CN102741388B

CN102741388B - 一种生产和获取乙醇的方法及装置

Info

Publication number: CN102741388B
Application number: CN201180007267.8A
Authority: CN
Inventors: 丹·尼尔森
Original assignee: Scale Biofuel ApS
Current assignee: Scale Biofuel ApS
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: US20120301937A1; EP2529003A2; BR112012018694A2; CN102741388A; WO2011092638A3; WO2011092638A2

Abstract

本发明涉及一种利用源于糖料作物、含淀粉和含木质纤维素物质的可发酵糖来生产和获取乙醇的方法及装置。所述装置包括：一个封闭的主体容器，包括一个较低位部分和一个较高位部分，其中较低位部分含有发酵液且较高位部分含有在发酵液上部的顶部空间；一个冷凝单元，包括一个冷却部分，其中冷却部分实质上或完全位于地面以下；一种或多种连接所述封闭主体容器和所述冷凝单元的装置，包括出和/或入所述封闭主体容器和所述冷凝单元的能运输气体、液体、固体或其组合的一根或多根管道。

Description

一种生产和获取乙醇的方法及装置

相关专利申请参照

本发明主张申请号为DK201000059、申请日为2010年1月26日的丹麦专利申请的优先权，该丹麦专利申请的整体作为本发明的参照。

技术领域

本发明涉及一种利用来源于糖料作物、含淀粉材料和含木质纤维素的材料的可发酵糖以生产和获取乙醇的方法及装置。

背景技术

随着化石燃料成本的不断攀升和全球对此类燃料需求的增加，一个发展和使用替代燃料以供能源需求如交通运输、供暖和发电的市场已经形成。

运输业最常见的替代燃料是燃料乙醇。目前生产燃料乙醇的主要原料是玉米（美国）和甘蔗（巴西），但未来优先的来源很可能是含纤维素的生物质。无论生成燃料乙醇的发酵糖源如何，建立一个能年生产50至100百万加仑燃料乙醇的商业工厂的资本支出（CAPEX）估计为100-200百万美元。因此，即使最发达国家需要建造新生产设备来大幅提高燃料乙醇的生产，也会由于此项资本支出（CAPEX）而存在巨大的金融障碍。在欠发达国家，该资本支出（CAPEX）的需求基本上消除了这些国家在国内生产燃料乙醇的可能性。

因此，生产和获取燃料乙醇的低成本方法和装置将有广泛的需求。

发明内容

一方面，本发明实施例公开了一种用于生产和获取乙醇的方法，包括：将含有可发酵糖及可将之发酵的发酵微生物的发酵液置于一个封闭的主体容器，利用发酵微生物发酵可发酵糖产生乙醇，将产生的乙醇蒸发为气体并收集于位于主体容器内发酵液上顶部空间，及在一个冷凝单元中将气相乙醇转变为液相乙醇冷凝液的冷凝过程，该冷凝单元的冷却部分实质上或者全部位于地面以下。

另一方面，本发明实施例还公开了一种用于生产和获取乙醇的室外装置，包括：一个装有发酵液的较低位部分及一个在发酵液上方有顶部空间的较高位部分，一个含有冷却部分的冷凝单元，该冷却部分实质上或完全位于地下，一种或多种连接所述封闭主体容器和所述冷凝单元装置，包括出和/或入所述封闭主体容器和所述冷凝单元的能运输气体、液体、固体或其组合的一根或多根管道（pipes）或管（tubes）。

附图说明

图1展示了本发明的一种装置；

图2展示了模拟本发明方法一昼夜产生的温度波动、气流和积累的乙醇冷凝液的情况。

具体实施方式

本发明公开的是生产和获取一种发酵产物如源于可发酵糖产生的乙醇的方法及其装置。

本发明的方法利用天然的太阳能和地表温度梯度，在一个装置中生产和获取乙醇，该装置的主体容器部分或整体用来产生乙醇，产生的乙醇蒸发进该主体容器封闭的顶部空间，实质上或者全部位于地表下的独立的冷凝单元将气相乙醇冷凝为液相的乙醇冷凝液。

在第一个方面，本发明提供了生产和获取乙醇的方法，包括：将含有可发酵糖及可将之发酵的发酵微生物的发酵液置于一个封闭的主体容器，利用发酵微生物将可发酵糖产生乙醇的过程，在主体容器内将产生的乙醇转变为气体并收集于位于发酵液顶部空间的蒸发过程，及在一个冷凝单元中将气态乙醇转变为液相的乙醇冷凝液的冷凝过程，该冷凝单元的冷却部分实质上或者全部位于地面以下。

