生物氣體生產(chǎn)中的植酸酶的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種從有機(jī)材料生產(chǎn)生物氣體的方法，其包括：用包含植酸酶、優(yōu)選植酸酶和纖維素酶和/或半纖維素酶的酶組合物來(lái)處理所述有機(jī)材料，以及使經(jīng)過(guò)酶處理的所述有機(jī)材料消化以形成生物氣體，本發(fā)明還涉及包含植酸酶的酶組合物用于增加在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的方法中存在的微生物對(duì)蛋白和多糖的消化性的用途；包含植酸酶的酶組合物用于增加礦物質(zhì)在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的方法中的可用性的用途；和包含植酸酶的酶組合物用于減少在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的方法中在構(gòu)件諸如(金屬)表面上和管線和泵中的鹽沉淀的用途。向生物氣體方法中加入植酸酶有利地導(dǎo)致生物氣體產(chǎn)量增加、生物氣體生產(chǎn)方法更穩(wěn)固和批次之間的差異減小，且允許使用有機(jī)材料的混合物。
【專利說(shuō)明】生物氣體生產(chǎn)中的植酸酶

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)生物氣體（biogas)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)厭氧消化有機(jī)材料生產(chǎn)生物氣體是一種快速增長(zhǎng)的可再生能源的來(lái)源。此方 法復(fù)雜；幾種生物技術(shù)方法的共同作用確定其穩(wěn)定性和效率以及所生產(chǎn)生物氣體的產(chǎn)率。 仍在實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)工廠中積極研究一種最佳的方法設(shè)計(jì)。如草、糞肥（manure)或污泥的底 物因其高產(chǎn)率潛能而可用作生物氣體生產(chǎn)的原料。
[0003] 植酸（或植酸類）是來(lái)自植物來(lái)源的原材料中豐富存在的化合物。其主要發(fā)現(xiàn)于 種子中，作為發(fā)芽植物的磷來(lái)源。另一功能與分子結(jié)合礦物質(zhì)的能力相關(guān)：在植物種子中最 常見(jiàn)的形式是植酸鈣鎂（Phytin)，它是植酸的Ca, Mg鹽。因此，植酸鈣鎂分子也充當(dāng)這些礦 物質(zhì)的來(lái)源。為此目的，植物表達(dá)植酸酶，以分解植酸分子且由此釋放磷和礦物質(zhì)。許多微 生物也表達(dá)植酸酶，以得益于在其生長(zhǎng)環(huán)境中遇到的植酸。
[0004] 植酸的分子特性對(duì)于加工來(lái)自植物來(lái)源的原材料可造成問(wèn)題。由于存在6個(gè)磷 酸基，植酸分子攜帶凈負(fù)電荷，即使在其中許多生物化合物帶正電荷的酸性pH值下也是如 此。這導(dǎo)致植酸與原材料內(nèi)的許多組分（諸如蛋白和金屬離子）締合。但植酸也可與中性 化合物（諸如淀粉）締合，例如在連接分子（linker molecule)參與時(shí)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了通過(guò)加入植酸酶來(lái)改進(jìn)有機(jī)材料到生物氣體的轉(zhuǎn)化。本發(fā)明還提供 了具有較低量植酸的來(lái)自生物氣體的殘余材料。本發(fā)明還提供了一種對(duì)微量元素加入有較 低需求的生物氣體方法，得以加入較少的微量元素來(lái)獲得最佳條件。此外，本發(fā)明提供一種 包含植酸酶和其他酶的酶組合物，所述其他酶例如用于生物氣體方法中的諸如蛋白酶、月旨 肪酶、纖維素酶、半纖維素酶和/或果膠酶。酶組合物優(yōu)選地包含植酸酶和纖維素酶。生物 氣體方法可作為單階段方法來(lái)進(jìn)行，但也可作為多階段方法來(lái)進(jìn)行。在多階段方法的情形 下，優(yōu)選地在最適合酶作用的條件下應(yīng)用植酸酶。
[0006] 發(fā)明詳沭
[0007] -方面，本發(fā)明提供了一種由有機(jī)材料生產(chǎn)生物氣體的方法，其包括：
[0008] -用包含植酸酶的酶組合物處理所述有機(jī)材料；和
[0009] -消化經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料以形成生物氣體。
[0010] 在本發(fā)明的文本中，幾個(gè)術(shù)語(yǔ)由見(jiàn)于Wikipedia(httD://en. wikipedia. org/)中 的語(yǔ)句來(lái)解釋。
[0011] 生物氣體是指由生物可降解材料的厭氧消化或發(fā)酵所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物。生物氣體 主要包含甲烷和二氧化碳且可具有小量硫化氫、水分和硅氧烷。在特殊情形下，氫或高級(jí)醇 是目標(biāo)廣物。
