用于将生物质转化为生物燃料的材料和方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年8月26日、发明名称为"用于将生物质转化为生物燃料 的材料和方法"的申请号为200980142544. 9的专利申请的分案申请。
[0002] 相关专利申请的交叉引用
[0003] 本申请要求美国临时专利申请号61/092, 109 (2008年8月27日提交）的优先权， 将该申请的内容整体引入本文作为参考。
技术领域
[0004] 本发明涉及生物质向生物燃料的转化，包括在生物燃料的生产工艺中用来预处理 生物质的材料和方法。
【背景技术】
[0005] 使用生物质（如植物生物质）作为生产生物燃料（如乙醇或丁醇）的原材料被确 立为是碳基燃料的可行的备选。玉米是最普遍的生物质，在美国有大量的玉米乙醇工厂，但 是在美国和其他国家也使用其他的生物质来源，如甜菜、糖蔗、蜀黍（高梁）、大麦、玉米秸 杆、能源甘蔗和木材废料。
[0006] 对于将玉米用作生物质，所述玉米粒由许多物质（包括淀粉、蛋白质、油、纤维及 各种有机和无机的化合物以及水）组成。胚乳（主要含有淀粉）通常占玉米粒的约80-85% (干基，dry weight basis)，而胚芽和表皮分别占约10-14%和5-6%。所述胚芽富含油， 通常含有约为38wt% -45wt%的油。
[0007] 对于玉米（和其他淀粉基生物质）向生物燃料的转化，是通过酶将淀粉分解（即 水解）成糖（也称为"液化"）。使所产生的糖冷却，再将其转移到发酵罐中，在发酵罐中 添加有将相对复杂的糖分解成简单糖（糖化作用）的其他酶。还在发酵罐中添加酵母，在 发酵罐中，酵母利用这些简单糖来产生乙醇或另外的生物燃料。一旦发酵完毕，使发酵醪 (fermented mash)通过发酵池（beer well)转移到蒸馏系统中（其中，固体和水经过一系 列的分馏阶段与乙醇分离）。在分馏过程中，乙醇从一个阶段蒸发并在下个阶段凝结，从而 将乙醇浓缩到为约95vol %。剩余的水通过分子筛或膜除去，将乙醇浓缩到高于99vol %。 将含有可溶固体和不溶固体的水本体（称为整个釜馏液（whole stillage))从蒸馏柱的底 部排出，然后离心。将大部分的悬浮固体作为35%的固体块除去，同时将大部分溶有固体的 水分成循环的液体（逆流）或被输送到蒸发器中浓缩。所述蒸发器浓缩物（~40%固体） 与所述的块状固体混合，再以润湿态出售或在旋转式干燥器或闪蒸干燥器中干燥得到90% 的固体粉末，称为含有可溶物的干酒糟（DDGS)。
【发明内容】
[0008] 本公开文本提供将生物质（如淀粉基生物质或纤维素基生物质）转化成生物燃料 的材料和方法。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨或其他高剪切磨碎/混合设备（除 非另外说明，下文，术语"胶体磨"指胶体磨本身或其他任何的高剪切/磨碎混合设备）。在 某些实施方式中，本发明的胶体磨包括转子和定子，且任选地能将生物质的长纤维减小为 更小的颗粒。在某些实施方式中，所述的胶体磨不包括如在美国专利公开号2009/0000184 中描述的那些旋转盘。在某些实施方式中，不使用蒸汽和/或补充的〇) 2处理胶体磨中的 颗粒。
[0009] 本发明所述的方法包括：使用胶体磨减小和限定生物质粒径的整个范围；与生物 燃料生产工艺中使用的另外的糖类和/或低聚糖接触；以及形成如下粒径，所述粒径足以 在下游过滤中产生仍可被回收的浓缩颗粒浆料（不同于大颗粒和纤维的不可栗送的缠结 块、或者不同于因粒径太小而形成的不可回收的淤浆）。本文使用的"粒径"可由颗粒穿过 已知孔隙直径的筛子的能力来确定。所述颗粒的尺寸是仍能使颗粒穿过的筛孔的最小尺 寸。不过应当理解所述颗粒不必是球形的，但尺寸粗略地等于颗粒的最窄直径，由此通过测 量颗粒穿过已知孔隙直径的筛子的能力最有效地确定粒径。筛子通常阻留具有特定直径的 长纤维，因为它们会因弯曲缠结在筛子中。
