釀 酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)中針對木糖利用率對生物催化劑進行工程化，其在 Matsushika等人（Appl .Microbiol .Biotechnol. (2009)84:37-53)和Kuyper等人（FEMS Yeast Res. (2005)5 :399-4 09)中有所描述?？芍T如在運動發(fā)酵單胞菌（Zymomonas mobi 1 iS)中針對木糖利用率對生物催化劑進行工程化，其在US 5,514,583、US 5,712,133、 US 6,566，107、W0 95/28476、Feldmann等人（（1992)Appl Microbiol Biotechnol 38:354- 361)，W及Zhang等人（（1995)Science 267:240-243)中有所描述。經(jīng)工程化W表達木糖利 用代謝途徑的菌株的示例包括CP4(pZB5) (US 5514583)、ATCC31821/pZB5(US 6566107)、8b (US 20030162271 ;Mohagheghi 等人，（2004)Biotechnol. Lett. 25; 321-325)、和ZW658 (ATTCC#PTA-7858)?？舍槍Π⒗抢寐蕦ι锎呋瘎┻M行工程化，如描述于US 5， 843，760和US 2011/0143408，其均W引用方式并入本文?？稍诎l(fā)酵單胞菌屬中工程化的另 外修飾的示例包括:降低的內(nèi)源性himA基因的表達，如在US 7，897，396中有所描述，其W引 用方式并入本文;降低的葡萄糖-果糖氧化還原酶(GF0R)活性，如在US7,741，119中有所描 述，其W引用方式并入本文;增大的核糖-5-憐酸異構(gòu)酶(RPI)活性，如公開于共同擁有并待 審的US 20120156746,其W引用方式并入本文;作為木糖利用代謝途徑的一部分使用突變 株、高活化的啟動子來表達木糖異構(gòu)酶，如公開于US 7，989，206和US 7，998，722，其均W引 用方式并入本文；I型木糖異構(gòu)酶的表達，如公開于共同擁有并待審的US 2011-0318801，其 W引用方式并入本文;使菌株適應(yīng)在包含乙醇和醋酸錠的脅迫培養(yǎng)基中生長，如公開于US 2011-0014670,其W引用方式并入本文。
[0057] 在適用于所用特定生物催化劑的條件下進行發(fā)酵。對于條件諸如pH、溫度、含氧 量、W及它們的混合進行調(diào)節(jié)。用于酵母和細菌生物催化劑的發(fā)酵條件在本領(lǐng)域中是已知 的。
[0058] 此外，可在同一容器中同時發(fā)生糖化和發(fā)酵，運稱為同步糖化和發(fā)酵(SSF)。此外， 在稱為HSF(混合糖化和發(fā)酵)的過程中，在糖化和發(fā)酵并發(fā)的時間段之前可發(fā)生局部糖化。
[0059] 對于大規(guī)模的發(fā)酵，通常較少的生物催化劑培養(yǎng)物首先生長，其稱為種子培養(yǎng)物。 將種子培養(yǎng)物作為種菌添加至發(fā)酵培養(yǎng)基中，通常在約2%至約20%的最終體積的范圍內(nèi)。
[0060] 通常生物催化劑的發(fā)酵產(chǎn)生包含6%至約10%乙醇的發(fā)酵膠。發(fā)酵膠可包含介于 約7%和約9%的乙醇。此外，發(fā)酵膠包含水、溶質(zhì)和固體，它們得自水解產(chǎn)物培養(yǎng)基和得自 水解產(chǎn)物培養(yǎng)基中糖的生物催化劑代謝。具體地，發(fā)酵膠包含的乙醒含量大于存在于由谷 物發(fā)酵制得的發(fā)酵膠中的那些。此外，在產(chǎn)生用于發(fā)酵液體培養(yǎng)基的水解產(chǎn)物的糖化之前， 當氨用于預(yù)處理生物質(zhì)時，氨存在于發(fā)酵膠中。運些污染物具有較高的揮發(fā)性并且將在蒸 饋期間與乙醇共純化。
