CN103894065B - 糖化液的杂菌去除方法及发酵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及糖化液的杂菌去除方法及发酵系统。本发明提供了一种在使用普通的酵母的生物质糖化液的酒精发酵中，不使用抗生物质而能够抑制发酵罐内的杂菌增殖的糖化液的杂菌去除方法，以及像这样的糖化液的杂菌去除方法的实施所适用的发酵系统。取出发酵罐内的糖化液（发酵液），在进行从糖化液中回收酵母的粗分离之后，进行从分离了酵母的糖化液中去除杂菌的精密分离，借助于此回收酵母并从糖化液中仅去除杂菌。粗分离是通过具备孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜的膜过滤或通过50G以上500G以下的离心分离。精密分离是通过具备孔径在0.22μm以下的过滤膜的膜过滤或通过1000G以上15000G以下的离心分离。

Description

糖化液的杂菌去除方法及发酵系统

技术领域

本发明涉及通过像硫酸法、亚临界水法或酵素法那样的公知的加水分解方法使像木质系生物质（biomass）或草本系生物质那样的木质纤维素系生物质中的半纤维素或纤维素的糖类分解，进而在使用酵母进行乙醇（ethanol）发酵的发酵罐内，用于防止发酵罐内的糖化液中的杂菌繁殖的杂菌去除方法。又，本发明涉及像这样的糖化液的杂菌去除方法的实施所适用的发酵系统。

背景技术

以木质系生物质为代表的木质纤维素系生物质由约20%的半纤维素、约50%的纤维素和约30%的木质素构成。半纤维素和纤维素通过糖化处理被分解为糖类，进而通过使用像酵母那样的发酵微生物进行发酵便可制造乙醇。通过半纤维素的糖化得到C5糖类和C6糖类，通过纤维素的糖化得到C6糖类。

在此，C5糖类是指像木糖或阿拉伯糖那样的五碳糖及其低聚糖（oligosaccharide）。C6糖类是指像葡萄糖或半乳糖那样的六碳糖及其低聚糖。

生物质糖化液的酒精（alcohol）发酵中，主要是使用酵母，在发酵罐内进行8至72小时程度的酒精发酵。然而，酒精发酵也是杂菌（例如，明串珠菌（Leuconostoc）属、柠檬菌（citrobacter）属或乳球菌（Lactococcus）属细菌）容易繁殖的条件，因此在糖化液内混入杂菌的情况下，糖类就会被杂菌消耗。

此外，在杂菌中也存在阻碍酵母生长或者阻碍通过酵母进行酒精发酵的种类。因此，发酵罐内的糖化液中的杂菌进行繁殖的话，乙醇产率便会下降，很可能会降低生物乙醇制造的经济实用性。

专利文献1公开了一种可进行基质的完全连续供给，不会导致生产性的降低并可进行任意的乙醇生产微生物的连续培养发酵的乙醇生产微生物的连续培养发酵装置。专利文献1中，将发酵液（糖化液）从发酵罐中取出后进行固液分离，将乙醇生产微生物回收至发酵罐。优选的是在发酵液中添加作为β-内酰胺系抗生物质的青霉素。

另一方面，作为不依存抗生物质的糖化液的酒精发酵方法，也着眼于通过酸的添加以抑制杂菌的增殖的方法。专利文献2公开了一种作为在通过酸的添加而抑制细菌的增殖的状态下的酒精发酵所适用的具有酸耐性的新型酵母，在5%乳酸存在下可生长的假丝酵母（Candida）属光滑（glabrata）种的酵母（NFRI3164株）。

现有技术文献：

专利文献

专利文献1：日本特开2011-92041号公报；

专利文献2：日本特开2009-142219号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

如专利文献1中所公开的，通过向生物质糖化液的发酵罐内添加抗生物质，可抑制杂菌的繁殖。但是由于抗生物质比较昂贵，所以生物乙醇的生产成本就会提高。又，糖化液（发酵液）内添加的抗生物质流出至像污水处理设施那样的外部环境中的话，存在活性污泥的活性下降的情况，所以需要抗生物质处理用的专用设备。

