TWI463014B - Method for the production of ethanol - Google Patents

Description

乙醇的製造方法

本發明是有關於從木質纖維素資源製造乙醇的方法。

本發明係有關於從木質纖維素資源製造乙醇的方法。

所謂木質纖維素資源，係指化石燃料以外之生物來源的有機資源當中，以木質纖維素為主成分的資源。迄今，從該木質纖維素資源製造乙醇的方法之一，有報告提出乃是藉由酵素，將木質纖維素資源中的纖維素糖化，並使藉該糖化所取得的糖化液發酵，而獲得乙醇的方法。例如：參考專利文献1(日本特開2006-111593號公報)。

在專利文獻1中，為了將木質纖維素資源的纖維素糖化，乃使用纖維素酶，然而一般市售的單品或部分精製的纖維素酶，其活性低，無法有效率地將木質纖維素資源中的纖維素糖化。又，為了處理大量的木質纖維素資源，需要大量的纖維素酶，在成本面上也是問題。

本發明係有鑒於上述實情完成者，本發明目的係提供一種可高效率將木質纖維素資源中的纖維素或聚木糖糖化，而以更高收率製造乙醇的方法。

本發明之發明人等，反覆專精進行研究，結果在菌蕈廢棄菌床來源的酵素群中發現纖維素酶高活性及聚木糖酶高活性，而完成了利用本酵素群的乙醇的製造方法。

所謂菌蕈廢棄菌床，是指使用在菌蕈栽培上的培養基，例如，在栽培了香菇、冬菇、松茸菇、滑菇、杏鮑菇、蠔菇、洋菇等食用菌蕈之後，業經廢棄的培養基。本發明之乙醇的製造方法，其特徵在於包含：使用該菌蕈廢棄菌床來源的酵素群，藉由酵素性糖化反應使糖化液從木質纖維素資源生成的糖化步驟，以及使前述糖化步驟中生成之前述糖化液發酵，而使乙醇生成的發酵步驟。

依據本發明的乙醇的製造方法，菌蕈廢棄菌床來源的酵素群，其活性高，可有效率地將木質纖維素資源中的纖維素或聚木糖轉換成葡萄糖或木糖。亦即，可將木質纖維素資源變換成含有葡萄糖或木糖的糖化液。於該糖化液中投入酵母或細菌並使其發酵，即可將糖化液中的葡萄糖或木糖變換成乙醇。本發明的乙醇的製造方法，可以從木質纖維素資源更有效率地製造乙醇。又，在菌蕈採收後，於留下的廢棄菌床中蔓延的菌絲所造成的纖維素酶等酵素群，被釋放出菌體外，由於利用該酵素群，相較於市售品的單品纖維素酶。其以複合酵素群之姿，木質纖維素資源的分解力高，故糖化可有效率地進行。又，由於是在採收食用菌蕈之後，使用廢棄培養基，因此不會浪費原料。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下，針對本發明進行詳細說明。又，本發明中，並非限定於以下的敘述，可在不脫離本發明主旨的範圍內，進行適當變更。

本發明之乙醇的製造方法，係以下述七個步驟來進行，即：對作為原料的木質纖維素資源進行水蒸氣蒸餾步驟10、粉碎步驟20、混合步驟30、浸漬‧攪拌步驟40、糖化步驟50、發酵步驟60、蒸餾步驟70等七個步驟。

本發明中所使用的木質纖維素資源之代表性之物，可舉山毛櫸、桉樹、花旗松、檜木、杉木等木材、或竹、矮竹之竹類等，不過本發明並不限定於此，也可舉再生紙等廢棄物等。

水蒸氣蒸餾步驟10係將作成預定大小的木質纖維素資源進行水蒸氣蒸餾，使木質纖維素資源中所含的精油及親水性成分流出作為流出成分的步驟。

該水蒸氣蒸餾步驟10中所使用的木質纖維素資源之大小，只要是可進行水蒸氣蒸餾，無論何種大小皆無妨。又，在進行水蒸氣蒸餾步驟10之前，也可進行粉碎步驟20。藉此，可對大小均勻而屬較小的木質纖維素資源進行水蒸氣蒸餾，因此，可提高精油與親水性成分的流出效率。

