TWI414606B - 提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法 - Google Patents

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Description

提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法
本發明係有關於一種提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，尤指涉及一種將木糖醱酵所得之酒精濃度與葡萄糖轉化之酒精濃度加成，特別係指能俾使酒精醱酵液之酒精濃度與最終之酒精產量提升1.5~2.0倍或達4%(w/w)以上之酒精濃度者。
近世紀以來在石化能源快速地被消耗下，各國紛紛開發替代能源，藉以舒緩未來於能源供給之壓力。其中，由於生質燃料因具有大規模量產與應用之潛力，故近年來已成為各先進國家之替代性能源之重要選項。目前生質燃料多利用栽植作物為生產原料，並以生質酒精為最具代表性之生質燃料之一。基本上，生質酒精可添加至汽油中，取代甲基第三丁基醚(Methyl Tert-Butyl Ether,MTBE)與降低汽油之使用量，不僅可減少二氧化碳等溫室氣體之散逸量，亦有助於改善運輸工具造成之空氣污染。
現階段生質酒精之生產原理主要係利用生物醱酵技術將葡萄糖及蔗糖等單糖轉化為酒精。一般而言，生質酒精依原料來源可區分為澱粉酒精、糖質酒精及纖維酒精等三大類。其中，澱粉酒精及糖質酒精之生產原料分別為穀類作物及甘蔗，纖維酒精則以栽植作物及農業廢棄物中之纖維素及半纖維素為生產原料。儘管由穀類作物與甘蔗等來源轉化酒精較為容易，且取得之糖質濃度也較高，相對地使後續酒精產出濃度亦較高，但由於纖維素及半纖維素之取得成本低，不易與糧食作 物之取得產生衝突，且生產來源及種類亦相當多樣化，故纖維酒精已視為未來最具潛力之生質酒精生產技術。
由於木質纖維素轉化酒精之製程中，涉及固液相之間之非均相反應，若大幅提高製程中之固含量，不僅會使物料之傳送與攪拌之困難度相對提高，亦可能因物料流動性不佳造成之質傳限制，而使得轉化效率降低，因而造成木質纖維素可取得之糖質濃度較低，因此其製程中藉由醱酵單元所產生之酒精濃度亦不如澱粉與糖質等原料般高，故其醱酵後之溶液之酒精濃度會較低，必須再藉由蒸餾單元純化至95%之高純度酒精，而此時所需之能耗亦將大幅提高。鑑於此，一般而言，纖維酒精製程中醱酵液產出之酒精濃度需至少在4%以上，方能有效降低酒精蒸餾之能耗。
一般纖維生質原料主要含有60~80%之纖維素與半纖維素，以及15~25%之木質素，其中半纖維素需先以前處理程序(Pretreatment Process)轉化為五碳糖(主要為木糖)後，才能以生物醱酵技術將這些單糖進一步轉化為酒精。在半纖維素轉化糖類之前處理技術中，現階段多採用稀酸水解(Dilute Hydrolysis)或稀酸催化蒸汽爆裂(Acid-Catalyzed Steam Explosion)等高溫高壓熱化學前處理技術(Thermal Chemical Pretreatment)，將半纖維素分解為木糖，由於此類前處理技術之反應過程中，通常係先將一定比例之生質原料與水溶液裝填於反應器內，再於高溫高壓反應條件下加入1~3%(w/w)之稀硫酸，反應後所得之液體即稱為水解液；然而，在稀酸前處理過程中，糠醛(Furfural)、羥甲基糠醛(Hydroxy methyl Furfural,HMF)或有機酸等醱酵抑制物會伴隨著木糖釋出而產 生，此類化合物對於醱酵菌株具有毒化或抑制作用，會降低酒精轉化效率。因此，現階段前處理所得之木糖水解液通常會先以過鹼化法(Overliming)移除糠醛，如第4圖所示，將前處理產出之水解液去毒性(Detoxification)，方能使後續生物醱酵作用得以順利進行。