专利文献2所公开的那样的特殊的酵母不像普通的酿造用酵母那样便宜且容易购买。因此，为了经济地连续生产生物乙醇此法是不适宜的。

本发明目的在于提供一种在使用普通的酵母的生物质糖化液的酒精发酵中，不使用抗生物质或酸而能够抑制发酵罐内的杂菌增殖的糖化液的杂菌去除方法，以及像这样的糖化液的杂菌去除方法的实施所适用的发酵系统。

解决问题的手段：

本发明人等为了解决上述问题而反复专心研究，结果找到了取出发酵罐内的糖化液（发酵液）并进行从糖化液中回收酵母的粗分离后，进行从分离了酵母的糖化液中去除杂菌的精密分离，借助于此可回收酵母并从糖化液中仅去除杂菌的方法，至此本发明完成。

具体而言，本发明涉及糖化液的杂菌去除方法，具有：在使用酵母使糖化液进行酒精发酵的发酵罐内，取出发酵罐内的糖化液的一部分，通过具备过滤膜的第一膜分离装置进行过滤处理，或者通过第一离心分离装置进行离心分离，借助于此不会回收杂菌地回收酵母的粗分离工序A；和所述粗分离工序A后，通过具备过滤膜的第二膜分离装置进行过滤处理，或者通过第二离心分离装置进行离心分离，借助于此从被回收了酵母的糖化液中分离杂菌的精密分离工序B；将通过所述粗分离工序回收的酵母和通过所述精密分离工序而分离了杂菌的糖化液返送回发酵罐内，借助于此回收糖化液中的酵母并选择性地去除杂菌。

所述粗分离工序A优选的是通过具备孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜的第一膜分离装置过滤处理糖化液的一部分的工序A1，或通过第一离心分离装置以50G以上500G以下离心分离糖化液的一部分的工序A2。所述精密分离工序B优选的是通过具备孔径在0.22μm以下的过滤膜的第二膜分离装置过滤处理被回收了酵母的糖化液的工序B1，或通过第二离心分离装置以1000G以上15000G以下离心分离被回收了酵母的糖化液的工序B2。

仅仅过滤糖化液的话无法充分地去除杂菌。另一方面，如果为了充分的去除杂菌而通过孔径较小的过滤膜对糖化液进行膜分离处理的话，会丢失酵母，因此即使去除了杂菌也会降低酒精发酵效率。所以，如果首先进行从糖化液中回收比杂菌大的酵母的粗分离处理A，然后进行从粗分离处理后的糖化液中去除杂菌的精密分离处理B的话，便可回收酵母并从糖化液中仅去除杂菌。其结果是，可抑制发酵罐内的杂菌的繁殖。

作为粗分离处理A，可选择通过具备孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜的膜分离装置的过滤处理（工序A1），或通过离心分离装置以50G以上500G以下的离心分离（工序A2）。作为精密分离处理B，可选择通过具备孔径在0.22μm以下的过滤膜的膜分离装置的过滤处理（工序B1），或通过离心分离装置以1000G以上15000G以下的离心分离（工序A2）。

通过工序A1或工序A2回收酵母，通过工序B1或B2从糖化液中去除杂菌，将酵母和去除了杂菌的糖化液返送回发酵罐内，借助于此，可抑制发酵罐内的杂菌的繁殖并防止酵母的损失，从而维持较高的发酵效率。

而且，本发明涉及一种发酵系统，具备：使用酵母使糖化液进行酒精发酵的发酵罐；取出发酵罐内的糖化液的一部分，通过具备过滤膜的第一膜分离装置进行过滤处理，或者通过第一离心分离装置进行离心分离，借助于此不会回收杂菌地回收酵母的粗分离装置；从被所述粗分离装置回收了酵母的糖化液中，通过具备过滤膜的第二膜分离装置进行过滤处理，或者通过第二离心分离装置进行离心分离，借助于此分离杂菌的精密分离装置；和将含有从所述粗分离装置中得到的酵母的糖化液，以及从所述精密分离装置中得到的去除了杂菌的糖化液返送回发酵罐内的返送路径；该发酵系统回收糖化液中的酵母并选择性地去除杂菌。

