專利名稱：制造丁醇或丙酮的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造生物燃料和可再生化學(xué)物質(zhì)的工藝。更具體地，本發(fā)明涉及用于制造丁醇的工藝。本發(fā)明還涉及用于制造丙酮的工藝。
背景技術(shù)：
近些年來，較高的油價(jià)、耗盡的燃料供應(yīng)和環(huán)境關(guān)注已重新引起對(duì)由生物質(zhì)來生產(chǎn)燃料(“生物燃料”)的興趣。生物丁醇是通過利用細(xì)菌(通常是梭菌屬(genusClostridium))使生物質(zhì)發(fā)酵而產(chǎn)生的。除丁醇以外，這些生物體還產(chǎn)生丙酮(其為重要的溶劑)和乙醇。這樣的發(fā)酵反應(yīng)通常被稱為“ABE工藝”(丙酮/ 丁醇/乙醇工藝)。當(dāng)前使用的原料或基質(zhì)包括能源作物，諸如甜菜、甘蔗、玉米谷物和小麥，以及農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，諸如秸桿和玉米桿。在發(fā)酵過程中這樣的基質(zhì)提供了對(duì)促進(jìn)生物體的生長所必需的營養(yǎng)物的平衡。與使用乙醇相比，使用生物丁醇作為燃料具有一些優(yōu)勢。然而，目前由于生物丁醇生產(chǎn)比乙醇生產(chǎn)昂貴，因此其沒有大規(guī)模地商業(yè)化。目前通過發(fā)酵來制造丁醇和/或丙酮的許多基質(zhì)利用以上討論的能源作物，這些能源作物作為食品的成分而不是作為用于生物燃料的基質(zhì)已經(jīng)是需求量大的。因此，存在對(duì)提供一種利用可選擇的基質(zhì)來制造丁醇和/丙酮的工藝的需求。與能源作物和農(nóng)業(yè) 副產(chǎn)物一樣，其它有機(jī)材料諸如制造工藝的有機(jī)廢產(chǎn)物和/或有機(jī)副產(chǎn)物可以是潛在的基質(zhì)組分。然而，許多被證明是不合適的。例如，一些有機(jī)廢產(chǎn)物或副產(chǎn)物可能不含有適合于促進(jìn)生物體生長的均衡營養(yǎng)物，可能對(duì)生物體有害和/或可能不含有可進(jìn)入生物體的形式的足夠的必需營養(yǎng)物。因?yàn)檫@一原因，許多有機(jī)廢棄物或副產(chǎn)物作為基質(zhì)具有有限的作用且因此具有很小的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本發(fā)明提供了利用包括作為制造威士忌酒(尤其是麥芽威士忌酒)的一部分而產(chǎn)生的酒糟(pot ale)、低價(jià)值有機(jī)副產(chǎn)物的基質(zhì)來制造丁醇和/或丙酮的工藝。麥芽威士忌酒是指僅由發(fā)芽大麥的谷物生產(chǎn)的威士忌酒。麥芽威士忌酒的生產(chǎn)以通過將大麥浸泡在水中使大麥發(fā)芽開始。發(fā)芽釋放分解谷物中的淀粉并將淀粉轉(zhuǎn)化成糖的酶。當(dāng)達(dá)到期望的發(fā)芽狀態(tài)時(shí)，將發(fā)芽大麥干燥。將干燥的發(fā)芽大麥在芽漿桶中搗碎。搗碎時(shí)，允許在發(fā)芽過程中產(chǎn)生的酶將大麥淀粉轉(zhuǎn)化或水解為糖。得到的含有糖的液體被稱為麥芽汁。將該麥芽汁轉(zhuǎn)移到被稱為發(fā)酵槽的大容器中，在其中使麥芽汁冷卻并允許發(fā)酵形成“酒醪(wash)”。在提取可溶性糖或麥芽汁之后殘留的殘余物被稱為糟柏。糟柏包含廢大麥固體或麥糟(spent grain)。將酒醪在銅制蒸餾容器或罐式蒸餾鍋(也稱為初餾鍋)中蒸餾以產(chǎn)生含酒精的液體蒸餾物，也稱為低度酒。將酒精(spirit)第一次蒸餾之后殘留在初餾鍋中的蒸餾殘余物或液體(liquor)稱為酒糟或過燒強(qiáng)麥酒。在酒精蒸餾鍋中使低度酒進(jìn)行第二次蒸餾并且有時(shí)進(jìn)行第三次以產(chǎn)生無水酒精(raw spirit)，其在橡木桶中陳化以產(chǎn)生麥芽威士忌酒。第二次以及后續(xù)的蒸餾中殘留的液體被稱為廢柏(spent lees)。因此，制造麥芽威士忌酒的副產(chǎn)物包含糟柏(draff)、酒糟和廢柏。酒糟具有低的總固體含量并含有死亡的酵母細(xì)胞、酵母殘余物、可溶性蛋白、可溶性營養(yǎng)物、糖類以及來自發(fā)酵步驟和搗碎步驟的其它材料。酒糟還可含有來自蒸餾鍋?zhàn)陨淼拇罅康你~。