由木质纤维生物质生产乙醇并回收可燃燃料材料的制作方法

专利名称：由木质纤维生物质生产乙醇并回收可燃燃料材料的制作方法
由木质纤维生物质生产こ醇并回收可燃燃料材料本发明总的涉及利用木质纤维生物质作为用于生产こ醇的来源，并且在某些实施方案中，回收在こ醇形成中不被消耗的携能材料，以用作可燃材料。作为进一歩的背景，近年来越来越强调发现由可再生的非石油资源有效生产燃料的方式。在关注的一个领域中，已通过衍生自植物的生物质原料的发酵来生产燃料こ醇。目前，由玉米淀粉、甘蔗和甜菜的原料商业生产燃料こ醇。然而，这些材料在食品行业中得到显著的竞争性应用，并且它们用于制造燃料こ醇的扩展的应用遭受价格提高和其它行业的破坏。因此，高度寻求备选的发酵原料及其利用的可行技木。木质纤维生物质材料可大量获得，并且相对便宜。这些材料可得自以下形式农业废物例如玉米稻杆、玉米纤维、小麦杆、大麦杆、燕麦杆、燕麦壳、欧洲油菜(canola)杆、大豆秸杆、草例如柳枝稷、细叶芒、大米草和草芦、林业废物例如白杨木和锯屑、以及糖处理残余物例如甘蔗渣和甜菜浆。将来自这些材料的纤维素转化为糖，随后将糖发酵，以生产こ醇。
使用木质纤维生物质材料来生产こ醇的问题在于残余的木质素和其它非こ醇形成材料(forming material)的处置。这些材料传统上被送至废水处理设备进行处置。在这个再循环和具有环境意识的时代，让这些可能含有潜在能量价值的有机材料以这种方式处置不是最环境友好或有效的应用。在其某些方面，本发明解决了这个利用来自生物质こ醇形成的残余物的问题。发明概述在一个实施方案中，提供了ー种用于将生物质转化为こ醇的方法。所述方法包括处理木质纤维生物质的第一部分，以生产こ醇和非こ醇形成材料,所述处理包括加热；收集在处理后留下的至少一部分非こ醇形成材料；干燥收集的非こ醇形成材料；和燃烧所述非こ醇形成材料，以产生热量。随后可将热量供应到木质纤维生物质的第二部分的处理，以生
产こ醇。在另ー个实施方案中，提供了ー种用于从木质纤维生物质到こ醇的转化回收可燃燃料材料的方法。所述方法包括处理木质纤维生物质，以生产包含こ醇、固体和其它有机材料的产物流，从产物流除去こ醇，留下非产物流，将所述固体从非产物流分离，从非产物流除去水，生产浓缩的非产物流，和干燥所述固体和浓缩的非产物流，以生产可燃燃料。在另ー个实施方案中，提供了一种用于回收可燃燃料材料的方法。所述方法包括由在木质纤维生物质处理设备约50英里内生长的植物材料得到木质纤维生物质，处理第一量的生物质，以生产こ醇，收集来自生物质处理的副产物材料,处理所述副产物材料，以形成可燃燃料材料，和在木质纤维生物质处理设备处就地(on-site)使用所述可燃燃料材料，以产生能量。本发明的另外的实施方案以及它们的特征和优点将由本文的描述显而易见。附图简述图I为用于将木质纤维生物质转化为こ醇的方法的步骤的示意性表示，包括回收非こ醇材料用作可燃燃料的步骤。
发明详述为了促进对本发明原理的理解的目的，现在将參考某些实施方案，并且使用特定的语言来描述这些实施方案。然而，应理解的是，不由此g在限制本发明的范围，预期在举例说明的装置中的这些改变和进一歩修改以及本文描述的本发明原理的这些其它应用是本发明相关领域技术人员通常能想到的。本文使用的术语“木质纤维生物质”是指包含木质素和纤维素的任何类型的生物质,例如但不限于非木质植物生物质、农业废物和林业残余物以及糖-处理残余物。例如，纤维素原料可包括但不限于草，例如柳枝稷、大米草、黒麦草、细叶芒、混合普列利草或它们的组合；糖-处理残余物，例如但不限于甘蔗渣和甜菜浆；农业废物，例如但不限于大豆秸杆、来自谷物处理的玉米纤维、玉米秸杆、燕麦杆、水稻杆、水稻壳、大麦杆、玉米穗、小麦杆、欧洲油菜杆、燕麦壳和玉米纤维；和林业废物，例如但不限于再循环的木浆纤维、锯屑、硬木、软木或它们的任何组合。此外，木质纤维生物质可包含木质纤维废物或林业废物材料，·例如但不限于纸淤渣、新闻纸、纸板等。木质纤维生物质可包含ー种纤維，或者木质纤维生物质原料可包含源自不同的木质纤维材料的纤维的混合物。