在一个实施例中，可发酵糖和发酵微生物在放入主体容器前要将其混合。例如，该类糖源和微生物可在靠近或远离主体容器的混合槽内将其混合。该混合槽可进一步用来作为繁殖发酵微生物的繁殖罐。该混合槽可根据所选择微生物的繁殖要求来调整温度和/或压力，并可进一步作为生产乙醇的发酵容器使用。混合槽中的含有可发酵糖和发酵微生物的液体材料可形成发酵液，装入主体容器后可进一步发酵和/或蒸发。

根据本发明所用方法采用了一套室外装置，包括一个封闭的主体容器和一个冷凝单元。该主体容器包括一个较高位部分和一个较低位部分。主体容器的较低位部分装有发酵液，主体容器的较高位部分包含一个在发酵液上方的顶部空间。主体容器的较高位部分可以使用透明塑料或其他日光或太阳能可以透进主体容器的材料制造。在一个实施例中，所述较高位部分可进一步包括一个或更多器件、覆盖物，或其他遮光产品或隔热成分来降低进入主体容器的太阳能，并且/或者减少主体容器内的热量损失。主体容器的低位部分含有发酵液，它可由适合盛装该液体基质的任何材料制成。主体容器的低位部分可以位于地表、高于地表，或者部分或完全低于地表。主体容器的较低位部分高于或低于地表的高度取决于较高低位部分所含发酵液所需的保温或冷却需求。所述主体容器含有一个或多个用于移入和移出固体、液体和/或气体的入口和出口。所述装置的冷凝单元是一个独立于封闭主体容器的单元，所述冷凝单元的冷却部分实质上或全部位于地表以下。该冷凝单元可以为任何适合于将气相乙醇冷凝为液相乙醇冷凝液的结构或装置。在一个实施例中，液相乙醇冷凝液中乙醇的浓度高于发酵液中乙醇的浓度。所述冷凝单元的冷却部分包括含有一个或多个入口和出口的一个或多个管道和/或闭环系统，且该冷却部分利用地热冷却。所述管道和/或闭环系统的具体设计可以取决于公知技术，且主要取决于所需的制冷量。选择所述管道和/或闭环系统的设计方案其次需要考虑的因素为：可用土地范围大小，土壤温度和组成，地表水换热闭环设计所必须考虑的足够深的水体其临近程度，与构造该系统相关的材料和安装成本。所述的适当设计和由一个或多个闭环系统在不同地温下（针对特定管道或闭环系统）所能达到的冷却量可以通过使用例如盖亚地热（Gaia Geothermal）,www.gaiageo.com，提供的地源热泵设计软件确定。如用于地热加热与冷却的地热冷却闭环系统常以横向闭环、纵向闭环和地表水换热闭环为典型。这样的系统设计，可用于或调整后用于本发明所使用的方法。

所述主体容器和冷凝单元以导入或导出其的一种或多种传输气体、液体、固体或其组合的装置连接。在一个实施例中，所述较低位部分至少包含一个可移出从主体容器内转移出的所有发酵液的出口。移出的发酵液中可能含有固体物质，可由任何适当的装置将其运输如管（tubes）或管道（pipes），视情况可借助于泵，运输至离心机后，通过离心可将发酵液中部分或所有固体物质移出。固体物质的部分或全部可进一步加工为可饲养牛或其他牲畜的饲料如干酒糟饲料（DDGs）。所述发酵液的部分或全部液体部分，部分或全部固体部分可直接运输回主体容器或混合槽。在一个实施例中，主体容器的较高位部分至少含一个能接收气体如空气、CO₂或其组合的入口，并且至少含有一个出口来移出来自主体容器较高位部分的气相乙醇，以使之在冷凝单元中冷凝为液相乙醇冷凝液。所述冷凝单元至少包含一个能接受来自于主体容器的气相乙醇的入口及一种或多种收集液体如液相的乙醇冷凝液的装置。在一个实施例中，冷凝单元进一步包括至少一个能使气体如空气、CO₂或其组合回流进主体容器的出口。液相乙醇冷凝液视情况可通过冷凝单元的一个出口从冷凝单元中导出用作进一步乙醇浓缩，如通过进一步任何装置来蒸馏或储存。该进一步蒸馏或储存过程可靠近或远离乙醇生产和获取的主体容器。

