糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供在使用普通的酵母的生物質(zhì)糖化液的酒精發(fā)酵中，不使用抗生物質(zhì)而能抑制發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌增殖的糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)。具備使用酵母使糖化液進行酒精發(fā)酵的發(fā)酵罐；取出發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液的一部分，通過具備過濾膜的第一膜分離裝置進行過濾處理或通過第一離心分離裝置進行離心分離，不會回收雜菌地回收酵母的粗分離裝置；從被粗分離裝置回收了酵母的糖化液中，通過具備過濾膜的第二膜分離裝置進行過濾處理或通過第二離心分離裝置進行離心分離，分離雜菌的精密分離裝置；和將含有從粗分離裝置中得到的酵母的糖化液及從精密分離裝置中得到的去除了雜菌的糖化液返送回發(fā)酵罐內(nèi)的返送路徑；該發(fā)酵系統(tǒng)回收糖化液中的酵母并選擇性地去除雜菌。
【專利說明】糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及通過像硫酸法、亞臨界水法或酵素法那樣的公知的加水分解方法使像木質(zhì)系生物質(zhì)(biomass)或草本系生物質(zhì)那樣的木質(zhì)纖維素系生物質(zhì)中的半纖維素或纖維素的糖類分解，進而使用酵母進行乙醇(ethanol)發(fā)酵的發(fā)酵罐，且能夠防止發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液中的雜菌繁殖的發(fā)酵系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]以木質(zhì)系生物質(zhì)為代表的木質(zhì)纖維素系生物質(zhì)由約20%的半纖維素、約50%的纖維素和約30%的木質(zhì)素構(gòu)成。半纖維素和纖維素通過糖化處理被分解為糖類，進而通過使用像酵母那樣的發(fā)酵微生物進行發(fā)酵便可制造乙醇。通過半纖維素的糖化得到C5糖類和C6糖類，通過纖維素的糖化得到C6糖類。
[0003]在此，C5糖類是指像木糖或阿拉伯糖那樣的五碳糖及其低聚糖(oligosaccharide)。C6糖類是指像葡萄糖或半乳糖那樣的六碳糖及其低聚糖。
[0004]生物質(zhì)糖化液的酒精(alcohol)發(fā)酵中，主要是使用酵母，在發(fā)酵罐內(nèi)進行8至72小時程度的酒精發(fā)酵。然而，酒精發(fā)酵也是雜菌(例如，明串珠菌(Leuconostoc)屬、檸檬菌(citrobacter)屬或乳球菌(Lactococcus)屬細菌)容易繁殖的條件，因此在糖化液內(nèi)混入雜菌的情況下，糖類就會被雜菌消耗。
[0005]此外，在雜菌中也存在阻礙酵母生長或者阻礙通過酵母進行酒精發(fā)酵的種類。因此，發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液 中的雜菌進行繁殖的話，乙醇產(chǎn)率便會下降，很可能會降低生物乙醇制造的經(jīng)濟實用性。
[0006]專利文獻I公開了一種可進行基質(zhì)的完全連續(xù)供給，不會導致生產(chǎn)性的降低并可進行任意的乙醇生產(chǎn)微生物的連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵的乙醇生產(chǎn)微生物的連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵裝置。專利文獻I中，將發(fā)酵液(糖化液)從發(fā)酵罐中取出后進行固液分離，將乙醇生產(chǎn)微生物回收至發(fā)酵罐。優(yōu)選的是在發(fā)酵液中添加作為β-內(nèi)酰胺系抗生物質(zhì)的青霉素。
[0007]另一方面，作為不依存抗生物質(zhì)的糖化液的酒精發(fā)酵方法，也著眼于通過酸的添加以抑制雜菌的增殖的方法。專利文獻2公開了一種作為在通過酸的添加而抑制細菌的增殖的狀態(tài)下的酒精發(fā)酵所適用的具有酸耐性的新型酵母，在5%乳酸存在下可生長的假絲酵母(Candida)屬光滑(glabrata)種的酵母(NFRI3164株)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻:
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2011-92041號公報；
[0011]專利文獻2:日本特開2009-142219號公報。
實用新型內(nèi)容
[0012]實用新型要解決的問題:
[0013]如專利文獻I中所公開的，通過向生物質(zhì)糖化液的發(fā)酵罐內(nèi)添加抗生物質(zhì)，可抑制雜菌的繁殖。但是由于抗生物質(zhì)比較昂貴，所以生物乙醇的生產(chǎn)成本就會提高。又，糖化液(發(fā)酵液)內(nèi)添加的抗生物質(zhì)流出至像污水處理設(shè)施那樣的外部環(huán)境中的話，存在活性污泥的活性下降的情況，所以需要抗生物質(zhì)處理用的專用設(shè)備。
[0014]專利文獻2所公開的那樣的特殊的酵母不像普通的釀造用酵母那樣便宜且容易購買。因此，為了經(jīng)濟地連續(xù)生產(chǎn)生物乙醇此法是不適宜的。
[0015]本實用新型目的在于提供一種在使用普通的酵母的生物質(zhì)糖化液的酒精發(fā)酵中，不使用抗生物質(zhì)或酸而能夠抑制發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌增殖的糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)。
[0016]解決問題的手段:
[0017]本發(fā)明人等為了解決上述問題而反復專心研究，結(jié)果找到了取出發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液(發(fā)酵液)并進行從糖化液中回收酵母的粗分離后，進行從分離了酵母的糖化液中去除雜菌的精密分離，借助于此可回收酵母并從糖化液中僅去除雜菌的方法，至此本實用新型完成。
[0018]具體而言，本實用新型涉及一種糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)，具備:使用酵母使糖化液進行酒精發(fā)酵的發(fā)酵罐；取出發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液的一部分，通過具備過濾膜的第一膜分離裝置進行過濾處理，或者通過第一離心分離裝置進行離心分離，借助于此不會回收雜菌地回收酵母的粗分離裝置；從被所述粗分離裝置回收了酵母的糖化液中，通過具備過濾膜的第二膜分離裝置進行過濾處理，或者通過第二離心分離裝置進行離心分離，借助于此分離雜菌的精密分離裝置；和將含有從所述粗分離裝置中得到的酵母的糖化液，以及從所述精密分離裝置中得到的去除了雜菌的糖化液返送回發(fā)酵罐內(nèi)的返送路徑；該發(fā)酵系統(tǒng)回收糖化液中的酵母并選擇性地去除雜菌。
[0019]僅僅過濾糖化液的話無法充分地去除雜菌。另一方面，如果為了充分的去除雜菌而通過孔徑較小的過濾膜對糖化液進行膜分離處理的話，會丟失酵母，因此即使去除了雜菌也會降低酒精發(fā)酵效率。所以，如果首先進行從糖化液中回收比雜菌大的酵母的粗分離處理A，然后進行從粗分離處理后的糖化液中去除雜菌的精密分離處理B的話，便可回收酵母并從糖化液中僅去除雜菌。其結(jié)果是，可抑制發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌的繁殖。
[0020]所述粗分離裝置優(yōu)選的是通過孔徑在0.5 μ m以上5 μ m以下的過濾膜進行過濾處理的第一膜分離裝置，或以50G以上500G以下進行離心分離的第一離心分離裝置。所述精密分離裝置優(yōu)選的是通過孔徑在0.22 μ m以下的過濾膜進行過濾處理的第二膜分離裝置，或以1000G以上15000G以下進行離心分離的第二離心分離裝置。
[0021]通過粗分離裝置(第一膜分離裝置或第一離心分離裝置)回收酵母，通過精密分離裝置(第二膜分離裝置或第二離心分離裝置)從糖化液中去除雜菌，將酵母和去除了雜菌的糖化液返送回發(fā)酵罐內(nèi)，借助于此，可抑制發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌的繁殖并防止酵母的損失，從而維持較高的發(fā)酵效率。
[0022]實用新型效果:
[0023]根據(jù)本實用新型，即使不向糖化液內(nèi)添加抗生物質(zhì)或酸，也可持續(xù)地抑制生物質(zhì)糖化液的發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌的增殖。又，即使在不需要特殊的酵母，使用普通的釀造用酵母的情況下，也可抑制發(fā)酵罐內(nèi)的雜菌的繁殖。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1是示出根據(jù)本實用新型的第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖；
[0025]圖2是示出根據(jù)本實用新型的第二實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖；
[0026]圖3是示出根據(jù)本實用新型的第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖；