待完成前處理後，其剩餘之固體渣料之長鏈纖維需進一步降解成單糖((C6 H10 O5 )n+nH2 O→nC6 H12 O6 )，其主要原理係利用稀酸、濃酸或酵素添加等方式進行催化分解，而其中尤以添加纖維水解酵素可降低因化學方法可能造成之環境衝擊，故為目前主要趨勢。傳統上纖維酒精生化製程包括程序1：分批水解及醱酵程序(Separate/Sequential Hydrolysis and Fermentation,SHF)，如第5圖所示；或程序2：同步水解及醱酵程序(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)，如第6圖所示。由於木糖經酵母菌株醱酵後所生成之酒精濃度偏低，而許多纖維酒精測試廠均利用木糖生產酒精，導致無形中降低了單位纖維原料之酒精生產量，因此，目前酒精示範廠中已少以木糖作為生產酒精之來源，且從上述傳統生化製程中，前處理使用稀酸法破壞木質纖維素，並經固液分離後，其水解產出之木糖水解液5直接可進行醱酵，所剩餘之固體渣料6則會進行纖維素水解與葡萄糖醱酵，因此纖維素轉化為酒精之製程此時與木糖醱酵為並行程序；然而，因酵素水解製程需要添加一定容積之水量與固體渣料6混合，儘管一般葡萄糖產生之酒精會高於木糖發酵產生之酒精濃度，但當兩發酵液混合蒸餾時，其酒精濃度會因混合後溶液變大而降低，因而造成蒸餾能耗提高。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時提高纖維 轉化酒精程序之最終酒精產出濃度之所需，實有必要尋求提升木質纖維轉化產製酒精競爭力之技術。
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一種將木糖醱酵所得之酒精濃度與葡萄糖轉化之酒精濃度加成，俾能有效地同時提升醱酵液之酒精濃度與最終之酒精產量之製程者。
本發明之次要目的係在於，提供一種將所得之最終酒精濃度達4%(w/w)以上，可較傳統之分批水解及醱酵程序、以及同步水解及醱酵程序中，木糖醱酵液與六碳糖醱液混合所得之酒精濃度提升1.8倍以上，進而有效降低後續蒸餾所需之能耗者。
本發明之另一目的係在於，提供一種在可產出較高之酒精濃度之製程為前提下，亦可考量利用木糖醱酵生產酒精，藉此增加單位纖維原料之酒精生產量者。
本發明之再一目的係在於，提供一種利用醱酵液取代酵素水解及醱酵操作所需外添加之用水，俾使用水量減少50%，以達降低纖維酒精廠之用水成本者。
為達以上之目的，本發明係一種提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其特徵係將木糖水解液經酵母菌Pichia stipitis 醱酵後所得之酒精醱酵液，與前處理後之木質纖維素混合後，接續添加酵母菌Saccharomyces cerevisiae 與纖維水解酵素進行同步水解及醱酵，得最終酒精醱酵液，藉以將木糖醱酵所得之酒精濃度與葡萄糖轉化之酒精濃度加成，俾使酒精醱酵液之酒精濃度與最終之酒精產量提升1.5~2.0倍或達4%(w/w)以上 之酒精濃度者。
請參閱『第1圖』所示，係本發明纖維酒精生化製程程序之流程示意圖。如圖所示：本發明係一種提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，係將木糖醱酵後所得之酒精醱酵液導入酵素水解反應槽中，與前處理後之木質纖維素固體渣料(即前處理固渣)混合後，接續添加酵母菌與酵素，以同步水解及醱酵，得最終酒精醱酵液，俾以將固體渣料中之纖維素轉化為酒精，且將木糖醱酵所得之酒精濃度與葡萄糖轉化之酒精濃度加成，俾使酒精醱酵液之酒精濃度與最終之酒精產量提升1.5~2.0倍或達4%(w/w)以上之酒精濃度者。
上述木糖水解液與前處理固渣係為可選自稻稈(Rice Straw)、蔗渣(Bagasse)、芒草(Silvergrass)、狼尾草(Napiergrass)、鳳梨皮、柳枝稷(Switchgrass)、木材(Wood)及竹子(Bamboo)等木質纖維原料經前處理後所得，且該前處理之方法係為雙軸螺旋擠壓混酸配合熱水溶洗反應、稀酸催化反應、酸催化蒸汽爆裂反應或其他稀酸前處理方法。其中，前處理後所得之木糖水解液係可直接醱酵，或先經由過鹼化法(請參第4圖所示)調理，依次進行加熱、添加過量石灰、固液分離及添加酸劑調整木糖水解液酸鹼值至弱酸性等步驟後再進行醱酵，於其中，該木糖水解液醱酵時之酸鹼值(pH)係介於4.5~7.0之間。
