專利名稱：由兩種不同的起始材料制造乙醇的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用至少兩種起始材料制造乙醇，一種起始材料含有木質纖維素材料 并且另一種起始材料富含能發(fā)酵糖、淀粉或者可容易地轉化為能發(fā)酵糖的另一種材料。因 此，乙醇的制造可從整體上基于生物質，例如從整體上基于不同的作物。例如，就玉米植物 而言，能發(fā)酵糖可由玉米穗軸(corn cob)和玉米稈(corn stover)獲得。其它實例分別為 不同類型的谷物和秸稈，并且對于甘蔗來說，分別為榨出的汁液(含有能發(fā)酵糖)和甘蔗 渣。除以上列出那些之外的其它作物也可用作原材料。當然，原材料也可由上述植物和任 意其它合適的作物或者部分作物的混合物組成。
背景技術：
由美國農(nóng)業(yè)部和美國能源部出版(2005年1月校訂)的題為“Feasibility Study for Co-locating and integrating Ethanol Production Plants from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks”的文獻研究涉及上述領域。所述研究針對的是這樣的問題， 即找出可分享主要設備、運行費用和副產(chǎn)物的方案，以尋找與“單一的”使用玉米稈原料的 纖維素設備相比的整體節(jié)約。討論了七種假設方案，其中的兩種(方案6和7)分別涉及將 玉米穗軸和玉米稈加工成能發(fā)酵糖的兩條線路并且隨后合并兩種糖類流。在該報道的第19 頁總結到“方案4 7具有損失DDGS副產(chǎn)物值的缺點。方案5a和b具有降低的乙醇產(chǎn)量 的缺點。方案4與7的比較表明將組合各發(fā)酵沒有益處，可能是因為罐的線性比例。比單 一的秸稈設備經(jīng)濟性更好的唯一的組合方案是方案2、3和5b ；組合的設施、乙醇純化和C6 發(fā)酵與單獨出售的C5物流的組合，這是由于蒸餾設備中有效規(guī)模的經(jīng)濟性和最后一種情 況中C5蒸汽的附加值?！?br>
發(fā)明內容
從如上所述出版物中清晰地看出，不建議本領域技術人員將發(fā)酵步驟中的兩種糖 類流組合。本發(fā)明某些方面的目的是在乙醇生產(chǎn)中，特別是在使用一種含有木質纖維素的起 始材料、和富含能發(fā)酵糖、淀粉或者可容易地轉化為能發(fā)酵糖的其它材料的另一種起始材 料的過程中提高收率。本發(fā)明某些方面的另一目的是提供能量有效的乙醇生產(chǎn)，其進而又有助于使乙醇 的總制造成本最小化。因此，作為本發(fā)明的第一方面的第一配置，提供在由木質纖維素生物質和含有得 自富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，所述方法包 括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的處理以獲得包括 能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和
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使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和得自所述富含糖 材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中，將一定量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如下至少一種混合(i)所述處理中的得自木質纖維素的材料；(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，使得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖和所述至少部分所述得自木質纖維素的 處理產(chǎn)物存在于所述混合物中，并且控制所述各量使得所述發(fā)酵劑以改進乙醇收率的程度 受得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的應激。在本公開內容的上下文中，“木質纖維素生物質”是指含有纖維素、半纖維素和木 質素的有機材料。纖維素和半纖維素是與木質纖維素生物質中的木質素緊密關聯(lián)的碳水化 合物類聚合物。木質纖維素生物質的實例為木材和木材殘渣，城市紙廢物，農(nóng)業(yè)殘渣例如玉 米稈、甘蔗渣和秸稈以及專用的能源作物例如木質草。而且，“富含糖材料”是指具有高含量能發(fā)酵糖的生物質。富含糖材料的實例為甘 蔗、甜菜和甜高粱。因此，“含有得自富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物”可為甘蔗、甜菜或甜 高粱的榨取物。有時候這種榨取物在本領域被稱作“汁液”。所述糖產(chǎn)物也可為糖蜜，其可 通過進一步加工上述榨取物獲得。所述加工可包括濃縮，如果糖產(chǎn)物要在添加到所述方法 中之前儲存則濃縮可以是有益的?？赡苄枰獌Υ?，因為富含糖材料通常可能不是能整年都 有收獲。而且，糖產(chǎn)物可包含結晶的糖。“能發(fā)酵糖”是指可通過發(fā)酵劑例如酵母或細菌而發(fā)酵的糖分子。因此，什么樣 的糖視為“能發(fā)酵糖”可取決于所用的發(fā)酵劑。酵母可例如為釀酒酵母(saccharomyces cerevisiae)或其基因工程變型體，并且細菌可例如為大腸桿菌的基因工程變型體。所述能 發(fā)酵糖包括例如單糖如戊糖和己糖以及二糖。得自纖維素的處理產(chǎn)物的能發(fā)酵糖通常包括 戊糖和己糖。得自富含糖材料的能發(fā)酵糖通常包括己糖單糖和二糖(例如蔗糖)?！疤幚怼?可包括降解木質纖維素生物質的各種步驟。然而，總是進行水解以獲得得自木質纖維素的 能發(fā)酵糖。水解是指這樣的過程，其中大部分多糖降解為能發(fā)酵糖例如單糖。除了得自木質 纖維素的能發(fā)酵糖之外，得自所述“處理”的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物包括能夠使發(fā)酵劑 受應激(stress)的物質(這里也稱作抑制劑)。作為實例，所述“處理”可包括預處理，其 可例如包括施加熱和超壓。在這種預處理中，形成和/或釋放一些抑制劑。而且，所述處理 可包括木質纖維素生物質的浸漬，通常作為處理的第一步驟，即在任何預處理或水解之前。 所述浸漬可包括施加可為液體或氣體的浸漬流體。所述浸漬流體可包括水、酸和/或其它 化學品。例如，所述浸漬流體可為SO2 (水溶液)或SO2 (氣體)。所述浸漬流體可例如通過 噴霧施加。因此，在本公開內容的上下文中，“得自木質纖維素的處理產(chǎn)物”是指在木質纖維 素生物質的水解和任選進行的一種或多種其它處理之后獲得的產(chǎn)物，其中一種或多種其它 處理的目的也是降解或者促進降解木質纖維素生物質。這種“其它處理”的實例為破壞木 質纖維素生物質的結構從而使其中的纖維素可進行后續(xù)的水解的預處理。“發(fā)酵”是指能發(fā)酵糖到乙醇的生物學轉化。在發(fā)酵中采用“發(fā)酵劑”。本發(fā)明的 發(fā)酵劑是指能夠將單糖和/或二糖轉化為乙醇的微生物。所述微生物可為野生型或通過基因工程得到的。而且，所述微生物可為選定具有某種或多種有利于乙醇生產(chǎn)的性質的突變 體。因此，所述發(fā)酵劑可為酵母例如釀酒酵母，或者細菌。所述“發(fā)酵劑”也可為多種發(fā)酵 劑的混合物。所述發(fā)酵劑能夠發(fā)酵戊糖。進行發(fā)酵的混合物包括至少部分所述得自木質纖維素的水解產(chǎn)物和得自所述富 含糖材料的所述能發(fā)酵糖。結果，所述混合物包含得自兩種不同起始材料的能發(fā)酵糖。如 果所述方法包括同時進行的糖化和發(fā)酵，則所述混合物還包含通過酶降解為能發(fā)酵糖的纖 維素多糖。在混合所述得自纖維素材料和所述糖產(chǎn)物時確定所述混合物不同組分的比例。這 種混合可在處理的任何階段期間進行，在處理之后進行，或者在發(fā)酵期間進行。因此，可在 得自纖維素的材料的纖維素和半纖維素降解為能發(fā)酵糖之前或之后將糖產(chǎn)物與得自纖維 素的材料混合。通過控制混合中的量，也控制了所述混合物中得自木質纖維素的處理產(chǎn)物 的濃度。在混合中提供較高量的得自木質纖維素的材料將通常導致混合物中較高比例的得 自木質纖維素的處理產(chǎn)物。一些得自木質纖維素的處理產(chǎn)物使發(fā)酵劑受應激。如果它們在發(fā)酵中的濃度過 高，則抑制發(fā)酵劑并且降低乙醇收率。然而，在較低的濃度下，它們刺激發(fā)酵劑以產(chǎn)生更多 的乙醇。因此，可通過控制混合中的各量確定發(fā)酵劑受應激的程度。在純的木質纖維素水解產(chǎn)物(即，只有木質纖維素生物質的水解產(chǎn)物)中，關注的 得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的濃度通常過高而不能實現(xiàn)優(yōu)化結果。就是說通常得到抑制效 果。相反，在糖產(chǎn)物或富含淀粉生物質的水解產(chǎn)物中(參見以下)，關注的得自木質纖維素 的處理產(chǎn)物的濃度過低而不能將發(fā)酵劑刺激到顯著程度。因此，以受控制的量混合得自兩 種起始材料的材料將提高乙醇收率。乙醇收率是指發(fā)酵之后分別由得自木質纖維素的材料 和糖產(chǎn)物的量獲得的總乙醇量。因此，關注的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的濃度對應于提供的木質纖維素生物質 的量，但是它們也取決于所用預處理和糖化工藝的類型。因此，可確定各個給定工藝中木質 纖維素生物質的最佳量。使用通常一般的知識和本發(fā)明的教導，本領域技術人員可沒有過 度負擔地進行這種優(yōu)化。例如，本領域技術人員可改變混合中木質纖維素生物質的比例并 且測量所得乙醇收率。為了確定上述方法是否導致乙醇收率提高，待評價的參數(shù)可為由各給定量的得自 木質纖維素的材料和糖產(chǎn)物產(chǎn)生的乙醇的量。在以上方法中，對一定量的木質纖維素生物質進行預處理、水解和發(fā)酵，并且在任 意階段加入一定量的糖產(chǎn)物，條件是其存在于發(fā)酵中。這種包括共同發(fā)酵的方法的收率可 與包括分開發(fā)酵的參照方法比較。在這種參照方法中，以相同的方式預處理、水解和發(fā)酵相 同類型的木質纖維素生物質，但是不添加糖產(chǎn)物。替代地，在參照方法中分開發(fā)酵相同量的 相同類型的糖產(chǎn)物。參照方法中提供的量與待比較乙醇收率的方法中的量相同。