)，可以在0.0025g/kg以上的量進(jìn)行反應(yīng)。將其換算成濁度，在用約0D600nm測(cè)量的情況下，雖然根據(jù)所使用的酵母不同而不同，但最大為0.1以下。用于通常分批發(fā)酵的菌體量為數(shù)g/1，鑒于研究報(bào)告進(jìn)行的SSF反應(yīng)所使用的酵母量的下限為0.5g/kg左右，酵母的使用量為從數(shù)分之一到數(shù)百分之一的使用量。進(jìn)行SSF反應(yīng)時(shí)的原料濃度雖然沒有特別限定，但因?yàn)橐陨镔|(zhì)作為原料，因此不能從原料100%轉(zhuǎn)換成乙醇，考慮到抑制后續(xù)階段的蒸餾中的能量損失，纖維素類生物質(zhì)的濃度為總反應(yīng)量的1(T25%的濃度，即優(yōu)選含水率為75、0%。通過(guò)抑制由酶帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制來(lái)維持酶活性從而降低酶的成本是SSF反應(yīng)的最大優(yōu)點(diǎn)，但考慮到即使延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間也能夠降低酶的成本，且延長(zhǎng)酵母的增殖時(shí)間才更有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的SSF反應(yīng)，因而，雖然SSF反應(yīng)時(shí)間沒有特別限定，但優(yōu)選進(jìn)行2天以上。用于通常分批發(fā)酵的酵母菌體量至少為數(shù)g/1，鑒于研究報(bào)告進(jìn)行的SSF反應(yīng)所使用的酵母量的下限為0.5g/kg左右，則本發(fā)明的每單位反應(yīng)量的酵母干重為0.125g/kg以下這一使用量為酵母培養(yǎng)基成本的數(shù)分之一到數(shù)百分之一以下。
通常來(lái)說(shuō)，酵母從平皿培養(yǎng)經(jīng)燒瓶培養(yǎng)，以每次約10倍的規(guī)模(scale)進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。因此，通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)省略最大的預(yù)培養(yǎng)設(shè)備，減少冷藏保存時(shí)的保存地點(diǎn)及保存設(shè)施。此時(shí)，通過(guò)添加作為本發(fā)明要素的纖維素類生物質(zhì)和與之一起反應(yīng)的有機(jī)性廢棄物的混合原料、酵母及酶而開始SSF反應(yīng)，由于減少了酵母的添加量，從反應(yīng)剛開始起，主要使用來(lái)自有機(jī)性廢棄物的營(yíng)養(yǎng)鹽和由酶水解得到的結(jié)構(gòu)糖，引發(fā)增殖直至對(duì)SSF反應(yīng)充分的量，因此可以降低酵母量。因此，雖然由于增殖所需要的能量，即原本應(yīng)轉(zhuǎn)換成乙醇的糖類被消耗，導(dǎo)致乙醇的生成量降低，但作為實(shí)際的效果確認(rèn)是增加的。僅將不適于增殖的條件下的纖維素類生物質(zhì)用作原料時(shí)，如果初期不使用大量酵母引發(fā)SSF反應(yīng)，則由于酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制SSF反應(yīng)的進(jìn)行受到抑制，為了在SSF反應(yīng)期間維持該程度的大量存在的酵母，將消耗卡路里，因而不會(huì)轉(zhuǎn)換成乙醇。如此，在本發(fā)明中所減少的酵母使用量還具有回收由過(guò)量菌體消耗的能量的效果。圖5用圖表中的網(wǎng)狀部分表示了這種回收的能量。此外，在SSF反應(yīng)后殘 存有很多的酵母，因此在再利用反應(yīng)液時(shí)，可以減少或省略酵母的再次添加量。下面，通過(guò)實(shí)施例更具體地說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例比較例I用手進(jìn)行分類，從普通的廢棄物中挑選出紙類，進(jìn)行制漿(離解)處理。用過(guò)濾網(wǎng)除去得到的漿中的異物后，用螺旋壓榨機(jī)脫水，將脫水后的紙漿作為纖維素類生物質(zhì)。得到的紙漿的全纖維素含量約為85%。將制得的紙漿配制成10%重量濃度的漿料后，使水解酶和酵母同時(shí)作用，進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)。水解酶使用杰能科公司生產(chǎn)的Axel race，酵母使用量在0.125^2.5g-干/kg-反應(yīng)量的范圍內(nèi)，在38°C下進(jìn)行SSF反應(yīng)。取樣后，在沸水中進(jìn)行失活處理，通過(guò)生物傳感器(王子測(cè)量機(jī)生產(chǎn)的BF-5)對(duì)離心后的上清液分析乙醇濃度。其結(jié)果示于圖1中。僅將紙漿用作原料的情況下，依賴于酵母使用量的乙醇生成量增加，為了穩(wěn)定及有效進(jìn)行SSF反應(yīng)大約需要Ig-干/kg左右以上的酵母使用量。實(shí)施例1從一般廢棄物中用手進(jìn)行分類，細(xì)分出廚房垃圾，然后再用攪拌機(jī)將細(xì)分出的廚房垃圾與所述紙漿混合，進(jìn)行SSF反應(yīng)。將紙漿及廚房垃圾分別以15%及10%的重量比進(jìn)行混合，將其用作混合原料，使水解酶和酵母同時(shí)作用，在38°C下進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)。水解酶使用杰能科公司生產(chǎn)的Axel race和諾維信公司制造的Spirizyme,酵母的使用量在0.0025^2.5g-干/kg-反應(yīng)量的范圍。取樣后，在沸水中進(jìn)行處理，通過(guò)生物傳感器(王子測(cè)量機(jī)生產(chǎn)的BF-5)對(duì)離心后的上清液分析乙醇濃度。其結(jié)果示于圖2中。與比較例I所示的只有紙漿的原料下所需要的酵母使用量Ig-干/kg相比，即使使用量為其百分之一，反應(yīng)也在進(jìn)行，并且結(jié)果為酵母的使用量少的
