用于提高乙醇产量的系统和方法

用于提高乙醇产量的系统和方法
【专利摘要】提供用于提高乙醇产量的系统和方法。适当精细地研磨原料，以用于发酵。原料可包括玉米或任何其他适当的材料。在一些情形中，原料在研磨之前经历分级。可使用水和酶将研磨的原料制成浆料，以便促进原料中的淀粉转化为糖。浆料可以是约35%固体。在制成浆料之后，可添加产乙醇者。此外，可将浆料的pH调整为4.2至5.2，以促进引发。将引物加入到浆料中。引物可包括任何弱酸，且在一些实施方式中包括乙酸。当乙酸被用作引物时，可以以百万分之1200至3600的浓度添加。使浆料发酵，以产生提高的乙醇产量。
【专利说明】用于提高乙醇产量的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年3月14日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FORIMPROVING ETHANOL YIELD (用于提高乙醇产量的系统和方法)”的美国临时申请第61/452，407号的权益，其全部内容明确引入本文以供参考。
【技术领域】
[0003]本公开涉及用于提高乙醇制造设施中的乙醇产量的系统和方法。
【背景技术】
[0004]传统上，由谷物类原料(例如，玉米、高粱/蜀黍、大麦、小麦、大豆等)，或由糖(例如，甘蔗、甜菜等)制造乙醇。
[0005]在常规的乙醇植物中，使用玉米、甘蔗、其他谷物、甜菜、或其他植物作为原料，并且由糖(在甘蔗或甜菜的情形中 )或玉米内含有的淀粉、或其他植物原料制造乙醇。在玉米乙醇设施中，清洁和碾磨玉米粒，以制备用于加工的含淀粉材料。也可将玉米粒分级，以使含淀粉材料(例如胚乳)与其他物质(例如纤维和胚芽)分离。根据原料类型改变原料的初始处理。然而，通常使用机械和化学方式的组合提取植物材料中含有的淀粉和糖。
[0006]使用水将含淀粉材料制成浆料并使其液化以促进糖化和发酵，其中在糖化过程中淀粉被转化为糖(例如，葡萄糖)，而在发酵过程中，通过产乙醇者(ethanologen)(例如，酵母)将糖转化为乙醇。发酵产物是醪(beer)，其包括含有乙醇、水和可溶组分的液体组分，以及含有未发酵颗粒物质(除其它物质之外)的固体组分。将发酵产物传送至蒸馏系统，其中在蒸馏系统中蒸馏发酵产物，且使该发酵产物脱水成乙醇。残留的物质(例如，酒糟(wholestillage))包括水、可溶组分、油、和未发酵的固体(例如，基本上去除所有乙醇的醪的固体组分，其也可被干燥成干酒糟(dried distillers grains, DDG)并例如作为动物饲料产品出售)。还可从酒糟中回收其他副产物(例如，糖浆和糖浆中含有的油)。
[0007]在典型的乙醇工厂，许多因素可影响发酵期间产生的乙醇的产量。这些因素包括产乙醇者的效率、转化成糖的淀粉的量、pH和温度作用以及抑制剂的存在，仅举几例。乙醇制造设施不断地争取增加乙醇产量，以便驱动整体收益性。特别地，当原料的成本高时，增加的产量可对总的工厂收益性具有重大影响。
[0008]增加乙醇产量的一个方法包括使操作条件最佳化，以使发酵后醪中的残留淀粉最小化。这种策略背后的基本原理是，在发酵之后仍然存在的任何淀粉可被转化成糖且随后转化成乙醇。这些操作条件包括装载变化水平的固体，调整发酵pH、温度方案、发酵长度、酶添加、产乙醇者的接种量等。用于增加乙醇产量的另一个策略是去除抑制乙醇产生的化合物。传统上，除了很多其他的之外，这样的抑制剂识别为乙酸、丙三醇、和糠醛。
[0009]然而，非通常认识的是，经产乙醇者的能源利用也对乙醇产量具有重大影响。减少残留淀粉和去除抑制剂可引起乙醇产量提高，但是这些产量提高的方法不能解决产乙醇者的能量利用问题。例如，产乙醇者可利用由淀粉生成的糖，以便通过糖酵解生成腺苷-5’ -三磷酸盐(ATP)，从而生成乙醇。然后，产乙醇者利用生成的ΑΤΡ，用于新陈代谢活动。然而，产乙醇者也可以将糖(例如，葡萄糖)用于细胞生长，或可替换的有机副产物的产生。在这些情形中，仍然消耗糖，但是没有乙醇的生成。这也可引起残留淀粉的减少，但是
可遏制乙醇产量。

【发明内容】

[0010]公开的方面涉及用于提高乙醇制造设施处产生的乙醇产量的系统和方法。这样的系统和方法可提供增强的乙醇滴度，从而在没有添加同样多原料的情况下使乙醇制造者能够获得相等的产量，或实现超高的乙醇产量。系统和方法可使乙醇制造者能够通过减少的细胞群生长实现较低的浪费，从而也减少丙三醇制造。较低的丙三醇制造还可提高流动性并减少副产物例如具有可溶物的干酒糟(DDGS)的粘结性。