而且，在 比較中，在各情況中使用相同類型的發(fā)酵劑。因此，盡量使待比較收率的方法的條件與參照 方法的條件相同。如果成功地控制所述各量，包括共同發(fā)酵的方法的乙醇收率將高于包括 兩個分開發(fā)酵的參照方法的乙醇收率。因此，在第一方面的第一配置方法的實施方式中，可控制所述各量使乙醇收率高 于相同量的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和糖產(chǎn)物使用發(fā)酵劑分開進行發(fā)酵并且所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物通過相同處理相同類型的木質纖維素生物質獲得的情況下的乙醇 收率。在這些實施方式中，乙醇收率可為高出至少1%，例如高出至少2%，例如高出至少 5%，例如高出至少8% (參見例如表2)。木質纖維素處理產(chǎn)物通常包括抑制劑糠醛、乙酸和羥甲基糠醛(5_(羥甲基)糠 醛，HMF)。本發(fā)明人意識到，木質纖維素處理產(chǎn)物的這些組分提供至少部分的發(fā)酵劑受應激 效應。而且，本發(fā)明人已經(jīng)找到了上述抑制劑的特定濃度范圍，其對應于進行發(fā)酵的混合物 中得自木質纖維素的材料的有益比例。而且，本發(fā)明人相信HMF和糠醛的存在以積極的方式影響發(fā)酵，但是它們在相當 低的濃度(約ig/ι)下變?yōu)橐种平湍?。而且，本發(fā)明人相信，乙酸在三者中提供最有價值的 貢獻，并且在得自木質纖維素的水解產(chǎn)物中通常升高的乙酸濃度不會減少乙醇生產(chǎn)。然而， 乙酸濃度應該優(yōu)選保持在低于8g/l，因為這種濃度或更高的濃度顯示出抑制發(fā)酵。作為實 例，在表2中顯示了，0. 72g/l的乙酸濃度、0. 66g/l的糠醛濃度和0. 15g/l的HMF濃度對應 于特別提高的收率。因此，作為第一方面的第二配置，提供在由木質纖維素生物質和含有得自富含糖 材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的處理以獲得包括 能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和使用發(fā)酵劑使包含至少部分的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和得自所述富含 糖材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中，將一定量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如下至少一種混合(i)所述處理中的得自木質纖維素的材料；(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，使得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖和所述至少部分所述得自木質纖維素的 處理產(chǎn)物存在于所述混合物中，并且控制所述各量使得所述混合物包含a)濃度為0. 1 1. lg/Ι的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或 更低的HMF，或者b)濃度為1. lg/Ι或更低的糠醛、濃度為2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更 低的HMF。例如，可控制所述各量使得各濃度在發(fā)酵初始階段中在上述范圍內，特別是當在 發(fā)酵前已經(jīng)進行混合的情況下?；蛘撸绻诎l(fā)酵期間加入糖產(chǎn)物，可控制所述各量使得濃 度在添加所有量的糖產(chǎn)物之后在上述范圍內。在應用a)的情況的實施方式中，糠醛濃度為0. 2 0. 9g/l，乙酸濃度為0. 35 8. Og/Ι或更高和/或HMF濃度為0. 015 0. 75g/l。在應用b)的情況的實施方式中，糠醛濃度為0. 9g/l或更低，HMF濃度為0. 015 0. 75g/l并且乙酸濃度不高于8g/l。因此，所述混合物優(yōu)選為溶液或懸浮液的形式。也可控制所述方法中提供的各量使得進行發(fā)酵的特定比例的能發(fā)酵糖得自木質 纖維素生物質。
因此，作為第一方面的第三配置，提供在由木質纖維素生物質和含有得自富含糖 材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的處理以獲得包括 能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和得自所述富含糖 材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中，將一定量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如下至少一種混合(i)所述處理中的得自木質纖維素的材料；(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，使得得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖和所述至少部分的所述得自木質纖維 素的處理產(chǎn)物存在于所述混合物中，并且控制所述各量使得所述混合物中20 80重量％ 的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。在甘蔗中，約50%的能發(fā)酵糖可作為木質纖維素生物質獲得，并且約50%作為糖 獲得。而且，本發(fā)明人認為，如果大部分的能發(fā)酵糖得自富含糖材料，例如甘蔗情況下的榨 取物，則其可為有利的。也參見表2。因此，在一些實施方式中，控制所述各量使得所述混合物中30 70重量％的能發(fā) 酵糖是得自木質纖維素的。在進一步的實施方式中，控制所述各量使得所述混合物中30 60重量％或40 60重量％的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。第一方面的第一、第二和/或第三配置可組合。因此，第一方面的方法可包括第一 和第二配置的特征、第一和第三配置的特征、第二和第三配置的特征或者第一、第二和第三 配置的特征。在第一方面的實施方式中，處理中的水解可包括酶水解。而且，在這種實施方式 中，水解和發(fā)酵可例如在共用的容器中同時進行。同時水解和發(fā)酵(或者同時糖化和發(fā)酵) 有時在本文中稱作“SSF”。在SSF中，通過發(fā)酵劑連續(xù)發(fā)酵由酶產(chǎn)生的能發(fā)酵糖，因此保持 低的糖濃度。這是有利的，因為許多糖化酶被產(chǎn)生的糖(即，它們自身的產(chǎn)物)所抑制。另 一益處在于所述發(fā)酵劑可在一定程度上使溶液/懸浮液解毒，這改進了酶水解。而且，在第一方面的各實施方式中，所述木質纖維素生物質可包括甘蔗渣和任選 的甘蔗廢料，并且所述富含糖材料可為包含蔗糖的榨取物。因此，一種植物(例如甘蔗)的 不同部分可用作所述方法中的起始材料，這可得到高的每英畝乙醇收率。因此，所述方法可進一步包括榨取甘蔗以獲得所述甘蔗渣和所述榨取物。條件是， 在這種榨取之前制備甘蔗。例如，可將它們切開以促進有效的榨取。通常，有利的是在所述方法中晚些時候加入糖產(chǎn)物。例如，如果在預處理或水解之 前加入，則所述糖產(chǎn)物的糖可在這種方法步驟期間降解。因此，在第一方面的方法的各實施方式中，將所述量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如 下物質混合(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和/或(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物。
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在采用同時水解和發(fā)酵SSF情況下，在整個SSF期間連續(xù)加入糖產(chǎn)物可以是有利 的，因為水解酶對于高糖濃度會是敏感的。而且，優(yōu)選在SSF的初發(fā)期之后開始這種連續(xù)添 加。而且，不論是否使用SSF，在至少部分的發(fā)酵期間連續(xù)添加糖產(chǎn)物可以是有利的， 因為如果存在己糖和二糖，但是是在低濃度下，則更高程度地發(fā)酵戊糖例如木糖。大部分發(fā) 酵劑將己糖和二糖轉化為乙醇的比例高于將戊糖轉化為乙醇的比例。然而，如果使戊糖的 相對濃度在發(fā)酵期間是高的，則戊糖在這期間具有競爭優(yōu)勢，因此以高于本來會出現(xiàn)的情 況的程度轉化為乙醇，并且將提高整體的乙醇收率。例如，可加入糖產(chǎn)物使發(fā)酵或SSF中的葡萄糖濃度保持為1 5g/l，例如2 3g/ 1。在間歇過程中，葡萄糖濃度可在至少50 %的停留時間內，例如在至少75 %的停留時間內 保持在上述范圍內。因此，在第一方面的方法的實施方式中，在用于發(fā)酵和任選水解的容器中進行發(fā) 酵，在所述容器中將所述量的所述糖產(chǎn)物與所述量的所述得自纖維素的處理產(chǎn)物混合，并 且在糖產(chǎn)物的任何加入之前將至少75重量％的所述量的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物 加入所述容器。可這樣進行使葡萄糖濃度在上述范圍內。在實施方式中，在糖產(chǎn)物的任何加入之前將至少90重量％的所述量的所述得自 木質纖維素的處理產(chǎn)物加入所述容器。如上所述相同的原理也可應用于其中第一起始材料為木質纖維素生物質并且第 二起始材料為富含淀粉生物質的情況。因此，作為第二方面的第一配置，提供在由木質纖維素生物質和富含淀粉生物質 制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的第一處理以獲得 包括能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；在一個或多個步驟中對所述富含淀粉生物質進行包括水解的第二處理以獲得得 自淀粉的能發(fā)酵糖；和使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和至少部分得自所 述淀粉的能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中在發(fā)酵中或發(fā)酵前將一定量的得自木質纖維素的材料與一定量的得自所述 富含淀粉生物質的材料混合，使得所述至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和所述至 少部分得自所述淀粉的能發(fā)酵糖存在于混合物中，并且控制所述各量使得所述發(fā)酵劑以改進所述乙醇收率的程度受得自木質纖維 素的處理產(chǎn)物的應激。因此，第一和第二處理的一個或多個步驟可以是共同的。就是說，混合之前第一和 第二處理的所有步驟都是分離的，并且混合之后的步驟是共同的。因此，得自富含淀粉生物 質的材料和得自木質纖維素的材料可分開或者共同水解。因此，在一些實施方式中，第一和 第二處理分開進行，并且含有得自富含淀粉生物質的材料的物流和含有得自木質纖維素的 材料的物流在發(fā)酵中合并，或者恰好在發(fā)酵前合并。關于第一方面的推理以及第一方面的各種實施方式和實例在作出必要修正的情 況下也適用于第二方面。