酒糟中的營養(yǎng)物是低的并可能具有高的含銅量，使其難以在工業(yè)中進(jìn)行處置。以對(duì)工業(yè)的代價(jià)被大量地處置到海中。發(fā)明概述本申請(qǐng)的發(fā)明人開發(fā)了利用可獲自制造麥芽威士忌酒的酒糟、低的或負(fù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的副產(chǎn)物，以及糖類源諸如獲自有機(jī)廢產(chǎn)物和/或有機(jī)副產(chǎn)物的一些來制造丁醇、丙酮和/或任選地其它化學(xué)物質(zhì)的工藝。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于制造丁醇和/或丙酮的工藝，包括至少以下步驟:-處理包含糖類源和酒糟的基質(zhì)以使糖類源的至少一部分溶解以提供處理過的基質(zhì)；及-在形成丁醇和/或丙酮的微生物的培養(yǎng)物的存在下，在小于20μ M的游離銅離子的濃度下，使處理過的基質(zhì)發(fā)酵以提供含有丁醇和/或丙酮的發(fā)酵產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施方案中，酒糟是制造麥芽威士忌酒(優(yōu)選地是蘇格蘭麥芽威士忌酒)的副產(chǎn)物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，糖類源可包括但不限于城市有機(jī)廢棄物、工業(yè)有機(jī)廢棄物、農(nóng)作物和作物殘余物、木材和林業(yè)廢棄物、海洋生物質(zhì)和生物能源作物。因此，糖類源可選自包括以下的組中的一種或多種:紙、來自造紙的殘?jiān)?、麥糟諸如來源于蒸餾酒廠和啤酒廠(brewer)的那些、水果和蔬菜廢棄物、來自烘焙工業(yè)的廢棄物、海藻及海藻提取物、木片及其它林業(yè)衍生產(chǎn)品、糧食作物、谷物殘余物和作物殘余物、巧克力、藻類(大型藻類和微藻類)、不可食用作物(及殘余物)，及能源作物諸如柳枝稷。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，糖類源不是麥芽威士忌酒糟柏。在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，基質(zhì)是紙，諸如廢紙。可選擇地，基質(zhì)可以是食品廢棄物和/或小麥或小麥來源的基質(zhì)諸如面包。在另一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)酵產(chǎn)物還可包括選自包括乙醇、二氧化碳、氫、醋酸酯和丁酸酯的組的一種或多種化合物。在另一實(shí)施方案中，基質(zhì)還可包括稀釋劑。在某些實(shí)施方案中，稀釋劑選自包括水、廢柏以及來自其它發(fā)酵的廢液的組中的一種或多種。具體地，稀釋劑可以是水。在又一個(gè)實(shí)施方案中，處理基質(zhì)的步驟還可包括:-稀釋基質(zhì)以提供小于20μ M的游離銅離子濃度。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理基質(zhì)的步驟可包括:-在水和氫離子或者水和氫氧根離子的存在下使糖類源水解。在另一個(gè)實(shí)施方案中，處理基質(zhì)的步驟可包括:-在硫酸水溶液的存在下使糖類源水解。在另一個(gè)實(shí)施方案中，處理基質(zhì)的步驟不包括在高溫(即，在120°C以上，優(yōu)選地在100°C以上，且更優(yōu)選地在80°C以上)下加熱基質(zhì)和/或用酸諸如硫酸來處理基質(zhì)。這一特別的實(shí)施方案特別適合于紙或紙來源的產(chǎn)品作為基質(zhì)的處理。在又一個(gè)實(shí)施方案中，處 理基質(zhì)的步驟包括:-用一種或多種酶來處理糖類源。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使處理過的基質(zhì)發(fā)酵的步驟可在5.1或5.1以上的pH下，更通常地在5.3至5.7的范圍內(nèi)的pH下，更通常地在約5.5的pH下進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在使處理過的基質(zhì)發(fā)酵的步驟過程中可用緩沖液來調(diào)節(jié)pH?？蛇x擇地，不需要pH調(diào)節(jié)，特別是當(dāng)基質(zhì)來自木材或紙來源時(shí)。