CN111406109A - 以纤维素系生物质为原料的基于酶法的糖化液制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种糖化液制造方法，该方法在对纤维素系生物质中含有的纤维素进行酶水解而可溶化时，能够在较高地维持反应容器内的固体物质浓度的同时，在早期将生物质可溶化而制成浆料状。在内部不具有挡板的反应容器内将粉碎的生物质与含有纤维素分解酶的水溶液混合并搅拌的同时，将纤维素系生物质可溶化。之后，将内容物转移至内部具有挡板的另外的反应容器中，继续纤维素的酶解。反应容器内的固体物质浓度优选为15质量％以上30质量％以下。通过提高对纤维素进行酶解时的搅拌效果，能够增加糖产量。

Description

以纤维素系生物质为原料的基于酶法的糖化液制造方法

技术领域

本发明涉及利用水解酶将纤维素系生物质水解而制造糖化液的方法，该方法用于通过酒精发酵或乳酸发酵之类的发酵手段由糖类制造乙醇(生物乙醇)或聚乳酸之类的生物化学物质。

背景技术

作为生物质能利用的一环，进行了将作为植物的主要成分的纤维素或半纤维素分解而制造糖化液，使糖进行酒精发酵以获得乙醇的尝试。此处，所得到的乙醇计划作为燃料用途主要在汽车燃料中部分地混入、或者用作汽油的替代燃料。

此外，近年来，工业上还进行了下述操作：将分解纤维素或半纤维素而得到的糖化液供于乳酸发酵来制造L-乳酸，使其聚合而制造作为生物基聚合物之一的聚乳酸。聚乳酸作为生物降解性塑料受到关注。

植物的主要成分中包含纤维素(作为由6个碳构成的C6单糖的葡萄糖的聚合物)、半纤维素(由5个碳构成的C5单糖与C6单糖的聚合物)、木质素、淀粉，乙醇是以C5单糖、C6单糖、作为它们的复合体的低聚糖之类的糖类作为原料，通过酵母菌之类的微生物的发酵作用而生成的。

为了将纤维素或半纤维素之类的纤维素系生物质分解成糖类，工业上利用下述三种方法：1)利用硫酸等强酸的氧化力来进行水解的方法；2)利用酶来进行分解的方法；3)利用超临界水或亚临界水的氧化力的方法。其中，2)的酶解法具有分解时间比其他分解方法长的缺点，但具有制造设备成本和运行成本低、能够进行常温常压处理、不易发生糖的过度分解的优点。

专利文献1中公开了下述内容：若利用搬运用容器等将去除木质素或溶胀化处理后的木质纤维素系生物质转移至酶促糖化反应用的反应槽，则在将木质纤维素系生物质移至搬运用容器中时等，木质纤维素系生物质中会混入杂菌，若使混入有杂菌的木质纤维素系生物质进行酶促糖化反应，则所生成的糖会被混入的杂菌消耗。

并且，为了解决该问题，专利文献1公开了一种木质纤维素系生物质的处理方法，其中，在一个反应槽中对木质纤维素系生物质进行预处理后，转移至另一反应槽中进行酶促糖化而得到糖液，该处理方法的特征在于，具备下述工序：预处理工序，在第1反应槽内对木质纤维素系生物质进行预处理，使木质素从该木质纤维素系生物质中解离，或者使该木质纤维素系生物质溶胀，获得第1处理物；第1糖化处理工序，在第2反应槽内使通过该预处理工序得到的第1处理物部分地发生酶促糖化反应，获得可流动的第2处理物；转移工序，将通过该第1糖化处理工序得到的第2处理物以不接触外部气体的状态转移到第3反应槽；和第2糖化处理工序，使通过该转移工序所转移的第2处理物在第3反应槽内进行酶促糖化反应而得到糖液。

另一方面，专利文献2中，作为无需剪切而以非常短的时间将纤维素水解的方法，公开了一种水解木质纤维素生物质的方法，其包括下述步骤：

A)使包含具有干燥含有物和水的生物质的木质纤维素原料与包含水溶性水解种的溶剂的至少一部分接触，并且至少一些水溶性水解种与可通过原料中的生物质的水解获得的水溶性水解种相同；

