TW201114902A - Method for improving the efficiency of xylose fermentation in lignocellulosic hydrolysate - Google Patents

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201114902 '六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發=有雜升纖維水驗木贿轉化率之 糖料魏料物料得以提 二:之木糖轉，率’特別係指將其應用於木糖轉化酒精發酵 ^ ’更俾使取終酒精生成之轉化率可達90%以上者。 【先前技術】 隨著國際原油之價錢逐漸地攀相及全球暖化日益嚴重 之情況下，生質酒精在國際上已經被視為—種深具潛力並且可 以取代傳統汽油之燃料。目前前量產之生_精之主要原料 係以縠類及甘嚴為主，這料可轉化成賴之成分大都為 殿粉婦、糖，原料只需經過簡單之預處理，就可以利用酵母菌 發酵技術生產酒精。 然而，使用穀類或甘蔗作為原料生產纖維酒精之製程，一 ^存在著與人類爭奪糧食之問題，甚至造成2_年國際糧食 價格之急速上升’導致全賴食供給機制被破壞。因此，使用 木材（Wood)、稻桿（Rice Straw)、蔗渣（Bagasse)、玉米桿 (Com Stover )、麥桿（Wheat Straw )、芒屬科植物 (Silvergrass)、玉米穗軸（c〇mc〇b )及紙類之廢棄物作為原 料之第二代生質触製程，由於同時具絲源多樣性、全球儲 存置而以及*會造成糧食触之問題，故被視為極具有發展潛 力之酒精生產之製程技術。 一般纖維生質原料主要含有6〇〜8〇%之纖維素與半纖維 素’以及15〜25%之木質素，纖維素主要係由葡萄糖單體所聚 201114902 合而成’而半纖維素則係以木糖為主要單體糖類聚合而成。 前在纖維轉化成酒精之過程當中’通常會先經過稀酸水^ (Dilute-Acid Hydrolysis )或稀酸催化蒸氣爆裂法 (Acid-Catalyzed Steam Explosion)等高溫高壓熱化學前處理 技術（Thermal Chemical Pretreatment)，將半纖維分解為木糖。 基本上，在上述熱化學處理技術之反應過程中，需要一定 比例之生質原料與水溶液混合後裝填至反應器内，再於高溫^ 壓之反應條件下加人1〜2% (w/w)之稀硫酸，因此所得= 木糖發酵液體會含有較高濃度之硫酸根離子，導致影響酵母菌 將木轉化成職之能力。再者，為了提高熱化學^理之效 果，另需要提高生質原料之量、溫度或係添加有機酸之含量， 惟此亦將會增加木糖溶液中抑制物，如_ (八她Add)、 糠醛（FUr&ral)及羥甲基糠醛等發 酵抑制物’進而影響酵母菌發酵能力。

有鑑於釀轉母齡树並沒有將木料五碳轉化成 ，酒精之魏，故木糖發酵所使用之酵母g株並非過去經常被 旱來使用之釀酒酵母菌株’且目前已知具有良好轉化木糖為酒 精功能之微生物亦非常有限，僅畢鱗母（piehia卿此）及 Ca^chda. shehatae等少數酵母菌被證明為具有轉化木糖為酒精 之此力，並且’在目前所收集之相關文獻當中，使用Pichia stipitis轉化木糖為_之水解液之製備·來賴蓋有玉米 稈、稻稈 '硬木（Hard細）、軟木（滅編）、玉米德轴 〇m CGb )、鳳眼蘭（Watei< Hyacinth)、麥稈及向日葵種殼 flower Seed Hull)等種類，且目前除少數研究文獻 gbogbo, F. K. and K.S. Wenger, 2007 production of ethanol 201114902 from com stover hemicelluloses hydrolyzate using Pichia stipitis.

