專(zhuān)利名稱(chēng)：廢物部分的不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)對(duì)含有單糖和/或多糖、具有高的干物質(zhì)含量或任 選含有大顆粒的廢物部分進(jìn)行不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵，從而生產(chǎn)生物乙醇或其它有用的發(fā)酵產(chǎn)物的方法。從不加壓預(yù)處理經(jīng)過(guò)酶法水解和發(fā)酵到分揀可發(fā)酵和不可發(fā)酵的固體，這整個(gè)過(guò)程都可以在單一的容器中在高的干物質(zhì)含量條件下進(jìn)行，不需要任何醪液(mash)的任何運(yùn)送。在這單一容器中進(jìn)行的混合是基于自由下落混合原理。
背景技術(shù)：
家庭、工業(yè)和農(nóng)業(yè)過(guò)程、城市運(yùn)轉(zhuǎn)以及食品和飼料加工都產(chǎn)生含有例如葡萄糖、淀粉、纖維素和半纖維素形式的多聚體和/或單體的糖的廢物部分和副產(chǎn)物。今天，大部分在家庭和工業(yè)中產(chǎn)生的廢物部分被填埋或被焚燒。廢物部分的填埋涉及各種環(huán)境、衛(wèi)生和后勤問(wèn)題，因此在許多國(guó)家，例如歐洲國(guó)家，變得日益受到限制。主要的替代處理方式是廢物的焚燒。在地方供暖系統(tǒng)分布廣泛的國(guó)家，例如丹麥，將可燃燒的廢物轉(zhuǎn)化為例如電力和地區(qū)供暖的廢物能源工廠(chǎng)，為廢物的能量成分提供了相當(dāng)好的利用。但是，對(duì)于大多數(shù)不具備地區(qū)供暖系統(tǒng)的國(guó)家來(lái)說(shuō)，純粹從廢物產(chǎn)生能源效率非常低。此外，廢物的焚燒引起了許多新的環(huán)境問(wèn)題，主要是N0X_、SO2-和二惡英的排放。對(duì)燃料氣體清潔系統(tǒng)的大量投資可以減小、但不能消除這樣的問(wèn)題。此外，大約20%的廢物是不可燃燒的，它們作為爐渣和飛灰被填埋?，F(xiàn)在，部分爐渣用作建筑工程中的基礎(chǔ)材料，但是必需預(yù)計(jì)到將來(lái)在這些領(lǐng)域中的限制，這主要是因?yàn)樵跔t渣中高含量的重金屬，可能會(huì)妨礙這種應(yīng)用。因此，現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生的大量廢物正變成一種沒(méi)有明顯解決辦法的難題。地方團(tuán)體、工業(yè)以及整個(gè)社會(huì)，都對(duì)開(kāi)發(fā)將廢物部分以環(huán)境友好的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高價(jià)值的物質(zhì)的方法具有相當(dāng)大的興趣。因此，通過(guò)例如使用微生物和/或水解酶，有可能可以將各種廢物部分轉(zhuǎn)化為生物乙醇或其它生物化學(xué)物質(zhì)?？偟膩?lái)說(shuō)，在從含有多糖、二糖和單糖的廢物部分生產(chǎn)生物乙醇或其它有用的發(fā)酵產(chǎn)物中，關(guān)鍵的處理步驟可以被分為5個(gè)主要步驟，每個(gè)步驟在一個(gè)或多個(gè)分離的容器中進(jìn)行廢物部分的分揀和碾磨預(yù)處理水解發(fā)酵產(chǎn)物例如乙醇的回收本發(fā)明令人吃驚地能夠在分批、半分批或連續(xù)工藝中使預(yù)處理和水解的步驟在同一個(gè)容器中進(jìn)行，并且本發(fā)明的方法不那么依賴(lài)于任何先前對(duì)廢物部分的分揀和碾磨。此夕卜，發(fā)酵、分揀和產(chǎn)物例如乙醇的回收也可以在相同的容器中進(jìn)行。廢物部分的分揀和碾磨在涉及非均質(zhì)廢物部分發(fā)酵的工藝描述中，第一步一般是非常復(fù)雜的廢物的分揀和碾磨系統(tǒng)工藝。其目的是為了獲得能夠在攪拌罐中處理的有機(jī)的料漿。其余的部分應(yīng)該在最大程度上可再循環(huán)。這樣的系統(tǒng)的例子在美國(guó)專(zhuān)利US4094740A中有描述。預(yù)處理一般來(lái)說(shuō)，如果隨后對(duì)多糖的水解(例如酶法水解)需要打破植物原料中否則會(huì)起保護(hù)作用的結(jié)構(gòu)(例如木質(zhì)素)，則預(yù)處理是需要的。在例如生物乙醇生產(chǎn)領(lǐng)域中，幾種預(yù)處理技術(shù)是已知的。預(yù)處理方法可以基于例如酸水解、蒸汽爆炸、氧化、用堿或乙醇提取 等。預(yù)處理技術(shù)的共同特點(diǎn)在于，與可能加入的反應(yīng)物共同起作用，在溫度超過(guò)100°C時(shí)，它們利用了植物材料的軟化和松散，即一個(gè)需要施加壓力的過(guò)程。水解在預(yù)處理或任選的機(jī)械預(yù)處理之后，在利用含有單糖和/或多糖的廢物部分生產(chǎn)生物乙醇或其它生物化學(xué)物質(zhì)中，下一步是將釋放出的淀粉、纖維素和半纖維素水解成可發(fā)酵的糖。如果通過(guò)酶法進(jìn)行，就需要大量具有不同作用方式的不同的酶。酶可以從外部添加，或者在生物質(zhì)中生長(zhǎng)的微生物也可以提供它們。纖維素被水解碳水化合物的纖維素酶水解成葡萄糖。對(duì)纖維素水解系統(tǒng)的理解一般將纖維素酶分成3類(lèi)1，4-β -D-葡聚糖外切酶或纖維二糖水解酶(CBH) (EC 3. 2. I. 91)，它從纖維素鏈的末端切下纖維二糖單元；1，4-β-D-葡聚糖內(nèi)切酶(EG) (EC 3.2. I. 4)，它在纖維素鏈中隨機(jī)水解內(nèi)部的β-1，4-糖苷鍵；1，4-β-D-葡萄糖苷酶(EC 3.2. I. 21)，它將纖維二糖水解為葡萄糖，并且也從纖維寡糖上切下葡萄糖單元。半纖維素中的不同糖被半纖維素酶釋放。由于半纖維素的非均質(zhì)本性，半纖維素水解系統(tǒng)比纖維素水解系統(tǒng)更為復(fù)雜。該系統(tǒng)特別涉及水解木聚糖鏈內(nèi)部鍵的1，4-β- -木聚糖內(nèi)切酶(EC 3.2. 1.8);從非還原末端攻擊寡聚木糖并釋放木糖的l，4-i3-D-木糖苷酶(EC 3.2. 1.37);切開(kāi)內(nèi)部鍵的1，4-β-D-甘露聚糖內(nèi)切酶(EC3.2.1.78);將甘露寡糖切割成甘露糖的1，4-β-D-甘露糖苷酶(EC 3.2.1.25)。側(cè)鏈基團(tuán)可以被多種酶去除-D-半乳糖苷酶(EC 3.2.1.22)、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶(EC3. 2. I. 55)、a -D-葡糖醛酸糖苷酶(EC 3. 2. I. 139)、肉桂酰酯酶(EC 3. I. I)、乙酰木聚糖酯酶(EC 3. I. I. 6)和阿魏酰酯酶(EC 3. I. I. 73)。用于水解多糖例如淀粉的最重要的酶是a -淀粉酶(I，4-a -D-葡聚糖葡聚糖水解酶(EC 3.2. I. I))。這些是內(nèi)切作用的水解酶，其切開(kāi)I，4-a-D-葡萄糖苷鍵，并且可以繞過(guò)但不能水解I，6-a -D-葡萄糖苷分支點(diǎn)。但是，外切作用的葡萄糖淀粉酶例如β -淀粉酶(EC 3. 