使用纖維素類生物質的物質轉化方法

2023-04-24 19:57:11

專利名稱：：使用纖維素類生物質的物質轉化方法
技術領域：
：本發明涉及藉助於酶反應和微生物發酵以良好的效率從纖維素類生物質容易地得到有用物質如乙醇的轉化方法。
背景技術：
：目前,據報導,需要全球降低二氧化碳的排放以防止全球變暖。在這種情況下,得自於未使用的生物質、尤其是纖維素類生物質的能量的使用，已經引起了關注。造成所述情況的一個原因是這種生物質能夠為所謂的碳中性生物質。具體地,生物質含有最初得自大氣二氧化碳中的碳，所述二氧化碳已經被植物吸收或固定。因此,通過能夠吸收所排放二氧化碳的植物的再生,能夠抵消因從這種生物質中提取能量而排放的二氧化碳(±0)。另外，由於可從生物質中得到燃料物質如乙醇或甲烷，所以期望在將來用生物質代替將耗盡的化石燃料(非專利文獻1)。目前，已經在巴西使用源自甘蔗的糖且在美國使用玉米的可食用部分來積極生產衍生自生物質的乙醇(生物乙醇)。實際上,在各個國家中已經將其用作石油的替代品。已經從還能夠用作人的食物或牲畜飼料的部分製造了這種形式的生物乙醇。因此，例如如果逐漸將生物乙醇用作燃料物質，則要當心食物價格會急劇升高。因此，由不可食用植物或木材製造的纖維素類生物質,作為生物乙醇的原料已經引起了關注。然而,難以將纖維素類生物質轉化成燃料物質。這是因為用作燃料物質起始物質的纖維素的結晶度高，且在用於獲得燃料物質的這種生物質中所包含的纖維素被持久的木素所包圍，因此難以使用纖維素。因此,為了使用纖維素類生物質中的纖維素，需要例如降低結晶度並從這種生物質中所包含的纖維素中除去木素等，從而獲得可利用的形式的纖維素(非專利文獻2、3和4)。當單獨考慮將纖維素類生物質轉化成糖和乙醇時，大致有兩種方法可用於這種轉化。一種方法是酸水解法,使用酸等將纖維素類生物質中的纖維素水解而得到葡萄糖，然後通過發酵將葡萄糖轉化成乙醇。對這種方法的測試和研究已經進行了多年。然而,這些反應是在強酸性、高溫和高壓條件下進行的，因此,能夠在這種條件下使用的裝置的成本和維護成本增加，這是突出的問題(非專利文獻2和3)。同時，另一種方法是酶糖化法，由此使用纖維素降解酶(纖維素酶)將纖維素降解成葡萄糖。與酸水解法相比,酶糖化法在裝置建造方面有優勢,因為能夠在溫和條件下進行反應。為了促進降解,需要將纖維素酶與木質生物質中所包含的纖維素接觸。然而,如上所述木素的存在和纖維素的結晶阻止了這種接觸。因此，需要在酶促反應之前進行某種預處理。用於酶促糖化纖維素類生物質方法的預處理的實例包括涉及稀硫酸處理、鹼處理和精細粉碎的各種方法。然而,確定的方法尚未確定起來(非專利文獻3和5)。精細粉碎法是利用粉碎裝置如球磨機將生物質加工成細顆粒,使得生物質中包含的纖維素的表面積增大，從而易於纖維素降解的方法。在這種情況中，據說生物質的粒度應儘可能小。然而，當生物質粒度儘可能小時,用於這種尺寸降低的能量和成本增加，這是不利的(非專利文獻6)。另外,作為改良的精細粉碎法，已經提出了一種包括在溼粉碎期間將生物質糖化的方法。然而，其僅包括糖化，至今仍未實現乙醇的轉化(非專利文獻7)。作為精細粉碎方法的實例，已經開發了在過渡金屬存在下對生物質進行機械磨碎從而由生物質製造氫的方法(專利文獻1)。然而,通過該方法不能製造乙醇等。