在另一實(shí)施方案中，在發(fā)酵步驟中游離銅離子的濃度可以是小于15μΜ。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在發(fā)酵步驟中可通過向處理過的基質(zhì)中加入稀釋劑(諸如以上描述的稀釋齊IJ)來降低游離銅離子的濃度。在又一個(gè)實(shí)施方案中，形成丁醇和/或丙酮的微生物的培養(yǎng)物可包含梭菌屬的細(xì)菌諸如:丙酮丁醇梭菌ATCC 824 (C.acetobutylicum ATCC 824)、C.saccharolyticum NCP 262、拜氏梭菌 NCIMB 8052 (C.beijerinckii NCIMB8052)和C.saccharoperbutylacetonicum NCIMB 12606(N1-4)。在另一實(shí)施方案中，發(fā)酵步驟可在不從其中除去固體的情況下進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)施方案中，處理步驟和發(fā)酵步驟可同時(shí)進(jìn)行或者可按順序進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方案中，可通過以下步驟提供酒糟:-向包含水和選自包括葡萄糖和葡萄糖的寡糖的組的一種或多種糖類的麥芽汁中加入酵母；-使麥芽汁發(fā)酵以提供包含水和一種或多種醇的酒醪；及-在銅制蒸餾容器中稀釋酒醪以提供包含一種或多種醇和酒糟的蒸餾殘余物的低度酒蒸餾物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，麥芽汁可通過以下另外的步驟來提供:-將包含淀粉的發(fā)芽大麥磨碎以提供磨碎的發(fā)芽大麥；-使磨碎的發(fā)芽大麥與水混合以提供包含水和磨碎的發(fā)芽大麥的麥芽漿；-使麥芽漿的磨碎的發(fā)芽大麥中的至少一部分淀粉水解以提供包含廢大麥固體的糟柏和包含水和選自包括葡萄糖和葡萄糖的寡糖的組的一種或多種糖類的麥芽汁；及-使糟柏與麥芽汁分離。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包含根據(jù)本發(fā)明的任一方面的工藝制造的丁醇的生物燃料。根據(jù)本發(fā)明 的另一方面，提供了包含根據(jù)本發(fā)明的任一方面的工藝制造的丁醇和/或丙酮的產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了來自生產(chǎn)麥芽威士忌酒的酒糟在通過發(fā)酵來制造丁醇和/或丙酮中的用途。發(fā)明詳述本發(fā)明在通過發(fā)酵工藝來制造丁醇和/或丙酮中利用酒糟和糖類源作為基質(zhì)。具體地，該發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，可以在酒糟的存在下進(jìn)行發(fā)酵。預(yù)期的是，來自銅制初餾鍋的酒糟中的高的含銅量將抑制形成丁醇和/或丙酮的微生物，諸如梭菌屬的細(xì)菌。然而，該發(fā)明人表明，當(dāng)基質(zhì)具有20 μ M以下的游離銅離子的濃度時(shí)，不存在抑制效果。由銅制初餾鍋(copper pot)的第一蒸餾殘余物直接提供的酒糟通常具有對(duì)形成丁醇和/或丙酮的微生物有害的水平的游離銅離子的濃度，諸如超過20 μ M的銅濃度。因此，未改性的酒糟可能不是用于形成生物質(zhì)基質(zhì)的合適的培養(yǎng)基。然而，對(duì)形成丁醇和/或丙酮的微生物不產(chǎn)生抑制的游離銅離子濃度可通過降低游離銅離子濃度(例如在酒糟與糖類源結(jié)合以提供基質(zhì)之前、在酒糟與糖類源結(jié)合以提供基質(zhì)之后，或者在處理基質(zhì)以提供處理過的基質(zhì)之后通過稀釋酒糟)來實(shí)現(xiàn)。然而，顯然，每當(dāng)進(jìn)行游離銅離子濃度的降低時(shí)，這優(yōu)選地應(yīng)該在包含酒糟的處理過的基質(zhì)與形成丁醇和/或丙酮的微生物結(jié)合之前，以防止微生物被損害。酒糟在制造丁醇、丙酮和/或其它可再生化學(xué)物質(zhì)中的用途具有若干相關(guān)的優(yōu)勢。當(dāng)前，酒糟被分類為具有低的或負(fù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在本發(fā)明中酒糟的用途使得酒糟的經(jīng)濟(jì)價(jià)值增加。