[0011]在一些实施方式中，适当精细地研磨原料，以用于发酵。原料可包括玉米，或可包括任何其他适当的材料。在一些情形中，原料在研磨之前还可经历分级。可执行研磨，使得超过90%的材料是细料(fines)。
[0012]然后，可使用水和酶将研磨的原料(或原料的部分)制成浆料，以便促进原料中的淀粉转化成糖。另外，衆料可包括润流(backset),如酒槽水(thin stiIIage)、透明的酒槽水或其他回收水源。在一些实施方式中，浆料可以是约35%固体。
[0013]在制成衆料之后,可添加产乙醇者,例如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。此外，可将衆料的pH调整为4.2至5.2,以便促进引发(priming)。然后,将引物(primer)添加到浆料中。引物可包括任何弱酸，且在一些实施方式中包括乙酸。当被用作引物时，乙酸的添加浓度可为百万分之1200和2400。然后，使浆料发酵，以产生乙醇。
[0014]在一些可替换的实施方式中，在使用水和酶将磨制物制成浆料之后，分离浆料的一些部分。将产乙醇者添加到该部分浆料中，并将引物也添加到该部分中。因为该部分在体积上比整个浆料混合物更小，使用较少的引物来实现期望的浓度。在将引物浓度在期望的范围内保持关键时间之后，可将剩余的浆料加回到该部分中。然后，可使整个浆料体积发酵。
[0015]注意，可单独或组合实施本文描述的公开方面的各种特征。下面将在【具体实施方式】中且结合附图更详细地描述公开方面的这些和其他特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]为了更加清楚地确定各个方面，现在将通过实施例的方式参考附图描述一些实施方式，其中:
[0017]图1是根据一些实施方式的包括乙醇制造设施的生物炼制厂的透视图；
[0018]图2和3是示出根据一些实施方式的从玉米到乙醇的乙醇制造工艺的实例的工艺流程图；
[0019]图4是示出根据一些实施方式的用于提高乙醇产量的第一工艺的实例流程图；
[0020]图5是示出根据一些实施方式的用于提高乙醇产量的第二工艺的实例流程图；
[0021]图6是示出根据一些实施方式的取决于引物剂量的乙醇产生百分比的实例图；
[0022]图7是示出根据一些实施方式的根据引物剂量产生的丙三醇的百分比的实例图；[0023]图8是示出根据一些实施方式的在低pH处对各种引物剂量取决于发酵长度的乙醇产生百分比的实例图；
[0024]图9是示出根据一些实施方式的在中等水平pH处对各种引物剂量取决于发酵长度的乙醇产生百分比的实例图；
[0025]图10是示出根据一些实施方式的在较高pH处对各种引物剂量取决于发酵长度的乙醇产生百分比的实例图；
[0026]图11是示出根据一些实施方式的对各种引物剂量，与预发酵pH比较的发酵之后的发酵液的PH的实例图；
[0027]图12是示出根据一些实施方式的取决于酸引发剂量的细胞生长的实例图；
[0028]图13是示出根据一些实施方式的取决于酸引发剂量的蔗糖发酵效率的实例图；
[0029]图14是示出根据一些实施方式的发酵之后的取决于酸引发剂量的酵母细胞群和丙三醇水平的实例图；
[0030]图15是示出根据一些实施方式的取决于甲醛引发剂量的乙醇产生的实例图；
[0031]图16是示出根据一些实施方式的酵母接种之后的取决于酸引发时间的乙醇产量的实例图；
[0032]图17是示出根据一些实施方式的具有和没有酸引发的商用乙醇制造设施中的乙醇制造的实例图；并且
[0033]图18是示出根据一些实施方式的具有和没有酸引发的商用乙醇制造设施中的丙三醇制造的实例图。
【具体实施方式】
[0034]现在将参考如附图中示出的几个实施方式描述各个方面。在以下【具体实施方式】中，为了提供对各个方面的实施方式的彻底的理解，陈述了许多具体的细节。然而，本领域的技术人员应该明白，可在没有一些或所有的这些具体的细节的情况下实施实施方式。在其他情形中，为了不必要地使公开的方面模糊，没有详细地描述众所周知的工艺步骤和/或结构。可参考附图和随后的讨论更好地理解实施方式的特征和优势。
[0035]公开的方面涉及在乙醇制造工厂使用传统的谷物原料提高乙醇产量的系统和方法。在典型的乙醇工厂，许多因素可影响发酵期间产生的乙醇的产量。这些因素包括产乙醇者的效率、转化成糖的淀粉的量、PH和温度作用、以及抑制剂的存在，仅举几例。乙醇制造设施不断地努力增加乙醇产量，以便驱动整体收益性。特别地，当原料的成本高时,增加的产量可对总的工厂收益性具有重大影响。