通常，木质纤维材料包含纤维素，其量大于约2%、5%或10%，优选大于约20%(w/w)，以生产显著量的葡萄糖。木质纤维材料可具有更高的纤维素含量，例如至少约30%(w/w) >35% (w/w) > 40 % (w/w)或更多。因此，木质纤维材料可包含约2% -约90% (w/w),或约20% -约80% (w/w)纤维素，或25% -约70% (w/w)纤维素，或约35% -约70% (w/w)纤维素，或更多，或它们之间的任何量。在预处理之前，木质纤维生物质可经过机械处理，以提高其表面积。这种机械处理可包括，例如，通过研磨、碾磨、搅拌、撕碎或其它类型的机械作用，将生物质减小为颗粒。木质纤维生物质可用干与合适的液体(优选水性介质)组合产生可泵送的浆料。所述水性介质可仅为水，但是，在其它实施方案中，可包括添加剤，以增强预处理过程，例如酸或碱，以调节或保持水性介质的pH。木质纤维生物质的水性浆料通常固体相对高度浓缩。在某些实施方案中，水性浆料包含至少约10克/升(g/Ι)木质纤维生物质固体，优选至少约50g/l，更优选至少约100g/l，并且通常在约100g/l-约500g/l范围内。然而，应理解的是，在本发明的更宽的方面，可使用其它固体浓度。本发明的方面也适用于采用稀酸预处理过程的系统。用于本文的这些或其它目的的合适的酸包括例如无机或有机酸，例如，硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、こ酸、柠檬酸或甲酸。用于这些目的的合适的碱包括例如碱金属或碱土金属氢氧化物，例如，氢氧化钠或氢氧化钾，或其它氢氧化物碱，例如氢氧化铵。在某些优选的形式中，在开始时和/或在热预处理过程期间，通过加入酸或碱来调节水性介质，以提供接近中性的pH，以避免发生任何显著的木质纤维材料的酸-或碱-催化的自动水解，例如在约5-约8范围内的pH。关于用于pH-受控的木质纤维生物质预处理的适合条件的另外的信息可见美国专利号5，846，787，其特此通过引用整体并入本文。作为举例，可存在于水性生物质浆料中的其它添加剂包括表面活性齐U，例如，植物油比如大豆油、欧洲油菜油，以及其它，以用作插入剂。在预处理之后，使生物质经受纤维素酶，以生产可发酵的材料。关于这一点，纤维素酶为催化纤维素水解成为产物(例如葡萄糖、纤维素ニ糖和/或其它纤维素低聚糖)的酶。纤维素酶可作为多酶混合物提供，其包含可通过多种植物和微生物生产的外-纤维素生物水解酶(CBH)、内葡聚糖酶(EG)和β -葡糖苷酶(β G)。本发明的方法可使用任何类型的纤维素酶进行，不管它们的来源；然而，微生物纤维素酶提供优选的实施方案。纤维素酶可例如得自曲霉属、腐质霉属和木霉属的真菌以及得自杆菌属和Thermobifida属的细菌。在经预处理的生物质的该水解之后，含有所得到的糖的水性介质可经受发酵，以生产こ醇。使糖发酵以生产こ醇可使用多种发酵微生物中的任何种类(例如酵母或细菌，包括它们的基因改性的变体)，和使用已知的技术来进行。こ醇可随后由发酵的介质纯化，例如通过蒸馏。在こ醇去除之后留下的材料如果不采用某些方式利用，则将被送至废水处理设备。然而，该材料具有显著的能量含量，并且如果将其回收并利用其能量含量而不是送至废物处理，可提供更有效的利用，送至废物处理将具有显著的处置成本并且不提供益处。
在某些实施方式中，在生物质处理期 间，包括木质纤维生物质、未经水解的固体和其它非こ醇形成材料，通常包括木质素、衍生自生物质的有机组分、酚类化合物、酵母、酶和木质素降解产物，可作为副产物与液体分离，例如通过过滤、离心或在沉降槽中分离，生产湿固体。可在生物质到こ醇的过程的不同阶段回收固体，例如在水解阶段之后但是在发酵之前、在发酵之后但是在蒸馏之前或在蒸馏之后。来自任何这些分离步骤的湿固体可合并和干燥，或者単独干燥以形成可燃固体。这些可燃固体可本地(locally)或就地用于产生能量，例如用于供应热量以用于被后续处理的木质纤维生物质的处理的锅炉或发生器，例如，用于加热木质纤维生物质的水性混合物用于如本文所述的预处理，和/或用于加热正在进行发酵成为こ醇的混合物，如本文所述。