此外，酒糟作為稀釋劑以使糖類源發(fā)生水合。因此，當(dāng)使用酒糟時(shí)降低了所需的水或其它稀釋劑的量。另外，酒糟提供了對(duì)微生物的必需營養(yǎng)物(尤其提供了氮源)，從而改善了發(fā)酵以及基質(zhì)到產(chǎn)品的總體轉(zhuǎn)化。有機(jī)廢棄物或副產(chǎn)物作為基質(zhì)中的糖類源在制造丁醇和/或丙酮和任選地其它化學(xué)物質(zhì)中的用途的優(yōu)勢還在于:對(duì)這些基質(zhì)的處理提供了解決方案。在某些方面，本發(fā)明利用紙且尤其是廢紙作為糖類源。因此，本發(fā)明還提供了處理廢紙(例如，舊報(bào)紙或用過的復(fù)印紙)的解決方案。應(yīng)注意，發(fā)現(xiàn)酒糟的使用對(duì)于由基于紙的基質(zhì)生產(chǎn)用于生產(chǎn)丁醇和/或丙酮的合適的發(fā)酵培養(yǎng)基是必需的?；|(zhì)必須被處理以使糖類源的至少一部分水解。溶液化可采取水解的形式，因此將糖類源分解成適合于發(fā)酵的形式。因此，在某些實(shí)施方案中，使基質(zhì)經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)處理步驟以使糖類源溶解且尤其是使糖類源水解，例如，搗碎、加熱、加入酸或堿、加入酶，或其組合。在某些實(shí)施方案中，處理基質(zhì)以使糖類源溶解包括在水和氫離子或水和氫氧根離子的存在下使糖類源水解的步驟。在某些實(shí)施方案中，處理糖類源以使其溶解是在能夠使糖類源水解的任何合適的酸的存在下進(jìn)行的。合適的酸的實(shí)例包括硫酸和硝酸。硫酸是用于本文所描述的工藝中的酸的優(yōu)選的實(shí)例。當(dāng)基質(zhì)是基于紙的或紙來源的時(shí)，不需要溫度或酸處理。在某些實(shí)施方案中，處理基質(zhì)以使糖類源水解包括加入一種或多種酶，諸如纖維素酶和半纖維素酶。在某些實(shí)施方案中，可以利用處理的組合(例如，加入酸和酶)以提供適合于發(fā)酵的形式的處理過的 基質(zhì)。處理的組合可被同時(shí)應(yīng)用或按順序應(yīng)用。在其中基質(zhì)包括紙、廢紙、小麥和基于小麥的產(chǎn)品諸如面包的至少一種的另一實(shí)施方案中，處理可包括加入酶。這種酶處理可在比對(duì)于酶活性來說最佳的溫度(即，約500C )低的溫度下發(fā)生。更具體地，溫度可以與發(fā)酵溫度(例如33°C )相同，允許兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行。合適的溫度范圍可以是25至40°C，優(yōu)選地是30至35°C，且更優(yōu)選地是32至34°C?？梢詢H需要酶處理，因?yàn)樵诋a(chǎn)品諸如面包和/或廢紙的制造早期的步驟可使糖類含量濃縮并除去抑制材料(例如來自基于紙的產(chǎn)品的木素)。處理過的基質(zhì)的發(fā)酵在5.1或5.1以上的范圍的pH下，更優(yōu)選地在5.2至6.2的范圍的PH下，更加優(yōu)選地在5.3至5.7的范圍的pH下，且還更優(yōu)選地在約5.5的pH下進(jìn)行。表明5.3至5.7的pH范圍的使用提供了丁醇和/或丙酮的高收率。此外，這一 pH范圍允許在無需從其中除去固體的情況下進(jìn)行發(fā)酵，因此降低了成本并避免了由需要除去固體而引起的任何技術(shù)問題。這一 PH范圍避免了來自處理過的基質(zhì)的任何可能的毒性，同時(shí)使丁醇和/或丙酮的生產(chǎn)最大化。發(fā)酵在形成丁醇和/或丙酮的微生物的培養(yǎng)物的存在下進(jìn)行。形成丁醇和/或丙酮的微生物可選自能夠使基質(zhì)發(fā)酵形成丁醇和/或丙酮的任何產(chǎn)生溶劑的微生物。合適的微生物包括被改造為產(chǎn)生溶劑的微生物。合適的微生物的實(shí)例包括當(dāng)前被用于ABE (丙酮/ 丁醇/乙醇)制造中的那些，并且，具體地包括梭菌屬的細(xì)菌諸如丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌、C.saccharoperbutylacetonicum 和 C.saccharobutylicum。在一些實(shí)施方案中，形成丁醇和/或丙酮的微生物包括丙酮丁醇梭菌。