CN104540942A - 通过糖发酵制造醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过糖发酵制造醇的改善方法，其中所述方法的改进在于在发酵开始之前以及在整个发酵过程期间，将电场施加至制得的原液。

Description

通过糖发酵制造醇的方法
技术领域
本发明涉及用于通过糖发酵改善醇的生产的物理化学方法，所述方法包括利用电场在发酵液中产生极化。
背景技术
醇是一类特征为它们包含至少一个羟基(OH)并且广泛地用于工业中的化学化合物。在该类别中最公知的化合物是乙醇或乙基醇。这可在酒精饮品、清洁产品和药品中发现，且它广泛用作化学溶剂，它还具有作为用于机动车的燃料的应用，这是它的最高价值和最密集的应用。
用于制造乙醇的方法通常对甘蔗进行，但它还可对各种谷物和糖源进行，诸如玉米、木薯、其它根部、高粱、小麦、大麦和糖蜜、糖浆、甘蔗渣、马铃薯、乳清等。
乙醇的制造基本分成4个阶段：研磨、液化、发酵和蒸馏。研磨包括通过处理机由糖源转变。在该阶段中，获得包含高浓度水和糖的原液。
发酵部分包括添加某一类型的酵母，该酵母导致溶液中存在的糖转变成乙醇。是酶的作用进行这项工作。在该工艺之后，获得发酵的汁，这已包含其转变成乙醇的总体积的一部分。
然后，该汁继续至最后阶段，分馏，并将产生具有乙醇和水的组成的溶液。
最直接影响乙醇生产结果的阶段，因此研究得最多的是发酵，也称作酒精发酵，这是使糖(主要是蔗糖、葡萄糖和果糖)转化成乙醇的化学方法。负责将糖转化成乙醇的微生物剂参与该过程。
由于它是现有技术状态下广泛公知的方法，可发现描述用于上述目的的各种文献。通常，这些方法集中于发现制造乙醇的理想物种或物种的组合，前提是所用方法涉及原材料的大量损失，从而降低该方法的效率。
与用于制造乙醇的不同方法有关的各种文件可发现于专利文献中。Donald B.Spencer的美国专利US 4451566描述了由可发酵的糖酶制造乙醇的方法和设备。在各个反应区保持用于糖向乙醇的催化转化的酶的顺序。可发酵的糖溶液依次通过这些区，并在最后一个区中回收酒精。除了比常规方法提供更有效的反应外，该文件提供了一种费力、复杂且难以维持的方案。
Brian Burmaster的国际专利申请WO 2007/064545描述了一种用于通过监视并控制发酵的氧化-还原电势来改善乙醇产率、缩短发酵时间并减少副产物形成的方法。然而，该方法要求非常特别的监视，并难以维护，导致该方法昂贵，即使它更有效。
Vladimir Vlad的国际专利申请WO 2008/024331描述了一种用于磁性发酵的方法，该方法包括将生物材料暴露于静磁场中，以影响生物材料发酵成发酵产物。发酵反应可在碱性或酸性介质中进行，且磁场可为正的或负的。该文件利用静磁场为微生物的细胞再生提供更有利的环境。除了提高酒精发酵中微生物数量，由此提高反应产率外，该方法需要对反应进行常态监视以及总体控制，这使得该方法昂贵。
注意到现有技术状态的限制，本发明人已开发出一种通过糖发酵制造醇的方法，这通过发酵期间的持续电极化产生多种益处，诸如方法效率的提高。
发明内容
用于通过糖发酵来制造醇的方法对本领域技术人员已经是已知的。然而，用于通过酒精发酵制造醇的所有方法在发酵反应的产率方面具有实质性缺陷，导致原材料(糖)损失，或需要具有高成本的设施或维护的设备或方法。因此，本发明的目的是提供一种用于通过糖发酵来制造醇的改善的低成本的物理化学方法，该方法提供高水平的原材料(糖)及其副产物的应用，由此提高发酵反应的产率。
发酵方法已经得到很好的确立，并涉及高成本的材料。因此，本发明的一个目的是提供一种在已安装的设施上便于使用的方法，在糖发酵方法中提供更好的效率。
具体实施方式
本发明提供一种用于通过含糖溶液的发酵阶段中的改性和改进来提高并改善醇制造产率的物理化学方法。该改进包括施加直流电场，导致糖动力学极化，以及汁的电解，这实际上源自几乎全部酸化的汁中存在的水。
将电场施加至经处理的原液(含糖溶液)具有以下结果：在经处理的原液中存在的糖的分子中产生极化。这些电极化的形成提高了糖分子的选择性，从而提高方法产率。
为了该选择性能以所需效率进行，发酵方法只能在电场已被施加至经处理的原液之后开始。一旦所有分子均电取向，发酵就能开始。
本发明中描述的电极是由导电金属制成的装置。
本发明中所述的方法包括以下步骤：
1.准备包含至少2个电极的用于经处理的原液的容器；
2.将这些电极与直流电源连接；
3.制备用于发酵的原液；
4.间歇式或持续地填充所述容器；
5.连接这些电极以使糖分子取向；以及
6.开始发酵过程。
在本发明的一个方面，该设备包括用于控制和保持发酵参数(诸如电压和电流)的装置。
进行一些测试以评价将电场施加至发酵原液的效率。方法的一个实例如下，该实例不是要限制本发明的保护范围。
用于通过糖发酵制造乙醇的方法的实例
下文所述的方法不仅包括将电场施加至制得的原液，还包括用于从甘蔗制造乙醇的所有阶段。
我们将考虑现代工厂的当天的情况，该工厂具有12(十二)个缸，每个缸300000升，其中该体积包括甘蔗原液、浸渍水，加上化学产物的总和，这些产物每300000升的缸平均共计6x 10-4kg/l或180kg。
通过发酵和蒸馏，该工厂在每个缸中由300000升产生9％至10％的乙醇，即每个缸中每批次为27000升至30000升的乙醇。
将直流电场引入至每个缸中，导致蔗糖的动态极化以及汁的电解，这实际上源自几乎全都被酸化的水。两种类型的气体通常以与电解组合的此类型的发酵中自然形成：
发酵气体，该发酵气体是二氧化碳气体的气泡；
