用于糖化和发酵生物质原料的方法和系统的制作方法

专利名称:用于糖化和发酵生物质原料的方法和系统的制作方法
用于糖化和发酵生物质原料的方法和系统
背景
纤维素和木质纤维素材料在众多应用中大量产生、加工和使用。这类材料经常常使用一次，并且随后作为废物丢弃，或者简单地被认为是废料，例如，污水、蔗渣、锯屑和秸杆。
各种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已经描述在美国专利号7，307，108、7，074，918,6, 448，307,6, 258，876,6, 207，729,5, 973，035 和 5，952，105 中;以及许多专利申请中，包括 2006 年 3 月 23 日提交的 PCT/US2006/010648 “FIBROUS MATERIALSAND COMPOSITES” 和美国专利申请公开号 2007/0045456 “FIBROUS MATERIALS ANDCOMPOSITES”。
概述
本文公开了用于通过均在单一罐中进行的多个生物工艺来产生产物的工艺。
一些工艺包括通过例如使用酶将材料(如纤维素或木质纤维素原料)的纤维素部分转化成低分子量糖来糖化或液化该材料，然后例如通过发酵和蒸馏将所得糖转化成产物。在一些实施方式中，工艺包括使用分散系统来将纤维状和/或颗粒状原料分散于液体介质和混合系统(例如低剪切系统例如射流混合系统)中，以在罐中混合该材料。在一些实施方式中，该分散系统包括腔室以及在该腔室内部的转动件，所述转动件将所述原料和液体介质轴向抽入所述腔室内并且将所述原料在所述介质中的分散体从所述腔室径向排出。
本文中公开的工艺可以使用低堆积密度材料，例如纤维素或木质纤维素原料，所述材料已经物理预处理以具有小于约0. 75g/cm3的堆积密度，例如，小于约0. 7,0. 65,0. 60、0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 或更小，例如，小于 0. 025g/cm3。这类材料可以是例如用水或溶剂体系特别难以分散于液体中以用于糖化、发酵或其他加工。由于它们的低堆积密度，这些材料倾向于漂浮在液体的表面上而非被润湿并分散于液体中。在一些情况下，这些材料可以是疏水性的、高度结晶的，或难以润湿的。同时，需要在固形物水平相对高的分散体中加工原料，以便在加工后获得糖在糖化材料中的高终浓度或高浓度期望产物(例如，发酵后的高浓度乙醇或其他醇类)。在一些情况下，使用本文所述的方法，在加工期间分散体的固形物水平可以例如是以重量计至少10、15、20、22. 5,25,27. 5、30、35、40、45%或甚至至少50%溶解的固形物。例如，固形物水平可以是约10至50%，例如，约10-40%、10-30%或 10-20%。
本文的工艺在一些情况下还允许用于所述工艺的酶和/或微生物在分批工艺中再使用，或在连续工艺中使用较长时间。
在一方面，本发明的特征在于包括以下的方法使容器例如罐中在液体介质中的生物质原料糖化以形成糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中将糖溶液转化成产物，例如醇。
一些实施方式包括一个或多个以下特征。转化可包括发酵。该方法还可包括蒸馏，例如真空蒸馏。蒸馏可在低于70TOTT的真空下进行。蒸馏可在环境温度下进行。
在一些情况下，原料具有低堆积密度，例如，低于约0. 5g/cm3的堆积密度。液体介质可包括水，并且糖化剂可包括酶。该原料可包括纤维素或木质纤维素材料。
该方法可包括另外的步骤。例如，该方法还可包括在糖化期间用射流混合器混合。用射流混合器或其它混合器混合还可在蒸馏期间进行。该方法也可包括在糖化期间监测原料、液体介质和糖化剂的混合物的葡萄糖水平。在一些情况下，该方法还包括在糖化期间将另外的原料和糖化剂加至容器中以及使用分散系统将原料分散于介质中。该方法还可包括在容器中将乳化剂或表面活性剂加至混合物。
在另一方面，本发明的特征在于一种系统，其包括罐、设置为将生物质原料、糖化剂和液体介质输送至所述罐的输送系统、设置为将输送的生物质原料和糖化剂混合的混合器以及设置为从所述罐的内容物蒸馏产物的与所述罐连通的真空蒸馏系统。一些实施方式可包括一个或多个以下特征。该系统还可包括设置为用微生物接种所述罐的内容物的输送装置。该系统还可包括设置为监测所述罐的内容物的氧水平的氧监测器。混合器可以是或包括射流混合器。输送系统可设置为将生物质原料和液体介质以 分散体的形式输送至所述罐。
