在纤维素发酵过程中生产乙醇和再循环水的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于在发酵过程中由纤维素原料产生乙醇的方法，以及对水进行处理 以用于再循环的方法。具体地，将至少四蒸发等效设备(equivalent)的序列(train)与醪塔 和精馏塔热集成以提供有效水处理。
【背景技术】
[0002] 乙醇是重要的能量源并可用作石油基汽油和柴油产品的替代物。由多种有机原料 的发酵来产生乙醇以提供发酵醪，所述发酵醪蒸馏并脱水以产生高纯度产物。当今大多数 燃料乙醇是由谷物、淀粉或糖基原料来产生的。这些方法通常包括水与经研磨谷物的混合 物发酵以产生乙醇，所述经发酵混合物蒸馏以回收作为顶部产物的醇和蒸馏室底部副产 物，所述副产物包括谷物固体和溶解的固体在水中的稀釜馏物。蒸馏室副产物通常通过蒸 发来自其的水进行浓缩，以生产干酒糟及其可溶物(DDGS)，其为一种供牲畜用的重要饲料。
[0003] 典型的谷物乙醇设施一般具有以下常用元件：
[0004] 1)存在对来自发酵罐的排出料流的吸收或洗涤工过程以从共同产生的二氧化碳 中回收甲醇、乙醇、高级醇和乙醛。这通常使补充水进入装置中并且通常是冷料流。
[0005] 2)采用蒸馏以产生将乙醇浓缩直至与水形成共沸组合物的料流，以及不含乙醇的 主要为水和固体的料流。该方法通常通过使用被称为醪塔和精馏塔的两个蒸馏塔来实现。
[0006] 3)然后经由涉及共沸剂的两液相共沸蒸馏对共沸乙醇流进行进一步浓缩，或者更 通常地通过在分子筛中浓缩以产生燃料级乙醇，所述燃料级乙醇为该方法的主要产物。
[0007] 4)将来自2)中提及的含水料流的固体经由离心或一些其它方式分离，并且可进一 步干燥以产生动物饲料或用于燃料的物质。
[0008] 5)得自4)的含水料流（回流）中的一部分可再循环至装置的前端以形成进入发酵 罐的进料中的一小部分，同时剩余物将被蒸发以除去杂质，否则杂质将积聚起来。这些杂质 包括不能发酵的糖、蛋白质和盐，并作为浓缩的液体料流清除。来自蒸发的冷凝物可直接再 循环至回流发酵。蒸发过程通常是两个或三个阶段，并且将与蒸馏过程热集成。
[0009] 基于谷物、淀粉和糖的方法变得越来越不可取，因为它们必需依赖于食物源并不 利地影响全球食物价格。由纤维素农业原料和其它废料生产乙醇避免了这些问题。纤维素 原料是通常包含纤维素和半纤维素，以及木质素的那些原料。用于由纤维素原料生产乙醇 的合适的原料包括生物质诸如玉米棒、玉米秸杆、草、木质纤维素、甘蔗渣、以及包含高纤维 素组分的工业废品。用于由纤维素原料生成醇并且具体地乙醇的方法描述于多种出版物中 (参见例如，Aden等人，"Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover^?NREL Report No.TP-510-32438；NREL Report NREL/TP-510-37092,"Plants from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks(Revised)"； 以及 Madson，P · W ·和D · A · Monceaux，（Fue 1 Ethanol Product ion)，"Fue 1 A1 coho 1 Textb〇〇k"Alltech InC.，1999h纤维素乙醇方法的各个方面公开于以下共同拥有的专利 中：US 7629156、US 7666282、US 7741084、US 7741119、US 7781191、US 7803623、US 7807419、US 7819976、US 7897396、US 7910338、US 7932063、US 7989206、US 7998713、US 7998722、US 8216809、US 8241873、US 8241880、US 8247208、US 8278070、US 8304213和US 8304535。
[0010]用于纤维素类生物质生产乙醇的方法面临典型的谷物乙醇厂中不存在的某些挑 战。主要的挑战是消耗增加的水量，从而需要能够处理增加的水负荷的方法。增加的水消耗 由发酵液中减小的乙醇浓度引起，所述浓度相对于用于基于谷物的乙醇生产的11%至15% 的乙醇，通常在5%至10%的乙醇的范围内。此外，在乙醇和固体两者均已经从发酵液中移 除之后保留在纤维素方法中的残余水包含比来自谷物方法的残余水更高含量的杂质。由该 水的蒸发产生的冷凝物包含显著更多的乙酸并且不能直接再循环至发酵。对于每单位产生 的乙醇，纤维素装置中的水处理负荷可比谷物至乙醇装置中典型的水处理负荷高至多三 倍，但仍然需要通过使用相当的能量输入以产生可令人接受的能源足迹的方法来调节。 [0011]因此，将在谷物乙醇工业中建立的工作方法简单地转移到纤维素乙醇方法中对于 在经济和能源上有竞争力的纤维素乙醇方法而言是不足够的。因此，纤维素乙醇存在一组 新的挑战，并且应当针对所述背景而不是在基于谷物的方法的情况下来考虑能够满足那些 挑战的方法。
