台湾专利TW201317355A 提升單糖發酵效率之方法

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专利摘要:
一種提升單醣發酵效率之方法，其係將菌株與木質纖維物料置於種菌培養反應器中進行種菌培養，待菌種培養成熟後即可倒入具有欲發酵液體之發酵反應器中進行發酵反應，且於待發酵後可透過固液分離器使培養後之菌株和發酵液體分離，最後再將發酵液體經純化後得到純化產物。藉此，係可將木質纖維物料予以適當的處理後，再添加於培養種菌的反應器中，此方法培養之種菌應用於纖維原料水解液，將可有效地提高醣類發酵之轉化效率。
公开号:TW201317355A
申请号:TW100139171
申请日:2011-10-27
公开日:2013-05-01
发明作者:Ting-Hsiang Lin；Tien-Yang Ma；Deng-Chieh Hsu；Gia-Luen Guo；Wen-Song Hwang
申请人:Atomic Energy Council；
IPC主号:Y02E50-00

专利说明:
提升單糖發酵效率之方法
本發明是有關於一種提升單醣發酵效率之方法，尤指一種可將木質纖維物料予以適當的處理後，再添加於培養種菌的反應器中，此方法培養之種菌應用於纖維原料水解液，將可有效地提高醣類發酵之轉化效率者。
按，隨著國際原油的價錢逐漸的攀升以及全球暖化日益嚴重的情況下，生質酒精在國際上已經被視為一種深具潛力取代傳統汽油的替代燃料。目前商業量產之生質酒精的主要原料是以穀類和甘蔗為主，這一類原料可轉化成酒精的成分大都為澱粉和蔗醣，原料只需經過簡單的預處理，就可以利用酵母菌發酵技術生產酒精。
然而，使用穀類或是甘蔗作為原料生產纖維酒精的製程，一直存在著與人類爭奪糧食的疑慮。因此，使用木材(Wood)、稻稈(Rice straw)、蔗渣(Bagasse)、玉米稈(Corn stover)、麥稈(Wheat straw)、芒屬科植物(Silvergrass)、玉米穗軸(Corncob)、白楊木(Aspen)和紙類廢棄物作為原料的第二代生質酒精製程，由於兼具有來源多樣性、全球儲存量高以及不會造成糧食衝突等優點，故被視為未來極具有發展潛力之生質酒精生產之製程技術。
一般纖維生質原料主要含有60%~80%之纖維素和半纖維素，以及15%~25%木質素，纖維素主要是由葡萄糖單體所聚合而成，而半纖維素則是以木糖為主要單體醣類聚合而成。目前在纖維轉化成酒精的過程當中，通常會先經過稀酸水解(Dilute-acid Hydrolysis)或是稀酸催化蒸氣爆裂法(Acid-catalyzed Steam Explosion)等高溫高壓熱化學前處理技術，將半纖維分解為木糖。
基本上，在上述的熱化學處理技術(Thermal Chemical Pretreatment)的反應過程中，需要一定比例之生質原料與水溶液混合後裝填至反應器內，再於高溫高壓的反應條件下加入1~2%(w/w)之稀硫酸，因此所得到的木糖及葡萄糖發酵液體會含有較高濃度的硫酸根離子，導致影響酵母菌將單醣轉化成酒精之能力。同時為了提高熱化學前處理的效果，提升水解液中的木醣濃度，通常需要提升溫度或是添加有機酸的含量，但也相對地會增加木醣溶液中抑制物如醋酸(Acetic acid)、糠醛(Furfural)及羥甲基糠醛(Hydroxymethyl Furfural)等發酵抑制物，影響酵母菌發酵能力。
目前纖維轉化酒精製程中，發酵菌株常常受到水解液含有的抑制物干擾，大幅地降低了菌株發酵生成酒精的能力，最嚴重的情況可能會造成菌株完全沒有辦法代謝醣類產生酒精，因此目前也有許多針對去除抑制物的研究，如使用過鹼化法(overliming)、陰離子交換樹酯(anion exchange resin)、活性碳(active charcoal)等，但是使用此類去除抑制物的方法，會造成醣類的損失，並且增加酒精生產的成本。
有鑑於此，為了使醣類發酵能夠獲得更高的發酵產率，藉以提高酒精之產量並減少生產成本，有必要尋求提升醣類發酵之轉化效率的技術。
