生物質處理方法和系統的製作方法

2023-06-13 05:13:46 1

專利名稱：生物質處理方法和系統的製作方法
技術領域：
本申請具體提供了適於用於生物燃料(例如，包括生物乙醇)的生產中的生物質處理方法和系統。更具體地，本發明提供了用於將存在於生物質組合物中的澱粉和纖維素轉化成乙醇的單一方法和系統。
背景技術：
近年來，將生物質轉化成生物燃料已經非常重要，因為消費者和生產商都共同認識到與現有礦物燃料相關的環境和可持續性問題。現有生物燃料塊源自糖料作物和具有高澱粉含量的作物的發酵，其在下文中被稱為「第一生成過程」。第一生成過程通常包括將泥土(ground)澱粉基原料與水混合以形成懸浮液(slurry)的初始水合步驟。水可以在與原料混合之前進行預熱。額外地，可以在容器中加熱懸浮液以活化澱粉，隨後再次加熱懸浮液並將其與液化酶混合，以將澱粉轉化成長鏈糖。活化階段通常使用蒸汽套箱或蒸汽噴射加熱以將懸浮液加熱到期望的溫度。同時，用攪拌混合器、懸浮液循環迴路、或兩者的結合混合懸浮液。然而，儘管存在循環泵，但是這些加熱方法會導致在懸浮液箱或容器中產生其溫度遠大於箱的剩餘部分的區域。在這種過程中，如果在該過程早期水合的澱粉與這些高溫區域相接觸，其可能被破壞，例如，性質改變，從而導致較低的產量。這些布置也不會提供特別有效的混合(如同上述的熱破壞問題所證實的)，且導致澱粉的水合較差。這些第一生成過程通常使用獨立的容器，以用於該過程的活化和轉化階段。通常使用離心泵來實現將懸浮液從活化容器轉移到轉化階段容器，該離心泵將高剪切力施加在懸浮液上並因此導致水合澱粉的進一步破壞。轉化階段還可以使用蒸汽套箱或水套箱，或由噴射加熱器加熱的箱，來將懸浮液的溫度提高到適於液化酶的最優性能的合適水平。可替換地，採用噴射式蒸煮器來加熱進入轉化階段容器中的懸浮液。懸浮液不僅會經受與活化階段中所經受的相同的熱破壞，而且高溫區域還限制該過程中產生的葡萄糖產量。這些區域的過量的熱促進美拉德 (Maillard)反應，其中糖分子由於與同樣存在於懸浮液中的蛋白質的相互作用而被破壞。 這些Maillard損失與來自輸送泵的剪切損失的結合限制了可獲得的葡萄糖產量。此外，現有的液化處理需要很長的停留時間用於轉化階段中的懸浮液，以確保儘可能多的澱粉轉化成糖。這對生產過程的時間和成本都有消極影響。在食品應用中(在人的食物以及動物飼料中)，具有高澱粉含量的作物有很高的價值，並且，由於整個作物僅有很小比例是澱粉，因此與來自纖維素和半纖維素作物的可能糖產量相比，高澱粉含量作物每公頃的糖產量較低。因此，從替換生物質源(比如，主要由木質素、半纖維素和纖維素組成的木質纖維生物質)獲得生物燃料的方法對生產商來說是很重要的，因為木質纖維生物質是極其豐富的生物質。例如，其包括所有的樹木和草、以及農業殘留物(比如，溼的和幹的丟糟(distiller』 s grain)、玉米纖維、玉米芯和甘蔗渣)。從木質纖維生物質得到生物燃料的過程在下文中將稱為「第二生成」過程。第二生成過程在三個階段中將木質纖維生物質轉化成醇(例如，乙醇)第一預處理階段破壞生物質的細胞結構，在第二水解階段中生物質的纖維質部分被轉化成短鏈糖，以及在第三發酵階段中將這些糖轉化成醇。為了增加水解產物量，預處理步驟需要軟化生物質並破壞其細胞結構，從而暴露更多纖維素和半纖維素材料。破壞性的預處理過程通常本質上為化學或物理的。當前的化學預處理過程依靠催化劑來實現期望的生物質細胞破壞。該催化劑通常為酸或酶。酸的缺點是對環境有害，而酶又相對昂貴。最普通的物理預處理過程是蒸汽噴射(steam explosion)，在Neves於1984年1月10日提交的美國專利No. 4，425，433以及Foody於 1984年7月M日提交的美國專利No. 4，461，648中披露了這種實例。在蒸汽噴射中，在反應由於突然減壓到大氣壓力而停止之前，利用高壓蒸汽加熱生物質若干分鐘。蒸汽噴射的缺點在於處理必須限制在合適的處理容器內，且因此是不連續的處理。此外，蒸汽噴射的糖產量相對低，而目前用於該處理的費用很高。在第一和第二生成過程這兩者中，用酵母發酵糖。但是，酵母是對溫度敏感的，且在酵母可發酵糖之前，生物質必須冷卻至約30°c。冷卻生物質不僅增加了發酵過程的時間， 而且，如果經發酵的生物質必須在下遊再次加熱以用於蒸餾，則還增加了能量消耗。上述的第一生成過程是目前生物燃料產業中最普遍使用的一種過程。為了減少運輸作物以進行處理的成本，生物燃料處理廠通常位於接近作物生長的區域中，或者位於具有針對該過程的兩種產品(例如，乙醇和動物飼料)的本地市場的區域中。為了努力繼續進一步降低成本，在收割期間，將作物的澱粉基部分(例如，玉米粒)與作物的剩餘部分(例如，莖和葉)分離，以便僅將澱粉基部分運輸到處理廠。但是，儘管在收割期間進行這種分離，但是被運輸以用於處理的約10%重量的作物是由木質纖維素材料(例如，玉米殼、玉米棒)構成，其中不存在澱粉。因此，即使這10%的作物被運輸至處理廠，在第一生成過程中這10%的產量也忽略不計。該問題的解決方案還會利用第二生成過程從存在的木質纖維素材料中獲得醇。然而，使第一和第二生成過程在單一處理廠中彼此並排進行，會對處理成本有顯著影響。首先，構建具有用於第一和第二生成過程的獨立處理線的處理廠所涉及的設立成本將遠大於用於構建僅具有第一生成處理線的處理廠的成本。第二，彼此並排的兩個處理的各個階段運行時的生產成本也將大於僅運行第一生成處理線的相關成本。因此，本發明的一個目的是克服前述缺點中的一個或多個。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種用於生物質處理的方法，包括(i)引導包含生物質和工作流體的組合物以使其流入流體處理設備的通道；(ii)通過與流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注射到組合物中，其中傳輸流體對組合物施加剪切力，以使工作流體霧化並且在噴嘴的下遊形成水蒸氣和液滴流型(flow regime)；(iii)將水蒸氣和液滴流型冷凝並將組合物轉移至第一保存容器；以及(iv)在第一預定溫度下將組合物保持在第一保存容器中一第一預定時間段；(ν)其中，所述方法還包括將澱粉酶和纖維素酶添加至所述組合物的步驟。澱粉酶可以認為是適於將澱粉轉化成糖的任何酶。纖維素酶可以認為是適於將纖維素或半纖維素轉化成糖的任何酶。通過噴嘴將高速傳輸流體注入組合物的步驟可以包括生成在噴嘴下遊形成的低壓區域。冷凝步驟可以由冷凝所述低壓區域下遊的傳輸流體開始。將組合物轉移至保存容器的步驟可以包括使組合物經過一溫度調節單元以將組合物的溫度提高至第一預定溫度。第一預定溫度可以在80與85攝氏度之間。第一預定溫度可以是83攝氏度。可替換地，第一預定溫度可以在72與80攝氏度之間，優選地在76與78攝氏度之間，例如75攝氏度，或77攝氏度。可以在將組合物引入流體處理設備的通道之前將液化酶(例如澱粉劑和/或纖維素酶)添加至該組合物。所述方法還可以包括(i)在第一時間段結束後，將組合物轉移至第二保存容器；以及(ii)在第二預定溫度下將組合物保持在第二保存容器中一第二預定時間段，其中，可以在將組合物引入流體處理設備的通道之前將液化酶(例如澱粉酶)添加至組合物， 並且可以在第一時間段結束與第二時間段開始之間將另一液化酶(例如纖維素酶)添加至組合物。在將組合物轉移至第二保存容器之前，所述方法可以進一步包括將組合物冷卻至第二預定溫度的步驟。第一預定溫度可以在80與85攝氏度之間。優選地，第一預定溫度可以為83攝氏度。第二預定溫度可以在50與60攝氏度之間。優選地，第二預定溫度可以為55攝氏度。在將組合物轉移至第二保存容器之前，所述方法可以進一步包括(i)將組合物引入第二流體處理設備的通道中；以及(ii)通過與第二流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入組合物， 其中，所述傳輸流體對組合物施加剪切力，以使工作流體霧化持續一第二時間並且在噴嘴的下遊形成一第二水蒸氣和液滴流流型，其中，在將組合物引入第一流體處理設備的通道之前將纖維素酶添加至組合物，以及在將組合物引入第二流體處理設備的通道之前將液化酶(例如澱粉酶)添加至組合物。第一預定溫度可以在50與60攝氏度之間。優選地，第一預定溫度可以為55攝氏度。第二預定溫度可以在80與85攝氏度之間。優選地，第二預定溫度可以為83攝氏度。所述方法可以進一步包括以下步驟(i)將組合物冷卻至預定發酵溫度；(ii)將一種或多種發酵劑添加至組合物；將組合物轉移至發酵容器；以及(iii)在預定發酵溫度下將組合物保持在發酵容器中一預定發酵時間。所述冷卻步驟可以包括使組合物通過冷卻容器。冷卻容器可以是糖化醪冷卻器 (mashcooler)0發酵溫度可以在30與40攝氏度之間。優選地，發酵溫度可以為35攝氏度。在本發明中，可以將一種或多種發酵劑添加至組合物。如這裡使用的，「發酵劑」包括用於促進發酵過程的公知藥劑，並且包括(但不限於)葡糖澱粉酶和酵母。所述方法可以進一步包括蒸餾經發酵的組合物以從組合物的殘留物中提出醇的步驟。所述方法還可以進一步包括如下步驟(i)將回收的水或冷凝劑返回給流入第一流體處理設備的通道中的組合物。所述方法還可以進一步包括如下步驟(i)將組合物的殘留物轉移至一分離器；以及(ii)將固體從組合物的殘留物中分離出。