Jumal of Industrial Microbiology and Biotechnology 34^ 723-727)報導Picha stipitis於玉米桿木糖水解液發酵可獲得 85%之酒精生鮮之外，其餘文獻公佈所麟之木糖轉化酒 精效率平均值大約都在75%以下。 因此’上述習知技術並無法使木糖發酵能夠獲得更高之發 酵產率’藉以提高產量並減少生產成本，故一般習用者係無法 符合使用者於實際使料之所需，實有必要尋纽提升木 φ 酵之轉化效率之技術。 【發明内容】 β本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問 題’並提供-種在木糖發酵時添加木質纖維素物料，俾以提高 10/。之木轉化率，絲其細於木轉化鋪料程序中， 更俾使最終酒精生成之轉化率可達9〇%以上者。 本發明之次要目的係在於，提供—觀驗未經去毒性處 • 理(det〇XiflCati〇n)之木糖水解液發酵時，仍能提升其木糖轉化 效率，方法，在相同之反應時間下仍可獲得較高之產物濃度， 尤其是木糖水解液發酵轉化酒精之生成速率係可提高丨6 倍者。 .〜. 本發明之另-目的係在於，提供一種可在發酵槽溶液靜止 未擾拌之情況下，發酵菌株能伴隨加入之木質纖維素物料丘同 沉降’使菌株沉降之速度加快，俾使發酵反應器能以饋佩次 模式操作（RepeatedBatch) ’進而達到木糖發酵菌回收之效果 201114902 木糖發酵 質纖維素物料於木糖發酵反應器中， ^二=理後之木 轉化率，尤其㈣料料_母; 糖轉化《發酵程序時，若添加經上述處理後之木質二2 枓’可提尚之木糖轉化騎效率，俾使最終酒精生成之 L匕率可達9ί)Γ上者。其中該木_維素物料於製備時需先將 纖維原料與濃度介於1〜3%之間的稀硫酸溶液混合 八 於m〜通。c之間的高溫環境下蒸煮卜15分鐘，隨後^ 式歸其巾水驗部分，再添加含有纖維素水解酵 素（CdlUlaSe)之水溶液，將蒸煮後所得之固體渣料進行72 小時混合反應’藉以移除其中之纖維素，最後將該固體 =溶液分離，所得之__即完成本伽之木質纖維素物 【實施方式】 • 本發明係一種提升纖維水解液木糖發酵轉化率之方法，其 特徵係在擔發料添加木賊維素㈣於木轉酵反應器 中’俾以提高10〇/〇之木糖轉化率，且將其應用於木糖轉化酒精 發酵程序中’更俾使最終酒精生成之轉化率可達90%以上者。 上述木質纖維素物料必須先轉定方法製備，才可使用於 上述木糖轉化酒精發酵程序。在該木質纖維素物料中係可選自 玉米稈（Com stover )、稻稈（Rjce straw )、硬木（Hard w〇〇d )、 玉米穗軸（Corn Cob )、鳳眼蘭（Water Hyacinth )、麥稈（wheat

