纤维素生物燃料的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本应用要求2013年3月15日提交的标题为"纤维素生物燃料"的美国临时申请 号61/799, 942的优先权，其内容通过引用全文纳入本文。
技术领域
[0003] 本发明的主题涉及处理来自单一原料或来自不同原料组合的组分，具体方法为进 行整合至现有设施或针对现有设施改造的多种工艺，并合并这些原料与从现有设施生产的 其他组分以生成乙醇、纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料。
[0004] 背景
[0005] 美国依赖进口石油来满足运输燃料的需求。为降低对进口石油的依赖，国会通过 了能源政策法案以设立可再生燃料标准（RFS)项目。RFS项目包括要求将可再生燃料加入 运输燃料。可再生燃料包括基于生物质的柴油、先进生物燃料和纤维素生物燃料。到2022 年，环境保护署（EPA)提出通过RFS项目加入360亿加仑的可再生燃料。对于2013年，EPA 提出美国使用的全部燃料供应中至少10%来自可再生燃料。例如，预期的纤维素生物燃料 体积产量为每年1400万加仑。（EPA-420-F-13-007, 2013年1月）。
[0006] 作为RFS项目的结果，各工厂正评估新的技术以从多种原料生产纤维素生物燃 料。纤维素乙醇是一种生物燃料，其通过将纤维素中的糖转化为醇燃料来生成。各工厂正 整合新的技术来使用其现有设施生产纤维素生物燃料，具体方法为将纤维素材料和谷物淀 粉转化为生物燃料。整合新技术来使用现有设施生产纤维素生物燃料有助于通过利用现有 设施中现有管道、储存和加载设备来降低纤维素生物燃料商业生产的成本。
[0007] 纤维素材料很丰富，因为植物、树木、灌木、草地和其他植物部分（即玉米秸：叶、 壳、茎杆、穗轴）中均可见纤维素。纤维素是绿色植物的细胞壁组分。然而，将纤维素材料 转化为纤维素生物燃料往往具有难度。难点包括难以释放纤维素材料中的糖；糖的释放生 成抑制发酵的副产物；以及难以发酵这些糖。因此，需要以成本节约方式将纤维素原料转化 为纤维素生物燃料以满足RFS的要求。
【发明内容】
[0008] 本发明描述了一种将多种工艺整合至现有装置系统以提高总产量的方法。该方法 包括鉴定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，该现有装置系统包括碾磨工艺、烧煮工艺、发 酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺。待整合的各工艺包括：增 加分提工艺将分离麸皮（bran)与原料中的其他组分相分离，增加预处理工艺来通过使用 水和热分解麸皮中的纤维素和半纤维素，以及增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶 水解麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒（cellulosicbeer)。随后，该方法将纤维素 啤酒与来自现有装置系统中谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料 单位的总产量。
[0009] 本发明描述了一种处理纤维素原料的方法。该方法包括分提纤维素原料，通过将 纤维素原料的组分分成与小颗粒料流分离的大颗粒料流，并通过向罐中的大颗粒料流添加 水来对该大颗粒料流进行预处理以生成低固浆料，该低固浆料中固体的百分比占小于约 25%。随后，该方法包括将蒸汽直接注入低固浆料以提高该低固浆料的温度，向已加热的低 固浆料添加化学品以导致反应区发生；以及水解并发酵该低固浆料以生产纤维素啤酒。
[0010] 本发明还描述了一种生产发酵产品的方法。该方法包括通过添加热和酸来分解纤 维素和半纤维素并使用碱进行中和来预处理纤维素原料，并通过添加酶将纤维素和半纤维 素转化为糖来水解预处理过的原料，以及使用生物体发酵该预处理过的原料以生产发酵产 品。
[0011] 提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概 念。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所 要求保护的主题的范围。要求保护的主题的其他方面和优势会从下文各实施方式的详细描 述和附图中显见。
[0012] 附图简要说明
[0013] 参考附图列举了详细描述。在各附图中，附图标记最左侧的数字表示该附图标记 首次出现的附图号。在不同附图中使用相同的附图标记来表示类似或相同的元件。这些附 图不将要求保护的主题限制为本文所述【具体实施方式】。
[0014]图1显示使用干法分提来生产纤维素生物燃料的示例性过程。
[0015] 图2和3显示干法分提的示例性过程。
[0016] 图4显示预处理的示例性工艺。
[0017] 图5显示水解的示例性工艺。
[0018]图6显示使用前端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示 例性过程。
[0019] 图7显示前端湿法分提的示例性过程。
[0020] 图8显示前端湿法分提的另一个示例性过程。
[0021] 图9显示前端湿法分提的另一个示例性过程。
[0022] 图10显示使用后端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示 例性过程。