所述方法還可以進一步包括如下步驟(i)從分離器回收水分；以及(ii)將所述水分返還給流入第一流體處理設備的通道的組合物。所述方法還可以進一步包括如下步驟(i)引導組合物的一部分以使其流入第二流體處理設備的通道；(ii)通過與第二流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入組合物， 其中，傳輸流體對組合物施加剪切力，以使工作流體霧化且在噴嘴的下遊形成第二水蒸氣和液滴流流型；(iii)冷凝第二水蒸氣和液滴流流型並將組合物轉移至第二保存容器；以及(iv)在第二預定溫度下將組合物保持在第二保存容器中一第二預定時間段；(ν)其中，第一流體處理設備和第一保存容器，以及第二流體處理設備和第二保存容器並行工作；以及(vi)其中，在將組合物引入第一流體處理設備的通道之前將澱粉酶添加至組合物，以及在將組合物的一部分引入第二流體處理設備的通道之前將纖維素酶添加至組合物的該部分。所述方法可以進一步包括以下步驟(i)將組合物的每部分冷卻至預定發酵溫度；(ii)將一種或多種發酵劑添加至組合物；(iii)將組合物的這些部分轉移至一發酵容器；以及(iv)在所述預定發酵溫度下將組合物保持在發酵容器中並持續一預定發酵時間。發酵溫度可以在30與40攝氏度之間。優選地，發酵溫度可以為35攝氏度。在此實施方式中，可以將一種或多種發酵劑添加至組合物。優選地，添加兩種發酵劑，其中，這些發酵劑為葡糖澱粉酶和酵母。組合物的第一和第二部分的發酵可以在單一發酵容器中進行。可替換地，組合物的這些部分的發酵可以在分離的發酵容器中進行。所述方法可以進一步包括蒸餾經發酵的組合物以從組合物的殘留物中提出醇的步驟。所述方法可以進一步包括以下步驟(i)將組合物的殘留物轉移至分離器；以及(ii)從組合物的殘留物中分離出固體。所述方法可以進一步包括以下步驟(i)從所述分離器回收固體成分；以及(ii)將所述固體返還給第二流體處理設備的通道中的組合物的第二部分。組合物的第二部分可以是從分離器中回收的固體成分。傳輸流體可以是蒸汽。工作流體可以是水。生物質可以包括一種或多種澱粉基作物。根據本發明的第二方面，提供了一種用於處理包括生物質和工作流體的組合物的系統，所述系統包括(i)至少一個流體處理設備，所述設備具有用於收納組合物供應的通道；以及傳輸流體噴嘴，具有通向所述通道的噴嘴出口且具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部；(ii)第一保存容器，與所述通道的出口流體連通；以及(iii)發酵容器，與第一保存容器流體連通。所述系統可以進一步包括位於第一保存容器與發酵容器中間的第一冷卻容器。所述系統可以進一步包括在第一冷卻容器與發酵容器中間的第二保存容器和第二冷卻容器。所述流體處理設備可以包括用於將添加劑引入至組合物的一個或多個添加劑埠。添加劑埠可以通向噴嘴出口上遊的通道。可替換地，或額外地，添加劑埠可以通向緊接著噴嘴出口下遊的通道。所述系統可以進一步包括鄰近第二保存容器的其他添加劑端所述系統可以進一步包括第二流體處理設備和在第一保存容器下遊的第二保存容器，第二流體處理設備具有用於接納來自第一保存容器的組合物的第二通道；以及第二傳輸流體噴嘴，該噴嘴具有通向第二通道的噴嘴出口以及具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部。在另一實施方式中，所述系統包括由第一流體處理設備和第一保存容器構成的第一處理線，且所述系統進一步包括第二處理線，所述第二處理線包括(i)第二流體處理設備，該第二流體處理設備具有用於收納組合物供應的第二通道；以及第二傳輸流體噴嘴，該噴嘴具有通向第二通道的噴嘴出口以及具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部；以及(ii)第二保存容器，其與第二通道的出口流體連通；
(iii)其中，第一和第二處理線在組合物供應與發酵容器之間並行連接。所述系統可以進一步包括與所述流體處理設備的通道的入口流體連通的混合容器，所述混合容器混合生物質和工作流體的供應以形成組合物。所述系統可以進一步包括在所述流體處理設備或每個流體處理設備上遊的泵。所述系統可以包括多個流體處理設備，所述多個流體處理設備彼此串聯和/或並行連接從而形成一陣列。所述系統可以包括多個第二流體處理設備，所述多個第二流體處理設備彼此串聯和/或並行連接以形成一陣列。所述系統可以進一步包括溫度調節單元，其用於提高第一和/或第二流體處理設備與其各自的第一和/或第二保存容器之間的組合物的溫度。所述系統可以進一步包括在發酵容器下遊的蒸餾設備。所述系統可以進一步包括在混合容器的入口下遊的蒸餾設備。所述系統可以進一步包括將蒸餾設備連接至流體處理設備的入口的第一回流線路。所述系統可以進一步包括在蒸餾設備下遊的分離設備。所述系統可以進一步包括在混合容器的入口下遊的分離設備。所述系統可以進一步包括將分離器連接至流體處理設備的入口的第二回流線路。所述分離設備可以包括離心機。所述系統可以進一步包括與所述傳輸流體噴嘴或每個傳輸流體噴嘴流體連通的傳輸流體供應單元。所述傳輸流體供應單元可以將傳輸流體供應至第一和第二流體處理設備。傳輸流體可以是蒸汽，且調節單元可以是蒸汽發生器。在另一實施方式中，本發明提供根據這裡披露的方法或系統中的任一種所生產的生物乙醇。例如，本發明包括用於從生物質生成生物乙醇的方法，所述方法包括(a)引導包括生物質的組合物的至少第一部分和工作流體以使其流入流體處理設備的通道；(b)通過與流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入組合物，其中， 傳輸流體對組合物施加剪切力，以使工作流體霧化且在噴嘴下遊形成水蒸氣和液滴流流型；(c)冷凝所述水蒸氣和液滴流流型；(d)將組合物轉移至第一保存容器；(e)在第一預定溫度下將組合物保持在第一保存容器中一第一預定時間段，其中， 在該處理之前或期間將液化酶添加至組合物；(f)在第一預定時間段結束後，將組合物轉移至第二保存容器；(g)在第二預定溫度下將組合物保持在第二保存容器中一第二預定時間段；(h)將組合物冷卻至預定發酵溫度；(i)將發酵劑添加至組合物；(j)將組合物轉移至發酵容器；以及(k)在預定發酵溫度下將組合物保持在發酵容器中並持續一預定發酵時間以生成包括生物乙醇的發酵組合物。


現在將參照附圖，僅通過實例來描述本發明的優選實施方式，附圖中圖1是根據本發明的流體處理設備的豎直截面圖；圖2是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第一實施方式的示意圖；圖3是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第二實施方式的示意圖；圖4是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第三實施方式的示意圖；圖5是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第四實施方式的示意圖；圖6是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第五實施方式的示意圖；圖7是根據本發明的用於處理生物質組合物的系統的第六實施方式的示意圖；圖8是示出了在生物質通過圖1中所示的流體處理設備時生物質的壓力和溫度變化的曲線圖。