在其它實(shí)施方案中，微生物包括C.saccharoperbutylacetonicum。這種特定的菌株對(duì)基于紙的基質(zhì)特別地有效。發(fā)酵在小于20 μ M的游離銅離子的濃度下進(jìn)行。這確保了存在的銅離子不具有不利作用/具有最低限度的不利作用。在某些實(shí)施方案中，可加入水或另外的水溶液以使游離銅離子的濃度降低至低于20 μ M的游離銅離子。在某些實(shí)施方案中，在至少發(fā)酵步驟過程中游離銅離子的濃度小于19、18、17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6或5μ M的游離銅離子。在某些實(shí)施方案中，游離銅離子的濃度小于15 μ Μ。在某些實(shí)施方案中，游離銅離子的濃度小于10 μ Μ。在某些實(shí)施方案中，處理步驟和發(fā)酵步驟同時(shí)進(jìn)行。這降低了所需的時(shí)間量、所涉及的步驟數(shù)以及相關(guān)的制造成本。在可選的實(shí)施方案中，處理步驟和發(fā)酵步驟按順序進(jìn)行。例如，在進(jìn)行發(fā)酵之前，可以用兩個(gè)步驟，首先用酸，然后用酶來預(yù)處理基質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，發(fā)酵產(chǎn)物還包含選自包括乙醇、二氧化碳、氫、醋酸酯和丁酸酯的組的一種或多種化合物。可利用常規(guī)的分離技術(shù)將丁醇和/或丙酮從發(fā)酵產(chǎn)物中分離出來?？蛇x擇地，發(fā)酵產(chǎn)物可以被用作燃料或另外無需進(jìn)一步純化。如本文所用的，術(shù)語“生物丁醇”是指由生物質(zhì)制成的丁醇。如本文所用的，術(shù)語“酒糟”是指在麥芽威士忌酒的制造中，在第一次蒸餾之后酒醪(銅制初餾鍋)中殘留的液體。酒糟為通過蒸餾來提取低度酒之后的酒醪的殘余物。如本文所用 的，術(shù)語“廢柏”是指在麥芽威士忌酒的制造中，在第二次蒸餾以及后續(xù)的蒸餾之后蒸餾容器中殘留的液體。廢柏為通過蒸餾來提取無水酒精之后的低度酒的殘余物。術(shù)語“游離銅離子的濃度”是指沒有結(jié)合到固體的銅離子的濃度，也就是說，在上清液中的銅離子的濃度。酒糟中的銅的總濃度將比游離銅離子的濃度高，因?yàn)橐恍┿~仍然結(jié)合到固體，諸如死亡的酵母細(xì)胞。如本文所用的，術(shù)語“蘇格蘭威士忌酒”是指在蘇格蘭制造的威士忌酒。在可選擇的實(shí)施方案中，麥芽威士忌酒是在其它國家諸如愛爾蘭或印度制造的麥芽威士忌酒，其中在那些國家中用于制造麥芽威士忌酒的工藝與在蘇格蘭使用的用于制造蘇格蘭麥芽威士忌酒的工藝類似或相同?，F(xiàn)將參照以下實(shí)施例來描述本發(fā)明，這些實(shí)施例是為了說明的目的而提供并且不旨在被解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。附圖簡述

圖1顯示了初始pH對(duì)酸和酶預(yù)處理過的糟柏在酒糟中由丙酮丁醇梭菌ATCC 824發(fā)酵的影響。將糟柏用0.08M H2SO4預(yù)處理并在加入酶之前將pH調(diào)節(jié)至pH 5.0-6.0之間。酶水解之后，pH被調(diào)節(jié)至4.5、4.8、5.0、5.5、6.0或6.5以進(jìn)行發(fā)酵。圖1(a)顯示了由酸和酶處理產(chǎn)生的糖，圖1 (b)顯示了發(fā)酵之后的殘?zhí)?，圖1 (c)顯示了發(fā)酵產(chǎn)生的ABE產(chǎn)物，且圖1(d)顯示了糟柏產(chǎn)生的丁醇及ABE的收率；
圖2顯示了由溶解于水或50%酒糟中的(a)白色的辦公用紙和(b)報(bào)紙通過C.saccharoperbutylacetonicum NCIMB 12606 產(chǎn)生的 ABE。圖3顯示了由水、醋酸銨或50%酒糟溶解的白紙進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。圖4a至4c顯示了用四種梭菌菌株對(duì)a)白紙、b)新聞?dòng)眉埡蚦)傳單用紙進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。將基質(zhì)在50%酒糟中稀釋，緩沖至pH 5.5并用工業(yè)酶處理。圖5顯示了在酒糟中用四種梭菌菌株對(duì)面包進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。圖6顯示了在酒糟中用四種梭菌菌株對(duì)小麥進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。圖7顯示了在酒糟中用兩種梭菌菌株對(duì)食品廢棄物進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。圖8顯示了在酒糟中用四種梭菌菌株對(duì)受過酸處理的小麥進(jìn)行發(fā)酵(150ml)來生
