專利名稱：使用生物消化物的提高的乙醇發(fā)酵的制作方法
使用生物消化物的提高的乙醇發(fā)酵
背景技術(shù)：
乙醇具有多種商業(yè)用途，例如，可作為燃料或燃料添加劑用于燃燒。乙醇(也被稱為生物乙醇)可通過發(fā)酵給料中包含的糖來產(chǎn)生。該發(fā)酵可由微生物如酵母菌或細(xì)菌來進(jìn)行，該微生物可通過生物化學(xué)過程將糖轉(zhuǎn)化為乙醇。給料可包括含糖的有機(jī)材料，一般是植物材料。可用作給料的植物材料的例子包括產(chǎn)生和儲存簡單的糖的植物(如糖甘蔗和糖用甜菜)、產(chǎn)生和儲存淀粉的植物(如谷物，例如玉米和小麥)和其他富含纖維素和/或半纖維素的植物材料(如農(nóng)業(yè)或林業(yè)殘留物，例如植物稈和葉)。通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇除了需要給料和微生物以外，還可需要許多材料。這些材料可以包括新鮮的工藝用水，其可添加到給料中以產(chǎn)生用于微生物發(fā)酵的給料懸浮液；和營養(yǎng)補(bǔ)充物，特別是氮補(bǔ)充物(如尿素或銨化合物)，其可向進(jìn)行發(fā)酵的微生物提供必需的營養(yǎng)物。但是，這些材料是昂貴的，并可以高得驚人地增加乙醇生產(chǎn)的成本，這正是基于乙醇的燃料無法與汽油經(jīng)濟(jì)競爭的主要障礙之一。例如，在常規(guī)乙醇工廠中的水消耗為約IOgPM/ 百萬加侖年乙醇產(chǎn)量。這意味著，在不久的未來，將會消耗大量淡水用于大規(guī)模的生物乙醇的生產(chǎn)。但是，迄今為止還沒有投入大量的研究嘗試和相關(guān)行動以緩解該問題。用于乙醇發(fā)酵的給料可以包括復(fù)合糖(complex sugar)，如多糖，該復(fù)合糖通常難于由微生物發(fā)酵成乙醇。為了幫助發(fā)酵其中所包含的復(fù)合糖，給料可經(jīng)過水解反應(yīng)，在反應(yīng)中，復(fù)合糖被轉(zhuǎn)化為更簡單的糖，其可被微生物更容易地轉(zhuǎn)化為乙醇。水解過程也可能是昂貴的，一部分是由于需要材料，如進(jìn)行轉(zhuǎn)化的淡水和酶。此外，常規(guī)的乙醇工廠也被公正地批評為缺乏能量效率。能量效率中的最大損失通常來自在蒸餾和干燥酒糟(distillers grain)過程中所使用的化石燃料，所述酒槽是在生產(chǎn)的乙醇被蒸餾后在發(fā)酵啤酒中的濕殘留物。有機(jī)廢物如城市廢水或家畜糞便可釋放溫室氣體，例如甲烷和二氧化碳，且有機(jī)廢物可以是空氣污染、土壤污染和水污染的來源。厭氧生物消化器(bio-digester)可通過使用生物體的處理來加工有機(jī)廢物，該生物體可以是專性細(xì)菌或兼性細(xì)菌和/或古細(xì)菌。 這些生物體可以使用生物化學(xué)反應(yīng)將有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為多種產(chǎn)物。這些產(chǎn)物包括通常被稱為生物氣體的氣體混合物和通常被稱為生物消化物(biodigestate)的液體和固體混合物。 生物消化物通常被作為廢料處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于提高乙醇生產(chǎn)以及從生物消化物獲得增值產(chǎn)物的方法和系統(tǒng)， 該生物消化物通常被認(rèn)為是廢料。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)部分是基于如下的發(fā)現(xiàn)生物消化物及其不同的級分不會抑制用于乙醇生產(chǎn)的基于微生物的發(fā)酵過程所需的許多酶的活性， 因此，可直接在發(fā)酵方法中用作懸浮流體，而無需加入任何淡水或營養(yǎng)補(bǔ)充物。這不但提供了生物消化物(通常被認(rèn)為是廢料)的有用用途，而且還節(jié)約了寶貴的資源，如淡水和營養(yǎng)補(bǔ)充物。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)還部分基于如下令人驚訝的發(fā)現(xiàn)生物消化物或其某些級分提供了相比使用淡水提高的乙醇產(chǎn)率，因而進(jìn)一步提高了使用微生物發(fā)酵的乙醇生產(chǎn)的成本效率。盡管不希望局限于任何特定的理論，有可能的是，觀察到的提高的乙醇產(chǎn)量是由于某些營養(yǎng)物和其他淡水中缺乏的有機(jī)物質(zhì)(如水不溶物質(zhì)(WIS)和AD流出物(effluent) 中的營養(yǎng)物)的存在，該營養(yǎng)物和其他有機(jī)物質(zhì)可以有助于乙醇發(fā)酵的最終產(chǎn)率。還有可能的是，觀察到的提高的乙醇產(chǎn)量是由于厭氧消化物中某些微生物的存在，該厭氧消化物可以協(xié)同增強(qiáng)谷類生物乙醇生產(chǎn)的糖化和發(fā)酵。AD技術(shù)和生物乙醇生產(chǎn)方法的組合不但使厭氧消化流出物轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)物，而且還有助于生物乙醇工業(yè)在能量消耗、生物乙醇生產(chǎn)、廢物管理和環(huán)境保護(hù)中實現(xiàn)正平衡，以最大化它的利潤。