CN106029892A - 通过发酵制备乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

通过发酵制备乙醇的方法，包括以下步骤：用酵母发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪，从所述发酵醪分离酵母浓缩液，向所述酵母浓缩液添加无机酸以提供pH为1.8‑3.0的酸化的酵母浓缩液，向所述酸化的酵母浓缩液添加5‑80ppm(重量)的量的过氧羧酸以提供经处理的酵母浓缩液，以及通过添加经处理的酵母浓缩液发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪。

Description

通过发酵制备乙醇的方法
技术领域
本发明涉及通过发酵制备乙醇的方法，其中在不使用抗生素的情况下可以有效地控制细菌污染。
发明背景
通过发酵制备乙醇已成为用于运输的可再生燃料的主要来源。得自甘蔗、玉米、高粱或甜菜原料的糖的酵母发酵以及通过蒸馏从发酵醪回收乙醇被工业化地用于制备作为汽油添加剂或运输燃料的乙醇。可以采用通过离心从发酵醪回收酵母以及重新利用回收的酵母进行发酵来增加发酵率和乙醇生产率。来自发酵的副产品，例如来自玉米基发酵的干酒糟和可溶物(DDGS)或来自甘蔗基发酵的干酵母，用作动物饲料或饲料添加剂。
通过发酵制备燃料乙醇的普遍问题是发酵醪被细菌、特别是产乳酸和乙酸的细菌污染，这可导致乙醇产率降低，并可通过导致酵母絮凝而干扰酵母的重新利用。选择性作用于细菌的抗生素已被用于减少细菌污染，但是此类抗生素的使用是不期望的，因为其导致发酵副产物被抗生素污染，并可导致在细菌中形成抗生素抗性。
一般使用使pH降至小于2.5的酸处理来减少回收的酵母在重新利用其进行发酵之前的细菌污染。然而，对于耐酸细菌，例如产乳酸和乙酸的细菌，此类酸处理不是足够有效的。
WO 2011/116042提出通过在非氧化性杀微生物剂或诸如稳定化的过乙酸的稳定化的氧化剂的存在下进行发酵，来控制乙醇发酵中的细菌生长。该非氧化性杀微生物剂或稳定化的氧化剂被添加到发酵罐中。
WO 2012/027469提出通过向发酵醪中引入诸如过乙酸的有机氧化性化合物和诸如过氧化氢的无机氧化性化合物来降低发酵系统中细菌水平。
US 2009/0061490公开了在澄清的糖水解产物中发酵木糖，其中将酵母泥从发酵液分离，用氧化剂处理以减少微生物污染，并重新引入到发酵中。用氧化剂处理是在pH 3-6下进行的。
发明概述
本发明的发明人已经发现，令人惊讶的是，在使用酵母回收和重新利用的乙醇发酵方法中，与将过氧羧酸直接添加到发酵醪或未被酸化的回收酵母中相比，当将所述过氧羧酸在将回收酵母重新用于发酵之前添加到酸化的回收酵母中时，所述过氧羧酸更加有效地减少细菌污染而且不影响酵母发酵活性。
因此，本发明提供通过发酵制备乙醇的方法，所述方法包括以下步骤
a)用酵母发酵包含可发酵糖的醪(mash)以形成包含乙醇的发酵醪(fermented mash)，
b)从得自步骤a)的发酵醪(fermentation mash)分离酵母浓缩液，
c)向得自步骤b)的酵母浓缩液添加无机酸以提供pH为1.8-3.0的酸化的酵母浓缩液，
d)向所述酸化的酵母浓缩液添加5-80ppm(重量)的量的过氧羧酸以提供经处理的酵母浓缩液，以及
e)通过添加得自步骤d)的经处理的酵母浓缩液发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪。
发明详述
本发明的方法包括步骤a)用酵母发酵醪，其中所述醪包含可发酵糖。
适合的可发酵糖是诸如葡萄糖、果糖或半乳糖的单糖以及诸如蔗糖、麦芽糖或乳糖的二糖。醪可得自含有可发酵糖的植物，例如甘蔗、甜菜或甜高粱。或者，醪可通过淀粉或纤维素的水解、优选通过酶水解，得自含有淀粉的植物，诸如玉米、马铃薯、小麦或大米，或者得自含有纤维素的植物。优选地，醪是甘蔗汁、甘蔗糖蜜或二者的组合。