B)使原料流的原料与溶剂的接触在20℃～200℃范围的温度维持5分钟～72小时的范围的时间，从原料中的生物质产生水解产物。

另外，专利文献3中，作为即使利用少量的酶进行酶促糖化反应也能增加以葡萄糖为主要成分的糖类的产量的方法，公开了一种以葡萄糖为主要成分的糖类的制造方法，其为利用纤维素分解酶分解纤维素和/或半纤维素来制造以葡萄糖为主要成分的糖类的方法，其特征在于，将纤维素和/或半纤维素与纤维素分解酶的酶水溶液混合后，在反应槽内，一边按照施加到上述纤维素和/或半纤维素与上述酶水溶液的混合物的搅拌动力Y(W/m³)、以及纤维素和/或半纤维素相对于上述酶水溶液的添加率X(w/v％)满足式(Y≤-0.0125X²+1.195X+23.25)的方式对上述混合物进行搅拌混合，一边利用上述纤维素分解酶进行将上述纤维素和/或半纤维素糖化的酶促糖化反应。

在利用纤维素酶之类的水解酶对纤维素系生物质的纤维素进行水解的情况下，理想的是，制备尽可能高浓度的含纤维素水溶液来进行水解，从而制备高浓度的糖化液。但是，若在开始纤维素的水解的最初提高容器内的固体物质浓度(生物质浓度)，则反应容器内容物的粘度高，因此搅拌变得困难。另一方面，若使用搅拌动力大的搅拌装置，则设置费用和运转费用提高。

作为解决该课题的手段，专利文献4中，作为在对纤维素系生物质中含有的纤维素进行酶水解而使其可溶化的最初较高地维持反应容器内的固体物质浓度、同时可在早期将纤维素系生物质可溶化而制成浆料状的糖化液制造方法，公开了下述制造方法：在反应容器内将粉碎的纤维素系生物质与含有纤维素分解酶的水溶液混合的最初，向反应容器内注入水溶液后，一边阶段性地对粉碎的纤维素系生物质进行搅拌，一边进行供给。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开公报第2011/142290号

专利文献2：日本特表2012-521778号公报

专利文献3：日本特开2012-139144号公报

专利文献4：日本特开2017-139973号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，在利用纤维素酶之类的水解酶将纤维素系生物质中含有的纤维素水解的情况下，理想的是，制备尽可能高浓度的含纤维素水溶液来进行水解，从而制造高浓度的糖化液，但由于反应容器内容物的粘度高，因此搅拌变得困难。在反应容器内容物的搅拌不充分的情况下，纤维素系生物质中含有的纤维素的一部分水解，纤维素系生物质可溶化所需的时间变长。

在专利文献1～3中，关于在开始纤维素酶水解的最初对于纤维素系生物质的可溶化的处置，完全没有涉及。另外，专利文献4对于反应容器的种类没有特别涉及。

本发明的目的在于提供一种糖化液制造方法，该方法在对纤维素系生物质中含有的纤维素进行酶水解而可溶化时，能够在较高地维持反应容器内的固体物质浓度的同时，提高纤维素系生物质的酶水解效率，能够增加糖产量。

用于解决课题的手段

本发明人为解决上述课题进行了反复深入的研究。结果，在反应容器内将粉碎的纤维素系生物质与含有纤维素分解酶的水溶液混合来对纤维素系生物质进行可溶化处理时，进行了下述尝试：使用内部不具有挡板(buffle)的反应容器，在可溶化进行、内容物的粘度降低后，将内容物转移至内部具有挡板的反应容器中。结果发现，在内容物的粘度降低的可溶化处理后，通过在反应容器内部设置挡板，即便不使用特别的搅拌装置，也能促进反应容器内容物的搅拌，还能提高纤维素的水解效率，由此完成了本发明。

