纖維素生物燃料的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本應(yīng)用要求2013年3月15日提交的標(biāo)題為"纖維素生物燃料"的美國臨時申請 號61/799, 942的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用全文納入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的主題涉及處理來自單一原料或來自不同原料組合的組分，具體方法為進(jìn) 行整合至現(xiàn)有設(shè)施或針對現(xiàn)有設(shè)施改造的多種工藝，并合并這些原料與從現(xiàn)有設(shè)施生產(chǎn)的 其他組分以生成乙醇、纖維素生物燃料和高價值蛋白動物飼料。
[0004] 背景
[0005] 美國依賴進(jìn)口石油來滿足運(yùn)輸燃料的需求。為降低對進(jìn)口石油的依賴，國會通過 了能源政策法案以設(shè)立可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（RFS)項(xiàng)目。RFS項(xiàng)目包括要求將可再生燃料加入 運(yùn)輸燃料?？稍偕剂习ɑ谏镔|(zhì)的柴油、先進(jìn)生物燃料和纖維素生物燃料。到2022 年，環(huán)境保護(hù)署（EPA)提出通過RFS項(xiàng)目加入360億加侖的可再生燃料。對于2013年，EPA 提出美國使用的全部燃料供應(yīng)中至少10%來自可再生燃料。例如，預(yù)期的纖維素生物燃料 體積產(chǎn)量為每年1400萬加侖。（EPA-420-F-13-007, 2013年1月）。
[0006] 作為RFS項(xiàng)目的結(jié)果，各工廠正評估新的技術(shù)以從多種原料生產(chǎn)纖維素生物燃 料。纖維素乙醇是一種生物燃料，其通過將纖維素中的糖轉(zhuǎn)化為醇燃料來生成。各工廠正 整合新的技術(shù)來使用其現(xiàn)有設(shè)施生產(chǎn)纖維素生物燃料，具體方法為將纖維素材料和谷物淀 粉轉(zhuǎn)化為生物燃料。整合新技術(shù)來使用現(xiàn)有設(shè)施生產(chǎn)纖維素生物燃料有助于通過利用現(xiàn)有 設(shè)施中現(xiàn)有管道、儲存和加載設(shè)備來降低纖維素生物燃料商業(yè)生產(chǎn)的成本。
[0007] 纖維素材料很豐富，因?yàn)橹参?、樹木、灌木、草地和其他植物部分（即玉米秸：葉、 殼、莖桿、穗軸）中均可見纖維素。纖維素是綠色植物的細(xì)胞壁組分。然而，將纖維素材料 轉(zhuǎn)化為纖維素生物燃料往往具有難度。難點(diǎn)包括難以釋放纖維素材料中的糖；糖的釋放生 成抑制發(fā)酵的副產(chǎn)物；以及難以發(fā)酵這些糖。因此，需要以成本節(jié)約方式將纖維素原料轉(zhuǎn)化 為纖維素生物燃料以滿足RFS的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明描述了一種將多種工藝整合至現(xiàn)有裝置系統(tǒng)以提高總產(chǎn)量的方法。該方法 包括鑒定將谷物轉(zhuǎn)化為乙醇的現(xiàn)有裝置系統(tǒng)，該現(xiàn)有裝置系統(tǒng)包括碾磨工藝、燒煮工藝、發(fā) 酵工藝、蒸餾工藝、脫水工藝、蒸發(fā)工藝、固液分離工藝、增殖工藝。待整合的各工藝包括：增 加分提工藝將分離麩皮（bran)與原料中的其他組分相分離，增加預(yù)處理工藝來通過使用 水和熱分解麩皮中的纖維素和半纖維素，以及增加水解和纖維素發(fā)酵工藝以使用纖維素酶 水解麩皮并使用生物體發(fā)酵以生產(chǎn)纖維素啤酒（cellulosicbeer)。隨后，該方法將纖維素 啤酒與來自現(xiàn)有裝置系統(tǒng)中谷物的淀粉合并至發(fā)酵工藝以提高現(xiàn)有裝置系統(tǒng)中每份原料 單位的總產(chǎn)量。
[0009] 本發(fā)明描述了一種處理纖維素原料的方法。該方法包括分提纖維素原料，通過將 纖維素原料的組分分成與小顆粒料流分離的大顆粒料流，并通過向罐中的大顆粒料流添加 水來對該大顆粒料流進(jìn)行預(yù)處理以生成低固漿料，該低固漿料中固體的百分比占小于約 25%。隨后，該方法包括將蒸汽直接注入低固漿料以提高該低固漿料的溫度，向已加熱的低 固漿料添加化學(xué)品以導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)發(fā)生；以及水解并發(fā)酵該低固漿料以生產(chǎn)纖維素啤酒。