因此，本發(fā)明的一方面提供了一種生產(chǎn)乙醇的方法，包括(1)向給料加入懸浮流體來產(chǎn)生發(fā)酵懸浮液，其中，所述懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料；(2) 如果需要的話，調(diào)節(jié)所述發(fā)酵懸浮液的PH至可進(jìn)行(conductive)發(fā)酵的值；和(3)發(fā)酵所述發(fā)酵懸浮液來產(chǎn)生乙醇，其中所述懸浮流體基本上不含淡水(例如，外源性加入的)或營養(yǎng)補(bǔ)充物。在某些實施方式中，該方法還包括用能夠發(fā)酵所述發(fā)酵懸浮液以產(chǎn)生乙醇的微生物接種所述發(fā)酵懸浮液。例如，該微生物可以是酵母菌或細(xì)菌，或能夠進(jìn)行發(fā)酵以產(chǎn)生乙醇的任何其他微生物。示例性的生產(chǎn)乙醇的微生物包括酵母菌酵母屬(Saccharomyces)和細(xì)菌發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)、兼性厭氧嗜熱菌菌株(如W0/88/09379中描述的那些)和使用遺傳工程的遺傳工程化的微生物(否則不會產(chǎn)生大量的乙醇)。參見如含有來自運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)的ADH和PDC酶的工程化的大腸桿菌(E. coli)，Ingram等人,"Genetic Engineering of Ethanol Production in Escherichia coli. ”Appl· Environ MicrobiOl. 53 =2420-2425,1987 ；遺傳修飾的光合藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)，如美國專利號6，699，696中描述的那些；工程化的產(chǎn)酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)；和一般參 JAL Dien ^A Bacteria engineered for fuel ethanol production :current status. Applied microbiology and biotechnology，63 第 258-266 頁，2003 (其全部通過引用方式結(jié)合在本文中)。優(yōu)選的乙醇發(fā)酵微生物可耐受AD基發(fā)酵培養(yǎng)液中高濃度的乙醇(例如10%、 15%、20%、25%或30%)。優(yōu)選的乙醇發(fā)酵微生物還可以有效地分解非淀粉纖維素的生物質(zhì)，該微生物可水解不同的非谷類生物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為用于發(fā)酵的單糖分子。重組DNA技術(shù)可用于在遺傳上提高有利于乙醇發(fā)酵的這些發(fā)酵微生物的性狀。在某些實施方式中，懸浮流體包含厭氧生物消化物或其流出物、主要由其組成或由其組成。厭氧生物消化物可來自有機(jī)材料(包括任何有機(jī)廢料)的厭氧消化，如包括動物下水、家畜糞便、食品加工廢料、城市廢水、稀酒糟(thin stillage)、酒槽或其他有機(jī)材料的有機(jī)材料。在某些實施方式中，懸浮流體包含作為整體的生物消化物、主要由其組成或由其組成。在其他實施方式中，懸浮流體包含分級的(fractioned)厭氧生物消化物、主要由其組成或由其組成。分級的厭氧生物消化物可以是通過例如離心從所述厭氧生物消化物除去基本所有的固體而產(chǎn)生的液體級分。在某些實施方式中，當(dāng)上清液中存在一定量的懸浮固體時，離心方法獲得的上清液在乙醇發(fā)酵中的作用最好。因此，在某些實施方式中，上清液是通過以 200g、400g、600g、800g、1000g、1500g、2000g、2500g、3000g、3500g、4000g、5000g、6000g、7500g或10，OOOg離心AD流出物產(chǎn)生的?；蛘撸后w級分可通過將所述厭氧生物消化物通過螺旋壓榨機(jī)(如“FAN”品牌螺旋壓榨機(jī))或其他類似裝置產(chǎn)生。優(yōu)選地，AD消化物來自厭氧消化的“健康”批次，因為在所述健康批次中產(chǎn)生生物氣體是最佳的(對比下降至接近零)。在某些實施方式中，將一定量的尿素加入AD流出物，以提高產(chǎn)率。AD可以新鮮使用，或可儲存一段時間，如12小時、1、2、3、5、7、10、2周、1個月等。在某些實施方式中，液體級分包含約1、2、3、4、5、6、7、8、9或10% (優(yōu)選3_9%) 的固體。在某些實施方式中，液體級分還可通過從所述厭氧生物消化物回收的營養(yǎng)物進(jìn)行強(qiáng)化。在某些實施方式中，分級的厭氧生物消化物是從所述厭氧生物消化物的液體級分產(chǎn)生的超濾濃縮物或超濾滲透物，其中，所述液體級分是通過從所述厭氧生物消化物除去基本所有的固體而產(chǎn)生的。在某些實施方式中，發(fā)酵懸浮液的pH被調(diào)節(jié)至低于6. 0(例如4. 0-5. 0)，用于最佳的酶催化。在某些實施方式中，該方法還包括蒸餾發(fā)酵后的啤酒來收集乙醇，而無需從啤酒中預(yù)先除去固體。在某些實施方式中，給料是高淀粉小麥、玉米或其他高淀粉農(nóng)作物。在某些實施方式中，所述高淀粉小麥、玉米或其他高淀粉農(nóng)作物在所述懸浮流體中至少部分地被轉(zhuǎn)化為簡單的糖。在某些實施方式中，所述轉(zhuǎn)化包括(無特定順序，且對于重復(fù)沒有限制)機(jī)械碾磨、蒸汽加熱、與酸反應(yīng)、使用α "淀粉酶的液化和/或使用葡糖淀粉酶的糖化。在某些實施方式中，pH被控制在小麥或農(nóng)作物轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的最佳范圍內(nèi)。