[0036]在一些实施方式中，乙醇工厂可“引发(prime)”产乙醇者，以便将产乙醇者的能源利用从细胞群制造转移至较大量的细胞活性用腺苷-5’ -三磷酸盐(ATP)的制造。在典型的发酵条件下，通过糖的无氧酵解产生ATP。乙醇作为这种代谢活性的废产物产生。通过对产乙醇者需求ATP，可迫使有机体产生更大量的乙醇。除了产生的更高水平的乙醇之外，弓丨发还减少通过产乙醇者的丙三醇的产生(丙三醇产生相应于细胞生长)。丙三醇的减少可通过增加流动性和减少粘结来影响下游副产物，例如具有可溶物的干酒糟(DDGS)。下面更详细地提供通过引发驱使产乙醇者产生更多乙醇的细节。
[0037]如上讨论的，在乙醇制造设施中，可诱导产乙醇者产生更大量的ATP，因此在减少细胞群或其他有机副产物的产生的同时产生乙醇。除了增加可能产生的乙醇之外，通过减少经产乙醇者的细胞生长的量，还可实现丙三醇产生的相应减少。减少的丙三醇可对干酒糟(DDG)的干燥具有有利影响，且还可提高DDG流动性和易粘结性。
[0038] 考虑到乙醇制造设施的竞争性市场，公开的方面提供通过产乙醇者活性强迫(coercion)提高乙醇产量的系统和方法。这样的系统和方法可以以成本有效的方式提供乙醇产量的大量增加，而不需要另外的原料输入，且不减少丙三醇产生。
[0039]参考图1，显示实例生物炼制厂100，其包括配置成由玉米制造乙醇的乙醇制造设施。实例生物炼制厂100包括输送和准备玉米(或其他适当的材料，包括但不限于生物质、糖、和其他淀粉产品)以便供应供至乙醇制造设施的区域102。乙醇制造设施包括将玉米准备和处理(例如，碾磨)成适用于在发酵系统106中发酵成发酵产物的玉米粉的装置104。乙醇制造设施包括蒸馏系统108，其中蒸馏发酵产物，并将其脱水成乙醇。在一些实施方式中，生物炼制厂还可包括副产物处理系统(显示为包括离心机、干燥器、和蒸发器)。
[0040]参考图2和3，在乙醇制造过程中，可准备玉米202(或其他适当的进料材料)，以用于准备系统204中的进一步处理。如图3所示，准备系统204可包括清洁或筛选302，以便去除异物，如岩石、污垢、沙子、玉米芯和玉米杆的片段、和其他不可发酵的材料(例如，去除的组分)。在清洁或筛选302之后，可通过碾磨304减小玉米的粒度，以便促进进一步的加工。根据一些实施方式，也可将玉米粒分成含淀粉胚乳、纤维、和胚芽。例如在第一处理系统206中，使用水、酶和试剂306将碾磨的玉米或胚乳制成浆料，以便促进淀粉转化成糖(例如，葡萄糖)。在发酵系统208中，通过产乙醇者(例如，酵母或其他试剂308)将糖(例如，处理过的组分)转化成乙醇。
[0041]同样地，发酵系统208可接受“引物(primer)”310，其在发酵期间驱使产乙醇者产生更大量的ATP。在一些实施方式中，引物可包括低剂量的乙酸。在一些可替换的实施方式中，引发剂可包括另一种弱酸。在其他实施方式中，引物可包括醛如甲醛或乙醛。在引物是乙酸的一些实施方式中，乙酸通过被动扩散进入产乙醇者。在乙酸处于产乙醇者内时，可使氢离子解离。这引起产乙醇者内的氢离子的累积(buildup)(相关的细胞内pH下降)。产乙醇者可需要接近中性的细胞内PH以适当地行使功能，因而它通过质子泵(H+-ATP酶)排出积聚的氢离子。在这些实施方式中，质子泵可需要消耗ATP，因而驱使产乙醇者经历糖酵解。这导致发酵期间产生的乙醇增加。
[0042]发酵的产物(发酵产物)是醪，其包括含有乙醇和水和可溶组分的液体组分，以及含有未发酵的颗粒物质(除其它物质之外)的固体组分。可在第二处理系统210中使用试剂312处理发酵产物。将处理过的发酵产品传送至蒸馏系统212。在蒸馏系统212中，蒸馏(处理过的)发酵产物,且将其脱水成乙醇214。在一些实施方式中，可在第三处理系统中(其中可使用试剂处理去除的组分)将包括水、可溶组分、油和未发酵的固体(例如，基本上去除所有乙醇的醪的固体组分)的去除的组分314 (例如，酒糟)干燥成干酒糟(DDG)，且作为动物饲料产品销售。还可从酒槽中回收其他副产物，例如，糖浆(和糖浆中含有的油)。当从酒槽中去除固体时形成的酒槽水可被用作发酵工艺期间的涡流，且还可用于增加DDGS (具有可溶物的干酒糟)的蛋白质含量。
[0043]现在参考图4，其是示出根据一些实施方式的用于提高乙醇产量的第一工艺的实例流程图。在这个实例流程图中，工艺开始于玉米或其他适当的原料的研磨(在402处)。在一些实施方式中，研磨整个玉米粒，用于发酵。在一些其他实施方式中，可将玉米粒分成其组分部分，且只研磨淀粉质胚乳用于发酵。