木質纖維素資源中，在其細胞中含有不溶於水的親油性精油、與可溶於水的親水性成分。精油是以油狀到半固體狀獲得的揮發性物質。另一方面，親水性成分是木質纖維素資源中所含的有機酸類或糖類等物質。

該水蒸氣蒸餾步驟10中，精油或沸點低的親水性成分會與蒸氣一起流出，而沸點高的親水性成分會溶解在蒸氣中的水滴，與產生的加熱水蒸氣一起流出系統外。透過該水蒸氣蒸餾所產生的加熱水蒸氣，可使精油與親水性成分從木質纖維素資源流出。又，藉由使精油與親水性成分從木質纖維素資源流出，纖維素或聚木糖的露出面之面積増加，纖維素或聚木糖變得容易接觸酵素，而可促進纖維素或聚木糖的糖化。

又，該水蒸氣蒸餾步驟10，即使是附著了土或其他污物等不純物之木質纖維素資源，亦可將該不純物洗去。如此就不需要進行為了糖化步驟50而必須將阻礙酵素性糖化反應的不純物除去這類的前處理。

粉碎步驟20係將木質纖維素資源機械性地粉碎成預定大小，將木質纖維素資源中的纖維素或聚木糖微粉化，以使其容易接受酵素性糖化反應的步驟。

該粉碎步驟20中，宜將木質纖維素資源粉碎成2μm~100μm的尺寸。該粉碎步驟20中木質纖維素資源的粉碎，可利用振動球磨機、回轉球磨機、行星式球磨機、輥磨機、盤式磨機、珠球磨機、高速回轉葉輪混合機、均質拌和機等來進行。

透過該粉碎步驟20將木質纖維素資源粉碎至預定大小，來破壞構成木質纖維素資源的纖維素、半纖維素及木質素所形成的網狀結構。接著，從纖維素或聚木糖特別將木質素拉開疏離，就可使得透過纖維素或聚木糖已結晶化之物所形成的微原纖維之局部露出。藉此，在糖化步驟40中，纖維素或聚木糖變得容易與酵素群接觸，而變得容易接受酵素性糖化反應。

又，藉由如此進行水蒸氣蒸餾步驟10與粉碎步驟20，可使構成木質纖維素資源的微原纖維之局部露出，同時微原纖維彼此的間隔變得容易擴張，酵素群變成可更容易接觸纖維素或聚木糖的狀態，可促進纖維素或聚木糖的糖化。

混合步驟30係將業已經水蒸氣蒸餾步驟10及粉碎步驟20的木質纖維素資源，與液體介質混合的步驟。此時，為了糖化步驟40中的酵素性糖化反應，而調整木質纖維素資源與液體介質之混合液的pH值，以變成酵素的最適pH值範圍內。

該混合步驟30中，混合於液體介質的木質纖維素資源之量，適宜在40%以下。若木質纖維素資源的量在例如50%以上，則僅是粉末狀木質纖維素資源帶有濕氣，而無法變成混合液。如此一來，即使在該狀態下投入酵素群，酵素性糖化反應也不會順暢進行。

該混合步驟30中所使用的液體介質，只要是不妨礙酵素性糖化反應之物即可，並未特別限定。例如，可舉水或pH緩衝液等。例如，使用pH緩衝液作為液體介質的情況下，乃選擇合於酵素性糖化反應中使用的酵素之最適pH值的pH緩衝液，與木質纖維素資源混合。藉此，糖化步驟40中，不易從酵素的最適pH值範圍內脫離，而可順暢地進行酵素性糖化反應。

又，例如使用水作為液體介質的情況下，在與木質纖維素資源混合之後，於該混合液中投入酸或鹼，以調整pH值成為酵素的最適pH範圍內。本發明中，透過水蒸氣蒸餾步驟10，使流出成分從木質纖維素資源流出，所以在酵素性糖化反應中，流出到系統中導致混合液pH值產生變化之有機酸等的量即變少。因此，可利用少量的酸或鹼將混合液中的pH值調整成最適pH值的範圍內。又，由於有機酸從木質纖維素資源流出的量很少，故在酵素性糖化反應中不易從最適pH值範圍脫離，反應即順暢進行。