具體實施例方式圖1是穿過一流體處理設備(總體上標記為10)的豎直橫截面。該處理設備10 包括殼體12，該殼體內限定了一縱向延伸通道14。該通道具有入口 16和出口 18且具有基本上恆定的圓形截面。換言之，通道12的橫截面積從入口 16至出口 18基本上恆定。突出部20從入口 16軸向地延伸至殼體12中且在其外部限定了一用於引入可壓縮傳輸流體的充壓間22。充壓間22具有可連接至傳輸流體源(圖1中未示出)的入口 24。 突出部20在其內部限定了入口 16以及通道16的上遊部分。突出部20具有遠離入口 16 的遠端26。突出部20的遠端沈的厚度先增大隨後又減小，從而限定一向內呈錐形的表面觀。殼體12具有壁30，該壁在鄰近突出部20的錐形表面觀的位置處厚度增加。這種厚度的增加使壁30的一部分具有表面32，其具有與突出部20的錐形表面觀的錐度相對應的向內的錐度。在它們之間，突出部20的錐形表面觀以及壁30的錐形表面32限定了一環形噴嘴；34。該噴嘴34具有與充壓間22流動連通的噴嘴入口 36、通向通道14的噴嘴出口 40、 以及在噴嘴入口 36與噴嘴出口 40中間的噴嘴喉部38。噴嘴喉部38的橫截面積小於噴嘴入口 36或噴嘴出口 40的橫截面積。通道14還包括混合區域17，其緊接著噴嘴出口 40的下遊位於所述通道中。圖2示出了用於處理生物質組合物的系統的第一優選實施方式，其結合了圖1中所示類型的流體處理設備。生物質組合物是包括生物質和工作流體的組合物。在這裡描述的此實施方式中，優選的工作流體是水，但是適於執行所述方法的其他流體也可以用。本說明書中使用的術語「生物質」用來描述可用作燃料或能量源的任何生物材料。合適類型的生物質的非限制性實例包括林木產品、未處理的木質產品、能量作物以及短生長期萌生林、 以及動物排洩物、來自食品加工的工業和可生物降解市政產品和高能量作物(比如油菜、 甘蔗、和玉米)。然而，儘管不限定特定類型的生物質，但是用於本發明的系統和方法的最優選的生物質是澱粉基作物，比如穀物、小麥和大麥。所述生物質還可以以碾碎前的形式用在本發明的系統和方法中。總體上標記為50的處理系統包括流體處理設備10和與處理設備10的出口 18流體連通的保存容器52。優選地，保存容器52是絕緣的，且被熱水套(未示出)包圍，並且包含電機驅動攪拌器(未示出)，以混合併攪拌容器52的內容物。系統50還包括與保存容器 52流體連通的冷卻容器52、以及與冷卻容器M流體連通的發酵容器56。傳輸流體供應58 連接於處理設備10的充壓間入口 24，以便將傳輸流體供應至充壓間入口。儘管未示出，該系統還可以包括在流體處理設備上遊的泵，以用於將流體引入處理設備10的通道14。相似地，系統50中可以包括溫度調節單元(TCU)(未示出)，其位於流體處理設備10與保存容器 52之間。TCU包括圖1中所示類型的一個或多個流體處理設備。在TCU中有多於一個處理設備的情況下，這些處理設備優選地串聯布置。溫度調節單元可逐漸地增加從流體處理設備10流到保存容器52的任何流體的溫度。在圖2中被包圍在虛線內的系統50可被安裝至現有的生物質處理線，或者，如果必要的話，可將附加部件添加至系統50，以創建完整的生物質處理線。在這種情況下，該系統還可以包括混合容器60，其位於處理設備10上遊且與設備10的入口 16流體連通。優選地，混合容器60被熱水套(未示出)包圍且具有電機驅動攪拌器(未示出)，以用於混合併攪拌容器60的內容物。混合容器60還包括第一和第二添加劑線路62、66，其連接至各自的第一和第二添加劑供應64、68。系統還可以包括連接至發酵容器56的第三和第四添加劑線路70、74，用於將發酵劑從第三和第四添加劑供應72、76供應至發酵容器。蒸餾容器80可以與發酵容器56流體連通。另外，可以提供保持箱(未標號)，其位於發酵容器 56與分離容器90之間。蒸餾容器80具有出口 84且還可以包括回流線路82，該回流線路或者直接地或者經由圖2中所示的混合容器60 (如果存在)與處理設備10的入口 16流體連通。最後，系統50還可以包括與蒸餾容器80流體連通地連接的分離容器90。分離容器 90優選地包括離心機且包括第二回流線路92和排放線路94。如蒸餾容器80的回流線路 82那樣，第二回流線路92也或者直接地或者經由混合容器60與處理設備10的入口 16流體連通。排放線路94允許分離器90內的內容物被排除或排出。圖3是示出了本系統的第二實施方式，其總體上標記為150。該系統150包括圖 1中所示類型的流體處理設備10、以及與處理設備10的出口 18流體連通的第一保存容器 52。系統150還包括與第一保存容器52流體連通的冷卻容器54、以及在冷卻容器M下遊的發酵容器56。傳輸流體供應58連接至處理設備10的充壓間入口 24，以便可將傳輸流體供應至充壓間入口。第二實施方式與第一實施方式不同之處在於，系統150還包括第二保存容器152和第二冷卻容器154，它們與系統150的在第一冷卻容器M與發酵容器56之間的其他部件串聯連接。優選地，第一和第二保存容器52、152都是絕緣的，且都被熱水套 (未示出)包圍，並且各自包括電機驅動攪拌器，以混合併攪拌所述容器52、152的內容物。在系統150中，第一添加劑供應164通過第一添加劑線路162連接至處理設備10 的入口 16，且第二添加劑供應168通過第二添加劑線路166連接至第二保存容器152。系統150還可以包括連接至發酵容器56的第三和第四添加劑線路70、74，以用於將發酵劑從第三和第四添加劑供應72、76供應至發酵容器。在圖3中被圍繞在虛線內的系統150可安裝至現有的生物質處理線中，或者，如果需要，可將附加的部件添加至系統150，以創建完整的生物質處理線。在這種情況下，該系統還可以包括混合容器60，其位於處理設備10上遊且與設備10的入口 16流體連通。優選地，混合容器60被熱水套(未示出)包圍且具有電機驅動攪拌器(未示出)，以用於混合併攪拌容器60的內容物。在混合容器60形成系統150的一部分的情況下，第一添加劑線路162可以連接至混合容器60而不是流體處理設備10的入口。蒸餾容器80可以連接至發酵容器56的出口 160。蒸餾容器80具有出口 84且還可以包括回流線路82，該回流線路或者直接地或者經由圖3中所示的混合容器60 (如果存在)與處理設備的入口 16流體連通。 最後，系統150還可以包括與蒸餾容器80流體連通地連接的分離容器90。分離容器90優選地包括離心機且包括第二回流線路92和排放線路94。如蒸餾容器80的回流線路82那樣，第二回流線路92也或者直接地或者經由混合容器60與處理設備的入口 16流體連通。 排放線路94允許分離器90內的內容物被去除或排出。圖4至圖7示出了本發明的系統的其他優選實施方式。如本系統的第一和第二優選實施方式那樣，本系統的這些其他實施方式可以增補有圖2和圖3中所示的混合容器、蒸餾容器和分離容器，但為了簡潔的原因，沒有相對於這些其他實施方式說明或描述這些增補的容器。圖4示出了本發明的系統的第三實施方式，其總體上標記為250。系統250包括圖 1中所示類型的流體處理設備10、以及與處理設備10的出口 18流體連通的第一保存容器 52。系統250還包括與發酵容器56流體連通的冷卻容器M，這兩者都在第一保存容器52 下遊。傳輸流體供應58連接至處理設備10的充壓間入口 24，以便可將傳輸流體供應至該充壓間入口。第三實施方式與前面的實施方式的不同之處在於，系統250進一步包括第二流體處理設備210和第二保存容器252，它們與系統250的在第一保存容器52與冷卻容器 54之間的其他部件串聯連接。第二處理設備210基本上與圖1中所示的第一處理設備10 相同，且具有連接至其相應的充壓間入口的第二傳輸流體供應258。在系統250中，第一添加劑供應264通過第一添加劑線路262連接至第一處理設備10的入口 16，同時第二添加劑供應268通過第二添加劑線路266連接至第二處理設備 210的入口。系統250還可以包括連接至發酵容器56的第三和第四添加劑線路70、74，以用於將發酵劑從第三和第四添加劑供應72、76供應至發酵容器。發酵容器56具有出口沈0。圖5示出了本發明的系統的第四實施方式，其總體上標記為350。系統350包括第一和第二處理線路，它們彼此平行且連接至位於下遊的共用發酵容器56。第一處理線路包括圖1中所示類型的第一流體處理設備10、與第一處理設備10的出口 18流體連通的第一保存容器52、以及與第一保存容器52流體連通的第一冷卻容器M。第一傳輸流體供應 58連接至第一處理設備10的充壓間入口 24，以便可將傳輸流體供應至充壓間入口。第二處理線包括同樣為圖1中所示類型的第二流體處理設備310、與第二處理設備310的出口流體連通的第二保存容器352、以及與第二保存容器352流體連通的第二冷卻容器354。系統 350可以包括用於將傳輸流體供應至第二處理設備310的充壓間入口的第二傳輸流體供應 358。第一和第二冷卻容器M、3M都與位於下遊的發酵容器56流體連通。在系統350中，第一添加劑供應364通過第一添加劑線路362連接至第一處理設備10的入口 16，同時第二添加劑供應368通過第二添加劑線路366連接至第二處理設備 310的入口。