所述粗分离装置优选的是通过孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜进行过滤处理的第一膜分离装置，或以50G以上500G以下进行离心分离的第一离心分离装置。所述精密分离装置优选的是通过孔径在0.22μm以下的过滤膜进行过滤处理的第二膜分离装置，或以1000G以上15000G以下进行离心分离的第二离心分离装置。

发明效果：

根据本发明，即使不向糖化液内添加抗生物质或酸，也可持续地抑制生物质糖化液的发酵罐内的杂菌的增殖。又，即使在不需要特殊的酵母，使用普通的酿造用酵母的情况下，也可抑制发酵罐内的杂菌的繁殖。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施形态的发酵系统的概略流程图；

图2是示出根据本发明的第二实施形态的发酵系统的概略流程图；

图3是示出根据本发明的第三实施形态的发酵系统的概略流程图；

图4是示出根据本发明的第四实施形态的发酵系统的概略流程图；

符号说明：

1 发酵罐；

2 糖化液（发酵液）；

3 搅拌装置；

4、5、6、8、9、10、12、13、22、23、32、33 配管；

7 膜过滤装置（第一膜分离装置）；

11 膜过滤装置（第二膜分离装置）；

21 离心分离装置（第二离心分离装置）；

31 离心分离装置（第一离心分离装置）；

M 马达；

P 泵。

具体实施方式

参照适宜附图说明本发明的实施形态。本发明并不限定于以下的记载。

〈第一实施形态〉

图1是示出根据本发明的第一实施形态的发酵系统的概略流程图。发酵罐1中贮存有糖化液2。糖化液2保持在通过酵母进行酒精发酵所适合的10℃~45℃，优选的是25℃~35℃。优选的是通过由马达M旋转的螺旋桨3搅拌糖化液2。

作为糖化液2，优选的是粉碎纤维素系生物质（例如，像甘蔗渣、甜菜糟、或麦秸那样的草木系生物质），与水混合调制而成的生物质原料浆通过像1）通过像硫酸那样的强酸的氧化力加水分解生物质的方法、2）通过酵素加水分解生物质的方法、或3）利用超临界水或亚临界水的氧化力加水分解生物质的方法那样的公知方法进行处理而得到的糖化液（生物质糖化液）。不过并不限定于此，例如也可以是，压榨生物质而得到的含有糖类的液体、制造砂糖时得到的废糖蜜、或通过酸或酵素糖化淀粉质而得到的糖化液。使用强酸加水分解生物质时，在发酵罐1内进行酒精发酵之前，有必要中和强酸以防止阻碍酵母的生长。

糖化液2从与发酵罐1下部连接的配管4流出。配管4上设置有泵P且与配管5连接，发酵液2被供给至第一膜分离装置7。第一膜分离装置7是具备孔径在0.5μm以上5μm以下，优选的是孔径在0.5μm以上1μm以下的过滤膜（微滤膜）的膜分离装置。向发酵罐1→配管4→配管5→第一膜分离装置7供给的发酵液2的流速由杂菌的增殖速度决定。具体而言，以发酵罐内的发酵液循环一周所需要的时间Ts比发酵液2内的杂菌的倍加时间Td短（Td＞Ts）的方式设定流速。在此，使发酵罐1的容积为V(L)，发酵液的流速为v（L/min）的话，Ts=V/v。

配管6是用于防止泵P的负荷过大的压力调节用旁通配管，且是在进行杂菌去除时，为了防止酵母的沉降而抽出底部的发酵液的发酵液循环用配管。

酵母的直径约为5~10μm，因此无法通过孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜。另一方面，由于细菌类的直径更小，因此可以通过孔径在0.5μm以上5μm以下的过滤膜。所以，通过第一膜分离装置7过滤处理糖化液2，能将糖化液中的酵母以被包含在浓缩后的糖化液（浓缩液）中的状态回收。含有酵母的浓缩液从第一膜分离装置7的上游侧（一次侧）经过路径8和路径9返送回发酵罐1内。含有杂菌的滤液从第一膜分离装置7的下游侧（二次侧）经过路径10向第二膜分离装置11供给。