[0023] 图11显示后端湿法分提的示例性过程。
[0024] 发明详述
[0025] 概述
[0026] 本发明描述了使用单一纤维素原料或两种或多种不同纤维素原料的组合以整合 至现有设备或针对现有设施改造的过程生产纤维素生物燃料的技术。生产纤维素生物燃 料的益处包括温室气体排放（GHG)比新配方汽油降低85%。例如，整合式设计将降低现有 设施的生产成本，同时消除向现有设备的直接化石燃料输入。结果是，碳足迹可能是约42g C02e/MJ乙醇产热。本发明的一个总体预期益处包括加速成本经济型纤维素生物燃料进入 市场以减少进口石油的消耗。另一个益处是提高现有装置系统中每原料单位的总产量。
[0027] 影响生产纤维素生物燃料可能性的变量包括能够整合新技术以降低纤维素生物 燃料商业生产的成本。整合式设计的益处包括使用现有道路、人工、水、管道、储存和加载设 备，其都是在现有设施中可用的。其他益处包括生成多样化的产品（如热、电力和动物饲 料）并减少固体表面上的污垢，这些污垢对于整合式方法的部分功能是有害的。除这些益 处以外，所述方法还包括再循环热和电力，提高生物燃料的每原料单位产量，并生产纤维素 生物燃料。
[0028] 这些用于生产纤维素生物燃料的整合式方法包括如何通过使用玉米及其组分的 单一纤维素原料，高粱和玉米的单一或合并的纤维素原料，或其他植物部分、纤维素生物 质、木本作物、能源作物或其他类型的草本的合并原料来生产发酵产品。这些材料很丰富， 因为植物、树木、灌木、草本和其他植物部分（即玉米秸：叶、壳、茎杆、穗轴）均可见。
[0029] 这些整合式方法包括碾磨或分离原料的组分、使用化学品预处理原料的组分、调 节预处理后原料的PH、水解和发酵预处理过的原料以生产纤维素生物燃料。这些方法还 可包括将已发酵的原料与原料的其他组分混合以烧煮和/或发酵、蒸馏和脱水发酵后的原 料以生产乙醇和纤维素生物燃料。这些方法还可包括生产全釜馏物流（wholestillage stream)并机械加工该全爸馏物流以生产高价值蛋白动物饲料。任意数目的所述工艺可以 任意顺序组合以实施本方法或替代性方法。此外，也可以省略一个或多个所提供的步骤。
[0030] 虽然所述技术的各方面可在任意数目的不同环境和/或配置中实施，但在以下示 例性环境中对这些实施进行描述。虽然针对整合式方法描述了这些技术，但可应用这些技 术以在现有设施旁设置装置以生产纤维素生物燃料。
[0031] 说明性环境
[0032] 图1-11包括显示示例性过程的流程图。这些过程可使用不同的环境和设备进行。 该设备不应理解为在其运行过程中必然是顺序依赖的。任意数目的所述工艺或设备件可以 任意顺序组合以实施特定方法或替代性方法。此外，还可以省略一个或多个所提供的步骤 或设备。
[0033] 图1显示使用干法分馏来生产纤维素生物燃料、乙醇和动物饲料的示例性概述过 程100。这些系列操作可参见工厂的干法研磨过程。例如，以连续方式操作所示过程100。 然而，这些纤维素过程可以间歇过程、合并的连续和间歇过程、湿法碾磨过程、改良的干法 研磨过程或干法研磨过程来进行。
[0034] 过程100可接收包括但不限于以下的原料：玉米秸：P十、壳、茎杆、穗轴、高粱、能源 高粱、柳枝稷、自用纤维（captivefiber)、生物质、能源作物、木本作物、植物、树木、灌木、 草本、玉米籽粒等。这些原料可包括单个类型，合并的两种类型的原料，或者多种百分比范 围的任意原料组合或掺混物。工厂对纤维素原料进行加工以将其转化为不同的联合产品， 可包括待转化为纤维素生物燃料的麸皮、待转化为基于淀粉和基于发酵的产品（如乙醇、 糖浆、食物和工业淀粉）的胚乳、待提取油、食物级蛋白质、用于高纤维动物饲料的饲料和 用于高蛋白动物饲料的饲料级蛋白粉的胚芽。其他应用类型包括但不限于生产用于其他应 用的化学品等。
[0035] 出于简洁的目的，将参考图1描述使用单一原料的过程。用于合并的原料的过程 类似于图1所述过程。在一个实施方式中，过程1〇〇使用玉米（即玉米秸，玉米纤维）以及 下文所述技术将生物燃料的产率提高约10%。该原料可含有约83%至约92%的固体，其中 主要组分是葡聚糖、淀粉、蛋白质、油和木聚糖。
[0036] 过程100最初接收原料101，使用干法分提102将原料101的组分分离为麸皮104。 例如，如果原料101是玉米，各组分是约5. 3%的玉米粒，胚乳106占玉米粒的约82. 9% )， 胚芽108占玉米粒的约11%，和约1-3%的其他组分。图2和3讨论了干法分提102的细 节。将含有纤维的麸皮104与另外的组分：胚乳106、胚芽108和其它组分（其待使用新纤 维素技术进行进一步加工）相分离。过程100可将胚芽108传输至玉米油提取装置110以 加工为食品级玉米油和残留胚芽。在另一个实施方式中，过程100将胚芽108传输至浆料 罐116以进行进一步加工。
[0037] 回到麸皮104,过程100对麸皮104进行预处理112和水解114。预处理冷凝物可 在现有设施中用作烧煮水以减少甘油生产和酵母生产。烧煮用水可用于浆料罐116。这将 提高产率约2%。分别根据图4和5讨论预处理112和水解114的细节。在过程100向原 料麸皮104提供预处理112和水解114后，该材料可称作水解产物。该水解产物含有可发 酵糖和对微生物具有毒性的化合物。过程100将该水解产物输送至浆料罐116。术语麸皮、 纤维、原料和水解产物描述用于在整合式方法中进行加工的材料。例如，这些整合式方法可 包