CN101307333A - 综合利用水解物的能量和物料含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种综合利用酶水解可更新原料获得的水解物和固体的能量和物料含量的方法，其中所得水解液用作发酵的碳源并将未水解的固体送去用于生产沼气。

Description

综合利用水解物的能量和物料含量的方法
技术领域
本发明涉及一种综合利用酶水解可更新原料获得的水解物和固体的能量和物料含量(material contents)的方法，其中所得水解液用作发酵的碳源，并且未水解的固体被送去生产沼气(biogas)。
背景技术
借助微生物发酵制备目标物质，例如氨基酸、维生素和类胡萝卜素的方法为公知技术。根据不同加工条件，使用不同碳源。它们包括从纯蔗糖到得自甜菜的生糖蜜和糖，所谓“高级糖蜜(high-test molasses)”(转化糖糖蜜(inverted sugar molasses))，直至并包括得自淀粉水解物的葡萄糖。就生物技术生产L-赖氨酸而言，还提及将乙酸和乙醇作为可以工业规模使用的共底物(cosubstrates)(Pfefferle等，Biotechnogical Manufacture ofLysine，Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology，Vol.79(2003)，59-112)。
微生物发酵用的一个重要碳源是淀粉。在其可用作发酵时的碳源之前，首先需要在前面的反应步骤中经液化和糖化。为此，淀粉得自天然淀粉源例如马铃薯、木薯、谷物，例如小麦、玉米、大麦、黑麦或者大米，典型地以预纯化形式获得，然后依次酶促液化和糖化，然后用于实际发酵制得目标物质。
最近技术关注到计划用可更新资源制备发酵介质的改进方法(EP1205557、US 2002/079268)。
还描述了一种发酵方法，它可以使用淀粉作为碳源(WO2005116228)。
发酵不仅形成所需产物，而且通常还有生物质(biomass)。该生物质或者作为废物处理掉或者需以另一方式利用并因其形成而降低产率(产物/反应物)。在发酵制备乙醇中，因此经常产生复合动物饲料(complexanimal feeds)作为副产物。在所谓的干磨过程中，由此制得约65％的乙醇，仅在美国就产生接近4吨的DDGS(蒸馏器干燥颗粒和可溶物)(Lyons2003，Jacques 2003)。总之，所谓的干磨法可以描述为如下：在磨粉机中将谷物粒磨成细粒并与液体混合。该浆液然后用液化酶处理以将谷物水解成糊精，它是低聚糖的混合物。淀粉用液化酶(已知有α-淀粉酶)的水解，是在谷物的胶凝温度(gelation temperature)以上进行的。浆液在适当温度下沸腾，使得淀粉的颗粒结构破裂并引发胶凝。最终，形成的糊精在糖化过程中被胞外酶葡糖淀粉酶进一步水解成葡萄糖。所得的DDGS是乙醇生产时的主要副产物。约80％的该DDGS喂给了反刍动物。这意味着如果在加工设备附近有足够的作为DDGS的接受者的反刍动物喂养业务，那么该利用在经济上才是可行的。
然而，发酵制备乙醇的副产物用作复合动物饲料需要与适宜用作动物饲料添加剂的目标物质的制备区分开。例如，在这些方法中，发酵产生氨基酸或者维生素作为主要产物并用于动物营养。在发酵过程中，还获得复合副产物，这包括生物质。一种利用这些副产物的方法是由发酵液(fermentation broth)制备肥料(Ideka 2003)。就赖氨酸的制备而言，还使用发酵之后的产物不经纯化而是将该生物质以动物饲料添加剂的成分销售的方法(
Figure A20081008708700061
US 5,431,933)。作为利用所得生物质的另一想法，已公开将生物质再循环(Blaesen等2005)。在该方法中，在发酵过程中，通过将获得的生物质作为反应物在发酵中循环，可以使平均产率增加并且可以使处理掉的废物量降低。
现有技术公开了通过细菌厌氧降解有机物形成甲烷占50-85％的沼气。由于沼气中贮藏以及获得的能量得自可更新的有机物，因此它被称为可更新的。此外，与天然气、矿物油或煤的燃烧不同，对沼气的积极利用是二氧化碳中性的，这是由于形成的二氧化碳在天然碳循环内移动并在植物生长过程中被植物再次消耗。
沼气是高价值能量源，即它可以许多方式被利用并且效率高。目前沼气生产的主要摄入源是用于发电。通过所谓的能-热偶联，沼气以经典方式用作驱动产生主电流(mains current)(交流电)的内燃机的燃料。得自冷却系统的废机热和同时获得的废气可用于加热。作为高效发电的另一方式，也已经使用燃料电池。沼气也可以由制备L-赖氨酸的废物产生(Viesturs等1987 Proc.Latv.Acad.Sci 8(841)：102-105)。在一个集成方法中，进一步的方法是可以平行产生肉(或奶)、乙醇、动物饲料和沼气(生物肥料)(US 2005/0153410)。厌氧发酵过程中使用含蛋白质的共反应物的情况下，可能遇到困难，这是由于在有二价阳离子的存在下改变pH时，蛋白质可能经受结构变化，这会防碍在后酶的攻击(Mulder 2003，Biologicalwastewater treatment for industrial effluents；technology and operation，Paques B.V.，Balk 3.1Fermentation)。