當運用時，本發明係利用木糖水解液1馴化所得之木糖醱酵菌株Pichia stipitis (ATCC 58785；BCRC21777)進行木糖水 解液醱酵生產酒精，其醱酵菌株接種量與醱酵液體積比係介於1：5~1：10(v/v)之間，且操作溫度介於25~30℃之間，藉其木糖轉化酒精效率可達70%以上，將有助於提升本發明最終產出之酒精濃度。待酵母菌Pichia sitipitis 完成木糖水解液醱酵完成後，其所得之木糖醱酵液取代同步水解醱酵程序操作時額外添加之水溶液，並與前處理後之木質纖維素固體渣料2之重量比以介於1：5~1：10(v/v)之間之一定比例裝填於酵素水解反應器內，接續同時添加葡萄糖醱酵菌株Saccharomyces cerevisiae 與纖維水解酵素於酵素水解反應器，其醱酵菌株接種量與醱酵液體積比係介於1：10~1：20(v/v)之間，並以溫度介於35~40℃之間進行操作反應。於其中，由於醱酵液之水質組成較為複雜，含有稀酸前處理時產生之微量抑制物、酸鹼值調整衍生之無機鹽類以及木糖醱酵產生之酒精/副產物，因此取代酵素水解及醱酵操作所需額外添加之用水時，所使用之水解酵素及酵母菌可能需要具有較高之環境耐受力，才能維持合理之轉化效率。基於本發明所使用之纖維水解酵素與葡萄糖酵母菌，在上述含有複雜組成之木糖發酵液中仍能維持合理之轉化效率，因此所生成之酒精濃度方能與木糖發酵之酒精濃度加成，達到本發明之目標。
請參閱『第2圖』所示，係本發明之酵母菌Pichia stipitis 醱酵木糖水解液之酒精生成曲線圖。如圖所示：於一較佳實施例中，係本發明以酸催化蒸汽爆裂前處理稻稈所得之木糖水解液與前處理稻渣進行程序之操作。首先，將前處理所得之稻稈木糖水解液以過鹼化法進行調理，移除糠醛(Furfural)以降低木糖水解液對酵母菌之抑制性，後續添加木糖醱酵菌株Pichia stipitis 於5L醱酵槽進行醱酵程序，其中，醱酵溫度控制在30℃、攪拌速度維持在100rpm、醱酵菌株接種量與醱酵液體積比為1：5(v/v)、以及pH維持在6.0。經實施結果顯示，木糖醱酵於52小時可產出之酒精濃度為10.2g/L，後續即可以此醱酵液作為取代同步水解醱酵程序操作時之外添加用水。
請參閱『第3圖』所示，係本發明與傳統製程於固液比為1：6.7之酒精生成曲線比較圖。如圖所示：於再一較佳實施例中，係本發明以5L醱酵槽進行操作，以上述Pichia stipitis 醱酵木糖水解液所得之醱酵液取代同步水解醱酵程序操作時之外添加用水(如第1圖所示)，並與傳統製程(如第6圖所示)比較。其中，本實施例係先與一定乾重之前處理稻稈渣料進行混合，並將含固體之混合液之pH值調整至5.0，後續添加醱酵菌株接種量與醱酵液體積比為1：10(v/v)，並同時添加纖維水解酵素，以使用劑量為Celluclast 1.5L 15FPU/g cellulose搭配Novozym 188，最後使反應器中達到固體與液體比為1：6.7(v/v)後，於35℃下進行反應。經實施結果顯示，本製程所得之酒精生成曲線32係可使酒精濃度由傳統製程所得之酒精生成曲線42之35g/L增加至44g/L；另外，本製程之反應時間相較於傳統製程亦無明顯之差異。
由上述各實施例可知，本發明中提升纖維原料生產酒精濃度之製程之主要特徵，除了可將所得之最終酒精濃度達4%(w/w)以上，可較傳統之分批水解及醱酵程序(Separate/Sequential Hydrolysis and Fermentation,SHF)、以及同步水解及醱酵程序(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)中，木糖醱酵液與六碳糖醱液混合所得之 酒精濃度提升1.8倍以上，進而有效降低後續蒸餾所需之能耗外，亦在可產出較高之酒精濃度之製程設計下，可考量利用木糖醱酵生產酒精，藉此增加單位纖維原料之酒精生產量；再者，本製程中亦利用醱酵液取代酵素水解及醱酵操作所需外添加之用水，俾使用水量減少50%，進而降低纖維酒精廠之用水成本。
