糖制備方法、乙醇制備方法、乳酸制備方法以及在這些制備方法中所使用的酶解糖化用原...的制作方法

專利名稱：糖制備方法、乙醇制備方法、乳酸制備方法以及在這些制備方法中所使用的酶解糖化用原 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用生物質原料的糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法以及在所述糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法中所使用的酶解糖化用原料的制備方法。
背景技術：
近年來，作為解決全球氣候變暖問題的一種對策，廣泛試行著從含有木質生物質、 草本生物質等的纖維素的原料制備乙醇，并作為各種燃料或化學原料所利用。從生物質原料制備乙醇時，例如，可以將收集的生物質原料在糖化工藝中分解成糖類，然后在發(fā)酵工藝中采用酵母等微生物來轉換成乙醇，由此制備乙醇。另一方面，基于降低環(huán)境負荷的觀點，生物降解聚合物的利用正在增加，并且乳酸作為其一種原料在使用。該乳酸同樣可以通過使上述的生物質原料糖化并進一步使其發(fā)酵而獲得。在上述的糖化工藝中，以往使用濃硫酸較多。但是從降低環(huán)境負荷的觀點來看，需要降低硫酸的使用量。因此，近年來，人們將采用酶的生物質原料的糖化作為代替基于濃硫酸的糖化的方法，進行著廣泛的研究。對于采用酶的糖化來說，雖然從對環(huán)境的影響的觀點考慮，是優(yōu)選的方案，但是為了進行酶解糖化，需要預先對生物質原料進行前處理以利于酶發(fā)揮作用。目前已知有多種對生物質原料進行前處理的方法，但是其中通常使用的處理包括基于稀硫酸、加壓熱水等的蒸煮處理等(例如，參照下述專利文獻1 4。)。然而，如上所述的那樣，硫酸的使用并不是優(yōu)選的方案，并且在通過對生物質原料進行這些前處理而將所得到的處理物供給到酶解糖化中時，為了得到所期望程度的酶解糖化效率，需要分多個步驟進行該前處理，并且需要在200°C以上的高溫下進行。并且，雖然了解到通過物理方法將生物質原料粉碎成微細的狀態(tài)而提高化學、生物化學反應特性，但是如果僅通過粉碎方法而希望得到充分的酶解糖化效率，則粉碎工藝所需的能量非常之多，可能會導致失去經濟合理性。人們還了解到通過用氨或有機胺對生物質原料進行前處理而提高其化學、生物化學反應特性(例如，參照下述專利文獻5。)。但是，即使是經過所述前處理的生物質，也不能說其酶解糖化效率充分。因此，目前的現(xiàn)狀是，仍然希望開發(fā)出可以進一步提高酶解糖化效率的酶解糖化技術以及適用于所述酶解糖化中的生物質原料的前處理技術。現(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特許公開2006-075007號公報專利文獻2 日本特許公開2004-121055號公報專利文獻3 日本特許公表2002-541355號公報專利文獻4 日本特許公開2002-159954號公報專利文獻5 歐洲特許公開第 7 號公報

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明以解決上述的現(xiàn)有技術中的諸多問題、達到以下目的作為課題。即，本發(fā)明的目的在于提供能夠有效地進行酶解糖化，由此能夠提高糖的生產效率、乙醇的生產效率以及乳酸的生產效率的糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法以及在所述糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法中所使用的有效的酶解糖化用原料的制備方法。技術方案本發(fā)明的發(fā)明人為了解決上述問題而進行了專心研究，結果得到了以下見解。即， 通過將含有天然纖維素的纖維素I的生物質原料采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，得到改性生物質原料，并對該改性生物質原料進一步進行粉碎之后，供給到酶解糖化中，據此可以有效地進行酶解糖化，從而可以顯著提高糖的生產效率、乙醇的生產效率以及乳酸的生產效率。在此，本發(fā)明的發(fā)明人之前對以下的內容申請過專利(參照日本特許公開 2008-161125號公報)。即，將相比于天然纖維素的纖維素I具有更低的結晶密度的纖維素 (例如，纖維素III1)作為酶解糖化的對象物使用，由此可以有效地進行酶解糖化；并且，對含有纖維素I的生物質原料，采用氨尤其是超臨界相氨進行處理，由此可以有效地得到含有纖維素III1的酶解糖化用纖維素。但是，目前人們還不知道，通過將生物質原料在采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理之后進一步進行粉碎而供給到酶解糖化中，由此可以顯著提高生物質原料的酶解糖化效率。這是本發(fā)明的發(fā)明人的新的見解。本發(fā)明是基于發(fā)明人的上述見解而完成的，將用于解決所述課題的技術方案如下。即，<1> 一種糖制備方法，其特征在于，包括以下工藝(a)通過對含有纖維素I的生物質原料，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，得到改性生物質原料；(b)通過對所述改性生物質原料進行粉碎，得到酶解糖化用原料；(c)通過對所述酶解糖化用原料進行酶解糖化，得到糖。