在某些實施方式中，約75%的所述懸浮流體在液化前加入，約25%的所述懸浮流體在液化后糖化前加入。在某些實施方式中，所述高淀粉小麥、玉米或其他農(nóng)作物的量在所述懸浮流體中最高達(dá)約28% (w/v)，或最高達(dá)36% (w/v) 0在某些實施方式中，該方法還包括向所述懸浮流體加入纖維素酶、木聚糖酶和/ 或酸性蛋白水解酶。在某些實施方式中，該方法還包括在約30-50°C (包括端值)下溫孵發(fā)酵混合物約 24、36、48 或 72 小時。在某些實施方式中，從乙醇蒸餾得到的濕酒糟(wet distillers grain)作為飼料，任選地與強(qiáng)化的營養(yǎng)元素一起，被喂給家畜動物(如豬、家禽、魚或牛)，或用作具有提高的營養(yǎng)價值(如氮增加)的肥料。 在某些實施方式中，懸浮流體基本不含非厭氧微生物。在某些實施方式中，懸浮流體的pH被調(diào)節(jié)至與非厭氧微生物的生長基本不相容的值。在某些實施方式中，懸浮流體的pH被調(diào)節(jié)至用于發(fā)酵微生物的最佳生長的值。
在某些實施方式中，營養(yǎng)補(bǔ)充物是氮補(bǔ)充物。在某些實施方式中，與使用淡水替代所述懸浮流體而其他方面相同的方法相比， 乙醇的產(chǎn)量提高或增加。優(yōu)選地，當(dāng)使用約20-36%或22-28%的小麥時，乙醇產(chǎn)量增加 5-15%或 7-10%。本發(fā)明的另一方法提供了用于水解給料的方法，其中所述給料包含多糖，和其中， 水解的給料在發(fā)酵時比在水解之前產(chǎn)生更多的乙醇，該方法包括(1)向所述給料加入懸浮流體來產(chǎn)生給料懸浮液，其中，所述懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料; 和(2)水解所述給料懸浮液，從而使得至少一部分的多糖轉(zhuǎn)化為簡單的糖，其中，所述懸浮流體基本上不含(外源性加入的)淡水或營養(yǎng)補(bǔ)充物。在某些實施方式中，所述水解步驟包括(無特定順序，且對于重復(fù)沒有限制)機(jī)械碾磨、蒸汽加熱、與酸反應(yīng)、使用α “淀粉酶的液化和/或使用葡糖淀粉酶的糖化。除非明確排除或明顯不合適或不適用的情形，可以想到，本文描述的本發(fā)明的所有實施方式均可以與其他任何實施方式組合，包括那些在本發(fā)明的不同方面中描述的實施方式。


通過結(jié)合附圖考慮以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點將變得更明顯，其中相似的附圖標(biāo)記貫穿全文指代相似的部件，并且其中圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于提高乙醇產(chǎn)量的包括步驟102、104和 106的示例性方法的流程圖100。圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于提高乙醇產(chǎn)量的示例性系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200可以包括生物消化器202，其中有機(jī)廢料204經(jīng)過厭氧生物消化產(chǎn)生生物消化物和生物氣體。至少一部分的生物消化物206被傳送到水解單元214，用于與給料混合產(chǎn)生懸浮液。水解可以利用酶208和/或酸210和/或加熱212 (例如，以蒸汽的形式等) 進(jìn)行。然后發(fā)酵所得到的水解的給料懸浮液218來產(chǎn)生乙醇224?；蛘?，至少一部分的生物消化物216可被直接傳送到發(fā)酵器(fermentator) 220，并與給料218混合。也可加入給料 222來產(chǎn)生乙醇。圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于水解給料的包括步驟302、304和306 的示例性方法的流程圖300。圖4顯示不同發(fā)酵組在22 °C長達(dá)14天的比重和潛在乙醇含量(potential ethanol content)(體積％ )的改變。說明組:Tap H2O 自來水，UF-per 超濾(UF)滲透物，UF-con 超濾(UF)濃縮物，S 粒狀糖，SY super Tubor酵母菌。比重(S. G.)是在發(fā)酵第0、4、7、11和14天測定的。潛在乙醇含量是基于Oechsle標(biāo)度計算的。圖5是通過兩步酶催化的厭氧消化物(AD)和自來水中基于葡萄糖含量(克數(shù)/ 干小麥克數(shù))的小麥轉(zhuǎn)化的對比。圖6顯示在兩步酶轉(zhuǎn)化之后的葡萄糖產(chǎn)率相對于在FAN分離的AD和水中的小麥的不同含量。圖7顯示小麥轉(zhuǎn)化中使用的兩種程序。圖8顯示同時糖化和發(fā)酵(SSF)的乙醇產(chǎn)率相對于具有和不具有BG的AD以及水。