[0012] 为了使由纤维素原料生产燃料级醇更经济，期望在乙醇生产方法中减少操作各个 步骤所需的外部能量和水。这可例如通过最大化的热集成和废水料流再循环入过程中来实 现。
[0013] US7572353和US7297236公开了将第一和第二效蒸发器用于在基于谷物的方法中 浓缩稀釜馏物，其中第二有效蒸汽用作用于蒸馏的热。在纤维素乙醇方法中，使用三级蒸发 器的概念和使用低质量废蒸汽的蒸气再压缩的可能性，大体由Ryan M Melsert( "Energy Optimization Of The Production Of Cellulosic Ethanol From Southern Pine"， Master ' s Thesis，University of Georgia，2007年11 月 13 日）讨论，其中第一效蒸发器在 83.4°C下运行。
[0014]仍然需要开发用于纤维素乙醇发酵方法的有效的热集成蒸馏/蒸发系统，其可以 在能量效率下处理为用于谷物乙醇系统的至多三倍的水量，并使水再循环。
【发明内容】
[0015] 由纤维素发酵生产燃料乙醇面临相当的谷物乙醇方法中见不到的能量效率和水 负荷方面的挑战。为了增加能量和水处理效率，申请人提供了具有热集成和高水处理能力 的系统，其通过申请人的以下发现而成为可能：在纤维素乙醇方法中在长期高温操作的情 况下，热交换表面不结垢。
[0016] 因此本发明提供了用于生产乙醇和再循环水的方法，所述方法包括：
[0017] a)提供水解产物发酵培养基；
[0018] b)在产生乙醇的微生物存在下在发酵罐中发酵培养基，以产生发酵醪，所述发酵 醪包含约6 %至约10 %的乙醇、水、溶质和固体；
[0019] c)提供蒸馏和水处理系统，所述系统包括以下元件：
[0020] I)醪塔；
[0021] II)精馏塔；
[0022] III)固体移除机构；以及
[0023] IV)包括至少四效蒸发等效设备的蒸发序列；
[0024] 其中系统中的每个元件连接至系统中的至少一个其它元件，并且其中所述醪塔、 精馏塔、以及蒸发序列形成热集成系统；
[0025] d)使发酵醪进入（I)的醪塔中，其中使醪塔富乙醇蒸气料流与包含溶质和固体的 水料流分离；
[0026] e)将醪塔富乙醇蒸气料流冷凝，从而形成醪塔富乙醇料流；
[0027] f)使醪塔富乙醇料流进入(II)的精馏塔中，其中将进一步的富乙醇精馏塔蒸气料 流与贫乙醇水料流分离；
[0028] g)使(d)的包含溶质和固体的水料流通过(III)的固体移除机构，从而产生固体基 本上被移除的包含溶质的水料流；
[0029] h)使(g)的固体基本上被移除的包含溶质的水料流通过(VI)的蒸发序列，从而产 生蒸发产物和糖浆，所述蒸发产物包含含水高挥发性溶质，所述糖浆包含低挥发性溶质，其 中所述(IV)的蒸发器序列的第一效蒸发器在高于105°C的温度下运行至少约10天但没有热 交换表面的结垢；以及
[0030] i)处理(h)的蒸发产物以基本上移除高挥发性溶质，从而产生再循环水；
[0031] 其中产生富乙醇蒸气并且对水进行处理以用于再循环。
[0032] 在一些实施例中，其中至少四效蒸发等效设备包括至少一个第一蒸发器级和至少 一个蒸气再压缩单元。
【附图说明】
[0033]图1是纤维素乙醇处理流程图的示意图。
[0034]图2是三种效果的蒸发器在经过12天测量的温度的图。
[0035]图3是三种效果的蒸发器运行11天进行的计算的热传递系数的图。
【具体实施方式】
[0036] 下列定义和缩写用于解释权利要求和说明书。
[0037] 如本文所用，术语"包含/包括（comprises、comprising、includes、including)"、 "具有(has、having)、"含有(contains、containing)"或它们的任何其它变型将被理解为是 指包括指定的整数或整数组但不排除任何其它整数或整数组。例如，包含一系列元素的组 合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，而可以包括其它未明确列出的 元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备所固有的元素。此外，除非明确指明相 反，"或"是指包含性的"或"而非排他性的"或"。例如，条件A或B满足下列任一项:A为真实的 (或存在的)且B为虚假的(或不存在的），A为虚假的（或不存在的)且B为真实的(或存在的）， 以及A和B均为真实的(或存在的）。
[0038] 如本文所用，如整个说明书和权利要求中所使用的，术语"由...组成"或诸如 "由...组成"的不同时态的变型表明包括任何列举的整数或整数组，但是无附加整数或整 数组可加入到指定的方法、结构或组合物中。
[0039] 如本文所用，如整个说明书和权利要求中所使用的，术语"基本上由...组成"或诸 如"基本上由...组成"的不同时态的变型表明包括任何列举的整数或整数组，并且任选地 包括未显著改变指定的方法、结构或组合物的基本或新颖特性的任何列举的整数或整数 组。
[0040] 同样，涉及元素或组分实例的数目（即次数)在本发明