<2>如上述<1>所述的糖制備方法，其特征在于，在工藝(a)中所使用的處理劑為氨。<3>如上述<1>或<2>所述的糖制備方法，其特征在于，含有纖維素I的生物質原料為木質生物質。<4>如上述<1>至<3>中任意一項所述的糖制備方法，其特征在于，在工藝(b)中得到的酶解糖化用原料的、采用中值粒徑表示的平均粒徑為5 80 μ m。<5> 一種乙醇制備方法，其特征在于，對通過如上述<1>至<4>中任意一項所述的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵，得到乙醇。<6> 一種乳酸制備方法，其特征在于，對通過如上述<1>至<4>中任意一項所述的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵，得到乳酸。<7> 一種酶解糖化用原料的制備方法，其特征在于，包括以下工藝
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(a)通過對含有纖維素I的生物質原料，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，得到改性生物質原料；(b)通過對所述改性生物質原料進行粉碎，得到酶解糖化用原料。有益效果根據本發(fā)明，可以達到上述目的，解決諸多的現(xiàn)有問題，可以有效地進行酶解糖化，據此可以提供能夠提高糖生產效率、乙醇生產效率以及乳酸生產效率的糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法以及在所述糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法中所使用的有用的酶解糖化用原料的制備方法。


圖1為經過粗碎的桉樹的X射線衍射圖。圖2為對經過粗碎的桉樹進行粉碎的試樣的X射線衍射圖。圖3為對經過粗碎的桉樹進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖4為對經過粗碎的桉樹進行粉碎且進一步進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖5為對經過粗碎的桉樹進行氨處理且進一步進行粉碎處理的試樣的X射線衍射圖。圖6為經過粗碎的沙柳的X射線衍射圖。圖7為對經過粗碎的沙柳進行粉碎的試樣的X射線衍射圖。圖8為對經過粗碎的沙柳進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖9為對經過粗碎的沙柳進行粉碎且進一步進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖10為對經過粗碎的沙柳進行氨處理且進一步進行粉碎處理的試樣的X射線衍射圖。圖11為經過粗碎的杉樹的X射線衍射圖。圖12為對經過粗碎的杉樹進行粉碎的試樣的X射線衍射圖。圖13為對經過粗碎的杉樹進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖14為對經過粗碎的杉樹進行粉碎且進一步進行氨處理的試樣的X射線衍射圖。圖15為對經過粗碎的杉樹進行氨處理且進一步進行粉碎處理的試樣的X射線衍射圖。
具體實施例方式(糖制備方法)本發(fā)明的糖制備方法包括(a)通過用含有氨和/或有機胺的處理劑對包含有纖維素I的生物質原料進行處理而得到改性生物質原料的工藝；(b)通過粉碎所述改性生物質原料而得到酶解糖化用原料的工藝；(c)通過使所述酶解糖化用原料發(fā)生酶解糖化而得到糖的工藝。根據需要還包括其他工藝。< 工藝(a) >在所述工藝(a)中，通過用含有氨和/或有機胺的處理劑對包含有纖維素I的生物質原料進行處理，得到改性生物質原料。一包含有纖維素I的生物質原料一
作為所述包含有纖維素I的生物質原料，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇。 例如，可以使用作為伴隨農業(yè)或林業(yè)等生產活動的殘渣而得到的“廢棄物類生物質”、以得到能源等作為目的而通過專門栽培得到的“資源農作物類生物質”等。作為所述“廢棄物類生物質”，例如，可以列舉廢棄建材、間伐木材、稻秸稈、麥秸稈、糠、蔗渣等。并且，作為所述“資源農作物類生物質”，例如，可以列舉甘蔗、玉米等還作為食物栽培的糖質及淀粉類農作物；以纖維類的利用為目的而栽培的桉樹(Eucalyptus)、白楊、金合歡屬植物、柳樹、 杉樹(Cryptomeria japonica)、柳枝稷、狼尾草、蔗茅屬植物、芒屬植物、芒草(Miscanthus sinensis)等。并且，所述包含有纖維素I的生物質原料還可以分為將木材作為原料的“木質生物質”、將草本作為原料的“草本生物質”等。在本發(fā)明中，雖然均可以使用木質生物質以及草本生物質，但是從能夠得到更為顯著的本發(fā)明的效果的觀點考慮，優(yōu)選使用木質生物質。并且，作為所述包含有纖維素I的生物質原料，也可以是從如上所述的各種生物質通過提純等得到的纖維素I其本身。對于所述包含有纖維素I的生物質原料而言，可以單獨使用，也可以兩種以上組合使用。另外，作為天然纖維素的纖維素I可分為纖維素Ia型和纖維素Ie型，但是包含在所述生物質原料中的纖維素I，可以是這些纖維素中的任意一種， 并且也可以是這兩種。