專利文獻1日本專利公報2006-312690A非專利文獻1山地意治(2002)，「^才77工才、幾年·一CD特性i工才、幾￥一変換·利用技術(生物質能的特性和能量轉化和使用的技術)，NTS，3-36頁非專利文獻2坂士朗G(2001),Bioraass/Energy/Environment(生物質/能量/環境)，IPC,251-260頁非專利文獻3杉浦純(2002)，Biomassenergycharacteristicsandtechnologyofenergyconversionanduse(生物質能的特性和能量轉化和使用的技術)，NTS，283-312頁非專利文獻4=GeorgeP.Philippidis(1996),HandbookonBioet.hanol(生物乙醇手冊)，Taylor&Francis,253-285頁非專利文獻5:The-AnHsu(1996)，HandbookonBioethanol(生物乙醇手冊)，Taylor&Francis，183-212頁非專利文獻6=MerillA.Millet,etal.(1976),Biotechnol.&Bioeng.Symp.(生物技術和生物工程論壇)，No.6，125-153頁非專利文獻7:RickG.Kelsey,etal.(1980)，Biotechnologyand:Bioengineering(生物技術和生物工程)，No.22，1025-1036頁
發明內容本發明要解決的問題本發明的目的是開發一種轉化方法，以藉助於酶反應和微生物發酵在良好收率下由纖維素類生物質容易地獲得有用物質如乙醇。解決問題的手段作為為了實現上述目的而進行廣泛研究的結果，本發明人已經發現，在使用酶(多種酶)將纖維素類生物質轉化成糖,並然後使用微生物(多種微生物)轉化成有用物質如乙醇時，使用硬球能夠提高轉化效率。從而完成了本發明。具體地，本發明涉及通過促進酶反應和發酵以高收率獲得產物的方法，包括將纖維素類生物質、硬球以及含有酶(多種酶)和微生物(多種微生物)的反應溶液引入單個反應容器內，並振蕩整個反應容器使得所述球與所述纖維素類生物質相互劇烈接觸。下面將詳細地描述本發明。本發明涉及下列內容。(1)一種進行乙醇轉化的方法，包括將纖維素類生物質、硬物質和反應溶液在單個反應容器中進行混合,在振蕩所述反應容器的同時藉助於單獨的酶反應或酶反應與發酵的組合對纖維素類生物質進行物質轉化。(2)如(1)所述的進行物質轉化的方法，其中使用基於纖維素酶的酶作為轉化纖維素類生物質的酶來進行轉化，並通過發酵進一步將產物的一部分或全部轉化成乙醇。(3)如(1)或(2)所述的進行物質轉化的方法,其中通過在單個反應容器中進行基於纖維素酶的酶反應和乙醇發酵將纖維素類生物質轉化成乙醇。(4)如⑴(3)中任一項所述的進行物質轉化的方法，其中所述硬物質為由氧化鋯、氧化鋁、不鏽鋼、鐵、氟樹脂或尼龍製成的球。(5)如⑴(4)中任一項所述的進行物質轉化的方法,其中在纖維素類生物質發生轉化時，首先將所述反應容器進行劇烈振蕩，然後以比以前溫和的方式振蕩或者靜置，將此過程進行一次，或反覆進行兩次以上。(6)如(1)(5)中任一項所述的進行物質轉化的方法,其中所述反應容器安裝有熱傳感器和能夠在所述反應容器周圍循環溫水的夾套,在纖維素類生物質轉化期間通過所述熱傳感器和所述夾套控制溫度。(7)如(6)所述的進行物質轉化的方法,其中所述反應溶液的溫度和振蕩處於聯動方式，使得在纖維素類生物質轉化期間，當溫度達到預定溫度時停止振蕩，當溫度降至低於預定溫度時重新開始振蕩，以此方式反覆進行。(8)如⑴(7)中任一項所述的進行物質轉化的方法，其中所述反應容器安裝有包含Pli傳感器和能夠控制PH的裝置的設備，在纖維素類生物質轉化期間對所述反應溶液的PH進行控制。用於本發明方法中的纖維素類生物質可以為乾燥狀態或溼潤狀態,且未對其水分含量進行限制。未對生物質的大小進行限制，只要其能夠引入所使用的反應容器中即可。然而，當其使用尺寸小時,能夠加速反應。