[0027]圖4是示出根據(jù)本實用新型的第四實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖；
[0028]符號說明:
[0029]I發(fā)酵罐；
[0030]2糖化液(發(fā)酵液)；
[0031]3攪拌裝置；
[0032]4、5、6、8、9、10、12、13、22、23、32、33 配管；
[0033]7膜過濾裝置(第一膜分離裝置)；
[0034]11膜過濾裝置(第二膜分離裝置)；[0035]21離心分離裝置(第二離心分離裝置)；
[0036]31離心分離裝置(第一離心分離裝置)；
[0037]M馬達；
[0038]P泵。
【具體實施方式】
[0039]參照適宜【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的實施形態(tài)。本實用新型并不限定于以下的記載。
[0040]〈第一實施形態(tài)〉
[0041]圖1是示出根據(jù)本實用新型的第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖。發(fā)酵罐I中貯存有糖化液2。糖化液2保持在通過酵母進行酒精發(fā)酵所適合的10°C ~45°C，優(yōu)選的是250C~35°C。優(yōu)選的是通過由馬達M旋轉(zhuǎn)的螺旋槳3攪拌糖化液2。
[0042]作為糖化液2，優(yōu)選的是粉碎纖維素系生物質(zhì)(例如，像甘蔗渣、甜菜糟、或麥秸那樣的草木系生物質(zhì))，與水混合調(diào)制而成的生物質(zhì)原料漿通過像I)通過像硫酸那樣的強酸的氧化力加水分解生物質(zhì)的方法、2)通過酵素加水分解生物質(zhì)的方法、或3)利用超臨界水或亞臨界水的氧化力加水分解生物質(zhì)的方法那樣的公知方法進行處理而得到的糖化液(生物質(zhì)糖化液)。不過并不限定于此，例如也可以是，壓榨生物質(zhì)而得到的含有糖類的液體、制造砂糖時得到的廢糖蜜、或通過酸或酵素糖化淀粉質(zhì)而得到的糖化液。使用強酸加水分解生物質(zhì)時，在發(fā)酵罐I內(nèi)進行酒精發(fā)酵之前，有必要中和強酸以防止阻礙酵母的生長。
[0043]糖化液2從與發(fā)酵罐I下部連接的配管4流出。配管4上設(shè)置有泵P且與配管5連接，發(fā)酵液2被供給至第一膜分離裝置7。第一膜分離裝置7是具備孔徑在0.5 μ m以上5 μ m以下，優(yōu)選的是孔徑在0.5 μ m以上I μ m以下的過濾膜(微濾膜)的膜分離裝置。向發(fā)酵罐I—配管4 —配管5 —第一膜分離裝置7供給的發(fā)酵液2的流速由雜菌的增殖速度決定。具體而言，以發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵液循環(huán)一周所需要的時間Ts比發(fā)酵液2內(nèi)的雜菌的倍加時間Td短(Td > Ts)的方式設(shè)定流速。在此，使發(fā)酵罐I的容積為V(L)，發(fā)酵液的流速為V (L/min)的話，Ts=V/v。
[0044]配管6是用于防止泵P的負荷過大的壓力調(diào)節(jié)用旁通配管，且是在進行雜菌去除時，為了防止酵母的沉降而抽出底部的發(fā)酵液的發(fā)酵液循環(huán)用配管。
[0045]酵母的直徑約為5~10 μ m,因此無法通過孔徑在0.5 μ m以上5 μ m以下的過濾膜。另一方面，由于細菌類的直徑更小，因此可以通過孔徑在0.5 μ m以上5 μ m以下的過濾膜。所以，通過第一膜分離裝置7過濾處理糖化液2，能將糖化液中的酵母以被包含在濃縮后的糖化液(濃縮液)中的狀態(tài)回收。含有酵母的濃縮液從第一膜分離裝置7的上游側(cè)(一次側(cè))經(jīng)過路徑8和路徑9返送回發(fā)酵罐I內(nèi)。含有雜菌的濾液從第一膜分離裝置7的下游側(cè)(二次側(cè))經(jīng)過路徑10向第二膜分離裝置11供給。
[0046]第二膜分離裝置11是具備孔徑在0.22 μ m以下的過濾膜(微濾膜或超濾膜)的膜分離裝置。通過孔徑在0.22 μ m以下的過濾膜過濾處理糖化液2，借助于此從糖化液2中去除雜菌，使濾液中不含有雜菌。去除雜菌的濾液(糖化液2)從第二膜分離裝置11的下游側(cè)(二次側(cè))經(jīng)過路徑12和路徑9返送回發(fā)酵罐I內(nèi)。含有雜菌的濃縮液從第二膜分離裝置11的上游側(cè)(一次側(cè))經(jīng)過路徑13向系統(tǒng)外部排棄。
[0047]其結(jié)果是，在圖1所示的發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵罐I內(nèi)的酒精發(fā)酵工序的實施中，可重復回收發(fā)酵罐I內(nèi)的糖化液2中的酵母，且從糖化液2中僅連續(xù)地去除雜菌。隨著酒精發(fā)酵的推進，糖化液2內(nèi)含有的糖類轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖?，但含有乙醇的糖化? (發(fā)酵液)也可與不含有乙醇的酒精發(fā)酵前的糖化液一樣地僅去除雜菌。