通过在单一罐中进行多个加工步骤例如糖化、发酵和蒸馏，来降低工艺时间和成本，并且简化工艺。同时，资本成本通常低于多罐加工设施。
在一些情况下，本文所述的系统或其组件可以是便携的，从而该系统可以从一个位置运输(例如，通过铁路、卡车或航运容器)至另一个位置。这种移动式加工在美国系列号12/374，549和国际申请号W02008/011598中描述，所述文献的全部公开内容通过弓I用方式并入本文。
可以通过使用本文所述方法产生的示例性产物包括烃、蛋白质、醇(例如，一元醇或二元醇)，如乙醇、正丙醇或正丁醇、羧酸、如乙酸或丁酸、羧酸盐、羧酸和羧酸盐的混合物和羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮、醛、a、￠-不饱和酸如丙烯酸、烯烃如乙烯，和这些物质中任何者的混合物。具体例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1，4-丁二醇、1，3-丙二醇、这些醇中任一者的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟丙酸、所述酸中任一者的盐和所述酸中任一者及相应盐的混合物。这些产物和其他产物在USSN 12/417,900中描述，所述文献的内容通过引用方式并入本文。
使用ASTM D1895B测定堆积密度。简而言之，该方法包括用样品填充已知体积的量筒和获得样品的重量。通过以克计的样品重量除以以立方厘米计的已知量筒体积，计算出堆积密度。
本文所提及和所附的全部出版物、专利申请、专利和其他参考文献含有的所有内容通过引用方式完整地并入。
附图简述
图I是说明将纤维素酶促水解成葡萄糖的图解。
图2是说明通过生产和发酵葡萄糖溶液将原料转化成乙醇的流程图。
图3是根据一个实施方案的用于产生产物例如乙醇的系统的图解说明。
图3A是适用于图3的系统的罐和蒸馏单元的图解侧视图。
图4是根据一个实施方案的分散系统的图解透视图。
图5和图5A分别是可以在图4所示分散系统中使用的分散装置的图解截面图和透视图。[0027]图6是根据另一个实施方案的分散系统的图解透视图。
图7和图7A是说明图6中所示分散系统的替代性运行模式的图解。
图8是以在图6内所示分散系统中使用的分散部件的图解透视图。
图9和图9A是说明离开喷嘴的射流的图解。

图10是根据一个实施方案的射流搅拌器的图解透视图。图IOA是图10的射流搅拌器的叶轮和喷管的放大透视图。图IOB是替代的叶轮的放大透视图。
图11和图IlA分别是具有从上方延伸至该罐内的两个射流混合器的罐的侧视图和截面图。
图12是用于输送生物质原料的吹气机的图解视图。详述
对于含有葡聚糖和/或木聚糖的材料例如纤维素材料和木质纤维素材料，使用本文所述的方法，可以将生物质(例如，植物生物质、动物生物质、纸和城市废物)转化或加工以产生有用的中间体和产物如有机酸、有机酸盐、酐、有机酸酯和燃料，例如，内燃发动机用燃料或燃料电池的原料，如本文所述的那些原料。本文描述了可以使用纤维素和/或木质纤维素材料作为原材料的系统和方法，所述的纤维素和/或木质纤维素材料是丰富和容易可获得的，但是经常可能难以加工纤维素或木质纤维素材料，例如，城市废物流和废纸流，如包括新闻纸、牛皮纸、瓦楞纸或这些纸的混合物的流。通常，如果需要，材料可以经物理处理用于加工和/或后续加工，经常通过尺寸减小方式处理。如果需要降低材料的不顺从性，则可以采用物理加工方法如发酵法。本文所述的多种方法可以有效地降低原料的不顺从性水平，使得它更易于加工，如通过生物处理法(例如，采用本文所述的任何微生物，如同型产乙酸菌(homoacetogen)或异型产乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、热处理法(例如，气化或热解)或化学方法(例如，酸水解或氧化)。生物质原料可以使用本文所述的任何方法中一种或多种进行处理或加工，如机械处理、化学处理、辐射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸法。多种处理系统和方法可以在这些技术或本文和其他地方所述的其他技术中使用两种、三种或甚至四种或更多种技术组合的情况下使用。