在采用所述含有氨和/或有機胺的處理劑進行的處理中，作為所述包含有纖維素 I的生物質原料，雖然可以直接使用所收集的原料，但是優(yōu)選地通過切割、粉碎等工藝使其大小達到一定程度以下后使用。作為所述生物質原料的大小，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是，例如可通過的篩子的內徑優(yōu)選為5mm以下，進一步優(yōu)選為3mm以下，更加優(yōu)選為2mm以下。所述可通過的篩子的內徑超過5mm時，會導致基于所述處理劑的處理不夠充分。另一方面，所述大小在所述更加優(yōu)選的范圍內時，在可以縮短處理時間、可以減少所使用的處理劑的量等方面，是有利的。另外，以下，將對所述收集的生物質進行切割、粉碎的工藝稱為“粗碎”。通過預先進行所述粗碎，可以有效地進行采用含有氨和/或有機胺的處理劑的處理，并且對改性生物質原料進行粉碎時，可以有效地得到更加微細的、酶解糖化效率良好的微細粉末狀的酶解糖化用原料。作為用于所述粗碎中的粉碎機，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如，可以使用維利氏磨粉機(Wiley mill)、切碎機(Cutter mill)、錘磨機 (hammer mill)、銷棒粉碎機(pin mill)等。一采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行的處理一對所述包含有纖維素I的生物質原料，采用氨作為處理劑進行處理時，作為該方法沒有特別限制，可以根據目的適當選擇。例如，可以通過以下方法進行。即，將所述包含有纖維素I的生物質原料和氨加入到壓力容器內，設定壓力以及溫度，以使所述壓力容器的內部達到期望的壓力以及溫度，并以期望的時間進行處理。所述氨可以是液相，也可以是氣相，并且還可以是超臨界相。通過基于氨的處理，生物質原料中的一部分纖維素I轉化成酶解糖化效率更高的纖維素III1型變體，從提高這種變體轉化效率的觀點考慮，液態(tài)氨或超臨界相氨較為適合。但是，可以根據目標糖化率、能耗等，選擇各自適合的條件下的處理?；诎钡奶幚項l件并不是被限定的，通常，作為優(yōu)選的條件，溫度為-35 140°C，壓力為 O 12. 5MPa。對所述包含有纖維素I的生物質，采用有機胺作為處理劑進行處理時，作為所使用的有機胺，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇。例如，優(yōu)選使用乙二胺 (ethylenediamine)、一甲胺(monomethyl amine)、一乙胺(monoethyl amine)等，其中優(yōu)選乙二胺。當采用這些有機胺對所述包含有纖維素I的生物質進行處理時，沒有特別限制，處理溫度、壓力可以采用與上述的基于氨的處理相同的條件。在本發(fā)明中，基于從纖維素I轉化成纖維素III1型變體的效率、處理后的處理劑的去除容易性等觀點考慮，作為處理劑，優(yōu)選采用氨。作為所述采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行的處理的時間，沒有特別限制， 可以根據所使用的所述包含有纖維素I的生物質原料的量、上述的處理壓力、處理溫度等， 在發(fā)生所期望程度的從纖維素I向纖維素III1型變體的轉化的范圍內，可以適當選擇，但是優(yōu)選為10分鐘 10小時，更加優(yōu)選為30分鐘 8小時，尤其優(yōu)選為30分鐘 5小時。 當所述處理時間小于10分鐘時，會導致不能發(fā)生期望程度的纖維素I向纖維素III1型變體的轉化，而當超過10小時時，由于不會再進行從纖維素I到纖維素III1型變體的轉化， 因此會使整體沒有效率。另一方面，當所述處理時間在所述更加優(yōu)選的范圍內時，從可以有效地進行從纖維素I到纖維素III1型變體的轉化的方面考慮，是有利的。在采用所述含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理時，對于所述氨和/或有機胺的使用量沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是，例如相對于Ig的所述包含有纖維素I的生物質原料，優(yōu)選為IOmg 300g，更加優(yōu)選為IOOmg 150g，尤其優(yōu)選為Ig 50g。 所述氨和/或有機胺的使用量相對于Ig的所述包含有纖維素I的生物質原料小于IOmg時， 會使處理不夠充分；而超過300g時，處理效率會變得較差。另一方面，當該使用量在所述尤其優(yōu)選的范圍內時，從可以縮短處理時間、可以減少所使用的處理劑的量的方面，是有利的。另外，在采用所述含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理時，只要至少所述處理劑包含有氨和/或有機胺，則可以進一步組合使用其他的化合物。作為所述其他化合物，例如，可以列舉二氧化碳、氮、乙烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、正己烷、甲苯、苯、苯酚、二氧六環(huán)、二甲苯、丙酮、氯仿、四氯化碳、乙醇、甲醇、丙醇、丁醇等。在此，作為所述其他化合物，不推薦使用水。如果使用所述水，則得到的纖維素III1有可能會回復到纖維素I。一改性生物質原料一通過所述采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行的處理，可以得到改性生物質原料。