“富含淀粉生物質”是指其中大部分糖類為淀粉形式的生物質。富含淀粉生物質的 實例為玉米穗軸和谷物。如上述糖產(chǎn)物那樣，富含淀粉材料的水解產(chǎn)物通常不包含使發(fā)酵 劑刺激以提高乙醇生產(chǎn)的程度的應激誘導產(chǎn)物。因此，如果合適地控制所述各量，當?shù)米缘?粉衍生的材料與得自木質纖維素的材料一起發(fā)酵時得到提高的乙醇生產(chǎn)。為了確定所述方法是否產(chǎn)生提高的乙醇收率，要評價的參數(shù)可為由給定量的得自 木質纖維素的材料和糖產(chǎn)物產(chǎn)生的乙醇的量。這與第一方面的相關描述一致。因此，可控制第二方面的各量使得乙醇收率高于如下的情況使用發(fā)酵劑分別使 通過對相同木質纖維素生物質進行相同第一處理而獲得的相同量的所述得自木質纖維素 的處理產(chǎn)物和通過對相同類型的富含淀粉材料進行相同第二處理而獲得的得自所述淀粉 的能發(fā)酵糖進行發(fā)酵。在這些實施方式中，乙醇收率可為高出至少1%，例如高出至少2%， 例如至少5%或高，例如高出至少8% (參見例如表2)。與第一方面的相關描述一致，作為第二方面的第二配置，提供在由木質纖維素生 物質和富含淀粉生物質制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的第一處理以獲得 包括能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；在一個或多個步驟中對所述富含淀粉生物質進行包括水解的第二處理以獲得得 自淀粉的能發(fā)酵糖；使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和至少部分得自所 述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中在發(fā)酵中或發(fā)酵前將一定量的得自木質纖維素的材料與一定量的得自所述 富含淀粉生物質的材料混合，使得所述至少部分的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和所述 至少部分得自所述淀粉的能發(fā)酵糖存在于混合物中，并且控制所述各量使得所述混合物包含a)濃度為0. 1 1. lg/Ι的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或 更低的HMF，或者b)濃度為1. lg/Ι或更低的糠醛、濃度為2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更 低的HMF。例如，可控制所述各量使得濃度在發(fā)酵初始階段中在上述范圍內，特別是當在發(fā) 酵前已經(jīng)進行混合時?；蛘?，如果在發(fā)酵期間加入得自淀粉的產(chǎn)物，可控制所述各量使得各 濃度在添加所有量的得自淀粉的產(chǎn)物之后在上述范圍內。在應用a)的情況的實施方式中，糠醛濃度為0. 2 0. 9g/l，乙酸濃度為0. 35 8g/l或更高，和/或HMF濃度為0. 015 0. 75g/l。在應用b)的情況的實施方式中，糠醛濃度為0. 9g/l或更低，HMF濃度為0. 015 0. 75g/l，和/或乙酸濃度不高于8g/l。因此，所述混合物優(yōu)選為溶液或懸浮液的形式。而且，作為第二方面的第三配置，提供在由木質纖維素生物質和富含淀粉生物質 制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的第一處理以獲得 包括能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；
在一個或多個步驟中對所述富含淀粉生物質進行包括水解的第二處理以獲得得 自淀粉的能發(fā)酵糖；使用發(fā)酵劑使包含至少部分的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和至少部分得自 所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中在發(fā)酵中或發(fā)酵前將一定量的得自木質纖維素的材料與一定量的得自所述 富含淀粉生物質的材料混合，使得所述至少部分的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和所述 至少部分得自所述淀粉的能發(fā)酵糖存在于混合物中，并且控制所述各量使得所述混合物中20 80重量％的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。富含淀粉材料和纖維素材料的混合物中的各種比例如表2所示。因此，在一些實施方式中，控制所述各量使得所述混合物中30 70重量％的能發(fā) 酵糖是得自木質纖維素的。在進一步的實施方式中，控制所述各量使得所述混合物中30 60重量％或者 40 60重量％的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。第二方面的第一、第二和/或第三配置可組合。因此，第二方面的方法可包括第一 和第二配置的特征、第一和第三配置的特征、第二和第三配置的特征或者第一、第二和第三 配置的特征。在第二方面的實施方式中，第一處理中的水解和任選第二處理中的水解包括酶水解。而且，在第二方面的實施方式中，第一和第二處理中的水解和發(fā)酵例如在共同的 容器中同時進行(即SSF)。因此，在這些實施方式中，在水解前將得自木質纖維素的材料和 得自富含淀粉生物質的材料混合。這些實施方式的益處如上所述。可通過淀粉水解酶例如 淀粉酶的供應量控制這種SSF中的糖濃度。因此，可調節(jié)淀粉水解酶的添加使得SSF中的 葡萄糖濃度在如上所述的與第一方面相關的范圍內。而且，在第二方面的實施方式中，所述木質纖維素生物質可為秸稈并且所述富含 淀粉材料可為谷物。因此，所述方法的兩種起始材料可由相同的植物提供，這得到了高的每 英畝乙醇收率。第一和/或第二處理可包括水解前的預處理。這種預處理在第一處理中可以是特 別有利的，因為木質纖維素生物質的組成使其難以水解。因此，在第二方面的實施方式中， 第一處理可包括水解前的預處理并且混合可在預處理之后進行。在第一和第二方面的實施方式中，所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物可包括糠醛、 乙酸和/或HMF。在第一或第二方面的實施方式中，所述方法可包括在線測量與發(fā)酵相關的參數(shù)以 獲得的數(shù)值，當控制所述各量時使用該數(shù)值。一種或多種得自纖維素的處理產(chǎn)物的濃度是 這種參數(shù)的實例。測量可例如在發(fā)酵期間進行。作為實例，可在發(fā)酵中測量乙酸的濃度以 獲得乙酸值。如果這種乙酸值低于預定參考值，則可在混合中提高得自木質纖維素的材料 的比例，和/或如果乙酸值高于另一預定參考值，則可在混合中減少得自木質纖維素的材 料的比例。以類似的方式，可測量更復合的值并且將其與混合中提供的各量關聯(lián)。例如，這 種復合值可通過NIR光譜學測量?？梢虼松婕暗谖宸矫娴南到y(tǒng)。
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從如上所述得出，得自木質纖維素的材料可用于提高糖產(chǎn)物或得自富含淀粉生物 質的材料的發(fā)酵能力。將得自木質纖維素的處理產(chǎn)物加入含有得自糖產(chǎn)物的或者得自淀粉 的能發(fā)酵糖的溶液或懸浮液提高了所述溶液或懸浮液的發(fā)酵能力。因此，作為本發(fā)明的第三方面，提供得自木質纖維素的材料用于改進得自富含淀 粉生物質的能發(fā)酵產(chǎn)物或者含有得自富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物的發(fā)酵能力的用途。在第三方面的上下文中，“得自木質纖維素的材料”是任選經(jīng)預處理和任選經(jīng)水解 的木質纖維素生物質，其包含得自木質纖維素的處理產(chǎn)物或者能夠在預處理和/或水解期 間釋放得自木質纖維素的處理產(chǎn)物。例如，第三方面的得自木質纖維素的材料可為包含糠醛、乙酸和/或HMF的得自木 質纖維素的水解產(chǎn)物。而且，第三方面的能發(fā)酵產(chǎn)物可為溶液或懸浮液。例如，所述能發(fā)酵產(chǎn)物可為來自 甘蔗壓榨的汁液或者任選稀釋的糖蜜?！鞍l(fā)酵能力”是指某物質能夠發(fā)酵為乙醇的程度。發(fā)酵能力可根據(jù)如下所述方法中 的任意一種進行測量。優(yōu)選地，采用根據(jù)0hgren等人的方法。根據(jù)本發(fā)明的上下文本領域 技術人員理解如何適用其中所述的發(fā)酵能力測量方法。例如，所述方法可按如下適用將待測量發(fā)酵能力的產(chǎn)物(例如溶液或漿料)過濾并且使用20% Ca (OH)2溶液將 PH調節(jié)為5. 5。然后，通過添加葡萄糖或稀釋將能發(fā)酵糖的濃度調節(jié)至50g/l。所有的發(fā) 酵實驗都進行兩次。發(fā)酵能力實驗中使用的酵母的初始濃度為5g DM/L。所述酵母可為釀 酒酵母(例如Jastbolaget，R0tebr0，Sweden的普通烘烤酵母)或者可根據(jù)本發(fā)明采用的 并且本領域技術人員認為是合適的任意其它酵母。工作容積20ml的25ml玻璃燒瓶用于發(fā) 酵由185ml濾液和ImL接種物(含有IOOg干物質酵母/L)組成的混合物。加入05mL體積 的營養(yǎng)素以得到如下最終濃度05g/l (NH4)2HP04、0.025g/l MgSO4 ·7Η20、0· lmol/L NaH2PO4, 和lg/1酵母提取物。用橡皮塞密封該燒瓶，并且將皮下注射針插入該橡皮塞以除去產(chǎn)生的 CO2和取出樣品。將所述燒瓶在30°C下溫育24小時并且可在0、2、4、6、8和24小時之后取 出樣品，并且分析乙醇和任選分析葡萄糖。通過在24小時之后測量樣品中的乙醇濃度來確 定發(fā)酵能力。得自木質纖維素的材料的添加使得產(chǎn)物的發(fā)酵能力提高，所述得自木質纖維素的 材料產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物中刺激發(fā)酵劑的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物。在第三方面的優(yōu)選實施方式中，所述能發(fā)酵產(chǎn)物為甘蔗榨取物或者甘蔗糖蜜，并 且木質纖維素材料為甘蔗渣水解產(chǎn)物。制造含乙醇產(chǎn)物中的中間產(chǎn)物是待進行發(fā)酵的組合物。這種組合物包含受發(fā)酵劑 刺激的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物。因此，作為本發(fā)明第四方面的第一配置，提供包含一種組合物，其包含包含得自木質纖維素的能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，和包含得自富含淀粉或富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物，其中所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的量使得所述組合物的發(fā)酵能力高于所述 糖產(chǎn)物的發(fā)酵能力。如上所述，可根據(jù)如下所述方法中的任意一種測量發(fā)酵能力。所述組合物和糖產(chǎn) 物的發(fā)酵能力可優(yōu)選根據(jù)以上概括的適應步驟平行地進行發(fā)酵?？赏ㄟ^比較24小時之后所述組合物的樣品中乙醇濃度與24小時之后所述糖產(chǎn)物的樣品中乙醇濃度來確定相對的 發(fā)酵能力。通常，可將混合漿料(含有得自木質纖維素的材料和得自高糖材料或高淀粉材料 的材料)的發(fā)酵能力與純漿料(含有得自高糖材料或高淀粉材料的材料)的發(fā)酵能力進行 比較以顯示提高的乙醇收率。所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物可包含抑制劑糠醛、乙酸和/或HMF，并且可通過 抑制劑濃度限定所述組合物中各組分的比例。這在以上連同第一方面進行了進一步的討 論。因此，作為第四方面的第二配置，提供包含如下的組合物包含得自木質纖維素的能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，和包含得自富含淀粉或富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物，其中得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的量使得所述組合物包含a)濃度為0. 1 1. lg/Ι的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或 更低的HMF，或者b)濃度為1. lg/Ι或更低的糠醛、濃度為2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更 低的HMF。在根據(jù)第四方面的第二配置的組合物中，基本上所有的糠醛、乙酸和HMF將通常 由得自木質纖維素的處理產(chǎn)物提供，因為這些物質的濃度在第四方面的糖產(chǎn)物中非常低。在應用a)的一些實施方式中，糠醛濃度可為0.2 0.9g/l，乙酸濃度為0.35 8g/l 和 / 或 HMF 濃度為 0. 015 0. 75g/l。在應用b)的一些實施方式中，糠醛濃度可為0. 9g/l或更低，HMF濃度為0. 015 0. 75g/l和/或乙酸濃度不高于8g/l。而且，如果所述組合物也可限定各組分之間的關系，則各組分提供糖的量。因此，作為第四方面的第三配置，提供包含如下的組合物包含得自木質纖維素的能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，和包含得自富含淀粉或富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物，其中所述得自木質纖維素處理產(chǎn)物的量使得所述組合物的20 80重量％能發(fā)酵 糖是得自木質纖維素的。剩余的能發(fā)酵糖可得自富含淀粉或富含糖材料，但是也得自不是得自木質纖維素 的另一組分。在各實施方式中，所述組合物的30 70重量％，例如30 60重量％，例如40 60重量％能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。第四方面的第一、第二和/或第三配置可組合。第四方面的組合物可由此包括第 一和第二配置、第一和第三配置、第二和第三配置或者第一、第二和第三配置的所有特征。在各實施方式中，所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物可為得自木質纖維素的水解產(chǎn) 物，例如得自甘蔗渣的水解產(chǎn)物。作為本發(fā)明的第五方面，提供由甘蔗制造含乙醇產(chǎn)物的系統(tǒng)。例如，當實施第一方 面的方法或者第三方面的用途時可使用所述系統(tǒng)。用于由甘蔗制造含乙醇產(chǎn)物的系統(tǒng)包括
用于榨取任選經(jīng)分解的甘蔗以獲得甘蔗渣和包含蔗糖的榨取物的榨取單元；用于預處理所述甘蔗渣以獲得經(jīng)預處理的甘蔗渣的預處理單元；用于輸送所述甘蔗渣的第一輸送裝置(transportation arrangement)，該第一輸 送裝置與所述榨取單元和所述預處理單元連接；用于分開或者同時水解和發(fā)酵的水解和發(fā)酵裝置，在其中產(chǎn)生含乙醇產(chǎn)物；用于輸送所述經(jīng)預處理的甘蔗渣的第二輸送裝置(transportation arrangement)，其與所述預處理單元以及所述水解和發(fā)酵裝置連接； 用于接收榨取物或得自榨取物的糖產(chǎn)物的蔗糖入口，該入口設置在所述預處理單 元、所述第一輸送裝置、所述水解和發(fā)酵裝置或者所述第二輸送裝置上使得所述榨取物或 蔗糖產(chǎn)物可進行發(fā)酵，用于輸送所述榨取物的第三輸送裝置(transportation arrangement)，其上任選 地設置一個或多個糖加工單元和/或用于容納榨取物或得自榨取物的糖產(chǎn)物的蔗糖儲庫， 該第三輸送裝置與所述榨取單元和蔗糖入口連接，其中所述第一輸送裝置不同于所述第三輸送裝置。所述水解和發(fā)酵裝置可包括兩個分別用于水解和發(fā)酵的分開的容器。分開的水解 容器可適用于酶或酸水解。在后一種情況中，該水解容器應該優(yōu)選設計為承受高壓、高溫和 低PH?；蛘撸淇砂ㄓ糜谕瑫r水解和發(fā)酵的單一容器。在這種情況下，所述容器可適用于 酶水解。如上所述，在整個發(fā)酵過程期間提供糖產(chǎn)物以控制發(fā)酵中能發(fā)酵糖的濃度可以是 有利的。因此，在第五方面的實施方式中，將蔗糖入口設置在所述水解和發(fā)酵裝置或者所述 第二輸送裝置上。如果在分開的容器中進行水解和發(fā)酵，則蔗糖入口優(yōu)選設置在水解容器 的下游。在第五方面的實施方式中，所述系統(tǒng)可進一步包括使甘蔗解體的粉碎機，該粉碎 機與所述榨取單元連接。所述系統(tǒng)可適用于酶水解期間的低糖濃度和/或戊糖發(fā)酵。因此，在第五方面的 實施方式中，所述水解和發(fā)酵裝置可包括用于產(chǎn)生含乙醇產(chǎn)物的發(fā)酵容器，和任選的用于水解經(jīng)預處理的甘蔗渣的分開的水解單元，所述糖入口設置在所述發(fā)酵容器上，并且用于接收得自甘蔗渣的材料的第二入口設置在所述發(fā)酵容器上，所述第二入口與 所述第二輸送裝置連接，任選地，所述第二入口經(jīng)由所述水解單元與所述第二輸送裝置連 接。而且，一些產(chǎn)生的甘蔗渣可用于制造蒸汽，其進而又可應用于含乙醇產(chǎn)物的蒸餾。因此，在第五方面的實施方式中，所述系統(tǒng)可進一步包括用于蒸汽產(chǎn)生的煮沸器，該煮沸器與所述榨取單元連接使得其可接收甘蔗渣，和用于蒸餾含乙醇產(chǎn)物的蒸餾裝置，其中所述煮沸器與所述蒸餾裝置連接使得該蒸 餾裝置可接收來自該煮沸器的蒸汽。本發(fā)明也提供如下項目。以下是本發(fā)明一些實施方式的非限制性和細化的列舉，其呈現(xiàn)是為了提供各種特征和組合。1.通過發(fā)酵，即通過使用發(fā)酵劑，由含糖類的溶液/懸浮液制造乙醇的方法，其中 待進行發(fā)酵的所述含糖類的溶液/懸浮液由來自至少兩種糖類收取工藝的材料流的混合 物組成，各工藝是基于木質纖維素材料A、富含淀粉材料B和富含糖材料C形式的分開的原 材料，并且得自木質纖維素材料的所述糖類材料A總是所述混合物的一部分，其特征在于控制加入以包含在所述混合物中的含有糖類材料A的溶液/懸浮液的 量以使發(fā)酵劑受應激，得到以獲得超過1并且總計至多1. 25的應激因子(stress factor) 程度的乙醇收率提高，其中應激因子定義為糖類材料混合物的發(fā)酵能力(根據(jù)標準方法測 量)與根據(jù)B和/或C的糖類材料的發(fā)酵能力(根據(jù)標準方法測量)之比。2.項目1的方法，其中控制加入以成為部分所述混合物的包含糖類材料A的溶液 /懸浮液的量，使獲得的應激因子為1.05 1.20。3.項目1和2的方法，其中控制加入到所述混合物的包含糖類材料A的溶液/懸 浮液的量，使在獲得特定應激因子的同時最小化或者優(yōu)選排除分開的水加入，所述分開的 水加入對只從材料B和/或C收取糖是必須的。4.項目1、2和3的方法，其中所述起始材料由玉米穗軸(=富含淀粉材料B)和玉 米稈(=木質纖維素材料A)組成。5.項目1、2和3的方法，其中所述起始材料由谷物(=富含淀粉材料B)和秸稈 (=木質纖維素材料A)組成。6.項目1、2和3的方法，其中所述起始材料由榨取的甘蔗溶液(=富含糖材料C) 和甘蔗渣(=木質纖維素材料A)組成。7.項目1 6的方法，其中剛好在發(fā)酵步驟之前或者在發(fā)酵步驟中所述至少兩種 材料流合并和形成混合物。8.項目1 6的方法，其中在發(fā)酵步驟之前的處理步驟中所述至少兩種材料流合 并和形成混合物。9.項目1 8的方法，其中所述發(fā)酵劑由酵母組成。10.項目9的方法，其中所述酵母是釀酒酵母類型。11.項目1 8的方法，其中所述發(fā)酵劑不是酵母，而是由一種或多種其它微生物 組成，所述微生物具有受到木質纖維素材料的預處理中形成的物質的應激以給出提高的乙 醇收率的能力。12.項目1 5和7 11的方法，其中，除了發(fā)酵劑之外，在所述發(fā)酵步驟期間存 在將剩余淀粉轉化為能發(fā)酵糖的至少一種酶。以下更具體地描述本發(fā)明的一些發(fā)現(xiàn)，有時候引用上述的項目。上述表述“發(fā)酵能力”是指溶液中有多少能發(fā)酵糖在標準條件下在24小時內轉 化為乙醇。通過標準方法進行測量。這種標準方法描述于文獻中的許多地方，例如App. Biochem. Biotech. 2002，98-100，5-21，Soderstr5m 等人；Biomass Bioenergy 2003,24,