產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。圖9顯示了用新聞?dòng)眉?、白紙和傳單用紙且無緩沖下進(jìn)行發(fā)酵(I升)來生產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇。
實(shí)施例`參照實(shí)施例1和實(shí)施例2以及實(shí)施例3顯示了 pH和基質(zhì)的游離銅離子濃度對(duì)發(fā)酵工藝的影響。在參照實(shí)施例1和實(shí)施例3中，葡萄糖被用作糖類源。參照實(shí)施例1因在基質(zhì)中不存在酒糟而被指定為參照試驗(yàn)。參照實(shí)施例1顯示，ABE可在4.5之上至6.5的pH范圍內(nèi)由葡萄糖的發(fā)酵來生產(chǎn)。在4.5的pH下，沒有葡萄糖被消耗或沒有ABE產(chǎn)生。在6.5的pH下，僅產(chǎn)生酸，而沒有產(chǎn)生ABE。實(shí)施例2顯示了用于包含酒糟的基質(zhì)以及基質(zhì)(糟柏)進(jìn)行發(fā)酵的約5.5的優(yōu)選的初始pH范圍。實(shí)施例3顯示出未稀釋的酒糟具有對(duì)發(fā)酵有害的游離銅離子濃度，導(dǎo)致與未加入游離銅離子的基質(zhì)相比降低的ABE收率。此外，隨著游離銅離子的濃度從20 μ M降低至
5μ M, ABE的收率增加至未加入游離銅離子的基質(zhì)所獲得的收率。實(shí)施例4顯示，與加入稀釋劑諸如水相比，向基質(zhì)中加入酒糟導(dǎo)致ABE收率增加。實(shí)施例5顯示，向基質(zhì)中加入酒糟具有與加入硫酸銨相同的效果，這表明酒糟作為氮源。實(shí)施例6顯示，可利用酒糟結(jié)合各種基質(zhì)和微生物來產(chǎn)生ABE。所示例的基質(zhì)是各種類型的紙質(zhì)材料、面包、小麥和食品廢棄物。實(shí)施例7顯示，某些基質(zhì)不需要進(jìn)行酸處理。實(shí)際上，酸處理的小麥比未處理的小麥的ABE的收率低。實(shí)施例8顯示，基于紙的基質(zhì)不總是需要發(fā)酵前緩沖。一般方法以下生物體被使用:丙麗丁醇梭菌ATCC 824、C.saccharolyticum NCP262、拜氏梭菌 NCIMB 8052 和 C.saccharoperbutylacetonicum NCIMB12606 (N1-4)。梭菌被維持為在4°C下的孢子懸液。在80°C下使孢子熱激10分鐘并接種到強(qiáng)化梭菌培養(yǎng)基(RCM，OxoidLtd, Cambridge, UK)中。在實(shí)施例1至3中，在被用作所有實(shí)驗(yàn)的起始培養(yǎng)物(以5% v/v)之前，將培養(yǎng)物溫育24小時(shí)，然后傳代培養(yǎng)到胰蛋白胨-酵母提取物-醋酸銨培養(yǎng)基(TYA)的含有葡萄糖的培養(yǎng)基中。TYA由以下組成(g/Ι):胰蛋白胨，6 ;酵母提取物，2 ;醋酸銨，3 ；KH2PO4,0.5 ；MgS04.7Η20，0.3 ；FeS04.7Η20，0.01 ;補(bǔ)充有5%葡萄糖。在無氧工作區(qū)域中在N2-H2-CO2 (80: 10: 10)的氣氛下在33°C下溫育所有梭菌培養(yǎng)物。在實(shí)施例4至8中，將起動(dòng)培養(yǎng)物溫育24小時(shí)，然后傳代培養(yǎng)到被緩沖至pH 5.5的50%酒糟中。在無氧工作區(qū)域中在N2-H2-CO2 (80: 10: 10)的氣氛下在33°C下溫育所有梭菌培養(yǎng)物。在無氧工作區(qū)域中在玻璃瓶中進(jìn)行小規(guī)模的發(fā)酵(150ml)。對(duì)于IL 的規(guī)模，在發(fā)酵罐(Biostat A Plus, Sartorius Stedim Ltd, Surrey, UK)中進(jìn)行發(fā)酵。