系統350還可以包括連接至發酵容器56的第三和第四添加劑線路70、74，以用於將發酵劑從第三和第四添加劑供應72、76供應至發酵容器。發酵容器56具有出口 360， 其可以將發酵容器56與圖2中所示類型的蒸餾容器和分離容器相連，以增補本系統。在系統350中存在蒸餾容器和分離容器的情況下，系統350可以包括將蒸餾容器和分離容器與第二處理設備310的入口相連的相應回流線路(未示出)。系統350還可以包括在第一和第二處理線上遊的混合容器(未示出)，或者是用於每個第一和第二處理線的專用第一和第二混合容器。圖6和圖7示出了根據本發明的系統的第五和第六實施方式。所述系統(總體上標記為450和550)與圖2中所示的系統50類似。它們各自具有保存容器52、與保存容器 52流體連通的冷卻容器54、以及與冷卻容器M流體連通的發酵容器56。系統450、550與前述實施方式的系統的不同之處在於流體處理設備方面。不是在保存容器52上遊設置單一流體處理設備，每個系統450、550均採用陣列流體處理設備。在第五實施方式的系統450中，提供陣列流體處理設備10，其中設備10彼此串聯地布置在保存容器52上遊。該陣列處理設備可以共用一單一的傳輸流體供應58(如圖6 中所示)，或者每個處理設備可以具有其自己的專用傳輸流體供應。系統450可以包括第一和第二添加劑線路462、466，其將相應的第一和第二添加劑供應464、468連接至所述陣列中的第一流體處理設備10的入口 16。如前面的實施方式那樣，第三和第四添加劑線路70、 74可以存在於系統450中，以將相應的第三和第四添加劑供應72、76連接至發酵容器56。在第六實施方式的系統550中，提供了一陣列流體處理設備10，其中第一對和第二對設備10平行地布置在保存容器52上遊。該陣列處理設備可以共用單一的傳輸流體供應，或者每對處理設備可以具有各自的第一和第二傳輸流體供應58、558，如圖7中所示。同樣地，每個獨立設備10可以具有其自己的專用傳輸流體供應。系統550可以包括第一和第二添加劑線路562、566，它們將相應的第一和第二添加劑供應564、568連接至形成所述陣列的每個對中的第一流體處理設備10的入口 16。如前面的實施方式那樣，系統450中可以存在第三和第四添加劑線路70、74，以將相應的第三和第四添加劑供應72、76連接至發酵容器56。現在將參照附圖描述處理工作流體和包括生物質的組合物的方法。本方法的第一實施方式採用圖2中所示的第一實施方式的系統50。要被處理的組合物包括生物質的混合物和工作流體。如上所述的，生物質可以從大範圍的各種來源獲得，但是優選地，生物質是澱粉基作物(例如，穀物)。還如上面所述的，工作流體優選地是水。生物質和工作流體可以混合在一起以在遠離系統50的位置處形成組合物。可替換地， 如果系統50包括混合容器60，則組合物可以在混合容器60中形成。以受控質量併入(mass addition flow rate)流速將被碾碎的澱粉基作物引入混合容器60中的工作流體中。穀物的引入可以手動或自動完成，且可以連續或批量引入。作物和工作流體的混合導致組合物形成懸浮液。以分離的方式，還經由相應的第一和第二添加劑供應線路62、66將保存在第一和第二添加劑供應64、68中的澱粉酶和纖維素酶添加至組合物。優選地，懸浮液中作物與液體成分的重量比為20-40%。可選地，此時還可將一種或多種PH調節物(例如，稀釋的硫酸、氨水)和/或表面活性劑添加至懸浮液。這裡描述的處理方法的每個實施方式中所用的澱粉酶優選地是α酶，其活性在 750與824 AGU/g之間。酶的活性以每單位質量的溼作物或給料來體現。將熱水送進至圍繞混合容器60的水套中，且熱水套隨之將容器60中懸浮液加熱至通常為30-60°C的溫度，最優選地為30-40°C，並將懸浮液保持在此溫度下30-120分鐘。 電機驅動攪拌機以柔和的(即，低剪切力)攪拌攪動懸浮液，同時將懸浮液保持在混合容器60中。以期望的溫度將懸浮液保持在混合容器60中一充足的時間段，以使澱粉成分為完全水合作準備。當懸浮液已經在混合容器60中浸泡了足夠的時間時，將其從容器60排出並經由入口 16引入流體處理設備10的通道14中。可以利用重力將組合物引入流體處理設備10。可替換地，如果存在泵，則泵可在低剪切力條件下將組合物引入流體處理設備 10。參考圖1，當懸浮液到達流體處理設備10，懸浮液將通過入口 16流入通道14進而從出口 18流出。以優選地在5-7巴之間的壓力將傳輸流體(其在此非限制性實例中優選的為蒸汽)從傳輸流體供應58送至充壓間入口對。通過入口 M和充壓間22引入傳輸流體使得從噴嘴出口 40以非常高的速度(優選地為超音速)射出蒸汽噴射流。在蒸汽被射入懸浮液中時，蒸汽與懸浮液之間發生動量和質量的轉移，這導致懸浮液的工作流體組分霧化，從而形成水蒸氣和液滴流型。換言之，組合物內的工作流體被破碎成非常小的液滴， 其以連續的水蒸氣狀態散開。通過通道14的混合區域17中產生的湍流(由蒸汽從噴嘴34 出來時的擴散而引起)加強這種轉移。噴射至混合區域17中的蒸汽對懸浮液施加剪切力， 其不僅霧化工作流體組分，而且還破壞懸浮在懸浮液中的碾碎作物的細胞結構。這種細胞結構的破壞將存在的任何澱粉顆粒從作物中分離，與此同時，將可能多地露出也存在於組合物中的木質纖維素材料。可在圖8的曲線圖中看到在組合物經過流體處理設備10時，組合物的溫度和壓力，其示出了在組合物通過圖1的設備10中的各個點時，所述溫度和壓力的曲線。該曲線圖已經分割成四個區段A至D，其與設備10的各個區段相對應。區段A對應於通道14在入口 16與噴嘴34之間的區段。區段B對應於混合區域17的在噴嘴34與混合區域17的中間部分之間延伸的上遊區段。區段C對應於混合區域17的在混合區域17的前述中間部分與出口 18之間延伸的下遊區段，同時區段D示出了當組合物通過出口 18時的溫度和壓力。在圖8的曲線圖的區段B的開始處將蒸汽噴射至組合物中。蒸汽的噴射(優選地以超音速)以及其在從噴嘴34離開時的擴散，在混合區域17緊接著噴嘴34下遊的區段中產生低壓區域。在由蒸汽和幾何條件以及熱和質量轉移的速度決定的點處，蒸汽的速度將減小且蒸汽將開始冷凝。蒸汽冷凝可以持續並在混合區域17的下遊區段中形成冷凝衝擊波(condensation shock wave)。冷凝衝擊波的形成使得組合物的壓力迅速增加，如從圖8 的區段C可見，並且組合物在圖8的區段D中冷凝回液態。如上面說明的，在蒸汽通過噴嘴34注射至組合物中時，在混合區域17的上遊區段可能發生壓力下降。這種壓力下降在混合區域17的鄰近噴嘴出口 40的該上遊區段中形成至少部分真空。試驗已經揭示在注射蒸汽時可在區域17中達到大約90%的真空。如前面所述的，通過注射的蒸汽施加至組合物的剪切力以及所引起的並發湍流破壞了懸浮在懸浮液中的碾碎作物的細胞結構。在懸浮液通過所述部分真空以及在混合區域 17中形成的冷凝衝擊波時，細胞結構進一步被產生的壓力變化破壞，如圖8的區段B和C中的壓力曲線所示。在將澱粉顆粒從設備10中的作物分離時，由於蒸汽的引入，這些顆粒幾乎即刻被進一步水合、加熱並活化。在懸浮液通過時，設備10同時泵送並加熱組合物，以完成水合和活化或使澱粉成分成膠狀。換言之，由於存在熱時這些顆粒吸收水，因此會發生澱粉顆粒的勻質膨脹。這使得顆粒內的澱粉聚合物之間的氫鍵結合變松，並且顆粒內部的晶體結構會發生不可逆的分解。另外，本設備將澱粉酶和纖維素酶混合至組合物中，實現液態的澱粉和木質纖維素材料的勻質分布以及與此液態的澱粉和木質纖維素材料的高度接觸。在組合物離開設備 10時，組合物的溫度優選地在74-76°C之間。將組合物離開設備10時的溫度選擇為避免在澱粉成分活化以及細胞破壞期間對組合物的任何熱損壞。然而，此溫度可以低於適合於澱粉酶和纖維素酶的最佳性能的溫度。 因此，需要可以在組合物不經受過高溫度或附加剪切力的情況下來升高組合物的溫度。可以使用位於設備10與保存容器52之間的可選溫度調節單元(TCU)來實現此柔和加熱。如上所述的，TCU包括圖1中所示類型的一個或多個流體處理設備。控制供應至構成TCU的設備的蒸汽的壓力，以使得在與供應至TCU上遊的流體處理設備10的蒸汽的壓力相比時，前述壓力相對較低。TCU的設備的優選蒸汽輸入壓力在0.5-2.0巴之間。由此， 傳輸流體速度非常低，從而在組合物經過TCU時，沒有或幾乎沒有剪切力或冷凝衝擊通過注射的蒸汽施加給組合物。相反，TCU僅使用低壓蒸汽來緩和地升高組合物的溫度。一旦組合物通過TCU，則組合物優選地處於80_85°C之間的溫度，且最優選地為 83°C。組合物隨之向下遊流動至保存容器52中。保存容器52的水套容納熱水，熱水將懸浮液保持在前述溫度處。