用酵母优选酿酒酵母(saccharomyces cerevisiae)发酵醪，以形成包含乙醇的发酵醪。发酵步骤a)可以分批发酵、分批补料发酵、连续发酵或半连续发酵形式进行。在分批发酵中，将醪和酵母全部添加到发酵罐中并发酵，直至酵母将可发酵糖向乙醇的转化已达到所期望的程度。在分批补料发酵中，将任选地含有部分醪的酵母悬浮液装入发酵罐中，将醪经一段时间进料到发酵罐中，其间酵母将大部分可发酵糖转化成乙醇。在停止醪进料后，使发酵继续额外的时间段以使可发酵糖完全转化为乙醇，然后排空发酵罐。在连续发酵中，将酵母和醪连续进料到发酵罐中并且连续取出相应量的发酵醪以维持发酵罐中材料的量基本上恒定。在半连续发酵中，将酵母和醪连续进料，但是间隔地从发酵罐取出发酵醪。优选地，发酵步骤a)以分批发酵或分批补料发酵的形式进行。优选在混合式发酵罐中进行发酵，并且优选将发酵罐中的温度维持在28-37℃。
在随后的步骤b)中，从得自步骤a)的发酵醪分离酵母浓缩液。分离可以用已知适于从水醇悬浮液分离酵母的任何方法进行。优选通过倾析或离心，最优选通过离心进行分离。优选利用沉降式离心机或盘式分离机，最优选用盘式分离机进行离心。优选进行分离，以得到含有60-80重量％酵母细胞的酵母悬浮液(通常称为酵母乳)，然后将其用水稀释以提供酵母浓缩液。稀释后，酵母浓缩液优选含有25-35重量％酵母细胞。
在本发明方法的步骤c)中，向得自步骤b)的酵母浓缩液添加无机酸以提供pH为1.8-3.0的酸化的酵母浓缩液。优选地，硫酸用作所述无机酸。无机酸的添加可以分批或连续进行。优选地，在连续搅拌罐式反应器中进行无机酸的连续添加。优选地，在使用pH传感器、优选使用玻璃pH电极控制pH的情况下进行添加。优选地，在25-37℃的温度下进行无机酸的添加。
在本发明方法的步骤d)中，向所述酸化的酵母浓缩液添加过氧羧酸。优选地，过氧羧酸是过氧化一元羧酸，所述过氧化一元羧酸优选具有1-8个碳原子并且最优选是过氧乙酸。向所述酸化的酵母浓缩液添加5-80ppm(重量)的量的过氧羧酸。
步骤d)可以在步骤c)后分批或连续进行。优选地，使用串联的两个连续搅拌罐式反应器进行随后的过氧羧酸的连续添加，其中无机酸添加到第一反应器，过氧羧酸添加到第二反应器。在一替代且优选实施方案中，通过向同一连续搅拌罐式反应器添加无机酸和过氧羧酸并调节添加的无机酸的量以维持所述连续搅拌罐式反应器中pH为1.8-3.0，并列地进行步骤c)和d)。
可以间歇地或连续地添加过氧羧酸。如果间歇地添加过氧羧酸，则所述添加可以按照规律的时刻表进行，具有预定的添加间隔和添加时间。或者，所述添加可以是按需的，取决于发酵醪或酵母浓缩液中细菌污染的水平。当间歇地添加过氧羧酸时，其添加量优选为20-80ppm，更优选为30-80ppm。当按照规律的时刻表进行间歇添加时，添加间隔优选地选择为8-200小时，并且，如果分批进行步骤d)，则过氧羧酸的添加时间优选地选择为10-120分钟，如果连续进行步骤d)，则过氧羧酸的添加时间优选地选择为8-150小时。当连续添加过氧羧酸时，其添加量优选为5-30ppm，更优选为10-20ppm。
优选地，所述过氧羧酸以0.02:1至5:1、更优选0.1:1至2.5:1的过氧羧酸:过氧化氢摩尔比与过氧化氢组合使用。当过氧乙酸用作所述过氧羧酸时，其优选以平衡过氧乙酸的形式使用。术语“平衡过氧乙酸”指包含过氧乙酸、乙酸、过氧化氢和水的处于化学平衡的混合物。最优选地，使用包含3-17重量％的过氧乙酸的平衡过氧乙酸。
在进一步的步骤e)中，通过添加得自步骤d)的经处理的酵母浓缩液发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪。在步骤e)中发酵的醪可以与步骤a)中的醪相同，或者可以在可发酵糖的量或者醪的来源方面不同于步骤a)中的醪。用于步骤e)中发酵的工艺条件可以与步骤a)中相同，或者它们也可以不同。优选地，步骤a)和e)都以分批发酵或分批补料发酵的形式进行。更优选地，步骤a)和e)都以相同的醪在基本上相同的工艺条件下进行，即，将得自步骤d)的经处理的酵母浓缩液重新用于发酵，所述发酵以与在步骤b)中从中分离所述酵母的发酵相同的方式进行。最优选地，将步骤b)至e)的顺序重复几次，其中一个顺序中的步骤e)构成随后顺序中的步骤a)，从而得到具有经过步骤b)至e)的酵母循环的重复发酵的全部过程。