图1为根据本发明生产和获取乙醇装置的一个实施例示意图。主体容器12包括一个较高位部分或顶部空间1和一个含有发酵液的较低位部分11。所述装置进一步包括一个冷凝单元2，该冷凝单元的冷却部分实质上或全部位于地表以下。所述主体容器和冷凝单元通过一种或多种装置连接如管道部分14，以将气相乙醇从主体容器运输至冷凝单元。所述冷凝单元2进一步包括至少一个出口用以将气体如空气、CO2或其组合通过管道（pipes）17运输回至主体容器的顶部空间1。所述气体也可能含有未在冷凝单元中冷凝为液相乙醇冷凝液的气相乙醇。各种气体在泵6的帮助下通过管道部分17从冷凝单元2中移出并回流至顶部空间1。冷凝单元2进一步包括一个出口用于移出或回收来自于冷凝单元中的液相乙醇冷凝液。液相乙醇冷凝液在泵5的帮助下通过管道部分15从冷凝单元2中移出用以回收或/和在罐4中储存。所述实施方案进一步包括一个位于主体容器较低位部分的出口，用以移出主体容器中部分或全部发酵液。所移出的发酵液可能含有固态物质，并且可通过管道部分19（视情况可使用泵10）运输至离心机9，在离心机中部分或全部固体物质可从发酵液中移出。该部分或全部固体物质可进一步加工成可饲养牛或其他牲畜的饲料如干酒糟饲料（DDGs）。发酵液中所有或部分液体组分可在泵7的帮助下通过管道部分18运输至混合槽3。发酵微生物、可发酵糖、和/或其他发酵液中的成分可在混合槽3中准备或混合。混合槽3可通过运输混合槽3全部或部分内含物至主体容器12的装置如管道部分13与主体容器12相连接，该装置可通过重力自动加料或视情况借助一个泵（未显示）而实现。所述实施例可进一步包括温度探头8用于测试顶部空间1的温度，及温度探头16测试主体容器较低位部分11中发酵液的温度。

在一个实施例中，主体容器12包含一个较低位部分11，其结构是一个面积为50m²至5000m²、平均高度为0.1m至0.5m的池。该池可内衬有任何适合装填发酵液的材料。在另一个实施例中，主体容器12包括一个材质为透明或半透明的玻璃或塑料的较高位部分1，其测量高度约为0.1m至0.2m，其用同样或不同的透明或半透明玻璃或塑料覆盖，该覆盖物以平的、倾斜或半球形样结构实现，该结构可根据所需进入主体容器的太阳能总量进行优化。

在一个实施例中，本发明的方法采用天然的太阳能以提高主体容器较高位部分的顶部空间温度。在白天，顶部空间加热相对较快。显而易见，顶部空间温度升高会导致主体容器较低位部分的发酵液中的乙醇的蒸发率增加。在一个实施例中，泵6将气相的乙醇从顶部空间泵入实质上或完全位于地下的冷凝单元2内。冷凝单元的冷却部分通过地热冷却，因此进入冷凝单元的气相乙醇可迅速冷却为液相乙醇冷凝液。当气体进入和穿过冷凝单元时，这些气体被更冷的地温冷却，使气相乙醇冷凝为液相乙醇冷凝液。在一个实施方案中，通过泵6运输这些气体可以有助于调节顶部空间和/或发酵液的温度。在白天，进入主体容器中的太阳能可导致发酵液升温。在一个实施例中，白天期间，同样时间内发酵液升温的速度和温度都低于顶部空间。顶部空间和发酵液的温度差对于提高发酵液中乙醇的蒸发速度和同时保持适合发酵微生物生长和产生乙醇的温度是有利的。