通过单元操作来浓缩含有这些材料的液体流，可从已通过蒸馏除去こ醇之后的液体流中回收可溶性非こ醇形成材料，所述单元操作例如多效蒸发単元、混合多效蒸发単元、闪蒸塔或可用于从残余物中除去更具挥发性的材料的一些其它単元操作。可将前面分离的湿固体和浓缩的液体干燥，以生产具有显著能量含量的固体。湿固体和浓缩的液体可分别干燥或者在将它们合并后干燥。来自任何干燥过程的固体可进ー步处理，以生产可用作可燃燃料的材料。在一些情况下，浓缩物将导致蒸发的固体形成粘合剤，以将材料的颗粒结合在一起。该处理可产生可容易处理和容易运输的可燃材料的颗粒或粒料。来自干燥过程的材料的处理可包括造粒、研磨、筛分、挤出或可用于生产容易处理和运输的材料的任何其它方法。该材料可用于需要可燃材料的多种情况，例如煤炉。在一方面，可燃材料可本地或就地用于产生能量或在使用固体可燃燃料的另ー种类型的设备上为比如锅炉或发生器的物体提供燃料来源。在另一方面，通过燃烧从木质纤维生物质到こ醇的处理所回收的材料，就地产生的能量可用于为另外的木质纤维生物质到こ醇的后续处理供应热量，例如在本文描述的预处理步骤、水解步骤或发酵步骤中。在其它实施方案中，可将干燥的固体可燃燃料材料船运至另ー个位置，用于燃烧产生能量，例如在对于こ醇-生产设备(其中生产干燥的固体)相对本地的位置(例如，在约100英里内)。在实施本发明的某些方式中，在操作纤维素到こ醇的设备中，为こ醇生产提供改进的能量充足性和有效性和/或提供较低的碳足迹。衍生自植物物质的固体本身实际上得到能量和CO2，其中借助卡尔文循环，CO2将整合回到植物物质中。因此，这种植物的最小环境足迹(其中可燃固体从该过程回收并随后就地或异地(Off-Site)用于烧煤设备)是清楚的。在某些实施方式中，生物质材料在其中处理生物质以提供こ醇的设备约100英里内，更优选在约40或50英里内生长和收获。当生物质本地得到时，产生的固体本地利用(在40-50英里半径内)，这是衍生自从纤维素到こ醇过程的产物的本地化锅炉燃料的ー个实例。由于产生的全部CO2来自可再生生物质的本地来源，CO2对全球环境的影响最小。按照这种脉络，在某些实施方案中，该处理设备可完全或主要(例如，至少约80% )对这种本地生长的生物质材料操作，以使其CO2影响最小或降低。现在參考

图1，显示了处理木质纤维素生物质的ー个实施方案，包括分离非こ醇形成固体用作可燃燃料。在处理设备约500英里内，或者在100英里内，或优选在约40英里内，使玉米秸杆30或其它木质纤维生物质生长、收获和储存。将木质纤维生物质运输32至设备，在这里将其研磨34，将水36 (可包括来自该过程的再循环水38 )加入研磨的木质纤维生物质中，并混合40，以得到稠度适于预处理系统的混合物。将研磨的木质纤维生物质和水的混合物加热至用于预处理的适当的温度，并在该温度下保持适当的时间。混合物的预处理加热可例如在一系列两个或更多个热交換器中进行，例如，在共同待审的2008年7月26日提交的申请号61/076，019和2008年7月26日提交的61/076，034中所描述的，这两个申请特此通过引用整体并入。对木质纤维生物质的预处理的进ー步描述可见美国专利号5，846，787，其特此通过引用整体并入本文。预处理温度可包括120°C _220°C，或150°C -200°C，或160°C _190°C，将混合物保持在这些温度下的预处理时间在10分钟-60分钟范围内，或10分钟-40分钟，或10分钟-20分钟。在预处理完成后，将混合物冷却，加入纤维素酶48，通过使混合物与存在的纤维素酶保持最多5小时，使混合物中的材料液化50。液化的材料可任选进一歩处理，以分离出52 (例如，通过压制或离心)含有溶解的可溶性材料的液体流54。液体流54可送至多效蒸发器82 (如下所讨论的)，导致从流54回收溶解的固体在浓缩流84 (也如下所讨论的)中，最后将其加入到湿固体78中，并为干燥的固体产物88提供另外的燃料值。