另外，儘管目前已有相關且已經發表的學術研究(Chandel,A.K.,et al.,Use of Saccharum spontaneum(wild sugarcane) as biomaterial for cell immobilization and modulated ethanol production by thermotolerant Saccharomyces cerevisiae VS3. Bioresource Technology,2009. 100(8): p. 2404-2410.)，係使用甜根子草做為菌種吸附之基質，需要將原料作細微之裁切，且還需要使用鹼性化學物質針對原料作處理，最後還須作降溫和乾燥之程序，顯示其甜根子草的備製手續繁複，將較於本發明是使用纖維酒精製成中所產出的廢棄原料作為菌種吸附之基質，本發明備製之程序明顯較其快速，另一方面，根據此篇發表，菌株還需要另外做離心之處理才可和經過程序處理之甜子菜根培養24小時，才可以進行發酵，和本發明只需培養24小時不需經過先期種菌培養和離心等動作相比，本發明在效率上優於此發表文獻。除此之外，重複培養和離心等動作在放大工程上較為耗能且耗時，本發明除添加木質纖維素原料之外，其他操作程序皆和一般發酵工廠培養種菌之方式相同，顯示此發明具有較高的產業應用性。
有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「提升單醣發酵效率之方法」，藉以改善習用之種種問題。
本發明之主要目的係在於，係可將木質纖維物料予以適當的處理後，再添加於培養種菌的反應器中，此方法培養之種菌應用於纖維原料水解液，將可有效地提高醣類發酵之轉化效率。
為達上述之目的，本發明係一種提升單醣發酵效率之方法其包含有下列步驟：步驟一：將菌株與木質纖維物料置於種菌培養反應器中進行種菌培養；步驟二：待菌種培養成熟後即可倒入具有欲發酵液體之發酵反應器中進行發酵反應；步驟三：於待發酵後可透過固液分離器使培養後之菌株和發酵液體分離；以及步驟四：再將發酵液體經純化後得到純化產物。
於本發明之一實施例中，該步驟一中所使用之菌株係可為Saccaromyces cerevisiae、Pichia stipitis或其他可利用纖維素和半纖維素分解所得之醣類之菌株。
於本發明之一實施例中，該步驟一中所使用之木質纖維物料其製備原料係可為稻稈。
於本發明之一實施例中，該步驟一中之種菌培養時間係介於22小時～26小時之間。
於本發明之一實施例中，該步驟二中係可運用玉米稈(Corn stover)、稻稈(Rice straw)、硬木(Hard wood)、玉米穗軸(Corn cob)及麥稈(Wheat straw)等經過熱化學反應後所產生之液體作為欲發酵液體。
於本發明之一實施例中，該熱化學反應係指稀酸水解前處理，所產生之欲發酵液體之主要成分為木醣和葡萄醣。
於本發明之一實施例中，該木質纖維物料添加量與欲發酵液體的重量體積比之範圍為0.3%～3%。
於本發明之一實施例中，該稀酸水解前處理，其操作條件為1～3%稀硫酸濃度、反應溫度160～200℃及反應時間3～10分鐘。
於本發明之一實施例中，該木質纖維物料之製備係包含有下列步驟：步驟一：將稻稈與0.5%～3%之稀硫酸溶液混合形成混合溶液，而該稻稈與稀硫酸溶液之比例係介於1：5～1：10(w/w)之間；步驟二：將混合溶液以130℃～200℃之溫度蒸煮3分鐘～10分鐘，再以固液分離之方式移除水溶液，而獲得固體物；步驟三：使固體物與含有纖維素水解酵素之水溶液進行混合反應70小時～90小時，且其反應酸鹼值控制在pH4～pH46之間；以及步驟四：再以固液分離之方式將水溶液分離後，所得殘餘之固體即為木質纖維物料。
請參閱『第1圖～第7圖』所示，係分別為本發明木質纖維物料之製備步驟示意圖、本發明添加木質纖維物料之實施步驟示意圖、本發明種菌培養時未添加木質纖維物料的單醣發酵轉化酒精之濃度變化示意圖、本發明種菌培養時添加木質纖維物料進行發酵反應之單醣轉化酒精之濃度變化示意圖、本發明培養種菌時添加木質纖維物料和未加入木質纖維物料之單醣轉換酒精之效率比較示意圖、本發明種菌時添加不同重量之木質纖維物料的單醣轉化酒精效率比較示意圖及本發明使用Pichia stipitis進行單醣發酵反應且添加木質纖維物料和未添加木質纖維物料之酒精生成效率比較示意圖。如圖所示：本發明係一種提升單醣發酵效率之方法，本發明使用前必須先以特定方法製備木質纖維物料1，方可於進行單醣發酵程序，而該木質纖維物料1之製備係包含有下列步驟(如第1圖所示)：步驟一：將稻稈10與0.5%～3%之稀硫酸溶液11混合形成混合溶液12，而該稻稈10與稀硫酸溶液11之比例係介於1：5～1：10(w/w)之間。
步驟二：將混合溶液12以130℃～200℃之溫度進行3分鐘～10分鐘之蒸煮120，再以固液分離121之方式移除水溶液122，而獲得固體物123。
步驟三：使固體物123與含有纖維素水解酵素之水溶液13進行混合反應70小時～90小時，且其反應酸鹼值控制在pH4～pH46之間。
步驟四：再以固液分離131之方式將水溶液13分離後，所得殘餘之固體即為木質纖維物料1。