通過所述處理，可以使包含在所述生物質原料中的至少一部分纖維素I轉化成結晶密度更低的纖維素III1型變體。纖維素III1由于其結晶密度低，所以從利于酶發(fā)揮作用的方面考慮，是有利的。而且，通過所述處理，包含在所述生物質原料中的大部分半纖維素被分解成寡糖水平，變得可溶于水。據此，通過對所述生物質原料進行所述處理，可以將包含在所述生物質原料中的纖維素I和半纖維素分別轉化成纖維素III1和來自半纖維素的寡糖的、利于酶發(fā)揮作用的狀態(tài)，由此能夠提高酶解糖化效率。在此，通過所述處理而使至少一部分纖維素I轉化成纖維素III1型變體的情況，可以通過例如X射線衍射、傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)、固體核磁共振(NMR)等方法來確認。并且，在本申請中的“改性生物質原料”是指采用含有氨和/或有機胺的處理劑對包含有纖維素I的生物質原料進行處理后的物質，但是優(yōu)選地，是指包含在生物質原料中的一部分纖維素I轉化成纖維素III1型變體的物質。
并且，在所述改性生物質原料中，纖維素在其分子結構之間可以有其他化合物。例如，對于改性生物質原料來說，如前所述，可以通過采用含有氨和/或有機胺的處理劑對包含有天然纖維素的纖維素I的生物質原料進行處理而獲得，但是也可以是在該處理工藝中所生成的、纖維素和氨和/或有機胺的復合體(以下，稱為“纖維素和氨等復合體”。)的狀態(tài)。但是，對于所述纖維素和氨等復合體而言，存在諸如以下問題。即，難以調解酶解糖化時的PH值，并且具有受到水的作用而回復到纖維素I的性質。因此在酶解糖化時，優(yōu)選使用從所述纖維素和氨等復合體去除氨和/或有機胺的狀態(tài)的改性生物質原料。因此，在經過基于所述氨和/或有機胺的處理之后，優(yōu)選地設置從所述纖維素和氨等復合體去除氨和/或有機胺的去除工藝。作為所述氨和/或有機胺的去除方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如，可以舉出，在經過基于所述氨和/或有機胺的處理之后，對得到的包含有所述纖維素和氨等復合體的改性生物質原料，采用甲醇、乙醇、丙酮等溶劑來洗凈的方法、減壓干燥的方法、在處理劑的沸點以上的溫度下進行干燥的方法等。 作為所述處理劑采用氨時，作為其去除方法而優(yōu)選的是，不使用有機溶劑，而基于安全性良好的方面考慮，在氨的沸點以上的溫度(例如，常溫 50°C )，常壓或減壓條件下，進行干燥的方法。另外，所述改性生物質原料優(yōu)選包含纖維素III1，其比例沒有限制，但是所包含的纖維素III1越多，越能得到良好的酶解糖化效率，因此從這方面考慮，纖維素III1的含量多是優(yōu)選的。并且，所述改性生物質原料除了所述纖維素III1以外，還可以包含例如纖維素 1(纖維素Ia型、纖維素I0型)或諸如半纖維素、木質素等其他成分。但是，從提高酶解糖化的效率的觀點考慮，優(yōu)選地不包含木質素，或者其含量較少。< 工藝(b) >在所述工藝(b)中，對通過所述工藝(a)得到的改性生物質原料進行粉碎，由此得到酶解糖化用原料?！鬯橐辉谒龉に?b)中，對通過所述工藝(a)得到的改性生物質原料，進行粉碎。作為對所述改性生物質原料進行粉碎的方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如，可以采用平磨機、行星式球磨機、震動球磨機、玻珠研磨機、氣流粉碎機等粉碎機進行粉碎。其中，作為所述粉碎機，從可以以較低能耗得到微細的、酶解糖化效率良好的微細粉末狀的酶解糖化用原料方面考慮，優(yōu)選平磨機。通過所述粉碎，可以將所述改性生物質原料作為本發(fā)明的酶解糖化用原料。通過粉碎所述改性生物質原料，能夠進一步提高酶解糖化效率。作為進行所述粉碎的條件，沒有特別限定，可以根據粉碎機的種類、生物質原料的種類、希望得到的粉碎物的平均粒徑等，適當選擇。并且，當作為粉碎機使用平磨機時，由于粉碎的生物質原料從平磨機排出，因此進一步進行粉碎時，需要回收所排出的粉碎物，然后重新向磨中供應，而且還可以重復多次這種粉碎處理。此時，進行粉碎的次數(shù)，沒有特別限制，可以根據所用的粉碎機的種類、一次粉碎所需的時間、消耗的能量等，適當選擇，并且從重復兩次以上時可以得到更加微細的、酶解糖化效率良好的微細粉末狀的酶解糖化用原料的方面考慮，進行兩次以上是有利的。對于所述粉碎來說，雖然從重復多次可以得到更加微細的、酶解糖化效率良好的微細粉末狀的酶解糖化用原料的方面考慮，是有利的，但是重復
8次數(shù)過多，也不能得到一定程度以上的微細粉末化和酶解糖化效率的提高，因此會導致整體效率降低，所以優(yōu)選四次以下。一酶解糖化用原料一本發(fā)明的方法所涉及的“酶解糖化用原料”是指，對所述改性生物質原料進行粉碎處理的物質。通過對所述改性生物質原料進行粉碎，能夠進一步提高酶解糖化效率。作為通過所述粉碎得到的所述酶解糖化用原料的粒子的大小，沒有特別限制，并且由于根據所使用的生物質原料的種類，優(yōu)選的大小不同，因此不能一概限定，但是作為其平均粒徑，優(yōu)選5 80 μ m，更優(yōu)選5 50 μ m，尤其優(yōu)選5 30 μ m。使所述酶解糖化用原料的平均粒徑小于5 μ m時，由于粉碎所需的能量以及時間非常多，因此會喪失經濟合理性，另一方面，如果超過80 μ m，則不能充分提高酶解糖化效率。