[发明专利]使用生物消化物的提高的乙醇发酵

说明书

背景技术

乙醇具有多种商业用途，例如，可作为燃料或燃料添加剂用于燃烧。乙醇(也被称为生物乙醇)可通过发酵给料中包含的糖来产生。该发酵可由微生物如酵母菌或细菌来进行，该微生物可通过生物化学过程将糖转化为乙醇。给料可包括含糖的有机材料，一般是植物材料。可用作给料的植物材料的例子包括产生和储存简单的糖的植物(如糖甘蔗和糖用甜菜)、产生和储存淀粉的植物(如谷物，例如玉米和小麦)和其他富含纤维素和/或半纤维素的植物材料(如农业或林业残留物，例如植物秆和叶)。

通过发酵生产乙醇除了需要给料和微生物以外，还可需要许多材料。这些材料可以包括新鲜的工艺用水，其可添加到给料中以产生用于微生物发酵的给料悬浮液；和营养补充物，特别是氮补充物(如尿素或铵化合物)，其可向进行发酵的微生物提供必需的营养物。但是，这些材料是昂贵的，并可以高得惊人地增加乙醇生产的成本，这正是基于乙醇的燃料无法与汽油经济竞争的主要障碍之一。例如，在常规乙醇工厂中的水消耗为约10gPM/百万加仑年乙醇产量。这意味着，在不久的未来，将会消耗大量淡水用于大规模的生物乙醇的生产。但是，迄今为止还没有投入大量的研究尝试和相关行动以缓解该问题。

用于乙醇发酵的给料可以包括复合糖(complex sugar)，如多糖，该复合糖通常难于由微生物发酵成乙醇。为了帮助发酵其中所包含的复合糖，给料可经过水解反应，在反应中，复合糖被转化为更简单的糖，其可被微生物更容易地转化为乙醇。水解过程也可能是昂贵的，一部分是由于需要材料，如进行转化的淡水和酶。

此外，常规的乙醇工厂也被公正地批评为缺乏能量效率。能量效率中的最大损失通常来自在蒸馏和干燥酒糟(distillers grain)过程中所使用的化石燃料，所述酒槽是在生产的乙醇被蒸馏后在发酵啤酒中的湿残留物。

有机废物如城市废水或家畜粪便可释放温室气体，例如甲烷和二氧化碳，且有机废物可以是空气污染、土壤污染和水污染的来源。厌氧生物消化器(bio-digester)可通过使用生物体的处理来加工有机废物，该生物体可以是专性细菌或兼性细菌和/或古细菌。这些生物体可以使用生物化学反应将有机材料转化为多种产物。这些产物包括通常被称为生物气体的气体混合物和通常被称为生物消化物(biodigestate)的液体和固体混合物。生物消化物通常被作为废料处理。

发明内容

本发明提供了用于提高乙醇生产以及从生物消化物获得增值产物的方法和系统，该生物消化物通常被认为是废料。本发明的方法和系统部分是基于如下的发现：生物消化物及其不同的级分不会抑制用于乙醇生产的基于微生物的发酵过程所需的许多酶的活性，因此，可直接在发酵方法中用作悬浮流体，而无需加入任何淡水或营养补充物。这不但提供了生物消化物(通常被认为是废料)的有用用途，而且还节约了宝贵的资源，如淡水和营养补充物。本发明的方法和系统还部分基于如下令人惊讶的发现：生物消化物或其某些级分提供了相比使用淡水提高的乙醇产率，因而进一步提高了使用微生物发酵的乙醇生产的成本效率。尽管不希望局限于任何特定的理论，有可能的是，观察到的提高的乙醇产量是由于某些营养物和其他淡水中缺乏的有机物质(如水不溶物质(WIS)和AD流出物(effluent)中的营养物)的存在，该营养物和其他有机物质可以有助于乙醇发酵的最终产率。还有可能的是，观察到的提高的乙醇产量是由于厌氧消化物中某些微生物的存在，该厌氧消化物可以协同增强谷类生物乙醇生产的糖化和发酵。

AD技术和生物乙醇生产方法的组合不但使厌氧消化流出物转化为增值产物，而且还有助于生物乙醇工业在能量消耗、生物乙醇生产、废物管理和环境保护中实现正平衡，以最大化它的利润。

因此，本发明的一方面提供了一种生产乙醇的方法，包括：(1)向给料加入悬浮流体来产生发酵悬浮液，其中，所述悬浮流体包含已至少部分地被厌氧消化的有机材料；(2)如果需要的话，调节所述发酵悬浮液的pH至可进行(conductive)发酵的值；和(3)发酵所述发酵悬浮液来产生乙醇，其中所述悬浮流体基本上不含淡水(例如，外源性加入的)或营养补充物。