为了将原料转化成可以在现有制造厂(例如单细胞蛋白厂、酶制造厂或燃料厂例如谷物乙醇生产设施)中容易加工的形式，本文中公开的工艺可以使用低堆积密度材料，例如纤维素或木质纤维素原料，所述材料已经物理预处理以具有小于约0. 75g/cm3的堆积密度,例如，小于约 0. 7,0. 65,0. 60,0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 或更小，例如，小于0.025g/cm3。使用ASTM D1895B测定堆积密度。简而言之，该方法包括用样品填充已知体积的量筒和获得样品的重量。通过以克计的样品重量除以以立方厘米计的已知量筒体积，计算出堆积密度。
为了将原料转化成可以容易加工的形式，通过糖化剂(例如酶或酸)，将原料中含有葡聚糖或木聚糖的纤维素水解成低分子碳水化合物，如糖，一种称作糖化的方法。低分子量碳水化合物可以随后例如在现有制造厂(如单细胞蛋白厂、酶制造厂或燃料厂例如乙醇生产设施)中使用。
包含纤维素的材料可以通过将该材料和糖化剂在液体介质例如溶剂如水溶液中合并而用糖化剂处理。下文详细讨论用于将材料快速和高效地分散于液体介质内的方法。一旦材料已经分散于介质中，则将糖化剂、材料和液体介质充分混合，在一些情况下充分糖化。在一些实施方式中，将材料和/或糖化剂递增地而非一次性地添加。例如，可以将所述材料的一部分添加至液体介质，分散于其中并且与糖化剂混合，直至该材料至少部分地糖化，此时将材料的第二部分分散于该介质中并且添加至混合物。这种方法可以继续直至获得期望的糖浓度。
分解生物质如生物质的纤维素和/或木质素部分的酶和破坏生物质的生物，含有或制造多种纤维素裂解酶(纤维素酶)、木质素酶或多种破坏小分子生物质的代谢物。这些酶可以是协同地作用以降解生物质的晶状纤维素或木质素部分的酶复合物。纤维素裂解酶的例子包括葡聚糖内切酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(3-葡糖苷酶)。参考图1，纤维素底物最初由葡聚糖内切酶在随机位置水解，产生低聚中间体。这些中间体随后是外切性葡聚糖酶如纤维二糖水解酶的底物以从纤维素聚合物末端产生纤维二糖。纤维二糖是水溶性1，4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶裂解纤维二糖以产生葡萄糖。合适的纤维素酶将在本文稍后部分中讨论。
完成糖化所要求的时间将取决于所用的工艺条件和原料及酶。如果糖化在制造厂 中在受控条件下进行，则纤维素可以在约12-96小时中基本上完全转化成葡萄糖。如果部分或完全地短暂进行糖化，则糖化可以花费更长时间。
在一些情况下，糖化在pH约4至7，例如约4. 5至6或约5至6处进行。
通常优选的是，糖溶液中的葡萄糖终浓度应当是相对高的，例如，以重量计大于10%，或大于15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大于95%。这减少待运输的体积，并且还抑制溶液中的微生物生长。在糖化后，水的体积可以减少，例如，通过蒸发或蒸馏。
可以通过限制随酶一起添加至原料的介质(例如，水)的量，获得相对高的浓度溶液。可以例如，通过控制糖化多大程度地发生来控制浓度。例如，可以通过添加更多原料至溶液而增加浓度。可以例如通过增加溶液的温度和/或通过添加如下文讨论的表面活性剂而增加原料在介质中的溶解度。例如，溶液可以维持在40-50°C、50-60°C、60-80°C或甚至更高的温度。
参考图2，用于制造醇(例如，乙醇)的方法可以包括例如任选地物理预处理原料，例如，以减小其大小(步骤110)，在这种处理之前和/或之后，任选地处理该原料以降低其不顺从性(步骤112)，并且将原料糖化以形成糖溶液(步骤114)。可以通过将原料在液体介质(例如，水)中的分散体与酶混合(步骤111)进行糖化，如会在下文详细讨论。在没有将溶液从其已被糖化的罐内除去的情况下，接着对溶液生物加工以产生期望的产物，例如乙醇(步骤118)，所述产物随后进一步加工，例如通过蒸馏(步骤120)进一步加工。优选地，蒸馏在与糖化和发酵相同的罐中进行，例如使用真空蒸馏。下文将详细描述这种工艺的各个步骤。根据需要，如所示，测量木质素含量的步骤(步骤122)和设定或调节工艺参数(步骤124)的步骤可以在工艺的多个阶段进行，例如紧邻用来改变原料结构的工艺步骤之前。如果包括这些步骤，则调节工艺参数以补偿原料的木质素含量可变性，如2009年2月11日提交的美国临时申请号61/151，724中所述，所述专利的完整公开内容通过引用方式并入本文。
