用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中通过发酵获得生物 燃料的方法，其在至少一个步骤中通过使用微生物聚合体以便于获得糖，所述糖通过使用 环境友好且经济上可行的方法后来将被转变成酒精（alcohol)，这与传统的酸和酶水解不 同。
【背景技术】
[0002] 如今，生物燃料的重要性越来越被认识到。它们是来源于有机物质的可再生能源 并且比例如油衍生物的矿物燃料释放明显更小量的污染物到空气中。
[0003] 目前，甘蔗乙醇一第一代乙醇由蔗糖的酒精发酵产生。因此，由植物细胞壁多糖 所产生的纤维素乙醇被称作第二代乙醇。然而，细胞壁的化学水解步骤对于产生纤维素乙 醇是必要的，其使用酸性或者碱性溶剂来弄松和分解植物细胞壁聚合物，从而释放可发酵 的单-以及寡糖。然而，除了所使用的化学产品的成本之外，可能产生附属的化学残余物。 (MarcosS.Buckeridge,MarcoS.Santos,ffanderleyD.dosSouza,AmandaP.Thepaths forcellulosicethanolinBrazil.USP. 2012)〇
[0004] 多年以来，已经提出了水解纤维素材料的若干方法。它们全部的共有特征是：材料 必须首先被机械压碎，以便于减小颗粒尺寸以及增加与介质接触的材料表面。
[0005] 水解通常以两种方法来实现。如果发生酸水解，使用大量酸使得介质可适合于将 由酸水解得到的糖发酵成乙醇的任何微生物，这使得介质回收步骤是必须的，从而使得它 可能是无酸的。这是该方法最大的缺点之一，因为回收是一个需要大量能量的过程，这使得 该步骤非常昂贵。此外，酸的腐蚀特性要求在管子和热交换器中使用高成本的合金。
[0006] 如果发生纤维素对酒精的酶水解，存在预处理过程，该过程被计划用于去除木 质素并且将纤维素和半纤维素暴露到纤维素酶作用中。然而，使用能够降解纤维素的酶 (纤维素酶）仍然不是可行的，因为其高成本（Nguyen，Q.A. ;Sadler，J.N. (1991)Biores. Technol.，35, 275-282)，低生产能力，所涉及的环境风险，以及将酶运送到生物质处理位置 所必须的物流资源。
[0007] 现有技术公开了用于生产乙醇的方法，其基本上包括两个途径：酸水解和酶水解。
[0008] CN101544990公开了一种通过使用木质纤维素的生物质来生产燃料的方法，其经 由接种产生纤维素酶的微生物而经历发酵。
[0009] BRPI0706009公开了一种在生物反应器中使用絮状酵母菌株的乙醇发酵工艺，其 使用含有蔗糖、葡萄糖和果糖的植物性生物质。
[0010] US2006177917公开了一种通过使用来自水解产物的乙醇发酵的余物并且集成生 产第二代乙醇的工艺来生产水解纤维素的和/或半纤维素酶的方法，其含有例如物理和化 学预处理的这些步骤：酶水解，通过使用微生物的水解产物发酵，以及酒精分离和提纯。
[0011] 虽然存在关于经由发酵葡萄糖获得乙醇的方法的技术文献，但是挑战是通过使用 环境友好且经济上可行的方法从生物质获得可发酵糖，该方法使用微生物（真菌和细菌） 来去除细胞壁。
[0012] 因此，本发明的目的是提供一种用于从木质纤维素的和或淀粉的生物质中通过发 酵获得生物燃料的方法，其在至少一个步骤中通过使用能够在降解生物质所必须的条件下 产生酶的微生物聚合体，由此消除生物质预处理步骤和隔离酶的使用，并且确保获得后来 将被转变成酒精的糖。
【发明内容】
[0013] 在一个方面，提供一种用于从木质纤维素的生物质中获得生物燃料的方法，包括 至少一个发酵步骤，用于分解木质素、纤维素、半纤维素、淀粉，以及将糖转变成酒精和酸。
[0014] 在另一方面，提供了一种用于通过使用微生物从木质纤维素的生物质中获得生物 燃料的工艺。
[0015] 在另一方面，提供一种用于从木质纤维素的生物质中获得生物燃料的工艺，其通 过使用酸、碱，以及隔离酶来消除生物质预处理步骤。
[0016] 在又一个实施例中，提供一种用于从木质纤维素的生物质中获得生物燃料的方 法，其通过完全使用全部的原材料，由此提供环境友好且经济上可行的工艺。
[0017] 在又一个方面，提供一种用于从木质纤维素的生物质中获得生物燃料的方法，其 提供大约30%w/v的96%乙醇，这与用于获得平均8%w/v的传统方法不同。
【具体实施方式】
[0018] 为了本发明的目的，"调节酶产生"的表述将意味着有机物根据其所在介质产生酶 (增加、减少、或者改变）的能力。
[0019] 通过使用木质纤维素的和/或淀粉的生物质获得生物燃料的方法，本发明的主 题，包括：其中，例如甘蔗和香蕉作物残余物的生物质的颗粒尺寸减少的第一步骤，以便于 增加接触的表面面积。
[0020] 可选地，分馏的木质纤维素的和/或淀粉的生物质转入杀菌步骤。
[0021] 对木质纤维素的生物质的杀菌抑制污染物的发展。污染增加了抑制通过基底竞争 和释放代谢物可以用在该工艺中的酵母菌和其它微生物的风险，这可以导致产量和生产能 力的降低（Naves，RaquelFerreira，Fernandes，FernandadeSouza；Pinto,OsvaldoGomes 和Naves，PlinioLazaroFaleiro.Microbialcontaminationintheprocessingsteps anditsinfluenceonthefermentationyieldatalcoholplants)〇