圖9顯示FAN分離的厭氧消化物(FSD)的SSF中的劑量依賴性乙醇產(chǎn)率相對于不同量的干小麥。圖10顯示使用AD或H2O的兩步加入程序的SSF中的乙醇產(chǎn)率。說明加入1/4 體積的H2O或FSD，并在加入G-ZYME 480 (改良的預(yù)糖化和糖化酶混合物，來自GENENC0R ，Rocheffser, NY)和OPTIMASH BG (β葡聚糖酶/木聚糖酶復(fù)合物，來自GENENC0R ， Rochester, NY)之前在55°C下溫孵另外30分鐘。W36或W28 130或100ml FSD或H2O中的36克或28克小麥。H20、W28作為對照。每組η = 4。圖11顯示發(fā)酵后樣品中的總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)。圖12是不同組的發(fā)酵后固體中的總氮。圖13顯示用OPTIMASH XL和乙醇纖維素酶(Accellerase)催化的FSD的葡萄糖產(chǎn)率。圖14顯示使用optimash xl (高濃度纖維素酶/木聚糖酶復(fù)合物，來自genencor ，Rochester, NY)和乙醇纖維素酶的SSF的乙醇產(chǎn)率。* 統(tǒng)計顯著性。圖15顯示使用/不使用FERMGEN (低pH蛋白酶，來自GENENCOR ，Rochester, NY)的FSD和H2O-小麥混合物的乙醇產(chǎn)率。圖16顯示發(fā)酵后具有相同重量的FSD/小麥和H2O混合物的乙醇產(chǎn)率。* 統(tǒng)計顯著性。圖17顯示使用厭氧消化物發(fā)酵中的濕酒槽(WDG)的營養(yǎng)價值。“AD單獨”代表發(fā)酵前單獨厭氧消化物的營養(yǎng)價值；“AD/wo centrif”代表用小麥發(fā)酵的整體AD(不經(jīng)離心)的營養(yǎng)價值；“ADS，nnn rpm”代表用小麥發(fā)酵的以不同速度(分別為“nrm rpm”)離心的AD的營養(yǎng)價值；"H2O對照”代表在水中發(fā)酵的小麥的營養(yǎng)價值；和“干小麥”代表未經(jīng)發(fā)酵的碾磨的全小麥的營養(yǎng)價值?！癙-F”代表“發(fā)酵后”。各組的從左至右的條狀物分別是粗(crud)蛋白、粗纖維、脂肪和灰分的值。圖18和19顯示動物飼料所需的不同營養(yǎng)元素的分析結(jié)果，它們以不同的糊狀物(mash)或WDG存在。圖18和19中，各組的從左至右的條狀物分別為H2O對照、 ADS (IOOOrpm)、ADS (4000rpm)、ADS (6000rpm)、AD 單獨、干小麥和 AD/wo centrif 的值。圖20顯示與單獨淡水相比不同ADS (AD上清液)批次的計算的動物飼料值?！癟D” 表示“總的可消化的營養(yǎng)物” ；“NF”是“非纖維碳水化合物” ；“DE”是“可消化的能量”； “GE”是“總能量”；和“ME”是“可代謝能量”。各組的從左至右的條狀物分別為H2O對照、 ADS (IOOOrpm)、ADS (4000rpm)、ADS (6000rpm)、AD 單獨、干小麥和 AD/wocentrif 的值。
具體實施例方式如上所述，理想的是在發(fā)酵過程中降低或消除使用新鮮的工藝用水和/或營養(yǎng)補(bǔ)充物(特別是氮補(bǔ)充物)。因此，根據(jù)本發(fā)明，可將懸浮流體加入給料來產(chǎn)生發(fā)酵懸浮液。 該懸浮流體可具有足夠懸浮給料的液體含量，從而降低和在一些實施方式中顯著消除對于新鮮的工藝用水的需要。在某些實施方式中，懸浮流體含有不多于20%、10%、5%、2%、1% 的或基本沒有外源性加入的淡水和/或市售的營養(yǎng)補(bǔ)充物。懸浮流體可以在其中包含固體材料，包括已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料。 這些固體材料包含氮，且在一些實施方式中可以不需要營養(yǎng)補(bǔ)劑。
懸浮流體還可以包含一種或多種類型的厭氧微生物。在某些優(yōu)選的實施方式中， 懸浮流體基本上不含非厭氧微生物，這是優(yōu)勢的，因為需氧微生物可以干擾發(fā)酵過程(例如，通過消耗給料)。在一些實施方式中，懸浮流體可以是通過有機(jī)廢物的厭氧生物消化產(chǎn)生的生物消化物。有機(jī)廢物可以是且通常是具有相對低商業(yè)價值的廢棄的有機(jī)材料的混合物。有機(jī)廢物可以包括來自不同產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，所述產(chǎn)業(yè)包括農(nóng)業(yè)、食品加工業(yè)、動物和植物加工業(yè)以及家畜業(yè)。有機(jī)廢物的實例包括但不限于家畜糞便、動物尸體和下水、植物材料、廢水、污水、食品加工物及其任意組合。有機(jī)廢物還可以包括來自人類的廢物，如污水和廢水、廢棄的食品、植物或動物物料等。在某些實施方式中，懸浮流體可以從厭氧生物消化物分級，從而使得所選擇的級分用在本方法中。例如，在某些實施方式中，分級的厭氧生物消化物是通過從厭氧生物消化物除去基本所有的固體(例如，大于91%、93%、95%、97%、99%或接近100%)而產(chǎn)生的液體級分。這可以通過例如將厭氧生物消化物通過FAN螺旋壓榨機(jī)或其他等同的機(jī)械裝置進(jìn)行。 從該過程獲得的液體級分可以直接用在本發(fā)明中。在某些實施方式中，液體級分含有約1、2、3、4、5、6、7、8、9或10% (例如3-9%) 的固體。在某些實施方式中，這樣的液體級分還可以通過從厭氧生物消化物回收的營養(yǎng)物進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化。這樣的營養(yǎng)物(包括氮或磷酸鹽營養(yǎng)物)可以使用本領(lǐng)域已知的方法從厭氧消化物的液體級分獲得(例如分離、純化或富集)。在其他實施方式中，分級的厭氧生物消化物可以是從所述厭氧生物消化物的液體級分產(chǎn)生的超濾濃縮物(UFC)或超濾滲透物(UFP)，其中，所述液體級分通過從所述厭氧生物消化物除去至少部分或基本所有的固體而產(chǎn)生。厭氧生物消化器可以用于轉(zhuǎn)化來自有機(jī)廢物的有用的產(chǎn)物或從有機(jī)廢物萃取有用的產(chǎn)物。厭氧生物消化器可以包括密閉容器，其可以是桶或器皿(vessel)或箱 (housing)，有機(jī)廢物的厭氧生物消化在其中發(fā)生。