混合步骤111和糖化步骤114可以使用例如图3中所示系统进行。该系统包括罐136，其最初含有液体介质并且稍后含有液体介质、原料和糖化剂的混合物138。将液体介质通过带阀门的管道系统(未显示)输送至该罐。该系统还包括与分散单元134连通的料斗130。料斗接收例如来自供给源30的干燥成分，如酵母和养分。任选地，振动装置36可以与料斗连接以促进从料斗输送材料。该系统还包括分散单元134。将液体介质从罐中抽入分散单元134，并且通过分散单元经出口管137经返回该罐。如所示，出口管137的开口可以在液面之上，或在一些情况下可以浸没于罐中的液体内。在一些情况下，根据所用的分散单元(如下文将讨论)的类型，该系统可以包括设置为使液体介质循环通过分散系统的泵139 (例如，正排量泵)和/或监测分散体的粘度并且在测量的粘度达到预定值时开启泵的粘度计141。
在图3中所示的实施方案中，将原料输送至罐中的液体介质的表面，例如，经具有输送管道34 (例如，软管或管道)的输送装置32。输送装置32也可以与振动装置36连接，以促进材料流入该装置。输送装置32可以是例如设置为将纤维状和/或颗粒状材料从来源经软管吹至远离该来源的吹气机，例如，隔绝式吹气机如从Frederick, Colorado可获得的F0RCE3吹气机。吹气机500的例子在图12中示意性示出。吹气机500的料斗502从料源504接收材料，例如，借助真空506经入口 505抽入材料。一旦处于料斗中，使用转动装置508使材料去团聚化，其包括止于柔性桨叶512的转动臂510。转动装置508还将材料经开 口 514扫下至气闸516。材料至气闸的输送由平板或阀门518计量。气闸516包括限定腔室522的多个转动叶片520。气闸516的靠下部分包括通道524，其中空气经所述通道524从压缩空气供给源(未显示)吹至出口管(例如，输送管道34，图3)。叶片将材料扫至各个部分中的通道，一旦这些材料位于通道附近，则它们被吹入出口管中。转动叶片520充分缓慢地转动，从而每个腔室足够长时间地位于通道附近的适当位置，因此部分材料和一定量的空气被输送至出口管内。因此，空气和材料的交替部分输送至出口管。当材料沿出口管(它可能相当长)下行时，材料和空气混合，从而对材料充气并且使其经出口管顺畅移动至罐。将搅拌器和气闸中的转动件的转动速率一起调整，并且该速率可以由用户基于原料、出口管的长度和其他变量而变动。
可供选择地，材料可以使用其他技术如重力自动加料或螺杆输送器输送至液体的表面。
在一些实施方式中，罐配备有柔性透气的盖或设置为允许空气在原料输送期间从罐中排泄、同时防止原料从罐中吹出和/或杂质进入罐内的其他装置。
当原料材料经输送管道34输送到罐中液体的表面上时，液体经分散单元134的出口管137排出到材料上。排出的液体润湿原料材料，引起材料沉入液体中，在这里它可以由分散单元134、优选地与下文讨论的射流混合器144的混合作用组合时而分散。
通常优选，当原料输送管道经输送时，分散单元134和射流混合器144运行。
在替代实施方案中，料斗130接收已被原料处理模块132处理以减少其大小并任选地降低其不顺从性(步骤110和112)的原料，并且将原料经料斗130输送至罐。将原料和液体介质从罐抽入到分散单元134，并且通过分散单元的作用将原料分散于液体介质(例如，水)内。
在两个实施方案中，糖化剂从包括计量装置142的料斗140输送至罐中。将该罐的内容物混合，例如，通过一个或多个射流混合器混合。在图3中图解表示射流混合器144 ；合适射流混合器的例子将在下文详细描述，并且还在2009年6月19日提交的美国临时申请No. 61/218，832中描述，所述文献的公开内容在此通过引用方式并入本文。使用驱动泵和/或转子(未显示)的电机146，射流混合器产生射流。由电机146施加的扭矩与罐中混合物的固形物水平相关，所述固形物水平转而反映混合物已经糖化的程度。扭矩由扭矩监测器148测量，所述扭矩监测器148发送信号至驱动输送器130的电机150并且还发送信号至料斗140的计量装置142。因此，根据罐内容物的糖化，处理的原料和酶的供应可以被中断或恢复。由扭矩监测器测量的数据也可以用来调节射流混合器，例如，以降低利用转子的混合器的RPM，或用来降低泵驱动混合器的射流速度。作为扭矩监测器的替代或除扭矩监测器之外，该系统可以包括测量电机的全负荷安培数的安培监测器(未显示)。在一些情况下，射流混合器可以包括变频器(VFD)以允许调整电机的速度。