有机物降解为沼气的典型过程包括基本的四个阶段。
在第一阶段(水解)中，好氧菌借助酶将高分子量有机物(蛋白质、碳水化合物、脂肪、纤维素)转变成低分子量化合物例如单糖、氨基酸、脂肪酸和水。水解菌分泌的酶粘附到菌的外面(所谓的胞外酶)并将该底物的有机成分水解分成小的水溶性分子。在第二阶段(酸化)，产酸菌(acid-forming bacteria)将各个分子降解并胞内转化。它们可能是消耗剩余氧的好氧菌由此提供甲烷菌所需的厌氧条件。这里，主要获得短链脂肪酸、低分子量醇和气体。在第三阶段(形成醋酸)，醋酸菌由有机酸产生形成甲烷的原料(醋酸、二氧化碳和氢)。在第四阶段(甲烷形成)，甲烷菌形成甲烷(Eder和Schulz 2006)。
现有技术存在的问题是，就如能量成本一样，提供碳源的成本对精细化学工业的利润的影响非常大。例如，在L-赖氨酸的制备成本中，最重要的项是碳源(Pfefferle等2003)。糖的价格变化大并且在发酵过程的经济活力中具有主要影响，特别是在低成本物质产品的情况下，例如谷氨酸一钠、L-赖氨酸-HCl和L-苏氨酸，其市场很大地由竞争决定(Ikeda 2003)。然而，提供来自有益可更新原料的适合发酵利用的碳源在工业上不是不重要。在水解生产这些碳源时，获得的纤维植物残余物作为废物扔掉。此外，在发酵过程中形成的生物质作为废物被扔掉。当选择沼气产生作为处理过程时，在所用厌氧发酵过程中使用含蛋白质的共反应物可能遇到困难。当有二价阳离子存在下改变pH时，蛋白质会经受结构变化，这样会防碍在后酶的攻击(Mulder 2003)。另外，原料质量的变化阻碍了沼气生产中稳定和可再现的过程方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种由可更新原料制备目标物质的综合方法，其中产生较少量的废物并且可以更好地利用原料的能量。
本发明提供了一种综合利用酶水解可更新原料获得的溶液和固体的能量和物料含量的方法，包括：
a)制备含有至少一种可被微生物利用的碳源的含水水解混合物，，所述微生物用于从可更新原料通过酶水解制备目标物质，
b)使用该含水混合物通过发酵制备优选具有至少3个碳原子或者至少2个碳原子和至少1个氮原子的目标物质，其中
c)在步骤b)之前，去除步骤a)获得的水解混合物中的固体成分，和
d)这些固体成分，特别是纤维种类，经过厌氧共发酵用于产生沼气。
该沼气可以经燃烧转变成热能或者电能。同时，步骤d)中也形成热量(参见图1)。
有用的淀粉源尤其包括干谷物或种子，在干燥状态下的淀粉含量为至少40重量％，优选至少50重量％。它们可以在许多大规模培养的谷物植物中找到，例如玉米、小麦、燕麦、大麦、黑麦、大米和各种粟类，例如高粱(sorghum)和西非高粱(milo)。优选的淀粉源是谷物，更优选选自玉米、大麦和小麦。原理上，本发明的方法也可以用其它淀粉源进行，例如马铃薯、木薯或含不同淀粉的水果或种子的混合物。
经酶水解制得的混合物包括糖，优选单糖例如己糖和戊糖，例如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、山梨糖、木糖、阿拉伯糖和核糖，特别是葡萄糖。除葡萄糖之外的单糖的比例可以随所用淀粉源和其中存在的不含淀粉的成分而变化。
这些水解方法在现有技术中为已知的(WO 2005/116228)。
除去剩余固体之后由水解混合物制得的含糖营养介质用于发酵制备具有至少3个碳原子或者至少2个碳原子和至少1个氮原子的目标物质。为此，在除去固体之后，步骤a)制得的混合物送到b)的发酵。发酵方法可以是本领域技术人员已知的典型方式。
下面的术语“目标物质”包括有机一-、二-和三羧酸，任选具有1个或多个羟基，例如1、2、3或4个，优选具有3-10个碳原子，例如酒石酸、衣康酸、琥珀酸、富马酸、马来酸、2，5-呋喃二羧酸、3-羟基丙酸、戊二酸、乙酰丙酸、乳酸、丙酸、葡糖酸、乌头酸和二氨基庚二酸、柠檬酸；特别是蛋白氨基酸和非蛋白氨基酸，优选赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和苏氨酸；嘌呤和嘧啶碱；核苷和核苷酸，例如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和腺苷5’-单磷酸(AMP)；脂类；优选具有10-22个碳原子的饱和与不饱和脂肪酸，例如γ-亚麻酸、二高-γ-亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸；优选具有3-8个碳原子的二醇，例如丙二醇和丁二醇；具有3个或多个(例如3、4、5或者6个)OH基团的多元醇，例如甘油、山梨醇、甘露醇、木糖醇和阿拉伯糖醇；具有至少4个碳原子(例如具有4-22个碳原子)的相对长链醇，例如丁醇；碳水化合物，例如透明质酸和海藻糖；芳香化合物，例如芳香胺、香兰素和靛蓝；维生素和维生素原，例如抗坏血酸、维生素B6、维生素B12和核黄素；蛋白质，例如酶、类胡萝卜素，例如番茄红素、β-胡萝卜素、虾青素、玉米黄素和角黄素；优选具有3-10个碳原子并任选具有1个或多个羟基的酮类，例如丙酮和羟基丁酮；内酯，例如y-丁内酯、环糊精、生物聚合物，例如多羟基乙酸酯类、聚酯类、多糖类、聚类异戊二烯类、聚酰胺类、多羟基链烷酸酯，例如聚-3-羟基丁酸和与其它有机羟基羧酸例如3-羟基戊酸、4-羟基丁酸和其它的共聚酯类，它们描述在Steinbüchel(编辑)，Biopolymers，1st edition，2003，Wiley-VCH，Weinheim和其中引证的文献中；和前述化合物的前体和衍生物。