另一方面，所述酶解糖化用原料的平均粒徑在所述尤其優(yōu)選的范圍內時，從粉碎所需的能量以及時間與酶解糖化效率之間的平衡方面考慮，是有利的。另外，作為本發(fā)明的所述酶解糖化用原料的平均粒徑，采用通過射線衍射散射法測定而得到的中值粒徑。在此，中值粒徑是指，具有該粒徑以上的粒徑的粒子與具有該粒徑以下的粒徑的粒子的累計體積相同的粒徑。對于通過所述改性生物質的粉碎而得到的酶解糖化用原料來說，例如，可以直接供給到后述的工藝(c)的酶解糖化，也可以經過適當?shù)钠渌に囍螅┙o到后述的工藝 (c)的酶解糖化。作為所述其他工藝，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如，可以舉出將通過所述粉碎得到的微細粉末狀的酶解糖化用原料的PH值調節(jié)成適合后述的酶解糖化的PH值調節(jié)工藝等。< 工藝(c) >在所述工藝(C)中，對通過所述工藝(b)得到的酶解糖化用原料進行酶解糖化，由此得到糖。一酶解糖化一進行所述酶解糖化的方法，沒有特別限制，例如，可以在以下示出的條件下進行。作為用于所述酶解糖化的酶，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如，可以舉出纖維素酶、纖維二糖酶(β_葡萄糖苷酶)等。作為所述酶解糖化時的所述酶的使用量，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是例如，相對于Ig的所述酶解糖化用原料，優(yōu)選0. 001 lOOmg，更為優(yōu)選0.01 10mg，尤其優(yōu)選0. 1 lmg。如果所述酶的使用量相對于Ig的所述酶解糖化用原料，小于 0. OOlmg,則會使酶解糖化不充分，如果超過lOOmg，則會阻礙糖化。另一方面，所述酶的使用量在所述尤其優(yōu)選的范圍內時，從相對于酶添加量而得到的糖的量多的方面考慮，是有利的。作為所述酶解糖化時的溫度，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是例如， 優(yōu)選10 70°C，更為優(yōu)選20 60°C，尤其優(yōu)選30 50°C。如果所述溫度小于10°C，則會使酶解糖化不充分。如果所述溫度高于70°C，可能使酶失去活性。另一方面，如果所述溫度在所述尤其優(yōu)選的范圍內，則從相對于酶添加量而得到的糖的量多的方面考慮，是有利的。作為所述酶解糖化時的pH值，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是例如， 優(yōu)選3. 0 8. 0，更為優(yōu)選3. 5 7. 0，尤其優(yōu)選4. 0 6. 0。如果所述pH值小于3. 0或者大于8. 0，則可能導致酶失去活性。另一方面，如果所述pH值在所述尤其優(yōu)選的范圍內，則從相對于酶添加量而得到的糖的量多的方面考慮，是有利的。一糖一通過所述酶解糖化，例如，可以得到含有葡萄糖的糖液，葡萄糖是來源于在所述工藝(b)中得到的酶解糖化用原料中所包含的纖維素III1的糖。并且，除此之外，通過所述酶解糖化而得到的糖液，例如，還可以包含有來源于所述纖維素I的葡萄糖，也可以包含有來源于半纖維素的糖。作為來源于半纖維素的糖，例如可以舉出，諸如木糖、阿拉伯糖等五碳糖、諸如葡萄糖、半乳糖、甘露糖等六碳糖。對于所述糖液來說，例如，可以直接供給到后述的本發(fā)明的乙醇的制備方法和乳糖的制備方法，還可以經過如下其他工藝之后提供到后述的本發(fā)明的乙醇的制備方法和乳糖的制備方法。作為所述其他工藝，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如可以舉出， 將所述糖液的PH值調節(jié)成適合后述的各發(fā)酵工藝的pH值調節(jié)工藝等。(乙醇制備方法)本發(fā)明的乙醇制備方法包括對通過上述的本發(fā)明的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵而得到乙醇的工藝(發(fā)酵工藝)，根據需要還包括其他工藝。<發(fā)酵工藝(乙醇發(fā)酵工藝)>在所述乙醇的制備方法中，作為對所述糖進行發(fā)酵的方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是例如，尤其優(yōu)選在包含所述糖的溶液中加入酵母等醇發(fā)酵微生物，進行乙醇發(fā)酵的方法。作為所述酵母，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如， 可以舉出酵母菌屬(Saccharomyces)酵母等。并且，所述酵母可以是野生型酵母，也可以是通過基因重組得到的酵母。作為所述乙醇發(fā)酵微生物的具體例子，可以采用釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)、脆壁克魯維酵(Kluyveromyces fragilis)、乳酸克魯維酵母(K. Iactis)、馬克斯克魯維酵母(K.marxianus)、畢赤酵母(Pichia stipitis)、巴斯德畢赤酵母(P. pastoris)、管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、光滑假絲酵母(Candida Glabrata)等酵母或者這些酵母的基因重組酵母；運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)、 棕櫚發(fā)酵細菌(Zymobacter palmae)、熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)、梭狀桿菌 (C. Ijungdahlii)等細菌或者這些細菌的基因重組細菌。