优选地，进行所述方法的步骤d)和e)，以使得从将过氧羧酸在步骤d)中添加到酸化的酵母浓缩液至在步骤e)中添加经处理的酵母浓缩液之间的平均时间为至少10分钟。优选地，所述平均时间为10分钟至5小时，更优选0.5小时至5小时。对于酵母浓缩液的连续处理，在步骤d)于连续搅拌罐式反应器中进行的情况下，所述平均时间是指酵母浓缩液在所述反应器中的平均停留时间，以所述反应器内平均液体体积与酵母浓缩液进入所述反应器的体积流速的比值计算。
在本发明的方法的第一优选实施方案中，在几个并行运转的发酵罐中分批进行发酵，而且依次排空发酵罐以向分离酵母浓缩液的步骤b)提供基本上恒定的发酵醪流。优选以连续运转的离心机分离酵母，而且将来自所述离心机的酵母乳转移至搅拌罐式反应器中，于其中用水将所述酵母乳稀释成含有25-35重量％酵母细胞的酵母浓缩液。将硫酸进料到同一搅拌罐式反应器中以调整pH至1.8-3.0的值。之后，进料平衡过氧乙酸，其量为基于酵母浓缩液的量的20-80ppm过氧乙酸。在1-4小时的处理时间后将经处理的酵母浓缩液进料到发酵罐中。
在本发明的方法的第二优选实施方案中，在几个并行运转的发酵罐中以分批补料方式进行发酵，而且依次排空发酵罐以向分离酵母浓缩液的步骤b)提供基本上恒定的发酵醪流。优选以连续运转的离心机分离酵母，而且将来自所述离心机的酵母乳转移至第一连续搅拌罐式反应器中，于其中用水将所述酵母乳稀释成含有25-35重量％酵母细胞的酵母浓缩液。将酵母浓缩液进料到第二连续搅拌罐式反应器中，向其中进料硫酸和平衡过氧乙酸，调节硫酸的进料以维持1.8-3.0的pH。连续或间歇地进料平衡过氧乙酸，并且调整平衡过氧乙酸的进料以连续地添加5-30ppm过氧乙酸或间歇地添加20至80ppm过氧乙酸，各自基于进料的酵母浓缩液的量。将经处理的酵母浓缩液转移到缓冲罐，在分批补料发酵开始前将经处理的酵母浓缩液从缓冲罐进料到发酵罐中。选择连续搅拌罐式反应器和缓冲罐的体积，以提供从向酸化的酵母浓缩液添加过氧乙酸至将经处理的酵母浓缩液转移至发酵罐之间的1-4小时的平均时间。
本发明的方法提供高且稳定的乙醇生产率，因为其允许维持酵母的高度重新利用而且预防由发酵的细菌污染引起的问题，例如降低的乙醇产率、或发酵醪中干扰酵母分离的酵母絮凝。在没有抗生素或持久的杀微生物剂污染酵母或发酵醪的情况下且在没有引起细菌中抗生素抗性的风险情况下，细菌污染被降低和受到控制。
实施例
如A.J.Oliveira等人，Curso de treinamento em microbiologia,Piracicaba:FERMENTEC and ESALQ,1996和A.J.Oliveira等人,Métodos para ocontrole microbiológico nadeeálcool,Piracicaba:FERMENTEC,FEALQ and ESALQ,1996所述，确定细菌和酵母细胞计数、酵母细胞活力和酵母絮凝。细菌感染率计算为杆菌细胞计数与酵母细胞计数的比值。
实施例1(比较例)和实施例2
这些实施例使用通过从经发酵的甘蔗浆(sugar cane mush)分离酵母而获得的酵母乳进行，所述经发酵的甘蔗浆来自通过分批发酵和酵母重新利用而操作的甘蔗乙醇生产工厂。用水稀释酵母乳至约24重量％的酵母细胞含量，并且通过添加硫酸将稀释的酵母乳的pH调节至1.8的值。
在实施例1中，将酸化的稀释酵母乳在30℃保持2小时，然后对其进行微生物学分析。然后将322ml酸化的稀释酵母乳置于容器中，在搅拌下分5份加入678ml甘蔗浆，添加的间隔为1小时。在33℃下用酸化的稀释的酵母乳发酵甘蔗浆，进行21小时。发酵醪的最终pH为4.8。
在实施例2中，将Evonik的平衡过氧乙酸15以50mg/l的量添加到酸化的稀释酵母乳中，将所得的经处理的酵母浓缩液在30℃保持1.7小时，然后对其进行微生物学分析。之后，如实施例1进行发酵。