2. I. 2)和支鏈淀粉酶(EC 3. 2. I. 41)也可以用于淀粉水解。淀粉水解的結(jié)果主要是葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、a-糊精和不同量的寡糖。當(dāng)基于淀粉的水解物被用于發(fā)酵時(shí)，添加蛋白水解酶可能是有利的。這樣的酶可以防止微生物的絮凝作用，并可以產(chǎn)生微生物可以利用的氨基酸。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理和酶法水解相結(jié)合，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用氧化酶能夠?qū)θ娴乃庖约坝糜诶绾罄m(xù)發(fā)酵的微生物的生存能力具有正面效應(yīng)。這種效應(yīng)的原因是氧化酶引起的木質(zhì)素與其它酚類(lèi)抑制物的氧化交聯(lián)作用。典型情況下漆酶(EC 1.10.3.2)或過(guò)氧化物酶(EC I. 11. I. 7)可以外部使用，或通過(guò)將漆酶基因?qū)胨玫奈⑸镏卸褂?。發(fā)酵涉及從含有單糖和/或多糖的廢物部分生產(chǎn)生物乙醇或其它有用的發(fā)酵產(chǎn)品中用到的發(fā)酵工藝，基本上是一種生物化學(xué)反應(yīng)，其通過(guò)酵母(標(biāo)準(zhǔn)的、培養(yǎng)的或操作過(guò)的)和/或細(xì)菌或任何其它能夠從現(xiàn)有的己糖和戊糖生產(chǎn)乙醇或其它特定化學(xué)物質(zhì)的微生物，將復(fù)雜的有機(jī)分子例如單糖和/或多糖分解成為較簡(jiǎn)單的成分例如乙醇、二氧化碳和水。產(chǎn)物例如乙醇的回收

從發(fā)酵醪(fermentation beer)中回收產(chǎn)物例如乙醇是一種標(biāo)準(zhǔn)工藝,通常分成3個(gè)主要過(guò)程發(fā)酵醪的提取，其中固體從乙醇/水溶液中分離；精餾，其中將乙醇從水性溶液中回收；以及脫水，其中從乙醇中除去最后的水?；厥展に噷⒉贿M(jìn)一步描述，因?yàn)樵摴に嚺c例如在基于淀粉和糖的乙醇生產(chǎn)工業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)蒸餾系統(tǒng)非常相似。與本發(fā)明具有相似性的工藝以前已經(jīng)描述了分開(kāi)進(jìn)行的預(yù)處理以及幾個(gè)導(dǎo)致從有機(jī)廢物部分生產(chǎn)生物乙醇的后續(xù)工藝步驟。US4342830A描述了在具有內(nèi)部帶孔旋轉(zhuǎn)筒和外部固定筒的筒形混合器中，對(duì)有機(jī)物質(zhì)例如商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭和餐館廢物進(jìn)行熱預(yù)處理的方法。容器置于壓力之下，并通入蒸汽以軟化廢物的有機(jī)物質(zhì)。通過(guò)對(duì)外筒進(jìn)行瞬時(shí)減壓，迫使軟化的有機(jī)物質(zhì)通過(guò)內(nèi)筒的孔洞，從而進(jìn)行有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的分揀。因此，廢物在進(jìn)一步水解前被強(qiáng)烈碾磨。然后可以將有機(jī)物質(zhì)用于幾種目的，包括乙醇生產(chǎn)，但是，這些工藝和水解都沒(méi)有描述是在同一個(gè)容器內(nèi)作為預(yù)處理進(jìn)行。US4093516A描述了機(jī)械預(yù)處理、熱預(yù)處理、化學(xué)水解和糖化作用、發(fā)酵以及乙醇的回收，但是，該方法基于干物質(zhì)含量低的廢物部分，例如液化的城市廢物或污水。CZ9602835A3描述了基于含有木質(zhì)纖維和淀粉的材料生產(chǎn)乙醇的方法。材料在筒形的熱壓力容器中被水解。殘余的木質(zhì)纖維素的酶法水解在不同的容器中進(jìn)行，獲得的醪液又被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)發(fā)酵容器中，因此，在該文檔中沒(méi)有提示使用單一容器進(jìn)行預(yù)處理和水解。US4094740A描述了從城市固體廢物生產(chǎn)乙醇的方法，包括一個(gè)基于濕法分級(jí)系統(tǒng)的15步的廢物分揀系統(tǒng)。然后將有機(jī)廢物通過(guò)加壓酸水解進(jìn)行碾磨和水解，用于例如后續(xù)的乙醇生產(chǎn)。US5637502描述了使用城市固體廢物進(jìn)行乙醇生產(chǎn)的方法。該方法用干物質(zhì)含量低于20%的漿狀廢物進(jìn)行操作。廢物在壓力下在攪拌罐中加熱。水解用酶進(jìn)行，產(chǎn)生的葡萄糖通過(guò)一個(gè)5步分揀單元進(jìn)行連續(xù)回收。本發(fā)明與已知技術(shù)之間的區(qū)別因此，需要一種簡(jiǎn)化的方法，它可以處理干物質(zhì)含量高的廢物部分，并且它也允許對(duì)還含有非有機(jī)來(lái)源的大顆粒的僅僅是部分有機(jī)的廢物部分進(jìn)行有效的處理。本發(fā)明提供了能夠直接處理未分揀的廢物部分的方法，因此避免了使用大的、昂貴的和有環(huán)境問(wèn)題的分揀和碾磨系統(tǒng)。對(duì)于城市固體廢物來(lái)說(shuō)，在源頭上分揀、或者是有機(jī)和無(wú)機(jī)部分的某些類(lèi)型的集中分揀，據(jù)信能夠增強(qiáng)本發(fā)明的方法的效能。對(duì)于其它部分來(lái)說(shuō)，對(duì)廢物的粗略撕碎以打開(kāi)包裝并減小體積，據(jù)信能夠增強(qiáng)本發(fā)明方法的效能。在本發(fā)明的方法中，預(yù)處理在大氣壓下進(jìn)行，這顯著減少了能量成本、設(shè)備成本和機(jī)械難度。另外，在預(yù)處理中不需要添加化學(xué)物質(zhì)。因此，本發(fā)明針對(duì)其中的多糖主要是糖類(lèi)、淀粉或已經(jīng)預(yù)處理了的纖維素例如紙、紙板等的廢物部分。由此用于酶的成本也保持了低水平，因?yàn)榭偟膩?lái)說(shuō)淀粉酶比纖維素酶便宜。本方法的目的是對(duì)單糖進(jìn)行低花費(fèi)的提取。在發(fā)酵后，未被轉(zhuǎn)化的木質(zhì)纖維素可能可以被分揀出來(lái)，用于例如使用高壓預(yù)處理的方法中。在本發(fā)明中，酶法進(jìn)行水解，不需要事先對(duì)醪液進(jìn)行脫毒。此外，可以對(duì) 干物質(zhì)含量聞?dòng)?0% w/w的膠液進(jìn)行水解。本發(fā)明中的發(fā)酵也可以不需任何事先的脫毒而進(jìn)行。化學(xué)物質(zhì)的加入只是為了調(diào)節(jié)PH的需要。任選液化的廢物部分可以被導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵容器用于進(jìn)一步糖化和發(fā)酵。生產(chǎn)生物乙醇或其它有用的發(fā)酵產(chǎn)品的下一個(gè)工藝步驟任選包括從不能發(fā)酵的固體中分揀出被發(fā)酵的或可發(fā)酵的廢物部分。該步驟可以在用于預(yù)處理、水解和發(fā)酵的相同的容器中進(jìn)行。