Gutcho在Chemicals by Fermentation，Noyes Data Corporation(1973)，ISBN：0818805086中描述了用作目标物质的其它化合物。
本发明所用的微生物优选选自棒杆菌属(Corynebacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、阿舒囊霉属(Ashbya)、埃希氏菌属(Escherichia)、曲霉属(Aspergillus)、产碱菌属(Alcaligenes)、放线杆菌属(Actinobacillus)、厌氧螺菌属(Anaerobiospirillum)、乳杆菌属(Lactobacillus)、丙酸杆菌属和梭菌属(Propionibacterium)，特别是选自谷氨酸棒杆菌(Corynebacteriumglutamicum)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)、棉阿舒囊霉菌(Ashbyagossypii)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、黑曲霉(Aspergillus niger)或者广泛产碱菌(Alcaligenes latus)、产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillumsucciniproducens)、产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)、德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)、希赖曼氏乳杆菌(Lactobacillusleichmanni)、阿拉伯糖丙酸杆菌(propionibacterium arabinosum)、薛氏丙酸杆菌(propionibacterium schermanii)、费氏丙酸杆菌(propionibacteriumfreudenreichii)、丙酸梭菌(Clostridium propionicum)和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)的菌株。
在一个优选具体实施方案中，发酵制得的目标物质是L-赖氨酸。为了进行发酵，这里可以使用例如Pfefferle等、上述引文和US 3,708,395中所述的类似条件和步骤。原理上，可以使用连续或间歇(分批或者补料-分批)操作方式；优选补料-分批操作方式。
参照全玉米粉、全小麦细粉、全黑麦粉(1159型)和全黑麦细粉用三种不同酶的酶水解显示本发明方法的可执行性。通过压力下过滤、离心场下过滤、离心场下沉积和洗涤除去固相(纤维部分)。由该水解物获得的营养介质在真空旋转蒸发器中浓缩然后经高压锅灭菌。这种处理过的小麦水解物作为发酵制备精细化学品的碳源的适应性已由用菌株Brevibacteriumflavum DM1730(Georgi等2005)的，同时在间歇方法的摇瓶实验以及在搅拌槽中的补料方法中制备L-赖氨酸的实例得到证实。出人意料地发现，与标准葡萄糖溶液的对比实验相比，用水解物的实验获得显著改善的空时产率(space-time yield)。
除去的水解残余物或者发酵残余物通过现有技术已知的方法发酵。
沼气反应器可以连续或间歇加料。当间歇加料时，所谓的间歇原理，一次整个加满整个消化容器。物料在底物没有变化下消化直到所选停留时间结束。加满之后开始产生气体，达到最大值然后稳定。停留时间过了之后，除了作为下一加料的种子物质的残余物之外，将容器完全清空。
为了快速加满和清空，还需要相同大小的消化容器、储器(reservoir)和储藏罐(storage tank)。不均匀的气体产生可以通过多个以逐步分阶段(phase-off)方式填充的相对小的发酵罐平衡。然而，几个相对小的罐导致较高的特定成本。另一缺陷是在清空消化容器之前的长时间内，在初级罐中的降解过程伴随甲烷的损失。
因此，对间歇工艺技术的需要非常低。然而，为了研究在底物发酵罐内的性能及其气体产率，间歇工艺被选择用于实验室试验。
优选的发酵罐是待发酵的底物连续加入的，同时将相应量的完全消化的底物同时泵出。结果，获得恒定气体产生的持久消化，而且，通过不断地加入少量底物防止酸化。
优选组合水解残余物的发酵和发酵残余物的发酵的沼气设备因此尤其设计成连续加料设备。