另外，不需要對纖維素類生物質進行特殊預處理，就能夠獲得本轉化方法的效果。然而,纖維素類生物質可以進行適當處理,如酸處理、鹼處理、精細粉碎、臭氧處理、爆破處理或細菌處理。將上述纖維素類生物質引入反應容器內。然後，向其中添加足夠量的硬球、用於轉化的酶溶液、用於同時發酵的微生物(多種微生物)，如果需要還添加用於發酵的營養源。結果，由於硬球之間的碰撞,使得在比不使用硬球的反應高的效率下發生酶反應。此外，由於酶反應的產物會被在容器中共存的微生物立即消耗掉,所以所述產物不會抑制酶反應。因此，獲得的發酵產物如乙醇的量比通過通常同時發酵而得到的產物的量大。能夠使用的纖維素類生物質的實例包括草質生物質如稻杆、米糠、麥杆、甘蔗渣、玉米的任一部分、或不同的植物如柳枝稷；和任意木質生物質如軟木或硬木屑、木材間苗(間伐材)、建築碎屑或廢蘑菇床。此外，能夠使用紙、棉花等。作為硬球，優選使用由例如氧化鋯、氧化鋁、氟樹脂或尼龍製成的球。可使用同種球或由不同材料製成的且具有不同尺寸的球的混合物。應當根據生物質的條件適當使用這種球。作為反應容器，能夠使用由任意材料如塑料、不鏽鋼、鐵或不同金屬製成的容器，只要其能夠封閉而避免液體洩漏和氧氣滲入且不會因引入到所述容器中的球等造成損傷即可。當進行酶反應和發酵時,通過向容器提供熱傳感器、pH傳感器等來監測和控制反應溶液的溫度和PH,能夠有效地進行反應。例如,關於溫度控制,通過在反應容器外部提供用於溫水循環的夾套，能夠將溫度保持在恆定水平。另外，根據本發明，通過硬物質的振蕩會產生熱。能夠將所產生的熱用作反應熱。為了達到這種目的，為振蕩裝置提供具有熱傳感器的振蕩系統。當溫度因振蕩而達到預定的上限溫度時，振蕩停止。在溫度因停止振蕩而降至預定的下限溫度時，重新幵始振蕩。因此，能夠降低加熱所需能量的浪費。這對於生產乙醇尤其有利，其中期望將所述乙醇用作石油的替代品。關于振蕩方法，能夠使用任意手段進行振蕩,只要所述手段可產生劇烈振蕩而達到纖維素類生物質和硬球在反應容器內移動的程度。當使用小型反應容器時,振蕩培養箱是適當的振蕩手段。同時，當使用大型反應容器時，使用用於在鼓狀罐中混合的混合機械是有效的。即使在簡單的往復振蕩的情況中也能夠獲得所述振蕩方法的效果。然而,在加快速度的更複雜形式振蕩的情況中，能夠預期更有利的效果。用於轉化的酶(多種酶)可以為市售產品、通過培養絲狀真菌而得到的培養液、或這種培養液的提純產物，只要能夠實現本發明的目的即可。例如在利用纖維素酶進行糖化的情況中，在許多情況下，將纖維素酶和半纖維素酶與商購獲得的酶或粗提純的酶混合。能夠適當確定所使用酶的量。然而，向廢蘑菇床中添加含半纖維素酶的12.550FPU(濾紙單位，濾紙降解活性)的纖維素酶。還可通過將酶懸浮在水中來製備酶溶液。使用含有醋酸或檸檬酸的緩衝劑將PH保持為45也是有利的。利用尺寸為0.45μm以下的過濾器，通過除去細菌能夠防止對酶溶液造成細菌汙染。在纖維素酶糖化之後不進行微生物發酵而結束所述過程，能夠由纖維素得到糖如葡萄糖。在使用半纖維素酶如木聚糖酶的條件下,能夠從纖維素類生物質中所包含的半纖維素得到糖如木糖、甘露糖、阿拉伯糖或半乳糖。另外,在使用含有半纖維素酶的纖維素酶的條件下，可同時獲得糖如得自纖維素的葡萄糖和糖如得自半纖維素的木糖。通過發酵能夠將由此得到的糖進一步轉化成諸如乙醇和乳酸的物質。當通過發酵將糖轉化成不同物質時，添加微生物(多種微生物)。例如,在乙醇發酵的情況中，使用釀酒酵母菌屬(Saccharomycescerevisiae)酵母作為所使用的微生物是方便且有效的。然而，如果對戊糖如得自半纖維素的木糖進行乙醇發酵，能夠使用樹千畢赤酵母(PichlaStipitis)。