从流54这样回收溶解的固体也可降低由整个过程得到的废物流中的有机物的水平。将剩余的混合物送至水解和发酵反应器56。由酵母来源58将酵母加入到反应器56中，在这里酵母可通过加入补充酵母60和糖62生长。使混合物水解和发酵约50小吋。在水解和发酵期间，期望显著部分的纤维素材料发酵成为こ醇。这可通过酶加入、酵母加入和PH调节的组合以使酶将纤维素水解成为糖，并使酵母将糖发酵成为こ醇而实现。优选的pH 为 5-6. 5。在水解和发酵已发生后，进行蒸馏64，将含有こ醇和ー些水的塔顶产物66送至脱水系统70。脱水系统产生こ醇产物流72和可再循环至过程的早期部分的水流90，因此节约水。将来自蒸馏64的含有非こ醇形成材料的固体浆料和液体流68送至固-液分离装置74,该固-液分离装置74将固体78从液体80中除去。行业常用的任何固-液分离装置可用于进行该分离，例如过滤器、加压过滤器、真空过滤器、沉降槽或离心机。来自固-液分离器74的液体80随后经受多效蒸发器82，在这里除去水流92井生产浓缩流84。除去的水流92可再循环至过程的早期部分，因此节约水。可使用其它方法来代替多效蒸发器82，以从过程液体中除去水和其它挥发物，例如闪蒸塔、蒸馏塔或低压蒸发器。将在已除去水之后留下的非こ醇形成材料的浓缩流84与来自固-液分离器74的湿固体78混合，随后进料至干燥器86。将来自干燥器86的固体88处理，以用作可燃燃料，用于如烧煤设备的设备。为了提供本发明的方面和它们的优点的进ー步理解，给出以下具体实施例。应理解的是，该实施例为举例说明性的，而不是限制本发明。
实施例I将总重量1600磅的玉米秸杆研磨，并与水混合，以得到10，670磅的总水含量(包括来自玉米秸杆的水分)。调节加入到玉米秸杆的水量，以得到代表13%重量/重量或15%重量/体积木质纤维材料在水中的浓度的总比率。通过将它加热至160°C -190°C的温度，并且保持时间为10分钟-20分钟范围，来预处理该混合物。在预处理后，将材料冷却，加入纤维素酶，通过保持5小时，使材料液化。将液化的材料进ー步处理，以压出水流中溶解的材料，得到8，936磅浓度为60g/l可溶性材料的液体。随后将461g/l (重量/体积)基础水平的剰余材料进料至水解/发酵反应器，在这里加入酵母，以使产生的糖发酵。由种子发酵器得到酵母本身。发酵时间为约50小时，直至显著部分的纤维素材料转化为こ醇。通过酶加入和酵母加入的组合实现该发酵，其中调节PH，以使酶将纤维素水解成为糖，并使酵母将糖发酵成为こ醇。优选的PH为5-6. 5。在水解和发酵已发生后，进行蒸馏，随后将含有一些水的塔顶产物计量至脱水系统，在这里收集こ醇产物并得到可再循环至过程的早期部分的水流，因此保存水。将由蒸馏 留下的固体浆料和液体流过滤，在这里将固体从液体中除去。随后将来自过滤器的液体流通过多效蒸发而浓縮。随后将来自多效蒸发器的浓缩流与通过过滤器收集的湿固体合井，随后将这些干燥，并处理成为容易处理的颗粒或粒料。选择这些经处理的材料的形式为适于用作例如烧煤设备的可燃固体燃料的形式。除非在本文中另外说明或者通过上下文明确否定，否则在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一”和“该”以及类似的提及应解释为涵盖单数和复数两者。本文叙述数值范围仅g在用作単独指落入范围内的每个单独数值的简略方法，除非在本文中另外说明，并且将每个单独的数值并入说明书中，就好像它在本文中被単独叙述一祥。除非在本文中另外说明或者通过上下文明确否定，否则本文描述的所有方法可采用任何合适的顺序进行。使用本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如，“比如”)仅g在更好地阐明本发明，而不对本发明的范围造成限制，除非另外声明。在说明书中的语言不应解释为说明任何未请求保护的要素为本发明实施所必需。虽然在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，所述附图和描述应看作是举例说明和非限制性的性质，应理解的是，仅说明和描述了优选的实施方案，并且落入本发明精神之内的所有变化和修改都期望受到保护。此外，本文引用的所有參考文献指示本领域的技术水平，并且特此通过引用整体并入。