厭氧生物消化器通常是密閉的，以防止接觸空氣或其他大氣或局部污染物。許多厭氧生物消化設(shè)備和系統(tǒng)是已知的(例如， 水平或塞式流動式(plug-flow)、多罐式、垂直罐式、完全混合式和加蓋瀉湖式(covered lagoon)消化器)，這些的任一均可適用于本發(fā)明的目的。在某些實施方式中，厭氧生物消化器是于2007年12月21日提交的共同待決的 U. S. S. N. 12/004, 927、名為“INTEGRATED BIO-DIGESTION FACILITY”中描述的整合系統(tǒng)。共同待決的‘927申請的全部內(nèi)容通過引用方式結(jié)合在本文中。有機(jī)廢物的厭氧生物消化是通過厭氧生物體進(jìn)行的，如上所述，其因此可以產(chǎn)生生物氣體和生物消化物(也被稱為厭氧消化流出物)。生物氣體通常包含氣體甲烷、二氧化碳和氮(其可以是氨的形式)的混合物，但也可以包含大量氫、硫化物、硅氧烷、氧和空氣顆粒，且其自身是可燃燒產(chǎn)生能量的有用產(chǎn)物。有機(jī)材料的厭氧生物消化除了產(chǎn)生生物氣體以外，還可以產(chǎn)生生物消化物。生物消化物可以是多種材料的混合物，且可以包括不被厭氧生物體消化的有機(jī)材料、生物體釋放的厭氧生物消化的副產(chǎn)物和生物體它們自身。例如，生物消化物可以包括碳水化合物、營養(yǎng)物(如氮化合物和磷酸鹽)、氣體有機(jī)物、野生型酵母菌和大量的廢水。在一些實施方式中，固體含量可以是約5-9重量％或約5-6重量％。生物消化物被充分地消化，從而使得其基本上不含非厭氧生物體，所述非厭氧生物體可以通過厭氧生物體的消耗、厭氧生物消化的條件(除了基本不存在氧以外，其還可以包括基于厭氧生物體的最佳生存條件的預(yù)先確定的溫度和PH設(shè)置)或其組合來消除。在一些實施方式中，可以調(diào)節(jié)生物消化物中的各組分的量。例如，生物體暴露于有機(jī)材料的時間量可以變化，以改變未消化的有機(jī)材料和厭氧生物消化副產(chǎn)物的量。在一些實施方式中，生物消化物可以不經(jīng)儲存輸送至乙醇給料，用于懸浮。這可以通過例如使用輸送管完成。這些實施方式是有優(yōu)勢的，因為它們可以降低非厭氧生物體污染生物消化物的風(fēng)險。如上所述，發(fā)酵懸浮液可以已經(jīng)包含厭氧生物體?；蛘?，可以將適于乙醇生產(chǎn)的厭氧微生物接種到培養(yǎng)基中。發(fā)酵懸浮液可以另外包含其他微生物，這些微生物可以通過例如消化給料和/或消化進(jìn)行發(fā)酵的生物體來干擾發(fā)酵。但是，這些生物體可以對PH敏感。因此，在某些實施方式中，可以調(diào)節(jié)發(fā)酵懸浮液的PH，從而使得干擾微生物的生長被基本抑制。該抑制能夠防止該這類干擾微生物破壞/抑制給料發(fā)酵成乙醇。在一些實施方式中，該抑制可以通過殺死干擾微生物進(jìn)行。在一些實施方式中，PH可以被調(diào)節(jié)至低于6.0。在某些實施方式中， PH可以被調(diào)節(jié)落入4. 0-5.0的范圍內(nèi)?？梢园l(fā)酵發(fā)酵懸浮液，以在可進(jìn)行乙醇生產(chǎn)的條件(pH、溫度等)下產(chǎn)生乙醇。本發(fā)明的方法可以是有優(yōu)勢的，因為所使用的懸浮流體降低或消除了對于新鮮的工藝用水、 營養(yǎng)補(bǔ)給或兩者的需要。本發(fā)明的方法也可以是有優(yōu)勢的，因為由于懸浮流體內(nèi)存在可發(fā)酵的材料(但是在淡水中缺乏)，乙醇產(chǎn)量可以提高。在某些實施方式中，可以直接蒸餾發(fā)酵后啤酒來收集乙醇，而不需從啤酒預(yù)先除去固體。這進(jìn)一步降低了運行根據(jù)本發(fā)明的乙醇工廠的成本。濕酒糟(WDG)是被加入到乙醇工藝中的給料小麥在蒸餾完成后的剩余部分。小麥中的大部分淀粉被微生物轉(zhuǎn)化為乙醇，而蛋白和任何脂質(zhì)不被使用。谷類的這些剩余部分作為牛飼料而言是有價值的和可口的。因此，在某些實施方式中，本發(fā)明的方法提出在動物飼養(yǎng)場附近建造綜合性乙醇工廠，其中不需要像許多乙醇工廠那樣被迫使用大量的能量來干燥濕酒糟用于長期保存。 此外，還將不需要使用大量的燃料來長距離運輸酒糟至遙遠(yuǎn)的市場或飼養(yǎng)場。取而代之，酒糟可以被送至附近的飼養(yǎng)場，并被農(nóng)場動物(如牛)以濕的形式消耗。該配置/聯(lián)合不僅為乙醇工廠提供了主要的能量節(jié)約，而且降低了牛消耗的新鮮飲用水的量。在某些實施方式中，懸浮流體通過多步(如兩步)被加入到給料中。例如，在第一步中，約75%的懸浮流體在使用α-淀粉酶的液化步驟之前被加入到給料(例如高淀粉小麥)中。剩余的25%可以在液化后但在使用葡糖淀粉酶的糖化之前被加入。所使用的給料的量也可以進(jìn)行優(yōu)化。在某些優(yōu)選的實施方式中，在懸浮流體中加入的高淀粉小麥的量最高達(dá)約28% (w/v) 0設(shè)計用于進(jìn)行本發(fā)明的方法的系統(tǒng)可以包括厭氧生物消化器，其中在厭氧生物消化器中產(chǎn)生的有機(jī)廢料可以經(jīng)受厭氧生物消化，來產(chǎn)生如上所述的生物消化物和生物氣體。如上所述，給料可以包含復(fù)合糖，如多糖、纖維素或半纖維素，它們通?？梢员惶囟ǖ幕瘜W(xué)試劑水解產(chǎn)生更容易消化的糖。在某些實施方式中，至少一部分的生物消化物作為生物消化物被傳送至水解單元，在該單元中，生物消化物與給料混合以產(chǎn)生給料懸浮液。 因為生物消化物包含可被水解的材料(例如纖維素或半纖維素)，因此在水解中可以產(chǎn)生比使用淡水產(chǎn)生給料懸浮液中更多的糖。