進行所述發(fā)酵時，對于所述酵母的使用量、發(fā)酵溫度、pH值、發(fā)酵時間等，沒有特別限制，例如可以根據供給到乙醇發(fā)酵中的糖的量、所使用的酵母的種類等，適當選擇。<其他工藝>作為所述其他工藝，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如可以舉出，對通過所述發(fā)酵工藝得到的乙醇進行分離提純的工藝等。作為所述分離提純的方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如可以舉出蒸餾等。通過所述乙醇制備方法得到的乙醇，例如可以作為燃料用乙醇、工業(yè)用乙醇等適用。由于所述乙醇可以從生物質原料獲得，因此只要可以生產成為所述生物質原料的植物， 就能夠進行再生產。并且，由于所述植物在栽培過程中吸收大氣中的二氧化碳，所以即使燃燒所述乙醇而產生二氧化碳，大氣中的二氧化碳濃度也不會增加。因此，所述乙醇可以稱作為用于防止全球氣候變暖的優(yōu)選能源。尤其，近幾年可以期待這種乙醇與汽油混合而作為環(huán)保的汽車燃料使用。對通過本發(fā)明的糖制備方法得到的糖，代替產生所述乙醇的酵母等而分別使用用于生產目的醇類的微生物進行發(fā)酵，由此可以得到乙醇以外的醇類。例如，可以通過使用丙酮-丁醇菌進行發(fā)酵，制備出丁醇。(乳酸制備方法)本發(fā)明的乳酸制備方法包括對通過上述的本發(fā)明的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵而得到乳酸的工藝(發(fā)酵工藝)，根據需要還包括其他工藝。<發(fā)酵工藝(乳酸發(fā)酵工藝)>在所述乳酸制備方法中，作為發(fā)酵所述糖的方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，但是例如，尤其優(yōu)選在包含所述糖的溶液中加入乳酸菌等乳酸發(fā)酵微生物， 進行乳酸發(fā)酵的方法。作為所述乳酸菌，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如 Lactobacillus manihotivorans、植物乳桿菌(Lactobacillus ρIantarum)、嗜熱鏈球菌 (Streptococcus thermophilus)、保力口利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)等。在此， 所述乳酸菌可以是野生型乳酸菌，也可以是基因重組的乳酸菌。進行所述發(fā)酵時，對于所述乳酸菌的使用量、發(fā)酵溫度、pH值、發(fā)酵時間等，沒有特別限制，例如可以根據供給到乙醇發(fā)酵中的糖的量、所使用的乳酸菌的種類等，適當選擇。〈其他工藝〉作為所述其他工藝，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇，例如可以舉出，對通過所述發(fā)酵工藝得到的乳酸進行分離提純的工藝等。作為所述分離提純的方法，沒有特別限制，可以根據目的適當選擇。由所述乳酸制備方法得到的乳酸，可以適用于基于化學聚合的聚乳糖制備中。目前，期待從包含不可供給到食物中的纖維素的生物質原料生產通常從玉米等的淀粉制備的乳酸，如果通過所述乳酸制備方法，則可以實現(xiàn)能夠從包含這種纖維素的生物質原料有效制備聚乳酸。對通過本發(fā)明的糖制備方法得到的糖，代替所述乳酸菌等而分別使用用于生產目的有機酸的微生物進行發(fā)酵，由此可以得到乳酸以外的有機酸，例如，還可以制備檸檬酸、 琥珀酸、蘋果酸、草酸等。(酶解糖化用原料的制備方法)本發(fā)明的酶解糖化用原料的制備方法包括(a)通過用含有氨和/或有機胺的處理劑對包含有纖維素I的生物質原料進行處理而得到改性生物質原料的工藝；(b)通過粉碎所述改性生物質原料而得到酶解糖化用原料的工藝。根據需要還包括其他工藝。作為所述酶解糖化用原料的制備方法中的所述(a)工藝以及所述(b)工藝，與上述的本發(fā)明的糖制備方法中的各項中所記載的相同。一般認為通過粉碎包含纖維素的生物質原料而提高化學以及生物學反應特性。并且，本發(fā)明的發(fā)明人還已公開了以下內容通過對包含有纖維素I的生物質原料，采用氨等進行處理，使纖維素I轉化成纖維素III1型變體，提高酶解糖化效率。在本發(fā)明的糖制備方法中，通過比較以下三種情形，能夠以特別優(yōu)越的效率進行酶解糖化只對生物質原料進行采用含有氨和/或有機胺的處理劑的處理之后，進行酶解糖化；只對生物質原料進行粉碎處理之后，進行酶解糖化；進一步地，首先對生物質原料進行粉碎之后，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，進行酶解糖化。雖然該作用機理還沒有被確定，但是本發(fā)明的發(fā)明者們推定為如下。