在用梭菌接種之 前，通過用無氧N2噴霧發(fā)酵罐中的培養(yǎng)基持續(xù)I小時(shí)來達(dá)到無氧條件。對(duì)于所有IL發(fā)酵，攪動(dòng)被設(shè)定為200rpm且溫度為33°C。酒糟獲自酒廠并按體積計(jì)以1:1的比用水稀釋。這足以使游離銅離子的濃度降低至小于20 μ Mo從酒廠接收到的濕糟柏具有在75% -80%之間的含水量。如所陳述的，將糟柏在80 V下干燥至大約4 %的含水量并且在進(jìn)一步處理之前將其研磨。利用配備有火焰電離檢測器和長度為IOm且直徑為0.32mm的CPSIL 5CB柱的Chrompack 9001 氣相色譜儀(全部是 Chrompack,Middelburg, Netherlands)來測量乙醇、丙酮和丁醇。在分析之前，通過0.2μπι的醋酸纖維素注射器式過濾器過濾所有樣品，然后參照乙醇、丙酮和丁醇標(biāo)準(zhǔn)品來測定濃度。對(duì)于酸(醋酸和丁酸)和單糖(葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)的分析，通過0.2 μ m的注射器式過濾器過濾樣品并用H2SO4酸化。利用安裝有集成的UV-VIS雙波長檢測器和折射率檢測器的Varian 920LC (Varian Ltd., Oxford, UK)通過HPLC來分析樣品。在室溫下在Rezex ROA 有機(jī)酸 H+8% 300X7.8mm 柱(Phenomenex，Cheshire, UK)上用 0.005Ν 的 H2SO4作為流動(dòng)相以0.5ml/min的流速分離各組分。在210nm下檢測酸，而用RI檢測器檢測糖，并且參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)品來測定濃度。參照實(shí)施例Ι-pH控制對(duì)由梭菌產(chǎn)生ABE的影響研究了 pH對(duì)在TYA培養(yǎng)基中通過丙酮丁醇梭菌ATCC 824進(jìn)行葡萄糖的發(fā)酵的影響。在IL規(guī)模下進(jìn)行發(fā)酵，且pH被控制在pH 4.5-6.5之間的設(shè)定點(diǎn)的范圍內(nèi)，且自動(dòng)加入堿或酸。在PH 4.5下，未檢測到葡萄糖利用、酸或ABE產(chǎn)生。對(duì)于所有其它發(fā)酵，在48小時(shí)內(nèi)葡萄糖被完全消耗并且產(chǎn)生酸(丁酸和醋酸)和溶劑(丙酮、丁醇和乙醇)(表2)。在pH4.8和5.0時(shí)ABE產(chǎn)量最高，分別對(duì)應(yīng)于0.34和0.30g ABE/g糖的收率。在pH 5.5至6.5之間，酸產(chǎn)量增加，且使糖至ABE的轉(zhuǎn)化相應(yīng)地降低。在pH6.5時(shí)，僅產(chǎn)生酸，且分別為7.8和12.8g/l的醋酸和丁酸的最終濃度。表1.在pH 4.8,5.0,5.5,6.0或6.5控制下的TYA培養(yǎng)基中通過丙酮丁醇梭菌ATCC 824由5%葡萄糖至酸和ABE的轉(zhuǎn)化。在68小時(shí)之后測定酸(丁酸和醋酸)的濃度和ABE的濃度，其中ABE收率表達(dá)為g產(chǎn)生的ABE/g消耗的糖。
權(quán)利要求
1.一種用于制造丁醇和/或丙酮的工藝，包括至少以下步驟: -處理包含糖類源和酒糟的基質(zhì)以使所述糖類源的至少一部分溶解以提供處理過的基質(zhì)；及 -在形成丁醇和/或丙酮的微生物的培養(yǎng)物的存在下，在小于20 μ M的游離銅離子的濃度下，使所述處理過的基質(zhì)發(fā)酵以提供含有丁醇和/或丙酮的發(fā)酵產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中處理所述基質(zhì)的步驟包括: -在水和氫離子或者水和氫氧根離子的存在下使所述糖類源水解。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的工藝，其中處理所述基質(zhì)的步驟包括: -在硫酸水溶液的存在下使所述糖類源水解。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的工藝，其中處理所述基質(zhì)的步驟包括: -用一種或多種酶來處理所述糖類源。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的工藝，其中處理所述基質(zhì)的步驟還包括: -稀釋所述基質(zhì)以提供小于20 μ M的游離銅離子的濃度。