待完成上述木質纖維物料1之製備後，便可將該木質纖維物料1應用於發酵程序中之操作步驟中，而其包含有下列之操作步驟(如第2圖所示)：步驟一：將菌株2與木質纖維物料1置於種菌培養反應器21中進行種菌培養，其培養時間係介於22小時～26小時之間，而以24小時為最佳之時間，其中該菌株2係可為Saccaromyces cerevisiae、Pichia stipitis或其他可利用纖維素和半纖維素分解所得醣類之菌株。
步驟二：待菌種培養成熟後即可倒入具有欲發酵液體3之發酵反應器31中進行發酵反應，其中係可運用玉米稈(Corn stover)、稻稈(Rice straw)、硬木(Hard wood)、玉米穗軸(Corn cob)及麥稈(Wheat straw)等經過熱化學反應後所產生之液體作為欲發酵液體3，而該熱化學反應係指稀酸水解前處理，所產生之欲發酵液體3之主要成分為木糖和葡萄糖，另該木質纖維物料1添加量與欲發酵液體3的重量體積比之範圍為0.3%～3%，且該稀酸水解前處理，其操作條件為1～3%稀硫酸濃度、反應溫度160～200℃及反應時間3～10分鐘。
步驟三：於待發酵後可透過固液分離器4使培養後之菌株2a和發酵後之發酵液體3分離。
步驟四：再將發酵液體3經純化5後得到純化產物3a。
而本發明所能達到之效果，係可以下列實施方式或得驗證：
實施案例一：
係可添加木質纖維物料1於培養為Saccaromyces cerevisiae之菌株2的營養基中，在適合菌株2的培養條件下進行培養，24小時之後添加於發酵槽中進行醣類轉化酒精之發酵；另外，再於種菌培養時不添加木質纖維物料1，經過培養24小時之後，也同樣地進行酒精發酵；而前述兩種方式的醣濃度和酒精則會隨著時間變化(如第3圖及第4圖所示)，圖中有添加木質纖維物料1進行發酵之酒精濃度可以達到8.9 g/L，而沒有添加木質纖維物料1進行發酵之酒精最高濃度卻只有6.0g/L。另外在種菌培養時添加木質纖維物料1其醣類轉化酒精的效率約為80%(如第5圖所示)，而未添加木質纖維物料1之醣類轉化酒精效率約為64%，由此可證明添加木質纖維物料1的種菌培養方法，確實可以有效提升醣類轉化酒精之效率16%。
實施案例二：
分別添加不同重量的木質纖維物料1(0g、1g、2.5g、5g和10g)於培養基質內，再加入Saccaromyces cerevisiae為發酵菌株2做種菌之放大培養，培養24小時後，添加至半纖維水解液中進行單醣轉化酒精之發酵，其結果如第6圖所示，沒有添加木質纖維物料1之單醣轉化酒精之效率約為0.39 g/g，而添加木質纖維物料1培養種菌1g、2.5g、5g和10g之醣類轉化酒精能力分別為0.40、0.42、0.43和0.42，如此，顯示於種菌培養時，同時添加木質纖維物料1確實可以提升單醣發酵產生酒精之效率，且依照其轉化效率之比較，最佳的添加劑量為木質纖維物料1和發酵液體的重量體積比為1.6%。
實施案例三：
測試培養五碳醣發酵菌株Pichia Stipits時添加木質纖維物料1對提高其單醣發酵轉化酒精之效率，同樣也於Pichia Stpitis種菌放大培養時添加5g的木質纖維物料1，培養24小時後，取10ml的菌液加入50mL的含醣水溶液當中，進行發酵反應的過程中，取樣分析醣類和酒精之濃度，結果發現未添加木質纖維物料1約可得到51%的醣類轉化酒精效率，而在種菌培養時有添加木質纖維物料1，其酒精產率可以達到74%(如第7圖所示)，如此，再次證明使用此材料之種菌培養技術也可以有效地應用在一般啤酒酵母之外的酵母菌株發酵。
另外本發明亦可應用於未經去毒性處理的含醣水解液發酵，而應用時同樣可提升其醣類轉化酒精的效率，在相同的反應時間下可獲得較高的產物濃度，當稀酸法前處理溫度介於130～200℃之間，其產出之含有醣類水解液發酵時的酒精生成速率平均可提高1.1至3倍。
且在菌株2添加至發酵槽溶液進行發酵完成後，在靜止未攪拌的情況下，發酵菌株可以伴隨加入的木質纖維物料1共同沉降，將有助於培養後之菌株2與產物分離，並可使發酵反應器以饋料批次模式操作(repeated batch)，達到菌株2回收的效果。
此外，本發明於使用經過熱化學及生物化學之方法處理後所得之木質纖維物料1於一般纖維酒精工廠的程序中，本來只是當作工業廢棄物或是做為燃燒產生蒸汽之用途，但於本發明中，使用木質纖維物料1可以將該廢棄物再利用。
綜上所述，本發明提升單醣發酵效率之方法可有效改善習用之種種缺點，可將木質纖維物料予以適當的處理後，再添加於培養種菌的反應器中，此方法培養之種菌應用於纖維原料水解液，將可有效地提高醣類發酵之轉化效率；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．木質纖維物料