S卩，在本發(fā)明所涉及的糖制備方法中，通過工藝(b)得到的本發(fā)明的酶解糖化用原料與通過工藝(a)得到的改性生物質原料相比已明確其X射線衍射圖具有顯著變化。即， 認為通過對改性生物質原料進行粉碎，纖維素的結構可能發(fā)生了某種變化。另一方面，利用與本發(fā)明的方法所涉及的工藝(b)相同的操作首先對生物質原料進行粉碎，然后采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，此時與不進行粉碎而采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理時相比，沒有發(fā)現(xiàn)X射線衍射圖發(fā)生顯著差異。由此，還認為當對改性生物質原料進行粉碎時發(fā)生的X射線衍射圖的變化所反映出的結構變化，可能與本發(fā)明所涉及的酶解糖化用原料具有高酶解糖化效率有關。實施例以下，對本發(fā)明的實施例進行說明，但是本發(fā)明不受這些實施例的任何限定。(實施例1)一生物質原料一作為含有纖維素I的生物質原料，使用桉樹。一粗粉碎處理一采用維利氏磨粉機將準備好的桉樹以目標平均粒徑為200 μ m進行粉碎。一氨處理一通過以下操作，將上述粉碎的桉樹供給到采用超臨界相氨的處理中。將在60°C的烘箱中干燥M小時后的粗碎桉樹的試樣4g，放入到容量為120ml的移動式反應器(水。一夕·； T >7夕一)TVS-N2型(TAIATSU公司制造，以下稱為“容器，，。) 中，進行密閉，在冷卻裝置中將容器冷卻至_13°C，同時在0. 5MPa下通入氨氣30分鐘。然后，將PC-V型加熱器(TAIATSU公司制造)安裝到容器中，在140°C下，進行1小時的加熱、 加壓處理。確認出此時容器內的壓力達到使氨成為超臨界相的IlMPa以上。經過處理之后， 通過使容器內的壓力達到大氣壓，去除氨氣，并使溫度冷卻至室溫，回收容器內的固形物試樣。將該試樣在不密封的狀態(tài)下放置過夜，使氨氣體充分散發(fā)出去。一粉碎處理一使用陶瓷平磨機，即家用磨式茶葉粉末器“i ^ r i緑茶EU6820”(商品名，松下公司制造)，將刻度設定為“細小”的狀態(tài)下，對經過上述氨處理的試樣2g，以1次為10分鐘反復進行3次粉碎。一X射線衍射分析一將經過上述粉碎的試樣lOOmg，在200kg/cm2的壓力下，加壓成型，供給到X射線衍射分析中。χ射線衍射是采用筒型X射線發(fā)生裝置RINT2200(商品名，Rigaku公司制造)， 并利用衍射法進行。利用通過電壓38kV、電流50mA的單色儀而被單色化的CuK α線(波長為0.巧41811111)，在操作范圍為2 0 =5 30°、步寬角度為0.1°、計數(shù)時間為20秒的條件下，采用階梯掃描法進行測定。并且，也對于粗碎后的試樣、氨處理后的試樣，采用同樣的操作，進行了 X射線衍射分析。將粗粉碎后的試樣的衍射圖、氨處理后的試樣的衍射圖、氨處理和粉碎處理后的試樣的衍射圖分別示出在圖1、圖3、圖5中。一酶解糖化反應一對于通過上述操作經過氨處理以及粉碎處理的試樣，通過以下操作，進行酶解糖化反應。
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在容量為1.5ml的微型管” 口千工一 f)中，放入通過精密稱量而稱取的IOmg試樣，配制試樣濃度為1 % (wt/vol)、作為酶的CelluClast@1.5L以及 Novozyme@188(均為商品名，Novozyme公司制備)的各濃度為0. 01% (wt/vol)(即酶總濃度為0.02% (wt/vol) )、pH值為4.5(醋酸緩沖液)的酶解糖化反應液。將該反應液在37°C 的恒溫室內，利用旋轉式搖床(15轉/分鐘)，翻轉振蕩M小時，進行酶解糖化反應。禾Ij用葡萄糖CII測試Wako ( 7 — ;^ CII〒^卜17 -—，商品名，和光純藥公司制造)，測定反應后通過離心分離而得到的上清液中的葡萄糖濃度，計算葡萄糖回收率，將結果示出在表1 中。在此，葡萄糖回收率根據下述數(shù)學式來定義。葡萄糖回收率(％ )=[酶解糖化反應液中的葡萄糖量/(酶解糖化原料的量X 總葡萄糖化率/100)] X 100總葡萄糖化率(％ )(使生物質原料通過其他化學反應而完全水解時得到的葡萄糖量/生物質原料的量)X100 (相當于生物質原料為基準的理論回收率)在此，所使用的桉樹的總葡萄糖化率為43. 3%。(比較例1-1未處理過的試樣的酶解糖化)對在實施例1中所使用的經過粗碎的桉樹，不進行氨處理以及粉碎處理，直接通過與實施例1的酶解糖化反應操作相同的操作，進行酶解糖化反應。結果示出在表1中。(比較例1-2不經過氨處理，而進行粉碎處理的試樣的酶解糖化)一粉碎處理一對在實施例1中所使用的經過粗碎的桉樹，不進行氨處理，而通過與實施例1中對氨處理之后的試樣進行粉碎的操作相同的操作，進行粉碎。一X射線衍射分析一通過與實施例1相同的操作，進行上述經過粉碎的試樣的X射線衍射分析。將衍射圖示出在圖2中。一酶解糖化反應一對上述經過粉碎的試樣，通過與實施例1的酶解糖化反應操作相同的操作，進行酶解糖化反應。與實施例1相同地計算出葡萄糖回收率，將結果示出在表1中。(比較例1-3經過氨處理的試樣的酶解糖化)對在實施例1中得到的、對粗碎的桉樹進行了氨處理而得到的試樣，不進行后續(xù)的粉碎處理，而通過與實施例1的酶解糖化反應操作相同的操作進行酶解糖化反應。與實施例1相同地計算出葡萄糖回收率，將結果示出在表1中。(比較例1-4在經過粉碎處理之后，進行氨處理的試樣的酶解糖化)一粉碎處理一對在實施例1中所使用的經過粗碎的桉樹，通過與實施例1中對氨處理之后的試樣進行粉碎的操作相同的操作，進行粉碎。