具体而言，本发明涉及一种糖化液制造方法，其为对纤维素系生物质进行酶水解而获得糖化液的糖化液制造方法，其特征在于，

上述糖化液制造方法具有下述工序：

工序A，通过热水处理或半纤维素水解酶将纤维素系生物质中含有的半纤维素分解；

工序B，将去除了半纤维素后的固体残渣在第一反应容器内与含有纤维素水解酶的水溶液混合，调整成固体物质浓度为15质量％以上30质量％以下后，利用设置在上述第一反应容器内的第一搅拌装置进行搅拌，将去除了半纤维素后的固体残渣可溶化；

工序C，在上述工序B结束后，将上述第一反应容器内的内容物转移至第二反应容器中，一边利用设置在上述第二反应容器内的第二搅拌装置对内容物进行搅拌，一边继续水解反应；和

工序D，将水解反应后的浆料从上述第二反应容器中取出，

上述第一反应容器在内部不具有挡板，

上述第二反应容器在内部具有挡板。

上述工序B优选使上述第一反应容器内的内容物在20℃以上90℃以下持续5分钟以上24小时以下的时间。另外，上述工序C优选使上述第二反应容器内的内容物在20℃以上90℃以下持续5分钟以上120小时以下的时间。

上述第一搅拌装置优选至少在内部具有两个以上的搅拌叶片，上述第二搅拌装置优选至少在内部具有一个搅拌叶片。

上述第一搅拌装置和上述第二搅拌装置的搅拌叶片优选选自由螺带、双螺带、Maxblend、倾斜桨叶和锚叶组成的组，

上述第一搅拌装置的上述搅拌叶片的转速以圆周速度计为0.5m/秒以上5.0m/秒以下。

本发明的糖化液制造方法可以在上述工序B之前进一步具有去除纤维素系生物质中含有的木质素的工序A1。

发明的效果

根据本发明的糖化液制造方法，能够高效地进行粉碎的生物质中含有的纤维素的水解处理。

附图说明

图1示出基于酶法由纤维素系生物质进行的糖化液制造工序的基本流程。

图2示出第一反应容器的示意性构成图的一例。

图3示出第二反应容器的示意性构成图的一例。

图4示出对实验例中的搅拌时间与糖化液的糖浓度的关系进行作图而得到的曲线图。

具体实施方式

适当参照附图来对本发明的实施方式进行说明。图1示出基于酶法由纤维素系生物质进行的糖化液制造工序的基本流程。

<预处理工序>

首先，将甘蔗渣之类的纤维素系生物质(下文中表示为“生物质”)用破碎机或粉碎机进行粗粉碎。此时，优选制成平均直径为10～100mm以下的小片。粗粉碎后的生物质可以利用氢氧化钠之类的金属氢氧化物的水溶液进行蒸解处理。在进行蒸解处理的情况下，甘蔗渣中含有的木质素的一部分被去除，纤维素和半纤维素与酶的反应性提高。该情况下，蒸解处理后的生物质利用酸进行中和。

代替利用金属氢氧化物的水溶液进行蒸解处理，也可以使用***装置进行基于水蒸气的***处理(200～240℃、1.5～4MPa、1～15min；优选为225～230℃、2.5～3Mpa、1～5min)，进行生物质中的半纤维素成分的糖化和木质素的部分去除。利用***装置进行了处理的生物质(***处理物)中包含来自半纤维素的C5系糖化液、木质素溶解物和固体残渣。在将C5糖化液与C6糖化液分开进行半纤维素糖发酵的情况下，利用压滤机等对该***处理物进行固液分离，分成***处理液和固体残渣。固体残渣进一步用水适当清洗，由此能够回收固体残渣中包含的糖类。需要说明的是，在同时进行C5糖发酵与C6糖发酵的情况下，任选地实施固液分离。

在进行***处理的情况下，通过***处理得到的固体残渣进行水清洗而去除糖类和木质素溶解物后，可以在乙醇浓度为30％以上、优选为50％以上的乙醇水溶液中，在常温下浸渍0.5小时以上48小时以下、优选1小时以上24小时以下的时间，将被覆纤维素的木质素溶解去除。在乙醇浸渍后，以机械方式对固体残渣进行脱乙醇处理，或者通过加热或减压加热等进行脱乙醇处理。在使用高浓度乙醇水溶液的情况下，可以先进行水清洗后再进行脱乙醇处理。