通過(guò)利用水解液化廢物中的可發(fā)酵部分、同時(shí)不可發(fā)酵的固體保留在固相中這個(gè)事實(shí)，可以通過(guò)例如放置在容器內(nèi)部或外部的篩網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分揀。此外，有可能可以在同一個(gè)容器中進(jìn)行產(chǎn)物例如乙醇的回收。這可以是從發(fā)酵的醪液中通過(guò)加熱和/或抽真空實(shí)現(xiàn)的例如乙醇的總體回收，或者可以是從分揀后殘余的未發(fā)酵的固體中回收例如乙醇。在例如生物乙醇生產(chǎn)的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，目前還不能在一個(gè)單一的容器中利用自由下落混合原理來(lái)進(jìn)行預(yù)處理和水解，更不用說(shuō)在一個(gè)容器中進(jìn)行從預(yù)處理到產(chǎn)物回收的全部過(guò)程了。重力混合原理可以應(yīng)用于所有種類(lèi)的廢物部分，甚至是具有高粘度或存在大的纏繞在一起的顆粒的廢物部分，并且能量輸入低，且易于擴(kuò)大規(guī)模。本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過(guò)使用不加壓的預(yù)處理來(lái)降低預(yù)處理中的能量輸入。令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明對(duì)干物質(zhì)含量超過(guò)20%的未切碎的部分有機(jī)的廢物部分進(jìn)行處理，導(dǎo)致最初存在于廢物中的纖維素、半纖維素和淀粉有50%以上被酶法水解成纖維二糖、葡萄糖和木糖。此外，在不加入其它可發(fā)酵的原料的情況下可以獲得大于4%體積的乙醇含量。發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明涉及I.從干物質(zhì)含量超過(guò)20%的含有單糖和/或多糖的廢物部分生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的方法，包括對(duì)所述廢物部分進(jìn)行 不加壓預(yù)處理 酶法水解 發(fā)酵其中不加壓預(yù)處理和酶法水解在單一容器或類(lèi)似的裝置中進(jìn)行，所述單一容器或類(lèi)似的裝置使用自由下落混合對(duì)廢物進(jìn)行機(jī)械處理。2.根據(jù)上述第I項(xiàng)所述的方法，其中所述發(fā)酵或其一部分是在用于不加壓預(yù)處理和酶法水解的同樣的所述容器中進(jìn)行的。3.根據(jù)上述第2項(xiàng)所述的方法，其中發(fā)酵所得的產(chǎn)物的回收是在用于不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵的同樣的所述容器中通過(guò)對(duì)所述容器施加熱和/或真空來(lái)進(jìn)行的。4.根據(jù)上述第2或3項(xiàng)所述的方法，其中不可發(fā)酵的固體從被發(fā)酵的醪液中的分揀/分離，是在用于不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵的同樣的所述容器中進(jìn)行的。5.根據(jù)上述第3項(xiàng)所述的方法，其中在同樣的所述容器中的所述回收是在分離/除去液體部分后，僅從發(fā)酵的醪液的固體部分進(jìn)行。 6.根據(jù)上述第I到5項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分來(lái)自家庭，例如，未分揀的城市固體廢物(MSW)，在某些集中分揀、撕碎和搗漿裝置中處理的MSW，來(lái)自家庭的來(lái)源分揀的廢物，富含有機(jī)部分和紙的廢物部分，RDF (垃圾衍生燃料)部分。7.根據(jù)上述第I到5項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分來(lái)自工業(yè)，例如，含有紙或其它有機(jī)部分的普通工業(yè)廢物部分，來(lái)自造紙工業(yè)例如回收工廠(chǎng)的廢物部分，來(lái)自食品和飼料工業(yè)的廢物部分，來(lái)自醫(yī)藥工業(yè)的廢物部分。8.根據(jù)上述第I到5項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分是來(lái)自農(nóng)業(yè)或種植業(yè)相關(guān)部門(mén)，例如，來(lái)自包括含糖或富含淀粉的產(chǎn)品如土豆和甜菜的加工的廢物部分，污染的或通過(guò)其它方式毀壞的農(nóng)產(chǎn)品例如不能用于食品或飼料目的的谷物、土豆和甜菜，糞肥，或來(lái)自糞肥的產(chǎn)品。9.根據(jù)上述第I到5項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分來(lái)自市、郡或州相關(guān)的或調(diào)控的行動(dòng)，例如來(lái)自污水處理廠(chǎng)的污泥，來(lái)自沼氣加工的纖維或污泥部分，來(lái)自公共部門(mén)的含有紙或其它有機(jī)部分的普通廢物部分。10.根據(jù)上述第I到9項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中不加壓預(yù)處理使用蒸汽進(jìn)行。11.根據(jù)上述第10項(xiàng)所述的方法，其中不加壓預(yù)處理的處理時(shí)間在0-120分鐘之間，溫度范圍在60-110°C之間，蒸汽通入為0-2kg/kg干物質(zhì)。12.根據(jù)上述第I到9項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中含有單糖和/或多糖的廢物部分的酶法水解用水解酶進(jìn)行，所述水解酶或者以天然的形式或者以導(dǎo)致這些酶積累的微生物體的形式提供。13.根據(jù)上述第12項(xiàng)所述的方法，其中所述的酶法水解持續(xù)0-96小時(shí)，溫度范圍為 20-105。。。14.根據(jù)上述第I到9項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述發(fā)酵是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的、培養(yǎng)的或操作過(guò)的酵母和/或細(xì)菌或任何其它能夠產(chǎn)生乙醇或其它特定生物化學(xué)物質(zhì)的微生物的作用來(lái)進(jìn)行的。15.根據(jù)上述第14項(xiàng)所述的方法，其中所述發(fā)酵持續(xù)1-150小時(shí)，溫度范圍為20-105°C。16.根據(jù)上述第I到9項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法，其中含有單糖和/或多糖的廢物部分的混合用自由下落混合器例如筒狀混合器、翻轉(zhuǎn)混合器或類(lèi)似的混合裝置來(lái)進(jìn)行。17.