该系统也可以包括热监测器(未显示)，所述热监测器监测液体介质的温度并且调节与温度增加相对应的原料的进料速率和/或混合条件。这种温度反馈环可以用来防止液体介质达到将使酶变性的温度。
当一个或多个泵在本文所述的系统中使用时，通常优选应当使用正排量泵(PD)泵，例如，螺杆泵或螺杆型ro泵。
将糖溶液接种并且在同一个罐中发酵以用于糖化。通常，应当控制发酵期间的氧水平，例如，通过监测氧水平并且根据需要使罐通风或使混合物曝气。还需要监测容器中乙醇的水平，从而当乙醇水平开始下降时，可以例如，通过加热或添加亚硫酸氢钠终止发酵过程。通常，使用如上所述的相同设备，射流混合在发酵期间继续。
当发酵已经完成或完成至所需程度时，通过蒸馏收集发酵产物例如醇(例如乙醇)。优选地，使用真空蒸馏单元151进行蒸馏，如图3中图解所示。优选真空蒸馏，因为其可在大体上环境温度下进行，并且由此存在于罐中的营养物、酶和/或微生物将不被蒸馏损害且可以再使用。优选地，在低于150Torr，例如低于125、100、80、70、60、50、40或30Torr或甚至低于25Torr的压力下进行真空蒸馏。通常，压力应该足够低使得防止水和醇的共沸混合物的形成，由此消除之后例如用3A分子筛从醇中除去水的需要。
适合的罐160和蒸馏单元162示于图3A中。罐160包括可例如用水进行流体冷却以维持容器内的所需温度的夹套容器164，以及包括真空孔168和其它可输送材料的孔的盖166。盖166还可包括出口孔170，其与蒸馏单元162的导管172流体相通。发酵的产物例如乙醇通过导172管被真空抽入冷凝器174，并且收集于带盖的接收容器176中。系统可设置为维持容器内的温度低于55° F、50° F、45° F或甚至低于40° F(低于13°C、10°C、7°C或 4. 5°C )
分散和混合
分散
分散单元134可以包括用液体介质润湿原料的任何类型的分散设备。许多分散单元包括腔室和位于腔室中的转子，从而将原料和液体介质轴向地向转子抽吸并且向外径向地挤压至转子的周界并且因此穿过离心泵形式的单元的出口。取决于分散单元的构造，可能需要备份泵(泵139，上文讨论)以抽吸高粘度的流体穿过分散单元。构建一些分散单元以在单元内部产生极高静流体压力；当使用这类单元时，通常不需要备份泵。
在图4-5A中显不合适分散系统300的一个例子。这种系统产生相对低的吸力，并且因此一般使用备份泵。分散系统300包括可以从较大料斗或袋子(未显示)或其他源中接收原料并且输送至分散单元301的接收料仓302。分散单元301包括壳体304，其限定分散室306(图5A)、液体入口 308、与料仓302连通的固体入口 310(图5A)和出口 312。分散系统300还包括驱动分散单元301的电机314、用户控制界面316和帮助维持分散单元301内部的密封件完整性的加压单元318。阀门(未显示)布置在接收料仓302和固体入口 310之间以计量向分散单元301的固体输送。
分配单元301的内部结构在图5-5A中显示。在穿过固体入口 310后，固体由经液体入口 308进入的液体接触时固体由搅龙320向下移动。液体和固体随后由一系列混合叶片322混合，并且最终由转子324 (在图5A中详细显示)混合，其中所述转子324以相对于腔室306侧壁的转子/定子布局而布置。这种系列混合部件以递增水平的剪切力用液体润湿固体，产生从出口 312离开的基本上同质分散体。通过文丘里原理，叶轮产生在腔室306和料仓302之间有差异的巨大压力，所述压力抽出真空并且因此帮助将材料从料仓抽出至腔室。
图6-8中显不另一个合适的分散系统400。这种系统从IKA Works, Wilmington, North Carolina以商标名CMS2000商购。如所供应，分散系统400包括 液体罐402。然而，如果需要，可以省略相对小的罐402并且系统的剩余物排入较大的罐，例如，工业体积罐(未显示)。系统400还包括固体接收漏斗403、包括壳体404 (具有与上文讨论的壳体304相似的结构)的分配单元401、电机414、用户控制界面416和加压单元418。
分散系统400和分配系统300之间的主要差异在于分配装置401和301的内部结构。图8中详细显示的分配单元401包括作为叶轮发挥作用并且在单元内部产生极高静流体压力的转子420。因此，分散单元以离心泵的方式发挥作用，并且通常甚至在相对高的粘度时不需要备份泵。