在发酵前对经处理的酵母浓缩液所测定的以及在21小时后对发酵醪所测定的细菌和酵母细胞计数、感染率和酵母细胞活力总结于表1和2中。数据显示，在用于发酵之前用过氧乙酸处理酵母浓缩液(pH 1.8)有效防止发酵醪的细菌污染，而且不影响发酵中酵母活力。
表1
实施例1，无过氧乙酸情况下的细菌污染
经处理的酵母浓缩液 发酵醪
杆菌细胞/ml 11×106 61×106
酵母细胞/ml 490×106 220×106
感染率(％) 2.2 28
酵母活力(％) 78 77
表2
实施例2，添加50ppm过氧乙酸情况下的细菌污染
经处理的酵母浓缩液 发酵醪
杆菌细胞/ml 2.9×106 6.1×106
酵母细胞/ml 550×106 230×106
感染率(％) 0.5 2.6
酵母活力(％) 73 81
实施例3(比较例)和实施例4
重复实施例1和2，其中在实施例3中不添加过氧乙酸，在实施例4中以60mg/l过氧乙酸的量添加平衡过氧乙酸15。将经处理的酵母乳在30℃保持2小时，然后对其进行微生物学分析和开始发酵。用于发酵的甘蔗浆具有5.7的pH。19小时后对发酵醪进行微生物学分析，此时其具有3.9的pH。
在发酵前对经处理的酵母浓缩液所测定的以及在19小时后对发酵醪所测定的细菌和酵母细胞计数、感染率和酵母细胞活力总结于表3和4中。
表3
实施例3，无过氧乙酸情况下的细菌污染
经处理的酵母浓缩液 发酵醪
杆菌细胞/ml 24×106 23×106
酵母细胞/ml 630×106 220×106
感染率(％) 3.8 10.5
酵母活力(％) 80 79
表4
实施例4，添加60ppm过氧乙酸情况下的细菌污染
实施例5、6、7(全为比较例)和实施例8
这些实施例使用通过从经发酵的甘蔗浆分离酵母而获得的酵母乳进行，所述经发酵的甘蔗浆来自通过分批补料发酵和酵母重新利用而操作的甘蔗乙醇生产工厂。用水稀释酵母乳至约27重量％的酵母细胞含量。稀释酵母乳的pH为4.0。
在实施例5中，将稀释酵母乳在30℃保持3.6小时，然后对其进行微生物学分析。
在实施例6中，将Evonik的平衡过氧乙酸15以50mg/l的量添加到稀释酵母乳中，将所得的经处理的酵母浓缩液在30℃保持2.3小时，然后对其进行微生物学分析。
在实施例7中，通过添加硫酸将稀释酵母乳的pH调节至2.0的值，并且将所得的酸化的酵母浓缩液在30℃保持2.5小时，然后对其进行微生物学分析。
在实施例8中，如在实施例7中那样调节稀释酵母乳的pH，将Evonik的平衡过氧乙酸15以50mg/l的量添加到酸化的稀释酵母乳中，并且将所得的经处理的酵母浓缩液在30℃保持2.0小时，然后对其进行微生物学分析。
在上述时间后测定的经处理的酵母浓缩液的细菌和酵母细胞计数、感染率、酵母细胞活力和pH总结于表5中。表5的数据显示，当未通过添加酸将pH调节到所主张的范围时，用过氧乙酸对酵母浓缩液的处理是无效的。在通过添加无机酸调节酵母浓缩液的pH和添加过乙酸之间存在协同作用。
表5
实施例5-8，在有和无pH调节以及有和无过氧乙酸添加的情况下的细菌污染
实施例 5 6 7 8
添加的过氧乙酸(mg/l) 0 50 0 50
经处理的酵母浓缩液的pH 4.26 4.17 2.30 2.40
杆菌细胞/ml 60×106 68×106 95×106 14×106
酵母细胞/ml 930×106 820×106 690×106 830×106
感染率(％) 6.5 8.3 14 1.7
酵母活力(％) 92 86 89 88
实施例9至11
在以分批补料方式运转6个发酵罐的甘蔗乙醇生产工厂中进行实施例9至11。将发酵醪送入离心机，其分离具有63重量％的平均酵母含量的酵母乳。用水将酵母乳稀释至27重量％的平均酵母含量并转移到搅拌酵母乳回收罐中。以42－127m3/h的速度将稀释的酵母乳从该罐连续输送到搅拌酵母处理罐。向酵母处理罐添加硫酸以维持pH在1.8至2.8。在酵母乳回收罐和酵母处理罐二者中的平均停留时间为1.3－4.0小时。经1－2小时的时间通过将酸化的酵母浓缩液装入发酵罐进行发酵，然后经6小时的时间将糖含量为22°白利糖度和pH为5.8的甘蔗糊进料到发酵罐中。在不进料情况下继续发酵另外2小时，并将发酵醪送入离心机。通过在将发酵醪进料到离心机之前采取的发酵醪样品的微生物学分析来监测细菌污染。分析样品的细菌和酵母细胞计数以及酵母细胞活力和酵母絮凝。
在实施例9中，在第3和4天的实验中，以60ppm的量将Evonik的平衡过氧乙酸15投入酵母处理罐中，保持28小时。使酵母处理罐中pH维持在1.84-2.02。发酵罐2和4中的细菌污染结果提供于表6和7中。数据表明，细菌污染和酵母絮凝通过添加过氧乙酸而降低并且当停止添加过氧乙酸时恢复。
表6
实施例9，发酵罐2中的细菌污染
表7
实施例9，发酵罐4中的细菌污染
在实施例10中，在实验的第6和7天中，将Evonik的平衡过氧乙酸15以从49ppm逐渐降至20ppm的量在43小时内投入酵母处理罐中。使酵母处理罐中pH维持在1.97-2.60。发酵罐2和3中的细菌污染结果提供于表8和9中。数据表明，向酸化的酵母浓缩液连续添加20ppm过氧乙酸足以控制细菌污染和避免酵母絮凝。
表8
实施例10，发酵罐2中的细菌污染
表9
实施例10，发酵罐3中的细菌污染
在实施例11中，在实验的第2和3天中，以50ppm的量在13小时内将Evonik的平衡过氧乙酸15投入酵母乳回收罐中，然后以30ppm的量投入28小时。在这期间，酵母乳回收罐中的pH为3.0-3.3。然后，停止向酵母乳回收罐投入过氧乙酸，并以30ppm的量将过氧乙酸投入酵母处理罐18小时。在这期间，酵母处理罐中的pH为约2。发酵罐3和6中的细菌污染结果提供于表10和11中。数据表明，过氧乙酸的添加仅仅对于pH小于3.0的酸化的酵母浓缩液有效。
表10
实施例11，发酵罐3中的细菌污染
表11
实施例11，发酵罐6中的细菌污染

Claims (9)

1.通过发酵制备乙醇的方法，所述方法包括以下步骤
a)用酵母发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪，
b)从得自步骤a)的发酵醪分离酵母浓缩液，
c)向得自步骤b)的酵母浓缩液添加无机酸以提供pH为1.8-3.0的酸化的酵母浓缩液，
d)向所述酸化的酵母浓缩液添加5-80重量ppm的量的过氧羧酸以提供经处理的酵母浓缩液，以及
e)通过添加得自步骤d)的经处理的酵母浓缩液发酵包含可发酵糖的醪以形成包含乙醇的发酵醪。
2.权利要求1的方法，其中在步骤b)中，通过离心分离含有60-80重量％酵母细胞的酵母悬浮液并且将所述酵母悬浮液用水稀释以提供所述酵母浓缩液。
3.权利要求1或2的方法，其中所述过氧羧酸是过氧乙酸。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中间歇地添加20-80重量ppm的量的所述过氧羧酸。
5.权利要求1-3中任一项的方法，其中连续地添加5-30重量ppm的量的所述过氧羧酸。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中所述过氧羧酸以0.02:1至5:1的过氧羧酸:过氧化氢的摩尔比与过氧化氢组合使用。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中所述包含可发酵糖的醪是甘蔗汁、甘蔗糖蜜或二者的组合。
8.权利要求1-7中任一项的方法，其中从在步骤d)中向所述酸化的酵母浓缩液添加过氧羧酸至在步骤e)中添加经处理的酵母浓缩液之间的平均时间为至少10分钟。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其中步骤a)和e)都以分批发酵或分批补料发酵的形式进行。
CN201580006439.8A 2014-01-30 2015-01-20 通过发酵制备乙醇的方法 Pending CN106029892A (zh)

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