根據(jù)上述第I到16項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法產(chǎn)生的材料用在生物乙醇或/和任何其它發(fā)酵產(chǎn)物加工的方法中。18.根據(jù)上述第I到16項(xiàng)任何一項(xiàng)所述的方法用作為生產(chǎn)生物乙醇或/和任何其它發(fā)酵產(chǎn)物的方法的一部分。本發(fā)明涉及對(duì)含有單糖和/或多糖的廢物部分進(jìn)行不加壓預(yù)處理、液化、糖化、發(fā)酵和分揀的方法。該方法適合于具有相對(duì)高的干物質(zhì)含量、優(yōu)選大于20%、并包括相對(duì)大的顆粒的廢物。與常規(guī)工藝方法不同，本發(fā)明的工藝方法還允許有效地處理包括大顆粒的部分有機(jī)的廢物部分。所述材料的處理可以在不另外加水、脫毒或機(jī)械撕碎的情況下進(jìn)行。預(yù)處理可以任選通過(guò)通入不加壓的蒸汽來(lái)進(jìn)行，即容器與大氣相通，并且預(yù)處理時(shí)間相對(duì)較短，即在O到120分鐘的范圍內(nèi)。本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是預(yù)處理和水解將在一個(gè)單一容器中進(jìn)行這個(gè)事實(shí)。此外，該容器可以任選用于進(jìn)行發(fā)酵和利用篩網(wǎng)的概念將可發(fā)酵的湯汁與不能發(fā)酵的固體部分進(jìn)行分離(圖I和2)。從總的發(fā)酵醪液或固體部分中回收產(chǎn)物例如乙醇，也可以在所述容器中進(jìn)行。廢物部分的同時(shí)混合在混合裝置中進(jìn)行，它主要依賴(lài)重力原理，以確保廢物部分所必需的機(jī)械作用。優(yōu)選的混合裝置類(lèi)型是自由下落混合器，例如筒 式混合器、翻滾混合器或類(lèi)似的裝置。此外，該方法特別適合淀粉、精制淀粉、纖維素、半纖維素和單糖含量高的含有單糖和/或多糖的廢物部分的生物乙醇生產(chǎn)。酶法水解基于水解酶類(lèi)的組合，包括糖水解酶以及氧化酶。發(fā)酵用酵母或任何其它類(lèi)型的產(chǎn)乙醇微生物，即能夠利用戊糖和/或己糖來(lái)生產(chǎn)生物乙醇或其它生物化學(xué)物質(zhì)的微生物，來(lái)進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)含有單糖和/或多糖的生物質(zhì)的機(jī)械作用本發(fā)明包括了 3個(gè)工藝步驟，即不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵。此外，可以包括廢物部分和發(fā)酵產(chǎn)物的分揀/回收步驟。預(yù)處理和水解在一個(gè)單一容器中進(jìn)行，而發(fā)酵、分揀和產(chǎn)物回收任選可以在預(yù)處理和水解的同一個(gè)容器中進(jìn)行。在生物乙醇生產(chǎn)的技術(shù)領(lǐng)域中，以前尚未顯示如何將這些工藝步驟整合在一個(gè)單一容器中。大量的現(xiàn)有工藝文檔，例如US4342830A、CZ9602835A3和US4094740A，描述的起始材料和工藝步驟與本發(fā)明中要求權(quán)利中的相似。但是它們無(wú)一描述了不加壓的預(yù)處理或?qū)㈩A(yù)處理和水解整合在單一容器、反應(yīng)器或類(lèi)似裝置中。本發(fā)明的容器是基于自由下落混合原理，即筒式混合器，這是一種具有旋轉(zhuǎn)的水平軸來(lái)提升廢物的混合器，或類(lèi)似的利用自由下落原理的混合裝置(參見(jiàn)圖2，顯示了這樣的混合裝置的例子)。在本發(fā)明的所有工藝步驟中進(jìn)行的混合至少起到四重目的。首先，它確保了含有多糖和/或單糖的廢物部分與蒸汽、酶以及所用的微生物之間的緊密接觸。其次，在自由下落混合過(guò)程中，對(duì)材料進(jìn)行的機(jī)械工作幫助將較大的顆粒撕開(kāi)，因此有助于增加材料的表面積，從而增加例如纖維素和半纖維素與所用的酶的可接近性。為了進(jìn)一步增加對(duì)物質(zhì)的機(jī)械工作，可以任選在混合器中加入鋼珠或類(lèi)似的工具，與物質(zhì)碰撞。第三，物質(zhì)的混合防止了高纖維二糖濃度的局部積累，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的那樣，這可以抑制例如纖維素酶，特別是纖維二糖水解酶。第四，纖維素酶的一個(gè)重要特征是纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域(CBD)對(duì)酶的效能的影響。CBD是纖維素降解酶類(lèi)的功能部分。CBD能夠使水溶酶粘附于不溶的底物表面(纖維素)。CBD所提供的酶與纖維素之間的緊密締合增加了酶的催化速度和穩(wěn)定性。為了水解纖維素，酶必須改變CBD在纖維素鏈上的位置。據(jù)認(rèn)為，機(jī)械作用，即自由下落混合，對(duì)于CBD的移動(dòng)是重要的，因而對(duì)于酶沿著纖維素鏈的酶促作用也是重要的。除了上述之外，應(yīng)該注意到，酶法水解和發(fā)酵傳統(tǒng)上是在攪拌的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的，這種反應(yīng)器裝備有葉輪，例如Rushton潤(rùn)輪或Intermig葉輪,葉輪安裝在中心放置的葉輪軸上，類(lèi)似于在谷物發(fā)酵工業(yè)中使用的那樣。使用這種裝置，高粘度的溶液、非常粘或非常干的物質(zhì)不能被有效地?cái)嚢?，并將產(chǎn)生攪拌非常差或沒(méi)有攪拌的區(qū)域。此外，這種混合物的攪拌需要非常大的能量輸入，這對(duì)于加工經(jīng)濟(jì)學(xué)是不利的。周含有單糖和/或多糖的廢物部分操作，以前將干物質(zhì)含量的上限限制為大約20%?；谧杂上侣涞幕旌显砜朔?了整個(gè)問(wèn)題，可以用于干物質(zhì)含量超過(guò)20%的含有多糖和/或單糖的廢物部分。盡管不混溶的植物材料、例如干物質(zhì)含量相對(duì)高和平均纖維度和粒度大的含有單糖和/或多糖的生物質(zhì)的加工，已知來(lái)自固態(tài)發(fā)酵或生物反應(yīng)器，其中翻滾類(lèi)型的混合器被用于混合(例如Giovanozzi等2002),但是這種混合原理以前還沒(méi)有在組合的單一容器方法中實(shí)行過(guò)，所述組合的單一容器方法包括含有單糖和/或多糖的廢物部分的不加壓預(yù)處理、酶法水解以及任選的發(fā)酵和分揀。不加壓預(yù)處理在本發(fā)明中要求權(quán)利的廢物部分不加壓預(yù)處理的一個(gè)例子是不加壓的蒸汽預(yù)處理。這與以前描述的類(lèi)似生物質(zhì)的預(yù)處理有明顯不同，例如在US4342830A、US4093516A、CZ9602835A3、US4094740A和US5637502中，其工藝方法都是在壓力下進(jìn)行的。本發(fā)明的不加壓預(yù)處理可以通過(guò)將蒸汽直接通入容器和/或通過(guò)間接加熱容器進(jìn)行。任選，為了提高預(yù)處理的效果，可以選擇使用pH調(diào)節(jié)。在廢物部分預(yù)處理的同時(shí)也進(jìn)行基于自由下落的混
八