[0044]然后，使用水、酶、和其他试剂将研磨的玉米或其他原料制成浆料(在404处)，以便促进淀粉转化成可发酵的糖。在一些实施方式中，在低温下在“生淀粉”水解作用中进行浆料制作。在一些可替换的实施方式中，可将浆料加热或以其他方式烹调，以便促进淀粉转化为糖。在一些实施方式中，可执行浆料制作，以使最终的浆料材料是约35%固体，然而任何固体含量均被认为在一些实施方式的范畴内。进一步地，在一些实施方式的范畴内认为，可以以公开的方式引发事实上经受任何适当预处理的任何适当的原料，以便提高乙醇产量。
[0045]在将原料制成浆料之后，在这个实例过程中，可调整浆料混合物的pH，以使引发效率最佳化。在一些实施方式中，可将PH调整为用于引发的4.2和5.4之间的任何数目，以具有有利效果。在一些情形中，较低的PH (例如，4.2-4.7)可通过减少产生的丙三醇而有益于引发。随着PH升高(例如，在4.7和5.4之间)，乙醇增加变得更加显性有益。在一些实施方式中，4.8-5.2的pH可特别适合于使引发对乙醇产量的益处和丙三醇减少最佳化。
[0046]然后，可将产乙醇者添加(在406处)到浆料中。产乙醇者经常是酵母，如酿酒酵母(S.cerevisiae)。也可将另外的组分，如营养物加到浆料中。然后，可将引物添加(在408处)到浆料中。如先前提到的，引物可包括弱酸，如乙酸。用于使引发效率最大化的PH可取决于利用的弱酸。例如，当使用乙酸作为引发剂时，可采用约4.7至5.2的pH，以便实现最大的乙醇产量增加。其他弱酸在一些程度上取决于各个酸的PKa，可在不同的pH值处表现更好。另外，可基于引物的效率调整它的剂量。再次，例如，当使用乙酸作为引物时，其可在约百万分之1600至2000 (ppm)处有益于引发。当然，引发剂量可取决于使用的引物。
[0047]在发酵期间(在410处)，可将浆料在促进乙醇产生的温度处保持确定的时间。在发酵之后，可使醪经受进一步的处理和/或蒸馏，以便回收产生的乙醇。
[0048]现在参考图5，其是示出根据一些实施方式的用于提高乙醇产量的第二工艺的实例流程图。关于图5描述的工艺与图4的工艺不同在于，只将产乙醇者的初始繁殖引发相对较短的时间。该工艺在发酵非常大时可特别有用，因而利用低得多的量的引物来实现显著的乙醇产量益处。
[0049]在这个可替换的工艺中，研磨(在502处)玉米(或其他原料)。该研磨可包括全谷物研磨或可包括谷物的含淀粉部分的分级和研磨。可使用水(或其他涡流)、试剂和酶将研磨的玉米制成浆料(在504处)，以便将淀粉转化成糖。可制作浆料，以使其是约35%固体，但是如先前提到的，百分比固体可取决于使用的原料和其他工艺考虑而改变。可将产乙醇者添加到(在506处)浆料的一些部分中。在典型的乙醇制造设施中，发酵罐由于体积大而长时间填充有浆料。经常在发酵罐填充期间添加产乙醇者繁殖。通过半填充添加产乙醇者繁殖，产乙醇者可变得与浆料很好地混合。另外，这对产乙醇者提供了较长的与浆料在一起的时间，以便将糖发酵成乙醇。最后，通过首先部分地填充发酵罐，可显著地减少通过发酵罐残留物抑制或损伤产乙醇者的机会。
[0050]在一些实施方式中发现，可能存在应该执行引发以便增加其效率的临界时间。这个临界时间窗口使得乙醇制造设施能够通过用浆料填充发酵罐、在设定时间之后添加产乙醇者繁殖、然后立即添加引物(在508处)而正常地运转，以便实现乙醇产量的大量增加。因为存在引发的临界窗口，这部分浆料即是所有需要引发到引物的期望浓度的浆料。随着填充进行，这个浓度减小。然而，因为在临界窗口期间引发浓度足够高，即使在发酵罐填满时引物的最终浓度低得多，也实现大多数引发效果。这种效果使乙醇制造者能够利用大大减少量的引物，且仍然实现几乎所有的引发产量增加。
[0051]在引发之后，可将剩余的浆料添加到(在510处)引发的部分中(例如，完成发酵罐填充)。然后根据温度和时间方案执行发酵(在512处)。可使发酵的产物经受一些进一步的处理，并对其进行蒸馏以便回收乙醇。
[0052]如本文所公开的，提供用于提高乙醇产量的方法。方法包括研磨原料以产生磨制物，以及使磨制物与水和酶结合以产生浆料。在浆料中将磨制物中的淀粉转化成糖。方法还包括调整浆料的PH以促进引发，以及将产乙醇者添加到浆料中。进一步，方法包括通过添加引发剂来引发浆料，以及使浆料发酵以产生乙醇。
[0053]另一个方面涉及用于提高乙醇产量的方法。方法包括研磨原料以生成磨制物，以及使磨制物与水和酶结合以产生浆料。在浆料中将磨制物中的淀粉转化成糖。方法还包括去除部分浆料，从而留下剩余浆料，以及调整该部分浆料的pH以促进引发。将产乙醇者添加到该部分浆料中，并且通过添加引发剂引发该部分浆料。进一步地，方法包括使该部分浆料与剩余浆料结合，以及使浆料发酵以产生乙醇。[0054]本文公开的进一步的方面涉及用于提高商用规模乙醇工厂中乙醇产量的方法。方法包括研磨原料以生成磨制物，以及使磨制物与水和酶结合以产生浆料。在浆料中将磨制物中的淀粉转化成糖。方法还包括开始用浆料填充发酵罐。发酵罐可以是200，000至750，000加仑的商用规模。方法还包括将产乙醇者添加到发酵罐中，以及在添加产乙醇者之后约30分钟至两个小时，将约100至350磅的乙酸添加到发酵罐中。方法还包括继续用浆料填充发酵罐，以及使浆料发酵以产生乙醇。