在一个实施例中，可以使用温度探头8和16来分别调节主体容器中顶部空间和发酵液的温度。温度探头16和8可以连接到一个监控设备，该监控设备能够调节特定的泵、阀、或其他与主体容器较高位部分和较低位部分温度调节相关的组件。例如，如果主体容器的顶部空间温度比预期的要高，6泵循环气体通过该装置的速率可以增加。此外，若想尽可能长时间甚至在日落之后维持将顶部空间的温度，则可以降低泵6循环气体通过该装置的速率。上述气流速率的增加和减少可以使用一个或多个设备自动调节，该设备通常用于结构内（如温室）的温度变化的监测和机械装置的调节。例如，由美国密歇根州卡斯科的 Absolute Automation公司提供的Sensaphone检测系统等设备。在一个实施例中，该设备可以进行编程，因此气流可根据顶部空间温度而变为预设的速率。此外，为了维持发酵液的温度，发酵液深度可以通过向主体容器较低位部分中增加或减少发酵液而调整。所添加的发酵液或发酵液成分可以各种形式直接加进主体容器，或从混合槽3中将发酵液或发酵液成分转移入主体容器，后一过程可通过重力自动加料或借助于一个泵，通过管道部分13将发酵液或发酵液成分运输进主体容器的较低位部分。由于后来加入的发酵介质的温度可高于或低于原来主体容器较低位部分中的发酵液，因此主体容器较低位部分中混合后的发酵液温度会高于或低于加入发酵液或发酵组分之前的温度。

本发明的方法适用于世界很多地区，这主要取决于日照时长和阳光强度（即平均日晒水平kWh/m²/day）和特定位置的平均地温。就本发明的目的而言，本装置可被放置于任何合适的位置，只要该位置在日照期间其日晒水平可足够加热主体容器的顶部空间，使之温度至少比同一位置地面10英尺深度的温度高5°C。

特定位置的可利用日晒量将会影响本发明方法中的顶部空间和发酵液的温度。在一个实施例中，所述装置放置于一个的位置，该位置的平均日晒水平至少为3.0kWh/m²/day，地下10英尺的平均温度在约5°C至约30°C。在另一个实施例中，平均日晒水平至少为4.0kWh/m²/day，地下10英尺的平均温度在约10°C至约30°C。

在一个实施例中，本发明的方法包括将发酵液的温度维持在4°C至约70°C。在进一步的实施例中，本发明的方法包括将发酵液的温度维持在20°C至约70°C，在进一步的实施例中，发酵液的温度被维持在30°C至约70°C。

对于发酵液所希望达到的温度，主要取决于所选择的发酵微生物。在一个实施例中，本发明的方法使用了一种或多种酵母或嗜热细菌。在一个实施例中，本发明的方法选择使用一种或多种嗜热细菌如克里普斯·RE等在《遗传工程》11(2009)398-408中所描述的经遗传工程改造过的芽孢杆菌（Geobacillus sps.）。

主体容器的顶部空间所能达到的最高温度取决于白天期间进入主体容器的太阳能总量和非白天期间留在主体容器中的热量。在本发明的一个实施例中，所述方法包括在白天期间将主体容器顶部空间加热到最大温度为约4°C至约85°C。在另一个实施例中，白天期间主体容器顶部空间被加热到最大温度为约 25°C至约70°C。在进一步的实施例中，白天期间主体容器顶部空间加被热到最大温度为约25°C至约70°C。

由于日出日落，进入主体容器中的太阳能总量在24小时内将会波动。因此，在一个实施例中，顶部空间的温度和发酵液温度在24小时内将会波动。为了在本发明方法中维持或降低顶部空间温度或发酵液温度的自然波动，采用了一种或多种温度调控方法。在一个实施例中，可通过调节发酵液的深度，以使发酵液在24小时内温度波动量降低。在另一个实施例中，可通过提高或降低装置内泵气速率，以使顶部空间在24小时内温度波动量降低。

微生物例如酵母和一些细菌能发酵糖产生乙醇。此处能被细菌和酵母直接或间接转化成乙醇的糖类被称为“可发酵糖”。就本发明的目的而言，可发酵糖的例子包括但不仅限于蔗糖、葡萄糖、果糖、木糖、甘露糖和半乳糖，或任何典型地含有五个或六个碳原子的糖类，其可由发酵微生物直接或间接转化成乙醇。在本发明方法的一个实施例中，可发酵糖在发酵液中的浓度约10-50％W/V。

源于糖类作物的可发酵糖

某些糖作物，如甘蔗、甜菜、甜高粱中含有大量的可发酵糖，发酵微生物可直接或间接地将其发酵成乙醇。例如，在收获时，甘蔗通常含有约90％的蔗糖和总共10％的葡萄糖和果糖。这种糖是以甘蔗汁的形式提取。汁、糖浆、或从甘蔗生产糖的过程中作为副产品产生的糖蜜，可以通过特定的发酵微生物如酵母直接或间接地发酵成乙醇。