口 ο本發(fā)明的預(yù)處理的目的是在進(jìn)行實(shí)際的酶法處理之前，通過(guò)殺生物活動(dòng)使不需要的微生物的量最小化。這樣的活動(dòng)的例子是放射性輻射、紫外線(xiàn)輻射和電穿孔。通過(guò)使用熱處理作為一個(gè)選擇，除了殺生物效應(yīng)之外，還產(chǎn)生軟化被處理的生物質(zhì)例如各種紙部分，分解水含量高和木質(zhì)素含量低的生物質(zhì)(例如蔬菜)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及打開(kāi)淀粉的結(jié)構(gòu)。如果后續(xù)的多糖水解的適當(dāng)進(jìn)行需要破壞最初的木質(zhì)纖維材料中否則將起保護(hù)作用的結(jié)構(gòu)，可能就需要加壓預(yù)處理。但是，本發(fā)明的預(yù)處理的目的不是為了分解未被處理的生物質(zhì)等的保護(hù)性結(jié)構(gòu)，而是為了限定微生物的活性和軟化被處理的廢物部分。不加壓預(yù)處理方法優(yōu)選基于通入蒸汽，但是可以任選補(bǔ)充酸性或堿性化合物。本發(fā)明的含有單糖和/或多糖的廢物部分的不加壓預(yù)處理優(yōu)選利用蒸汽將廢物加熱到大約100°c。這與本技術(shù)領(lǐng)域中以前描述的預(yù)處理有顯著的區(qū)別，例如美國(guó)專(zhuān)利US4342830A中描述的方法，其中使用了底物的加壓預(yù)處理。在生物乙醇的生產(chǎn)中使用具有高的干物質(zhì)含量的生物質(zhì)/底物、例如本發(fā)明中的廢物部分，以及在工藝的所有步驟中使用自由下落混合，在以前還沒(méi)有被描述過(guò)。描述的所有部分，可以任選經(jīng)受某些種類(lèi)的機(jī)械預(yù)處理，例如在被用于本發(fā)明的實(shí)際方法之前，被分揀、切碎或搗成漿。但是，這樣的機(jī)械預(yù)處理不構(gòu)成本發(fā)明的部分。在大多數(shù)以前描述的生產(chǎn)生物乙醇的方法中，例如CZ9602835A3、US4094740A和US5637502，將使用的生物質(zhì)/底物切碎、搗成漿或減小其粒度是絕對(duì)必需的，以便能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行乙醇的生產(chǎn)。本發(fā)明的方法可以處理和加工干物質(zhì)含量超過(guò)20%并含有大顆粒的含單糖和/或多糖的廢物部分，并且不需要另外加水或進(jìn)行機(jī)械撕碎，這在涉及例如工藝經(jīng)濟(jì)學(xué)方面顯然是有利的。水解在不加壓預(yù)處理之后，在利用含有單糖和/或多糖的廢物部分生產(chǎn)生物乙醇或其它生物化學(xué)物質(zhì)中的下一個(gè)步驟是將釋放的淀粉、纖維素和半纖維素水解成可發(fā)酵的糖。如果通過(guò)酶法進(jìn)行，這需要大量具有不同作用方式的不同酶。酶可以外部加入，或者在生物質(zhì)即廢物部分上生長(zhǎng)的微生物也可以提供它們。
在加入酶或產(chǎn)酶的微生物之前，必需按照所用的酶的最佳條件調(diào)整溫度和pH。醪液的冷卻和加熱可以任選在容器夾套中通過(guò)循環(huán)冷水或熱水(例如地區(qū)供暖水)、或者通過(guò)直接在容器中注入蒸汽或冷水來(lái)進(jìn)行。在酶法水解之前，可能必需另外加入水，以達(dá)到酶的適合的干物質(zhì)含量，即便仍超過(guò)20%。pH可以通過(guò)在容器中注入稀酸或稀堿溶液來(lái)連續(xù)地調(diào)整。此外，pH也可以通過(guò)在線(xiàn)pH測(cè)量單元進(jìn)行控制。酶法水解過(guò)程的目的一部分是在酶的最佳條件下起動(dòng)液化，該條件通常與最佳發(fā)酵條件不同，另一部分是液化廢物的部分，以便降低粘度，從而制備用于后續(xù)糖化和發(fā)酵的部分。水解步驟的時(shí)間可以從O到24小時(shí)，取決于廢物部分的組成和稠度。能夠影響淀粉、纖維素和半纖維素或其部分轉(zhuǎn)化為葡萄糖、木糖和纖維二糖的酶，是以天然形式或?qū)е逻@些酶積累的微生物的形式被加入到生物質(zhì)中。根據(jù)例如廢物部分的組成，對(duì)于每種單獨(dú)的廢物部分將產(chǎn)生特定的酶混合物。為了增加酶活性，同樣可以加入其它的添加劑。發(fā)酵發(fā)酵過(guò)程可以在以前進(jìn)行不加壓預(yù)處理以及酶法水解的同一容器中進(jìn)行。任選部分發(fā)酵的醪液可以轉(zhuǎn)移到另一個(gè)發(fā)酵容器中進(jìn)行最終發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程通過(guò)加入酵母(標(biāo)準(zhǔn)的、培養(yǎng)的或操作過(guò)的)、嗜熱細(xì)菌或任何其它能夠從存在于部分水解的醪液中的己糖和戊糖生產(chǎn)生物乙醇或其它特定生物化學(xué)物質(zhì)的微生物來(lái)進(jìn)行。在加入酵母的同時(shí)另外在醪液中加入酶，這在某些情況下是優(yōu)選的。在發(fā)酵可以開(kāi)始之前和發(fā)酵過(guò)程本身期間，任選根據(jù)所用的微生物的最佳PH和溫度來(lái)調(diào)整醪液的溫度和pH。發(fā)酵可以是厭氧的，酵母或其它產(chǎn)乙醇的微生物可以外部加入(例如從種子發(fā)酵罐)。或者，微生物可以通過(guò)在發(fā)酵中通入空氣、氧氣或任何其它含氧添加劑，在發(fā)酵過(guò)程自身中生長(zhǎng)。對(duì)于某些廢物部分來(lái)說(shuō)，可能必需加入例如氮源、營(yíng)養(yǎng)成分以及維生素，以便適當(dāng)進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程?；蛘?，根據(jù)操作溫度，發(fā)酵過(guò)程可以包括從容器中連續(xù)回收乙醇或回收其它的生物化學(xué)物質(zhì)。不可發(fā)酵的部分的分揀從不可發(fā)酵的固體中分揀出發(fā)酵或可發(fā)酵的部分，可以在用于不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵的同一容器中進(jìn)行。因?yàn)樗鈱U物部分的可發(fā)酵部分進(jìn)行了液化或部分液化，而大部分不可發(fā)酵的固體仍保留在固相中，因此可以通過(guò)例如整合在容器中的篩網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分揀。
整合的篩網(wǎng)系統(tǒng)可以是例如具有內(nèi)孔的旋轉(zhuǎn)筒，進(jìn)行混合和未轉(zhuǎn)化的固體與液化的固體的分離。或者，它可以是固定筒中的篩網(wǎng)裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)混合裝置保持清潔。分揀步驟的目的是為了將大部分最終產(chǎn)物例如乙醇保留在液相中，同時(shí)大部分不能轉(zhuǎn)化的固體將保留在固體部分中。留在容器的固體部分中的產(chǎn)物可以通過(guò)在清空容器前，將所述部分加熱到其沸點(diǎn)以上，然后將蒸汽冷凝來(lái)進(jìn)行回收。