475-486，S6derstr5m 等人；A卯· Biochem. Biotech. 2005，121—124，1055—1067，Ohgren等
人。本領域技術人員理解如何將根據(jù)任意一篇參考文獻的標準方法應用于以上項目的情 況。優(yōu)選地，將所述各材料流混合，使得獲得的應激因子為1. 05 1. 20。
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然而，本領域技術人員理解，所述應激因子的上限對于所述方法來說不是必需的。 當然超過1. 25的應激因子也可以是有利的。如前所述，應激因子與所述混合物發(fā)酵的乙醇收率有直接關聯(lián)。在木質纖維素材料的降解中，得到包含戊糖和己糖(戊糖來自半纖維素，己糖來 自半纖維素和以上葡萄糖形式的所有纖維素)的溶液/懸浮液。除了戊糖和己糖之外，所 述溶液包含大量的其它化學物質，其中一些有時候稱作抑制劑。這是因為這些物質超過特 定濃度時會抑制酵母，首先導致降低的生長，并且在更高的濃度下導致乙醇收率下降。在所 述混合物中一種或多種特定抑制劑的濃度非常高的情況下乙醇收率可降為零。一些抑制劑 是已知的，例如乙酸、糠醛和HMF。許多抑制劑可能還沒有被發(fā)現(xiàn)，因為它們的化學結構是未 知的。本文中顯示，如果允許由木質纖維素材料釋放的抑制劑以合適的濃度，即以不是過高 的量存在于含糖類的溶液/懸浮液中，則將影響酵母使得特定量的糖類產(chǎn)生更多的乙醇， 即上述結果使酵母受應激。由于應激，酵母不得不產(chǎn)生更多的能量，即ATP(三磷酸腺苷)， 它將通過制造乙醇得到所述能量。以上項目的核心是將得自木質纖維素材料的糖類材料A 與合適比例的根據(jù)B和/或C的糖類材料混合，其中所述糖類材料A具有其一種或多種抑 制劑成分。當糖類是從富含淀粉材料和富含糖材料獲得的時，使用水進行稀釋等。所述水 被得自木質纖維素材料的含糖溶液/懸浮液取代得越多，則制造特定量乙醇所消耗的能量 越少。這是因為發(fā)酵后含乙醇產(chǎn)物的濃度越高，即含乙醇溶液中存在的水越少，則將所述溶 液的溫度提高到蒸發(fā)或蒸餾溫度需要的能量越少。如果之后除去來自糊料的所有水以獲得 干燥固體殘留物，則將實現(xiàn)進一步的能量節(jié)約。如果將從木質纖維素材料收取糖類的常規(guī) 單一線路過程與根據(jù)以上項目的方法相比，則在溶液或懸浮液中根據(jù)以上項目獲得的得自 木質纖維素材料的糖類的量大于沒有進行材料流混合的情況?？偠灾?，這帶來了能量節(jié) 約。以上列舉了糖類收取的起始材料。而且，以上進一步地描述了，至少在開始時，糖 類收取在至少兩種不同的制造線路中進行。剛好在發(fā)酵步驟前或者最晚在發(fā)酵步驟中將至少兩種材料流合并并且形成混合 物。根據(jù)所述項目，優(yōu)選在發(fā)酵步驟前的處理步驟中將至少兩種材料流合并并且形成混合 物?？梢匀缦路绞竭M行由富含糖材料例如甘蔗制造乙醇。在所述方法的第一步中，將 甘蔗切碎。此后，通過例如軋制機破壞切碎材料中的糖細胞，加入水以榨取盡可能多的糖而 不過多稀釋糖汁。將固體即甘蔗渣與糖汁分離，此后通過加熱至沸點將所述糖汁滅菌，此時 加入稀釋在水中的石灰。糖汁可靜置30分鐘從而使所述汁液中的可能存在的顆粒沉淀。因 此，加入石灰以促進沉淀。此后，將所述汁液由約13重量％的糖濃縮為所述汁液在發(fā)酵前 特定存儲期間內應該具有的約18重量％的糖。通過蒸發(fā)實現(xiàn)該濃度。所發(fā)生的是，所述汁 液在發(fā)酵步驟前用水稍微稀釋。在由另一富含糖材料例如甜菜制造乙醇中，將源自常規(guī)糖類收取的糖蜜用作原材 料。這種糖蜜具有高于50重量％的糖濃度并且承受長時間儲存而沒有感染的風險。在所述線路之一中的糖類收取可根據(jù)以上進行，并且也在根據(jù)以上項目的方法中 進行。然而，在以上項目的優(yōu)選實施方式中，如上所述的水添加的至少之一由來自其它糖類 收取線路的含糖類溶液/懸浮液即所述木質纖維素材料釋放的材料流的添加代替。
可按如下方式進行由富含淀粉材料例如玉米穗軸制造乙醇。第一步是在碾磨機中 將玉米穗軸研磨為細粉末。然后，將淀粉粉末與預熱的水混合至約35重量％的干含量。將 所述淀粉懸浮液加熱至約90 95°C的溫度，然后加入溶解在水中的酶。將所述懸浮液引入 稱作液化罐的物體中，其中酶降解導致所述懸浮液中水不溶性材料的量減少。液化中的停 留時間通常為2 4小時。在液化之后，將溫度降低為約60°C并且加入水溶液形式的額外 的酶。這里，可溶性淀粉降解為能發(fā)酵糖類。除所述物質之外少量雜質例如木質纖維素材 料可伴隨于所述淀粉粉末。在那些情況下，優(yōu)選可再加入將木質纖維素材料中的纖維素降 解為糖類的酶(或者多種酶，酶的混合物)。首先，這是為了降低水解流體的粘度。隨后這 種流體在約35°C的溫度下通過加入的酵母進行發(fā)酵。由于酶仍然存在于流體中，在發(fā)酵步 驟期間酶水解持續(xù)。上述糖類收取的線路，即直至發(fā)酵步驟，可用于根據(jù)以上項目的方法中。但是，根 據(jù)以上項目優(yōu)選的是，如上所述，水添加的至少之一由來自另一種糖類提取線路的木質纖 維素材料釋放的材料流形式的含糖類溶液/懸浮液的添加代替。關于從例如玉米稈、秸稈或甘蔗渣形式的木質纖維素材料收取糖類，可以許多不 同的方式進行。這里，只描述一些方式。文獻中經(jīng)常描述的方法是酸水解。這表示在粉碎木質纖維素材料之后，將酸性水 溶液，即具有較低PH值的水溶液加入該木質纖維素材料?？梢杂袡C酸或無機酸的形式加入 氫離子。經(jīng)常采用無機酸并且其中最常見的酸為硫酸和亞硫酸(其例如通過將氣體二氧化 硫溶解在水中產(chǎn)生)。通常在升高的溫度和升高的壓力下進行處理，并且所述處理可包括一 個或兩個步驟。在從木質纖維素材料木材中收取糖類時，推薦兩個步驟一個是初始較溫和 的步驟，其中主要將半纖維素轉化為能發(fā)酵糖類；接下來的步驟從溫度和壓力的角度看來 更為劇烈，其中將纖維素轉化為葡萄糖。在由如上例舉的木質纖維素材料收取糖類時，通常 一步是足夠的。然而，對于甘蔗渣來說，可優(yōu)選兩個步驟。如果所述步驟中的水解條件強， 則半纖維素和纖維素都轉化為單糖。由于降解的糖類被溶解并且木質素主要為固體形式， 因此所述材料流可稱作具有高的水含量的“懸浮液”。如果在任何位置例如通過過濾除去部 分固體，則所述材料流可稱作“溶液”。溫和的水解工序可與第二步結合，其中在第二步中將 包含酶的水溶液加入部分降解的木質纖維素材料。這種糖類收取工序的特殊情況由在相同 反應容器中同時進行酶水解和發(fā)酵即SSF(之前所述的縮寫)組成。這種工序具有許多優(yōu) 點。主要的優(yōu)點是一旦釋放出糖，酵母就將糖發(fā)酵為乙醇，并且由于如果糖濃度過高則單體 糖對于酶活性具有不利的作用，酶將以這樣的方式更加有效地發(fā)揮作用。例如，在進行如上所述的材料混合之后這可應用于根據(jù)以上項目的方法。在發(fā)酵步驟中可使用許多發(fā)酵劑，例如不同類型的酵母。優(yōu)選的酵母類型是天然 存在的釀酒酵母或者其改性變型體。但是，本發(fā)明的方法適用于當受到由木質纖維素生物 質的預處理/水解產(chǎn)生的物質應激時產(chǎn)生增加的乙醇收率的所有微生物。^^在其中整個作物例如玉米穗軸和玉米稈都用作乙醇生產(chǎn)的原材料的所有方法中， 高度地利用了耕種的土地。當糖發(fā)酵為乙醇時，理論的化學計量收率為每克糖0. 51克乙醇。實際上，當使用 例如酵母時這是無法實現(xiàn)的，因為酵母需要部分能量用于生長等。而且，通過發(fā)酵形成一些副產(chǎn)物以維持酵母細胞中存在的各種平衡。在分別由甘蔗釋放的糖和由得自玉米穗軸的淀 粉的糖進行工業(yè)制造乙醇時，由于技術的成熟目前已經(jīng)認為乙醇收率是優(yōu)化的。當實施本 發(fā)明的方法和用途時，與目前認為是最佳的乙醇收率相比，可進一步提高乙醇收率。而且，本發(fā)明可在乙醇生產(chǎn)的最后步驟中提供降低的能量需求(蒸餾步驟中濃縮 程度更高的乙醇溶液)，這降低了乙醇的生產(chǎn)成本。而且，如果根據(jù)本發(fā)明在一個或多個位 置的水添加由來自所述木質纖維素材料的含糖溶液/懸浮液的添加代替，則減少發(fā)酵步驟 中感染的風險。水污染的風險高于所述溶液/懸浮液的情況。而且，所述溶液/懸浮液對 于許多感染生物體來說是有毒性的。另外，營養(yǎng)素對得自木質纖維素的溶液/懸浮液的添 加將從富含糖材料或富含淀粉材料釋放的溶液/懸浮液獲得。


在圖1中，示意性地顯示根據(jù)以上項目的方法的實施方式。圖2顯示當在生產(chǎn)中使用甘蔗作為原材料并且利用酶水解時的乙醇生產(chǎn)的流程 圖。將甘蔗分為兩個流甘蔗渣和汁液。具有汁液和甘蔗渣的兩種材料流可以最晚在發(fā)酵 前或者在發(fā)酵期間在不同的位置混合。點線顯示乙醇生產(chǎn)中汁液的替代路徑并且虛線顯示 乙醇生產(chǎn)中甘蔗渣的替代路徑。圖3顯示當在生產(chǎn)中使用甘蔗作為原材料并且利用酸水解時乙醇生產(chǎn)的流程圖。 將甘蔗分為兩個流甘蔗渣和汁液。具有汁液和甘蔗渣的兩種材料流可以最晚在發(fā)酵前或 者在發(fā)酵期間混合。
具體實施例方式以下，根據(jù)以上項目的方法的實施方式參考根據(jù)圖1的流程圖進行描述。與此相 關地，更具體地描述該工序中的某些步驟。最后，顯示在實驗室中模擬本發(fā)明的方法的實施 方式實例。參考圖1中顯示的流程圖，描述根據(jù)以上項目的方法的實施方式，其中用于糖類 收取和之后乙醇生產(chǎn)的起始材料由作物即小麥組成，其分為谷粒和小麥秸稈。通過輸送設備1將小麥輸送至其中產(chǎn)生小麥面粉的研磨機2。由所述研磨機得到 的材料包括小麥面粉和細碎的殼部分。后者可通過篩選與面粉分離。未篩過的材料可用作 起始材料，但是以下描述如何處理經(jīng)篩選材料即面粉。將所述面粉從管3輸送至液化容器 4。向基本上干燥的小麥面粉加入包含一種或多種酶的水溶液。所述酶的作用是將面粉中 的淀粉轉化為單糖葡萄糖。水溶液以使得漿料具有30 40%的干含量的量加入。漿料中 的溫度較高，為約80 90°C。停留時間為幾個小時數(shù)量級，例如3小時。漿料中的pH值是 重要的并且通過添加酸設置為5 6。在液化之后，通過管5將漿料輸送至糖化容器6。使?jié){料的溫度降低至例如60 70°C，并且通過添加額外的酸將pH值降低為4 4. 5范圍內的值。加入用于將淀粉轉化為 葡萄糖的水溶液形式的額外的酶。通過這樣做，減少了漿料的干含量。根據(jù)是希望在漿料 /懸浮液離開所述容器之前將基本上所有的淀粉轉化為葡萄糖還是希望當漿料/懸浮液輸 送到發(fā)酵容器7時部分淀粉是未處理的來確定漿料在容器6中的停留時間。第一種情況下 的停留時間通常為15 30小時，并且第二種情況下的停留時間為4 6小時。將漿料通過管8輸送至發(fā)酵容器7。通過輸送設備9將材料的木質纖維素部分即秸稈輸送至分解設備10，例如切碎設 備。然后通過管11將所述秸稈碎片輸送至處理站12。然后用酸性溶液浸漬秸稈。浸漬可 以許多方式例如通過噴霧或沉浸進行，之后，擠出過量流體并且將秸稈引入蒸汽處理容器。 過量流體可再次使用或者收集和純化?？蛇x擇不同的處理溫度和時間。合適的溫度范圍為 180 200°C。然后，可保持短的停留時間，例如15分鐘或少到幾分鐘。通過所述處理，秸 稈中的半纖維素大部分降解為其組成部分，即戊糖和己糖形式的不同的糖類。所述材料，即 部分降解的秸稈和周圍的包含大量釋放的化學物質的水溶液形式的流體通過管13輸送至 水解容器14。也可以不添加酸進行熱處理，然后利用由半纖維素的乙?；尫诺囊宜帷＿@ 稱作自動水解。將酶的水溶液加入所述漿料/懸浮液，該酶具有將秸稈的纖維素成分轉化 為單糖葡萄糖的能力。水解容器的溫度優(yōu)選保持為40 55°C，但是當然取決于選定的酶最 佳工作溫度。關于停留時間，與之前所述糖類收取類似(使用小麥作為起始材料)，其取決 于是希望在漿料/懸浮液離開所述容器之前將基本上所有的纖維素轉化為葡萄糖，還是希 望當漿料/懸浮液經(jīng)由管15輸送給發(fā)酵容器7時部分纖維素是未處理的。第一種情況下 的停留時間通常為30 72小時，并且第二種情況下的停留時間為20 40小時。而且，這 些停留時間強烈地取決于所選擇的酶和它們的添加濃度。較高量的和更有效的酶導致較短 的停留時間。酶水解期間的PH可為約5，例如4 6。為了在發(fā)酵容器7中將糖類轉化為乙醇，必須加入發(fā)酵劑。那些試劑中最常用的 是不同的酵母，并且通常使用的酵母是釀酒酵母菌株。合適地，在添加前將酵母溶解在已 滅菌的水中并且在特定溫度和特定PH下進行發(fā)酵。溫度的實例為36 37°C并且pH為約 5.5。發(fā)酵容器7中含糖類溶液/懸浮液的停留時間為若干小時。關于酵母的添加，其主要 考慮在所述過程開始時，因為其生存時間長并且也會繁殖。如果酵母由于任何原因表現(xiàn)差 和/或死亡，則必須添加新的酵母。從以上清楚地看出，可在發(fā)酵容器7中專門地將糖類轉化為乙醇，即只進行發(fā)酵， 或者可在發(fā)酵進行的同時通過酶將所述糖聚合物最終轉化為單糖(SSF)。選擇哪種方法取 決于許多情況并且根據(jù)不同的情況即各種乙醇生產(chǎn)的情況而定。發(fā)酵期間發(fā)生如下化學反 應C6H12O6 — 2C2H50H+2C02 (g)糊料形式的發(fā)酵材料通過管16輸送至蒸餾裝置17。在該裝置中，將所述糊料加熱 至乙醇的沸點78. 3°C，這導致乙醇以氣體的形式通過管18離開所述裝置。將乙醇氣體冷卻 并且得到液態(tài)的乙醇。同時，從設備(plant)的較低部分(圖中未示出)流出殘留流體和 固體殘留物(主要是木質素和/或木質素的降解產(chǎn)物)。為了防止固體伴隨進入蒸餾單元 17，可以使糊料通過任意類型的分離單元例如層疊分離器。以上項目的核心在于最晚在發(fā)酵步驟中將材料流以特定比例的量混合，即圖1中 流程圖的情況。各種材料流的最佳量主要取決于所述材料流的預處理/水解。確定各量的 關系的一種方式是使用特定起始材料進行預先的實驗室研究。通過在實驗室中制備兩種 材料流的不同混合物，然后通過不同混合物以及由例如小麥或玉米穗軸得到的含糖類溶液 根據(jù)上述標準方法測量乙醇收率，可計算各種情況的應激因子。如果將應激因子相對于混 合物繪圖，則將得到關于應激因子的最大值，從而也得到乙醇收率，然后可找到合適的混合物。實際中并不必確切地選擇該混合物，許多參數(shù)或條件可影響事實上使用哪種混合物。重 要的情況是各種原材料的取用。根據(jù)用作起始材料的作物，將得到木質纖維素材料(例如 秸稈、玉米稈、甘蔗渣)和富含淀粉材料或者最終糖的特定分布。有時候部分木質纖維素材 料需要用于其它有用的目的。例如，土壤(生長基質)需要將玉米稈耕種在土壤中。如果 質量平衡是錯誤的，例如達到最大的應激因子從而也達到最佳的乙醇收率時，并且獲得來 自加工生產(chǎn)線的過量糖類材料，則容易排出過量的糖類材料并且將其在市場上出售。還可 以通過添加一種或多種外部抑制劑，即已知應激發(fā)酵劑的抑制劑來解決所述問題。解決上 述問題的另一種方式是，為了補充的目的，加入除以上列出之外的其它來源的部分降解的 木質纖維素材料的材料流。根據(jù)以上項目的方法的優(yōu)選實施方式，在利用來自另一收取線路的含糖類溶液/ 懸浮液的收取線路中減少或消除了外部水的添加。這在流程圖中用虛線顯示。如果材料流 在處理容器的上部取出，則其將為缺少固體的水溶液，即不是漿料/懸浮液。如果觀察圖1 所示的流程圖，則發(fā)現(xiàn)根據(jù)以上項目的方法的替代實施方式，其中容器6和14被體積更大 的共用容器所取代。這表示管5和13都引向同一容器。根據(jù)以上項目的方法的這些實施方式導致糊料中的水量是低的，其中糊料中的水 輸送給蒸餾塔17。這進而又導致蒸餾步驟中低的能量消耗，最終有助于乙醇的低制造成本。由甘蔗牛產(chǎn)乙醇來自甘蔗園的甘蔗可用于乙醇生產(chǎn)。參考圖2和3所示的流程圖，描述根據(jù)本發(fā)明的方法的兩種實施方式，其中用于糖 類收取和后續(xù)乙醇生產(chǎn)的起始材料是甘蔗。制備甘蔗并且在工藝期間將其分離為甘蔗渣和 汁液。隨后將分別包含得自甘蔗渣的材料和汁液的兩種流合并。所述合并可在沿著乙醇生 產(chǎn)工藝的不同位置進行。參考圖2所示的流程圖描述使用酶水解的乙醇生產(chǎn)線路，而參考圖3所示的流程 圖描述使用酸水解的乙醇生產(chǎn)線路。在乙醇生產(chǎn)期間進行若干工藝步驟，并且這些步驟中 的一些步驟可以不同的次序進行并且可排除其中的一些步驟。圖2和3中顯示不同的可選 方案和可選的路徑。制備首先在制備設備201、301中制備甘蔗。制備包括甘蔗的分解。制備設備可例如為 切碎機。汁液榨取在制備設備201、301中制備之后，將制備的甘蔗輸送到汁液榨取單元202、302，其 可包括有助于榨取的碾壓機。在汁液榨取單元202、302期間，將甘蔗分為兩部分汁液和甘 蔗渣。由此從汁液榨取單元中形成兩個流一個流含有汁液C，另一個流含有甘蔗渣A。所 述汁液含有糖。所述汁液可任選地脫水(蒸發(fā))。脫水形成糖蜜，糖蜜是高糖濃度的稠密產(chǎn) 物。蔗糖渣是從甘蔗莖榨取汁液之后殘留的纖維殘留物。來自榨取單元的兩個流可通過乙醇生產(chǎn)線路中的可選路徑204、205、307進行合 并。以下具體描述乙醇生產(chǎn)線路中的過程。汁液加工在汁液C與得自甘蔗渣的流A混合之前，可對所述汁液進行如設備203、303所示的進一步加工。所述設備203、303可包括一個或多個單元并且加工所述汁液(這些單元沒 有在圖2或圖3中明顯地示出)。這種加工步驟可例如為汁液澄清。所述汁液澄清在澄清 單元中進行，并且在汁液澄清之后可將所述汁液通過各種路徑204、205、307加入得自甘蔗 渣的流A。可選的或補充步驟是以汁液蒸發(fā)步驟進一步加工所述汁液。這種汁液蒸發(fā)在蒸 發(fā)單元(沒有在圖2和圖3中明顯地示出)中進行。在蒸發(fā)期間，糖濃度增加而水含量降 低。在汁液蒸發(fā)之后，可將所述汁液通過可選路徑204、205、307加入得自甘蔗渣的流A。另 一可選的或補充步驟是汁液的滅菌，例如通過將其加熱至沸點進行。而且，部分汁液可用于 制造糖。在這種情況下，將部分汁液從乙醇生產(chǎn)線路中的206、304轉向并且不與得自甘蔗 渣的流A混合。外部來源的糖蜜可用于發(fā)酵(圖2和圖3中未示出)。糖蜜可在可選路徑211、 212、308加入得自甘蔗渣的流A。如果汁液或糖蜜含有高濃度的糖，則其可在加入到得自甘蔗渣的流A之前例如使 用水進行稀釋。在一些情況下，得自甘蔗渣的流A在水解之后過多濃縮，然后與流C的混合產(chǎn)生流 A的有利的稀釋。在這些情況下，所述流C不應過多濃縮。以下描述甘蔗渣的處理，流A和C的混合以及進一步加工。首先描述利用酶水解 的實施方式，然后描述利用酸水解的實施方式。酶水解參考圖2描述酶水解。當選擇酶水解時，可以有兩種路徑。以下描述這兩種路徑。甘蔗渣的預處理在汁液榨取之后，甘蔗渣通過路徑A進一步加工。任選地，部分甘蔗渣可用于生產(chǎn) 蒸汽或電力。替代地，或者作為補充，乙醇生產(chǎn)工藝的含木質素副產(chǎn)物可用于生產(chǎn)蒸汽或電 力。電力或蒸汽可用于乙醇生產(chǎn)并且因此可以能量的形式回到乙醇生產(chǎn)線路(圖2中未示 出)。例如，部分甘蔗渣可用于制造蒸汽，其隨后用于預處理或蒸餾。當進一步加工甘蔗渣時，其通過路徑A輸送到預處理單元207。所述預處理單元可 為管道(vessel)或容器。需要有效的預處理以使甘蔗渣的纖維素容易接近在后續(xù)水解步 驟中的酶。而且，在預處理期間大部分半纖維素通常水解為單糖。在一種實施方式中，預處理中的第一步是浸漬。浸漬是指用浸漬流體浸漬纖維素 生物質。所述浸漬流體可為酸溶液例如無機酸溶液。所述浸漬可使用具有不同PH例如 0. 5 5. 5的pH或者例如0. 5 2的pH的酸溶液進行。所述浸漬也可利用氣體例如SO2 氣體，或者利用氣體和流體的組合進行。或者，預處理的第一步是進行汽蒸，隨后任選地進行浸漬。汽蒸是指用于將空氣驅 趕出纖維素生物質以促進纖維素進一步水解的方法。而且，預處理可包括蒸汽爆破。蒸汽爆破是指將蒸汽、剪切力和水解組合用于使纖 維素纖維破裂的方法。經(jīng)預處理的甘蔗渣通過路徑208輸送到水解單元210或者通過路徑209輸送到水 解單元212。所述經(jīng)預處理的甘蔗渣材料在酶水解之前中和。例如，經(jīng)預處理的甘蔗渣可通 過添加NaOH或氨進行中和。而且，可使用石灰石(CaOH)，其是廉價的替代物。SSF-同時糖化和發(fā)酵
如果選擇經(jīng)預處理的甘蔗渣的酶水解，一種路徑209包括同時糖化和發(fā)酵，SSF0 即，纖維素的水解和發(fā)酵在相同的單元212中進行。在212的SSF期間，將經(jīng)預處理的甘蔗渣和酶一起進料到發(fā)酵中。所述酶能夠將 甘蔗渣的纖維素成分轉化為單糖。由此經(jīng)預處理的甘蔗渣水解為甘蔗渣水解產(chǎn)物，其包括 能發(fā)酵糖和抑制性物質。在SSF中的發(fā)酵期間，利用至少一種發(fā)酵劑并且該試劑可為酵母。所述酵母可為 野生型的、釀酒酵母突變體或者重組體。合適地，將酵母在將其加入前溶解在已滅菌的水 中。關于酵母的添加，主要考慮在所述過程開始時，因為它生存時間長并且也會繁殖。如果 酵母由于任何原因表現(xiàn)差和/或死亡，則必須添加新的酵母。水解和發(fā)酵單元212的溫度優(yōu)選保持為30 37°C，但是當然取決于所選定酶的和 酵母的最佳的工作溫度。發(fā)酵是放熱反應，因此通常需要進行冷卻以保持溫度在所述范圍 內。SSF期間的pH應該優(yōu)選為4. 8 6，更優(yōu)選為5. 3 5. 7。通常在上述中和期間調 節(jié)PH?？赡苄枰谡麄€SSF期間測量pH，如果需要則調節(jié)pH，這部分是因為在所述過程期 間形成/釋放乙酸。在汁液榨取和任選進行的汁液澄清和蒸發(fā)之后，在SSF 212之前或期間將汁液C 通過路徑204與得自甘蔗渣的流A混合。在流A和C的合并中，控制各自量的比例，使得以改進乙醇收率的程度使發(fā)酵劑應 激。可測試不同比例的流并且測量所得乙醇收率。選擇產(chǎn)生最佳乙醇收率的流的比例，隨 后以這種比例控制所述流以進行合并。SSF中的低糖濃度促進木糖發(fā)酵。因此，可有利地保持低的糖濃度?？赏ㄟ^首先加 入得自甘蔗渣的材料并且使SSF進行一段時間而不添加任何糖來保持低的糖濃度。然后， 在一段時期內連續(xù)加入糖使得SSF中的葡萄糖濃度為2 3g/l。最終，在完成添加糖之后 使SSF進行一段時間。在這種配置下，所用的一種或多種發(fā)酵劑能夠發(fā)酵戊糖。SHF-分開的水解和發(fā)酵酶水解的另外路徑208包括兩個分開的步驟第一水解步驟210和第二發(fā)酵步驟 211。將經(jīng)預處理的甘蔗渣輸送到水解單元210。使所述經(jīng)預處理的甘蔗渣經(jīng)受至少一 種包括糖化酶水性水解試劑并且水解為包括能發(fā)酵糖和抑制性物質的甘蔗渣水解產(chǎn)物。水解單元的溫度優(yōu)選保持為40 50°C，但是當然取決于所選定的酶的最佳工作 溫度。PH優(yōu)選為4. 0 5. 6。通常在上述中和期間調節(jié)pH。停留時間主要取決于選擇的酶和它們的添加濃度。較高量的和更有效的酶可導致 較短的停留時間。在210的水解之后，將甘蔗渣水解產(chǎn)物輸送到發(fā)酵單元211并且利用至少一種發(fā) 酵劑使其在水性液體發(fā)酵中進行發(fā)酵。所述發(fā)酵劑可為酵母例如野生型的、釀酒酵母突變 體或者重組體。合適地，在加入酵母前將酵母溶解在已滅菌的水中。如果酵母由于任何原 因表現(xiàn)差和/或死亡，則必須添加新的酵母。發(fā)酵在30 37°C的溫度和特定pH下進行。發(fā)酵是放熱反應，因此通常需要冷卻 以保持溫度在所述范圍內。
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發(fā)酵期間的pH應該優(yōu)選為4. 8 6，更優(yōu)選為5. 3 5. 7?？赡苄枰谡麄€發(fā)酵 期間測量PH，如果需要則調節(jié)pH，這部分是因為在所述過程期間形成/釋放乙酸。在汁液榨取和任選進行的汁液澄清和蒸發(fā)之后，在發(fā)酵211之前或期間將汁液C 通過路徑205與得自甘蔗渣的流A混合。因此，流A和C的合并在水解210之后但是最晚 在發(fā)酵211期間進行。在流A和C的合并中，控制各量的比例使得以改進乙醇收率的程度使發(fā)酵劑應激。 可測試不同比例的流并且測量所得乙醇收率。選擇產(chǎn)生最佳乙醇收率的流的比例，隨后以 這種比例控制所述流以進行合并。發(fā)酵罐中的低糖濃度促進木糖發(fā)酵。因此，保持低的糖濃度可以是有利的?？赏ㄟ^ 首先加入得自甘蔗渣的材料并且使發(fā)酵進行一段時間而不添加任何糖來保持低的糖濃度。 然后，在一段時期內連續(xù)加入糖使得SSF中的葡萄糖濃度為2 3g/l。最終，在完成添加糖 之后使發(fā)酵進行一段時間。在這種配置下，所用的一種或多種發(fā)酵劑能夠發(fā)酵戊糖。酸水解如上所述，乙醇生產(chǎn)線路可利用酸水解來代替酶水解。以下，參考圖3描述乙醇生 產(chǎn)中的酸水解和相應的工藝步驟。甘蔗渣的預處理/浸漬在汁液榨取之后，通過路徑A進一步加工甘蔗渣。任選地，部分甘蔗渣可用于生產(chǎn) 蒸汽或電力。電力或蒸汽可用于乙醇生產(chǎn)并且因此可以能量的形式返回所述乙醇生產(chǎn)線路 (圖3中未示出)。例如，部分甘蔗渣可用于生產(chǎn)蒸汽，而蒸汽隨后用于預處理或蒸餾。當進一步加工甘蔗渣時，其通過路徑A輸送到預處理單元305。所述預處理單元可 為管道或容器。需要有效的預處理甘蔗渣的纖維素以使其在后續(xù)的水解步驟中是酶可接近的。在 一種實施方式中，在后續(xù)熱處理之前首先浸漬甘蔗渣。浸漬是指用浸漬流體浸漬纖維素生 物質。所述浸漬流體可為酸溶液，例如無機酸溶液。浸漬可使用具有不同PH例如0.5 5. 5的pH，例如1. 5 2. 3或者例如0. 5 2的pH的酸溶液進行。浸漬也可使用氣體例如 SO2氣體或者使用氣體和液體的組合進行?？墒褂玫钠渌鼰o機酸為鹽酸、硝酸、磷酸、硼酸和氫氟酸。使甘蔗渣經(jīng)受至少一種浸漬流體可通過本領域技術人員已知的不同技術進行。在一種實施方式中，將纖維素生物質浸漬在比例為約1 1 1 7的纖維素生 物質/液體中以提供經(jīng)浸漬的纖維素生物質。水解在預處理經(jīng)浸漬的甘蔗渣之后，將其輸送到水解單元306。酸水解可在特定時間期間在特定pH、特定溫度和特定壓力下進行。經(jīng)預處理的纖 維素生物質的酸水解是公知的技術，并且本領域技術人員能夠調節(jié)PH、溫度、壓力和時間以 實現(xiàn)令人滿意的結果。例如，酸水解可在160 240°C的溫度下、6 34巴的壓力下進行 1 60分鐘。在一種實施方式中，在兩個步驟中用熱處理經(jīng)浸漬的甘蔗渣。例如，在第一步中在 160 200°C下進一步加工經(jīng)預處理的甘蔗渣并且在第二步中在200°C或更高例如200 240°C下進一步加工經(jīng)預處理的甘蔗渣。
在浸漬期間可將酸加入甘蔗渣。替代地，或者作為補充，在熱處理期間加入酸。在發(fā)酵前中和水解產(chǎn)物。例如，水解產(chǎn)物可通過加入NaOH或氨進行中和。而且， 可使用石灰石(CaOH)，其是廉價的替代物。發(fā)酵包含能發(fā)酵糖的甘蔗水解產(chǎn)物在利用至少一種發(fā)酵劑的水性液體發(fā)酵中進行發(fā) 酵308，其中發(fā)酵劑可為酵母。所述酵母可為野生型的、釀酒酵母突變體或者重組體。合適 地，在將酵母在其加入前溶解在已滅菌的水中。關于酵母的添加，主要考慮在所述過程開始 時，因為其生存時間長并且也會繁殖。如果酵母由于任何原因表現(xiàn)差和/或死亡，則必須添 加新的酵母。發(fā)酵在30 37°C的溫度和特定pH下進行。發(fā)酵是放熱反應，因此通常需要進行 冷卻以保持溫度在所述范圍內。發(fā)酵期間的pH應該優(yōu)選為4. 8 6，更優(yōu)選為5. 3 5. 7?？赡苄枰谡麄€發(fā)酵 期間測量PH，如果需要則調節(jié)pH，這部分是因為在所述工藝期間形成/釋放乙酸。在榨取 和任選進行的澄清和蒸發(fā)之后，在發(fā)酵308之前或期間將汁液C通過路徑307與經(jīng)水解的 甘蔗渣A混合。在流A和C合并期間，控制各量的比例使得以改進乙醇收率的程度使發(fā)酵劑應激。 可測試不同比例的流并且測量所得乙醇收率。選擇產(chǎn)生最佳乙醇收率的流的比例，隨后以 這種比例控制所述流以進行合并。發(fā)酵罐中的低糖濃度促進木糖發(fā)酵。因此，保持低的糖濃度可以是有利的?？赏ㄟ^ 首先加入得自甘蔗渣的材料并且使發(fā)酵進行一段時間而不添加任何糖來保持低的糖濃度。 然后，在一段時期內連續(xù)加入糖使得SSF中的葡萄糖濃度為2 3g/l。最終，在完成添加糖 之后使發(fā)酵進行一段時間。在這種配置下，所用的發(fā)酵劑能夠發(fā)酵戊糖。蒸餾不論使用哪種類型的水解，在發(fā)酵211、212、308之后可將糊料輸送到蒸餾裝置 213、309。由于與發(fā)酵水解產(chǎn)物中包含的其它物質相比乙醇的沸點較低，因此蒸餾是用于將 乙醇與發(fā)酵水解產(chǎn)物分離的優(yōu)選方法。在蒸餾裝置中，將糊料加熱至乙醇的沸點78. 3°C，這導致乙醇以氣體的形式離開 所述裝置。冷卻乙醇氣體并且獲得液態(tài)的乙醇。同時，從設備的較低部分(圖2和圖3中 未示出)排出殘留的流體和固體殘留物(主要是木質素和/或木質素的降解產(chǎn)物)。如果 要防止固體伴隨進入蒸餾裝置213、309，則所述糊料可通過任意類型的分離單元例如層疊 分罔器。脫水在蒸餾213、309之后，糊料可在脫水單元214、310中脫水以提高乙醇的濃度。實施例1在實驗室中進行如下實驗以模擬根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)方法。而且進行對照實驗(無 樣品)。原材料由谷物小麥組成。小麥秸稈由一處獲得并且在食品店中獲得作為面粉的小 麥淀粉，產(chǎn)品KungsGmen (JSma,瑞典)。通過錘磨機分解(切碎)小麥秸稈。篩選材料并且保留長度2 IOmm的碎片。在室溫下保存秸稈碎片直至進行加工時。將秸稈碎片浸在0. 2重量％硫酸溶液中(每克秸稈20克流體)。在室溫下在該酸 溶液中放置1小時之后，將所述秸稈碎片擠壓為40重量％的干含量。用水蒸汽在190°C的 溫度和相應的水蒸氣壓下處理600克一組的具有所述干含量的秸稈。蒸汽處理設備由10 升的反應器和收集所述經(jīng)處理材料的閃蒸罐組成。所述反應器由頂部具有材料從中引入的 球閥并且底部具有通過計算機控制的附加閥的立式圓筒組成。當達到預定停留時間時，打 開下面的閥門并且將材料沖入旋風分離器(閃蒸罐)。有兩個蒸汽通道進入所述反應器中， 一個在底部且一個在頂部。下面的一個在開始處理時的短時間內打開以實現(xiàn)所述材料的快 速加熱，而上面的控制整個處理期間的溫度和壓力。分析未經(jīng)處理的秸稈和所述酸處理和蒸汽處理之后的秸稈，以下顯示組分的干材 料重量百分比。表 權利要求
在由木質纖維素生物質和含有得自富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法，所述方法包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的處理以獲得包括能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中，將一定量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如下至少一種混合(i)所述處理中的得自木質纖維素的材料；(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，使得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖和所述至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物存在于所述混合物中，并且控制所述各量使得所述發(fā)酵劑受得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的應激，其程度改進了所述乙醇收率。