如果系統50中沒有TCU，則用熱水套將懸浮液的溫度增加至期望範圍內且隨後保持此溫度。將組合物保持在保存容器52中並持續一充足滯留時間，以允許澱粉酶和纖維素酶將存在的澱粉、纖維素和半纖維素轉化成糖。在滯留時間結束時，將組合物轉移至發酵容器56。因此，本發明的方法和系統可以用來從生物質生成多糖，如果需要的話，將多糖進一步加工成醇，比如乙醇，尤其是生物乙醇。用於發酵的組合物的溫度優選在30與40°C之間，且最優選地為35°C。為了降低保存容器52與發酵容器56之間的組合物溫度，組合物可經過冷卻容器M，其以與傳統糖化醪冷卻器相同的方式工作。可替換地，如果冷卻容器M不存在，則可將組合物留在發酵容器56中，以冷卻至期望溫度。優選地，在發酵容器56中或者緊挨著發酵容器的上遊，將發酵劑添加至組合物中。發酵劑包含在第三和第四添加劑供應72、76中並經由相應的添加劑線路70、74被傳送至組合物中。所用的發酵劑可以是葡糖澱粉酶和酵母。一旦已經添加了發酵劑且組合物處於期望溫度範圍內，則在所述期望溫度範圍內將組合物保持在發酵容器中並持續足夠時間，以允許發酵劑將存在的糖轉化成醇，比如生物乙醇。一旦發酵階段已經完成，可轉移組合物以進行後續的蒸餾和分離。如前所述的，這些後續的處理可以是或可以不是本發明的系統和方法的一部分。在蒸餾容器80中，將組合物煮沸，且存在於組合物中的任何醇(乙醇)都揮發出，並經由出口 84排出。可以在出口的下遊設置分子篩以去除醇中的任何殘留雜質。額外地，可以設置水回收系統(未示出)，其位於蒸餾容器80與分離器容器90之間。已知地，留在蒸餾容器80中的組合物殘留物為「未過濾酒糟(whole stillage)」。未過濾酒糟由兩種主要成分構成碾碎作物的非澱粉元素 (也已知為「丟糟(distiller，s grain)」)和水(也已知為「酒糟水(thin stillage)」)。 將該未過濾酒糟從蒸餾容器80轉移至分離容器90，以便可將丟糟與酒糟水彼此分離。優選地，利用離心機實現分離。如果需要，可經由回流線路92將分離的酒糟水添加回組合物中。丟糟可加工並用作動物飼料。圖3所示的第二實施方式的系統150所採用的方法與第一實施方式的系統50所採用的方法類似。待處理的組合物包括生物質和工作流體的混合物。優選地，生物質是澱粉基作物(例如，穀物)且工作流體優選地為水。生物質和工作流體可以混合在一起以在遠離系統50的位置處形成組合物。可替換地，如果系統150包括混合容器60，則組合物可在混合容器60中形成。以受控質量併入流速將碾碎的澱粉基作物引入混合容器60中的工作流體。作物和工作流體的混合導致組合物形成懸浮液。以分離的方式，保存在第一添加劑供應164中的澱粉酶經由第一添加劑供應線路162也被添加至組合物。第一添加劑線路 162可將澱粉酶直接供應至混合容器60 (如果存在)，或者供應至流體處理設備10的入口 16。優選地，懸浮液中作物與液體成分的重量百分比為20-40%。可選地，此時還可將表面活性劑和/或一種或多種PH調節物添加至懸浮液。將熱水送入圍繞混合容器60的水套中，熱水套隨之將容器60中的懸浮液加熱至通常為30-60°C的溫度，最優選地為30-40°C，並將懸浮液保持在此溫度下30-120分鐘。電機驅動攪拌器以柔和的(即，低剪切力)攪拌攪動懸浮液，同時將懸浮液保存在混合容器60中。以期望溫度將懸浮液保存在混合容器60中一充分時間段，以使澱粉成分為完全水合作準備。當懸浮液已經在混合容器60中浸泡足夠的時間，將懸浮液從容器60排出並經由入口 16將懸浮液引入流體處理設備10的通道14中。可以在重力作用下將組合物引入流體處理設備10。可替換地，如果存在泵，則泵可將組合物引入流體處理設備10。在這種情況下使用低剪切力泵。該流體處理設備10與第一實施方式的方法中所用的設備相同。 設備10的工作方式、其中發生的機理、以及對組合物的最終效果都與第一實施方式的方法一樣，如參照圖1和圖8所描述的。因此，這裡不再對其進行詳細描述。在將澱粉顆粒從設備10中的作物分離時，由於蒸汽的引入，顆粒幾乎即可進一步被水合、加熱以及活化。在懸浮液通過時，設備10同時泵送並加熱組合物以完成水合和活化或使澱粉成膠狀。此外，設備將澱粉酶混合至組合物中，提供液態澱粉材料的勻質分布以及與液態澱粉材料的高度接觸。在組合物離開設備10時，組合物的溫度優選地在74-76°C 之間。如第一實施方式的方法那樣，系統150中可以包括上述類型的溫度調節單元 (TCU)，以便以與上述相同的方式緩和地升高組合物的溫度。一旦組合物已經通過TCU，組合物優選地處於80-85°C之間的溫度，且最優選地為83°C。隨後將組合物轉移至第一保存容器52。第一保存容器52的水套容納有熱水，熱水將懸浮液保持在前述溫度處。如果系統 150中沒有TCU，則用熱水套將懸浮液的溫度增加至期望範圍內，且然後保持此溫度。將組合物保存在第一保存容器52中並持續第一滯留時間，該第一滯留時間足夠允許澱粉酶將存在於組合物中的澱粉轉化成糖。在第一滯留時間結束時，將組合物轉移至第二保存容器 152。當組合物轉到第二保存容器152時，組合物的溫度優選地在50與60°C之間，且最優選地為55°C。為了降低第一保存容器52與第二保存容器152之間的組合物溫度，組合物可經過冷卻容器M，其以與傳統糖化醪冷卻器相同的方式工作。可替換地，如果不存在冷卻容器M，則組合物可留在第二保存容器152中以冷卻至期望溫度。第二保存容器152的熱水套將組合物的溫度保持在期望範圍內。經由第二添加劑供應168和相關的供應線路166 將纖維素酶添加至第二保存容器152中的組合物。添加纖維素酶，以便與存在於在組合物通過流體處理設備10時露出的木質纖維素材料中的纖維素和半纖維素反應。將組合物保存在第二保存容器152中並持續一第二滯留時間，該第二滯留時間足夠允許纖維素酶將存在的全部纖維素和半纖維素轉化成糖。在第二滯留時間結束時，將組合物轉移至發酵容器 56。用於發酵的組合物的溫度優選地在30與40°C之間，且最優選地為35°C。為了降低第二保存容器152與發酵容器56之間的組合物溫度，組合物可通過第二冷卻容器154，其以與傳統糖化醪冷卻器相同的方式工作。可替換地，如果不存在第二冷卻容器154，可將組合物留在發酵容器56中以冷卻至期望溫度。優選地，在發酵容器56中或緊挨著發酵容器的上遊將發酵劑添加至組合物。發酵劑包含在第三和第四添加劑供應72、76並經由相應添加劑線路70、74傳送至組合物中。所用的發酵劑可以為葡糖澱粉酶和酵母。一旦已經添加了發酵劑且組合物處於期望溫度範圍內，則在期望溫度範圍內將組合物保存在發酵容器中並持續一發酵時間，該發酵時間足夠允許發酵劑將存在的糖轉化成醇。一旦發酵階段已經完成，則可轉移組合物以進行後續的蒸餾和分離。在蒸餾容器 80中，將組合物煮沸，且存在於組合物中的任何醇(比如乙醇)揮發且經由出口 84排出。 可以在出口下遊設置分子篩，以除去醇中的任何殘留雜質。額外地，可以設置水回收系統 (未示出)，其位於蒸餾容器80與分離器容器90之間。留在蒸餾容器80中組合物殘留物已知為「未過濾酒糟」。該未過濾酒糟由兩種主要成分構成碾碎作物的非澱粉元素(已知為「丟糟」)以及水(已知為「酒糟水」)。將該未過濾酒糟從蒸餾容器80轉移至分離容器 90中，以使丟糟與酒糟水可彼此分離。優選地，用離心機實現分離。如果需要，可經由回流線路92將分離的酒糟水添加回組合物中。丟糟可加工並用作動物飼料。第三實施方式的系統250採用的方法(如圖4中所示)與第一和第二實施方式的系統50、150採用的方法類似。待處理的組合物由生物質的混合物和工作流體形成，並以上面相對於第二實施方式描述的方式相同的方式製備。然而，是將纖維素酶而非澱粉酶從第一添加劑供應264首先添加至組合物。可以在重力作用下將組合物引入第一流體處理設備 10，或者在低剪切力條件下，泵可將組合物引入第一流體處理設備10。此方法中採用的第一和第二流體處理設備10、210都與上述第一和第二實施方式中所用的相同。設備10、210 的工作方式、其中發生的機理、以及對組合物的最終效果都與之前參照圖1和圖8描述的一樣。因此，這裡不再對其進行詳細描述。首先用第一處理設備10來預處理纖維素材料並混入纖維素酶。第一處理設備10 還部分地將澱粉顆粒從作物分離並部分地水合澱粉顆粒。第二處理設備210用來完全水合併活化澱粉且混入澱粉酶。該設備將纖維素酶混合至組合物中，提供已經由於木質纖維素材料被第一處理設備10破壞而露出的任何纖維素和半纖維素的勻質分布以及與其的高度接觸。在組合物離開第一設備10時，組合物的溫度優選地在50-60°C之間，且最優選地為 55°C。隨後將組合物轉移至第一保存容器52。第一保存容器52的水套容納熱水，熱水將懸浮液保持在前述溫度。