StraW)及向日葵種殼（Sunflower Seed Hull)作為纖維原料， 201114902 並經熱化學反應後產生纖維原料水解液，#中，該熱化學反應 係為稀酸水解前處理，且該纖維原料水解液主要係為木糖水解 液。 一當本發明於運用時，該木質纖維素物料之製備程序係使用 稻稈作為纖維原料，其包含下列步驟： 旧（A )將該纖維原料與濃度介於1〜3%之間的稀硫酸溶液 混合’其中該纖維原料之固體乾重與該稀硫酸溶液之重量比係 介於b〜1:10之間； 匕係 • ( B )將上述混合溶液置於介於130〜200°C之間的高溫 鳅境下蒸煮1〜15分鐘後，再以固液分離之方式將水溶液部 移除； • ( C )添加一含有纖維素水解酵素（Cellulase)之水溶液 至上述蒸煮後所得之固體渣料中，進行72小時混合反應，以 移除固體渣料所含之纖維素組成； (D )待該固體渣料中之纖維素移除後，將該固體渣料與 =溶液分離，所得之固體渣料即為木質纖維素物料。如是/即 擊 完成本發明中木質纖維素物料之製備。 一藉此，本發明係可有效地提高木糖發酵之轉化效率，尤其 虽酵母菌株-畢赤酵母（Pichiastipitis)應用於木糖轉化酒精發 酵程序時’若添加經上述處理後之木質纖維素物料，將該木質 纖維素物料添加量與發酵液體之重量比介於1〜5%之間，並以 酸驗值介於ΡΗ5·0〜7.〇及通氣量介於〇 〇1〜〇 〇5 wm之間進 仃操作反應，其酒精生成之效率將可提升1〇%。於其中本發 明採用之酵母菌株亦可為其他可分解木糖之菌株。 清參閱『第1圖』所示，係本發明以13〇〇c水解液進行發 201114902 酵反應’比較有無添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。如圖 所示：於一較佳實施例中，係本發明使用酸水解前處理反應條 件’以130°C反應所得之經過驗化法（〇veriiming)去毒化處 理之水解液，添加木質纖維素物料進行酵母菌發酵實驗，此時 水解液含有醋酸l_9g/L、木糖20g/L及葡萄糖2.6g/L。其中， 該水解液發酵溫度固定在30°C，培養箱震盪速度維持為 lOOrpm，且添加之發酵菌株接種量與發酵液體積比為1:6 (v/v)。當每組實驗分別添加與反應體積之重量比為1:2〇之木 ❿ 質纖維素物料時’由圖中實驗結果顯示可知，在添加木質纖維 素物料後，經過鹼化法去毒性反應之水解液發酵時之酒精生成 率將可提高約10%。 請參閱『第2圖及第3圖』所示，係分別為本發明在 ph=5.〇下以n〇°c水解液進行發酵反應，比較有無添加木質 纖維素之轉化率結果示意圖、及本發明在PH=60下以130oc 水解液進行發酵反應，比較有無添加木質纖維素之轉化率結果 示意圖。如圖所示：於另一較佳實施例中，係本發明選取酸水 _ 解前處理反應條件’以13〇。(：反應所得之未經過鹼化法去毒化 處理之水解液’於不同發酵pH進行50mL錐形瓶之發酵實驗， 此時水解液含有醋酸1.9g/L、木糖20g/L及葡萄糖2.6g/L。其 中，該水解液發酵溫度固定在30。(：，培養箱震盪速度維持^ lOOrpm，且添加之發酵菌種接種量與發酵液體積比例為'l l (v/v)。經實驗結果顯示，當木糖發酵之酸鹼值分別控制在 ΡΗ=5·0與PH=6.0時，外添加2.5g乾重之木質纖維素^料， 由第2、3圖可知’無論在pH=5.0或pH=6.0之條件下，添 木質纖維素物料皆可以提高木糖轉化為酒精之效果。其0 201114902 於在pH=5.0時，水解液所含有醋酸濃度可達19g/L ,對酵母 菌之生長與酒精生成能力皆具有顯著之抑制性(Chiung Fang Huang, Ting Hsiang LIN, Gia Luen Guo, Wen Song Hwang, 2009 Enhanced ethanol production by fermentation of rice straw hydrolysate without detoxification using a newly adapted strain of Pichia stipitis. Bi〇resource Techn〇1〇gy 3914·392〇)，因此於 pH=5.0之環境並非適合酵母菌發酵之條件，其酒精生成率僅 6S% ’惟添加木質纖維素後’將可提升木轉化酒精效率將近 10/。使/酉精生成率提升至77%左右。而當水解液酸驗值調整 為pH=6.0時，由於具有抑制性之醋酸大多解離為不具抑制性 之醋酸根離子，因此對酵韻來說應為較佳之發酵環境，此時 添加木質纖維素物料仍可以提高5%之木轉化成賴效率。 因，添加讀纖維素骑可以提升酵母g將木糖轉化成酒精 之月b力尤其於較惡劣發酵環境下所能提升之效果更甚為明 顯。

月多閱第4圖』所示’係本發明以160°C水解液進行發 酵反應比皁乂有無添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。如圖 再一較佳實施例中，為本發明選取酸水解反應更為劇 條件116W反應30分鐘所得到之水解液 /iV/t i應，此時水解液含有木糖離、葡萄糖_、醋 二太齡_2g/L及甲酸a4g/L’以酵母菌Pichiastipitis進 :，匕酒精之實驗’並測試外添加木質纖維素物料 法處理崎德力。其中，該水_、經過驗化 \酵，皿度固定在30。。’培養箱震盪速度維持 φΙΏ，且添加之發酵菌種接種量與發酵液體積比為 201114902 (★)。當每組實驗分獅加與反應體積之重量比為ι:2〇之木 質，維素物料時，由财實驗結果顯示可知，即使使用前處理 反應較為綱之轉親行發酵，添加木賊轉素仍可有效 提升10%之木糖轉化酒精效率。 。月參閱第5圖』所不，係本發明以2〇〇〇c水解液進行笋 酵反應，比較有無添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。如圖 ，.於又—較佳實施例中，為本發明使用酸催化前處理條件 為2默反應丨分鐘所得之水解液進行儿發酵槽之發酵實 驗’此時水解液含有木糖20g/L、葡萄糖7抓、醋酸【抓、 _〇.2g/L、甲基_aig/L及甲酸離。其中，該水解液 2經過驗化法處理，發酵溫度固定在取，勝轉軸之速度 rpm 1添加之發酵随接種量與發酵液體積比為1 6 (WV>當每組實驗分別添加與反應體積之重量比為1:20之木 =纖維素時’由圖中實驗結果顯示可知’添加木質纖維素可以 有效提高酵母菌生成酒精之能力，轉化率可提高至93%。 藉此’經上述實驗可知，本發明應用於未經去毒性處理之 木搪水解雜酵時，健提升其木轉狀鱗，在相同之反 j寺間下仍可獲練③之產物濃度，尤其本發财普遍應用於 ^轉化4精之發酵程序，當稀酸法前處理溫度介於⑼〜 曰〇^C之間’其產出之木糖水解液發酵時之酒精生成速率係可 S丨6倍此外’本發明亦可在發酵槽溶液靜止未授拌 之情況下，發酵菌株能以伴隨加入之木質纖維素物料共同沉 m師崎之速度加快’在雌性下，將可使發酵反應器 以饋料批次模式操作（RepeatedBatch)，達到木糖發酵菌回收 之效果。 201114902 综上所述’本發明係一種提升纖維水解液木糖發酵轉化 之方法，可有效改善習用之種種缺點，係在木糖發酵時太 質纖維素物料’俾以提高10%之木轉化率，且將其應用 糖轉化酒精發酵程序中，更俾使最終酒精轉化生成效率可 90%以上者，進而使本發明之産生能更進步 '更實用、更符八 使用者之所須’確已符合發明專利申請之要件，麦依 = 利申請。 ®寻 惟以上所述者’僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以 • 此限定本發·施之細，·故，凡依本發明申請專利|1圍^發 明說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發; 專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖’係本發明以uyc水解液進行發酵反應比較有無 添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。 第2圖，係本發明在ρΗ=5·〇下以13〇〇c未去毒性處理之 • 水解液進行發酵反應比較有無添加木質纖維素之 轉化率結果示意圖。 第3圖，係本發明在pH=6.〇下以130〇(：未去毒性處理之 水解液進行發酵反應比較有無添加木質纖維素之 轉化率結果示意圖。 第4圖’係本發明以160〇c水解液進行發酵反應比較有無 添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。 第5圖’係本發明以200oC水解液進行發酵反應比較有無 添加木質纖維素之轉化率結果示意圖。 12 201114902 【主要元件符號說明】 無