在一些實施方式中，水解可以通過使用一種或多種酶(如α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、纖維素酶、木聚糖酶和/或酸性蛋白水解酶)來進(jìn)行。在一些實施方式中，水解還可以通過使用酸來進(jìn)行。在一些實施方式中，水解可以通過使用以蒸汽形式的加熱來進(jìn)行。水解的給料懸浮液可以具有如下結(jié)果它包含更多的可發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的簡單的糖。在某些實施方式中，懸浮流體基本上不含外源性加入的淡水或營養(yǎng)補(bǔ)充物。至少一部分的生物消化物可被傳送至發(fā)酵罐。在發(fā)酵罐內(nèi)，生物消化物或其級分可以與給料混合，并在發(fā)酵后產(chǎn)生乙醇。本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式用于水解給料的示例性方法。例如，可以向給料(例如玉米或小麥，優(yōu)選高淀粉小麥)加入基本上不含非厭氧微生物的包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料、和優(yōu)選包含一種或多種適于乙醇生產(chǎn)的厭氧微生物的懸浮流體，以產(chǎn)生給料懸浮液。如上所述，給料可以被水解。在上述的實施方式中，不希望局限于步驟的特定的順序或重復(fù)，可以進(jìn)行一步或多步的給料的機(jī)械碾磨或研磨，可以加入一種或多種酶，且可以加熱(優(yōu)選通過蒸汽)給料。所有的這些步驟均可以在本發(fā)明的懸浮流體中進(jìn)行，優(yōu)選沒有外源性加入的任何淡水和/或營養(yǎng)補(bǔ)充物。水解給料懸浮液，從而使得其中的至少一部分的多糖被轉(zhuǎn)化為簡單的糖，其然后可以被發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。不希望局限于任何特定的理論， 懸浮流體包含某些復(fù)合多糖，如可以被加入的酶消化產(chǎn)生簡單的糖的纖維素或半纖維素。盡管上文描述了本發(fā)明的某些優(yōu)選的說明性實施方式，對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是可以不脫離本發(fā)明而進(jìn)行各種改變和修改。所附的權(quán)利要求是用來覆蓋落在本發(fā)明真實的精神和范圍內(nèi)的所有這種改變和修改。實施例已經(jīng)概括性地描述了本發(fā)明，申請人提供下面示例性的實施例，來幫助理解概括性描述的本發(fā)明的某些方面。這些具體的實施例包括在此僅意圖闡明本發(fā)明的某些方面和實施方式，它們并不意圖以任何方式限制本發(fā)明。但是，實施例中描述的某些一般原則可以通常適用于本發(fā)明的其他方面或?qū)嵤┓绞?。以下本文描述的實施例表明，生物乙醇設(shè)備和飼養(yǎng)場及IMUS(綜合糞便使用系統(tǒng))技術(shù)的整合是共享基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)場使用副產(chǎn)物的極佳方式。該整合增加了以電和熱形式的肥料的價值，該價值通過乙醇工廠的使用被放大。該價值還轉(zhuǎn)換成乙醇工廠的使用成本的顯著降低，并有助于使得小型乙醇工廠與大型飼養(yǎng)場以平衡的飼料/副產(chǎn)物關(guān)系共存。該研究至少部分地基于以下整合的分析·乙醇生產(chǎn)到飼養(yǎng)場運行濕酒槽和稀酒糟·乙醇生產(chǎn)到IMUS工藝低熱(< 50°C )和稀酒糟
· IMUS工藝到乙醇生產(chǎn)電和熱· IMUS工藝到乙醇生產(chǎn)消化物· IMUS工藝到飼養(yǎng)場運行電·飼養(yǎng)場運行到IMUS工藝肥料該研究的結(jié)果表明，厭氧消化物可以用于取代用于生物乙醇生產(chǎn)的淡水和肥料利用。基于該研究的數(shù)據(jù)，人們可以通過即創(chuàng)建生態(tài)農(nóng)產(chǎn)或生物工業(yè)網(wǎng)絡(luò)(其中，所有的廢物流或相關(guān)副產(chǎn)物均被使用)來改善生物能量聚集模型的經(jīng)濟(jì)生存能力。最后，該系統(tǒng)可以用于以環(huán)保的方式轉(zhuǎn)換輸出為增值產(chǎn)品，例如牛肉、熱、生物乙醇、生物肥料、電力和可收集的食品級CO2。實施例1.厭氧消化物(AD)及其級分支持發(fā)酵該實施例表明，厭氧生物消化物(AD)可以取代用于生物乙醇生產(chǎn)的淡水。收集來自Vegreville (Alberta，Canada)的IMUS 示范廠的AD的四種不同的分離物，包括新鮮的厭氧消化物(AD)、FAN-分離的消化物(FSD)和通過超濾的FSD的滲透物 (UFP)和濃縮物(UFC)。具體而言，F(xiàn)SD(FAN分離的消化物)可以通過使用螺旋壓榨機(jī)(例如FAN品牌螺旋壓榨機(jī))或其他類似機(jī)械裝置來產(chǎn)生，以將消化物分離成兩個級分——液體級分和固體級分。液體級分是本研究中的FSD。它包含約5-7%的總固體。UFP/UFC可以通過將FSD級分進(jìn)行超濾而產(chǎn)生。滲透物(UFP)是相對澄清的液體 (大部分水)。凡是通過超濾系統(tǒng)的濃縮的剩余物被指定為UFC。對于小規(guī)模的實驗室生產(chǎn)，如當(dāng)用在該實施例中時，UFP和UFC級分是通過在超濾系統(tǒng)之前使用不包含石灰的實驗室系統(tǒng)產(chǎn)生的。