[发明专利]用于改善发酵工艺的系统和方法

说明书

交叉引用

       本申请要求2011年1月21日递交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR IMPROVING FERMENTATION”的美国临时申请号61/435,149的优先权，该申请的公开以引用的方式并入本文。

技术领域

 本申请所公开的方面涉及使用纳米过滤和一种氢氧化钙组合物来提高木质纤维素水解产物的发酵效率的系统和方法。

背景技术

稀酸处理作为木质纤维素工艺中的一项预备步骤，是将相当一部分的结构多糖水解为单糖和更易消化的多糖链的有效途径。在此过程中，原料被研磨到适合的细度，并经过一道酸和高温的预处理程序。该预处理程序令原料分解成为浆料。为了将含有戊糖的浆料成分与含有己糖的成分充分分离，需再经过一道将含有高浓度戊糖的浆料液体成分和含有高浓度己糖的浆料固体成分分离的工序。在浆料分离程序之后，戊糖酒精可能含有干扰发酵的杂质或抑制剂。许多资料记载，酸水解过程释放及形成了种类繁多的化合物，其中很多对发酵微生物有毒（即发酵抑制剂）(Klinke et al., 2004; Musatto and Roberto, 2004; Palmqvist and Hahn-Hagerdal, 2000)。已知的发酵抑制剂包括呋喃衍生物、糠醛和5-羟基-甲基糠醛(HMF)；脂肪酸，例如乙酸、甲酸和乙酰丙酸；以及木质素分解产生的酚类化合物。

人们设计了各种策略，以求中和稀酸处理或水解中产生的化合物的毒性，以有利于发酵的进行。已有研究发现，一些去毒方法，例如木炭或氢氧化钙（又称超施石灰），会造成糖类损失，对已经受限于糖类含量的整个工艺造成消极影响。有一种生物学方法包括接种漆酶（木质素降解酶），其成本可能和用纤维素酶消化多糖的全过程相当（甚至更贵）。相似地，还有资料表明，用极高浓度的酵母菌接种来进行水解产物发酵也是一种处理抑制剂的有效方法(Chung and Lee, 1984)，需要接种大量的酵母菌，是因为发酵过程中的高细胞死亡率。另一种缓解方法包括一种离子交换工艺。虽然离子交换对去除戊糖酒精中的抑制性化合物来说可能有效，将其用于缓解抑制剂相对昂贵。还有一种缓解技术包括纳米过滤。有资料表明，纳米过滤可从戊糖酒精中去除乙酸，但对去除其他抑制剂效用甚微。提高去除抑制剂的效率以提高发酵产出的需求长期存在。

目前还没有纳米过滤和添加氢氧化钙的组合使用，因为众所周知，氢氧化钙会污染滤膜，还会令蒸发设备和蒸馏设备起水垢。一种结合各种抑制剂去除技术的系统可能会性价比较高地降低戊糖酒精中的抑制剂水平。抑制剂越少，酒精发酵效率就越高。

发明内容

在此公开的各方面涉及提高一种水解产物的发酵焦虑的系统和方法。一种系统，包括处理从生物质中分离出的液体成分并产出经处理后的液体成分，所述经处理后的液体成分含有可发酵成为发酵产物的糖类。所述生物质包括木质纤维素材料，所述木质纤维素材料含有玉米穗轴、玉米植株外皮、玉米植株叶子和玉米植株茎秆中的至少一种。

该系统包括用于从液体成分中除去颗粒物尺寸超过0.1-20微米的杂质的过滤器。在一些实施例中，所述过滤器的孔径为0.1-20微米。

该系统还包括至少一个用于从经过滤后的液体成分中去除酸类并浓缩木糖的纳米过滤器。在一些实施例中，至少一个纳米过滤器包括第一纳米过滤阶段和第二纳米过滤阶段。所述第二纳米过滤阶段可以含有能允许水分子和酸离子作为渗透物通过并将糖分子作为渗余物截留的膜。所述第二纳米过滤阶段还可以用于渗滤。渗滤可包括按0:1到1.3:1的比例向所述液体成分中加水。所述第一纳米过滤阶段的渗透通量是1.5-35 L/m² /h。

该系统还包括用于调整经纳米过滤后后的液体成分的pH值的设备。在一些实施例中，该设备用氢氧化钙将所述经纳米过滤后的液体成分的pH调整至5.5-6.0。在其他一些实施例中，该设备用氢氧化铵和氢氧化钾中的至少一种与氢氧化钙所组成的组合物将所述经纳米过滤后的液体成分的pH调整至5.5-6.0。在一些实施例中，该设备先用氢氧化钙将所述经纳米过滤后的液体成分的pH调整至4.0，再用氢氧化铵和氢氧化钾中的至少一种将所述经纳米过滤后的液体成分的pH调整至5.5-6.0。