[0012] 有機(jī)材料的有機(jī)物質(zhì)含量是指有機(jī)材料的干物質(zhì)含量減去灰分。一般使用 COD (化學(xué)需氧量，Chemical Oxygen Demand)試驗(yàn)來(lái)間接測(cè)量有機(jī)材料的有機(jī)物質(zhì)含量的 量，例如參見(jiàn)ISO 6060(1989)。
[0013] 酶促方法或孵育是指利用諸如半纖維素酶和果膠酶、優(yōu)選半纖維素酶、纖維素酶 和果膠酶，或果膠酶的酶來(lái)生產(chǎn)有用產(chǎn)物的方法。在本發(fā)明上下文中，"用包含植酸酶的酶 組合物處理有機(jī)材料"也稱為"酶處理"。
[0014] 生物氣體方法或生物氣體生產(chǎn)方法是指諸如生物質(zhì)、糞肥、綠色廢料、植物材料和 農(nóng)作物的生物可降解材料的厭氧消化或發(fā)酵。生物氣體主要包含甲烷（CH4)和二氧化碳 (CO2)且可具有小量硫化氫（H 2S)、水分和硅氧烷。生物氣體方法、更具體地使經(jīng)過(guò)酶處理的 有機(jī)材料經(jīng)過(guò)酶消化以形成生物氣體在生物氣體反應(yīng)器或生物氣體生成反應(yīng)器中進(jìn)行。因 此，在本發(fā)明上下文中，"消化經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料以形成生物氣體"也稱為"生物氣體反 應(yīng)器"或"生物氣體反應(yīng)"。生物氣體反應(yīng)器的pH -般是3與8之間的pH，優(yōu)選是6與8之 間的pH。一般不需要采取措施來(lái)控制pH，因?yàn)橄到y(tǒng)本身能維持此pH。假如生物氣體反應(yīng)器 的底物在此pH范圍以外，例如在5或更低的pH時(shí)或在9和更高的pH時(shí)，則優(yōu)選將此底物 的pH中和至例如6與8之間。
[0015] 消化步驟可以是任何類型的消化器，可以例如是單階段或雙階段消化器。
[0016] 有機(jī)材料是指直接或間接來(lái)自植物材料或來(lái)自動(dòng)物材料的材料。有機(jī)材料通常是 源自植物的聚合物。然而，糞肥也含有來(lái)自動(dòng)物來(lái)源的有機(jī)材料。合適的有機(jī)材料例如是 底物或原料，如能源作物，諸如楊，玉米，草（例如柳枝稷），農(nóng)場(chǎng)廢棄物如糞肥或農(nóng)業(yè)廢棄 物。本發(fā)明的方法中也可以使用幾種有機(jī)材料的混合物。
[0017] 發(fā)明人已注意到生物氣體生產(chǎn)中與有機(jī)材料的選擇相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題。富含植酸的 有機(jī)材料，諸如谷類、豆類、橄欖、水果、堅(jiān)果及其廢物流，傾向于結(jié)合基本礦物質(zhì)，導(dǎo)致這些 礦物質(zhì)的可用性（有效濃度）降低和所述微生物的生長(zhǎng)或可持續(xù)性降低。這進(jìn)而又可導(dǎo)致 例如生物氣體的產(chǎn)量降低、有機(jī)材料的轉(zhuǎn)化降低、生物氣體方法過(guò)早"停止"、形成不需要的 副產(chǎn)物等。加入植酸酶可解決這些問(wèn)題，尤其當(dāng)使用富含植酸的有機(jī)材料時(shí)。
[0018] 發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，上文提到的問(wèn)題不僅取決于有機(jī)材料的類型，而且批次間也可有 所差異，尤其批次間的植酸含量的差異。相信這至少部分是由于諸如產(chǎn)乙酸菌或產(chǎn)甲烷菌 的微生物將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體所需要的礦物質(zhì)的可用性的差異。為了克服這種批次 間的差異，通常例如以礦物質(zhì)混合物（mineral cocktail)的形式向發(fā)酵中加入礦物質(zhì)；這 也稱為微量元素。
[0019] 加入植酸酶可減少這種依賴于各批次的差異且可有利地得到更穩(wěn)固（robust)的 生物氣體方法。
[0020] 本領(lǐng)域中，為了克服礦物質(zhì)的可用性降低，生物氣體生產(chǎn)者幾乎總是向方法中加 入礦物質(zhì)。這是昂貴的并且礦物質(zhì)（常為毒性）可最終留在生物氣體反應(yīng)器或環(huán)境中。加 入植酸酶可釋放與植酸結(jié)合的礦物質(zhì)，且可有利地避免向生物氣體方法中加入礦物質(zhì)。
[0021] 使用植酸含量低和/或富含礦物質(zhì)的有機(jī)材料進(jìn)行生物氣體生產(chǎn)可無(wú)需加入所 述微量元素。然而，因?yàn)樯餁怏w方法極其耗時(shí)（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也如此），在實(shí)際情況中生物 氣體生產(chǎn)者并不傾向于冒任何風(fēng)險(xiǎn)。他們傾向的是不管是否有必要始終都加入礦物質(zhì)，而 不是針對(duì)任何給定的有機(jī)材料測(cè)試對(duì)加入礦物質(zhì)的需求來(lái)確定將要加入的礦物質(zhì)的量。這 具有成本效率低下的不足一微量元素在良好生物氣體生產(chǎn)不需要的情形下加入。其次， 加入微量元素意味著生物氣體工廠富集了潛在有毒的礦物質(zhì)。第三，向本身已含有足量礦 物質(zhì)的有機(jī)材料中加入礦物質(zhì)可導(dǎo)致對(duì)（厭氧）微生物有毒的礦物質(zhì)濃度。
