[发明专利]取消生物乙醇生产中酸化的需要

说明书

技术领域

通过添加含有醛、脂肪酸、萜烯和表面活性剂的组合物而减少酸化剂的使用来改进乙醇发酵工艺。

背景技术

乙醇，一种来自再生资源的生物燃料，由谷物（玉米、高粱、小麦、黑小麦、黑麦、发芽大麦、水稻）淀粉、块茎作物（马铃薯）淀粉来生产或通过直接使用糖蜜、甘蔗汁、甜菜汁中的糖来生产，或通过纤维素类材料（柳枝稷、松树）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（Bayrock2007）的乙醇。

由谷物来生产乙醇开始于淀粉水解，淀粉水解使直链淀粉和支链淀粉转变成可发酵糖，可发酵糖随后被酵母（Majovic，2006）或细菌（Dien，2003）转变成乙醇，其中，直链淀粉主要是线性α-D-(1-4)-葡聚糖，而支链淀粉是在分支点处具有α-D-(1-6)连接的α-D-(1-4)-葡聚糖。细菌可以将含纤维素的材料转变成用于生产乙醇的可发酵糖；这些细菌包括发酵单胞菌（Zymomonas spp.）、大肠杆菌工程菌（E.coli）、产酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca）、运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）、解纤维素醋弧菌（Acetivibrio celluloyticus）以及其他的细菌（Dien，2003）。在甘蔗和甜菜的情况下，酵母直接利用糖来将糖转变成乙醇。

在由谷物生产乙醇中，即使酵母生长的最佳pH值是5.0以上（van den Bersselaar和Oosting,2010；Joostte和Peeters，2010），但是为了减少细菌的数量，使用低pH值的可发酵溶液。溶液的pH值从pH值5.0～6.0降低至pH值4.2～4.6。硫酸常用于降低pH值。酸化的负面影响是生成的湿酒糟和干酒糟加可溶物（分别是WDG和DDGS）中硫的累积。

动物饲料中高含量的硫（S）减少体重增加并能够产生脑脊髓灰质软化（PEM）。脑脊髓灰质软化是一种特征为大脑皮层坏死的神经系统疾病。PEM的临床症状包括呼吸速率增加、渐进式失明、食欲不振（depressed feed intake）、头部压迫（head pressing）以及动物的呼吸有臭鸡蛋味（Solange，2011）。DDGS中硫（S）的浓度已经被报导了是0.33～0.74%干物质（DM），且湿酒糟加可溶物（WDGS）中是0.36～0.60%。基于干物质，浓缩的酒糟可溶物可含有0.8～1%的S。在一项研究中，喂食含有50%的DDGS（0.6%的S）的干轧玉米精加工饮食（dry-rolled corn finishing diets）的50只动物中的9只被诊断出患有脑脊髓灰质软化（PEM），而且一些动物死亡（Solange，2011）。在类似的工作中，Vanness等人（2009）发现在来自六个内布拉斯加州乙醇工厂的1200个样本中的WDGS平均为0.79%的S（基于DM）。如果在精加工饮食中以高含量喂食WDGS，那么膳食的S含量可能超过营养指南（nutritional guidelines）。国家研究委员会（1996）提出饮食中S的限制不应超过0.40%。这些数据表明含有等于或低于0.46%的S的饮食具有产生PEM的较低风险。Vanness等人（2009）提出在乙醇发酵中使用磷酸代替硫酸能产生低硫含量的WDG和DDGS。磷酸取代硫酸并未影响发酵或乙醇产量。由于磷酸不像硫酸那样容易解离，提供相同的pH值控制约需要2.5倍以上的磷酸，因此成本增加。Rasmussen（2011）在实验室规模上使用26～188mg/L剂量的臭氧与低浓度的硫酸组合在产生较低含量的乳酸和乙酸的乙醇发酵之前来调节pH值，表明较低的细菌活性。在应用的范围内较低含量的臭氧剂量实现了更高的乙醇产量。

酸化也被用于由甘蔗生产乙醇中，用硫酸将酵母溶液的pH值降低至pH值2.5～3.0以减少酵母絮凝和减少细菌负荷（bacteria load），因为酵母已被从先前连续批次的发酵中回收。Viegas（2011）提出使用蜂胶提取物以减少抗菌剂的使用，从而取消降低pH值的需要。因为一定比例的回收酵母用于动物和人类消费而且抗菌剂残留物能导致耐抗菌剂的细菌，所以甘蔗产业中取消抗菌剂是令人担忧的。