將組合物保存在第一保存容器52中並持續第一滯留時間，該第一滯留時間足夠允許纖維素酶將存在於組合物中的纖維素和半纖維素轉化成糖。在第一滯留時間結束時，將組合物轉移至第二處理設備210，此時經由第二添加劑供應268添加澱粉酶。如上所述的，第二流體處理設備210以與第一處理設備10相同的方式工作，對組合物的澱粉成分有相同的效果。此外，該設備將澱粉酶混入組合物中，提供液態澱粉材料的勻質分布以及與其的高度接觸。在組合物離開第二設備210時，組合物的溫度優選地在 74-76°C之間。與前面一樣，可以具有溫度調節單元，以便在將組合物轉移至第二保存容器 252之前，將組合物的溫度緩和地升高至80與85°C之間。第二保存容器252的水套容納熱水，熱水將懸浮液保持在前述溫度處。如果系統250中沒有TCU，則用熱水套將懸浮液的溫度增加至期望範圍內，並隨後保持此溫度。將組合物保持在第二保存容器252中並持續一第二滯留時間，該第二滯留時間足夠允許澱粉酶將存在於組合物中的澱粉轉化成糖。在第二滯留時間結束時，將組合物轉移至發酵容器56。與前述實施方式一樣，用於發酵的組合物的溫度優選地在30與40°C之間，且最優選地為35°C。為了降低第二保存容器252與發酵容器56之間的組合物溫度，組合物可通過冷卻容器M，其以與傳統糖化醪冷卻器相同的方式工作。可替換地，如果不存在冷卻容器 M，則組合物可留在發酵容器56中以冷卻至期望溫度。該發酵階段與前面實施方式的發酵階段相同。一旦發酵階段完成，則可經由出口 260轉移組合物以用於後續的蒸餾階段和分離階段，它們也可以與前面實施方式的蒸餾階段和分離階段相同。第四實施方式的方法使用圖5示出的系統350，其中在組合物被傳到共用發酵容器56之前，在並行運行的第一和第二處理線中將組合物的澱粉和纖維素成分轉化成糖。上面已經描述的生物質和工作流體的組合物類型具有經由第一添加劑供應364添加至組合物的澱粉酶。將合成的組合物引入第一處理線並首先到達第一處理設備10，於是，通過傳輸流體以與已經描述的各種流體處理設備相同的方式來霧化該組合物。因此，第一流體處理設備10水合併活化組合物的澱粉成分，並且將澱粉酶均質地混合至組合物中。再次，在組合物離開第一設備10時，組合物的溫度優選地在74_76°C之間，且因此，一旦組合物離開第一設備，則或者通過溫度調節單元或通過水套式第一保存容器52來對其進行柔和地加熱，直到組合物處於期望的80-85°C的範圍。隨後，將組合物保存在第一保存容器52中並持續一第一滯留時間，該第一滯留時間足夠允許澱粉酶將組合物的澱粉成分轉化成糖。隨後將組合物轉移至發酵容器56以進行上面所述類型的發酵步驟。冷卻容器56可在發酵之前降低組合物的溫度，或者可將組合物留在發酵容器56中冷卻。在發酵之後，經由出口 360排放組合物以用於後續的蒸餾和分離。從分離階段獲得的固體和丟糟隨後與添加的工作流體和/或在蒸餾或分離期間排出的液體組分混合，以形成另一批生物質組分。將纖維素酶添加至該組合物，其隨後經由第二處理設備310被引入第二處理線。第二處理設備310以與已經描述的那些設備相同的方式工作，由此，使組合物通過第二處理設備310會進一步破壞組合物中的固體材料的細胞結構並且將纖維素酶勻質地混合至組合物中。優選地，組合物在50與60°C之間的溫度下離開第二設備310，並且被轉移至第二保存容器352。將組合物保存在第二保存容器352中並持續第二滯留時間，該第二滯留時間足以讓纖維素酶將暴露在第二設備310中的纖維素和半纖維素轉化成糖。隨後，轉移組合物以便在發酵容器56中進行發酵，如果需要，經由第二冷卻容器3M進行轉移。
此實施方式的方法可進行調整，使得將初始組合物的一部分同時送至第一和第二處理線，並且在組合物的澱粉成分以及纖維素和半纖維素成分這兩部分轉移至發酵容器56 之前，第一線路轉化澱粉成分且第二線路將纖維素和半纖維素成分轉化成糖。因此，第二處理線並不是必須在分離階段之後接收組合物的殘留物。圖6和圖7中所示的系統所採用的第五和第六實施方式的方法基本上與圖2和圖 3的系統所用的第一和第二實施方式的方法相同。在第五和第六實施方式中，生物質組合物的形成、澱粉酶和纖維素酶的添加、經處理的組合物在一個或兩個保存容器中的停留、以及組合物的轉移及後續的發酵，都與前面那些實施方式相同。第五與第六實施方式的不同之處在於單一流體處理設備已經被一陣列流體處理設備代替。在圖6的第五實施方式中，所述陣列由彼此串聯布置的多個處理設備形成。在圖7的第六實施方式中，所述陣列由兩對串聯的處理設備形成，其中每對與另一對彼此平行。應理解，所述流體處理設備的數量及其配置可以在本發明的方法和系統中使用。每個設備的工作、以及其中產生的機理和效果，都與已經描述的相同。使用圖6和圖7中所示類型的陣列，使得處理設備在以下方面的效果最大化澱粉成分的水合和活化、 木質纖維素材料的破壞和暴露、以及酶與組合物的均質混合。與單一處理設備相比，使用陣列可允許組合物的溫度通過所述陣列更漸進地升高。這可以通過改變被傳送至所述陣列中每個相繼設備的傳輸流體的供應壓力和/或密度來實現，以確保組合物溫度的期望升高僅在組合物已經通過所述陣列中的最後一個設備以後實現。除非另外說明，可能包括在本發明的系統中的冷卻容器、蒸餾容器和分離容器是傳統的布置。因此，在本說明書中沒有全面詳細地描述它們。本發明提供了用於轉化存在於生物質組合物中的澱粉和纖維素這兩者的單一處理系統和方法。這樣做，本發明使從組合物獲得的醇最大化，包括不可避免地從隨著收集的作物一起被傳輸至處理廠的纖維素和木質纖維素材料中獲得的醇。因此，本發明基本上補償了傳輸該附加材料的成本。通過一起轉化澱粉和纖維素成分這兩者，與需要不同的處理和處理線來分別轉化澱粉和纖維素成分的現有系統相比，本發明顯著地節約了成本。本發明獲得其他優點得益於使用了這裡描述類型的流體處理設備。使用所述類型的流體處理設備允許本發明加熱並活化組合物的澱粉成分，同時避免產生極熱區域，該區域可破壞澱粉成分。防止這些區域還減小或消除了由於蛋白質與萃取的澱粉的反應所引起的美拉德效應。這些反應會阻止澱粉轉化成糖，並因此減小產量。此外，低溫度下的柔和攪拌混合和低剪切力泵送還確保沒有高剪切力，高剪切力可以破壞保存在其中一個保存容器中或在容器之間轉移的組合物的澱粉成分。這種破壞限制了從給料中可獲得的最終葡萄糖產量。與使用單一攪拌器葉輪和/或單獨的再循環迴路相比，該處理設備還確保組合物的組分更徹底地混合。與之前可能實現的相比，工作流體的霧化還確保組合物更均勻地混合。這種改進的混合增加了被添加以將澱粉和纖維素成分轉化成糖的澱粉酶和纖維素酶的效能。關於木質纖維素材料的轉化，在處理設備中時，施加至組合物的生物質組分的剪切作用和冷凝/壓力衝擊進一步提高了本發明的性能，因為這將存在於生物質中的更多這種材料暴露出來。事實上，這允許給料中的全部澱粉顆粒都被分離，從而與傳統處理相比，提高了澱粉活化率，因為通過處理設備中的機械活化對酶活化進行補充。這還允許所述方法特別提供了基本100%的澱粉到糖的轉化率。因此，本發明的方法僅要求在準備將組合物送至保存容器進行轉化階段之前，組合物通過處理設備一次。因而，由於處理期間沒有損失累積的時間，因此大大提高了產量。暴露更多澱粉還意味著在組合物轉移至發酵過程之前，需要較少的澱粉酶來實現期望的澱粉糖化值(dextrose equivalent value) 12-18.另外，冷凝/壓力衝擊以相對低的溫度殺死細菌，從而減小任何後續發酵過程中的損失。另外，將諸如蒸汽的傳輸流體注入生物質組合物以霧化工作流體並產生水蒸氣和液滴流型，與現有預處理過程所實現的相比，這確保對組合物成分的細胞結構更大程度的破壞。此外，由於破壞至少部分通過傳輸流體注射來實現，在與現有化學預處理過程相比時，本發明能用減小量的催化劑或添加劑來獲得期望程度的破壞。事實上，通過傳輸流體注射實現的破壞可以完全消除對這種預處理添加劑的需要。處理設備的傳輸流體注射確保連續的剪切和湍流力作用於組合物上。因此，本發明的過程可以是連續的，無需包含在獨立容器(比如在蒸汽噴發預處理過程中所需的容器)中的處理。由高速傳輸流體注射提供的高剪切力部件不僅幫助破壞生物質的細胞結構，而且霧化組合物的工作流體組分，以確保組合物與酶的緊密且均質的加熱與混合。這種改進的加熱與混合減少了實現保存容器中的必要化學反應所需的時間和酶的量。還發現，本發明的方法和系統還可以提高後續發酵過程中的發酵速度。本發明的改進的水合還使生物質給料中的某些蛋白質水合。這些水合蛋白質用作發酵酵母的額外給料，從而提高了酵母的發酵性能。儘管一個或多個冷卻容器已經作為形成本發明系統的部分進行了描述，但要理解，這些冷卻容器是本系統的優選部件，而非必須的部件。儘管冷卻容器允許組合物的溫度在保存容器與發酵容器之間降低，但是該冷卻可以在保存容器或發酵容器自身內進行。