[0010] 在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨，所述方法包括：在由生物质生产生物燃 料的工艺中，使用胶体磨生产具有相对均匀的粒径的生物质颗粒。在某些实施方式中，所 述材料包括胶体磨，所述方法包括：在由生物质生产生物燃料的工艺中，使用胶体磨生产生 物质颗粒的胶态悬浮体。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨和锤磨，所述方法包括 在通过胶体磨之前，将所述的用于生物燃料生产工艺中的生物质使用锤磨制成干粉。在某 些实施方式中，所述材料包括胶体磨和一个或多个锤磨、以及酶或酶的混合物，所述方法包 括：通过使用胶体磨和一个或多个锤磨剪切所述生物质，对所述生物质进行预处理；以及 使用酶或酶的混合物水解所述生物质。可在胶体磨之前或胶体磨之后添加这些酶。在预处 理步骤也使用酶或酶的混合物的实施方式中，所述酶可以是纤维素酶（cellulase)或其他 酶。在某些实施方式中，所述材料包括一种或多种上述指定的材料，所述方法包括一种或多 种上述指定的方法。在某些实施方式中，在由生物质生产生物燃料的工艺中，将所述的材 料和方法施用到纤维素原料上。在某些实施方式中，所述纤维素原料包括玉米纤维或玉米 秸杆，所述工艺包括由玉米、玉米纤维和/或玉米秸杆生产乙醇。在上述的一种或多种实 施方式中，所述工艺还包括生产含醇的生物燃料，其中乙醇浓度至少为生物燃料的5vol%、 至多为生物燃料的20vol %或更高，例如对于玉米或类似生物质，乙醇浓度至少为生物燃料 的13vol%、至多为生物燃料的16vol%或至多20vol% ;或者对于非玉米或纤维素类生物 质（cellulosic biomass)，乙醇浓度至少为生物燃料的4vol%和至多7vol%、8vol%或 10-12vol%〇
[0011] 在上述的一个或多个实施方式中，所述工艺还包括，每蒲式耳（bushel)玉米产 生2. 8-3. 1加仑乙醇这样的产量。在某些实施方式中，所述工艺包括每吨生物质材料生产 60-80加仑或更多加仑的乙醇。
[0012] 本发明提供制备生物燃料的方法。在某些实施方式中，所述方法包括对生物质颗 粒进行预处理，将所述颗粒减小为相对均匀的粒径；以及由所述预处理后的生物质颗粒制 备生物燃料。
[0013] 在某些实施方式中，所述预处理使用高剪切磨碎设备。在某些实施方式中，所述的 高剪切磨碎设备是胶体磨。
[0014] 在某些实施方式中，对剪切后的生物质或磨碎后的生物质进行所述预处理。
[0015] 在某些实施方式中，至少85%或至少95%的所述预处理后的颗粒具有约 100 y m_ 约 800 y m 或约 100 y m_500 y m 的粒径。
[0016] 在某些实施方式中，约100 ym-约800 ym的所述生物质是玉米，至少95%的所述 预处理后的颗粒具有约100 ym-约500 ym的粒径。
[0017] 在某些实施方式中，与未使用胶体磨来减小所述生物质颗粒的方法相比，所述生 物燃料的产量得到提高。
[0018] 在某些实施方式中，所述方法进一步包括将所述的生物质与至少一种纤维素酶类 (cellulaseenzyme)接角虫。
[0019] 在某些实施方式中，所述方法包括将胶体磨磨碎后的生物质与至少一种纤维素酶 类接触，以产生水解产物；以及由所述水解产物制备生物燃料。在某些实施方式中，所述的 至少一种纤维素酶类选自于由如下酶组成的组：内切葡聚糖酶、内切-1，4-0 -葡聚糖酶、 羧甲基纤维素酶、内切-1，4-0 -D-葡聚糖酶、0 -1，4-葡聚糖酶、0 -1，4-内切葡聚糖水解 酶、纤维糊精酶（celludextrinase)和微晶纤维素酶。
[0020] 在某些实施方式中，与所述纤维素酶类的接触在约30°C -约55°C的温度进行约24 小时-约72小时。在某些实施方式中，所述接触是与酶的混合物接触，所述酶的混合物是 将纤维素转化成葡萄糖的酶与将半纤维素转化成木糖和阿拉伯糖的酶的混合物。在某些实 施方式中，所述纤维素酶类的混合物包括纤维素酶、木聚糖酶和木质素酶。
[0021] 在某些实施方式中，与未将所述磨碎后的生物质（谷物、玉米秸杆等）与至少一种 纤维素酶类接触的方法相比，所述生物燃料的产量得到提高。
[0022] 在某些实施方式中，所述方法进一步包括：在与所述至少一种纤维素酶类接触之 前，使用胶体磨将所述磨碎后的生物质研磨成相对均匀的粒径。
[0023] 在某些实施方式中，所述生物燃料的制备步骤包括：将淀粉水解以生成糖；以及 将所述糖发酵生产所述生物燃料。
[0024] 在某些实施方式中，所述制备生物燃料的方法是工业规模的方法。
[0025] 在某些实施方式中，所述发酵在酿酒酵母（S. cerevisiae)或贝酵母（S. bayanus) 或毕赤酵母（P. stipitis)的存在下进行。
[0026] 在某些实施方式中，所述生物燃料是乙醇、丁醇、生物柴油或航空燃料。
[0027] 本发明还包括用胶体磨预处理生物质以生产生物质颗粒的方法，其中，至少95% 的所述预处理后的颗粒具有约100 ym-约800 ym的粒径。
[0028] 在某些实施方式中，所述方法还进一