<半纤维素水解(糖化)>

纤维素系生物质中含有的半纤维素利用半纤维素酶之类的半纤维素水解酶进行分解，但也可以利用高温高压水进行水解(热水处理)。在利用高温高压水进行水解的情况下，若为140℃以上180℃以下，则能够将半纤维素分解成糖类(主要为C5单糖)。在半纤维素含量多的生物质的情况下，若在高温下进行处理，则C5单糖会过度分解至有机酸等，因此优选在比较温和的条件下进行分解处理。

需要说明的是，在利用高温高压水将半纤维素水解的情况下，也优选添加磷酸或盐酸之类的酸作为催化剂。另外，在利用半纤维素水解酶将半纤维素水解的情况下，可以使用市售的酶，也可以使用生成半纤维素酶的微生物等。

<固液分离1>

在半纤维素的水解结束后，通过固液分离1将固体残渣1与糖化液1(C5糖化液)分离。

<C5糖发酵>

在糖化液1中添加酵母，通过半纤维素糖发酵获得醇(发酵液1)。

<纤维素水解(糖化)>

固体残渣1添加水和纤维素酶之类的纤维素水解酶，将固体残渣1中含有的纤维素水解。在利用纤维素水解酶将纤维素水解的情况下，可以使用市售的酶，也可以使用生成纤维素酶的微生物等。

<固液分离2>

在纤维素的水解结束后，通过固液分离2将固体残渣2与糖化液2(C6糖化液)分离。固体残渣根据需要用水进行清洗，在回收C6糖后被废弃。

<C6糖发酵>

在糖化液2中添加酵母，通过纤维素糖发酵获得醇(发酵液2)。

图1中，独立地实施C5糖发酵和C6糖发酵，但也可以将糖化液1和糖化液2混合，对混合后的糖化液同时实施C5糖发酵和C6糖发酵。

<蒸馏和无水化>

通过使C5糖化液和C6糖化液进行酒精发酵而得到的酒精发酵液(发酵液1和发酵液2)被供给至蒸馏装置，通过蒸馏得到乙醇。该乙醇利用公知的乙醇无水化剂或乙醇无水化装置进行无水化，作为产品(生物乙醇)出货。

图1中，也可以省略固液分离1或固液分离2，以混入有固体残渣的状态直接进行半纤维素糖发酵和纤维素糖发酵。

(工序A)

接着，对本发明的糖化液制造方法的各工序进行说明。首先，对纤维素系生物质进行粗粉碎，之后利用热水处理或半纤维素水解酶将含有的半纤维素分解。在工序A结束后，利用固液分离装置将C5糖化液与固体残渣进行固液分离。

(工序B)

接着，将去除了半纤维素后的固体残渣在第一反应容器内与含有纤维素水解酶的水溶液混合。第一反应容器在内部未设有挡板。第一反应容器的底面可以是平坦的、锥形或封头状，其材质或尺寸等可根据所处理的纤维素系生物质的量适当选择。

在第一反应容器内部，至少在与内容物接触的部分设置有两个以上的搅拌叶片作为搅拌装置。搅拌叶片的旋转直径相对于第一反应容器的内径优选较大。搅拌装置的搅拌叶片优选为螺带、双螺带、Maxblend、倾斜桨叶或锚叶。搅拌装置可以具有两个以上的相同种类的搅拌叶片，也可以具有不同种类的搅拌叶片。搅拌叶片的转速以圆周速度计优选为0.5m/秒以上5.0m/秒以下。

图2示出适合于工序B的实施的第一反应容器的示意性构成图的一例。图2(a)所示的第一反应容器1具备搅拌叶片3和4，底面5为封头状。底面5也可以为平坦状(平板)。旋转轴6通过设置于反应容器1的上表面的电动机M而旋转。