這種冷卻容器可以包括(例如)換熱器、冷凍器、直接噴射式冷卻器、級聯冷卻器等。處理設備可以修改成包括一個或多個添加劑埠，從而允許將酶直接添加至處理設備中，而不是添加至混合容器中。添加劑埠可以設置成通向噴嘴出口上遊的設備通道中。可替換地，或附加地，添加劑埠可以設置成通向緊挨著噴嘴下遊的通道中，並進入通道的混合區域。第五和第六實施方式的系統中所用的處理設備陣列可以代替其他說明的實施方式中所示的單獨處理設備。在本發明的存在多於一個流體處理設備的實施方式中，這多個處理設備中的兩個或更多個可以共享單一傳輸流體供應。可替換地，存在於系統中的全部處理設備可以共享單一傳輸流體供應。儘管上述優選實施方式的系統包括將相應的添加劑供應連接至系統的添加劑線路，但是這些對於本發明的系統和方法不是必須的。可以在期望位置處將每種添加劑手動添加至系統中，無需專用的供應裝置和相關的供應線路。已經描述了，混合容器是本發明的系統的優選部件而非必需部件。同樣地，處理過程中的在混合容器中形成生物質和工作流體的組合物的初始步驟也不是必需的。如果不存在混合容器，組合物可以在遠程位置形成，並隨後被泵送到本發明的系統中以進行處理。在所用的酶要求的情況下，第一實施方式的系統和方法可以修改成，組合物在其於保存容器中的滯留時間期間的溫度可以在72與80°C之間，且優選地在76與78°C之間。本發明的方法和系統中所用的優選傳輸流體是蒸汽。然而，可以使用替換的傳輸流體。例如，可以使用替換的熱的可凝結氣體(比如二氧化碳)來替代。應理解，本發明的方法不限於使用上述的特定α澱粉酶。可以採用替換的澱粉酶 (比如β澱粉酶或λ澱粉酶)來替代。進一步，還應理解，可以將每種類型的多於一種的澱粉酶和纖維素酶添加至組合物。還可以構想能夠以與作用於澱粉、纖維素或半纖維素基本相同的方式作用於生物質的其他酶(即，澱粉酶、纖維素酶或半纖維素酶以外的酶)，且它們都落在本發明的範圍內。在不背離本發明的範圍的情況下，可以結合這些和其他修改和改進。
權利要求
1.一種用於處理生物質的方法，包括(a)引導包括生物質和工作流體的組合物的至少第一部分流入流體處理設備的通道；(b)通過與所述流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入所述混合物中，由此所述傳輸流體對所述組合物施加剪切力，以使所述工作流體霧化且在所述噴嘴下遊形成水蒸氣和液滴流型；(c)冷凝所述水蒸氣和液滴流型；(d)將所述組合物轉移至第一保存容器；以及(e)在第一預定溫度下將所述組合物在所述第一保存容器中保存第一預定時間段，其中，在該處理之前或期間將液化酶添加至所述組合物。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，從由以下物質構成的組中選擇所述液化酶澱粉-糖轉化酶、纖維素或半纖維-糖轉化酶、以及它們的組合。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述澱粉-糖轉化酶是澱粉酶，且所述纖維素或半纖維-糖轉化酶是纖維素酶或半纖維素酶或者是這兩者。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(b)包括產生形成在所述噴嘴下遊的低壓區域。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述傳輸流體是從由蒸汽和二氧化碳構成的組中選擇的可凝結氣體。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(d)包括使所述組合物通過溫度調節單元以將所述組合物的溫度升高至所述第一預定溫度。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一預定溫度在80°C與85°C之間。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述第一預定溫度為83°C。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一預定溫度在72°C與80°C之間。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一預定溫度在76°C與78°C之間。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一預定溫度為75°C或77°C。
12.根據權利要求3所述的方法，其中，在步驟(a)之前將澱粉酶和纖維素酶添加至所述組合物。
13.根據權利要求1所述的方法，進一步包括(f)在所述第一預定時間段結束後，將所述組合物轉移至第二保存容器；以及(g)在第二預定溫度下將所述組合物在所述第二保存容器中保存第二預定時間段。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟(a)之前將第一液化酶添加至所述組合物，且在所述第一預定時間段結束與所述第二預定時間段開始之間將第二液化酶添加至所述組合物。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一液化酶是澱粉酶且所述第二液化酶是纖維素酶或半纖維素酶或這兩者。
16.根據權利要求13所述的方法，進一步包括，在步驟(f)之前將所述組合物冷卻至所述第二預定溫度。
17.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第二預定溫度在50°C與60°C之間。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述第二預定溫度為55°C。
19.根據權利要求13所述的方法，進一步包括(ei)在步驟(f)之前，將至少第一組合物引入第二流體處理設備的通道；以及 (e2)通過與所述第二流體處理設備的通道相連通的噴嘴將第二高速傳輸流體注入所述組合物的至少一部分中，由此所述傳輸流體對所述組合物施加剪切力，以使所述工作流體霧化且在所述第二流體處理設備的噴嘴下遊形成第二水蒸氣和液滴流型，其中，在步驟 (a)之前將第一液化酶添加至所述組合物，且在步驟(ei)之前將第二液化酶添加至所述組合物。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述第一預定溫度在50°C與60°C之間。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，所述第一預定溫度為55°C。
22.根據權利要求19所述的方法，其中，所述第二預定溫度在80°C與85°C之間。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述第二預定溫度為83°C。
24.根據權利要求19所述的方法，進一步包括(h)將所述組合物冷卻至預定發酵溫度；(i)將發酵劑添加至所述組合物；(j)將所述組合物轉移至發酵容器；以及(k)在所述預定發酵溫度下將所述組合物在所述發酵容器中保存預定發酵時間以生成發酵組合物。
25.根據權利要求M所述的方法，其中，步驟(h)包括使所述組合物通過冷卻容器。
26.根據權利要求25所述的方法，其中，所述冷卻容器為糖化醪冷卻器。
27.根據權利要求M所述的方法，其中，所述預定發酵溫度在30°C與40°C之間。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，所述預定發酵溫度為35°C。
29.根據權利要求M所述的方法，其中，所述發酵劑從由葡糖澱粉酶、酵母、以及它們的組合構成的組中選擇。
30.根據權利要求M所述的方法，進一步包括(1)蒸餾所述發酵組合物以從所述組合物的殘留物中提取醇。
31.根據權利要求30所述的方法，進一步包括(m)將任何回收的水或冷凝物返還至流入所述第一流體處理設備的通道的所述組合物。
32.根據權利要求31所述的方法，進一步包括 (η)將任何剩餘組合物轉移至分離器；以及(ο)將固體從所述剩餘組合物中分離出。
33.根據權利要求32所述的方法，進一步包括 (P)從所述分離器中回收水分；以及(q)將所述水分返還至流入所述第一流體處理設備的通道中的所述組合物。