转子420将液体从罐经入口 408以高吸力抽吸至腔室406。液体和固体(经入口410进入)轴向地以高压被抽吸至转子420内，并且借助将原料分散于液体中的高速紊流径向地离开转子420。基本上均匀分散体经出口 412离开腔室并且输送至罐用于糖化。
分散系统400可以按多种模式运行,其例子在7和7A图中显不。在图7中，分散单元401通过将原料载入料斗422进料，所述料斗422安装在壳体404的固体入口上。阀门424控制原料向分散单元401的输送。原料可以使用任何所需的输送技术加载，例如，手工、通过输送器、风力装料机(pneumatic loader)等。在图7A中，使用吸气棒(suctionwand) 426,将原料从袋或料仓424吸出。在这种情况下,可以通过控制吸气速率而控制原料的输送。可以使用其他布局。
原料可以连续地或断续地输送至分散单元，并且该分散系统可以按再循环或“单程”模式运行。若需要，在初始分散已经完成后，分散单元可以用于糖化期间的混合。
射流混合
一旦原料已经基本上分散于液体中，可能需要关闭分散系统并且使用要求更少能量以进一步混合的混合器。用于这个目的特别有利的混合器称作“射流混合器”。通常，合适的混合器的共同之处在于，它们产生高速度循环流，例如环形的或椭圆样式的流。通常，优选的混合器显示高的整体流率。优选的混合器以相对低的能量消耗提供这种混合作用。通常还优选，混合器产生相对低的剪切力并且避免加热液体介质，因为剪切力和/或热可不利地影响糖化剂(或微生物，例如，在发酵的情况下)。如下文将详细讨论，一些优选的混合器将混合物经入口抽入可以包括转子或叶轮的混合部件，并且随后从混合部件中经出口喷嘴排出混合物。这种循环作用和离开喷嘴的射流的高速度有助于分散漂浮在液体表面上的材料或已经沉降至罐底部的材料，这取决于混合部件的方向。混合部件可以以不同方向定位以分散漂浮材料和沉降材料，并且在一些情况下，混合部件的方向可以是可调节的。
例如，在一些优选的混合系统中，与外界流体会合时，射流的速度Vtl是约2至300m/s，例如，约5至150m/s或约10至100m/s。对于100，000L的罐，混合系统的功率消耗可以是约20至1000KW，例如，30至570KW或50至500KW。
射流混合包括将高速度液体的浸没射流或众多浸没射流排放入流体介质，在这种情况下即生物质原料、液体介质和糖化剂的混合物。液体的射流穿透流体介质，而其能量因紊流或一些初热而消散。这种紊流与速度梯度(流体剪切力)相关。周围的流体被加速并且夹带至射流中，而这种次生夹带流随距射流喷嘴的距离增加而增加。当射流膨胀时，次生流的动量通常保持恒定，只要该流不撞击到墙壁、地板或其他障碍物。该流在其撞击到任何障碍物之前持续的时间越长，夹带至次生流中的液体越多，从而增加罐或容器中的整体流。当遇到障碍物时，次生流将更多或更少地损失动量，这取决于罐的几何学，例如，该流冲击 到障碍物上的角度。通常需要对射流定向和/或设计该罐，从而对于罐壁的水力损失最小化。例如，可以需要罐具有弓形底部(例如，半球形封头)，并且射流混合器相对接近侧壁定位，如图IlA中所显示。罐底部(下部封头)可以具有任何所需的半球形构型，或可以具有椭圆或圆锥状几何形状。
射流混合与大部分类型的液体/液体和液体/固体混合的不同在于驱动力是液力而非机械力。不同于如机械搅拌器那样剪切流体并且推动它围绕混合容器，射流混合器经罐内部的一个或多个喷嘴挤压流体，从而产生夹带其他流体的高速射流。结果是剪切(流体针对流体)和循环，这高效地混合罐内容物。
参考图9，来自浸没射流的芯流和周围流体之间高速度梯度造成涡流。图9A说明浸没射流的一般特征。随着浸没射流扩展至周围环境中，速度曲线随距喷嘴的距离(X)增加而变扁平。另外，速度梯度dv/dr随给定距离X处的r(距射流中线的距离)变化，从而产生限定混合区域的涡流(来自喷嘴的圆锥状扩张物)。
在空气中浸没射流的实验性研究中(所述研究的结果适用于任何流体，包括水)，Albertson 等人(“Diffusion of Submerged Jets，，，论文 2409，Amer. Soc. of CivilEngineers Transactions,第 115 卷:639-697，1950,第 657 页)开发了对于 v (x)r = Q/v。(中线速度)无的量纲关系V (r) Jv (X) r =。(在给定X的速度曲线)、Qx/Qq (流夹带)和Ex/Eq (能量随X的变化)