[0048]發(fā)酵罐I內(nèi)的酒精發(fā)酵結(jié)束后，糖化液2 (發(fā)酵液)從配管14流出，使用蒸餾裝置蒸餾，作為生物乙醇而產(chǎn)品化。
[0049]〈第二實施形態(tài)〉
[0050]圖2是示出根據(jù)本實用新型的第二實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖。圖2所示的發(fā)酵系統(tǒng)除了設(shè)置離心分離裝置21以取代第二膜分離裝置11之外，基本的流程與第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)相同。在此僅說明與第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的不同點。
[0051]第二實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)通過離心分離裝置21以1000G以上15000G以下離心分離第一過濾裝置7的濾液。糖化液2所含有的雜菌在該離心條件下在糖化液2內(nèi)沉淀，因此通過僅從離心分離裝置21中取出上清液，可以此從糖化液2中去除雜菌。去除了雜菌的上清液經(jīng)過配管22和配管9返送回發(fā)酵罐內(nèi)。另一方面，含有雜菌的沉渣經(jīng)過配管23向系統(tǒng)外部排棄。
[0052]〈第三實施形態(tài)〉
[0053]圖3是示出根據(jù)本實用新型的第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖。圖3所示的發(fā)酵系統(tǒng)除了設(shè)置離心分離裝置31以取代第一膜分離裝置7之外，基本的流程與第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)相同。在此僅說明與第一實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的不同點。
[0054]第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)從配管5向離心分離裝置31供給發(fā)酵液2的一部分，并以50G以上500G以下進行離心分離。在該離心條件下糖化液2中的雜菌不沉淀而僅酵母沉淀。含有酵母的沉渣經(jīng)過配管32和配管9返送回發(fā)酵罐I內(nèi)。另一方面，含有雜菌的糖化液2的上清液從配管33向膜分離裝置11供給。
[0055]〈第四實施形態(tài)〉
[0056]圖4是示出根據(jù)本實用新型的第四實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的概略流程圖。圖4所示的發(fā)酵系統(tǒng)除了設(shè)置離心分離裝置21以取代第二膜分離裝置11之外，基本的流程與第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)相同。在此僅說明與第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)的不同點。
[0057]第四實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)將從離心分離裝置31 (第一離心分離裝置)中取出的糖化液的上清液經(jīng)過配管33供給至離心分離裝置21 (第二離心分離裝置)，并以1000G以上15000G以下進行離心分離。通過離心分離裝置31回收酵母，通過離心分離裝置21從糖化液中去除雜菌。像這樣，通過將離心分離條件不同的兩臺離心分離裝置進行組合，可從糖化液中只回收酵母并去除雜菌。
[0058][實施例1]
[0059]嘗試使用第三實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)去除發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液的雜菌。糖化液是通過亞臨界水處理稻梗而得到的糖化液，糖濃度為3.6質(zhì)量％ (葡萄糖1.6質(zhì)量％+木糖2.0質(zhì)量％)。該糖化液貯存在有效容積為4.5m3的發(fā)酵罐內(nèi)，保持在26?30°C。向糖化液內(nèi)添加
2X IO8個/mL的作為酵母的樹干畢赤酵母(Pichia stipitis)(直徑約為4 μ m),以60rpm這樣的攪拌速度進行攪拌。此時，糖化液中的雜菌濃度為IXlO6個/mL以下。雜菌的平均粒徑約為0.5μπι。