第二膜分离装置11是具备孔径在0.22μm以下的过滤膜（微滤膜或超滤膜）的膜分离装置。通过孔径在0.22μm以下的过滤膜过滤处理糖化液2，借助于此从糖化液2中去除杂菌，使滤液中不含有杂菌。去除杂菌的滤液（糖化液2）从第二膜分离装置11的下游侧（二次侧）经过路径12和路径9返送回发酵罐1内。含有杂菌的浓缩液从第二膜分离装置11的上游侧（一次侧）经过路径13向系统外部排弃。

其结果是，在图1所示的发酵系统中，发酵罐1内的酒精发酵工序的实施中，可重复回收发酵罐1内的糖化液2中的酵母，且从糖化液2中仅连续地去除杂菌。随着酒精发酵的推进，糖化液2内含有的糖类转变为乙醇，但含有乙醇的糖化液2（发酵液）也可与不含有乙醇的酒精发酵前的糖化液一样地仅去除杂菌。

发酵罐1内的酒精发酵结束后，糖化液2（发酵液）从配管14流出，使用蒸馏装置蒸馏，作为生物乙醇而产品化。

〈第二实施形态〉

图2是示出根据本发明的第二实施形态的发酵系统的概略流程图。图2所示的发酵系统除了设置离心分离装置21以取代第二膜分离装置11之外，基本的流程与第一实施形态的发酵系统相同。在此仅说明与第一实施形态的发酵系统的不同点。

第二实施形态的发酵系统通过离心分离装置21以1000G以上15000G以下离心分离第一过滤装置7的滤液。糖化液2所含有的杂菌在该离心条件下在糖化液2内沉淀，因此通过仅从离心分离装置21中取出上清液，可以此从糖化液2中去除杂菌。去除了杂菌的上清液经过配管22和配管9返送回发酵罐内。另一方面，含有杂菌的沉渣经过配管23向系统外部排弃。

〈第三实施形态〉

图3是示出根据本发明的第三实施形态的发酵系统的概略流程图。图3所示的发酵系统除了设置离心分离装置31以取代第一膜分离装置7之外，基本的流程与第一实施形态的发酵系统相同。在此仅说明与第一实施形态的发酵系统的不同点。

第三实施形态的发酵系统从配管5向离心分离装置31供给发酵液2的一部分，并以50G以上500G以下进行离心分离。在该离心条件下糖化液2中的杂菌不沉淀而仅酵母沉淀。含有酵母的沉渣经过配管32和配管9返送回发酵罐1内。另一方面，含有杂菌的糖化液2的上清液从配管33向膜分离装置11供给。

〈第四实施形态〉

图4是示出根据本发明的第四实施形态的发酵系统的概略流程图。图4所示的发酵系统除了设置离心分离装置21以取代第二膜分离装置11之外，基本的流程与第三实施形态的发酵系统相同。在此仅说明与第三实施形态的发酵系统的不同点。

第四实施形态的发酵系统将从离心分离装置31（第一离心分离装置）中取出的糖化液的上清液经过配管33供给至离心分离装置21（第二离心分离装置），并以1000G以上15000G以下进行离心分离。通过离心分离装置31回收酵母，通过离心分离装置21从糖化液中去除杂菌。像这样，通过将离心分离条件不同的两台离心分离装置进行组合，可从糖化液中只回收酵母并去除杂菌。

[实施例1]

尝试使用第三实施形态的发酵系统去除发酵罐内的糖化液的杂菌。糖化液是通过亚临界水处理稻梗而得到的糖化液，糖浓度为3.6质量%（葡萄糖1.6质量%+木糖2.0质量%）。该糖化液贮存在有效容积为4.5m³的发酵罐内，保持在26~30℃。向糖化液内添加2×10⁸个/mL的作为酵母的树干毕赤酵母（Pichia stipitis）（直径约为4μm），以60rpm这样的搅拌速度进行搅拌。此时，糖化液中的杂菌浓度为1×10⁶个/mL以下。杂菌的平均粒径约为0.5μm。