[0022] 在使用植酸水平未知的有機(jī)材料時(shí)，加入植酸酶也是有利的，所述植酸水平未知 的有機(jī)材料諸如糞肥（來(lái)自奶牛、豬、雞、馬或其它農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物）、青貯飼料（silage)(如來(lái) 自玉米和/或草）、一般而言源自草和其它植物的原材料，諸如啤酒糟（brewer' s spent grain)、麥酒糟（distiller，s spent grain)、干酒糟（distiller，s dried grain)、甜菜 渣、玉米漿（固體）。所述有機(jī)材料尤其來(lái)自谷物來(lái)源的有機(jī)材料可不僅富含植酸，而且礦 物質(zhì)通常不足。
[0023] 加入植酸酶可有利地避免在（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)）生物氣體方法中預(yù)測(cè)試有機(jī)材料的需 要。
[0024] 加入植酸酶可產(chǎn)生持續(xù)良好的有機(jī)材料轉(zhuǎn)化，而不管有機(jī)材料是否富含植酸或植 酸含量低或是否富含礦物質(zhì)或礦物質(zhì)含量低。
[0025] 因此，在使用富含植酸和/或礦物質(zhì)含量低的有機(jī)材料時(shí)，加入植酸酶對(duì)生物氣 體方法（例如，對(duì)生物氣體生產(chǎn)）的作用最大。在使用植酸含量低和/或富含礦物質(zhì)的有 機(jī)材料時(shí)，加入植酸酶的作用可較不明顯。在加入礦物質(zhì)時(shí)，加入植酸酶的作用可能尤其難 以證實(shí)，尤其在有機(jī)材料本身的植酸含量低和/或富含礦物質(zhì)時(shí)。
[0026] 然而，即使加入植酸酶對(duì)生物氣體方法的作用對(duì)于一批/ 一種類型的有機(jī)材料而 言比對(duì)于另一批/另一類型的更大，加入植酸酶的總體（平均）作用仍是有益的。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法包括，在酶處理之前：
[0028] -處理所述有機(jī)材料以減少有活力（viable)微生物的數(shù)量。
[0029] 如果生物氣體方法包括回收步驟，例如自生物氣體反應(yīng)器回收液體，那么在可引 入?yún)捬跷⑸锏幕厥樟髦锌纱嬖趨捬跷⑸?，并且其可在適當(dāng)?shù)纳餁怏w反應(yīng)之前的階段 例如酶處理期間生產(chǎn)生物氣體。同樣，所述生產(chǎn)生物氣體的微生物也可存在于有機(jī)材料中， 尤其存在于糞肥中。在使用所述有機(jī)材料時(shí)和/或如果需要回收液體時(shí)，可必須采取措施 來(lái)防止在第一階段生產(chǎn)生物氣體。
[0030] 有機(jī)材料優(yōu)選在65至120°C下、更優(yōu)選在65至95°C下進(jìn)行熱處理或巴氏滅菌合 適的時(shí)間。巴氏滅菌是一種在濕潤(rùn)環(huán)境中將有機(jī)材料加熱到特定溫度持續(xù)一定時(shí)間長(zhǎng)度的 過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，在72°C下巴氏滅菌30秒鐘是足夠。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于CFU計(jì)數(shù)而言在120°C 下1小時(shí)與在90°C下4小時(shí)產(chǎn)生相同結(jié)果。一般而言，高溫可導(dǎo)致更多蛋白變性以及出現(xiàn) 毒性化合物。一般而言，如果巴氏滅菌時(shí)間越長(zhǎng)，那么巴氏滅菌溫度可越低。巴氏滅菌時(shí)的 水含量應(yīng)足以確保巴氏滅菌作用。一般而言，水含量將在30與95wt%之間，優(yōu)選在50與 90wt%之間。此方法使有機(jī)材料中的微生物生長(zhǎng)減緩。巴氏滅菌或熱處理并非旨在殺死有 機(jī)材料中的所有微生物。相反，巴氏滅菌或熱處理旨在減少有活力微生物的數(shù)量以使其在 所述方法的第一階段（或第一步驟或第一期或酶處理）不太可能大量生產(chǎn)生物氣體或如 有機(jī)酸和醇的其它發(fā)酵產(chǎn)物。一般而言，在第一階段形成的生物氣體是總生物氣體的小于 2 %、優(yōu)選小于1 %。在根據(jù)本發(fā)明的巴氏滅菌或熱處理之后，所存在有機(jī)材料中的CFU計(jì)數(shù) 一般低于1〇6、優(yōu)選小于1〇 5、甚至更優(yōu)選小于IO4且最優(yōu)選小于l〇3CFU/ml。在微生物學(xué)中， 集落形成單位（CFU或cfu)是有活力細(xì)菌或真菌數(shù)的計(jì)量。與對(duì)所有細(xì)胞（死的和活的） 計(jì)數(shù)的直接顯微鏡計(jì)數(shù)不同，CFU用于計(jì)量有活力細(xì)胞。巴氏滅菌步驟也便于使用直接來(lái) 源于所收獲的酶生產(chǎn)發(fā)酵的酶或酶混合物。
[0031] 另一種表征使有活力微生物數(shù)量減少的處理的功效的方式是通過(guò)計(jì)算起始材料 的CFU數(shù)除以處理后材料的CFU數(shù)的對(duì)數(shù)。此方法的優(yōu)勢(shì)在于一一由于殺死微生物通常假 定為一級(jí)反應(yīng)--因此處理的對(duì)數(shù)減少很大程度上與所存在微生物的實(shí)際數(shù)量無(wú)關(guān)?？尚?要滅菌程序來(lái)實(shí)現(xiàn)多達(dá)log 10的減少（這將殺死多達(dá)IO8或更多的微生物），但在本發(fā)明 的情形下，這種高功效是不需要的，或甚至是不期望的。本發(fā)明的有效處理程序?qū)?shí)現(xiàn)至少 log 1的CFU數(shù)量減少，優(yōu)選為log 2,甚至更優(yōu)選為log 3。
[0032] -般而言，有益的是所述方法在低或高pH值下進(jìn)行熱處理，例如在pH〈4、更優(yōu)選 在pH〈3、甚至更優(yōu)選在pH〈2下進(jìn)行低pH處理，低pH處理一般而言在ρΗ>-1下進(jìn)行，或例如 在pH>8、更優(yōu)選在pH>9、甚至更優(yōu)選在pH>10下進(jìn)行高pH處理。在高和低pH值下熱處理 的優(yōu)勢(shì)在于，例如聚合物（諸如蛋白、碳水化合物諸如淀粉半纖維素酶和脂質(zhì)）的溶解和部 分水解以及有活力細(xì)胞的減少將因極端PH而增強(qiáng)，導(dǎo)致例如對(duì)于熱處理而言需要較低溫 度和/或較少時(shí)間。高pH處理的額外優(yōu)勢(shì)在于例如改善熱和酶處理結(jié)束時(shí)的固/液分離、 改善蛋白與脂肪的溶解以及具有高氨含量的原料的氨氣提。用于調(diào)整PH的化學(xué)物質(zhì)可以 是例如用于降低pH的鹽酸、磷酸和硫酸或用于增加 pH的氫氧化鉀和氫氧化鈉。
[0033] 在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選在酶處理期間形成極少或不形成生物氣體且生物氣體生 產(chǎn)在生物氣體反應(yīng)器中進(jìn)行。對(duì)所述有機(jī)材料進(jìn)行處理以減少有活力微生物數(shù)量的一個(gè)優(yōu) 勢(shì)在于所用的酶、尤其是植酸酶幾乎沒(méi)有被所存在的微生物滅活或消耗。所存在的低數(shù)量 有活力微生物對(duì)加入的酶及其活性幾乎不具有任何作用。
[0034] 有機(jī)材料優(yōu)選進(jìn)行巴氏滅菌或熱處理，在更優(yōu)選65至120°C、更優(yōu)選在65至95°C 的溫度下進(jìn)行。
[0035] 在酶處理和/或分離步驟期間，可保持厭氧或需氧條件。一般而言，無(wú)需采取特別 措施來(lái)保持厭氧條件。
[0036] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述方法包括，在酶處理之后（且優(yōu)選在生物氣體反應(yīng)之 前）：
[0037] -使經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料經(jīng)歷固-液分離且回收液體部分，由此消化所述液體 部分以形成生物氣體。
[0038] 在固-液分尚步驟中，將經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料的固體部分與液體部分分尚。在 固-液分離期間優(yōu)選選擇最佳條件，諸如pH、溫度、加入絮凝劑或助濾劑等?？墒褂盟蟹N 類的合適分離技術(shù)，諸如傾析、過(guò)濾、離心或其組合。在進(jìn)行分離之前任選地加入絮凝劑或 助濾劑以改善分離。尤其有利的是應(yīng)用生物可降解的絮凝劑和助濾劑，諸如纖維素。為防 止可溶性的可消化材料損失，可洗滌獲得的濾餅或離心漿。將洗液與初始獲得的濾液或上 清液合并。在酶孵育溫度下進(jìn)行這些方法步驟將有利于分離過(guò)程。來(lái)自固/液分離的固體 部分可例如通過(guò)焚化（燃燒）、在栽培地域上或森林中堆肥或平鋪來(lái)進(jìn)行處理或使用。本發(fā) 明的具有溫度處理步驟的方法允許在不對(duì)固體部分進(jìn)行進(jìn)一步熱處理的情形下對(duì)固體部 分進(jìn)行堆肥或平鋪，在平鋪漿（sludge)或其它生物質(zhì)的情形下通常需要進(jìn)一步熱處理。
[0039] 液體部分可引入生物氣體反應(yīng)器中。上流式厭氧過(guò)濾器、UASB、厭氧填充床和EGSB 反應(yīng)器是工業(yè)規(guī)模的高速消化器的例子。尤其UASB和EGSB反應(yīng)器在以高有機(jī)負(fù)荷率應(yīng)用 時(shí)提供高速消化器的益處。在生物氣體反應(yīng)器中使用液體和溶解底物允許反應(yīng)器具有極高 負(fù)荷。一般而言，可向生物氣體反應(yīng)器中引入2至70kg COD/m3/天，優(yōu)選至少lOCOD/m3/天 和/或小于50kg COD/m3/天。更優(yōu)選地向生物氣體反應(yīng)器中引入至少20kg COD/m3/天。 EGSB消化器中的HRT優(yōu)選在3至100小時(shí)之間，更優(yōu)選在3與75小時(shí)之間，甚至更優(yōu)選在 3與60小時(shí)之間且最優(yōu)選在4與25小時(shí)之間。IC反應(yīng)器中的HRT優(yōu)選在3至100小時(shí)之 間，更優(yōu)選在10與80小時(shí)之間且最優(yōu)選在15與60小時(shí)之間。UASB消化器中的HRT優(yōu)選 在10至100小時(shí)之間，更優(yōu)選在20與80小時(shí)之間且最優(yōu)選在20與50小時(shí)之間。CSTR消 化器中的HRT優(yōu)選在1至20天之間，更優(yōu)選在2至15天之間且最優(yōu)選在2至10天之間。 一般而言，不回收液體至第一階段（酶處理）。在CSTR系統(tǒng)中，可采取措施來(lái)保持反應(yīng)器中 的生物質(zhì)。厭氧膜生物反應(yīng)器中的HRT優(yōu)選在3至12天之間，更優(yōu)選在4與10天之間。
[0040] 發(fā)明人已注意到有機(jī)材料孵育或發(fā)酵中的幾個(gè)問(wèn)題，諸如此方法中存在的微生物 對(duì)蛋白和多糖的低消化性（digestibility)、常由加入額外的礦物質(zhì)來(lái)補(bǔ)償?shù)牡V物質(zhì)（金 屬）的低可用性以及在構(gòu)件（hardware)諸如（金屬）表面上和在管線和泵中的鹽沉淀。令 人驚訝的是，本發(fā)明提供一種至少解決了部分這些問(wèn)題的改進(jìn)方法。
[0041] 因此，本發(fā)明具有幾種優(yōu)勢(shì)，諸如：
[0042] (a)更穩(wěn)固的生物氣體生產(chǎn)方法；
[0043] (b)批次間的差異較?。?br> [0044] (C)對(duì)有機(jī)材料的依賴性較??；
[0045] (d)可使用有機(jī)材料的混合物；
[0046] (e)由于較少加入或不加入礦物質(zhì)而具有更佳的經(jīng)濟(jì)性；
[0047] (f)生物氣體產(chǎn)量增加；
[0048] (g)磷的生物可用性增加；
[0049] (h)有機(jī)會(huì)從如（經(jīng)過(guò)預(yù)處理的）青貯飼料或消化漿的液體生物氣體方法部分中 提取磷；
[0050] ⑴諸如Ca、Mg、Fe、Co、Zn等的礦物質(zhì)的生物可用性增加；
[0051] (j)有機(jī)會(huì)從如（經(jīng)過(guò)預(yù)處理的）青貯飼料或消化漿的液體生物氣體方法部分中 提取礦物質(zhì)；
[0052] (k)對(duì)加入微量礦物質(zhì)的需求降低；
[0053] (1)更好地利用天然可用的微量礦物質(zhì)用于發(fā)酵微生物的活性；
[0054] (m)碳水化合物對(duì)于碳水化物酶的可用性增加；
[0055] (η)蛋白酶對(duì)于蛋白的可用性增加；
[0056] (〇)(必需）氨基酸的可用性增加；
[0057] (P)發(fā)酵微生物的健康狀況增強(qiáng)；
[0058] (q)在方法構(gòu)件中的金屬表面上形成較少沉積物或鹽沉淀；
[0059] (r)清潔/停工需求較少；
[0060] (s)可通過(guò)這些金屬表面的最大熱轉(zhuǎn)移較長(zhǎng)（如在熱交換器中）；
[0061] (t)更長(zhǎng)時(shí)間地利用最大流速工廠效率；和/或
[0062] (U)所需的泵送能量較少。
[0063] 在一個(gè)實(shí)施方式中，有機(jī)材料是包含兩種或更多種有機(jī)材料的混合物，優(yōu)選是包 含谷粒（grain)和糞肥（優(yōu)選是豬糞肥）的混合物，更優(yōu)選是包含糞肥和啤酒糟的混合物 或包含糞肥和玉米青飼料（優(yōu)選是全玉米青飼料（whole corn silage))的混合物。
[0064] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，有機(jī)材料包含啤酒糟。
[0065] 在又一個(gè)實(shí)施方式中，有機(jī)材料包含玉米青I&飼料，優(yōu)選是全玉米青C飼料。
[0066] 啤酒糟（也稱為麥糟（spent grain)、啤酒柏（brewer's grain)或啤酒糟柏 (brewer's draff))是在啤酒釀造過(guò)程中打楽（mashing)后留下的殘余谷物。其主要由碳 水化合物和蛋白組成且富含植酸。
[0067] 發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，加入植酸酶（優(yōu)選地是植酸酶和半纖維素酶）極適合用于從 包含兩種或更多種有機(jī)材料的混合物來(lái)生產(chǎn)生物氣體。這種生物氣體方法可以是穩(wěn)固的且 對(duì)批次間的差異較不敏感，且對(duì)兩種或更多種有機(jī)材料的比率較不敏感。
[0068] 在生物氣體方法中所用的多種原材料中可存在植酸。然而，通常并非確切知道存 在多少植酸，因?yàn)樵牧贤ǔ？勺兦椅戳己每刂?，而且因?yàn)槲粗那铱赡茏兓牧康闹菜?可能已在之前的加工步驟期間降解：
[0069]-諸如由玉米、黑麥、小麥、大麥、草制得的青貯飼料可只由廢棄材料來(lái)制備，但其 常常也包括種子。青貯飼料方法可降解一些植酸，但并不完全。
[0070] -糞肥可來(lái)自不同來(lái)源。對(duì)于單胃動(dòng)物諸如魚、雞和豬而言，常向飼料中加入植酸 酶以使得植酸在動(dòng)物的腸道中分解。然而，此轉(zhuǎn)化并非必然是完全的。相反，諸如奶牛、山 羊、駱駝和綿羊以及馬的反芻動(dòng)物通常得到無(wú)植酸酶補(bǔ)充的飼料。瘤胃發(fā)酵可降解植酸，但 同樣，其發(fā)生的程度將是可變的。
[0071] -來(lái)自多種來(lái)源（植物、食物）的廢棄材料可含有植酸。尤其豆類（諸如大豆、豌 豆、黃豆和羽扇豆）和谷類（諸如小麥、玉米、黑麥、大麥和燕麥）在其種子（豆粒、谷粒） 中含有高水平的植酸。而且許多來(lái)源于諸如面包制造、啤酒釀造、制酒、制糖的方法的二級(jí) 廢物流是基于谷物的。熟知的廢物流包括啤酒糟、麥酒糟、甜菜渣、玉米漿（固體）。
[0072] -堅(jiān)果、核仁、果核、橄欖果肉以及來(lái)自其加工的廢物流。
[0073] 植酸與來(lái)源于生物質(zhì)的原材料中的多種組分締合的能力表明在除去植酸時(shí)可獲 得優(yōu)勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，釋放蛋白為生物氣體培養(yǎng)物提供氮和碳。釋放淀粉或纖維直接為生物 氣體形成提供底物。這也可以使其它酶通過(guò)更好地暴露于其底物而更有效地作用。這可以 允許降低方法中纖維降解酶的劑量。釋放礦物質(zhì)（Fe、Zn、Ca、Mg、Co、Cu、Ni、Mn、Mo、V等） 可為生物氣體生產(chǎn)群落提供營(yíng)養(yǎng)物。由于在生物氣體發(fā)酵期間常給予微量元素而這可能不 再被需要，所以這是特別受關(guān)注的。
[0074] 本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于消化漿（digestate)中的重金屬總濃度降低，這將減少其 在處理期間擴(kuò)散到環(huán)境中。釋放的磷酸鹽也可以用作微生物的營(yíng)養(yǎng)物，或者可以從液體部 分收回。無(wú)論如何，礦物質(zhì)和磷酸鹽的改進(jìn)使用及其在消化漿中較低的濃度將使消化漿更 易于通過(guò)例如作為肥料耕到田地中來(lái)被處理。
[0075] 另一些潛在益處與生物氣體發(fā)酵的液流中，如底物流、發(fā)酵流、消化漿和廢物流中 的植酸（當(dāng)其仍存在時(shí)）的特性相關(guān)。液流中的植酸具有與（金屬）表面粘附的傾向。由 于其保留有與廢物流中的其它物質(zhì)結(jié)合的能力，因此其充當(dāng)污垢層形成的引物。這可在泵、 管線、熱交換器等中導(dǎo)致多種問(wèn)題。
[0076] 因此，本發(fā)明可通過(guò)分解生物氣體方法中的植酸來(lái)提供一種或更多種上述優(yōu)勢(shì)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，在確定植酸水平期間，由于植酸與多種物質(zhì)結(jié)合的能力應(yīng)考慮 其存在的形式和位置及其在多種化合物存在下的不良溶解性。
[0077] 即使利用可分解植酸的酶，在生物氣體方法中這樣做也并非不重要?？捎玫纳逃?植酸酶具有酸性最佳pH。一方面，其已經(jīng)被針對(duì)其特性被選擇，原因在于其旨在應(yīng)用于動(dòng) 物的胃中。但另一方面，必須意識(shí)到植酸一般在較低PH值下更易于分解，原因在于底物分 子（植酸）在低PH值下，尤其在金屬離子存在下的溶解度增加。然而，生物氣體反應(yīng)器中 的pH商于7。
[0078] 因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，在7或更高的pH值下、優(yōu)選在7. 2或更高的pH值下、更 優(yōu)選在7. 5或更高的pH值下進(jìn)行酶處理。
[0079] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，在生物氣體反應(yīng)器中用包含植酸酶的酶組合物處理 有機(jī)材料。此程序的主要優(yōu)勢(shì)在于其易于整合到現(xiàn)有的生產(chǎn)方法中。令人驚訝的是，植酸 可在略呈堿性（pH>7)的條件下有效分解。
[0080] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，在小于7的pH值下進(jìn)行酶處理。pH可小于6. 5、 更優(yōu)選小于6、甚至更優(yōu)選小于5. 5。這允許植酸酶的作用被獨(dú)立于生物氣體反應(yīng)器中的產(chǎn) 甲烷菌培養(yǎng)物的要求而被優(yōu)化。這還允許植酸酶易于與可對(duì)后續(xù)反應(yīng)器中的甲烷形成具有 積極作用的其他酶或處理組合。除使得能夠獨(dú)立優(yōu)化操作條件的優(yōu)勢(shì)之外，還有規(guī)模縮放 的可能益處：如果認(rèn)為較小的反應(yīng)器（每體積較高質(zhì)量生產(chǎn)量）有利，就使用這種配置。
[0081] 在另一個(gè)實(shí)施方式中,僅應(yīng)用植酸酶,而不加入其它酶。
[0082] 在又一個(gè)實(shí)施方式中，植酸酶與其它酶制劑一起同時(shí)或相繼應(yīng)用，其中植酸酶和 其它酶制劑具有獨(dú)立或相加作用。
[0083] 在又一個(gè)實(shí)施方式中，植酸酶與其它酶制劑一起同時(shí)或相繼應(yīng)用，其中植酸酶和 其它酶制劑顯示協(xié)同作用。即植酸酶的存在改善了其它酶的功效，或反之亦然。尤其通過(guò) 組合植酸酶和半纖維素酶、甚至更優(yōu)選在組合植酸酶、半纖維素酶和纖維素酶時(shí)可獲得協(xié) 同作用。
[0084] 植酸酶（肌醇六磷酸磷酸水解酶）是催化植酸（肌醇六磷酸）（它是在谷物和油 籽中發(fā)現(xiàn)的不可消化的有機(jī)形式的磷）水解且釋放可用形式的無(wú)機(jī)磷的任何磷酸酶類型。
[0085] 在一個(gè)實(shí)施方式中，酶組合物還包含半纖維素酶和/或半纖維素酶。
[0086] 使半纖維素水解的酶通常稱為半纖維素酶。半纖維素是與纖維素一起存在于幾乎 所有植物細(xì)胞壁中的幾種雜聚物（基質(zhì)多糖）中的任意種，諸如阿拉伯木聚糖。雖然纖維 素是晶體、堅(jiān)固的且抗水解，但半纖維素卻具有強(qiáng)度較小的隨機(jī)、非晶形結(jié)構(gòu)。其易于被稀 酸水解。然而，盡管存在多種不同的半纖維素酶，但仍難以實(shí)現(xiàn)半纖維素的完全酶促降解， 因?yàn)榫酆衔镏写嬖陔y降解結(jié)構(gòu)。
[0087] 纖維素酶是使纖維素 （β -1，4-葡聚糖或β D-葡糖苷鍵）水解導(dǎo)致形成葡萄糖、 纖維二糖、纖維寡糖等的酶。
[0088] 纖維素酶?jìng)鹘y(tǒng)上被分為以下主要類別：內(nèi)切葡聚糖酶（"EG"，（E. C. 3. 2. 1. 4)，其 水解葡萄糖單元之間的β -1，4-鍵）（EC 3. 2. I. 4) ( "EG"）、外切葡聚糖酶或纖維二糖水 解酶（"CBH"，（E. C. 3. 2. 1. 91)，其由纖維素的還原端和非還原端水解纖維二糖、葡萄糖二 糖）和β-葡糖苷酶（[P]-D-葡糖苷葡糖水解酶（"BG"，（E.C.3.2. 1.21)，其水解纖維 二糖的β_1，4糖苷鍵成葡萄糖）。例如參見(jiàn)Knowles等人，TIBTECH 5,255-261,1987; Shulein, Methods Enzymol.，160, 25，第 234-243 頁(yè)，1988。內(nèi)切葡聚糖酶主要作用 于纖維素纖維的非晶形部分，而纖維二糖水解酶也能降解結(jié)晶纖維素（Nevalainen和 Penttila, Mycota, 303-319, 1995)。因此，有效溶解結(jié)晶纖維素要求纖維素酶體系中存在纖 維二糖水解酶（Suurnakki等人，Cellulose7:189-209, 2000)。β -葡糖苷酶用于從纖維二 糖、纖維寡糖和其它葡糖苷釋放D-葡萄糖單元（Freer, J. Biol. Chem.第268卷，第13期， 第 9337 至 9342 頁(yè)，1993)。
[0089] 糖苷水解酶家族61 (GH61或有時(shí)稱為EGIV)蛋白是增強(qiáng)纖維素酶對(duì)木質(zhì)纖維素底 物的作用的蛋白。GH61最初基于在一種家族成員中測(cè)量的極弱的內(nèi)切-1，4-β-(1-葡聚糖 酶活性而分類為內(nèi)切葡聚糖酶。如本文所用的術(shù)語(yǔ)"GH61"應(yīng)理解為在良好確立的CAZY GH 分類系統(tǒng)（http://www. cazy.org/GH61.html)中分類為家族61的共享共同的保守序列部 分和折置的酶家族。
[0090] 本文中，糖苷水解酶家族61使用糖苷水解酶EC3. 2. 1家族的成員，其在本文中用 作纖維素酶的部分。
[0091] 包含半纖維素酶和植酸酶的酶組合物優(yōu)選包含1:100至100:1的半纖維素酶與植 酸酶的比率（表示為以重量計(jì)的半纖維素酶蛋白：植酸酶蛋白），更優(yōu)選包含1:10至10:1 的半纖維素酶與植酸酶的比率。
[0092] 包含半纖維素酶、纖維素酶和植酸酶的酶組合物優(yōu)選包含1:100至100:1的半纖 維素酶和纖維素酶與植酸酶的比率（表示為以重量計(jì)的半纖維素酶和纖維素酶蛋白：植酸 酶蛋白），更優(yōu)選包含1:10至10:1的半纖維素酶和纖維素酶與植酸酶的比率。
[0093] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種包含植酸酶、優(yōu)選半纖維素酶和/或纖維素酶與 植酸酶的酶組合物的用途，其用于增加在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的方法中存在的 微生物對(duì)蛋白和多糖的消化性、用于增加礦物質(zhì)（金屬）在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣 體的方法中的可用性，或用于減少在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的方法中在構(gòu)件諸如 (金屬）表面上以及管線和泵中的鹽沉淀。