厌氧降解是通过混合菌群在不同温度范围内进行的，在嗜热和嗜温方法之间存在差别。这类菌存在于来自处理设备的通常泥浆中。
发现在温度变化时嗜温法比嗜热法更稳定。充分混合和分布高度影响厌氧降解的速度和完全性。剧烈混合降低发酵罐内的温度和pH梯度并且使得气泡容易排出。同时，降低或抑制了漂浮和沉淀层的形成并且实现了新底物与消化过的底物的充分混合。不赞成通过高能量供给的过度混合。而且，适度循环对良好甲烷化是有益的，以防在通过剪切力对产乙酸和产甲烷微生物群之间的共生起副作用，这是由于否则甲烷产生降低。
底物的停留时间是选择沼气反应器的尺寸的重要参数。即使实验室批次试验中有机物的降解的理论所需的停留时间短得多，但是发现实际消化可更新原料和农业肥料可以使用50-80天。引入停留时间的重要参数是所谓的消化空间速度(space velocity)。它是指每天加入到发酵罐中的有机干物质的量。它以每天每m3发酵罐容积的有机干物质的千克数计。消化空间速度的最佳化是有效操作沼气设备的最重要点之一。过低的空间速度是不利的，这是由于给定的容积未被充分利用并且因此沼气设备未产生最大经济效益。过大的空间速度导致发酵过程不稳定，这样不利于设备的连续操作。
试验已测定由小麦水解残余物(纤维成份)、由发酵残余物(过量的生物质)和由二者的混合物形成沼气(通过所谓共发酵)。具体地说，用合适的测试设备测定沼气潜能(biogas potential)，即沼气的组成和成分量。小麦水解物的消化和发酵残余物的消化、以及共发酵的结果进行比较。发现在共发酵时特定沼气产率(specific biogas yield)比仅生物质废物的纤维残余物的单独发酵时高。出人意料地，生物质的高蛋白质含量对沼气生产没有副作用。
本发明还提供一种在一个或多个合适点将权利要求1的方法中步骤d)获得的能量/热量引入到本发明的综合方法中的方法(参见图2)。也可以将制备目标物质的好氧发酵中获得的生物质加入到厌氧发酵中制得沼气(其可利用的成分由甲烷组成)并使其在其中发酵(参见图3)。
根据图4的方法顺序提供最完全的能量开发和最完整的综合。
这里，将发酵过程中获得的能量和热量在一个或多个点加入到综合方法中，而同时在发酵阶段由生物质获得能量。
由于使用可更新原料，因此发现本发明的综合方法价廉。在发酵之前，将在通过酶水解加工可更新原料以得到可用于发酵的碳源中获得的纤维废物除去，并发酵得到通常进一步转变成电能或热能的沼气。特别是，用所得能量或热量供给至少一些工艺步骤并由此降低综合方法的网络能量需求。在一个具体的实施方案中。发酵制备时获得的生物质作为共反应物横向(transversely)加入到沼气生产中并因此增加沼气产率。沼气制备的共反应物(得自目标物质制备的生物质)的品质相对恒定，它反过来有利于沼气制备的可再现方法体系。总体上，比已知的部分方法获得显著少量的废物和副产物。
文献：
·Blaesen M，Flaschel E，Friehs K(2006)Chem.Ing.Tech.78(3)：267-272
·Busch R，Hirth T，Liese A等(2006)Chem.Ing.Tech.78(3)：219-228
·Eder B，Schulz H(2006)Biogas-Praxis：Grundlagen，Planung，Anlagenbau，Beispiele，Wirtschaftlichkeit，3rd ed.，
Figure A20081008708700121
Verlag，Staufen
·Georgi T，Rittmann D，Wendisch VF(2005)Metab，Eng.7(4)：291-301
·Ikeda M(2003)Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.79：1-35
·Pfefferle W，
Figure A20081008708700122
B，Bathe B，Marx A(2003)Adv.Biochem.Eng.Biotechnol.79：59-112
·Lyons TP(2003)pp.1-7in：Jacques KA等(eds.)The alcohol textbook，4th ed.Nottingham University Press，Nottingham
·Mulder R(2003)Biological wastewater treatment for industrialeffluents：technology and operation，Paques B.V.，Balk
·Viesturs U，Dubrovskis V，Sakse A，Ruklisha M(1987)Proc，Latv.Acad.Sci.8(481)：
附图说明
图1是本发明的一具体实施例示意图；
图2是本发明的另一具体实施例示意图；
图3是本发明的再一具体实施例示意图；
图4是本发明的又一具体实施例示意图；
图5是在水解中质量平衡、固体残余物、葡萄糖部分的完整性的图示；
图6是从水解残余物形成的气体的分析图；
图7是共发酵中产生的压力的分析图。
具体实施方式
实验说明
1.