[0010] 本發(fā)明還描述了一種生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的方法。該方法包括通過添加熱和酸來分解纖 維素和半纖維素并使用堿進(jìn)行中和來預(yù)處理纖維素原料，并通過添加酶將纖維素和半纖維 素轉(zhuǎn)化為糖來水解預(yù)處理過的原料，以及使用生物體發(fā)酵該預(yù)處理過的原料以生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn) 品。
[0011] 提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概 念。本概述并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所 要求保護(hù)的主題的范圍。要求保護(hù)的主題的其他方面和優(yōu)勢會從下文各實(shí)施方式的詳細(xì)描 述和附圖中顯見。
[0012] 附圖簡要說明
[0013] 參考附圖列舉了詳細(xì)描述。在各附圖中，附圖標(biāo)記最左側(cè)的數(shù)字表示該附圖標(biāo)記 首次出現(xiàn)的附圖號。在不同附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來表示類似或相同的元件。這些附 圖不將要求保護(hù)的主題限制為本文所述【具體實(shí)施方式】。
[0014]圖1顯示使用干法分提來生產(chǎn)纖維素生物燃料的示例性過程。
[0015] 圖2和3顯示干法分提的示例性過程。
[0016] 圖4顯示預(yù)處理的示例性工藝。
[0017] 圖5顯示水解的示例性工藝。
[0018]圖6顯示使用前端濕法分提以生產(chǎn)纖維素生物燃料和高價值蛋白動物飼料的示 例性過程。
[0019] 圖7顯示前端濕法分提的示例性過程。
[0020] 圖8顯示前端濕法分提的另一個示例性過程。
[0021] 圖9顯示前端濕法分提的另一個示例性過程。
[0022] 圖10顯示使用后端濕法分提以生產(chǎn)纖維素生物燃料和高價值蛋白動物飼料的示 例性過程。
[0023] 圖11顯示后端濕法分提的示例性過程。
[0024] 發(fā)明詳述
[0025] 概述
[0026] 本發(fā)明描述了使用單一纖維素原料或兩種或多種不同纖維素原料的組合以整合 至現(xiàn)有設(shè)備或針對現(xiàn)有設(shè)施改造的過程生產(chǎn)纖維素生物燃料的技術(shù)。生產(chǎn)纖維素生物燃 料的益處包括溫室氣體排放（GHG)比新配方汽油降低85%。例如，整合式設(shè)計(jì)將降低現(xiàn)有 設(shè)施的生產(chǎn)成本，同時消除向現(xiàn)有設(shè)備的直接化石燃料輸入。結(jié)果是，碳足跡可能是約42g C02e/MJ乙醇產(chǎn)熱。本發(fā)明的一個總體預(yù)期益處包括加速成本經(jīng)濟(jì)型纖維素生物燃料進(jìn)入 市場以減少進(jìn)口石油的消耗。另一個益處是提高現(xiàn)有裝置系統(tǒng)中每原料單位的總產(chǎn)量。
[0027] 影響生產(chǎn)纖維素生物燃料可能性的變量包括能夠整合新技術(shù)以降低纖維素生物 燃料商業(yè)生產(chǎn)的成本。整合式設(shè)計(jì)的益處包括使用現(xiàn)有道路、人工、水、管道、儲存和加載設(shè) 備，其都是在現(xiàn)有設(shè)施中可用的。其他益處包括生成多樣化的產(chǎn)品（如熱、電力和動物飼 料）并減少固體表面上的污垢，這些污垢對于整合式方法的部分功能是有害的。除這些益 處以外，所述方法還包括再循環(huán)熱和電力，提高生物燃料的每原料單位產(chǎn)量，并生產(chǎn)纖維素 生物燃料。
[0028] 這些用于生產(chǎn)纖維素生物燃料的整合式方法包括如何通過使用玉米及其組分的 單一纖維素原料，高粱和玉米的單一或合并的纖維素原料，或其他植物部分、纖維素生物 質(zhì)、木本作物、能源作物或其他類型的草本的合并原料來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。這些材料很豐富， 因?yàn)橹参?、樹木、灌木、草本和其他植物部分（即玉米秸：葉、殼、莖桿、穗軸）均可見。