来源于含糖物质的可发酵糖

用含淀粉物质来生产发酵产品如乙醇生产是众所周知的。就本发明而言的含淀粉的物质包括但不仅限于玉米、小麦、高粱、大麦、木薯和马铃薯。用含淀粉物质生成可发酵糖一般有两种不同的过程。最常用的过程，通常被称为“传统工艺”，包括在高温下利用典型细菌α-淀粉酶使糊化淀粉流体化，然后在葡糖淀粉酶的作用下糖化。另一公知的过程，常常被称为“粗淀粉水解”工艺（RSH），包括在酸性真菌α-淀粉酶和葡糖淀粉酶及低于原始糊化温度作用下将颗粒状淀粉糖化。在传统工艺和粗淀粉工艺中，糖化过程与发酵过程可单独或同时进行。根据本发明，糊化淀粉的糖化过程可以在发酵过程之前进行。更优地，根据本发明，如果含淀粉物质是本发明中可发酵糖的来源，利用粗淀粉水解产生该可发酵糖的过程可在发酵过程之前或与之同时进行。“粗淀粉水解”工艺（RSH）可在与发酵及蒸发过程相同的主体容器中进行，或者“粗淀粉水解”工艺（RSH）可在靠近或远离发酵及蒸发的主体容器的独立容器中进行。上述任何一种水解含淀粉物质的方法为公知的技术，且已被报道，如WO/2010/022045。

来源于含木质纤维的生物质的可发酵糖

为了获得源于含木质纤维素的生物质的发酵糖，所述生物质中的纤维素和半纤维素组分必须通过水解作用分解成可发酵糖。就本发明而言的含木质纤维素的生物质包括但不限于玉米纤维、稻草、松木、木屑、蔗渣、造纸和纸浆加工过程中的废弃物、玉米秸秆、玉米芯、硬木如白杨桦木、软木材、谷物秸秆如麦秸、稻草、柳枝稷、芒草、稻壳、城市固体废弃物（MSW）、工业有机废弃物、办公用纸，或它们的混合物。

从木质纤维素生物质产生可发酵糖的生产方法是公知技术，这种方法通常联合一个或多个过程，如预处理过程和/或酸化过程或酶催化水解过程。从含木质纤维素的物质获得可发酵糖的方法已有报道，例如WO/2010/039812。其他合适的来源包括通过自由基链式反应化学（如美国佐治亚州的佐治亚可替代燃料有限责任公司的GAF催化）获得的木质纤维素衍生糖。

在一个实施例中，可发酵糖由一种或多种糖类作物获得，如甘蔗、甜菜、甜高粱。在另一个实施例中，可发酵糖由含淀粉物质获得，如玉米。在另一个实施例中，可发酵糖由一种或多种含木质纤维素的物质获得，如柳枝稷和甘蔗渣。在进一步的实施例中，可发酵糖源是美国纽约罗切斯特的Sweetwater Energy有限公司的一种浓缩糖原料。

发酵微生物

术语“发酵微生物”是指任何适合生产乙醇的微生物，包括细菌和真菌，包括酵母和丝状真菌。本发明所指的尤其适合发酵的微生物具有发酵能力，即将糖类如蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖、木糖、甘露糖和/或阿拉伯直接或间接地转化为乙醇。发酵微生物的例子包括真菌，如酵母。预期的酵母菌株包括：酵母属（Saccharomyces）的多种菌株，尤其是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）或葡萄汁酵母（Saccharomyces uvarum）；毕赤酵母属（Pichia）的菌株，尤其是毕赤酵母（Pichia stipitis）或巴斯德毕赤酵母；假丝酵母属（Candida）菌株，尤其是产朊假丝酵母（Candida utilis），阿拉毕诺弗门单丝假丝酵母（Candida arabinofermentans），丹斯假丝酵母（Candida diddensii），苏诺伦斯假丝酵母（Candida sonorensis），休哈塔假丝酵母（Candida shehatae），热带假丝酵母（Candida tropicalis），地格伯恩斯假丝酵母（Candida digboiensis），赛默飞利亚假丝酵母（Candida thermophila）或博伊丁假丝酵母（Candidaboidinii）。其他预期的酵母包括：汉逊酵母属（Hansenula）菌株，尤其是多形汉逊酵母（Hansenula polymorpha ）或异常汉逊酵母（Hansenula anomala）；克鲁维酵母属（Kluyveromyces）菌株，尤其是马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）或脆壁克鲁维酵母（Kluyveromyces fagilis）,及裂殖酵母属（Schizosaccharomyces）菌株，尤其是栗酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）。