對上述經過粉碎的試樣，通過與實施例1中的氨處理操作相同的操作，進行氨處理。一X射線衍射分析一通過與實施例1相同的操作，進行上述在經過粉碎處理之后進行氨處理的試樣的X射線衍射分析。將衍射圖示出在圖4中。一酶解糖化反應一對在經過粉碎處理之后進行氨處理的試樣，通過與實施例1的酶解糖化反應操作相同的操作，進行酶解糖化反應。與實施例1相同地計算出葡萄糖回收率，將結果示出在表 1中。(實施例2)使用沙柳來代替實施例1中所使用的桉樹之外，通過與實施例1相同的操作，依次進行粗碎、氨處理、粉碎、酶解糖化反應。將結果示出在表1中。并且，對各階段的試樣，通過與實施例1相同的操作，進行X射線衍射分析。各階段的試樣的X射線衍射圖與實施例1 中相對應的各桉樹試樣大體相同。將粗粉碎后的試樣的衍射圖、氨處理后的試樣的衍射圖、 氨處理和粉碎處理后的試樣的衍射圖分別示出在圖6、圖8、圖10中。在此，所使用的沙柳的總葡萄糖化率為45. 1%，粗碎的沙柳的平均粒徑為 252 μ m0(比較例2-1 2-4)分別使用實施例中2所使用的粗碎的沙柳來代替比較例1-1 1-4中作為最初原料而使用的粗碎的桉樹之外，分別與相應的比較例1-1 1-4的操作相同的操作，進行前處理，對得到的各個試樣，分別通過與實施例2相同的操作，進行酶解糖化反應。針對各比較例，計算出葡萄糖回收率，將結果示出在表1中。并且，在比較例2-2 2-4中，對經過前處理后的各試樣，進行X射線衍射分析。各試樣的X射線衍射圖分別與相應的比較例1-2 1-4中的各桉樹試樣大體相同。將粗粉碎后的試樣的衍射圖、在粉碎處理后進行氨處理的試樣的衍射圖分別示出在圖7、圖9中。(實施例3)使用杉樹來代替實施例1中所使用的桉樹之外，通過與實施例1相同的操作，依次進行粗碎、氨處理、粉碎、酶解糖化反應。將結果示出在表1中。并且，對各階段的試樣，通過與實施例1相同的操作，進行X射線衍射分析。各階段的試樣的X射線衍射圖與實施例1 中相對應的各桉樹試樣大體相同。將粗粉碎后的試樣的衍射圖、氨處理后的試樣的衍射圖、 氨處理和粉碎處理后的試樣的衍射圖分別示出在圖11、圖13、圖15中。在此，所使用的杉樹的總葡萄糖化率為42.7%，粗碎后的杉樹的平均粒徑為 207 μ m0(比較例 3-1 3-4)分別使用實施例中3所使用的粗碎的杉樹來代替比較例1-1 1-4中作為最初原料而使用的粗碎的桉樹之外，分別與相應的比較例1-1 1-4的操作相同的操作，進行前處理，對得到的各個試樣，分別通過與實施例3相同的操作，進行酶解糖化反應。針對各比較例，計算出葡萄糖回收率，將結果示出在表1中。并且，在比較例3-2 3-4中，對經過前處理后的各試樣，進行X射線衍射分析。各試樣的X射線衍射圖分別與相應的比較例1-2 1-4中的各桉樹試樣大體相同。將粉碎處理后的試樣的衍射圖、在粉碎處理后進行氨處理的試樣的衍射圖分別示出在圖12、圖14中。[表1]
權利要求
1.一種糖制備方法，其特征在于，包括以下工藝(a)通過對含有纖維素I的生物質原料，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理， 得到改性生物質原料；(b)通過對所述改性生物質原料進行粉碎，得到酶解糖化用原料；(c)通過對所述酶解糖化用原料進行酶解糖化，得到糖。
2.如權利要求1所述的糖制備方法，其特征在于，在工藝(a)中所使用的處理劑為氨。
3.如權利要求1或2所述的糖制備方法，其特征在于，含有纖維素I的生物質原料為木質生物質。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的糖制備方法，其特征在于，在工藝(b)中得到的酶解糖化用原料的、采用中值粒徑表示的平均粒徑為5 80 μ m。
5.一種乙醇制備方法，其特征在于，對通過如權利要求1至4中任意一項所述的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵，得到乙醇。
6.一種乳酸制備方法，其特征在于，對通過如權利要求1至4中任意一項所述的糖制備方法得到的糖進行發(fā)酵，得到乳酸。
7.一種酶解糖化用原料的制備方法，其特征在于，包括以下工藝(a)通過對含有纖維素I的生物質原料，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理， 得到改性生物質原料；(b)通過對所述改性生物質原料進行粉碎，得到酶解糖化用原料。
全文摘要
本發(fā)明提供可以有效進行酶解糖化并且能夠提高糖的生產效率、乙醇的生產效率以及乳酸的生產效率的糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法以及在所述糖制備方法、乙醇制備方法和乳酸制備方法中所使用的有用的酶解糖化用原料的制備方法。糖制備方法的特征在于，包括以下工藝(a)通過對含有纖維素I的生物質原料，采用含有氨和/或有機胺的處理劑進行處理，得到改性生物質原料；(b)通過對所述改性生物質原料進行粉碎，得到酶解糖化用原料；(c)通過對所述酶解糖化用原料進行酶解糖化，得到糖。
文檔編號C12P7/56GK102333882SQ20108000962
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權日2009年2月27日
發(fā)明者上村毅, 五十嵐圭日子, 和田昌久, 鮫島正浩 申請人:Jx吉坤日礦日石能源株式會社, 國立大學法人東京大學