(I)中线速度，V (X)rVv0 :
v(r 0) X n
.....................................,T.....(2)在任何X处的速度曲线，V(r) Jv(x)r=0
「00781 iog[^^ -0J§-33-^
BIx"
(3)在任何x处的流量和能量
权利要求
1.一种方法，包括 使容器中在液体介质中的生物质原料糖化以形成浓度为至少15%的糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中将所述糖溶液转化成产物。
2.根据权利要求
I所述的方法，其中转化包括发酵。
3.根据权利要求
I或2所述的方法，其中转化还包括蒸馏。
4.根据权利要求
3所述的方法，其中蒸馏包括真空蒸馏。
5.根据权利要求
4所述的方法，其中蒸馏在低于70Torr的真空下进行。
6.根据权利要求
3-5中任一项所述的方法，其中蒸馏在环境温度下进行。
7.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述产物包括醇。
8.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述原料具有小于约O.5g/cm3的堆积山/又ο
9.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述液体介质包括水。
10.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述糖化剂包括酶。
11.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，进一步包括在糖化期间用射流混合器混八口 ο
12.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，进一步包括在糖化期间监测所述原料、所述液体介质和所述糖化剂的混合物的葡萄糖水平。
13.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，还包括在糖化期间将另外的原料和糖化剂加至所述容器中以及使用所述分散系统将所述原料分散于所述介质中。
14.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述容器包括罐。
15.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，其中所述原料包括纤维素或木质纤维素材料。
16.根据权利要求
15所述的方法，其中所述原料包括纸。
17.根据上述权利要求
中任一项所述的方法，还包括在所述容器中将乳化剂或表面活性剂加至所述混合物中。
18.根据权利要求
3或4所述的方法，还包括在蒸馏期间混合。
19.根据权利要求
18所述的方法，其中在蒸馏期间使用射流混合器进行混合。
20.—种系统,包括 罐， 设置为将生物质原料、糖化剂和液体介质输送至所述罐的输送系统， 设置为将所述输送的生物质原料和糖化剂混合的混合器，和 设置为从所述罐的内容物蒸馏产物的与所述罐连通的真空蒸馏系统。
21.根据权利要求
20所述的系统，还包括设置为用微生物接种所述罐的内容物的输送>j-U ρ α装直。
22.根据权利要求
20或21所述的系统，还包括设置为监测所述罐的内容物的氧水平的氧监测器。
23.根据权利要求
20-22中任一项所述的系统，其中所述混合器包括射流混合物器。
24.根据权利要求
20-23中任一项所述的系统，其中所述输送系统设置为将所述生物质原料和液体介质以分散体的形式输送至所述罐。
专利摘要
处理生物质原料(例如，工厂生物质、动物生物质和城市废物生物质)以产生有用的产品，如燃料。例如，描述了可以将原料转化成糖溶液的系统，随后可使所述糖溶液发酵以产生乙醇。通过操作射流混合器使生物质原料在容器中糖化，所述容器还包含液体介质和糖化剂。
文档编号C12P7/10GKCN102782117SQ201080061659
公开日2012年11月14日 申请日期2010年11月18日
发明者M·梅多夫, T·马斯特曼 申请人:希乐克公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan