專利名稱：生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，特別是，涉及可在制備エ 程中較大地減少原料和能源費用的經(jīng)濟性的并是環(huán)保的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法。
背景技術(shù)：
為了將微生物在特殊的環(huán)境下人工培養(yǎng)，需在培養(yǎng)基中添加多種營養(yǎng)成分。該微生物的營養(yǎng)成分需求根據(jù)微生物的種類各不相同。因此，為了滿足上述微生物的營養(yǎng)成分需求，一般情況下使用添加有無機鹽、氨基酸、維生素、蛋白胨(ρ印tone)、玉米漿(corn steep liquor)、酵母提取物(yeast extract)等的多種培養(yǎng)基。微生物培養(yǎng)基可大致分為合成培養(yǎng)基(synthetic medium)和復(fù)合培養(yǎng)基(complex medium)。合成培養(yǎng)基含有類似無機鹽、氨基酸、維生素等化學(xué)性成分被明確地說明的營養(yǎng)成分；復(fù)合培養(yǎng)基含有類似蛋白胨、玉米漿、酵母提取物等化學(xué)性成分沒有被明確地說明的營養(yǎng)成分。為了開發(fā)合成培養(yǎng)基，如上所述，由于根據(jù)微生物的種類所需的營養(yǎng)成分各不相同，因此需要先進行查明微生物所需的所有營養(yǎng)成分的工作。為此，一般情況下，在將所有種類的氨基酸和維生素添加至含無機鹽的培養(yǎng)基中制備培養(yǎng)基后，在所述的培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物來確認該微生物是否成長。當微生物的成長被確認時，在所述的添加至培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分中重新制備ー種營養(yǎng)成分被清除的培養(yǎng)基后，在所述的特定營養(yǎng)成分被清除的培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物來確認該微生物是否成長。當微生物的成長被確認時，在所述的添加至培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分中再重新制備其他的一種營養(yǎng)成分被清除的培養(yǎng)基。與此相反，當微生物的成長沒有被確認時，將被清除的營養(yǎng)成分定義為合成培養(yǎng)基制備中必須添加的必須營養(yǎng)成分，并在隨后的培養(yǎng)基制備中必須添加。至今為止，一般反復(fù)執(zhí)行上述的方法來進行查明微生物培養(yǎng)中所需的所有營養(yǎng)成分的工作，從而來開發(fā)合成培養(yǎng)基(aiang et al., App. Microbiol. Biotechnol. ,51 :407，1997)。但是，所述的方法，即，單一除去法(single omission technique)作為反復(fù)試驗的方法需要大量的時間、人力、研究費用。最近，用于補充單ー除去法的統(tǒng)計性培養(yǎng)基開發(fā)方法正被研究者提出，但成功的概率十分低，沒有廣泛地被實際使用。利用如上所述的單一除去法及統(tǒng)計性方法來將微生物培養(yǎng)所需的營養(yǎng)成分全部確認后，對于每一個營養(yǎng)成分，為了促進微生物成長，必須確認所需的須添加至培養(yǎng)基中的最適當?shù)臓I養(yǎng)成分的量。特別是，相當數(shù)量的微生物具備在含有所有氨基和維生素的合成培養(yǎng)基中也不能成長的缺點。因此，多數(shù)的微生物相對合成培養(yǎng)基，在含有作為復(fù)合培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分來添加的蛋白胨和酵母提取物等的培養(yǎng)基中更能促進成長。此外，由于化學(xué)上的成分被明確地說明的合成培養(yǎng)基的制備中所添加的氨基酸或維生素的價格十分貴，因此，在通過微生物培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)性地大量生產(chǎn)生物燃料物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)中使用含有上述物質(zhì)的合成培養(yǎng)基具有一定的局限性。在通過微生物培養(yǎng)的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備中，雖然化學(xué)性成分沒有被說明，但添加有含微生物培養(yǎng)所需的所有營養(yǎng)成分的蛋白胨、玉米漿、酵母提取物等的復(fù)合培養(yǎng)基正被廣泛使用。蛋白胨作為蛋白質(zhì)被分解的物質(zhì)，由于肽酶被重新轉(zhuǎn)換成氨基酸，可在微生物培養(yǎng)中作為氮源來使用。但是，為了通過產(chǎn)業(yè)性規(guī)模的微生物培養(yǎng)生產(chǎn)生物燃料物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)而使用蛋白胨同樣是十分貴的物質(zhì)。玉米漿在玉米濕磨(corn wet-milling)工程中作為以副產(chǎn)物產(chǎn)生的物質(zhì)，價格較低，因此作為微生物培養(yǎng)的重要營養(yǎng)成分被廣泛地使用(Liggett et al. , Bacteriol. Rev. , 12 :297,1948 ； Liggett et al.，Bacteriol. Rev.，12 :300,1948)。此外，玉米漿不僅是用于微生物培養(yǎng)的氮源，還具有除了含有維生素和氨基酸以外還含有其他多種營養(yǎng)成分的優(yōu)點(Atkinson et al. ， Biochemical Engineering and Biotechnology HanabooK, me Nature Press， NY,57,1983 ；Miller et al.，Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, American Society of Microbiology, Washington DC，122，1986 ；Akhtar et al.，Tapi J. 80 :161,1997)。在微生物培養(yǎng)中玉米漿雖然是價格低廉優(yōu)選的營養(yǎng)成分，但與蛋白胨或酵母提取液相比，具有需在培養(yǎng)基中添加相對較多的量的缺點。此外，在玉米漿中存在抑制微生物成長的成分，因此，將相同量的酵母提取液添加至培養(yǎng)基中吋，相對來說，微生物的成長速度、微生物濃度、以及要生產(chǎn)的目標物質(zhì)的生產(chǎn)性十分低(Amartey et al., Bullet. Chem. Technol.，Macedonia，19 :65，2000 ；Silveira et al.，Appl. Microbiol. Biotechnol.，55 :442，2001 ；Underwood et al. , Appl.Environ. Microbiol.，70 :2734)。經(jīng)許多研究者的研究，酵母提取液被確認為是用于微生物培養(yǎng)的最優(yōu)選的營養(yǎng)成分，特別是，通過研究報告(Laube et al. , Biotechnol. Lett. ,6 :535,1984 ；Bibal et al. ,Appl. Microbiol. Biotechnol. ,30 :630,1989 ；Aeschlimann et al. ,Appl. Microbiol. Biotechnol. ,32 :398,1990 ；Norton et al. , J. Dairy Sci. ,77 :2494,1994 ；Kazamias et al. , Appl. Environ. Microbiol. ,61:2425,1995 ；Potvin et al. , J. Microbiol. Methods, 29 :153,1997 ；afrncova et al. , Biotechnol. Lett. ,21 :337,1999 ；Bury et al. , Czech J. Food Sci. ,19 :166，2001)，其可促進微生物成長，從而較大地提高通過微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)的目標物質(zhì)的生產(chǎn)性。此外，酵母提取液中含有相當數(shù)量的碳水化合物及溶解性糖， 不僅在微生物培養(yǎng)中作為營養(yǎng)成分，同時也提供給碳源(Revillion et al. , Braz. Arch. Biol. Technol. ,46 :121,2003 ；Ojokoh et al. , Afr. J. Biotechnol. ,4 :1281,2005) 由于酵母提取液的該優(yōu)秀性，酵母提取液在食品產(chǎn)業(yè)中也作為添加物被廣泛地使用。一般情況下，酵母提取液通過在啤酒和面包制造中使用的酵母的一種釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中人工培養(yǎng)菌株后通過自體溶解(autolysis)工程被制造。但是，由于通過所述的工程被制造的酵母提取液價格十分貴，因此，作為用于當前產(chǎn)業(yè)性規(guī)模中的生物燃料物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的微生物培養(yǎng)的營養(yǎng)成分來使用吋，事實上并不適合。實際上，通過研究報告(Mulligan et al.，Biotechnol. Bioeng. ,38 :1173，1991)，在將 2g/L 的酵母提取液作為營養(yǎng)成分添加來生產(chǎn)乳酸吋，酵母提取液費用要占到整個乳酸生產(chǎn)費用的32%。有關(guān)通過微生物培養(yǎng)的生物燃料物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的研究可分為低價格碳源及培養(yǎng)基開發(fā)、發(fā)酵工程開發(fā)、分離及精煉工程開發(fā)、優(yōu)秀的菌株開發(fā)等。當前，通過產(chǎn)業(yè)性規(guī)模的微生物培養(yǎng)的生物燃料物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)主要是使用添加有玉米漿、酵母提取液、蛋白胨等營養(yǎng)成份的復(fù)合培養(yǎng)基。如上所述，玉米漿雖然價格低廉但抑制微生物成長， 從而不能保障要生產(chǎn)的目標物質(zhì)的生產(chǎn)性。與此相反，酵母提取液和蛋白胨作為營養(yǎng)成分，雖然優(yōu)秀但價格貴，不能確保經(jīng)濟性。因此，為了產(chǎn)業(yè)性規(guī)模中的生物燃料物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)，需要ー種在保障生產(chǎn)性的同時也能保障經(jīng)濟性，且價格低廉并充分含有優(yōu)秀的營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基的開發(fā)。用于將微生物發(fā)酵工程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物再利用的研究正在通過一部分研究者被進行，因此開發(fā)了一種將在實際醇的發(fā)酵工程中產(chǎn)生的沒有被發(fā)酵的固體殘留碳水化合物在污泥槽中重新加水分解來作為碳源再提供至相同的乙醇發(fā)酵槽中來使用的工程(美國專利4，578，353)。此外，還開發(fā)了將2個醇發(fā)酵槽連接，在各自的發(fā)酵槽中將以副產(chǎn)物產(chǎn)生的有機酸和氣體成分選擇性地分離，從而來重新使用的工程(PCT專利WO 2008/115080)。 但是，所述的工程只是選擇性地重新使用作為原料物質(zhì)被提供的物質(zhì)，或是在發(fā)酵槽中經(jīng)微生物以副產(chǎn)物產(chǎn)生的物質(zhì)中的一部分成分，因此是十分局限性的方法。將化石資源作為原料來使用而生產(chǎn)的燃料物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)不同，生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)是通過將可完全循環(huán)的生物學(xué)性資源生物質(zhì)作為原料物質(zhì)來使用從而可獲得的燃料物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)。最近，為了克服由于化石燃料耗竭的能源危機和溫室氣體帶來的氣候變化的環(huán)境危機，對可實現(xiàn)資源和ニ氧化碳的完全循環(huán)(Carbon Neutral or Carbon Zero)的環(huán)保生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的需求正在不斷増大。特別是，對于搬運和儲存較容易且適合作為輸送燃料的類似乙醇和丁醇的生物燃料物質(zhì)備受矚目。至今為止，生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)大部分是通過將玉米或小麥等淀粉加水分解而獲得的葡萄糖或甘蔗中所包含的蔗糖(Sucrose)的微生物發(fā)酵被生產(chǎn)的。但是，由于連續(xù)的谷物價格上升，以及將糧食資源用于燃料物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的生產(chǎn)中具有倫理性的問題，因此，為了將地球上最豐富的非食用生物學(xué)性資源木質(zhì)纖維生物質(zhì) (lignocellulosic Biomass)作為原料物質(zhì)來使用，從而有效地生產(chǎn)燃料物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的研究正在全世界被廣泛地進行。木質(zhì)纖維生物質(zhì)可大致分為木質(zhì)生物質(zhì)(woody biomass)和草質(zhì)生物質(zhì)(grassy biomass)，此類物質(zhì)以纖維素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)、木質(zhì)素(Iignin) 為主要成份來構(gòu)成。木質(zhì)纖維生物質(zhì)在經(jīng)過利用酸、鹽基、蒸氣等的物理化學(xué)性電處理工程后，通過加水分解酵素，最終，纖維素轉(zhuǎn)換成含有葡萄糖的6碳糖，且半纖維素與6碳糖一起轉(zhuǎn)換成含有木糖(xylose)、阿拉伯糖(arabinose)等的5碳糖。幾乎所有的微生物具備在發(fā)酵過程中將6碳糖葡萄糖作為碳源和能源資源來使用的能力，但一部分微生物不具備將 5碳糖葡萄糖作為碳源和能源資源來使用的能力。因此，在通過微生物發(fā)酵的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)中，由于不具備使用上述的5碳糖的能力，或是明顯能力較低，不能使用從木質(zhì)纖維生物質(zhì)可獲取的在整個糖中約占35%的5碳糖，從而造成巨大的原料物質(zhì)價格上升，較難確保經(jīng)濟性。此外，存在于發(fā)酵后所產(chǎn)生的廢液中的5碳糖使化學(xué)需氧量及生物需氧量(chemical oxygen demand, biological oxygen demand)急劇地增加，因此需要用于處理該問題的新廢水處理工程因此，需要開發(fā)ー種可有效地使用來源于木質(zhì)纖維生物質(zhì)的5碳糖和6碳糖，同時可經(jīng)濟性并環(huán)保地生產(chǎn)生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)課題
本發(fā)明提供ー種具有可節(jié)省原料物質(zhì)和培養(yǎng)基制備費用的，并可節(jié)省巨大的能源費用的環(huán)保型經(jīng)濟性的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。根據(jù)本發(fā)明的另ー個實施例的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其包括以下步驟從5 碳糖和6碳糖的混合物使6碳糖發(fā)酵來生成乙醇發(fā)酵液；將所述乙醇發(fā)酵液分離精煉；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在所述分離精煉的步驟中所生成的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。其中，所述5碳糖和6碳糖的混合物為含有糖的混合物，所述糖是通過將從由木質(zhì)纖維生物質(zhì)和纖維生物質(zhì)組成的群中選擇出來的ー個以上進行物理化學(xué)性預(yù)處理以及糖化工程被生成的。所述發(fā)酵廢物包含從由6碳糖和5碳糖組成的群中選擇出來的ー個以上的糖，所述6碳糖包含葡萄糖(glucose)、半乳糖(galactose)、和甘露糖(marmose)等，且，所述5碳糖包含木糖 (xylose)和阿拉伯糖(arabinose)等。根據(jù)本發(fā)明的另ー個實施例的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述第1微生物包含從由酵母、梭菌屬(Clostridium)、大腸菌、芽抱桿菌屬(Bacillus)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)、產(chǎn)堿桿菌 ill (Alcaligenes)、擬桿囷屬(Bacteroiaes)、塊希氏菌屬(Escnerichia)、學(xué)し桿菌J禺(Lactobacillus；、學(xué)し球困屬(Lactococcus)、畢赤酵母屬(Pichia)、假單胞菌屬(I^seudomonas)、羅爾斯頓菌屬(Ralstonia)、紅球菌屬(Rhodococcus)、酵母囷屬(Saccharomycesノ、鏈 # 菌ノ禹(Streptomycesノ、棲熱菌屬(Thermus)、棲熱袍菌屬(Thermotoga)、嗜熱菌(Thermoanaerobacter)、克雷イ白菌屬 (Klebsiella)、鏈％菌禾斗(Streptomycetaceae)、放線菌禾斗(Actinomycetaceae)、ロ」.啉桿菌 (Colinebacterium)、發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)、放線桿菌屬(Actinobacillus)、厭氧螺菌屬(Anaerobiospirillum)、曼海姆菌(Mannheimia)組成的群中選擇出來的ー個以上。其中，將接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基以在由分批(batch)培養(yǎng)、流加式(fed-batch)培養(yǎng)、和連續(xù)(continuous)培養(yǎng)組成的群中選擇出來的至少ー個以上的方法來培養(yǎng)。并可進一歩包括以下步驟將培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基后所生成的生物燃料物質(zhì)分離及精煉。其中，所述生物燃料物質(zhì)為能夠以燃料使用的生物氣體、醇、烷烴類化合物、和烯烴類化合物。其中，所述生物氣體包含甲烷和氫，所述醇包含乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醛根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物；將第2微生物接種于所述培養(yǎng)基中；培養(yǎng)接種有所述第2微生物的培養(yǎng)基。根據(jù)本發(fā)明的另ー個實施例的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟從5碳糖和6碳糖的混合物使6碳糖發(fā)酵來生成乙醇發(fā)酵液；將所述乙醇發(fā)酵液分離精煉；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在所述分離精煉的步驟中所生成的發(fā)酵廢物；將第2微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第2微生物的培養(yǎng)基。其中，所述5碳糖和6碳糖的混合物是通過將從由木質(zhì)纖維生物質(zhì)和纖維生物質(zhì)組成的群中選擇出來的ー個以上進行物理化學(xué)性預(yù)處理以及糖化工程被生成的混合物質(zhì)。所述發(fā)酵廢物包含從由6碳糖和5碳糖組成的群中選擇出來的ー個以上的糖，所述6碳糖包含葡萄糖(glucose)、半乳糖(galactose)、和甘露糖(marmose)等，且，所述5碳糖包含木糖Uylose)和阿拉伯糖(arabinose)等。根據(jù)本發(fā)明的另ー個實施例的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述第2微生物包含從由酵母、梭菌屬(Clostridium)、大腸菌、芽抱桿菌屬(Bacillus)、厭氧粘細菌(Anaeromyxobacter)、產(chǎn)堿桿菌 ill (Alcaligenes)、擬桿囷屬(Bacteroiaes)、塊希氏菌屬(Escnerichia)、學(xué)し桿菌J禺(Lactobacillus；、學(xué)し球困屬(Lactococcus)、畢赤酵母屬(Pichia)、假單胞菌屬(I^seudomonas)、羅爾斯頓菌屬(Ralstonia)、紅球菌屬(Rhodococcus)、酵母囷屬(Saccharomycesノ、鏈 Sp 菌 ノ禹(Streptomycesノ、棲熱菌屬(Thermus)、棲熱袍菌屬(Thermotoga)、嗜熱菌(Thermoanaerobacter)、克雷イ白菌屬 (Klebsiella)、鏈％菌禾斗(Streptomycetaceae)、放線菌禾斗(Actinomycetaceae)、ロ」.啉桿菌 (Colinebacterium)、發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)、放線桿菌屬(Actinobacillus)、厭氧螺菌屬(Anaerobiospirillum)、曼海姆菌(Mannheimia)組成的群中選擇出來的ー個以上。其中，所述生物化學(xué)物質(zhì)包含從由氨基酸、有機酸、酵素、生物降解高分子、醇組成的群中選擇出來的ー個以上。所述氨基酸包含甲硫氨酸和蘇氨酸。所述有機酸包含從由乳酸、丁酸、丁ニ酸、和羥基丙酸組成的群中選擇出來的ー個以上。所述生物降解高分子包含生物聚酷。技術(shù)效果根據(jù)本發(fā)明的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，由于將醇生產(chǎn)工程中產(chǎn)生的發(fā)酵廢物作為用于微生物培養(yǎng)的培養(yǎng)基來使用，可低廉并環(huán)保地制備生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)。此外，由于將醇生產(chǎn)工程中產(chǎn)生的發(fā)酵廢物作為用于微生物培養(yǎng)的培養(yǎng)基來使用，可減少通常要添加至微生物培養(yǎng)基中的各種化學(xué)物質(zhì)及營養(yǎng)成分的添加量，或是不添加。此外，可減少通常使用的葡萄糖，蔗糖，丙三醇等碳源的添加量。此外，由于在醇蒸餾過程中微生物被消毒，因此可節(jié)省通常在微生物培養(yǎng)基的消毒過程中所消耗的巨大的能源費
ο同吋，由于從木質(zhì)纖維生物質(zhì)中生成的5碳糖和6碳糖都可被有效地用于微生物發(fā)酵工程中，因此可較大地較少原料物質(zhì)費用。因此，根據(jù)本發(fā)明的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，制備中所需的原料物質(zhì)及能源費用可被較大地較少。此外，由于將醇發(fā)酵工程中產(chǎn)生的廢物再利用并使用 6碳糖和5碳糖，因此可同時獲得環(huán)境保護和節(jié)省資源的效果。本發(fā)明提供ー種可有效地利用木質(zhì)纖維生物質(zhì)，并且不僅可節(jié)約工程過程中所需的能源，還能節(jié)約廢水處理費用、附加營養(yǎng)素所需費用等的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)制備方法的流程圖。
圖 2 是比較丙酮丁醇梭菌 ATCC824 (Clostridium acetobutylicum ATCC 824)菌株丁醇生產(chǎn)量的圖。圖 3 是比較丙酮丁醇梭菌 ATCC824 (Clostridium acetobutylicum ATCC 824)菌株丁醇生產(chǎn)量的圖。圖 4 是比較丙酮丁醇梭菌 ATCC824 (Clostridium acetobutylicum ATCC 824)菌株丁醇生產(chǎn)量的圖。圖 5 是比較拜氏梭菌 NCIMB8052 (Clostridium beijerinckii NCIMB 8052)菌株丁醇生產(chǎn)量的圖。圖 6 是比較釀酒酵母 ATC(^601 (Saccharomyces cerevisiae ATCC 2601)菌株乙
醇生產(chǎn)量的圖。圖 7 是比較酪丁酸梭菌 ATCC25755 (Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755)菌
株丁酸生產(chǎn)量的圖。圖8是比較嗜酸乳桿菌NCFM(Lactobacillus acidophilus NCFM)乳酸生產(chǎn)量的圖。圖 9 是比較丁 ニ 酸放線桿菌 ATCC55618 (Actinobacillus succinogenes ATCC55618)菌株丁ニ酸生產(chǎn)量的圖。圖10是比較E. coli菌株3-羥基丙酸生產(chǎn)量的圖。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)制備方法的流程圖。圖12是比較拜氏梭菌ATCC35702菌株丁醇生產(chǎn)量的圖。圖13是比較酪丁酸梭菌ATCC25755菌株丁酸生產(chǎn)量的圖。
具體實施例方式雖然用于將微生物發(fā)酵工程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物再利用的研究正在進行中，但只是涉及將以副產(chǎn)物產(chǎn)生的物質(zhì)中的一部分成分選擇性地分離來重新使用的方法，且，至今為止， 還沒有關(guān)于將在醇生產(chǎn)工程中產(chǎn)生的發(fā)酵廢物本身作為用于微生物培養(yǎng)的培養(yǎng)基來使用的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法。以下參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所產(chǎn)生的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。根據(jù)本發(fā)明的另ー個實施例的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所產(chǎn)生的發(fā)酵廢物；將第2微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第2微生物的培養(yǎng)基。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)制備方法的流程圖。在乙醇發(fā)酵器中通過微生物發(fā)酵獲得發(fā)酵液。雖然多種微生物具有生產(chǎn)乙醇的能力，但當前主要在產(chǎn)業(yè)中使用的微生物為釀酒酵母，其是酵母中的ー種。在乙醇發(fā)酵中可使用多種碳源。通過生物質(zhì)預(yù)處理，將可生成乙醇的微生物接種至含有生產(chǎn)的碳源的培養(yǎng)基中之后，執(zhí)行分批培養(yǎng)、流加式培養(yǎng)、和連續(xù)培養(yǎng)的發(fā)酵工程。
將獲得的發(fā)酵液送至蒸餾塔中，在蒸餾塔中蒸餾乙醇，并將乙醇回收至乙醇儲存槽中。通過將培養(yǎng)基的溫度上升至80°C -90°C，來蒸餾具有約95%純度的乙醇，從而進行一次回收。為了生產(chǎn)更高純度的乙醇，需要附加的脫水工程。在一般的乙醇發(fā)酵工程中二氧化碳氣體以副產(chǎn)物產(chǎn)生，可將其捕集/壓縮來用于飲料或其他エ業(yè)。將乙醇回收至乙醇儲存槽后會產(chǎn)生剩余的發(fā)酵廢物。在80°C -90°C的高溫的乙醇蒸餾工程中，死滅的微生物、沒有被加水分解的固態(tài)的殘留碳水化合物、以及沒有發(fā)酵的糖以發(fā)酵廢物產(chǎn)生。所述發(fā)酵廢物包括在醇生產(chǎn)工程中將可生產(chǎn)醇的微生物接種至含有碳源的培養(yǎng)基中后通過發(fā)酵工程生產(chǎn)醇時所產(chǎn)生的發(fā)酵廢物。為了作為用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)作物的肥料來使用，所述發(fā)酵廢物可直接撒在耕作物上或作為家畜飼料來使用。但是，當將發(fā)酵廢物直接撒在耕作物上吋，具有土壌和水質(zhì)污染的危險性，而作為飼料來使用吋，由于需要將發(fā)酵廢物重新在高溫中去除水分來回收被濃縮的殘留固體物質(zhì)，因此用于去除水分的巨大的能源費用被消耗。由于蒸餾過程后產(chǎn)生發(fā)酵廢物中充分存在微生物培養(yǎng)基所需要的營養(yǎng)成分，將其直接作為培養(yǎng)基來使用吋，可較大地節(jié)省通常在培養(yǎng)基準備階段中所必需添加至培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分的費用。由于能夠?qū)l(fā)酵廢物中存在的殘留糖作為碳源來使用，同樣可節(jié)省微生物培養(yǎng)所需的碳源的費用。此外， 在高溫的蒸餾過程中，由于微生物被消毒，將所述的發(fā)酵廢物直接作為培養(yǎng)基來使用吋，由于高溫中的培養(yǎng)基不需要消毒過程，因此可節(jié)省培養(yǎng)基消毒過程中所消耗的巨大的能源費用。將所述發(fā)酵廢物送至固體/液體分離裝置中，只將固體成分被分離的液體發(fā)酵廢物送至生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)發(fā)酵器中，或是不送至固體/液體分離裝置中，將包含所有固體和液體成分的發(fā)酵廢物按原樣送至生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)發(fā)酵器中，作為本發(fā)明的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的制備中的培養(yǎng)基來準備?？蛇x擇地，可將水、碳源、和營養(yǎng)成分等附加地加入生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)發(fā)酵器中。作為碳源，可使用適用于葡萄糖或微生物培養(yǎng)的所有碳源。作為營養(yǎng)成分，包含添加至培養(yǎng)基后可促進微生物成長的所有物質(zhì)。將可生成生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)的微生物接種至所述培養(yǎng)基中。在可生成生物燃料物質(zhì)的第1微生物及可生成生物化學(xué)物質(zhì)的第2微生物中包含酵母、梭菌屬(Clostridiumフ、^:1 ■、オ3 禾干Iin禹(Bacillus) > Μ lif (Anaeromyxobacter； > 產(chǎn)堿桿囷屬(Alcaligenes)、擬桿菌屬(Bacteroides)、±矣希氏囷.屬(Escherichia；、 乳桿菌屬(Lactobacillus)、乳球菌屬(Lactococcus)、畢赤酵母屬(Pichia)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、羅爾斯頓菌屬(Ralstonia)、紅球菌屬(Rhodococcus)、酵母菌屬(Saccharomyces)、鏈霉菌屬(Str印tomyces)、棲熱菌屬(Thermus)、棲熱袍菌屬 (Thermotoga)、嗜熱菌(Thermoanaerobacter)、克雷伯菌屬(Klebsiella)、鏈霉菌科 (Streptomycetaceae; > 1 1 (Actinomycetaceae; > nj |f |if (Colinebacterium) > 發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)、放線桿菌屬(Actinobacillus)、厭氧螺菌屬 (Anaerobiospirillum)、曼海姆菌(Mannheimia)等，并包含上述菌的野生型菌株、突然異變菌株及再組合菌株。將接種有所述微生物的培養(yǎng)基通過分批培養(yǎng)、流加式培養(yǎng)、和連續(xù)培養(yǎng)等方法來培養(yǎng)。在通過微生物培養(yǎng)來生成生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)之后，將生成的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)分離及精煉從而進行回收。生物燃料物質(zhì)不僅其生物燃料本身可被使用，生物燃料物質(zhì)中添加的添加劑也可被使用，且生物燃料物質(zhì)中包含生物氣體、醇、烷烴類化合物、和烯烴類化合物等。生物氣體包含甲烷和氫；醇包含從由乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、 己醛等。生物化學(xué)物質(zhì)作為在化學(xué)物質(zhì)制造過程中的原料物質(zhì)或以原料物質(zhì)中添加的添加劑來使用的物質(zhì)，包含通過微生物培養(yǎng)可生產(chǎn)的氨基酸、有機酸、酵素、生物降解高分子、醇等。氨基酸包含甲硫氨酸和蘇氨酸；有機酸包含從由乳酸、丁酸、丁ニ酸、和羥基丙酸等；生物降解高分子包含生物聚酷。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，將從木質(zhì)纖維生物質(zhì)提取的糖的主要構(gòu)成成分5碳糖和6碳糖經(jīng)聯(lián)合發(fā)酵工程來有效地制備生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)制備方法的流程圖。參照圖11，將木質(zhì)纖維生物質(zhì)通過物理化學(xué)性方法預(yù)處理后，利用酵素來加水分解，從而獲得5碳糖和6碳糖的混合糖化液。通過乙醇發(fā)酵消耗6碳糖，并將其分離精煉從而獲得乙醇。發(fā)酵后通過蒸餾清除乙醇并使用含有剰余的5碳糖的發(fā)酵廢物來制備生物燃料物質(zhì)及生物化學(xué)物質(zhì)。作為可靈活使用5碳糖的工程有丁醇發(fā)酵工程、丁酸或丁ニ酸發(fā)酵工程等，在該工程中可添加5碳糖來提供碳源和營養(yǎng)成分。由于一般商用的乙醇酵母不能將5碳糖作為碳源來使用，或是使用能力較低，因此，為了使用剰余的5碳糖，需要基因制造的附加的菌株開發(fā)。同吋，在可消耗5碳糖的生物燃料物質(zhì)生產(chǎn)菌株或生物化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)菌株大部分為6碳糖和5碳糖同時存在的情況下， 在全部消耗6碳糖之前不消耗5碳糖，或是以單一碳源只存在5碳糖吋，由于在混合的糖化液中以明顯的速度消耗5碳糖，因此在同時產(chǎn)生5碳糖和6碳糖的木質(zhì)纖維生物質(zhì)糖化液的使用中具有一定的困難。本發(fā)明通過如上所述的連鎖工程連續(xù)地消耗6碳糖和5碳糖，從而有效地靈活使用木質(zhì)纖維生物質(zhì)，且不僅可節(jié)約工程過程中所消耗的能源，還可節(jié)約添加營養(yǎng)源所需的
費用等。以下，通過實施例對本發(fā)明進行更詳細的說明。實施例作為用于具體說明本發(fā)明， 本發(fā)明的范圍并不受實施例所限制。實施例發(fā)酵廢物回收及成分分析從韓國CHANGHAE乙醇股份公司的商業(yè)用乙醇生產(chǎn)エ廠獲得發(fā)酵廢物，該公司生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)性規(guī)模的乙醇。韓國CHANGHAE乙醇股份公司在乙醇生產(chǎn)菌株釀酒酵母中培養(yǎng)菌株來生產(chǎn)約100g/L的乙醇后，將所述發(fā)酵培養(yǎng)液在80°C -90°C中一次蒸餾，從而獲得具有 95%以上純度的商業(yè)用乙醇來進行銷售。在所述商業(yè)用乙醇生產(chǎn)エ廠中，乙醇被蒸餾及產(chǎn)生后，將含有固體成分的發(fā)酵廢物本身回收來用于以下的實施例。將發(fā)酵廢物在4°C，12，OOOrpm中10分鐘離心分離后，使用氣相色譜法(GC)和液相色譜法(HPLC)來分析存在于上清液中的乙醇、乙酸、葡萄糖濃度。此外，在以下的實施例中，同樣使用氣相色譜法(GC)和液相色譜法(HPLC)來分析通過微生物培養(yǎng)來生產(chǎn)的乙醇、 丁醇、丁酸、乳酸的濃度。同吋，固體成分中存在的淀粉，是將IOOmL的5% HCl添加至50mL 的試料中，在95°C下進行2. 5小時的酸糖化后冷卻來形成的。所述的酸糖化液以NaOH中和后，將其通過液相色譜法(HPLC)來分析，從而測定出發(fā)酵廢物中存在的總糖量。蛋白質(zhì)濃度是使用從阿德里奇化學(xué)(Sigma-Aldrich)公司購買的全蛋白試劑裝(Total Protein Kit, Cat. No. TP0200)來進行了分析。通過上述分析方法分析了韓國CHANGHAE乙醇股份公司エ廠中回收的發(fā)酵廢物， 其特性在表1中被顯示出。表 權(quán)利要求
1.ー種生物燃料物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。
2.如權(quán)利要求1所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述發(fā)酵廢物，是將清除固體成分的發(fā)酵廢物或不清除固體成分的發(fā)酵廢物直接或自體溶解處理后來利用的。
3.如權(quán)利要求1所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物或?qū)l(fā)酵廢物自體溶解來準備的廢物；在將所述第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中之前，額外地加入從由水、碳源、和營養(yǎng)成分組成的群中選擇出來的ー個以上。
4.ー種生物燃料物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟從5碳糖和6碳糖的混合物使6碳糖發(fā)酵來生成乙醇發(fā)酵液；將所述乙醇發(fā)酵液分離精煉；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在所述分離精煉的步驟中所生成的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。
5.如權(quán)利要求4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述5碳糖和6碳糖的混合物為含有糖的混合物，所述糖是通過將從由木質(zhì)纖維生物質(zhì)和纖維生物質(zhì)組成的群中選擇出來的ー個以上進行物理化學(xué)性預(yù)處理以及糖化工程被生成的。
6.如權(quán)利要求4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述發(fā)酵廢物包含從由6碳糖和5碳糖組成的群中選擇出來的ー個以上的糖，所述6碳糖包含葡萄糖、半乳糖、和甘露糖， 且，所述5碳糖包含木糖和阿拉伯糖。
7.如權(quán)利要求1或4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述第1微生物包含從由酵母、梭菌屬、大腸菌、芽抱桿菌屬、厭氧粘細菌、產(chǎn)堿桿菌屬、擬桿菌屬、埃希氏菌屬、乳桿菌屬、乳球菌屬、畢赤酵母屬、假單胞菌屬、羅爾斯頓菌屬、紅球菌屬、酵母菌屬、鏈霉菌屬、 棲熱菌屬、棲熱袍菌屬、嗜熱菌、克雷伯菌屬、鏈霉菌科、放線菌科、可啉桿菌、發(fā)酵單胞菌屬、放線桿菌屬、厭氧螺菌屬、曼海姆菌組成的群中選擇出來的ー個以上。
8.如權(quán)利要求1或4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，將接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基以在由分批培養(yǎng)、流加式培養(yǎng)、和連續(xù)培養(yǎng)組成的群中選擇出來的至少ー個以上的方法來培養(yǎng)。
9.如權(quán)利要求1或4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，進ー步包括以下步驟將培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基后所生成的生物燃料物質(zhì)分離及精煉。
10.如權(quán)利要求1或4所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述生物燃料物質(zhì)包含從由生物氣體、醇、烷烴類化合物、和烯烴類化合物組成的群中選擇出來的ー個以上。
11.如權(quán)利要求8所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述生物氣體包含甲烷和氫。
12.如權(quán)利要求8所述的生物燃料物質(zhì)的制備方法，其中，所述醇包含從由乙醇、丙醇、 丁醇、戊醇、己醛組成的群中選擇出來的ー個以上。
13.—種生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟直接利用或自體溶解來準備在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物或?qū)l(fā)酵廢物自體溶解來準備的廢物；將第2微生物接種于所述培養(yǎng)基中；培養(yǎng)接種有所述第2微生物的培養(yǎng)基。
14.ー種生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，包括以下步驟從5碳糖和6碳糖的混合物使6碳糖發(fā)酵來生成乙醇發(fā)酵液；將所述乙醇發(fā)酵液分離精煉；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在所述分離精煉的步驟中所生成的發(fā)酵廢物；將第2微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第2微生物的培養(yǎng)基。
15.如權(quán)利要求14所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述5碳糖和6碳糖的混合物是通過將從由木質(zhì)纖維生物質(zhì)和纖維生物質(zhì)組成的群中選擇出來的ー個以上進行物理化學(xué)性預(yù)處理以及糖化工程被生成的混合物質(zhì)。
16.如權(quán)利要求14所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述發(fā)酵廢物包含從由6碳糖和5碳糖組成的群中選擇出來的ー個以上的糖，所述6碳糖包含葡萄糖、半乳糖、和甘露糖，且，所述5碳糖包含木糖和阿拉伯糖。
17.如權(quán)利要求13或14所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述第2微生物包含從由酵母、梭菌屬、大腸菌、芽抱桿菌屬、厭氧粘細菌、產(chǎn)堿桿菌屬、擬桿菌屬、埃希氏菌屬、 乳桿菌屬、乳球菌屬、畢赤酵母屬、假單胞菌屬、羅爾斯頓菌屬、紅球菌屬、酵母菌屬、鏈霉菌屬、棲熱菌屬、棲熱袍菌屬、嗜熱菌、克雷伯菌屬、鏈霉菌科、放線菌科、可啉桿菌、發(fā)酵單胞菌屬、放線桿菌屬、厭氧螺菌屬、曼海姆菌組成的群中選擇出來的ー個以上。
18.如權(quán)利要求13或14所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述生物化學(xué)物質(zhì)包含從由氨基酸、有機酸、酵素、生物降解高分子、醇組成的群中選擇出來的ー個以上。
19.如權(quán)利要求18所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述氨基酸包含甲硫氨酸和蘇氨酸。
20.如權(quán)利要求18所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述有機酸包含從由乳酸、 丁酸、丁ニ酸、和羥基丙酸組成的群中選擇出來的ー個以上。
21.如權(quán)利要求18所述的生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其中，所述生物降解高分子包含生物聚酷。
全文摘要
提出一種生物燃料物質(zhì)和生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其包括以下步驟準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在醇生產(chǎn)工程中所發(fā)生的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。以及提出另一種生物燃料物質(zhì)和生物化學(xué)物質(zhì)的制備方法，其包括以下步驟從5碳糖和6碳糖的混合物使6碳糖發(fā)酵來生成乙醇發(fā)酵液；將所述乙醇發(fā)酵液分離精煉；準備培養(yǎng)基，所述培養(yǎng)基包含在所述分離精煉的步驟中所生成的發(fā)酵廢物；將第1微生物接種于所述培養(yǎng)基中；以及培養(yǎng)接種有所述第1微生物的培養(yǎng)基。
文檔編號C12P13/04GK102597252SQ201080040966
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者嚴文顥, 宋孝鶴, 崔基旭, 承度泳, 文世權(quán), 朱莉婭·李, 樸成勛, 趙正熙, 金律 申請人:Gs加特克斯公司, 蒼海乙醇株式會社