[0061 ] 乙醇純化
[0062] 將由生物質(zhì)水解產(chǎn)物發(fā)酵制得的發(fā)酵膠(包含乙醇、水、溶質(zhì)和固體)傳送至膠塔， 此處從包含溶質(zhì)和固體的水料流(也稱為全蓋饋物）中分離富乙醇蒸氣料流。通常使用壓濾 機、離屯、或其它固體分離方法從膠塔水料流中分離固體。使包含溶質(zhì)的剩余水(也稱為稀蓋 饋物)通過蒸發(fā)系列W產(chǎn)生包含低揮發(fā)性溶質(zhì)的糖漿和包含高揮發(fā)性溶質(zhì)的水蒸氣，其可 冷凝并進一步處理W除去污染物，然后再循環(huán)。可使用厭氧消化器處理。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 熟知厭氧消化器用于細菌水解有機材料并通常產(chǎn)生甲燒和二氧化碳?？蓪⒃撜託庵苯佑米?燃料或升級至高質(zhì)量的生物質(zhì)甲燒燃料。在W下進一步描述蒸發(fā)系列。
[0063] 膠塔富乙醇蒸氣料流按體積計通常為約30%-55%乙醇。使富乙醇蒸氣料流冷凝 并傳送至精饋塔，在所述精饋塔處產(chǎn)生另外的富集乙醇的精饋塔蒸氣料流W及貧乙醇水料 流。另外的富集乙醇的精饋塔蒸氣料流按體積計通常為約90%至95%乙醇，其接近于乙醇/ 水共沸物(按重量計95.63%乙醇和4.37%水）。使該料流過熱并傳送至分子篩W進一步除 去水，產(chǎn)生分子篩乙醇產(chǎn)物。該乙醇產(chǎn)物按體積計為約99%乙醇。
[0064] 在谷物乙醇方法中，經(jīng)冷凝的分子篩乙醇產(chǎn)物通常為最終乙醇產(chǎn)物。在對生物質(zhì) 水解產(chǎn)物進行發(fā)酵的纖維素乙醇方法中，對應(yīng)的分子篩乙醇產(chǎn)物包含在谷物乙醇產(chǎn)物中不 存在的污染物水平。在纖維素乙醇方法中，需要解決運些污染物的管理。具體地，申請人對 來自水解產(chǎn)物發(fā)酵過程的分子篩乙醇產(chǎn)物中的乙醒進行測定并且發(fā)現(xiàn)與通常存在于谷物 乙醇分子篩乙醇產(chǎn)物中的20化pm至50化pm的乙醒相比，乙醒含量更高。
[0065] 在本發(fā)明方法中，使分子篩乙醇產(chǎn)物通過產(chǎn)物蒸饋塔。在該塔中進行蒸饋，W使得 乙醒、氨和二氧化碳在塔頂濃縮，并且塔底料流為最終乙醇產(chǎn)物。蒸饋塔的操作壓力可與分 子篩單元的壓力連接，使得材料通過壓差流動到塔中。操作壓力也可足夠高，使得回流物可 使用利用冷卻水排熱的冷凝器返回至塔，從而使塔頂最小限度損失乙醇。塔頂乙醇組合物 可為小于50%、小于30%或優(yōu)選地小于15%的乙醇。分子篩乙醇產(chǎn)物料流在通過產(chǎn)物蒸饋 塔之前通過冷凝器或分凝器。
[0066] 來自產(chǎn)物蒸饋塔的乙醇產(chǎn)物是最終乙醇產(chǎn)物。相較于分子篩乙醇產(chǎn)物，該產(chǎn)物包 含減少量的乙醒。在一個實施例中，最終醇產(chǎn)物包含小于約8(K)ppm的乙醒。在各種實施例 中，最終醇產(chǎn)物包含小于800ppm、700ppm、600ppm、500ppm、400ppm、或300ppm的乙醒。此外， 相較于分子篩乙醇產(chǎn)物，最終醇產(chǎn)物通常包含減小量的其它污染物諸如二氧化碳和氨。通 常，最終醇產(chǎn)物包含小于約lOppm的C〇2, W及小于約Ippm的氨。
[0067] 污染物料流產(chǎn)生自產(chǎn)物蒸饋塔。對該料流進行處理，W避免乙醒及其它污染物釋 放到大氣環(huán)境中?？赏ㄟ^本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何方法來處理料流，W除去污染物諸 如乙醒、0)2和/或氨。在各種實施例中，在鍋爐、催化轉(zhuǎn)化器、催化氧化器、熱氧化器、或運些 單元的任意組合中處理產(chǎn)物蒸饋塔污染物料流。
[006引精饋和洗涂器水再循環(huán)
[0069]在本發(fā)明方法包括從分子篩乙醇產(chǎn)物中除去污染物的步驟(使乙醇通過產(chǎn)物蒸饋 塔)時，可使增加載荷的乙醒及其它污染物通過精饋塔而不影響最終乙醇產(chǎn)物。包含乙醒及 其它污染物的水料流是來自發(fā)酵排出料流的蒸氣通過洗涂器所引起。在一個實施例中，將 來自發(fā)酵蒸氣洗涂器的洗涂器水料流傳送至精饋塔。該料流包含乙醒和二氧化碳(來自發(fā) 酵罐）W及一些乙醇。此外，如果在用于發(fā)酵培養(yǎng)基的水解產(chǎn)物的制備期間用氨對生物質(zhì)進 行預(yù)處理，則料流包含氨。使洗涂器水料流在來自膠塔的進料之下進入精饋塔，因為其乙醇 含量比膠塔塔頂?shù)囊掖己康?，但是達至精饋塔的足夠高之處W利于從精饋塔的底部除去 氨、二氧化碳和乙醒。
[0070] 此外，除了在發(fā)酵蒸氣洗涂器中使用新鮮補給水(如在谷物乙醇方法所普遍采用 的）之外，可在纖維素乙醇方法的該方面中通過在發(fā)酵蒸氣洗涂器中使用來自精饋塔的貧 乙醇水來減少新鮮水的使用。在一個實施例中，將貧乙醇精饋塔水料流的至少一部分傳送 至發(fā)酵蒸氣洗涂器。因此，在一個實施例中，所述貧乙醇精饋塔水和發(fā)酵蒸氣洗涂器水在精 饋塔和發(fā)酵蒸氣洗涂器之間形成水再循環(huán)回路。運些過程水(貧乙醇精饋塔水和發(fā)酵蒸氣 洗涂器水)可用于再循環(huán)回路而無需附加的純化步驟。發(fā)酵蒸氣洗涂器中水所需的溫度小 于離開精饋塔的水的溫度，因此在工藝中對于過程交換器，通常在進料至洗涂器的水與從 洗涂器返回至精饋塔的水之間發(fā)生熱交換，其使用交換器對進料至洗涂器的水進行最終冷 卻，其中效用流為冷卻水或冷凍水。
[0071] 在該再循環(huán)過程中，可在洗涂器上使用大量水(貧乙醇精饋塔水），W確保更有效 地捕集進入發(fā)酵排出蒸氣的乙醒。也可在洗涂器的水出口料流中捕集二氧化碳的一部分， 而非如通常一樣釋放到大氣環(huán)境中。當采用該再循環(huán)方法時，更大量的乙醒和二氧化碳將 存在于另外的富集乙醇的精饋塔蒸氣料流中，其將傳送至分子篩。乙醒和二氧化碳中的大 部分將與乙醇產(chǎn)物一起通過分子篩。通過產(chǎn)物蒸饋塔從產(chǎn)物中除去乙醒和二氧化碳中的至 少一部分，使其含量降低至相當于存在于谷物乙醇產(chǎn)物中的那些的含量或更低。產(chǎn)物中的 污染物含量通常如上所述。
[00。] 采用乙醒處理的纖維素乙醇方法
[0073] 圖1中的示意圖示出流程圖，其表示本發(fā)明方法的工藝步驟的一個實施例:從進料 (100)的入口進入到發(fā)酵罐（101)中，通過塔底料流（120)的產(chǎn)物，塔底料流為來自產(chǎn)物塔 (118)的最終乙醇產(chǎn)物。發(fā)酵罐的進料包括發(fā)酵培養(yǎng)基，所述發(fā)酵培養(yǎng)基包含混合或單獨添 加至發(fā)酵罐的纖維素類生物質(zhì)水解產(chǎn)物和生物催化劑種菌。
[0074] 參考圖1，發(fā)酵膠流（102)從發(fā)酵罐（101)傳送至臨時儲存容器發(fā)酵池（103)。在發(fā) 酵罐中釋放的主要為二氧化碳(0)2)的排出氣體形成排出氣體流（104)，所述排出氣體流傳 送至發(fā)酵蒸氣洗涂器(也稱為C〇2洗涂器）（105)?回收乙醇和乙醒。0)2排