表1：所用酶
Figure A20081008708700131
2.酶水解
2.1.玉米粉(全玉米粉)、小麦粉(全小麦细粉)和黑麦粉(全黑麦粉和全黑麦细粉)经酶促水解。为此，将300g粉悬浮于610ml水中(33％w/w)。所用搅拌器容器是Braun B-DCU生物反应器，带有pH电极、温度控制、废气冷却器、盘搅拌器和导流板(baffle)。
就悬浮、液化和糖化阶段而言，添加表1所列的酶并设定适当参数(参见表2)。使用2.5M的硫酸调整pH。用YSI的7100MBS仪器测定上清液的葡萄糖含量。反应在液化步骤开始后的约28小时结束。
表2水解参数
Figure A20081008708700141
2.2洗涤
分批从固体残余物中洗涤出葡萄糖。
就每一批次而言，将混合物再次悬浮于去离子水中并离心。当在洗涤水中测定的葡萄糖低于起始浓度的1％时结束洗涤操作。
2.3浓缩
全小麦细粉、全黑麦粉和全黑麦细粉的水解物在真空蒸发器中浓缩。在不同温度和施加压力下进行测定。测定浓缩步骤之前和之后溶液中葡萄糖的质量浓度。
2.4灭菌
对浓缩全小麦细粉/葡萄糖溶液进行灭菌实验。就每一实验而言，将7g溶液称重到一100ml玻璃瓶中。在容积75l的灭菌锅中，确定适当的保持时间和灭菌温度。操作期间，用数据记录器记录灭菌锅的温度和压力数据。这些数据将用作不同实验的比较。
使用分光光度计记录溶液在200nm-800nm的波长范围内的吸光度。
3.物料平衡
物料平衡是用于确定单位原料用量的葡萄糖的产率。确定回收值(recovery value)并显示该平衡的完整性。它包括溶液中固体残余物的定量化以及蛋白质、脂类、戊聚糖、葡萄糖和其它糖的比例的定量化。
作为物料平衡的基础，测定所用粉中残留水分含量、戊聚糖含量和淀粉含量。分析水解物的水相的蛋白质含量。分析全玉米粉水解物的含水上清液。蛋白质浓度是0.66mg/ml。这相应于粉重量的0.05％。因此可以假定仅可忽略量的蛋白质进入溶液，即测定的蛋白质可以归因于加入的酶。为了对比，玉米粉的蛋白质含量是9.2％；因此可以推测固体残余物中的蛋白质含量。
图5显示了回收值。对于全小麦细粉、WWM而言，物料平衡的完整性具有最佳值98％。对于全黑麦粉和全黑麦细粉、WRF和WRM而言，完整性分别是90.2％、和83.5％和81％。该图还显示了固体残余物的体积比的关系。全小麦细粉的固体残余物相对最小。这也意味着上清液中的葡萄糖含量最高。就全玉米粉、全黑麦粉和全黑麦细粉水解物而言，上清液中葡萄糖和固体含量之比相似。固体体积越大，发现上清液中葡萄糖越少。这意味着固体中包含葡萄糖溶液。
4.去除固体的实验
对全小麦细粉、全黑麦粉、全黑麦细粉和全玉米粉的水解悬液进行离心实验。样品在刻度容器中于4800RCF下离心20min(Minifuge；Heraeus)。在进一步实验中，研究了全小麦细粉水解物中去除固体的状态(表3)。
4.1悬液的性能
表3
  方法  仪器
  粘度   旋转粘度计  Haake；Rheostress 600
  电导率   电导计  WTW；LF 323
  Zeta电压   等电点的测定  DT 1200
  粒度分布   激光衍射分光计  HORIBA LA920
  pH   PH电极  Mettler-Toled0
  细粉的化学组成   元素分析
  水解物的缓冲作用   用1M盐酸滴定PH电极；Mettler-Toledo
4.2过滤
悬液在可以施加压力的过滤器单元中过滤。过滤器面积是20cm2。可以用偶联测定系统(
Figure A20081008708700161
BOKELA)通过平衡记录流量。过滤结束之后，测定滤饼厚和滤饼的干物质含量。
4.3过滤器离心
在离心场中(Megafuge 1.0；Heraeus)在过滤器杯于1500g的旋转指数(spin index)和1-10分钟的时间下过滤。此外，改变温度和pH(参见结果和讨论)。过滤器面积是15em2。该操作结束之后，测定滤饼厚和滤饼的干物质含量。
4.4沉淀
在离心场下在10ml的刻度离心瓶中进行沉淀。每种情况下旋转指数是3000g。改变pH、温度和离心时间。测定上清液和固相的体积比，以及固相的干物质含量。
4.5由水解残余物形成沼气
通过
Figure A20081008708700162
测试系统在试验室规模下测定沼气的量及其甲醇含量。该测定是基于测定瓶中形成沼气导致压力上升(图6)。
首先，测定所用测定瓶的气体空间的容积，包括所有内部的(橡胶塞、磁搅拌器棒)。将恒温室调整至35℃并安装搅拌板。将所用自来水和新鲜的消化浆液用氮气脱气几分钟以除去存在的氧，并加热至35℃。开始实验之前，消化浆液排气(exhaust)1-5天。
将该测定瓶放置在带有磁搅拌器棒的感应搅拌器系统并加入400ml制得的自来水。之后，加入尤其由纤维部分组成的称重的水解残余物，并通过用氮喷射瓶子保证基本上厌氧环境。装有消化浆液的容器同样用氮喷射。搅拌之后，用管子将其50ml转移到测定瓶。测定pH之后，用稀盐酸或氢氧化钠溶液(0.5mol/l)将其校正至约pH 7±0.2。将瓶子密封，并在测定头(measurement heads)活化之后，在搅拌(约130rpm)下于暗处在35℃下培养。考虑到消化浆液本身形成的气体，也开始没有水解残余物的实验(表4的实验19)。
通过理想气体法则形成评价的基础：
p·V＝n·R·T
用压力p[Pa]、温度T[K]、通用气体常数R[J/(mol·K)]和瓶子的气体体积V[m3]，因此可以计算形成的气体量n[mol]。
形成的气体量的结果汇总于表4：
 瓶号   19   21   22   23   24