预期的细菌发酵微生物，包括埃希氏杆菌属（Escherichia），尤其是大肠杆菌（Escherichia coli），单胞发酵菌属（Zymomonas）菌株，尤其是运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis），发酵杆菌属（Zymobacter）菌株，尤其是棕榈发酵细菌（Zymobactorpalmae），克雷柏氏杆菌属（Klebsiella）菌株尤其是产酸克雷伯菌（Klebsiella oxytoca）,明串珠菌属（Leuconostoc）菌株，尤其是肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）,梭菌属（Clostridium）菌株，尤其是酪酸梭菌（Clostridium butyricum），肠杆菌菌属（Enterobacter）菌株,尤其是产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）及高温厌氧杆菌属（Thermoanaerobacter）菌株，尤其是高温厌氧杆菌属BG1L1(《生物工程与应用微生物杂志》77:61-86)和乙醇嗜热厌氧菌（Thermoanarobacter ethanolicus）,热解糖热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter thermosaccharolyticum,）或马瑞氏热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter mathranii）。乳酸菌属（Lactobacillus）菌株，谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicumR）菌株,嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus thermoglucosidaisus）菌株,及热葡糖苷酶地芽孢杆菌（Geobacillus thermoglucosidasius）菌株也是预想的菌株。

关于使用木质纤维素衍生的可发酵糖的特殊发酵，C5糖发酵微生物是所预期的。大多数C5发酵微生物也可发酵C6糖。C5糖发酵微生物的例子包括毕赤酵母属（Pichia）菌株如物种毕赤酵母（Pichia stipitis）。C5糖发酵细菌是众所周知的。也有一些酿酒酵母（Saccharomyces cerevisae）菌株能发酵C5(和C6)糖。例子有经基因工程改造的可以发酵C5的酵母属菌株（Saccharomyces spp.），也包括如下文献关注的菌株：郝（Ho）等于1998年《应用于环境微生物》，p. 1852-1859及卡胡马（Karhumaa）等，2006年《微生物细胞工厂》5：18，及库伯（Kuyper）等，2005年《欧洲微生物学会联合会酵母研究5》，p.925-934。

某些优选的菌株包括：赛默飞利亚假丝酵母（Candida thermophila）（辛（Shin）等，《国际微生物系统与进化学杂志》51:2167(2001)）；一种改造的芽孢杆菌（Bacillus）菌株（美国专利号No.7,691,620）；一种或多种芽孢杆菌（Geobacillus）菌株（Tang等，《生物技术和生物工程》,102:1377–1386(2009)）；马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus，Babiker等，《应用微生物学和生物技术》(2010)85:861-7）及可产生乙醇的嗜温和嗜热微生物（WO2006/117536,WO2008/038019,WO2008/141174,WO2009/022158,WO2010/052499）及克里普斯·RE等在《代谢工程》11(2009)398–408中所描述的微生物。）

就本发明的目的而言，术语“嗜热生物”指一种微生物其最佳的生长温度在约40°C至约85°C，还包括能在低至约4°C和高至约105°C环境下生长或耐受的微生物。根据本发明的方法，发酵微生物的选择主要取决于可发酵糖源、进行发酵时的温度范围，及发酵微生物能耐受乙醇的水平。所属技术领域的人员能根据上述或其他所属技术领域的人员能理解的指标容易地选择发酵微生物以应用于本发明。根据本发明的方法，所述发酵微生物是天然存在的微生物或经基因工程改造的微生物。

发酵液中乙醇的总量能通过一种或多种浓缩或稀释手段加以调节。例如，当发酵液中的乙醇蒸发后，发酵液中的乙醇浓度通常下降。在一个实施例中，为提高发酵液中乙醇浓度，可在适当的条件下向主体容器中连续或分批加入额外的发酵糖，以使发酵微生物产生额外的乙醇。在另一个实施例中个，为降低发酵液中乙醇浓度，可加入无可发酵糖或者少量可发酵糖的发酵液。根据所选用的发酵微生物的乙醇忍耐度，所属技术领域的人员可以确定发酵液中所需维持的乙醇浓度范围。

