[发明专利]以改良的液化方法发酵的乙醇产量

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年5月12日提交的美国临时专利系列申请号61/177,428的权利，其全文通过整合到本文中作为参考。

发明领域

本文描述了液化淀粉生产发酵产物例如乙醇的方法。本公开文本还提供了生产乙醇的方法，包括根据本文所述的液化方法液化淀粉。

背景

将植物性淀粉，尤其是玉米淀粉转化为乙醇是快速发展中的工业。乙醇作为工业化学品、石油添加剂、或本身作为液体燃料，具有广泛的应用。乙醇作为燃料或燃料添加剂的使用显著的降低了空气排放，同时保持甚至改善了引擎性能。另一方面，乙醇是可再生的燃料，因此它的应用可以降低对有限的化石燃料来源的依赖性。此外，使用乙醇可以减少大气层中二氧化碳的积累。

从含淀粉的原材料中生产乙醇的典型方法包括2个连续的酶催化步骤，所述步骤导致葡萄糖的产生。然后使用酵母将葡萄糖发酵为乙醇。第一个步骤是由α-淀粉酶催化的淀粉液化。α-淀粉酶(EC 3.2.1.1)是内切水解酶，催化内部的α-1，4-D-糖苷键的随机切割。能够将粘稠的liquefact降解为麦芽糖糊精。随着α-淀粉酶降解淀粉，粘稠度随之减少。由于液化典型的在高温下进行，以破坏淀粉颗粒，因此通常使用热稳定的α-淀粉酶，例如芽孢杆菌属的α-淀粉酶。酶促液化通常在多步骤方法中进行。在添加酶后，将浆料(slurry)加热至在约60-95℃之间的温度，典型的约78-88℃。之后，通过例如喷射蒸煮(jet-cooking)或其他方式加热浆料，通常至约95-125℃之间的温度，然后冷却至约60-95℃。添加更多的酶，将醪液(mash)在理想的温度下再保持约0.5-4小时，获得最终的水解反应，所述温度典型的约60-95℃。在另一种频繁使用的液化方法中，首先将补充了酶的浆料加热至在约60-95℃之间的温度，典型的约78-88℃。在该温度下液化醪液约0.5-4小时。之后，通过例如喷射蒸煮或其他方式加热醪液，通常至约95-125℃之间的温度，实现理想的水解。

以该方式生产的麦芽糖糊精一般不能被酵母发酵形成醇。因而需要第二类酶催化的糖化步骤来降解麦芽糖糊精。葡糖淀粉酶和/或产麦芽糖的α-淀粉酶常用于催化在液化后形成的麦芽糖糊精的非还原末端的水解，释放D-葡萄糖、麦芽糖和异麦芽糖。脱枝酶例如支链淀粉酶，可用于帮助糖化。糖化作用典型的在升高温度的酸性条件下发生，例如约60℃，pH4.3。

用于生产各种产物的典型的糖化方法描述如下：

虽然已建立了酶促的淀粉液化方法，但仍需要进一步改良用于商业化的淀粉加工，尤其是乙醇生产。特别的是，对于改良淀粉转化为乙醇的效率和降低制造乙醇需要的总能量仍然存在现实的需求。液化作用典型的需要高温加热淀粉浆料，例如喷射蒸煮，来降解淀粉颗粒。除需要高能量外，高温液化导致产物之后不能发酵为理想的产物，例如乙醇，从而降低了潜在产量。特别的是，在高温处理过程中，由于Maillard反应导致丢失可发酵的糖，所述反应是在氨基酸和还原糖之间的化学反应，通常需要热量。在糖的反应性羧基和氨基酸的亲核氨基之间的反应形成多种难表征的分子，导致较低的可发酵糖产量。因此，提供在降低的温度下的液化方法将节省能量，使乙醇生产在经济和环境上更有益。

已通过修饰液化方法实现增加乙醇产量。参见例如：2007年6月21日公开的US 2007/0141689；2007年8月9日公开的US 2007/0184150；2007年1月10日公开的US 2008/0009048；和2008年5月29日公开的US 2008/0121227。修饰的液化方法包括：(1)首先在较低温度下实施α-淀粉酶处理，然后转移至较高温度下；(2)添加支链淀粉酶；(3)补充真菌的酸性α-淀粉酶，达到更高的DE值；和/或(4)更长的液化时间。然而这些修饰方法是复杂的，因为它们需要额外的调节液化方法，例如在多个温度之间变换，或调节pH值以适应各种酶。因此，需要更简便的但仍更有效或更经济的生产乙醇的液化方法。

发明概述

通过利用高于普通的α-淀粉酶剂量的改善的液化方法，有利的排除了高温液化步骤，与高温液化的整体加工时间匹配，并改善了乙醇生产的产量和整体经济。排除高温步骤还可以节省能量，使乙醇生产在经济和环境上更加有益。作为参考，当乙醇售价为$1.50/加仑时，对于5千万加仑年产量(MM gpy)的工厂，即使乙醇产量增加1％也将导致年收入增加$750,000。