2.權利要求1的方法，其中所述處理的水解包括酶水解。
3.權利要求2的方法，其中水解和發(fā)酵同時進行。
4.前述權利要求中任一項的方法，其中所述木質纖維素生物質包括甘蔗渣和任選的甘 蔗廢料，并且所述富含糖材料是包含蔗糖的榨取物。
5.權利要求4的方法，還包括榨取甘蔗以獲得所述甘蔗渣和所述榨取物。
6.前述權利要求中任一項的方法，其中所述量的糖產(chǎn)物與一定量的如下物質混合 ( )來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和/或(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物。
7.權利要求6的方法，其中所述發(fā)酵在用于發(fā)酵和任選水解的容器中進行，所述量的 所述糖產(chǎn)物與所述量的所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物在所述容器中混合，并且控制所述 各量的添加使得在所述容器中至少50%的停留時間期間葡萄糖濃度為1 5g/l。
8.在由木質纖維素生物質和富含淀粉生物質制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法， 包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的第一處理以獲得包括 能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；在一個或多個步驟中對所述富含淀粉生物質進行包括水解的第二處理以獲得得自淀 粉的能發(fā)酵糖；使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和至少部分得自所述淀 粉的能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中在發(fā)酵中或發(fā)酵前將一定量的得自木質纖維素的材料與一定量的得自所述富含 淀粉生物質的材料混合，使得所述至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和所述至少部 分得自所述淀粉的能發(fā)酵糖存在于混合物中，并且控制所述各量使得所述發(fā)酵劑受得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的應激，其程度改進 了所述乙醇收率。
9.權利要求8的方法，其中所述第一處理和任選所述第二處理的水解包括酶水解。
10.權利要求9的方法，其中所述第一和所述第二處理的水解和所述發(fā)酵同時進行。
11.權利要求8 10中任一項的方法，其中所述木質纖維素生物質包括秸稈并且所述 富含淀粉材料包括谷物。
12.權利要求8 11中任一項的方法，其中所述第一處理包括預處理并且所述混合在 所述木質纖維素生物質的所述預處理之后進行。
13.前述權利要求中任一項的方法，其中所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物包括糠醛、乙 酸和/或HMF。
14.權利要求13的方法，其中進一步控制所述各量使得所述混合物包含濃度為0.1 1. lg/Ι的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更低的HMF。
15.權利要求14的方法，其中糠醛濃度為0.2 0. 9g/l，乙酸濃度為0. 35 8g/l或 更高和/或HMF濃度為0. 015 0. 75g/l。
16.權利要求13的方法，其中進一步控制所述各量使得所述混合物包含濃度為1.lg/1 或更低的糠醛、濃度為2g/l或更高的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更低的HMF。
17.權利要求16的方法，其中糠醛濃度為0.9g/l或更低，HMF濃度為0. 015 0. 75g/ 1和/或乙酸濃度不高于8g/l。
18.前述權利要求中任一項的方法，其中進一步控制所述各量使得所述混合物中20 80重量％的能發(fā)酵的是得自木質纖維素的。
19.權利要求18的方法，其中進一步控制所述各量使得所述混合物中30 70重量％ 的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。
20.權利要求19的方法，其中進一步控制所述各量使得進行發(fā)酵的所述混合物中40 60重量％的能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。
21.得自木質纖維素的材料在改進得自富含淀粉生物質的能發(fā)酵產(chǎn)物或者含有得自富 含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物的發(fā)酵能力中的用途。
22.權利要求21的用途，其中所述得自木質纖維素的材料為得自木質纖維素的水解產(chǎn)物。
23.組合物，其包含包含得自木質纖維素的能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，和包含得自富含淀粉或富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物，其中得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的量使得所述組合物的發(fā)酵能力高于所述糖產(chǎn)物的 發(fā)酵能力。
24.權利要求23的組合物，其中所述得自木質纖維素的水解產(chǎn)物的所述量使得所述組 合物的20 80重量％能發(fā)酵糖是得自木質纖維素的。
25.權利要求23或24的組合物，其中所述得自木質纖維素的水解產(chǎn)物包括糠醛、乙酸 和/或HMF。
26.權利要求25的組合物，其為溶液或懸浮液的形式，其中所述得自木質纖維素的水 解產(chǎn)物的所述量使得所述組合物包含濃度為0. 1 1. lg/Ι的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高 的乙酸和濃度為1. Og/Ι或更低的HMF。
27.權利要求25的組合物，其為溶液或懸浮液的形式，其中所述得自木質纖維素水解 產(chǎn)物的量使得所述組合物包含濃度為1. lg/Ι或更低的糠醛、濃度為0. 2g/l或更高的乙酸 和濃度為1. Og/Ι或更低的HMF。
28.由甘蔗制造含乙醇產(chǎn)物的系統(tǒng)，包括用于榨取任選分解的甘蔗以獲得甘蔗渣和包含蔗糖的榨取物的榨取單元； 用于預處理所述甘蔗渣以獲得經(jīng)預處理的甘蔗渣的預處理單元； 用于輸送所述甘蔗渣的第一輸送裝置，該第一輸送裝置與所述榨取單元和所述預處理 單元連接；用于分離或者同時水解和發(fā)酵的水解和發(fā)酵裝置，在其中產(chǎn)生含乙醇產(chǎn)物； 用于輸送所述經(jīng)預處理的甘蔗渣的第二輸送裝置，該第二輸送裝置與所述預處理單元 以及所述水解和發(fā)酵裝置連接；用于接收榨取物或得自該榨取物的糖產(chǎn)物的蔗糖入口，該入口設置在所述預處理單 元、所述第一輸送裝置、所述水解和發(fā)酵裝置或者所述第二輸送裝置上使得所述榨取物或 蔗糖產(chǎn)物可進行發(fā)酵，用于輸送所述榨取物的第三輸送裝置，在其上任選地設置一個或多個糖加工單元和/ 或用于容納榨取物或得自該榨取物的糖產(chǎn)物的蔗糖儲庫，該第三輸送裝置與所述榨取單元 和蔗糖入口連接，其中所述第一輸送裝置不同于所述第三輸送裝置。
29.權利要求28的系統(tǒng)，還包括用于分解蔗糖的粉碎機，該粉碎機與所述榨取單元連接。
30.權利要求28或29的系統(tǒng)，其中所述水解和發(fā)酵裝置包括用于發(fā)酵以制造含乙醇產(chǎn)物的發(fā)酵容器和任選的使經(jīng)預處 理的甘蔗渣水解的分開的水解單元，所述糖入口設置在所述發(fā)酵容器上，和用于接收得自甘蔗渣的材料的第二入口設置在所述發(fā)酵容器上，所述第二入口與所述 第二輸送裝置連接，任選地，所述第二入口經(jīng)由所述水解單元與所述第二輸送裝置連接。
31.權利要求28 30中任一項的系統(tǒng)，還包括用于制造蒸汽的煮沸器，該煮沸器與所述榨取單元連接使得其可接收甘蔗渣，和 用于蒸餾含乙醇產(chǎn)物的蒸餾單元，其中所述煮沸器與所述蒸餾單元連接使得該蒸餾單 元可接收來自該煮沸器的蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明提供在由木質纖維素生物質和含有得自富含糖材料的能發(fā)酵糖的糖產(chǎn)物制造含乙醇產(chǎn)物中改進乙醇收率的方法。所述方法包括在一個或多個步驟中對所述木質纖維素生物質進行包括水解的處理以獲得包含能發(fā)酵糖的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和使用發(fā)酵劑使包含至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物和得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖的混合物發(fā)酵以獲得所述含乙醇產(chǎn)物，其中，將一定量的所述糖產(chǎn)物與一定量的如下至少一種混合(i)所述處理中的得自木質纖維素的材料；(ii)來自所述處理的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物；和(iii)所述發(fā)酵中的得自木質纖維素的處理產(chǎn)物，使得自所述富含糖材料的所述能發(fā)酵糖和所述至少部分所述得自木質纖維素的處理產(chǎn)物存在于所述混合物中，控制所述各量使得所述發(fā)酵劑受得自木質纖維素的處理產(chǎn)物的應激，其程度改進了所述乙醇收率。而且，提供了使用富含淀粉起始材料的相應的方法以及相應的用途、組合物和系統(tǒng)。
文檔編號C12P19/00GK101952449SQ200980104332
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月10日 優(yōu)先權日2008年2月11日
發(fā)明者凱琳·奧格倫格里德加德, 吉多·扎齊 申請人:瑞典乙醇化工技術有限公司