具體實(shí)施例方式圖I顯示了本發(fā)明原理的示意圖。在顯示的例子中，廢物被放置在容器中，通過(guò)加入蒸汽、酶和酵母/微生物在其中進(jìn)行不加壓預(yù)處理、水解、發(fā)酵和分離。任選移出乙醇醪用于進(jìn)一步加工同時(shí)丟棄固體廢物。圖2顯示了適合本發(fā)明的重力混合器的一個(gè)例子。有孔的內(nèi)筒將可發(fā)酵和不可發(fā)酵的廢物部分分離開(kāi)來(lái)。 本發(fā)明的方法可以使用下面的優(yōu)選技術(shù)參數(shù)來(lái)執(zhí)行。對(duì)于所有廢物部分來(lái)說(shuō)，粒度對(duì)廢物的處理不構(gòu)成限制。只有設(shè)備的尺寸能夠限制廢物的最大粒度。因此，在整個(gè)工藝中有可能處理和利用未分揀未撕碎的、帶有例如IOOOmm顆粒的廢物。含有單糖和/或多糖的廢物部分的組成本發(fā)明的含有單糖和/或多糖的廢物部分包括任何含有多糖和/或單糖的材料，例如淀粉和精制淀粉、纖維素、半纖維素和/或二糖和/或單糖的形式。對(duì)處理下面含表征的材料可以在不另外添加水或不進(jìn)行機(jī)械撕碎的情況下進(jìn)行。相關(guān)類(lèi)型的含有單糖和/或多糖的廢物可以包括來(lái)自家庭的廢物部分，例如未分揀的城市固體廢物(MSW)在某些集中分揀、撕碎或搗漿裝置例如Dewaster 或reCultmO 中處理的MSff來(lái)自家庭的分揀的固體廢物，包括有機(jī)部分和富含紙的部分RDF (垃圾衍生燃料)部分來(lái)自工業(yè)的廢物部分，例如含有紙或其它有機(jī)部分的、現(xiàn)在作為家庭廢物處理的普通工業(yè)廢物部分來(lái)自造紙工業(yè)例如來(lái)自回收工廠(chǎng)的廢物部分來(lái)自食品和飼料工業(yè)的廢物部分來(lái)自醫(yī)藥工業(yè)的廢物部分來(lái)自農(nóng)業(yè)或種植業(yè)相關(guān)部門(mén)的廢物部分,例如來(lái)自包括富含糖或淀粉的產(chǎn)品例如土豆和甜菜的加工的廢物部分污染的或通過(guò)其它方式毀壞的農(nóng)產(chǎn)品，例如不能用于食品或飼料目的的谷物、土豆和甜菜園林垃圾糞肥或來(lái)自糞肥的產(chǎn)品來(lái)自市、郡或州相關(guān)的或調(diào)控的行動(dòng)的廢物部分，例如
來(lái)自污水處理廠(chǎng)的污泥來(lái)自沼氣加工的纖維或污泥部分來(lái)自公共部門(mén)的含有紙或其它有機(jī)部分的普通廢物部分在酶法水解和發(fā)酵工藝中含有單糖和/或多糖的廢物部分的干物質(zhì)含量大于20%，優(yōu)選20%到80%，更有選20%到50%，更加優(yōu)選20%到45%，最優(yōu)選20%到40%。自由下落混合裝置
如果使用基于自由下落混合概念的筒狀混合器形式的容器，優(yōu)選下列技術(shù)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)速度0-30rpm,優(yōu)選0_20rpm,更優(yōu)選0_15rpm,更加優(yōu)選O-IOrpm,最優(yōu)選0_5rpmo周期性改變旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)。預(yù)定時(shí)間間隔的旋轉(zhuǎn)。顯然，最佳的旋轉(zhuǎn)速度依賴(lài)于容器的體積，因此當(dāng)在相對(duì)小的容器中進(jìn)行加工時(shí)，優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)速度可能相對(duì)較高，而在相對(duì)大的容器中進(jìn)行加工時(shí)則可能相對(duì)較低。廢物部分的不加壓預(yù)處理如果選擇熱預(yù)處理，優(yōu)選下面的技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理溫度60-110°C，優(yōu)選65-105°C，更優(yōu)選70-105°C，更加優(yōu)選75-105°C，最優(yōu)選 80-100°C。預(yù)處理時(shí)間0-120分鐘，優(yōu)選5-100分鐘，更優(yōu)選10-90分鐘，更加優(yōu)選20-80分鐘，最優(yōu)選30-60分鐘。預(yù)處理蒸汽通入0_2kg/kg干物質(zhì)，優(yōu)選O. 01-1. 5kg/kg干物質(zhì)，更優(yōu)選O. 02-1. Okg/kg干物質(zhì),更加優(yōu)選O. 03-0. 8kg/kg干物質(zhì),最優(yōu)選O. 05-0. 5kg/kg干物質(zhì)。廢物部分的酶法水解用于水解不同廢物部分的酶-纖維素酶-纖維二糖酶-半纖維素酶-α-淀粉酶-淀粉糖化酶(AMG)-氧化酶-任選的蛋白水解酶和脂肪酶酶法水解的處理時(shí)間0-96小時(shí)，優(yōu)選0-72小時(shí)，更優(yōu)選0_48，更加優(yōu)選0_24小時(shí)，最優(yōu)選5-15小時(shí)酶法水解的溫度(參照使用的酶的最佳溫度進(jìn)行調(diào)整)20_105°C，優(yōu)選20-100°C，更優(yōu)選 20-90°C，更優(yōu)選 20-80°C，更加優(yōu)選 25_70°C，最優(yōu)選 30_70°C。廢物醪液的pH(參照使用的酶的最佳pH進(jìn)行調(diào)整)3_12，優(yōu)選4_11、例如5_10，更優(yōu)選4-9、例如6-9，更加優(yōu)選4-8、例如7-8，最優(yōu)選4_5。被水解的廢物部分的發(fā)酵用于各種廢物部分發(fā)酵的微生物。標(biāo)準(zhǔn)面包酵母(干的、新鮮的或任何其它形式的)
任何種類(lèi)的基因或其它修飾的酵母任何種類(lèi)的嗜熱細(xì)菌任何種類(lèi)的能夠生產(chǎn)所需產(chǎn)物的真菌。發(fā)酵的處理時(shí)間1-150小時(shí)，優(yōu)選10-90小時(shí)，更優(yōu)選20_80，更加優(yōu)選30_75小時(shí)，最優(yōu)選40-70小時(shí)。發(fā)酵溫度(參照所用微生物的最佳溫度進(jìn)行調(diào)整)20_105°C，優(yōu)選20-100°C，更優(yōu)選20-90°C，更優(yōu)選20-80°C，更加優(yōu)選25_70°C，最 優(yōu)選30_70°C。廢物醪液的pH，參照使用的微生物的最佳pH進(jìn)行調(diào)整3_12，優(yōu)選4_11、例如5-10，更優(yōu)選4-9、例如6-9，更加優(yōu)選4-8、例如7_8，最優(yōu)選4_5。實(shí)施例I :在水泥混合器中進(jìn)行的使用高纖維素酶載量的實(shí)驗(yàn)。I)從未處理的城市固體廢物生產(chǎn)乙醇12. 2kg來(lái)自O(shè)dense Kraftvarmevaerk的廢物坑的未分揀和未處理的城市固體廢物，相當(dāng)于大約8. 5kg干物質(zhì)量，被裝入常規(guī)的旋轉(zhuǎn)水泥混合器，其水平軸傾斜大約10度?；旌掀餮刂L(zhǎng)軸有兩個(gè)內(nèi)條，以確保材料的適當(dāng)混合。在開(kāi)口上裝有蓋子，以保持廢物部分在筒內(nèi)部并減少?gòu)幕旌掀髦械恼舭l(fā)?；旌掀鞯耐惭刂捷S旋轉(zhuǎn)，速度為29rpm。蒸汽發(fā)生器與旋轉(zhuǎn)筒相連。在35分鐘的時(shí)間期間通入大約4. 5kg壓力為3barg的飽和蒸汽，其中20分鐘被用于加熱廢物部分，剩下的15分鐘是在90-96°C下的保持時(shí)間。通過(guò)移除蒸汽連接將水泥混合器冷卻到40°C，并安裝暖風(fēng)機(jī)以保持溫度恒定在40-45°C的范圍內(nèi)。加入2升水，使醪液的干物質(zhì)含量為45%。在廢物醪液中加入1275ml 的 Celludast L 5FG L、255ml 的 Novozym 188