在一個典型的運行中，一個單元的FAN分離的液體消化物產(chǎn)生約80%的滲透物和20%的濃縮物。進(jìn)行三個試驗性的實驗，表明(I)AD對粒狀糖(食品級)的酵母發(fā)酵的作用，(2) AD在不含酵母菌時發(fā)酵粒狀糖的能力，和(3)與實驗室中采集的自來水相比的乙醇產(chǎn)率。具體而言，將粒狀糖分別溶解在AD (pH 8. 1)和自來水(pH 5. 5)中至濃度為約28g/dl，并用12N HCl將pH調(diào)節(jié)至 5. 4。在3. 5升發(fā)酵瓶中，在1. 0升體積中進(jìn)行發(fā)酵14至24天。通過使用液體比重計測量混合物的比重改變來每日觀察發(fā)酵過程。使用Oechsle標(biāo)度計算潛在乙醇含量(％體積)(參見，例如，en. wikipedia dot org/wiki/ Oechsle_scale)。Oechsle標(biāo)度是測量葡萄液密度的液體比重計標(biāo)度，其是葡萄酒釀造過程中使用的葡萄成熟和糖含量的指示。它是以Ferdinand Oechsle命名的，廣泛應(yīng)用在德國、瑞士和盧森堡的葡萄酒釀造工業(yè)中。在Oechsle標(biāo)度中，一度的Oechsle Oe)對應(yīng)20°C 1升葡萄液的質(zhì)量和1千克(1升水的質(zhì)量)之間一克的差異。例如，每升1084克質(zhì)量的葡萄液為84° 0e。等體積的葡萄液和水之間的質(zhì)量差異幾乎完全是由于葡萄液中溶解的糖。由于葡萄酒中的酒精是通過糖發(fā)酵產(chǎn)生的，Oechsle標(biāo)度被用于預(yù)測制作好的葡萄酒的可能的最大酒精含量。it # W # m ^ isl M Alberta Centre for Toxicology (ACFT, University ofCalgary)的質(zhì)量控制(QC)實驗室，使用氣相色譜儀(GC，HP6890)和火焰離子化檢測器 (FID)進(jìn)行乙醇分析。結(jié)果表明，與使用自來水相比，AD對用于乙醇生產(chǎn)的酵母菌促進(jìn)的發(fā)酵不具有顯著的抑制作用。不同AD中的潛在乙醇產(chǎn)率為約13-16.7%，和水對照中的潛在乙醇產(chǎn)率為 18% (圖4)。當(dāng)具有相同糖濃度的不同的AD分離物被發(fā)酵時，檢測到不同的乙醇含量，在24天的發(fā)酵過程中最高的是在UPC中(13.7g/dL)，最低的是在UFP中(10. 2g/dL) (表 1)。作為陰性對照，當(dāng)水和糖混合而不加入酵母菌(0. 3g/dL)時，在長達(dá)24天的發(fā)酵條件下，幾乎沒有乙醇產(chǎn)生。但是，在不含酵母菌的UFC和糖混合物中，產(chǎn)生了 8.0g/dL的乙醇，表明UFC中的一些成分可能有助于發(fā)酵。此外，在不含酵母菌的UFP/糖混合物中，乙醇的含量要低得多(1. 5g/dL)。該結(jié)果表明，在該過程中，不含酵母菌的UFP/糖混合物中的一些厭氧微生物有助于發(fā)酵。單步蒸餾實驗還表明，UFP和UFC啤酒可被蒸餾，以產(chǎn)生澄清的乙醇，濃度為 70-71g/dL (表 1)。表1.對于在22°C下長達(dá)24天的不同的發(fā)酵組通過GC和FID確定的乙醇濃度
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)乙醇的方法，包括(1)向給料加入懸浮流體來產(chǎn)生發(fā)酵懸浮液，其中，所述懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料；(2)如果需要的話，調(diào)節(jié)所述發(fā)酵懸浮液的PH至可進(jìn)行發(fā)酵的值；和(3)發(fā)酵所述發(fā)酵懸浮液來產(chǎn)生乙醇，其中所述懸浮流體基本上不含(外源性加入的) 淡水或營養(yǎng)補(bǔ)充物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括用能夠發(fā)酵所述發(fā)酵懸浮液以產(chǎn)生乙醇的微生物接種所述發(fā)酵懸浮液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述微生物是酵母菌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述懸浮流體包含厭氧生物消化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述厭氧生物消化物是從有機(jī)材料的厭氧消化獲得的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述有機(jī)材料包括動物下水、家畜糞便、食品加工廢料、城市廢水、稀酒糟、酒槽或其他有機(jī)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述懸浮液體包含分級的厭氧生物消化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述分級的厭氧生物消化物是通過從所述厭氧生物消化物除去基本所有的固體而產(chǎn)生的液體級分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述液體級分是通過將所述厭氧生物消化物通過螺旋壓榨機(jī)或通過離心而產(chǎn)生的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述液體級分包含約3-9%的固體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述液體級分還通過從所述厭氧生物消化物回收的營養(yǎng)物進(jìn)行強(qiáng)化。