权利要求
1.ー种用于将生物质转化为こ醇的方法，所述方法包括 处理木质纤维生物质的第一部分，以生产こ醇和非こ醇形成材料,所述处理包括加执. 收集在所述处理后留下的至少一部分非こ醇形成材料；干燥收集的非こ醇形成材料； 燃烧所述非こ醇形成材料，以产生热量；和 将所述热量供应到木质纤维生物质的第二部分的处理，以生产こ醇。
2.权利要求I的方法，其中所述木质纤维生物质来自距离所述处理步骤的位置小于100英里的来源。
3.权利要求I的方法，其中所述木质纤维生物质来自距离所述处理步骤的位置小于40英里的来源。
4.权利要求I的方法，其中所述燃烧在锅炉中进行。
5.一种用于将含能量的材料从将生物质转化为こ醇的过程的过程流中分离的方法，所述方法包括 将固体残余物从由木质纤维生物质生产こ醇而生产的过程流分离； 在こ醇和固体去除之后留下的液体过程流中浓缩非こ醇形成材料，以生产浓缩物； 以及干燥所述固体残余物和浓缩物，以生产可燃燃料。
6.权利要求5的方法，其中在干燥之前将固体残余物和浓缩物合并。
7.权利要求5或6的方法，其中所述木质纤维生物质来自距离所述こ醇生产的位置小于100英里的来源。
8.权利要求5或6的方法，其中所述木质纤维生物质来自距离所述こ醇生产的位置小于40英里的来源。
9.权利要求5-8中任ー项的方法，其中所述浓缩包括多效蒸发。
10.权利要求5-8中任ー项的方法，其中所述浓缩包括闪蒸。
11.权利要求5-8中任ー项的方法，所述方法进ー步包括在所述こ醇生产的位置就地燃烧所述可燃材料，以产生能量。
12.权利要求5-8中任ー项的方法，所述方法进ー步包括将所述可燃材料处理成为颗粒形式。
13.权利要求12的方法，其中所述颗粒形式为粒料形式。
14.ー种用于从木质纤维生物质到こ醇的转化回收可燃燃料材料的方法，所述方法包括 处理木质纤维生物质，以生产包含こ醇、固体和其它有机材料的产物流； 从产物流除去こ醇，留下非产物流； 将所述固体从非产物流分离； 从非产物流除去水，生产浓缩的非产物流； 以及干燥所述固体和浓缩的非产物流，以生产可燃燃料。
15.权利要求14的方法，其中所述木质纤维生物质来自距离所述处理的位置小于100英里的来源。
16.权利要求14的方法，其中所述木质纤维来自距离所述处理的位置小于40英里的来源。
17.权利要求14-16中任ー项的方法，所述方法进ー步包括将所述可燃燃料处理成为颗粒形式。
18.权利要求17的方法，其中所述颗粒形式为粒料形式。
19.权利要求14-16中任ー项的方法，所述方法进ー步包括在所述处理木质纤维生物质的位置就地燃烧所述可燃燃料，以产生能量。
20.ー种用于回收可燃燃料材料的方法，所述方法包括 由在木质纤维生物质处理设备约50英里内生长的植物材料得到木质纤维生物质； 处理第一量的生物质，以生产こ醇； 收集来自生物质处理的副产物材料； 处理所述副产物材料，以形成可燃燃料材料；和 在木质纤维生物质处理设备处就地燃烧所述可燃燃料材料，以产生能量。
21.权利要求20的方法，其中将所述能量为热量，并且其中将所述热量供应到第二量的生物质的处理，以生产こ醇。
全文摘要
本发明描述了由木质纤维生物质生产产物(例如乙醇)以及由副产物生产可燃燃料材料的方法。所述可燃燃料材料可就地燃烧，以产生能量回馈至该生产方法内。
文档编号C12P7/06GK102725415SQ201080046973
公开日2012年10月10日 申请日期2010年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者J·沃纳, M·R·莱迪施, N·摩西尔 申请人:普渡研究基金会, 防卫生命科学有限责任公司