 样品   参照   0.4g水解残余物   0.4g水解残余物   0.8g水解残余物   0.8g水解残余物
 瓶内气体体积[ml]   705   707   708   707   706
 实验开始时的气体量[mol]   0.0292   0.0293   0.0293   0.0292   0.0292
 总气体量[mol]   0.0360   0.0375   0.0372   0.0393   0.0394
 新形成的气体量[mol]   0.0068   0.0083   0.0079   0.0101   0.0102
 得自水解残余物的气体量[mol]   -   0.0015   0.0010   0.0033   0.0034
 水解残余物气体量中的CH4含量[％]   -   41   68   62   58
 水解残余物气体量中CO2含量[％]   -   4   15   31   27
 CO2和CH4之和[％]   -   45   84   93   84
由水解残余物形成的气体量中甲烷和二氧化碳的含量对实验号22、23和24而言在84％-93％之间。
4.6由水解残余物和得自(目标产物)发酵的生物质共发酵形成沼气
与4.5进行类似的实验。获得的干物质的总量是来自于发酵残余物的占39％，来自于水解残余物的占61％。
该表显示了以体积百分比计的甲烷和二氧化碳含量，还显示了减去参照样品本身形成的气体的绝对量。硫化氢含量未检出，这是由于对水解残余物的发酵和发酵残余物的发酵的而言，该值都低于气相色谱阈值0.05体积％。
表5：共发酵时甲烷和二氧化碳的量
  瓶号   20   21   24
  样品   参照   0.4g水解残余物&发酵残余物   0.8g水解残余物&发酵残余物
  实验结束时的绝对压[hPa]   1129   1194   1241
  气体量[mol]   0.0311   0.0330   0.0342
  CH4含量[体积％]   1   3.7   6
  CO2含量[体积％]   0.9   1.8   2.5
  CH4含量[mol]   0.00031   0.00122   0.00205
  CO2含量[mol]   0.00028   0.00059   0.00086
  减去参照的CH4的量[mol]   -   0.00091   0.00174
  减去参照的CO2的量[mol]   -   0.00031   0.00058
4.7单-和共发酵的对比
将单发酵实验中按比例加入气体量时甲烷的绝对量3551(STP)/kg oDS(标准升/kg oDS(所用有机干物质))与共发酵实验中的430l(STP)/kg oDS相比较显示，共发酵可以获得显著高的基于质量的甲烷量。因此共发酵优于单发酵。
4.8水解物的降解度
降解度显示在给定停留时间内有多少百分比的有机干物质降解。
为了该计算，将测定的甲烷和二氧化碳的摩尔量转变成重量并以所用底物量为基础。
表6显示计算的水解残余物的降解度。
表6：水解残余物的降解度
  瓶号   23   24
  样品   0.8g水解物   0.8g水解物
  CH4的量[mol]   0.00205   0.00193
  CO2的量[mol]   0.00101   0.00089
  CH4的重量[g]   0.0328   0.0310
  CO2的重量[g]   0.0443   0.0394
  气体的总重量[g]   0.0771   0.0704
  oDS水解残余物的量[g]   0.139   0.139
  降解度[％]   56   51
它显示了两个样品非常一致并且平均值为54％。作为偶联沼气生产与水解步骤的结果，这样使得要处理掉的水解残余物(有机干物质)的量降低54％。
4.9水解、发酵和沼气生产的偶联
该实例以容积为100,000t/a葡萄糖当量的水解设备为基础。该设备与制备L-赖氨酸的发酵设备偶联。制得的葡萄糖溶液浓缩至发酵所需的浓度并灭菌。这些操作耗能很大。这种设备的能量需求约为625GWh/a。沼气生产(共发酵)产生约47.6GWh/a的电和约52.3GWh/a的热量。就目前实例而言，与发酵制备目标产物偶联的水解的约1/6的总能量需求由本发明的沼气生产提供。

Claims (11)

1.综合利用酶水解可更新原料获得的溶液和固体的能量和物料含量的方法，包括：
a)制备包含至少一种可被微生物利用的碳源的含水水解混合物，所述微生物用于从可更新原料通过酶水解制备目标物质，
b)使用所述含水混合物作为碳源通过发酵制备优选具有至少3个碳原子或者至少2个碳原子和至少1个氮原子的目标物质，其中
c)在步骤b)之前，去除步骤a)获得的水解混合物中的固体成分，和
d)所述固体成分经过厌氧共发酵用于制备沼气。
2.如权利要求1所述的方法，其中所得沼气被收集、燃烧和转变成热能和/或电能。
3.如权利要求1和2所述的方法，其中所得热能和/或电能用于所述方法的一个或多个工艺步骤中。
4.如权利要求1和2所述的方法，其中权利要求1中步骤b)的发酵中获得的生物质被取出，并在权利要求1中步骤d)的厌氧共发酵中转变成沼气。
5.如权利要求1和2所述的方法，其中
a)所得热能和/或电能用于所述方法的一个或多个工艺步骤中，和
b)将权利要求1中步骤b)的发酵中获得的生物质在权利要求1中步骤d)的厌氧共发酵中转变成沼气。
6.如权利要求1-5之一或多项所述的方法，其中所用碳源是谷物。
7.如权利要求6所述的方法，其中谷物选自玉米、黑麦、小麦和大麦。
8.如一个或多个前面权利要求所述的方法，其中制得的目标物质选自任选带有羟基的具有3-10个碳原子的有机一-、二-和三羧酸、蛋白和非蛋白氨基酸、嘌呤碱、嘧啶碱；核苷、核苷酸、脂类；饱和和不饱和脂肪酸；具有3-8个碳原子的二醇、具有3个或更多羟基的多元醇、具有至少4个碳原子的相对长链醇、碳水化合物、芳香化合物、维生素、维生素原、蛋白质、类胡萝卜素、具有3-10个碳原子的酮、内酯、生物聚合物和环糊精。
9.如一个或多个前面权利要求所述的方法，其中制得的目标物质选自氨基酸和维生素，以及它们的前体和转化产物，特别是赖氨酸、甲硫氨酸、泛酸和核黄素，以及多羟基链烷酸酯、琥珀酸、乳酸、苏氨酸、丙酸、丙二醇、丁醇、丙酮、色氨酸和海藻糖。
10.如一个或多个前面权利要求所述的方法，其中用于发酵的微生物选自过度生产天然或者重组氨基酸、维生素、它们的前体和/或转化产物或者多羟基链烷酸酯的微生物，特别是选自过度生产赖氨酸、甲硫氨酸、泛酸、核黄素、多羟基链烷酸酯、琥珀酸、乳酸、苏氨酸、丙酸、丙二醇、丁醇、丙酮、色氨酸和海藻糖的微生物。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述微生物选自棒杆菌属(Corynebacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、阿舒囊霉属(Ashbya)、埃希氏菌属(Escherichia)、曲霉属(Aspergillus)、产碱菌属(Alcaligenes)、放线杆菌属(Actinobacillus)、厌氧螺菌属(Anaerobiospirillum)、乳杆菌属(Lactobacillus)、丙酸杆菌属和梭菌属(Propionibacterium)，特别是选自谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)、棉阿舒囊霉菌(Ashbya gossypii)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、黑曲霉(Aspergillus niger)或者广泛产碱菌(Alcaligenes latus)、产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniproducens)、产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillussuccinogenes)、德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)、希赖曼氏乳杆菌(Lactobacillus leichmanni)、阿拉伯糖丙酸杆菌(propionibacteriumarabinosum)、薛氏丙酸杆菌(propionibacterium schermanii)、费氏丙酸杆菌(propionibacterium freudenreichii)、丙酸梭菌(Clostridium propionicum)和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)的菌株。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125345A (zh) * 2020-08-04 2020-12-25 同济大学 一种复合材料Met@Fe3O4及其制备方法和应用

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007048277A1 (de) * 2007-10-08 2009-04-09 Agraferm Technologies Ag Verfahren und Vorrichtung zur mikrobiellen Herstellung eines bestimmten Produktes und Methan
EP2098596A1 (en) * 2008-03-06 2009-09-09 Wageningen Universiteit Method and installation for producing electricity and conversion products, such as ethanol
FI20095691A0 (fi) * 2009-06-18 2009-06-18 Valtion Teknillinen Menetelmä jätepohjaisten liikennepolttoaineiden ja lisäarvotuotteiden valmistamiseksi
GB2478588A (en) * 2010-03-12 2011-09-14 G5 Internat Holdings Pte Ltd Microbial production of polyhydroxyalkanoates (PHAs) using culture medium containing hydrogen
DE102011106772A1 (de) * 2011-07-05 2013-01-10 Kurt Nonnenmacher Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Methangas aus organischem Reststoff
CN103131733A (zh) * 2011-11-26 2013-06-05 嘉兴慧升生物技术咨询有限公司 一种利用生物废弃物组合生产生物质能的新方法