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的工藝，其中使所述處理過的基質(zhì)發(fā)酵的步驟在5.1或5.1以上的pH下進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求1 至6中任一項(xiàng)所述的工藝，其中在發(fā)酵步驟中所述游離銅離子的濃度小于15 μ M。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述形成丁醇和/或丙酮的微生物的培養(yǎng)物包括梭菌屬的細(xì)菌。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的工藝，其中發(fā)酵步驟在不從其中除去固體的情況下進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的工藝，其中處理步驟和發(fā)酵步驟同時(shí)進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的工藝，其中處理步驟和發(fā)酵步驟按順序進(jìn)行。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述酒糟通過以下步驟提供: -向包含水和選自包括葡萄糖和葡萄糖的寡糖的組的一種或多種糖類的麥芽汁中加入酵母； -使所述麥芽汁發(fā)酵以提供包含水和一種或多種醇的酒醪；及-在銅制蒸餾容器中稀釋所述酒醪以提供包含一種或多種醇和酒糟的蒸餾殘余物的低度酒蒸餾物。
13.如權(quán)利要求12所述的工藝，其中所述麥芽汁通過以下另外的步驟提供: -將包含淀粉的發(fā)芽大麥磨碎以提供磨碎的發(fā)芽大麥； -使所述磨碎的發(fā)芽大麥與水混合以提供包含水和磨碎的發(fā)芽大麥的麥芽漿； -使所述麥芽漿的所述磨碎的發(fā)芽大麥中的至少一部分淀粉水解以提供包含廢大麥固體的糟柏和包含水和選自包括葡萄糖和葡萄糖的寡糖的組的一種或多種糖類的麥芽汁；及-使所述糟柏與所述麥芽汁分離。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述酒糟是制造麥芽威士忌酒、優(yōu)選蘇格蘭麥芽威士忌酒的副產(chǎn)物。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述糖類源選自包括以下的組的一種或多種:紙、來自造紙的殘?jiān)?、水果和蔬菜廢棄物、來自烘焙工業(yè)的廢棄物、海藻及海藻提取物、林業(yè)衍生產(chǎn)品、糧食作物、谷物殘余物和作物殘余物、麥糟、巧克力、藻類、不可食用作物及其殘余物，及能源作物。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述發(fā)酵產(chǎn)物還包括選自包括乙醇、二氧化碳、氫、醋酸酯和丁酸酯的組的一種或多種化合物。
17.—種生物燃料，包含根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的工藝制造的丁醇。
18.—種產(chǎn)品，包含根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的工藝制造的丁醇和/或丙酮。
19.來自生產(chǎn)麥芽威士忌酒的酒糟在通過發(fā)酵來制造丁醇和/或丙酮中的用途。
全文摘要
提供了一種用于制備丁醇、丙酮和/或其它可再生的化學(xué)物質(zhì)的工藝，其中該工藝?yán)冒ㄒ韵碌慕M中的一個(gè)或多個(gè)制造麥芽威士忌酒的副產(chǎn)物，諸如酒糟和/或廢粕，生物質(zhì)基質(zhì)，諸如紙、來自造紙的殘?jiān)皝碜哉麴s酒廠和啤酒廠的麥糟，以及稀釋劑，諸如水和來自其它發(fā)酵的廢液。該工藝包括處理基質(zhì)使其水解并使處理過的基質(zhì)發(fā)酵。還提供了包含根據(jù)本發(fā)明的工藝制造的丁醇的生物燃料。
文檔編號(hào)C12P7/34GK103154260SQ201180032927
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者簡·薩曼莎·懷特, 肯尼思·亞歷山大·利珀, 馬丁·坦尼, 桑德拉·麥森杰 申請(qǐng)人:塞爾特可再生能源有限公司