綜上所述，本發明係一種提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，可有效改善習用之種種缺點，藉以將木糖醱酵所得之酒精濃度與葡萄糖轉化之酒精濃度加成，俾使醱酵液之酒精濃度與最終之酒精產量提升1.5~2.0倍或達4%(w/w)以上之酒精濃度者，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
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明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
 (本發明部分)
1‧‧‧木糖水解液
2‧‧‧固體渣料
32‧‧‧本製程所得之酒精生成曲線
42‧‧‧傳統製程所得之酒精生成曲線
(習用部分)
5‧‧‧木糖水解液
6‧‧‧固體渣料
第1圖，係本發明纖維酒精生化製程程序之流程示意圖。
第2圖，係本發明之酵母菌Pichia stipitis 醱酵木糖水解液之酒精生成曲線圖。
第3圖，係本發明與傳統製程於固液比為1：6.7之酒精生成曲線比較圖。
第4圖，係傳統木糖水解液以過鹼化法調理之流程示意圖。
第5圖，係傳統纖維酒精生化製程中分批水解及醱酵程序之流程示意圖。
第6圖，係傳統纖維酒精生化製程中同步水解及醱酵程序之流程示意圖。
1‧‧‧木糖水解液
2‧‧‧固體渣料

Claims (7)

  1. 一種提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其包含：(A)將木糖水解液以木糖醱酵菌株Pichia stipitis 進行醱酵，產生一酒精醱酵液；以及(B)將該酒精醱酵液與一前處理固渣混合，添加葡萄糖醱酵菌株Saccharomyces cerevisiae 與纖維水解酵素，進行同步水解及醱酵，得酒精濃度至少為4%(w/w)之最終酒精醱酵液。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該步驟(A)木糖水解液於醱酵時之酸鹼值(pH)係介於4.5~7.0之間。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該木糖水解液係由選自稻稈(Rice Straw)、蔗渣(Bagasse)、芒草(Silvergrass)及狼尾草(Napiergrass)之木質纖維原料經由雙軸螺旋擠壓混酸搭配熱水溶洗反應、稀酸催化反應或酸催化蒸汽爆裂反應取得。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該前處理固渣係由選自稻稈、蔗渣、芒草及狼尾草之木質纖維原料經由雙軸螺旋擠壓混酸搭配熱水溶洗反應、稀酸催化反應或酸催化蒸汽爆裂反應取得。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該步驟(A)木糖水解液於醱酵時之醱酵溫度係介於25~30℃之間。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該步驟(A)木糖水解液以木糖醱酵菌株 Pichia stipitis 進行醱酵時，其醱酵菌株接種量與醱酵液體積比係介於1：5~1：10(v/v)之間。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之提升木質纖維素轉化酒精濃度之方法，其中，該步驟(B)同步水解及醱酵時之醱酵溫度係介於35~40℃之間。
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