在一个实施例中，发酵液中加入了一种或多种微生物，因此活力发酵微生物，如酵母，其在每ml发酵液中的数量范围为10⁵至10¹²，更优地在10⁷至10¹⁰，特别是5×10⁷。市场上能买到的酵母包括如RED STAR^TM和ETHANOL RED^TM酵母(可从美国Fermentis/Lesaffre公司获得)，FALI (可从美国Fleischmann's Yeast公司获得),SUPERSTART和THERMOSACC^TM新鲜酵母(可从美国威斯康辛州 Ethanol Technology公司获得)，BIOFERM AFT和XR(可从美国佐至亚洲的NABC北美生物产品公司获得)，GERT STRAND(可从瑞典Gert Strand AB公司获得),及FERMIOL(可从DSM Specialties获得)。

这里所用的“发酵介质”或“发酵液”，是指在发酵进行的液体环境，包括发酵底物，即发酵微生物可以将之发酵产生乙醇的碳水化合物，并可能包括发酵微生物。所述发酵液可进一步包括发酵微生物的营养物和生长刺激因子。营养物和生长刺激因子被广泛用于发酵领域，包括氮源，如氨，维生素和矿物质，或其组合。经过发酵，发酵介质或发酵液可进一步包括发酵产品如乙醇。

实施例

材料和方法

“发酵液”的制备

酵母发酵产生乙醇：将4kg糖加入自来水中形成体积约12.5升含59g干酵母（瑞典马尔莫Turbo Pure,Gert Strand AB）的溶液，在发酵容器中以28-30°C温育93小时。经HPLC检测（欧格伦·K等，《生物质和生物能》30(2006)863–869），93小时后发酵液中的乙醇浓度约15.7%。

发酵容器中的发酵液深度约10cm。所述发酵容器尺寸为40cm高、40cm长、32cm宽。该容器侧部和底部由暗棕色聚乙烯材料制造，容器顶部由8mm厚的玻璃板封闭。该容器侧部和底部用保温能力为50°C（相当于热导率为44mW m^-1K^-1）的Rockwool（商品名）50mm石棉保温体保温（丹麦海泽胡瑟讷Rockwool A/S，TUN No.:1624527）。主体容器顶部空间的空气流通速率约为：每m²发酵液暴露面5.6至15m³/小时。在本例中，发酵液暴露面积为0.128m²，因此，相应的空气流量约为12至32L/min。上述发酵液的顶部空间的空气通过一根内径3/8”的软管导入冷凝单元。该冷凝单元由板式冷凝器和管冷凝器构成，其中34cm×24cm×4.5cm的板式冷凝器由包含在其内的16个铝板构造（丹麦，奥尔堡，Auto og Industri centret提供），管冷凝器由环绕一个装有室温水的10升塑料桶的3/8”塑料软管构造成。软管冷凝器3/8”内径软管的末端的连接到一个Y形塑料接头，以使空气流中的液态冷凝物以重力分离。所述Y形塑料接头的一个出口将3/8”内径软管连接到一个封闭的1升蓝盖瓶用于收集冷凝液。Y形塑料接头的另一个出口将3/8”内径软管连接到一个隔膜气泵，其能力为33L/min (英国，萨里，查尔斯奥斯丁泵有限公司B100）并由电位器调节变频器（丹麦里斯考Eltwin A/S,Motron FC750）加以控制，使通过冷凝单元的空气重新流回发酵容器。在室温为18°C至22°C之间，联合板和管冷凝器的冷却能力约为18W。

6只60W的白光射灯（德国慕尼黑欧司朗股份有限公司生产的Concentra Spot R63）悬挂于所述容器上方约50cm处以向容器提供辐射热。根据发酵液和容器顶部空间的温度的升高，所述白光的平均日射量大概为5.4kWh/m²/day。

冷凝物中的乙醇浓度用乙醇检测器（丹麦弗莱德里克堡 Hobby生产的酒精计tysk 30cm）检测，其用自来水校准至0%v/v，用变性93%v/v校准至100%。每次测量之后的乙醇冷凝液返回发酵容器。

例1．白天/夜间模拟

白光射灯开关各12小时，以模拟自然的昼夜循环。按以上方法连接冷凝板和软管冷凝器。CO₂流通于顶部空间和发酵液的速率约为通过每m²发酵液暴露面5.6,8.9或15m³/小时。发酵液的暴露面积为0.128m²。表1显示了24小时内的发酵液温度▲，顶部空间温度●，室温◆，气流温度■，每一时段的冷凝物量，冷凝物中乙醇百分比及每m²发酵液暴露面乙醇冷凝液累积量x，图2为图示。依据上述的材料与方法，每次测量之后的乙醇冷凝液返回发酵容器。因此，发酵液中的乙醇浓度相对恒定在15.7%v/v。

表1

例2.