本發明的糖化液製造方法係在該混合步驟30之前，對木質纖維素資源進行水蒸氣蒸餾。該水蒸氣蒸餾使精油及親水性成分等流出成分從木質纖維素資源流出。該流出成分中，包含了木質纖維素資源所含的有機酸等。若使用例如未進行水蒸氣蒸餾的木質纖維素資源，來進行酵素性糖化反應，則由於有機酸等流出至反應系統中，將使得從酵素的最適pH值範圍脫離的可能性變高。如此一來就必須投入大量的pH緩衝液或鹼等。另一方面，本發明中，因有機酸等的量很少，故在酵素性糖化反應之前、及反應中的混合液pH值調整就變得很容易。

浸漬‧攪拌步驟40係將菌蕈廢棄菌床在水系溶劑中分散、攪拌，萃取出菌蕈廢棄菌床來源之酵素群的步驟。菌蕈廢棄菌床中，存在有可將木質纖維素資源中的纖維素水解而使葡萄糖生成的纖維素酶群。菌蕈廢棄菌床方面，從剛採收完後之菌蕈廢棄菌床，到放置一段時間而快要由其他微生物引起腐敗前之菌蕈廢棄菌床皆可使用。該菌蕈廢棄菌床來源的酵素群，乃是藉以下方法取得，亦即，將菌蕈廢棄菌床以原樣或粉碎成適度大小，將該菌蕈廢棄菌床以重量比1~100%w/v，分散於水或業已調整pH值的水(包含pH緩衝液)，立刻、或花費2小時左右緩慢攪拌，回收其上部清澄液而取得。回收時可以是室温或低温均可。在菌蕈廢棄菌床之粉碎上，可利用振動球磨機、回轉球磨機、行星式球磨機、輥磨機、盤式磨機、珠球磨機、高速回轉葉輪混合機、均質拌和機等粉碎裝置。粉碎之菌蕈廢棄菌床的大小，只要可萃取出菌蕈廢棄菌床中的纖維素酶群即可，並無特別限定。

糖化步驟50係在業已於混合步驟30中混合了木質纖維素資源與液體介質的混合液中，投入該浸漬‧攪拌步驟40中所得之菌蕈廢棄菌床來源的酵素群抽出液，透過酵素性糖化反應使糖化液精製的步驟。藉由投入酵素群，混合液中的纖維素或聚木糖即水解，生成纖維寡糖、纖維雙糖、葡萄糖，幾丁二糖、幾丁寡糖、木糖。該糖化步驟40可利用分次式來進行，或以使用含固定化酵素的生物反應器之連續式來進行。

使用以該菌蕈廢棄菌床為來源的酵素進行纖維素或聚木糖之水解時，可在一般將纖維素或聚木糖分解成葡萄糖或木糖的方法中所使用的條件下進行。該纖維素酶群的性質會因所使用之菌蕈廢棄菌床而有所差異，而最適pH範圍在4.0~7.5，最適温度範圍在20.0~40.0℃。因此，在糖化步驟40中，在前步驟之混合步驟30中調整混合液的pH值成4.0~7.0。又，該糖化步驟40中，為了使酵素性糖化反應順暢地進行，故調整反應系統中的pH值及温度，以使其成為酵.素的最適pH值及最適温度之範圍內。

發酵步驟60係將酵母或細菌投入業已在糖化步驟40生成的糖化液中，使糖化液中的葡萄糖或木糖發酵，而使乙醇生成的步驟。該發酵係使用酵母或細菌，而只要是可使乙醇從糖化液中的葡萄糖或木糖生成的酵母或細菌，皆無特別限定，例如可使用麵包酵母等。又，可單獨使用單一種類的酵母或細菌，亦可組合多數種類的酵母或細菌來使用。發酵的温度也可因應所使用的酵母或細菌而適當變更。