另外,根據條件能夠使用耐鹽的裂殖酵母(Shizosaccharomycespombe)等。此外，除了酵母，還能夠使用引發乙醇發酵的任意微生物，包括基因重組體如運動發酵單胞菌(Zymomonasmobi1is),只要其引發乙醇發酵。當使用釀酒酵母(S.cereviciae)時，能夠使用以斜面保存或冷凍保存的產品。另外，可以使用商購獲得的麵包酵母。當使用麵包酵母時,通過直接將酵母引入發酵系統中在使用乾燥或生酵母的條件下可獲得良好的發酵效率,這是因為開始發酵時酵母存在的濃度高。當使用斜面或相似方法保存的酵母時，最好在同時發酵之前使用液體介質進行預培養，從而增加酵母的量和活性。在微生物發酵的情況中，在利用硬球振蕩下，可能不會引起發酵，這取決於所使用的微生物。在這種情況中，通過劇烈振蕩特定的時間周期，然後進行溫和振蕩或在完全靜止條件下放置以促進發酵,或者通過以交替方式進行劇烈振蕩以及溫和振蕩或靜止條件下的放置，可解決發酵不足的問題。發明效果根據本發明，在使用纖維素類生物質進行物質轉化、尤其是在利用酶(多種酶)將所述生物質轉化成糖或利用微生物(多種微生物)將所述生物質轉化成乙醇期間,通過添加硬球而進行的振蕩能夠明顯增加轉化物質的收率。該說明書包括日本專利申請2007-264041的說明書和/或附圖中所公開內容的一部分或全部,所述專利申請是本申請的優先權文獻。圖1顯示了本發明和常規方法(未添加硬球)之間乙醇收率的比較。圖2顯示了反覆進行在靜止條件下的放置和振蕩的效果。圖3顯示了在振蕩期間水溫的升高。本發明的最佳實施方式下面，將參考下列實施例來更加詳細地描述本發明,但不能將本發明限制於此。實施例1在使用舞茸廢蘑菇床時乙醇轉化的效果下面描述本發明使用舞茸廢蘑菇床作為纖維素類生物質的實例,所述廢蘑菇床為木質生物質。所述舞茸廢蘑菇床基本上由水分含量為60%以上的硬木鋸屑構成。在用作反應容器的帶夾套的不鏽鋼圓柱狀容器中，放入乾重為1.Okg的這種廢蘑菇床(已進行熱乾燥)。向其中倒入纖維素酶酵母溶液(IOL)。所述纖維素酶酵母溶液包含含有作為纖維素酶的G0D0-TCD(GodoShuseiCo.,Ltd.)(0.6FPU/ml)和Kameriya酵母(NisshinSeifun)(lg/L)的離子交換水。此外，向容器中添加直徑為IOmm的氧化鋯球(10kg)。在不添加氧化鋯球的條件下進行對照試驗。在所述容器中放置PH計、熱傳感器和脫氣管。用蓋子封閉所述容器並放入搖擺振蕩器(RS-100；SeiwaGikenCo.,Ltd.)中。將脫氣管的一段導入水中，使得外部空氣不會進入容器內。通過向夾套內引入溫水將所述容器的內部環境調節至37°C。將振蕩器的振蕩速度預設為50Hz。然後，開始振蕩操作。在轉化反應期間,適當進行抽樣。通過氣相色譜(GB-14;ShimadZUCorporation)確定上清液中的乙醇濃度。圖1顯示了結果。利用得到的乙醇量相對於根據廢蘑菇床中纖維素量計算的乙醇理論量的百分比來表示乙醇的收率。結果發現，通過本方法的轉化而得到的乙醇收率是通過常規方法的轉化而得到的收率的2.9倍。實施例2在振蕩期間改變振蕩速度時的效果根據條件，即使在與實施例1中所使用條件相同的條件下,仍可能不發生乙醇的轉化。為了解決這種問題,可改變轉化期間的振蕩速度。具體地,在轉化反應的第一個24小時內進行振蕩。其後,停止振蕩並將所述容器靜置34天。除了使用未加工的廢蘑菇床(千重為1.Okg)作為底物且纖維素酶-酵母溶液的量為5L之外，在與實施例1中相同的那些條件下進行轉化。表1顯示了利用適當抽樣確定上清液中乙醇濃度的結果。