[0060]隨著時間的推移，糖化液中的雜菌濃度上升，12小時后變?yōu)? X IO7個/mL。在此，啟動泵P，將糖化液以1.0mVh這樣的條件供給至離心分離裝置(齊藤離心機工業(yè)株式會社，ADS3003CS)，以800G進行離心分離。糖化液中含有的酵母變?yōu)榻湍笣饪s液。將相當于供給至離心分離裝置的糖化液的容量的80%的上清液供給至具備孔徑為0.2 μ m的微濾膜(日本PALL株式會社，Supor UEAV)的膜分離裝置。另一方面，含有酵母的殘余20%作為濃縮酵母液被返送回發(fā)酵罐。然后將膜分離裝置的濾液返送回發(fā)酵罐內(nèi)，每24小時更換一次微濾膜去除或排棄含有雜菌的過濾殘渣。
[0061 ] 發(fā)酵罐內(nèi)的酒精發(fā)酵持續(xù)了 96小時，但發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液(發(fā)酵液)中的雜菌濃度可抑制在I X IO7個/mL以下。
[0062][實施例2]
[0063]嘗試使用第四實施形態(tài)的發(fā)酵系統(tǒng)去除發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液的雜菌。糖化液與實施例I相同，發(fā)酵罐的酒精發(fā)酵條件和進行粗分離的上游側(cè)的離心分離裝置也與實施例1相同。又，酵母的種類和向糖化液內(nèi)的添加量也與實施例1相同。
[0064]從酒精發(fā)酵開始起12小時后，糖化液中的雜菌濃度變?yōu)? X IO7個/mL。在此，啟動泵P，將糖化液以1.1mVh這樣的條件供給至進行粗分離的上游側(cè)的第一離心分離裝置，并以500G、滯留時間30秒進行離心分離。糖化液中含有的酵母與實施例1相同地被返送回發(fā)酵罐內(nèi)。
[0065]將通過第一離心分離裝置而得到的上清液向進行精密離心分離的下游側(cè)的第二離心分離裝置(齊藤離心機工業(yè)株式會社，ADS3003CS)供給，并以5000G進行離心分離。相當于供給至第二離心分離裝置的糖化液上清液的99%的上清液被返送回發(fā)酵罐內(nèi)。剩余的糖化液變?yōu)楹须s菌的糊狀的溶液，從第二離心分離裝置中連續(xù)地取出、排棄。
[0066]發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液(發(fā)酵液)逐漸減少，因此應適當添加糖化液以保持液量不變。發(fā)酵罐內(nèi)酒精發(fā)酵持續(xù)96小時，但可將發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液(發(fā)酵液)中的雜菌濃度抑制在
IX IO7個/mL以下。
[0067]工業(yè)應用性:
[0068]本實用新型的糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)在生物乙醇制造領(lǐng)域那樣的能源領(lǐng)域及釀造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中大有用處。
【權(quán)利要求】
1.一種糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于，具備: 使用酵母使糖化液進行酒精發(fā)酵的發(fā)酵罐； 取出發(fā)酵罐內(nèi)的糖化液的一部分，通過具備過濾膜的第一膜分離裝置進行過濾處理，或通過第一離心分離裝置進行離心分離，借助于此不會回收雜菌地回收酵母的粗分離裝置； 從被所述粗分離裝置回收了酵母的糖化液中，通過具備過濾膜的第二膜分離裝置進行過濾處理，或通過第二離心分離裝置進行離心分離，借助于此分離雜菌的精密分離裝置；和將含有從所述粗分離裝置中得到的酵母的糖化液，以及從所述精密分離裝置中得到的去除了雜菌的糖化液返送回發(fā)酵罐內(nèi)的返送路徑； 該發(fā)酵系統(tǒng)回收糖化液中的酵母并選擇性地去除雜菌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的糖化液的發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于， 所述粗分離裝置是通過孔徑在0.5 μ m以上5 μ m以下的過濾膜進行過濾處理的第一膜分離裝置，或以50G以上500G以下進行離心分離的第一離心分離裝置； 所述精密分離裝置是通過孔徑在0.22 μ m以下的過濾膜進行過濾處理的第二膜分離裝置,或以IOOOG以上15000G以下進行離心分離的第二離心分離裝置。
【文檔編號】C12M1/12GK203741334SQ201320852618
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月25日
【發(fā)明者】和泉憲明, 政本學, 小西聰史 申請人:川崎重工業(yè)株式會社