[0022] 对于麦芽浆发酵，优选地使用能够产生和调节降解木质素、纤维素和半纤维素的 酶的产生的一个或者多个微生物，维持温度在10°c和80°C之间，以及pH在2. 0和12. 0之 间。
[0023] 在木质素、纤维素和半纤维素已经被降解之后，获得分散在麦芽浆中的糖和 蛋白质，由此增加了在麦芽浆中的可溶性固体的量。在该过程中，优选地使用如革 菌（Phanerochaete)亚种，褐裙菌（gloeophylum)亚种，桑黄（Phellinus)亚种，革孔 菌（Coriolopsis)亚种，梭菌（Clostrodium)亚种，蜜环菌（Armillaria)亚种，毛壳菌 (Chaetomium)亚种，干朽菌（Serpulaceae)亚种，纤维孔菌（Fibroporia)亚种，粉革菌 (Coniophora)亚种，曲霉（Aspergillus)亚种，或者木霉（Trichoderma)亚种的微生物的种 类。
[0024] 在得到还原糖的理想浓度之后，麦芽浆可以经历杀菌步骤以消除污染物。
[0025] ?然后，麦芽浆通过使用一个或者多个使淀粉水解的微生物（优选地，芽孢杆菌 (baccilus)亚种属的微生物）继续发酵，维持温度在10°C和50°C之间，以及pH在2. 0和 12. 0之间，以使得a-淀粉酶催化糖苷键的水解作用。
[0026] ?可选地，添加了在1. 0和10. 0%w/v之间的铵盐成分。
[0027] ?可选地，在得到还原糖的理想浓度之后，麦芽浆可以转入杀菌步骤。
[0028] ?通过使用在2.0和10. 0%之间的一个或者多个酵母菌亚种属微生物，麦芽浆继 续发酵，维持温度在10°C和60°C之间，以及pH在2.0和12. 0之间，将麦芽浆中存在的糖转 变成酒精，优选地，乙醇。
[0029] ?在获得还原糖的理想浓度之后，麦芽浆经历酒精萃取工艺。
[0030] ?可选地，使淀粉分解的和/或水解纤维素的和半纤维素水解的微生物可以与用 于一步发酵的酵母菌亚种属的一个或者多个微生物一起被添加到麦芽浆。
[0031] ?由于与麦芽浆中微生物接触的时间量，在发酵工艺中产生了柠檬酸、乙酸以及乳 酸。
[0032]试验：
[0033] 来自甘蔗废料（甘蔗渣和秸杆），以及捣烂的香蕉果实，茎，假茎和叶的木质纤维 素材料在没有任何种类的预处理的情况下被用在该试验中。
[0034] 微生物被选择成将木质纤维素材料降解成可发酵的糖。
[0035] 表1:可发酵的糖量
【主权项】
1. 用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方法，包括以下步骤： a) 减少木质纤维素的和/或淀粉的生物质的颗粒； b) 通过使用能够产生和调节降解木纤维，纤维素和半纤维素的酶生产的一个或者多个 微生物在l〇°C和80°C之间的温度以及在2. O和12. O之间的ph时发酵麦芽衆，接下来通过 使用一个或者多个微生物，优选地，芽孢杆菌亚种属的微生物，在l〇°C和50°C之间的温度 和在2. O和12. O之间的pH时以及2. O和10.0 %之间的酵母菌亚种属的一个或者多个微生 物在10°C和60°C之间的温度和在2. 0和12. 0之间的pH时来发酵； c) 萃取酒精。
2. 根据权利要求1的用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方 法，其中，可选地，所述分馏的木质纤维素的或者淀粉的生物质经历杀菌步骤。
3. 根据权利要求1的用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方 法，其中，木质纤维素、纤维素和半纤维素由以下属的一个或者多个微生物来降解：革菌亚 种、褐褶菌亚种、桑黄亚种、革孔菌亚种、梭菌亚种、蜜环菌亚种、毛壳菌亚种、干朽菌亚种、 纤维孔菌亚种、粉革菌亚种、曲霉亚种或者木霉亚种。
4. 根据权利要求1的用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方 法，其中，所述使淀粉分解的微生物优选地为芽孢杆菌亚种属。
5. 根据权利要求1的用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中获得生物燃料的方 法，其中，通过使用一种或者多种使淀粉分解的微生物发酵，优选地在发酵期间添加在1. 0 和10. 0% w/v之间的按盐成分。
【专利摘要】一种用于从木质纤维素的和/或淀粉的生物质中通过发酵获得生物燃料的方法，其在至少一个步骤中通过使用微生物聚合体以便于获得糖，通过使用环境友好且经济上可行的方法，所述糖后来将被转变成酒精，这与传统的酸和酶水解不同。
【IPC分类】C10L1-02
【公开号】CN104870616
【申请号】CN201380064558
【发明人】道格拉斯·斯佩赖图·马库斯, 马克斯·斯佩赖图·马库斯
【申请人】布莱格集团巴西专门研究有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2013年12月3日
【公告号】CA2893444A1, EP2914702A1, WO2014089652A1