Claims (1)

1. 201114902 '七、申請專利範圍： 1 ·-種提升纖維水解液木糖發酵轉化率之方法，苴特徵 ^發酵時添加木質纖維素物料，俾以提高職之木糖轉化 产生^^於木轉化騎發_序中，更俾使最終酒 精生成之轉化率可達90%以上者。 2 利^第,1項所述之提讀維水驗木糖發酵轉 ，’其中，該木質纖維素物料係選自玉米祥（㈤ stover)、稻稈（Riee stmw)、硬木（咖WQGd) '玉米德轴 • ( C〇m ⑽）、鳳眼蘭（Water Hyacinth )、麥稈（Wheat straw ) 及向日葵種殼（SUnflowerSeedHull)作為纖維原料，並經埶 化學反應後產生纖維原料水解液。 ‘、 3 •依據申請翻範圍第2項所述之提升纖維水解液木糖發酵轉 化率之方法’其中’該熱化學反應係為稀酸水解前處理，且 該纖維原料水解液主要為木糖水解液。 4 •依據申請專利範圍第工項所述之提升纖維水解液木糖發酵轉 化率之方法’其中’該木賊維雜狀韻程序係包含下 列步驟： (A)將纖維原料與濃度介於丨〜3%之間的稀硫酸溶液 混合，其中該纖維原料之固體乾重與該稀硫酸溶液之重量比 係介於1:5〜1:1〇之間； (B )將上述混合溶液以介於160〜2〇〇。〇之間的反應溫 度瘵煮1〜15分鐘後，再以固液分離之方式移除其中水溶液 部分； (C )添加一含有纖維素水解酵素（Cellulase)之水溶液 至上述蒸煮後所得之固體渣料中進行72小時混合反應，以移 201114902 除固體渣料所含之纖維素組成； (D )待賴齡射之纖維素移除後，將翻體逢料 與水溶液分離，所得之固體渔料即為木質纖維素物料。 6 ·依據申請專利細第1項所述之提升纖維水解液木糖發酵轉 化率之方法’其巾，該木糖轉化祕發酵程序巾制之酵母 菌株為畢赤酵母（Pichiastipitis)或其他可分解木糖之菌株。 •依據申請專纖圍第1項所述之提升纖維水解液木糖發酵轉 化率之方法，其中，該木糖轉化酒精發酵程序係以酸鹼值介 • 於_.0〜7.0及通氣量介於0.01〜0.05 wm之間進行操作反 應。 ’、 8依據申請專利範圍第1項所述之提升纖維水解液木糖發酵轉 化率之方法’其中，該木糖轉化酒精發酵程序中之木質纖維 素物料添加量與發酵液體之重量比係介於1〜5%之間。 15