[发明专利]废物部分的不加压预处理、酶法水解和发酵

说明书

本申请为国际申请PCT/IB2006/002707进入中国国家阶段的中国专利申请(申请号为200680036377.6，其申请日为2006年9月29日，发明名称为“废物部分的不加压预处理、酶法水解和发酵”)的分案申请。 

发明领域

本发明涉及通过对含有单糖和/或多糖、具有高的干物质含量或任选含有大颗粒的废物部分进行不加压预处理、酶法水解和发酵，从而生产生物乙醇或其它有用的发酵产物的方法。从不加压预处理经过酶法水解和发酵到分拣可发酵和不可发酵的固体，这整个过程都可以在单一的容器中在高的干物质含量条件下进行，不需要任何醪液(mash)的任何运送。在这单一容器中进行的混合是基于自由下落混合原理。 

发明背景 

家庭、工业和农业过程、城市运转以及食品和饲料加工都产生含有例如葡萄糖、淀粉、纤维素和半纤维素形式的多聚体和/或单体的糖的废物部分和副产物。今天，大部分在家庭和工业中产生的废物部分被填埋或被焚烧。废物部分的填埋涉及各种环境、卫生和后勤问题，因此在许多国家，例如欧洲国家，变得日益受到限制。主要的替代处理方式是废物的焚烧。在地方供暖系统分布广泛的国家，例如丹麦，将可燃烧的废物转化为例如电力和地区供暖的废物能源工厂，为废物的能量成分提供了相当好的利用。但是，对于大多数不具备地区供暖系统的国家来说，纯粹从废物产生能源效率非常低。 

此外，废物的焚烧引起了许多新的环境问题，主要是NO_x-、SO₂-和二恶英的排放。对燃料气体清洁系统的大量投资可以减小、但不能消除这样的问题。此外，大约20％的废物是不可燃烧的，它们作为炉渣和飞灰被填埋。现在，部分炉渣用作建筑工程中的基础材料，但是必需预计到将来在这些领域中的限制，这主要是因为在炉渣中高含量的重金属，可能会妨碍这种应用。 

因此，现代社会产生的大量废物正变成一种没有明显解决办法的难题。地方团体、工业以及整个社会，都对开发将废物部分以环境友好的方式转变为具有较高价值的物质的方法具有相当大的兴趣。因此，通过例如使用微生物和/或水解酶，有可能可以将各种废物部分转化为生物乙醇或其它生物化学物质。 

总的来说，在从含有多糖、二糖和单糖的废物部分生产生物乙醇或其它有用的发酵产物中，关键的处理步骤可以被分为5个主要步骤，每个步骤在一个或多个分离的容器中进行： 

废物部分的分拣和碾磨 

预处理 

水解 

发酵 

产物例如乙醇的回收 

本发明令人吃惊地能够在分批、半分批或连续工艺中使预处理和水解的步骤在同一个容器中进行，并且本发明的方法不那么依赖于任何先前对废物部分的分拣和碾磨。此外，发酵、分拣和产物例如乙醇的回收也可以在相同的容器中进行。 

废物部分的分拣和碾磨 

在涉及非均质废物部分发酵的工艺描述中，第一步一般是非常复杂的废物的分拣和碾磨系统工艺。其目的是为了获得能够在搅拌罐中处理的有机的料浆。其余的部分应该在最大程度上可再循环。这样的系统的例子在美国专利US4094740A中有描述。 

预处理 

一般来说，如果随后对多糖的水解(例如酶法水解)需要打破植物原料中否则会起保护作用的结构(例如木质素)，则预处理是需要的。在例如生物乙醇生产领域中，几种预处理技术是已知的。预处理方法可以基于例如酸水解、蒸汽爆炸、氧化、用碱或乙醇提取等。预处理技术的共同特点在于，与可能加入的反应物共同起作用，在温度超过100℃时，它们利用了植物材料的软化和松散，即一个需要施加压力的过程。 

水解 

在预处理或任选的机械预处理之后，在利用含有单糖和/或多糖的废物部分生产生物乙醇或其它生物化学物质中，下一步是将释放出的淀粉、纤维素和半纤维素水解成可发酵的糖。如果通过酶法进行，就需要大量具有不同作用方式的不同的酶。酶可以从外部添加，或者在生物质中生长的微生物也可以提供它们。 

纤维素被水解碳水化合物的纤维素酶水解成葡萄糖。对纤维素水解系统的理解一般将纤维素酶分成3类：1，4-β-D-葡聚糖外切酶或纤维二糖水解酶(CBH)(EC 3.2.1.91)，它从纤维素链的末端切下纤维二糖单元；1，4-β-D-葡聚糖内切酶(EG)(EC 3.2.1.4)，它在纤维素链中随机水解内部的β-1，4-糖苷键；1，4-β-D-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21)，它将纤维二糖水解为葡萄糖，并且也从纤维寡糖上切下葡萄糖单元。