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述分級的厭氧生物消化物是從所述厭氧生物消化物的液體級分產(chǎn)生的超濾濃縮物或超濾滲透物，其中，所述液體級分是通過從所述厭氧生物消化物除去基本所有的固體而產(chǎn)生的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)酵懸浮液的PH被調(diào)節(jié)至低于6.0。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)酵懸浮液的PH被調(diào)節(jié)至4.0-5. 0。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括蒸餾發(fā)酵后的啤酒來收集乙醇，而無需從啤酒中預(yù)先除去固體。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述給料是高淀粉小麥、玉米或其他高淀粉農(nóng)作物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述高淀粉小麥、玉米或其他高淀粉農(nóng)作物在所述懸浮流體中至少部分地被轉(zhuǎn)化為簡單的糖。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)化包括(無特定順序，且對于重復(fù)沒有限制)機(jī)械碾磨、蒸汽加熱、與酸反應(yīng)、使用α-淀粉酶的液化和/或使用葡糖淀粉酶的糖化。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，ρΗ被控制在小麥或農(nóng)作物轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的最佳范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，約75%的所述懸浮流體在液化前加入，約25%的所述懸浮流體在液化后糖化前加入。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述高淀粉小麥的量在所述懸浮流體中最高達(dá)約 28% (w/v)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括向所述懸浮流體加入纖維素酶、木聚糖酶和/ 或酸性蛋白水解酶。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括在50°C下溫孵發(fā)酵混合物約M-72小時。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，從乙醇蒸餾得到的濕酒糟被作為飼料喂給家畜動物(如豬、家禽、魚或牛)，或用作肥料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述懸浮流體基本不含非厭氧微生物。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述懸浮流體的PH被調(diào)節(jié)至用于發(fā)酵微生物的最佳生長的值。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述營養(yǎng)補(bǔ)充物是氮補(bǔ)充物。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與使用淡水替代所述懸浮流體而其他方面相同的方法相比，乙醇的產(chǎn)量提高或增加。
29.一種用于水解給料的方法，其中，所述給料包含多糖，和其中，水解的給料在發(fā)酵時比在水解之前產(chǎn)生更多的乙醇，所述方法包括(1)向所述給料加入懸浮流體來產(chǎn)生給料懸浮液，其中，所述懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料；和(2)水解所述給料懸浮液，從而使得至少一部分的多糖轉(zhuǎn)化為簡單的糖，其中，所述懸浮流體基本上不含(例如，外源性加入的)淡水或營養(yǎng)補(bǔ)充物。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中，所述水解步驟包括機(jī)械碾磨、蒸汽加熱、與酸反應(yīng)、使用α -淀粉酶的液化和/或使用葡糖淀粉酶的糖化，它們沒有特定的順序且對于重復(fù)沒有限制。
全文摘要
本發(fā)明描述了通過使用懸浮流體用于提高乙醇生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)。該懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料和厭氧微生物，且基本不含非厭氧微生物。本發(fā)明還描述了水解用于發(fā)酵的給料的方法和系統(tǒng)，該方法包括水解給料懸浮液。給料懸浮液可以包含含有復(fù)合糖的給料和懸浮流體，其中懸浮流體包含已至少部分地被厭氧消化的有機(jī)材料和厭氧微生物，且基本不含非厭氧微生物。
文檔編號C12P19/14GK102203266SQ200980143788
公開日2011年9月28日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者李筱梅, 高鐵軍 申請人:高原再生能源研發(fā)有限公司