10．．．稻稈
11．．．稀硫酸溶液
12．．．混合溶液
120．．．蒸煮
121．．．固液分離
122、13．．．水溶液
123．．．固體物
131．．．固液分離
2、2a．．．菌株
21．．．培養反應器
3．．．欲發酵液體
3a．．．純化產物
31．．．發酵反應器
4．．．固液分離器
5．．．純化
第1圖，係本發明木質纖維物料之製備步驟示意圖。
第2圖，係本發明添加木質纖維物料之實施步驟示意圖。
第3圖，係本發明種菌培養時未添加木質纖維物料的單醣發酵轉化酒精之濃度變化示意圖。
第4圖，係本發明種菌培養時添加木質纖維物料進行發酵反應之單醣轉化酒精之濃度變化示意圖。
第5圖，係本發明培養種菌時添加木質纖維物料和未加入木質纖維物料之單醣轉換酒精之效率比較示意圖。
第6圖，係本發明種菌時添加不同重量之木質纖維物料的單醣轉化酒精效率比較示意圖。
第7圖，係本發明使用Pichia stipitis進行單醣發酵反應且添加木質纖維物料和未添加木質纖維物料之酒精生成效率比較示意圖。
1．．．木質纖維物料
2、2a．．．菌株
21．．．培養反應器
3．．．欲發酵液體
3a．．．純化產物
31．．．發酵反應器
4．．．固液分離器
5．．．純化

权利要求:
Claims (9)
[1] 一種提升單醣發酵效率之方法，包括有下列步驟：步驟一：將菌株與木質纖維物料置於種菌培養反應器中進行種菌培養；步驟二：待菌種培養成熟後即可倒入具有欲發酵液體之發酵反應器中進行發酵反應；步驟三：於待發酵後可透過固液分離器使培養後之菌株和發酵液體分離；以及步驟四：再將發酵液體經純化後得到純化產物。
[2] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該步驟一中所使用之菌株係可為Saccaromyces cerevisiae、Pichia stipitis或其他可利用纖維素和半纖維素分解所得之醣類之菌株。
[3] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該步驟一中所使用之木質纖維物料其製備原料係可為稻稈。
[4] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該步驟一中之種菌培養時間係介於22小時～26小時之間。
[5] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該步驟二中係可運用玉米稈(Corn stover)、稻稈(Rice straw)、硬木(Hard wood)、玉米穗軸(Corn cob)及麥稈(Wheat straw)等經過熱化學反應後所產生之液體作為欲發酵液體。
[6] 依申請專利範圍第3項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該熱化學反應係指稀酸水解前處理，所產生之欲發酵液體之主要成分為木醣和葡萄醣。
[7] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該木質纖維物料添加量與欲發酵液體的重量體積比之範圍為0.3%～3%。
[8] 依申請專利範圍第7項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該稀酸水解前處理，其操作條件為1～3%稀硫酸濃度、反應溫度160～200℃及反應時間3～10分鐘。
[9] 依申請專利範圍第1項所述之提升單醣發酵效率之方法，其中，該木質纖維物料之製備係包含有下列步驟：步驟一：將稻稈與0.5%～3%之稀硫酸溶液混合形成混合溶液，而該稻稈與稀硫酸溶液之比例係介於1：5～1：10(w/w)之間；步驟二：將混合溶液以130℃～200℃之溫度蒸煮3分鐘～10分鐘，再以固液分離之方式移除水溶液，而獲得固體物；步驟三：使固體物與含有纖維素水解酵素之水溶液進行混合反應70小時～90小時，且其反應酸鹼值控制在pH4～pH46之間；以及步驟四：再以固液分離之方式將水溶液分離後，所得殘餘之固體即為木質纖維物料。

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

法律状态:
2021-05-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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