[0055]***
[0056]为了确定用于引发发酵以便增加产生的乙醇的产量的适当的装置和操作条件，根据系统的示例性实施方式(如图3中所示)进行了一系列有限的实施例。下列实施例意在使系统的一些实施方式和操作方式清楚；考虑到这些实施例的有限性质，其不限制本发明的范畴。
[0057]实施例1
[0058]在这个实施例中，将一系列不同剂量的乙酸添加到标准的非烹调(生淀粉水解)发酵中，并在三个不同的初始pH水平处研究效果。所选择的乙酸水平是:0、0.05、0.1、0.2和0.3%w/v,并且所选择的初始pH水平是4.2,4.7和5.2。一式两份实施整个实验。
[0059]在这个实验中，从附近生物炼制厂获得使用锤式粉碎机研磨成> 90%为细料的玉米。准备所研磨的玉米和水的36%干固体浆料。通过将适当量的玉米和水称出到各个单独的反应器中，制备衆料(~70mL)。以2.5ppm添加Lactoside247?,以防止任何乳酸菌污染。添加~0.24g/L (4mM)的尿素，用作氮源。将不同剂量的乙酸添加到反应器中，并使用10%v/v硫酸或45%w/w氢氧化钾将每一组反应器的pH调整为4.2,4.7和5.2。
[0060]以0.2g/L添加生淀粉水解酶共混物。以反应器中的最终体积是70mL的方式将每一物质添加到反应器中。然后，将适当量的酵母加添到反应器中，很好地混合，并且将反应器放置在31.1°C (88T)的循环水浴中。贯穿88hr的发酵，使用典型的温度分段方案，结束于27.8°C (82 °F)。在发酵的0、24、48、72和88hr处取出样品，并使用HPLC分析糖、丙三醇、有机酸和乙醇。
[0061]在各个时间点取出约4mL的样品。将这些样品以4500rpm离心2分钟。然后将上清液经由0.2μ孔径过滤器过滤到HPLC小瓶(vial)中。将小瓶装载到自动进样器(Waters分离模块717plus或2695)。通过自动注射器将样品的等分试样(5 μ L)注射到保持在50°C的反相柱(来自BioRad Laboratories的HPX-87H)。0.005M的硫酸水溶液被用作流动相(洗脱液)。HPLC系统装配有折光率检测器(Waters型号2410或2414)。使用Waters Empower软件对组分(糖、有机酸和乙醇)进行识别和定量。
[0062]随着乙酸浓度增加，观察到清楚的趋势。参考图6说明实验结果，其中图6中提供详述结果的实例图。在这个实例图中，乙醇产量在纵轴602上，且乙酸的浓度提供在横轴604上。以606、608、和610分别示出在ρΗ4.2、4.7和5.2处的实验线。
[0063]在pH与乙酸浓度之间，观察到存在明确的相互作用。在这个实例实验中，在所测试的PH水平处，对于获得乙醇制造中的最大益处，4.7的pH似乎更好。当初始pH是4.7或
5.2时，0.12%至0.24%(1200-2400ppm)的乙酸浓度提供增加的乙醇滴度。当初始pH是4.2时，没有观察到较大益处。在所测试的最高的乙酸浓度处(0.37%w/v)，尤其在设定为pH4.2的反应器中观察到抑制作用。(实际的乙酸浓度是0、0.6,0.12,0.24,0.37%w/v)0在相同的研究中，还观察到丙三醇制造的显著减少。当初始乙酸浓度是0.24%w/v时，在设定为pH4.7的发酵中观察到超过50%的最大丙三醇减少。这些是具有20.5%v/v的最高乙醇滴度的条件。
[0064]图8提供对于在4.2的初始pH处执行的发酵，通过横轴804上的发酵长度比较的纵轴802上的百分比乙醇的实例图。提供曲线用于所测试的代表性引发浓度。如图所示，1200至2400ppm乙酸的引物剂量在早期提供发酵益处，在发酵70小时之后，较低的引物剂
量赶上。
[0065]图9提供对于在4.7的初始pH处执行的发酵，通过横轴904上的发酵长度比较的纵轴902上的百分比乙醇的实例图。提供曲线用于所测试的代表性引发浓度。如所示，1200至2400ppm乙酸的引物剂量贯穿发酵提供发酵益处。
[0066]图10提供对于在5.2的初始pH处执行的发酵，通过横轴1004上的发酵长度比较的纵轴1002上的百分比乙醇的实例图。提供曲线用于所测试的引发浓度。如所示，1200至2400ppm乙酸的引物剂量贯穿发酵提供轻微的发酵益处。
[0067]除了对乙醇制造产量的作用之外，使用乙酸的引发还对丙三醇制造具有作用。酿酒酵母中丙三醇制造的主要原因(当在葡萄糖上生长时)是由于需要再氧化NADH。这在将来自糖酵解途径的丙酮酸盐导向生物合成反应时(细胞群制造)发生。在乙酸的存在下，(在发酵条件下)，随着大多数ATP (经糖酵解生成)被质膜ATP酶用完以泵出过量的质子(由细胞中的乙酸的解离引起)，减少由ATP的细胞群产量。
[0068]图7提供引发对丙三醇制造的作用的实例结果。在这个实例图中，在纵轴702上标记丙三醇浓度，而横轴704反映乙酸浓度。也以706、708、710分别提供5.2、4.7和4.2的pH浓度的线。
[0069]在这个实例实验中，观察到在引发的样品中存在酵母生物质的大量减少。所有的样品具有约1x107细胞/mL醪液(mash)的初始接种。在88 °F (31.TC) 24小时之后，取出样品，以分析酵母细胞计数。连续稀释样品，并将适当的稀释于酵母提取物-麦芽提取物(YM)琼脂板上铺板。在30°C孵育板，并在48h之后对所形成的集落计数。把结果表示为每毫升集落形成单位(CFU)。
[0070]图12是示出根据一些实施方式的取决于酸引发剂量的细胞生长的实例图。在纵轴1202上指示酵母细胞计数，且在横轴1204上对各个样品提供柱状条。所测试的样品分别包括没有乙酸添加的对照，和以1200ppm和2400ppm处理的样品。
[0071]结果显示，在乙酸存在的情况下，酵母细胞计数存在显著减少。当醪液中的初始乙酸水平是1200和2400ppm乙酸时，分别观察到约24%和32%的细胞计数的减少。
[0072]在一些实施方式中，由于该减少的细胞群产量，还观察到减少的丙三醇产量。因为更多的丙酮酸不用于生物合成反应，丙酮酸盐仍可用于可使NADH再氧化的乙醇制造，从而去除对丙三醇制造的需要。
[0073]最后，在发酵之后测量各个样品的pH。在图11示出的实例图中提供该pH测量的结果。在该实例图中，在纵轴1102上提供发酵之后的样品的pH，且在横轴1104上提供初始pH。还示出指示没有pH变化的虚线。绘制与添加的乙酸的剂量有关的曲线。
[0074]在该实例实验中，在设置为pH4.7且具有0.24%w/v (2400ppm)的初始乙酸浓度的反应器中，在发酵结束时不存在最终PH的较大改变。这很可能是由于乙酸的pKa (4.74)，其使得添加的乙酸表现为发酵体系中的缓冲剂。
[0075]这些结果表明，可在生淀粉水解过程中在发酵开始时在pH4.7以0.12-0.24%w/v(1200-2400ppm)的低浓度使用乙酸。在这些浓度处，乙酸提高发酵的速度，增加最终的乙醇滴度和产量，且显著地减少通过酵母的丙三醇制造。丙三醇的这种减少可通过减少粘结而对DDGS的流动性具有重要的影响。
[0076]实施例2
[0077]在该第二实施例中，尝试了评价乙酸在蔗糖是酵母的主要碳源的甘蔗或糖蜜发酵中的刺激效应。对于这个实施例，使用具有蔗糖的实验室介质。使用的介质是经20%w/v(200g/L)蔗糖补充的酵母提取物-蛋白胨(YP)液体培养基。进行乙酸剂量响应(在500、1000、1500、2000、2500、和3000ppm处)。还包括没有添加乙酸的对照。将发酵罐的pH调整为4.5且在酵母接种之后，在32°C进行30小时的发酵。在30h之后，取出样品，并分析糖、有机酸、和乙醇。还在24h处取出样品，且通过在600nm处的光密度测量监测酵母生长。
[0078]获得的结果表明，如图13所示，当介质中的初始乙酸浓度在2000至2500ppm(2-2.5g/L)时，观察到刺激效应。在纵轴1302上示出百分比乙醇转化效率，且在横轴1304上示出乙酸水平。当使用蔗糖糖源时，高达2500ppm的增加的乙酸浓度似乎对乙醇制造具有相似刺激效应。值得注意的是，在2500ppm浓度之上，乙酸变得抑制发酵，且在这些更高的浓度处效率迅速下降。
[0079]图14示出在发酵24小时之后通过600nm的光密度(OD)测量的酵母细胞群以及经多种水平的乙酸补充的YP蔗糖介质中的最终丙三醇浓度。一个纵轴1402指示与酵母细胞群线性相关的光密度。 第二纵轴1404指示发酵之后的丙三醇水平。横轴1406指示乙酸浓度。
[0080]如所示，当在发酵条件下以这样的低水平使用乙酸时，观察到发酵速度的增加。理由是需要ATP生成，以将过量的质子(由酵母细胞内的乙酸的解离造成的)泵出细胞。由于大部分的ATP被ATP酶使用以泵出过量的质子，对于相似水平的由酵母制造的最终产物(乙醇)，产生较少的细胞群。乙酸存在下的该较少的细胞群引起通过酵母的较少的丙三醇制造。
[0081]实施例3
[0082]在该第三实施例中，确认甲醛的刺激效应。建立标准的实验室冷烹调发酵。如之前的实施例，在水中将玉米粉制成浆料，以组成34%干固体的醪液。将醪液的pH调整为4.5。
[0083]将各种水平的甲醛添加到发酵罐中。在添加生淀粉酶之后接种酵母，并且按照标准的温度分段方案进行88小时的发酵。
[0084]图15是示出取决于甲醛引发剂量的乙醇制造的实例图。在纵轴1502上示出产生的乙醇的百分比，而沿横轴1504示出甲醛水平。结果显示，所测试的甲醛的水平对酵母发酵和乙醇产生是轻微有益的。甲醛的存在影响乙醇产生的初始速度，但是没有不利地影响最终乙醇浓度。注意，在所使用的水平处，在干酒糟中没有检测到甲醛，其为从商用基于玉米的乙醇制造中获得的副产物。
[0085]实施例4
[0086]在该第四实施例中，进一步研究引发时间的影响。在证明低水平初始乙酸对乙醇制造有益时，实施另外的实验以确定将乙酸添加到发酵罐的最佳时机。对乙酸添加的最佳时机的了解可用于使乙醇制造最大化。
[0087]如实施例1和3中所执行的，建立36%干固体的标准实验室冷烹调发酵。在酵母接种之后的不同的时间将不同水平的乙酸添加到发酵罐中。
[0088]图16是示出酵母接种之后的取决于酸引发时间的乙醇产量的实例图。关于纵轴1602示出乙醇产量。在横轴1604上示出酵母接种之后乙酸添加的时间。示出不同的酸浓度的实例。`
[0089]基于获得的结果，当添加乙酸以获得< 1500ppm的初始浓度时，可在酵母接种之后的I至6小时之间的任何时间执行添加，以使乙醇制造最大化。当添加乙酸以获得1900至2300ppm的初始浓度时，可在酵母接种后的I至4小时之间的任何时间执行添加。
[0090]实施例5
[0091 ] 在该最后的实施例中,在商用设施中研究弓丨发的影响，以便估计(gauge)弓丨发结果的可量测性。在商用乙醇制造设施中，认为乙酸对酵母生长和发酵是抑制的。由于乙酸对酵母的作用机制有助于酸在低的添加水平处有刺激作用，在实施冷烹调工艺的商用乙醇制造生物炼制厂处实施实验。使用的乙酸的剂量是320加仑/720，000加仑发酵罐或250加仑/550，000加仑发酵罐且在1.5小时处添加乙酸，填充发酵罐(其是在酵母调节罐的酵母接种之后的约I小时)。基于从实验室规模测试获得的结果、发酵罐填充时间、和酵母在发酵罐填充期间对乙酸的摄取，以及发酵罐填充期间对乙酸浓度引起的稀释，计算工业规模发酵罐的乙酸剂量。使用添加的乙酸(引发的)实施几个批次，并通常在没有额外乙酸的情况下正常实施几个批次。所有的发酵罐中的玉米醪液平均是36%干固体，且对所有测试批次平均发酵时间是79±4小时。
[0092]图17是示出具有和没有酸引发的商用乙醇制造设施中的乙醇制造的实例图。关于纵轴1702示出这些商用发酵的乙醇的百分比。在横轴1704上分别对没有引发和引发的样品提供柱状条。结果指示，具有乙酸的批次中的乙醇制造增加。
[0093]图18是示出这些相同批次的丙三醇制造的实例图。关于纵轴1802示出这些商用发酵所产生的丙三醇的百分比。在横轴1804上对没有引发和引发的样品分别提供柱状条。明显地，这种方式的引发显著地减少丙三醇制造。
[0094]***
[0095]在本申请(包括图和实施例)中公开和描述的实施方式意在说明和解释公开的方面。可以对例如采用(或待采用)的装置和方法以及使用(或待使用)的组成和处理的公开的实施方式进行变更和改变；所有这些变更和改变都意在落入各方面的范围内。
[0096]词语“示例性”是用来表示起到例子、实例、或示例说明的作用。不应必然地将任何描述为“示例性”的实施方式或设计解释为优选或优于其它实施方式或设计，也不意在排除本领域普通技术人员所知的等同的示例性结构和技术。相反地，示例性这个词语的使用是想要以具体的方式呈现概念，且公开的主题不受这些例子所限定。
[0097]术语“或”意在表示包括的“或”而不是排除的“或”。至于在详细的说明书或权利要求中使用的术语“包括”、“具有”、“含有”和其它相似的术语，为免除疑问，这些术语都意为以与术语“包括”相似的方式的包括在内，其作为开放式的承接词而不排除任何额外的或其它的元素。
【权利要求】