一方得到乙醇量多。因此，通過(guò)在纖維素類生物質(zhì)的紙類中混合廚房垃圾得到的混合原料的SSF反應(yīng)，能夠減少酵母的使用量，且能夠確認(rèn)其減少率最大為數(shù)百分之一以下。
此外，通過(guò)以減少了的酵母使用量進(jìn)行反應(yīng)，還表現(xiàn)出乙醇的生成量增加。實(shí)施例2對(duì)下列四組情況在與實(shí)施例1相同的條件下進(jìn)行SSF反應(yīng)，即，在只有紙漿的原料中使用充分的酵母量(1.25g/kg)的情況；在只有紙漿的原料中使用少量的酵母使用量(0.025g/kg)的情況；在含有十分之一廚房垃圾的混合原料中使用充分的酵母使用量(0.025g/kg)的情況；以及，在含有十分之二廚房垃圾的混合原料中使用充分的酵母使用量(0.025g/kg)的情況。取樣后，在沸水中進(jìn)行處理，通過(guò)生物傳感器(王子測(cè)量機(jī)生產(chǎn)的BF-5)對(duì)離心后的上清液分析乙醇濃度。此外，另行取樣，稀釋成IO2IO4后接種到Y(jié)PD (2%葡萄糖)平皿上，在30°C下培養(yǎng)后，通過(guò)計(jì)數(shù)酵母菌落數(shù)量，調(diào)查CFU (菌落形成單位)。將通過(guò)SSF反應(yīng)得到的乙醇濃度的結(jié)果示于圖3中，反應(yīng)中的CFU的推移示于圖4中。在僅以紙漿作為原料的情況下，與使用了充分的酵母量(1.25g/kg)的SSF反應(yīng)相t匕，在只使用了 1/50的少量酵母使用量(0.025g/kg)的SSF反應(yīng)中，乙醇的生成量明顯減少。另一方面，在使用混合了十分之一或十分之二廚房垃圾的原料的SSF反應(yīng)中，雖然I天后的乙醇量稍少，但在2天以后生成了與僅用紙漿且添加50倍酵母的情況相同的乙醇量。對(duì)于CFU的結(jié)果，在僅以紙漿作為原料的情況下，當(dāng)添加充分的酵母量時(shí)只是在減少；但在1/50量的條件下，在I天以后一直在增殖。但是，其增殖量與使用等量酵母的廚房垃圾混合原料相比少。

在SSF反應(yīng)中，隨著乙醇的含量增多，對(duì)酵母的刺激將增加，并且，由于反應(yīng)中酶活性的降低和基質(zhì)的減少，每單位時(shí)間水解所生成的糖量減少。因此，隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，酵母的可繁殖數(shù)降低，但在圖4中，可以確認(rèn)在混合原料中維持著活菌數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種制備乙醇的方法，其將纖維素類生物質(zhì)利用水解酶和作為發(fā)酵微生物的酵母，通過(guò)同時(shí)反應(yīng)的同步糖化發(fā)酵反應(yīng)制備乙醇，其特征在于， 將該纖維素類生物質(zhì)與有機(jī)性廢棄物一起進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)，所述有機(jī)性廢棄物由廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥中的一種以上構(gòu)成； 每個(gè)反應(yīng)槽的酵母初期添加量以干重計(jì)為0.125 0.0025g/kg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，同步糖化發(fā)酵反應(yīng)時(shí)的所述纖維素類生物質(zhì)的濃度為總反應(yīng)量 的10 25%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種乙醇制備方法，其能夠減少發(fā)酵用微生物的初期使用量，且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)。本發(fā)明提供一種制備乙醇的方法，其將纖維素類生物質(zhì)利用水解酶和作為發(fā)酵微生物的酵母，通過(guò)同時(shí)反應(yīng)的同步糖化發(fā)酵反應(yīng)制備乙醇，其特征在于，將該纖維素類生物質(zhì)與有機(jī)性廢棄物一起進(jìn)行同步糖化發(fā)酵反應(yīng)，所述有機(jī)性廢棄物由廚房垃圾、食品廢棄物、農(nóng)產(chǎn)廢棄物、畜產(chǎn)廢棄物、下水污泥、有機(jī)性污泥中的一種以上構(gòu)成；每個(gè)反應(yīng)槽的酵母初期添加量為0.125~0.0025g/kg。
文檔編號(hào)C12P19/14GK103205467SQ201310011260
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者林俊介, 增成伸介, 吉良典子 申請(qǐng)人:日立造船株式會(huì)社