KR101335853B1 (ko) * 2011-12-01 2013-12-02 씨제이제일제당 (주) Ｌ-아미노산 및 리보플라빈을 동시에 생산하는 미생물 및 이를 이용한 ｌ-아미노산 및 리보플라빈을 생산하는 방법
CN102796774B (zh) * 2012-07-18 2014-09-17 同济大学 一种连续发酵制备高丙酸含量短链脂肪酸的方法
DE102013002332A1 (de) * 2012-12-07 2014-06-12 Eads Deutschland Gmbh Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von Kraftstoffen
GB201814543D0 (en) * 2018-09-06 2018-10-24 3F Bio Ltd Process and product thereof
DE102021101167A1 (de) * 2021-01-20 2022-07-21 WAS Wirtschaftsagentur Martin Schroeder GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Verwertung von organischen Materialien

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5610036B1 (zh) 1969-07-23 1981-03-05
JPS57152890A (en) * 1981-03-16 1982-09-21 Nippon Kagaku Kikai Seizo Kk Alcoholic fermentation of syrup made from starch
DE4130868C2 (de) 1991-09-17 1994-10-13 Degussa Tierfuttermittelsupplement auf der Basis einer Aminosäure und Verfahren zu dessen Herstellung
US5936037A (en) 1996-05-28 1999-08-10 Riken Vinyl Industry Co., Ltd. Thermoplastic elastomeric resin composition and a process for the preparation thereof
DE60136267D1 (de) * 2000-02-17 2008-12-04 Biogasol Ipr Aps Methode zur behandlung von lignin- und zellulosehaltigen stoffen
FR2816321B1 (fr) 2000-11-09 2003-01-24 Roquette Freres Procede de preparation d'un milieu de fermentation a partir d'une matiere premiere renouvelable
DE10327954C5 (de) * 2003-06-20 2008-06-26 Wilkening, Carl Ludwig, Dr. Verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ethanol und Methan aus Getreide
US7381550B2 (en) 2004-01-08 2008-06-03 Prime Bioshield, Llc. Integrated process for producing “clean beef” (or milk), ethanol, cattle feed and bio-gas/bio-fertilizer
DE102004026152A1 (de) 2004-05-28 2005-12-15 Basf Ag Fermentative Herstellung von Feinchemikalien
BRPI0419060A (pt) * 2004-08-31 2007-12-26 Biotech Progress A S método e dispositivos para o processamento contìnuo de matérias-primas renováveis
WO2007060683A1 (en) * 2005-11-25 2007-05-31 Council Of Scientific And Industrial Research A microbial consortium and use thereof for liquefaction of solid organic matter

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125345A (zh) * 2020-08-04 2020-12-25 同济大学 一种复合材料Met@Fe3O4及其制备方法和应用
CN112125345B (zh) * 2020-08-04 2022-02-18 同济大学 一种复合材料Met@Fe3O4及其制备方法和应用

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