[0094] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于本發(fā)明的方法的酶組合物。
[0095] 方法和材料
[0096] MethaPlus? L 100 (由荷蘭DSM公司獲得的含有纖維素酶和半纖維素酶的混合 物）。
[0097] 植酸酶5000L(由荷蘭DSM公司獲得的植酸酶制劑）。
[0098] 實(shí)施例1
[0099] 植酸酶、半纖維素酶和纖維素酶用于生物氣體生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)
[0100] 在具有500ml體積的12個(gè)試驗(yàn)瓶中分批進(jìn)行此試驗(yàn)，在39°C下持續(xù)21天。這些 試驗(yàn)都一式三份進(jìn)行（每組條件下3個(gè)瓶）。
[0101] 底物是玉米青貯飼料（總底物混合物的有機(jī)干物質(zhì)的60% )、奶牛糞肥（總底物 混合物的有機(jī)干物質(zhì)的30% )和小麥谷粒（總底物混合物的有機(jī)干物質(zhì)的10% )的混合 物。試驗(yàn)之前，將玉米青貯飼料干燥（60°C )并研磨成< 0. 5mm的粒度。將小麥谷粒研磨成 相同粒度。
[0102] 使用兩種酶制劑：MethaPlus L 100和植酸酶5000L。
[0103] 應(yīng)用以下實(shí)驗(yàn)變量（參見(jiàn)表1)
[0104] 表 1
[0105]

【權(quán)利要求】
1. 一種從有機(jī)材料生產(chǎn)生物氣體的方法，其包括： -用包含植酸酶的酶組合物處理所述有機(jī)材料；和 -消化經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料以形成生物氣體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括，在酶處理之前： -處理所述有機(jī)材料以減少有活力微生物的數(shù)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其還包括，在酶處理之后： -使經(jīng)過(guò)酶處理的有機(jī)材料經(jīng)歷固-液分離并回收液體部分，由此消化所述液體部分 以形成生物氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酶組合物還包含半纖維素酶和 /或纖維素酶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料包含啤酒糟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料包含全玉米青貯飼料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料是包含兩種或更多種 有機(jī)材料的混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料是包含谷粒和糞肥的 混合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料是包含糞肥、優(yōu)選豬糞 肥和啤酒糟的混合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)材料是包含糞肥、優(yōu)選豬 糞肥和玉米青貯飼料、優(yōu)選全玉米青貯飼料的混合物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酶處理在7或更高的pH下進(jìn) 行。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酶處理在低于7的pH下進(jìn) 行。
13. 包含植酸酶的酶組合物的用途，其用于增加在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的 方法中存在的微生物對(duì)蛋白和多糖的消化性。
14. 包含植酸酶的酶組合物的用途，其用于增加礦物質(zhì)在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物 氣體的方法中的可用性。
15. 包含植酸酶的酶組合物的用途，其用于減少在適合將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為生物氣體的 方法中在構(gòu)件例如（金屬）表面上以及管線和泵中的鹽沉淀。
【文檔編號(hào)】C12P5/02GK104411829SQ201380033601
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月26日
【發(fā)明者】胡戈·斯特里科斯特羅, 西奧多勒斯·馬呂斯·韋爾洛因 申請(qǐng)人:帝斯曼知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)管理有限公司