随着时间的推移，糖化液中的杂菌浓度上升，12小时后变为5×10⁷个/mL。在此，启动泵P，将糖化液以1.0m³/h这样的条件供给至离心分离装置（齐藤离心机工业株式会社，ADS3003CS），以800G进行离心分离。糖化液中含有的酵母变为酵母浓缩液。将相当于供给至离心分离装置的糖化液的容量的80%的上清液供给至具备孔径为0.2μm的微滤膜（日本PALL株式会社，Supor UEAV）的膜分离装置。另一方面，含有酵母的残余20%作为浓缩酵母液被返送回发酵罐。然后将膜分离装置的滤液返送回发酵罐内，每24小时更换一次微滤膜去除或排弃含有杂菌的过滤残渣。

发酵罐内的酒精发酵持续了96小时，但发酵罐内的糖化液（发酵液）中的杂菌浓度可抑制在1×10⁷个/mL以下。

[实施例2]

尝试使用第四实施形态的发酵系统去除发酵罐内的糖化液的杂菌。糖化液与实施例1相同，发酵罐的酒精发酵条件和进行粗分离的上游侧的离心分离装置也与实施例1相同。又，酵母的种类和向糖化液内的添加量也与实施例1相同。

从酒精发酵开始起12小时后，糖化液中的杂菌浓度变为5×10⁷个/mL。在此，启动泵P，将糖化液以1.1m³/h这样的条件供给至进行粗分离的上游侧的第一离心分离装置，并以500G、滞留时间30秒进行离心分离。糖化液中含有的酵母与实施例1相同地被返送回发酵罐内。

将通过第一离心分离装置而得到的上清液向进行精密离心分离的下游侧的第二离心分离装置（齐藤离心机工业株式会社，ADS3003CS）供给，并以5000G进行离心分离。相当于供给至第二离心分离装置的糖化液上清液的99%的上清液被返送回发酵罐内。剩余的糖化液变为含有杂菌的糊状的溶液，从第二离心分离装置中连续地取出、排弃。

发酵罐内的糖化液（发酵液）逐渐减少，因此应适当添加糖化液以保持液量不变。发酵罐内酒精发酵持续96小时，但可将发酵罐内的糖化液（发酵液）中的杂菌浓度抑制在1×10⁷个/mL以下。

工业应用性：

本发明的糖化液的杂菌去除方法及发酵系统在生物乙醇制造领域那样的能源领域及酿造产业领域中大有用处。

Claims (2)

1.一种乙醇制造方法，其特征在于，具有：

在使用酵母使糖化液进行酒精发酵的发酵罐内，取出发酵罐内的糖化液的一部分，通过第一离心分离装置以50G以上500G以下进行离心分离，借助于此不会回收杂菌地回收酵母的粗分离工序（A）；

所述粗分离工序（A）后，通过第二离心分离装置以1000G以上15000G以下进行离心分离，借助于此从被回收了酵母的糖化液中分离杂菌的精密分离工序（B）；

将通过所述粗分离工序（A）回收的酵母和通过所述精密分离工序（B）而分离了杂菌的糖化液返送回发酵罐内，借助于此回收糖化液中的酵母并选择性地去除杂菌的工序（C）；和

所述工序（C）后，蒸馏发酵液而得到乙醇的工序（D）。

2.一种乙醇制造系统，其特征在于，具备：

使用酵母使糖化液进行酒精发酵的发酵罐；

取出发酵罐内的糖化液的一部分，通过第一离心分离装置以50G以上500G以下进行离心分离，借助于此不会回收杂菌地回收酵母的粗分离装置；

从被所述粗分离装置回收了酵母的糖化液中，通过第二离心分离装置以1000G以上15000G以下进行离心分离，借助于此分离杂菌的精密分离装置；

将含有从所述粗分离装置中得到的酵母的糖化液，以及从所述精密分离装置中得到的去除了杂菌的糖化液返送回发酵罐内的返送路径；和

蒸馏酒精发酵液的蒸馏装置；

该乙醇制造系统回收糖化液中的酵母并蒸馏选择性地去除了杂菌的发酵液。