和8.5ml的AMG。celludast 丨· 5咒L和Novozym 188酶的加入相當(dāng)于大約15FPU/g DM0通過(guò)使用暖風(fēng)機(jī)將水泥混合器加熱到40-45°C。材料的混合/水解進(jìn)行9個(gè)小時(shí)以上，每個(gè)小時(shí)中斷一次以測(cè)量pH水平并將其調(diào)整到4-5。醪液的pH通過(guò)向筒中加入檸檬酸顆粒來(lái)調(diào)整。加工產(chǎn)生了多或少的泥漿狀醪液，含有大的不轉(zhuǎn)化的顆粒，例如塑料容器、罐頭和玻璃碎片。取樣。為了測(cè)定產(chǎn)生的樣品的糖含量，將它們?cè)?500rpm離心15分鐘，然后將上清液通過(guò)O. 45 μ m的濾器過(guò)濾，并在HPLC上分析糖。在酶的載量為15FPU/g DM下經(jīng)過(guò)9小時(shí)的酶法水解后，上清液中含有51g/kg葡萄糖和10g/kg木糖。在40_45°C下經(jīng)過(guò)9小時(shí)水解后，通過(guò)向水泥混合器中加入酵母，同時(shí)進(jìn)行糖化和發(fā)酵過(guò)程。令溫度冷卻到低于35°C,然后加入170g壓縮酵母(面包酵母，De DanskeSpritfabrikker)。糖化和發(fā)酵過(guò)程在30_35°C下持續(xù)37小時(shí),只在16小時(shí)后中斷一次進(jìn)行pH調(diào)整。同時(shí)的糖化和發(fā)酵產(chǎn)生了 32g/kg乙醇，相當(dāng)于4. 5vol. %的乙醇。將發(fā)酵過(guò)的醪液過(guò)篩，將固體部分干燥。干燥的固體部分共4. 6kg。液體部分的干物質(zhì)沒(méi)有進(jìn)一步分析。2)從來(lái)源分揀的有機(jī)固體家庭廢物生產(chǎn)乙醇25. 7kg來(lái)自Klintholm Ι/S填埋區(qū)的來(lái)源分揀的城市固體廢物，相當(dāng)于大約10. 3kg干物質(zhì)量，按照與上述相同的方式進(jìn)行處理。通入蒸汽產(chǎn)生的醪液的干物質(zhì)含量為大約30%。在廢物醪液中加入1545ml 的 Celluclast 丨· 5FG L、309ml 的 Novozym I88、IOmL 的 Spirizyme plus FG(淀粉糖化酶)和 IOml 的 Liquozyme sc
ds(a-淀粉酶)。Celluclast L 5FG L和Novozym 188酶的加入相當(dāng)于大約15FPU/g DM。通過(guò)使用暖風(fēng)機(jī)將水泥混合器加熱到40_45°C。材料的混合/水解進(jìn)行6個(gè)小時(shí)，每個(gè)小時(shí)中斷以測(cè)量并調(diào)整pH到4-5。醪液的pH通過(guò)向筒中加入檸檬酸顆粒來(lái)調(diào)整。加工過(guò)程中產(chǎn)生了半液態(tài)的泥，含有少量不轉(zhuǎn)化的顆粒，例如塑料、罐頭和玻璃碎片。將樣品在2500rpm離心15分鐘。將上清液通過(guò)0. 45 μ m的濾器過(guò)濾，并在HPLC 上分析糖。在酶的載量為15FPU/gDM下經(jīng)過(guò)6小時(shí)的水解后，上清液中含有53g/kg葡萄糖和12g/kg木糖。在40_45°C下經(jīng)過(guò)6小時(shí)水解后，通過(guò)向水泥混合器中加入酵母，同時(shí)進(jìn)行糖化和發(fā)酵過(guò)程。令溫度冷卻到低于35°C,然后加入200g壓縮酵母(面包酵母，De DanskeSpritfabrikker)。糖化和發(fā)酵過(guò)程在30_35°C下持續(xù)39小時(shí),只在13小時(shí)后中斷一次進(jìn)行pH調(diào)整。同時(shí)的糖化和發(fā)酵產(chǎn)生了 37g/kg乙醇，等于5. 2vol. %的乙醇。將發(fā)酵過(guò)的醪液過(guò)篩。濕的固體部分共6. 0kg。液體部分的干物質(zhì)沒(méi)有進(jìn)一步分析。實(shí)施例2 :在中試規(guī)模反應(yīng)器(圖2)中進(jìn)行的使用高纖維素酶載量的實(shí)驗(yàn)。從來(lái)源分揀的有機(jī)固體家庭廢物和紙生產(chǎn)乙醇(包括真空抽提)將49. 6kg來(lái)自Klintholm Ι/S填埋區(qū)的來(lái)源分揀的城市固體廢物和16. 7kg紙(報(bào)紙和廣告信函)，相當(dāng)于大約33. 3kg干物質(zhì)量，裝入中試反應(yīng)器。中試反應(yīng)器由固定筒和有孔的內(nèi)筒組成，如圖2中可以看到的那樣，帶孔的內(nèi)筒可以沿水平軸旋轉(zhuǎn)(交替方向，速度為O-ISrpm)。反應(yīng)器裝備有冷卻/加熱夾套以控制溫度，它與電加熱元件和冷卻水相連。反應(yīng)器也可以與用于乙醇回收的真空抽提器相連?；旌蠒r(shí)在60分鐘的時(shí)間期間加入大約21kg壓力為4barg的飽和蒸汽一中30分鐘為加熱，另30分鐘在90°C下預(yù)處理。為了進(jìn)一步降低廢物醪液的干物質(zhì)含量，加入151水，使干物質(zhì)含量為30-32%。預(yù)處理后，通過(guò)反應(yīng)器冷卻夾套中的冷卻水和向筒中加入少量壓縮空氣，將反應(yīng)器和內(nèi)含物冷卻到大約40 V。在加入酶之前將廢物部分的pH調(diào)整到大約5。然后加入51的Celludast i.5FG、ii 的 Novozym 188、33ml 的 Spirizyme PIus FG和33ml 的 Liquozyme
SC ds。celluclast L 5咒和Novozym 188的量相當(dāng)于大約i5FPU/g干物質(zhì)的酶劑量。在酶法水解過(guò)程中，廢物醪液的pH通過(guò)向筒中加入固體檸檬酸進(jìn)行連續(xù)的調(diào)整。水解將廢物醪液的稠度從固體改變?yōu)榘胍后w的泥狀物，含有少量不轉(zhuǎn)化的顆粒，例如塑料、堅(jiān)果殼和小棒的碎片。在40-45 °C下水解6小時(shí)后，通過(guò)反應(yīng)器冷卻夾套中的冷卻水和筒中少量的壓縮空氣，將廢物醪液冷卻到36°C。冷卻后，向筒中加入666g壓縮的面包酵母(De DanskSpritfabrikker)。同時(shí)的糖化和發(fā)酵(SSF)處理在30_35°C下持續(xù)39小時(shí)。水解和隨后的SSF處理、即總共45小時(shí)后，產(chǎn)生28. 8g/kg乙醇，等于4. Ovol. %的乙醇。SSF之后，反應(yīng)器中的一些乙醇通過(guò)將真空泵和冷凝器與反應(yīng)器相連而回收。