34.根據權利要求3所述的方法進一步包括(f2)在步驟(e)之後，引導所述組合物的至少一部分、第二部分流入第二流體處理設備的通道；(g2)通過與所述第二流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入所述組合物的第二部分中，由此，所述傳輸流體對所述組合物的第二部分施加剪切力，從而所述工作流體霧化且在所述第二流體處理設備的噴嘴下遊形成第二水蒸氣和液滴流型；(h2)冷凝所述第二水蒸氣和液滴流型並將所述組合物的第二部分轉移至第二保存容器；以及(i2)在第二預定溫度下將所述組合物的第二部分在所述第二保存容器中保存第二預定時間段，其中，所述第一流體處理設備和第一保存容器、以及所述第二流體處理設備和第二保存容器並行工作；並且，在將所述組合物的第一部分引入所述第一流體處理設備的通道之前，將所述澱粉酶添加至所述組合物的第一部分，並且在將所述組合物的第二部分引入所述第二流體處理設備的通道之前將纖維素酶添加至所述組合物的第二部分。
35.根據權利要求34所述的方法，進一步包括(J2)將所述組合物的每個部分冷卻至預定發酵溫度；(k2)將發酵劑添加至所述組合物的每個部分；(I2)將所述組合物的每個部分轉移至至少一個發酵容器；以及(Hl2)在所述預定發酵溫度下將所述組合物的每個部分在所述至少一個發酵容器中保存預定發酵時間以形成發酵組合物。
36.根據權利要求35所述的方法，其中，所述發酵溫度在30°C與40°C之間。
37.根據權利要求36所述的方法，其中，所述發酵溫度為35°C。
38.根據權利要求35所述的方法，其中，所述發酵劑從由葡糖澱粉酶、酵母、以及它們的組合構成的組中選擇。
39.根據權利要求35所述的方法，其中，所述組合物的第一部分和第二部分的發酵在單一發酵容器中進行。
40.根據權利要求35所述的方法，其中，所述組合物的第一部分和第二部分的發酵在分離的發酵容器中進行。
41.根據權利要求35所述的方法，進一步包括，蒸餾所述發酵組合物以從所述組合物的殘留物中提取醇。
42.根據權利要求35所述的方法進一步包括(n2)將所述組合物的任何剩餘的非發酵部分轉移至分離器；以及(O2)將固體從所述組合物的剩餘非發酵部分中分離。
43.根據權利要求42所述的方法，進一步包括以下步驟(P2)從所述分離器回收所述固體；以及(Q2)將所述固體返還至所述第二流體處理設備的通道。
44.根據權利要求42所述的方法，其中，所述組合物的第二部分是從所述分離器中回收的所述固體成分。
45.根據權利要求5所述的方法，其中，所述傳輸流體為蒸汽。
46.根據權利要求1所述的方法，其中，所述工作流體為水。
47.根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物質包括一種或多種澱粉基作物。
48.一種用於處理包括生物質和工作流體的組合物的系統，所述系統包括(a)至少一個流體處理設備，其包括通道，具有用於接收所述組合物的供應的入口； 以及傳輸流體噴嘴，所述噴嘴具有通向所述通道中的噴嘴出口且具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部；(b)第一保存容器，與所述通道的出口流體連通；以及(c)發酵容器，與所述第一保存容器流體連通。
49.根據權利要求48所述的系統，進一步包括，位於所述第一保存容器與所述發酵容器中間的第一冷卻容器。
50.根據權利要求49所述的系統，進一步包括，在所述第一冷卻容器與所述發酵容器之間的第二保存容器和第二冷卻容器。
51.根據權利要求50所述的系統，其中，所述流體處理設備包括用於將添加劑引入所述組合物的至少一個添加劑埠。
52.根據權利要求51所述的系統，其中，所述至少一個添加劑埠通向所述噴嘴出口上遊的通道中。
53.根據權利要求51所述的系統，其中，所述至少一個添加劑埠通向緊接所述噴嘴出口下遊的通道中。
54.根據權利要求52或53所述的系統，進一步包括鄰近所述第二保存容器的添加劑端
55.根據權利要求48所述的系統，進一步包括第二流體處理設備和在所述第一保存容器下遊的第二保存容器，所述第二流體處理設備具有用於接收來自所述第一保存容器的組合物的第二通道以及第二傳輸流體噴嘴，所述第二傳輸流體噴嘴具有通向所述第二通道中的噴嘴出口且具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部。
56.根據權利要求48所述的系統，進一步包括由第一流體處理設備和第一保存容器構成的第一處理線、以及第二處理線，所述第二處理線包括(B1)第二流體處理設備，具有用於接收所述組合物的供應的第二通道、以及第二傳輸流體噴嘴，所述第二傳輸流體噴嘴具有通向所述第二通道中的噴嘴出口且具有橫截面積小於所述出口的橫截面積的喉部；以及(h)與所述第二通道的出口流體連通的第二保存容器，其中，所述第一處理線和第二處理線在所述組合物的供應與所述發酵容器之間並行連接。
57.根據權利要求48所述的系統，進一步包括具有入口和出口的混合容器，所述混合容器與所述流體處理設備的通道的入口流體連通，所述混合容器將生物質和工作流體的供應混合以形成所述組合物。
58.根據權利要求48所述的系統，進一步包括在所述至少一個處理設備上遊的泵。
59.根據權利要求48所述的系統，進一步包括彼此串聯和/或並行連接以形成陣列的多個流體處理設備。
60.根據權利要求48所述的系統，進一步包括彼此串聯和/或並行連接以形成陣列的多個第二流體處理設備。
61.根據權利要求50所述的系統，進一步包括溫度調節單元，用於升高在所述第一流體處理設備和/或第二流體處理設備與其各自的第一保存容器和/或第二保存容器之間的組合物的溫度。
62.根據權利要求61所述的系統，其中，所述溫度調節單元為蒸汽發生器。
63.根據權利要求57所述的系統，進一步包括在所述發酵容器下遊的蒸餾設備。
64.根據權利要求63所述的系統，其中，所述蒸餾設備在所述混合容器的入口下遊。
65.根據權利要求64所述的系統，進一步包括將所述蒸餾設備連接至所述流體處理設備的入口的第一回流線路。
66.根據權利要求63所述的系統，進一步包括在所述蒸餾設備下遊的分離設備。
67.根據權利要求64所述的系統，進一步包括在所述混合容器的入口下遊的分離設備。
68.根據權利要求67所述的系統，進一步包括將所述分離設備連接至所述流體處理設備的入口的第二回流線路。
69.根據權利要求66或67所述的系統，其中，所述分離設備包括離心機。
70.根據權利要求56所述的系統，進一步包括與所述傳輸流體噴嘴的至少一個流體連通的傳輸流體供應單元。
71.根據權利要求70所述的系統，其中，所述傳輸流體供應單元將傳輸流體供應至所述第一流體處理設備和第二流體處理設備這兩者。
72.根據權利要求48所述的系統，其中，所述傳輸流體為蒸汽。
73.通過根據權利要求48所述的系統生產的生物乙醇。
74.一種用於從生物質生產生物乙醇的方法，包括(a)引導包括生物質和工作流體的組合物的至少第一部分流入流體處理設備的通道；(b)通過與所述流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入所述組合物中，由此，所述傳輸流體對所述組合物施加剪切力，以使所述工作流體霧化並在所述噴嘴下遊形成水蒸氣和液滴流型；(c)冷凝所述水蒸氣和液滴流型；(d)將所述組合物轉移至第一保存容器；(e)在第一預定溫度下將所述組合物在所述第一保存容器中保存第一預定時間段，其中，在該處理之前或期間將液化酶添加至所述組合物；(f)在所述第一預定時間段結束後，將所述組合物轉移至第二保存容器；(g)在第二預定溫度下將所述組合物在所述第二保存容器中保存第二預定時間段；(h)將所述組合物冷卻至預定發酵溫度；(i)將發酵劑添加至所述組合物；(j)將所述組合物轉移至發酵容器；以及(k)在所述預定發酵溫度下將所述組合物在所述發酵容器中保存預定發酵時間以生成包括生物乙醇的發酵組合物。
全文摘要
本發明提供了用於處理生物質且例如從生物質製造生物燃料(如生物乙醇)的方法和系統。更具體地，根據本發明的一種方法包括(a)引導包括生物質和工作流體的組合物的至少第一部分流入流體處理設備的通道；(b)通過與流體處理設備的通道相連通的噴嘴將高速傳輸流體注入混合物中，由此傳輸流體對組合物施加剪切力，以使工作流體霧化且在噴嘴下遊形成水蒸氣和液滴流型；(c)冷凝水蒸氣和液滴流型；(d)將組合物轉移至第一保存容器；以及(e)在第一預定溫度下將組合物在第一保存容器中保存第一預定時間段，其中，在該處理之前或期間將液化酶添加至組合物。此後，可以進一步處理組合物以形成生物燃料，如生物乙醇。
文檔編號C13K1/06GK102333879SQ200980152726
公開日2012年1月25日 申請日期2009年10月28日 優先權日2008年10月30日
發明者金斯·海文·索拉普, 馬克斯·布萊恩·梅海爾·芬頓 申請人:推進動力公司