电解气体，其中酸性介质中的气体在水中基本是离子，来自与汁中存在的浓度非常低的化学成分相关的其他气体的贡献小。
这意味着将在发酵缸中气体体积增大。糖的动力学极化以及气体体积的增大，以及它们的反应性也将导致一定体积的乙醇以及其他化合物，除了来自简单酒精发酵的那些之外。
为了示出本发明的目的，术语TRS将用于是指“总的还原糖”。我们还将使用术语BRIX来指液体比重级别，用于测量特定温度下特定溶液中的糖浓度。这些术语在现有技术状态中已非常好地确立，并将易于被本领域技术人员理解。
在发酵开始时缸中pH约为4.5。当发酵时汁的BRIX从18变至22，醇含量约为约8％。当发酵开始时，总的还原糖TRS与BRIX一起在降低的级别上，它们的浓度下降，且变为酸性的汁的pH随着温度升高而降低至3.5。汁的温度不应升高，因为这将导致微生物的生长，这将消耗掉仍保留在本方法中的TRS的一些。
阳极和阴极
阳极和阴极几何上相同。它们包括转之间具有片的线圈，约等于管的直径，管应具有99.9％纯度的铜。进行这些至现有缸的尺寸，这现将达到直径10(十)米，并且各自具有1000m3容量的汁。
管状阳极和阴极的功能包括：
导入阴极和阳极直接电流；
通过在封闭的回路中软水和去离子水的流，导致汁的冷却，保持汁的温度低于或者等于35，使用水穿过阴极和阳极线圈。
螺线的形状取决于缸的形状，且它们成对存在，并且必然存在至少一对。这些螺线被支撑在绝缘材料载体上，该绝原材料载体不允许它们和缸侧边之间的电接触。这些螺线中的电流循环极性方面可被交换，以防止阳极浆料沉积在阳极上。阳极和阴极之间的距离将取决于安培和电压，根据pH的变化自动改变。
随着汁的pH变成酸性，石灰或其他碱的原液的自动注射。
过程气体
发酵气体为CO2(或二氧化碳气体)，其随着发酵过程而降低。当不再有CO2形成时，意味着几乎所有的糖已转化，并且所有的汁不得不进行蒸馏。反应性气体是能在乙醇和气体产物形成过程中反应的离子。它们采用不同的形式，并且自身保持约4.5的pH以及35℃以下的温度，即使在发酵自然结束时CO2形成停止之后，在整个发酵过程中保持大致恒定。因此，醇的一部分还继续以蒸汽的形式排出。这些醇蒸汽应优选被浓缩和回收，而无需穿过最终汁液的蒸馏物。这还将允许捕获几乎所有的CO2，现将被排放到空气中。依此方式，将实质性减少CO2的空气排放，其为每立方米乙醇1立方米的级别。
蔗糖的动力学极化
随着蔗糖分子被动力学极化，它们将一直是定向的，辅助它们的转化。
方法的自动控制
在自动控制中，方法pH必须被控制至最合适的水平，用于发酵的每个阶段。这种控制将通过计量石灰或等价物的泵来实现，因为在该方法的过程期间，该趋势是该方法的结果是进一步使残留的发酵的汁酸化。由于发酵过程中pH的变化，电流密度将变化，这还将具有用于测量和控制此的系统，主要在间歇方法中。
本领域技术人员将理解，本发明中描述的方法不限于乙醇发酵的方法的特定特征，且该方法可被延展至现有技术状态中已知的各自以及每一种发酵方法，提供效率、速度以及醇产率的提高。

Claims (13)

1.一种用于通过糖发酵制造醇的方法，其特征在于，所述方法包括向发酵液施加电场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(i)准备包含至少2个电极的用于经处理的原液的容器；
(ii)将这些电极与直流电源连接；
(iii)制备用于发酵的原液；
(iv)分批或连续地填充所述容器；以及
(v)连接这些电极以使糖分子取向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述醇选自包括具有通式R-OH的有机化合物的组，其中，R表示含有2个或更多个碳原子的饱和或不饱和链。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基团R表示含有至少2个碳原子的饱和链。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述糖选自包括蔗糖、果糖和葡萄糖的组。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加电场通过至少两个电极来进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电极包括直流电源供电的至少一个正极和至少一个负极。
8.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于控制和保持所述电场的装置，所述控制装置选自电压变化器或电流变化器。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电极在它们之间保持恒定的电势差。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电极包括具有便于循环水的几何形状，所述电极还控制发酵汁的过程温度。
11.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度落在30至35℃的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述pH从6变化至4.5，通常具有低酸度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括连续控制pH为约4.5。
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