蒸餾步驟70係蒸餾藉發酵步驟60所得之發酵液，將乙醇精製的步驟。

本發明之乙醇的製造方法係如第1圖所示，首先，將作為原料的木質纖維素資源進行水蒸氣蒸餾(水蒸氣蒸餾步驟10)，使木質纖維素資源中的流出成分流出。接著，將木質纖維素資源粉碎(粉碎步驟20)。

接下來，將業已粉碎之木質纖維素資源，不經洗淨等處理即與水等液體介質混合(混合步驟30)，並調整混合液的pH值以使其變成酵素的最適pH值範圍內。本發明中，透過水蒸氣蒸餾，附著在木質纖維素資源的不純物遭除去，在與液體介質混合之前就不需要進行除去不純物的洗淨事宜。因此，可更簡便地使糖化液生成。

在業已使木質纖維素資源與液體介質混合的混合液中，投入如前述從菌蕈廢棄菌床萃取酵素群之際(浸漬‧攪拌步驟40)所得之萃取液，並加以控制在保持於酵素最適温度及最適pH值的範圍，將纖維素或聚木糖水解，使糖化液生成(糖化步驟50)。此時，從菌蕈廢棄菌床萃取酵素時所得之萃取液，亦可先從該萃取液將屬酵素的纖維素酶群精製，再將該業已精製的纖維素酶群投入業已使木質纖維素資源與液體介質混合的混合液中。

然後，在業已透過菌蕈廢棄菌床來源的酵素所精製的糖化液中，投入酵母或細菌，進行發酵(發酵步驟60)。藉此，糖化液中的葡萄糖或木糖變換成乙醇，而得到含有乙醇的乙醇含有物。透過蒸餾等從該乙醇含有物將乙醇分離(蒸餾步驟70)，如此即得到高濃度的乙醇。

依據本發明之乙醇的製造方法，菌蕈廢棄菌床來源的酵素群，其活性高，可有效率地將木質纖維素資源中的纖維素或聚木糖轉換成葡萄糖或木糖。亦即，可將木質纖維素資源變換成含有葡萄糖或木糖的糖化液。於該糖化液中投入酵母或細菌並使其發酵，即可將糖化液中的葡萄糖或木糖變換成乙醇。本發明之乙醇的製造方法，可以從木質纖維素資源更有效率地製造乙醇。又，在菌蕈採收後，於留下的廢棄菌床中蔓延的菌絲所造成的纖維素酶等酵素群，被釋放出菌體外，由於利用該酵素群，相較於市售品的單品纖維素酶。其以複合酵素群之姿，木質纖維素資源的分解力高，故糖化可有效率地進行。又，由於是在採收食用菌蕈之後，使用廢棄培養基，因此不會浪費原料。

綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧水蒸氣蒸餾步驟

20‧‧‧粉碎步驟

30‧‧‧混合步驟

40‧‧‧浸漬‧攪拌步驟

50‧‧‧糖化步驟

60‧‧‧發酵步驟

70‧‧‧蒸餾步驟

第1圖繪示本發明之乙醇的製造方法之一例的步驟圖。

10．．．水蒸氣蒸餾步驟

20．．．粉碎步驟

30．．．混合步驟

40．．．浸漬‧攪拌步驟

50．．．糖化步驟

60．．．發酵步驟

70．．．蒸餾步驟

Claims (5)

1. 一種乙醇的製造方法，包含：萃取步驟，係從菌蕈廢棄菌床萃取出酵素群；糖化步驟，係使用源於前述菌蕈廢棄菌床的前述酵素群，透過酵素性糖化反應使糖化液從木質纖維素資源生成；以及發酵步驟，係使前述糖化步驟中業已生成的前述糖化液發酵，使乙醇生成；其中前述糖化步驟中所使用的木質纖維素資源係在水蒸氣蒸餾後加以粉碎。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中前述酵素群含有纖維素酶群。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中前述酵素群含有聚木糖酶群。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中前述木質纖維素資源的水蒸氣蒸餾、及前述木質纖維素資源的粉碎，係交互地進行多數次。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中前述糖化步驟係在前述木質纖維素資源與液體介質業已混合的混合液中，投入從前述菌蕈廢棄菌床萃取前述酵素群之際所得之萃取液，透過酵素性糖化反應使糖化液生成。