图2(b)所示的第一反应容器11具备搅拌叶片13a、13b和14，搅拌叶片13a和13b是相同种类的搅拌叶片。第一反应容器11的底面15为锥形。旋转轴16通过设置于反应容器11的上表面的电动机M而旋转。

向第一反应容器中供给含有纤维素水解酶的水溶液和去除了半纤维素后的固体残渣。此时，可以在供给所需量的水后，添加并混合纤维素水解酶，制备纤维素水解酶水溶液。反应容器内的固体物质浓度调整成最终浓度为15质量％以上30质量％以下后，利用搅拌装置的搅拌叶片搅拌5分钟以上24小时以下。通过进行这样的处理，去除了半纤维素后的固体残渣(纤维素系生物质)被可溶化。

工序B优选继续至第一反应容器内的内容物达到具有能够用离心泵输送的程度的流动性的状态(通常，粘度为300cp以下)为止。工序结束后，第一反应容器内的内容物通过泵或空气压送等被转移至通过配管与第一反应容器连接且内部具有挡板的第二反应容器中。第二反应容器除了在内部具有挡板、且具有至少一个搅拌叶片以外，可以为与第一反应容器同样的结构。

需要说明的是，优选在工序B之前实施下述工序A1：对于去除了半纤维素后的固体残渣，进行上述的蒸解处理或利用水蒸气的***处理，从固体残渣中去除木质素。工序A1可以在工序A之前，也可以在工序A之后工序B之前。

(工序C)

一边利用搅拌装置进行搅拌，一边继续水解反应，直至第二反应容器内的内容物(去除了半纤维素后的固体残渣与含有纤维素水解酶的水溶液的混合物)中含有的纤维素的大部分成为葡萄糖为止(换言之，直至反应容器内的内容物的纤维素水解反应完成为止)。在工序C中，一边将反应容器内的内容物调整成20℃以上90℃以下，一边搅拌5分钟以上120小时以下的时间。通过工序C，固体残渣中含有的纤维素被水解，反应容器内的内容物成为浆料状。

图3示出第二反应容器的示意性构成图的一例。在图3(a)所示的第二反应容器21的内壁上设有挡板27a和27b，但只要是第二反应容器21的内部、并且在搅拌时能够与内容物接触的位置，也可以设置于其他部位。挡板的设置数优选为复数个，但只要能够提高内容物的搅拌效果，也可以为一个。挡板的尺寸只要是化学工学协会编“化学工学便览”中记载的、对反应容器而言为标准的尺寸即可。

关于第二反应容器所具有的挡板的形状，只要与反应容器中的普通挡板同样地具有例如反应容器的内径的1/12～1/10倍左右的宽度以及从机械强度的方面出发具有6mm以上的厚度即可，对其尺寸或材质等没有特别限定。

图3(b)所示的第二反应容器31中，挡板38从上表面37垂下。挡板38不接触第二反应容器31的内壁。图3(b)中，仅在图中左侧设有挡板38，但也可以在图中右侧的对称位置也设置挡板，也可以设置3个以上的挡板。

在工序C中，内容物的粘度为300cp以下，与工序B相比为低值。在进行工序B的第一反应容器内部设置有挡板的情况下，固体物质容易堆积于挡板，因此内容物的流动受到挡板的阻碍，内容物的搅拌效果反而降低。另一方面，进行工序C的第二反应容器通过在内部设置挡板，在处于紊流状态的低搅拌雷诺数区域进行搅拌，由此内容物不仅产生水平方向的旋流，还产生上下方向的液体对流，能够提高内容物的搅拌效果。其结果，能够防止纤维素的酶水解反应率的降低。

(工序D)

在工序C结束后，将浆料从第二反应容器中取出。取出后的浆料根据需要进行固液分离，分离成固体残渣和C6糖化液。C6糖化液独立地或者与C5糖化液混合后，被供给至乙醇发酵或乳酸发酵等，用作生物乙醇或生物乳酸等的原料。

[实验例]

