[发明专利]控制乙醇生产中的细菌生物膜

说明书

技术领域

一种用于生产乙醇的改进的方法，所述方法通过在整个发酵工艺中用一种含有醛、脂肪酸、萜烯和表面活性剂的组合物来处理碳水化合物材料、碳水化合物肉汤或碳水化合物浆料。通过控制发酵系统中生物膜的形成和破坏预存在的生物膜来提高乙醇产量。

背景技术

高油价已带来对可再生燃料的寻找的增长。乙醇是这些可再生燃料之一，当与汽油混合时乙醇可以降低对进口油的需求。

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混入到美国汽车燃料市场中以满足未来需求。这将增加工业上对玉米的需求量，而且同样要求种植能力增加。在2010年，美国一年的营运能力增加了27亿加仑，比2007年的水平增长了34％。

乙醇是一种颇具前景的来自于可再生资源的生物燃料，由谷物(玉米、高粱、小麦、黑小麦(triticale)、黑麦、发芽大麦、水稻)、块茎作物(马铃薯)的淀粉来生产或直接使用糖蜜、甘蔗汁或糖用甜菜汁中的糖来生产。乙醇也可通过纤维素类材料(柳枝稷、松树)的发酵来生产。通过使用植物材料的高温去木质素作用和使用酶和特殊酵母(所述酶和特殊酵母可以使用C-5糖并将它转化成C-6糖或乙醇)，目前来自草或蔗渣的乙醇是商业可购的。因为将硬木转化成易于使用的材料的成本高，所以木材(即松树)的使用仍处于起步阶段。

世界上80％的乙醇由巴西和美国生产。其中的60％是通过玉米或甘蔗汁的酵母发酵来生产。通过酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)而进行碳源的厌氧发酵来生产乙醇是最著名的生物技术工艺之一并且每年为全球提供超过350亿升的乙醇(Bayrock2007)。

由谷物生产乙醇是从淀粉的水解开始，淀粉的水解使直链淀粉(大部分为直链的α-D-(l-4)-葡聚糖)和支化的支链淀粉(在分支点处具有α-D-(1-6)连接部分的α-D-(1-4)-葡聚糖)转化为可发酵的糖，随后通过酵母(Majovic，2006)或细菌(Dien，2003)将该可发酵的糖转化为乙醇。细菌可以将含纤维素材料转化成用于生产乙醇的可发酵的糖，这些细菌包括：发酵单胞菌(Zymomonas spp.)、基因工程化的大肠杆菌(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)等(Dien，2003)。来自甘蔗的乙醇不需要使用酶，因为酵母易于将蔗糖转化成乙醇和CO₂。

在美国，干磨和湿磨是用于由谷物制备乙醇的两个基本工艺。在干磨工艺中，将整个玉米(Zea mays)粒或其它淀粉质材料研磨成粉并与水混合以形成浆料。然后将混合物煮熟以使淀粉糊化并降低细菌污染。然后将该混合物冷却并转移到发酵罐中，将酵母和酶添加到该发酵罐中以将糖转化成乙醇。发酵后，将所得混合物转移到蒸馏塔中，在蒸馏塔中分离乙醇。将发酵和乙醇分离后残留的固体加工成具有可溶物的玉米干酒糟(Distiller’s Dried Grains with Solubles，DDGS)，所述干酒糟用于动物生产，例如家禽、猪和牛的饲料。当今80％以上的乙醇产量采用干磨工艺(RFS，2006)。

在湿磨工艺中，将谷物浸没或浸渍在水中以促进谷物分离成其基础营养组分，例如玉米胚芽、纤维、麸质和淀粉。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分的高蛋白产品。随后，来自玉米浆料的淀粉和任何剩余的水用以下三种方式之一处理：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)。湿磨和干磨两种工艺都是仅将玉米粒的淀粉部分用于乙醇生产。剩余的蛋白质、脂肪、纤维和其它营养组分留作动物饲料。

绕开传统的淀粉糊化条件，一种称为原淀粉水解的工艺将淀粉转化为随后发酵成乙醇的糖。在糖化/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)。这样的同时糖化和发酵可使较高浓度淀粉发酵并产生较高含量的乙醇(Maye，2006)。