根据图1，本发明的所述装置可包括：一个位于封闭或其他形状遮阴结构内部或之下的4m³混合槽3，一个宽5m长20m高0.4m的主体容器12其较低位部分11含0.1m深发酵液。所述主体容器较低位部分11可以位于地表以下约0.1-0.2m。主体容器的较低位部分11可以部分或完全被保温材料隔热，若不能以地温实现保温，则该保温材料适合于利用进入主体容器的太阳能使主体容器内发酵液获得更高的热专递。所述装置可进一步包括一个位于地下约10英尺的横向地热冷凝器，且该冷凝器可被建造因而当通过主体容器的气流为1500m³/小时时，该冷凝单元可以在30°C或更低的条件下将60°C气相乙醇转化为液相乙醇冷凝液。所述装置可以置于马来西亚、印度新德里、香港、中国，或佛罗里达州迈阿密且每年可生产大约10,000到100,000加仑。发酵微生物可以是芽孢杆菌（Geobacillus sp.）菌株，且可发酵糖可包括甘蔗汁、糖蜜、糖浆或其他浓度在10-50％W/V发酵液的浓缩糖源。

Claims

1.一种制备和获取乙醇的方法，包括：

向一个封闭的主体容器中加入一种含有可发酵糖和一种可将之发酵为乙醇的发酵微生物的发酵液；

应用所述发酵微生物发酵可发酵糖产生乙醇；

将所述乙醇蒸发为气体进入所述主体容器发酵液上方的一个顶部空间；

在一个冷凝单元中冷凝气相乙醇为液相乙醇，其中所述冷凝单元的冷却部分实质上或完全位于地面以下，且所述冷凝单元的冷却部分与所述主体容器的顶部空间的温差足以将气相乙醇冷凝为液相乙醇，

所述封闭主体容器和所述冷凝单元通过一种或多种装置连接，所述装置包括出和/或入所述封闭主体容器和所述冷凝单元的能运输气体、液体、固体或其组合的一根或多根管道。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可发酵糖和发酵微生物在放入主体容器之前被混合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括用太阳能加热主体容器的顶部空间。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括采用地热冷却冷凝单元的冷却部分。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可发酵糖源于一种或多种来源特定的糖料作物、含淀粉物质、含木质纤维素物质或其组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述的发酵微生物为嗜热微生物。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其中所述的发酵微生物是一种经基因工程改造的微生物。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的乙醇冷凝液其乙醇浓度高于发酵液中的乙醇浓度。

9.根据权利要求1或8所述的方法，其中所述的乙醇冷凝液回收自冷凝单元。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述的乙醇冷凝液需接受蒸馏。

11.一个用于生产和获取乙醇的室外装置，包括:

一个封闭的主体容器，包括一个较低位部分和一个较高位部分，其中较低位部分含有发酵液且较高位部分含有在发酵液上部的顶部空间；

一个冷凝单元，包括一个冷却部分，其中冷却部分实质上或完全位于地面以下；

一种或多种连接所述封闭主体容器和所述冷凝单元的装置，包括出和/或入所述封闭主体容器和所述冷凝单元的能运输气体、液体、固体或其组合的一根或多根管道。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述的主体容器较高位部分包括至少一个接收气体的入口和至少一个将主体容器较高位部分气相乙醇移至冷凝单元进行冷凝的出口。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其中所述的冷凝单元包括至少一个用于接收来自主体容器的气相乙醇的入口。

14.根据权利要求11所述的装置，其中所述的冷凝单元包括至少一种收集液体的装置。

15.根据权利要求11所述的装置，其中所述的冷凝单元包括至少一个用于移出该冷凝单元中气体的出口。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述的移出的气体通过一根或多根管道回流至主体容器。

17.根据权利要求11所述的装置，其中一种泵使得气体在主体容器和冷凝单元中流动。

18.根据权利要求11所述的装置，其中所述的较低位部分包括至少一个移出全部或部分含有或不含固体的发酵液的出口。

19.根据权利要求11所述的装置，其中所述的装置进一步包括一个离心机。

20.根据权利要求11所述的装置，其中所述的装置进一步包括一个或多个能用于泵送气体、液体、固体或其组合的泵。

21.根据权利要求11所述的装置，其中所述的装置进一步包括一个混合槽。

22.根据权利要求11所述的装置，其中所述的装置进一步包括一个存储罐。