将含水率10％的粉碎甘蔗渣167g和水333g投入压力容器中，用磷酸调整成pH为3。在1.1MPaG、180℃下进行10分钟热水处理后，利用滤纸和抽吸器将该热水处理残渣脱水，将含水率调整为30％。向以湿重计为25g的脱水热水处理残渣中添加0.05M的柠檬酸缓冲液20g、市售的纤维素酶水溶液1g(最终滤纸分解活性单位15FPU/mg-生物质)以及水4g，按照总量为50g的方式投入总容积100mL的螺纹瓶中。

之后，将螺纹瓶放入调整为50℃的振荡恒温槽中，反应72小时。此时，螺纹瓶内的内容物相当于工序C中的第二反应容器内的内容物。关于振荡速度，以固体物质在目视时为均匀搅拌的状态(150rpm；相当于有挡板)和固体物质沉淀于底部的状态(75rpm；相当于无挡板)的两种模式实施了比较试验。

图4示出对搅拌时间与糖化液(螺纹瓶内的内容物)的糖浓度的关系进行作图而得到的曲线图。在搅拌时间为72小时的时刻，确认到：与75rpm相比，在150rpm的情况下糖浓度增加约40％。

如此，确认到：在工序C中，通过在反应容器内设置挡板而提高内容物的搅拌效果，能够在无需昂贵的装置、也不提高运行成本的情况下显著提高糖产量。

工业实用性

本发明的糖化液制造方法作为生物乙醇或生物乳酸之类的生物化学领域中的糖化液制造方法是有用的。

符号说明

1、11：第一反应容器

2：第一反应容器的内容物

3：搅拌叶片(上部搅拌叶片)

4：搅拌叶片(下部搅拌叶片)

5：封头状的底面

6：第一搅拌装置的旋转轴

13a：第一搅拌装置的搅拌叶片(上部搅拌叶片)

13b：第一搅拌装置的搅拌叶片(中央部搅拌叶片)

14：第一搅拌装置的搅拌叶片(下部搅拌叶片)

15：锥形的底面

21、31：第二反应容器

22：第二反应容器的内容物

26：第二搅拌装置的旋转轴

27a、27b、38：挡板

33a：第二搅拌装置的搅拌叶片(上部搅拌叶片)

33b：第二搅拌装置的搅拌叶片(中央部搅拌叶片)

34：第二搅拌装置的搅拌叶片(下部搅拌叶片)

37：第二反应容器的上表面

M：电动机

Claims (4)

1.一种糖化液制造方法，其为对纤维素系生物质进行酶水解而获得糖化液的糖化液制造方法，其特征在于，

所述糖化液制造方法具有下述工序：

工序A，通过热水处理或半纤维素水解酶将纤维素系生物质中含有的半纤维素分解；

工序B，将去除了半纤维素后的固体残渣在第一反应容器内与含有纤维素水解酶的水溶液混合，调整成固体物质浓度为15质量％以上30质量％以下后，利用设置在所述第一反应容器内的第一搅拌装置进行搅拌，将去除了半纤维素后的固体残渣可溶化；

工序C，在所述工序B结束后，将所述第一反应容器内的内容物转移至第二反应容器中，一边利用设置在所述第二反应容器内的第二搅拌装置对内容物进行搅拌，一边继续水解反应；和

工序D，将水解反应后的浆料从所述第二反应容器中取出，

所述第一反应容器在内部不具有挡板，

所述第二反应容器在内部具有挡板。

2.如权利要求1所述的糖化液制造方法，其中，

所述第一搅拌装置至少在内部具有两个以上的搅拌叶片，

所述第二搅拌装置至少在内部具有一个搅拌叶片。

3.如权利要求1或2所述的糖化液制造方法，其中，

所述第一搅拌装置和所述第二搅拌装置的搅拌叶片选自由螺带、双螺带、Maxblend、倾斜桨叶和锚叶组成的组，

所述第一搅拌装置的所述搅拌叶片的转速以圆周速度计为0.5m/秒以上5.0m/秒以下。

4.如权利要求1至3中任一项所述的糖化液制造方法，其中，在所述工序B之前，进一步具有去除纤维素系生物质中含有的木质素的工序A1。

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