1.一种用于提高乙醇产量的方法，包括: 研磨原料以生成磨制物； 使所述磨制物与水和酶结合以产生浆料，其中在所述浆料中所述磨制物中的淀粉转化成糖； 调整所述浆料的PH以促进引发； 将产乙醇者添加到所述浆料中； 通过添加引发剂引发所述浆料；以及 使所述浆料发酵以产生乙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述引发剂是弱酸和甲醛中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料是玉米。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括将玉米分成胚芽、胚乳、和糠。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述原料研磨成大于90%为细料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料包括约35%固体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中调整步骤包括将PH调整为4.2至5.2。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料包括涡流，并且所述涡流的至少一些部分是酒槽水。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述产乙醇者是酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述引发剂是乙酸。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以百万分之1200至3600的浓度添加所述乙酸。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括以百万分之1800至2400的浓度添加所述乙酸。
13.一种用于提高乙醇产量的方法，包括: 研磨原料以产生磨制物； 使所述磨制物与水和酶结合以产生浆料，其中在所述浆料中所述磨制物中的淀粉转化成糖； 去除部分浆料，从而留下剩余浆料； 调整所述部分浆料的PH以促进引发； 将产乙醇者添加到所述部分浆料中； 通过添加引发剂引发所述部分浆料； 使所述部分浆料与所述剩余浆料结合；以及 使所述浆料发酵以产生乙醇。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述引发剂是弱酸和甲醛中的一种。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将所述原料研磨成大于90%为细料。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述原料是玉米。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将玉米分成胚芽、胚乳、和糠。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述浆料包括约35%固体。
19.根据权利要求13所述的方法，其中调整步骤包括将pH调整为4.2至5.2。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述浆料包括涡流，并且所述涡流的至少一些部分是酒槽水。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述产乙醇者是酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述引发剂是乙酸。
23.根据权利要求22所述的方法，其中以所述部分浆料的百万分之1200至2400的浓度添加所述乙酸。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在使所述部分浆料与所述剩余浆料结合之前，使所述部分浆料保持百万分之1200至2400的乙酸至少10分钟。
25.一种用于提高商用规模乙醇工厂中的乙醇产量的方法，包括: 研磨原料以生成磨制物； 使所述磨制物与水和酶结合以产生浆料，其中在所述浆料中所述磨制物中的淀粉转化成糖； 开始用所述浆料填充发酵罐，其中所述发酵罐是200，000至750，000加仑的商用规模； 将产乙醇者添加到所述发酵罐中； 在添加所述产乙醇者之后约30分钟至两个小时，将约100至350磅的乙酸添加到所述发酵te中；` 继续用所述浆料填充所述发酵罐；以及 使所述浆料发酵以产生乙醇。
【文档编号】C12P7/06GK103562399SQ201280020986
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】S·M·路易斯, N·V·纳伦德纳斯 申请人:波伊特研究有限公司