結果，通過本方法的轉化得到的乙醇收率是通過常規方法的轉化得到的乙醇收率的1.6倍，所述常規方法未添加硬球。另外,在不改變振蕩速度的情況中,將乙醇收率為0作為前提條件。表1tableseeoriginaldocumentpage8實施例3振蕩期間振蕩速度變化的效果通過輕微改變振蕩速度來進行實施例2中所使用方法的改進方案。具體地,在轉化反應幵始的1小時內不振蕩，然後振蕩1小時並停止1小時。重複進行這種操作。除了使用乾燥的廢蘑菇床(乾重為0.5kg)作為底物且纖維素酶-酵母溶液的量為5L之外，在與實施例1和2中相同的條件下進行轉化。表2顯示了利用適當抽樣確定上清液中乙醇濃度的結果。在上述條件下,連續振蕩是否導致發酵不能被確定。然而,在對容器以交替方式反覆進行靜置條件F的放置和振蕩之後，幵始發酵。此外，在連續振蕩的情況中，在停止振蕩之後開始發酵。實施例4振蕩期間所產生熱的使用在利用硬球的振蕩期間產生熱。因此，使用振蕩期間所產生的熱在成本和能量衡算方面是有效的，因為不需要使用其他熱源。圖3顯示了在使用實施例1、2和3中所使用裝置的條件下在50Hz下振蕩時離子交換水水溫的上升，條件是將離子交換水(5L)和氧化鋯球(φ:10mm)(20kg)放入反應容器中並將夾套中的溫水放掉。應理解,溫度隨著振蕩而升高且所述溫度始終保持在高於室溫的水平上。在這種情況F，通過單獨振蕩，能夠獲得同時發酵的最佳溫度37°C。因此，即使不利用其他熱源，也能夠實現同時發酵。本文中所引用的所有出版物、專利和專利申請都通過參考以其完整的形式併入本文中。權利要求一種進行物質轉化的方法，包括將纖維素類生物質、硬物質和反應溶液在單個反應容器中進行混合，以及在振蕩所述反應容器的同時藉助於單獨的酶反應或酶反應與發酵的組合對纖維素類生物質進行物質轉化。2.如權利要求1所述的進行物質轉化的方法,其中使用基於纖維素酶的酶作為轉化纖維素類生物質的酶來進行轉化,並通過發酵進一步將產物的一部分或全部轉化成乙醇。3.如權利要求1或2所述的進行物質轉化的方法，其中通過在單個反應容器中進行基於纖維素酶的酶反應和乙醇發酵將纖維素類生物質轉化成乙醇。4.如權利要求13中任一項所述的進行物質轉化的方法，其中所述硬物質為由氧化鋯、氧化鋁、不鏽鋼、鐵、氟樹脂或尼龍製成的球。5.如權利要求14中任一項所述的進行物質轉化的方法，其中在纖維素類生物質轉化期間，首先將所述反應容器進行劇烈振蕩，然後以比以前溫和的方式振蕩或者靜置，將上述過程進行一次,或以重複方式進行兩次以上。6.如權利要求15中任--項所述的進行物質轉化的方法,其中所述反應容器安裝有熱傳感器和能夠在所述反應容器周圍使溫水循環的夾套，在纖維素類生物質轉化期間通過所述熱傳感器和所述夾套控制溫度。7.如權利要求6所述的進行物質轉化的方法，其中所述反應溶液的溫度和振蕩處於聯動方式，使得在纖維素類生物質轉化期間，當溫度達到預定溫度時停止振蕩，當溫度降至低於預定溫度時重新開始振蕩，以此方式反覆進行。8.如權利要求17中任一項所述的進行物質轉化的方法，其中所述反應容器安裝有包含PH傳感器和能夠控制pH的裝置的設備,在纖維素類生物質轉化期間對所述反應溶液的PH進行控制。全文摘要本發明的目的是提供一種通過酶反應和微生物發酵而進行轉化的方法，從而容易並高效地從纖維素類生物質獲得有用物質如乙醇。已經發現，在使用酶將纖維素類生物質轉化成糖、然後使用微生物進一步轉化成有用物質如乙醇的過程中，使用硬球等能夠提高轉化效率。文檔編號C12P7/08GK101821396SQ200880111260公開日2010年9月1日申請日期2008年10月6日優先權日2007年10月10日發明者下田隆史,西堀耕三,馬場洋介申請人:株式會社雪國舞茸