[0029] 這些整合式方法包括碾磨或分離原料的組分、使用化學(xué)品預(yù)處理原料的組分、調(diào) 節(jié)預(yù)處理后原料的PH、水解和發(fā)酵預(yù)處理過的原料以生產(chǎn)纖維素生物燃料。這些方法還 可包括將已發(fā)酵的原料與原料的其他組分混合以燒煮和/或發(fā)酵、蒸餾和脫水發(fā)酵后的原 料以生產(chǎn)乙醇和纖維素生物燃料。這些方法還可包括生產(chǎn)全釜餾物流（wholestillage stream)并機(jī)械加工該全爸餾物流以生產(chǎn)高價值蛋白動物飼料。任意數(shù)目的所述工藝可以 任意順序組合以實(shí)施本方法或替代性方法。此外，也可以省略一個或多個所提供的步驟。
[0030] 雖然所述技術(shù)的各方面可在任意數(shù)目的不同環(huán)境和/或配置中實(shí)施，但在以下示 例性環(huán)境中對這些實(shí)施進(jìn)行描述。雖然針對整合式方法描述了這些技術(shù)，但可應(yīng)用這些技 術(shù)以在現(xiàn)有設(shè)施旁設(shè)置裝置以生產(chǎn)纖維素生物燃料。
[0031] 說明性環(huán)境
[0032] 圖1-11包括顯示示例性過程的流程圖。這些過程可使用不同的環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行。 該設(shè)備不應(yīng)理解為在其運(yùn)行過程中必然是順序依賴的。任意數(shù)目的所述工藝或設(shè)備件可以 任意順序組合以實(shí)施特定方法或替代性方法。此外，還可以省略一個或多個所提供的步驟 或設(shè)備。
[0033] 圖1顯示使用干法分餾來生產(chǎn)纖維素生物燃料、乙醇和動物飼料的示例性概述過 程100。這些系列操作可參見工廠的干法研磨過程。例如，以連續(xù)方式操作所示過程100。 然而，這些纖維素過程可以間歇過程、合并的連續(xù)和間歇過程、濕法碾磨過程、改良的干法 研磨過程或干法研磨過程來進(jìn)行。
[0034] 過程100可接收包括但不限于以下的原料：玉米秸：P十、殼、莖桿、穗軸、高粱、能源 高粱、柳枝稷、自用纖維（captivefiber)、生物質(zhì)、能源作物、木本作物、植物、樹木、灌木、 草本、玉米籽粒等。這些原料可包括單個類型，合并的兩種類型的原料，或者多種百分比范 圍的任意原料組合或摻混物。工廠對纖維素原料進(jìn)行加工以將其轉(zhuǎn)化為不同的聯(lián)合產(chǎn)品， 可包括待轉(zhuǎn)化為纖維素生物燃料的麩皮、待轉(zhuǎn)化為基于淀粉和基于發(fā)酵的產(chǎn)品（如乙醇、 糖漿、食物和工業(yè)淀粉）的胚乳、待提取油、食物級蛋白質(zhì)、用于高纖維動物飼料的飼料和 用于高蛋白動物飼料的飼料級蛋白粉的胚芽。其他應(yīng)用類型包括但不限于生產(chǎn)用于其他應(yīng) 用的化學(xué)品等。
[0035] 出于簡潔的目的，將參考圖1描述使用單一原料的過程。用于合并的原料的過程 類似于圖1所述過程。在一個實(shí)施方式中，過程1〇〇使用玉米（即玉米秸，玉米纖維）以及 下文所述技術(shù)將生物燃料的產(chǎn)率提高約10%。該原料可含有約83%至約92%的固體，其中 主要組分是葡聚糖、淀粉、蛋白質(zhì)、油和木聚糖。
[0036] 過程100最初接收原料101，使用干法分提102將原料101的組分分離為麩皮104。 例如，如果原料101是玉米，各組分是約5. 3%的玉米粒，胚乳106占玉米粒的約82. 9% )， 胚芽108占玉米粒的約11%，和約1-3%的其他組分。圖2和3討論了干法分提102的細(xì) 節(jié)。將含有纖維的麩皮104與另外的組分：胚乳106、胚芽108和其它組分（其待使用新纖 維素技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步加工）相分離。過程100可將胚芽108傳輸至玉米油提取裝置110以 加工為食品級玉米油和殘留胚芽。在另一個實(shí)施方式中，過程100將胚芽108傳輸至漿料 罐116以進(jìn)行進(jìn)一步加工。
[0037] 回到麩皮104,過程100對麩皮104進(jìn)行預(yù)處理112和水解114。預(yù)處理冷凝物可 在現(xiàn)有設(shè)施中用作燒煮水以減少甘油生產(chǎn)和酵母生產(chǎn)。燒煮用水可用于漿料罐116。這將 提高產(chǎn)率約2%。分別根據(jù)圖4和5討論預(yù)處理112和水解114的細(xì)節(jié)。在過程100向原 料麩皮104提供預(yù)處理112和水解114后，該材料可稱作水解產(chǎn)物。該水解產(chǎn)物含有可發(fā) 酵糖和對微生物具有毒性的化合物。過程100將該水解產(chǎn)物輸送至漿料罐116。術(shù)語麩皮、 纖維、原料和水解產(chǎn)物描述用于在整合式方法中進(jìn)行加工的材料。例如，這些整合式方法可 包