實(shí)施例3 :在中試規(guī)模反應(yīng)器(圖2)中進(jìn)行的使用低纖維素酶載量的實(shí)驗(yàn)。從未分揀的城市固體廢物和紙生產(chǎn)乙醇來(lái)自?xún)蓚€(gè)家庭一星期內(nèi)32. Ikg MSff加入到密封垃圾袋中和8. Ikg另加的紙(報(bào)紙和廣告信函)，相當(dāng)于大約30比干物質(zhì)的估計(jì)量，裝入中試反應(yīng)器。為了降低廢物的干物質(zhì)含量，加入12. 51水。詳細(xì)的描述參見(jiàn)實(shí)施例2。裝載后，使用加熱夾套和向反應(yīng)器腔通入蒸汽(4barg)，加熱到90°C。當(dāng)達(dá)到90°C時(shí)(也通過(guò)筒內(nèi)的手持溫度計(jì)手動(dòng)檢查溫度)，邊混合邊將溫度保持30分鐘。然后使用冷卻夾套將混合物冷卻到大約50°C，同時(shí)通過(guò)加入固體檸檬酸將pH調(diào)整到大約5。在正確的溫度和pH下，加入下列形式的酶ι· 151 Celluclast !· 5FG、0· 251Novozym 188、30g 淀粉酶(NS50033，來(lái)自 Novozymes)、15g Resinase A2X 和 15g
Alcalase 2· 5L。Celluclast L 5FG 和 Novozym 188 的量相當(dāng)于大約 7FPU/g 干物質(zhì)的酶劑量。在酶法水解過(guò)程中，通過(guò)向筒中加入固體檸檬酸對(duì)廢物醪液的pH進(jìn)行連續(xù)的調(diào)
難
iF. O在加入酶后大約24小時(shí)，將現(xiàn)在粘稠的廢物進(jìn)一步冷卻到33°C，然后加入酵母。加入酵母后不久，可以觀(guān)察到二氧化碳形成為酵母糾結(jié)的泡。在SSF過(guò)程中，通過(guò)加入固體碳酸鈉調(diào)節(jié)醪液的pH。該過(guò)程持續(xù)一星期。經(jīng)過(guò)24小時(shí)的預(yù)水解以及隨后的7天SSF后，得到22. 8g/kg乙醇，等于3. 2vol. %的乙醇。實(shí)施例4 :不同類(lèi)型廢物的產(chǎn)量(廢物變?yōu)橐掖?使用不同類(lèi)型的廢物進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)量顯示如下(每噸干物質(zhì)產(chǎn)生的乙醇的體積)
權(quán)利要求
1.一種處理廢物部分的方法，其包括 -提供含有單糖和/或多糖的廢物部分， -使所述廢物部分經(jīng)熱預(yù)處理作用，隨后 -酶法水解所述廢物部分導(dǎo)致廢物中的可發(fā)酵部分液化，隨后 -從不可發(fā)酵的固體中分揀出可發(fā)酵的部分， 其中所述廢物的液化的可發(fā)酵部分隨后進(jìn)行發(fā)酵。
2.權(quán)利要求I的方法，其中所述可發(fā)酵的部分進(jìn)行厭氧發(fā)酵。
3.權(quán)利要求I的方法，其中利用產(chǎn)乙醇的微生物進(jìn)行所述可發(fā)酵的部分的發(fā)酵。
4.權(quán)利要求I的方法，其中所述可發(fā)酵的部分進(jìn)行發(fā)酵包括加入氮源。
5.權(quán)利要求I的方法，其中所述可發(fā)酵的部分進(jìn)行發(fā)酵包括加入營(yíng)養(yǎng)成分或維生素。
6.權(quán)利要求I的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分是未分揀的城市固體廢物(MSW)，在某些集中分揀、撕碎或搗漿裝置中處理的MSW，來(lái)自家庭的來(lái)源分揀的廢物，富含有機(jī)部分和紙的廢物部分，或RDF (垃圾衍生燃料)部分。
7.權(quán)利要求I的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分是含有紙或其它有機(jī)部分的普通工業(yè)廢物部分，來(lái)自造紙工業(yè)廢物部分，來(lái)自回收工廠(chǎng)的廢物部分，來(lái)自食品和飼料工業(yè)的廢物部分，或來(lái)自醫(yī)藥工業(yè)的廢物部分。
8.權(quán)利要求I的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分是來(lái)自富含糖或富含淀粉的產(chǎn)品加工的廢物部分，來(lái)自土豆或甜菜的加工的廢物部分，污染的或毀壞的農(nóng)產(chǎn)品，不能用于食品或飼料目的的污染的或毀壞的谷物、土豆或甜菜，花園垃圾，糞肥，或來(lái)自糞肥的產(chǎn)品。
9.權(quán)利要求I的方法，其中所述含有單糖和/或多糖的廢物部分是來(lái)自污水處理廠(chǎng)的污泥，來(lái)自沼氣加工的纖維或污泥部分，或來(lái)自公共部門(mén)的含有紙或其它有機(jī)部分的普通廢物部分。
10.權(quán)利要求I的方法，其中不加壓預(yù)處理使用蒸汽進(jìn)行。
11.權(quán)利要求10的方法，其中不加壓預(yù)處理的處理時(shí)間在0-120分鐘之間，溫度范圍在60-110°C之間，蒸汽通入為0-2kg/kg干物質(zhì)。
12.權(quán)利要求I的方法，其中含有單糖和/或多糖的廢物部分的酶法水解用水解酶進(jìn)行，所述水解酶或者以天然的形式或者以導(dǎo)致這些酶積累的微生物體的形式提供。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述的酶法水解持續(xù)0-96小時(shí)，溫度范圍為20-105°C。
14.權(quán)利要求I的方法，其中所述的酶法水解利用包括纖維素酶、纖維二糖酶和半纖維素酶的酶的混合物進(jìn)行。
15.權(quán)利要求I的方法，其中所述的酶法水解利用包括蛋白水解酶的酶的混合物進(jìn)行。
16.權(quán)利要求I的方法，其中所述的酶法水解利用包括α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的酶的混合物進(jìn)行。
17.權(quán)利要求I的方法，其中所述的酶法水解利用包括脂肪酶的酶的混合物進(jìn)行。
18.權(quán)利要求I的方法，其中所述的酶法水解利用包括氧化酶的酶的混合物進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)含有單糖和/或多糖、具有相對(duì)高的干物質(zhì)含量的廢物部分進(jìn)行不加壓預(yù)處理、酶法水解和發(fā)酵，生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)物包括生物乙醇的方法。該方法其整體，即從不加壓預(yù)處理經(jīng)過(guò)酶法水解和發(fā)酵到可發(fā)酵和不可發(fā)酵的固體的分揀，都可以在相對(duì)高的干物質(zhì)含量下、在使用自由下落混合進(jìn)行廢物部分的機(jī)械加工的單一的容器或類(lèi)似裝置中處理。
文檔編號(hào)C12P7/10GK102876729SQ20121032279
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者納娜·德拉耶爾·內(nèi)霍爾姆, 揚(yáng)·拉森, 弗蘭克·克羅·艾弗森 申請(qǐng)人:東能量生成股份有限公司