[发明专利]碳水化合物的发酵

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过碳水化合物发酵来制备乙醇的高产方法，通过用醛、脂肪酸、萜烯和表面活性剂处理碳水化合物来料达成。

背景技术

2009年，可再生燃料标准(Renewable Fuels Standard，RFS)倡导将111亿加仑的乙醇和其它生物燃料投入到美国汽车燃料市场中以满足未来需求。这将导致工业上对玉米的需求量增加而且同样要求种植能力增加。在刚刚过去的一年里，美国一年的生产能力增加了27亿加仑，比2007增长34％。这种生产能力的增长是通过新建乙醇精馏厂的竣工、启动和运作来实现。

乙醇是一种颇具前景的来自于可再生资源的生物燃料，由谷粒(玉米、高粱、小麦、黑小麦、黑麦、发芽大麦、水稻)、块茎作物(马铃薯)的淀粉制备或直接使用糖蜜、甘蔗汁或糖用甜菜汁中的糖制备。乙醇也可通过基于纤维素的材料(柳枝稷、松树)的发酵来制备，但该技术尚未广泛商业化。

世界上80％的乙醇由巴西和美国制造。其中，60％通过玉米或甘蔗汁的酵母发酵来制备。通过酿酒酵母(Saccharomyces cerevimae)厌氧发酵碳源来制备乙醇是最知名生物加工工艺中的一种，每年世界上使用这种方法的乙醇产量超过350亿升(Bayrock，2007)。

由谷物制备乙醇的过程从淀粉水解开始。淀粉的水解将直链淀粉即大部分为直链的α-D-(1-4)-葡聚糖和具支链的支链淀粉即在枝点具有α-D-(1-6)链的α-D-(1-4)-葡聚糖转化为可发酵的糖，随后通过酵母(Majovic，2006)、细菌(Dien，2003)将其转化为乙醇。细菌用于从通常含有纤维素的材料中制备乙醇，这些细菌包括发酵单胞菌(Zymomonas spp.)、大肠杆菌工程菌(Engineered E.coli)、产酸克雷伯式菌(Klebsiella oxytoca)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、解纤维素醋弧菌(Acetivibrio celluloyticus)(Dien，2003)。

在乙醇制备系统中，将整个玉米粒磨碎并与水混合。随后用蒸气蒸煮混合物以使淀粉凝胶化并减少细菌污染。在此液化过程之后，添加酶和酵母以启动发酵过程制备乙醇。

在美国，干磨和湿磨是用来制备乙醇的两个基本工艺。

在干磨工艺中，将整个玉米粒或其它淀粉类材料研磨成粉末并与水混合以形成浆料。随后，将酶添加到混合物中，在高温蒸煮器中进行处理，然后冷却并转移到添加了酵母的发酵罐中，开始进行糖到乙醇的转化。发酵后，将所得混合物转移到蒸馏塔中，分离乙醇。对发酵和乙醇分离后所产生的固体进行加工以产生玉米干酒糟(Distiller’s Dried Grains with Solubles，DDGS)，所述干酒糟用于动物(例如家禽、猪和牛)的饲料生产。当今80％以上的乙醇产量采用干磨工艺(RFS，2006)。

在湿磨工艺中，将谷粒浸没或浸渍在水中以有助于谷粒分离成其基础营养组分，例如玉米胚芽、纤维、麸质和淀粉组分。浸渍后，通过一系列研磨器处理玉米浆料并分离各组分。过滤麸质组分并干燥以产生玉米蛋白粉(Core Gluten Meal，CGM)，它是一种在动物生产中用作饲料成份的高蛋白产物。随后，淀粉和任何来自醪液的剩余水用以下三种方式中的一种处理：发酵成乙醇，干燥并作为干燥的或改性的玉米淀粉出售，或者加工成玉米糖浆(RFS，2006)。

乙醇制备过程中，湿磨和干磨两种工艺仅利用玉米粒的淀粉部分。剩余的蛋白质、脂肪、纤维和其它营养组分仍可用作动物饲料。

在传统发酵工艺中，将酵母培养物添加到玉米的淀粉颗粒部分中并培养72小时以使酵母种群有足够的时间增大到所需浓度(Maye，2006)。酵母种群增加一倍需要45-60分钟。需要增殖数个小时才能得到使这样大量的糖溶液发酵所需的酵母数量(Maye，2006)。

绕开传统的淀粉凝胶化条件，一种称为原淀粉水解的工艺将淀粉转化为糖，随后发酵成乙醇。糖化/发酵中所使用的酶是真菌α-淀粉酶和葡糖淀粉酶(淀粉葡糖苷酶)(Thomas，2001)。这样同时糖化和发酵可使待发酵的淀粉达到较高浓度并产生较高浓度的乙醇。若糖源是来自诸如甘蔗、糖用甜菜、水果或糖蜜草等作物，则无需糖化且可在添加酵母和水后开始发酵(Maye，2006)。

关于间歇或连续发酵系统，最重要的问题之一是难以保证不受细菌污染。遗憾的是，最佳的发酵氛围对于细菌生长也最佳。污染通常源于碳水化合物材料的收集。洗涤材料可有助于降低污染程度(Maye，2006)。