處理生物質材料的方法和系統的製作方法

2023-07-12 01:24:11

處理生物質材料的方法和系統的製作方法
【專利摘要】本發明的實施方案有效且經濟地生產和回收乙醇或其它揮發性有機化合物。一個實施方案包括將生物質材料的固體組分與適合於促進糖化的溶液接觸。固體組分通過包括以下步驟的方法產生：將生物質材料引入至無溶劑回收系統的隔室，其中所述生物質材料含有一種或多種揮發性有機化合物；將生物質材料與過熱蒸汽物流在隔室內接觸，以將生物質材料中的至少部分初始液體汽化；將蒸汽組分和固體組分與加熱的生物質材料分離；和保留至少部分氣體組分，以作為部分所述過熱蒸汽物流使用。在一個實施方案中，將與溶液接觸的固體組分進一步進行酶水解和/或發酵。
【專利說明】處理生物質材料的方法和系統
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年5月17日提交的美國申請No. 61/648, 109和2013年3 月15日提交的美國申請No. 61/786, 844、以及2013年3月15日提交的美國臨時申請 No. 61/786, 860的權益，它們的公開內容在此通過參考全文引入。

【技術領域】
[0003] 本發明的實施方案總體涉及由生物質材料製備揮發性有機化合物的方法，更具體 地涉及利用易獲取的可發酵糖的發酵來製備和回收揮發性有機化合物，以及由生物質材料 中的木質纖維素材料的進一步處理來產生可發酵糖。

【背景技術】
[0004] 本節用來介紹可能與本發明示例性實施方案相關的現有技術的各個方面。據認為 該討論有助於提供一個框架，以利於更好地理解本發明的具體方面。因此，應理解要基於這 一點來閱讀本節，和不必作為對任何現有技術的認可。
[0005] 隨著世界石油供給持續減少，對可取代各種石油產品（特別是運輸燃料）的替代 材料的需求持續增長。已經有大量努力致力於開發由除化石燃料外的資源提供能量的新方 法和系統。目前，很多努力用於由可再生生物質材料生產生物乙醇和其它運輸燃料及化學 品。一類生物質是植物生物質，它包含大量的碳水化合物，包括糖、澱粉、纖維素、木質纖維 素、半纖維素。所述努力尤其集中在由易獲得的可發酵糖獲得乙醇和由纖維素材料獲得乙 醇。
[0006] 傳統的由玉米生產乙醇通常與寶貴的食物資源競爭，這種競爭可能由逐漸更加惡 劣的氣候條件而進一步放大，這些氣候條件如乾旱和洪水，它們對每年收穫的作物產量有 負面影響。來自傳統乙醇生產的競爭可抬高食物價格。雖然其它作物已經用作乙醇生產的 生物質材料，但由於這些作物的氣候要求，使它們不適合在全球實施。例如，也可以由甘蔗 有效生產乙醇，但只有在世界某些地區如巴西可行，因為那裡的氣候可以支持近全年收穫。
[0007] 進一步地，可以由木質纖維素生物質釋放出另外的可發酵糖，所述木質纖維素生 物質包括半纖維素、纖維素以及少部分的木質素和蛋白質。當從包含它們的細胞壁和聚合 物中釋放出來時，纖維素包括可以轉換成燃料和有價值化學品的糖。
[0008] 目前旨在處理木質纖維生物質的方法局限於包括未處理的生物質材料或城市固 體廢物（MSW)的原料。未處理的生物質包括甘蔗渣、森林資源、作物殘渣和溼/幹收穫的能 源作物。在它們可以被引入而用於木質纖維素材料進一步處理之前，這些傳統的原料源需 要貯存、運輸、減小顆粒尺寸及附加的前端處理。例如，打包生物質是昂貴的，且可能導致例 如火災、侵蝕、灰塵、不希望的碎屑（例如巖石）和漢坦病毒等災禍。進一步地，與緻密材料 相比，打包和運輸森林資源是更加昂貴的，與粒徑已經減小且不需要進一步規格化的材料 相比，處理起來也更加昂貴。MSW還有與被管制的危險金屬汙染有關的挑戰，所述金屬帶來 差的燃料質量危險以及健康和安全危險。森林資源如樹木運輸起來很麻煩。進一步地，森 林資源需要去皮、切碎成所需厚度的木塊和洗滌以除去任何殘餘的泥土和髒物等。因此，對 於生物質仍需要解決這些挑戰。


【發明內容】

[0009] 本發明的實施方案可以解決上述挑戰並提供其它優點和特徵。在一個實施方案 中，進料可來自從揮發性有機化合物回收系統排出的固體組分。在該實施方案中，進料在工 程系統中已經是可流動的，這使得進料可直接通入反應器中，以根據需要產生另外的可發 酵糖。本發明的實施方案可提供揮發性有機化合物回收設備，以從位置彼此鄰近的木質纖 維素材料設備的發酵階段和進一步處理過程回收產物。所述進一步處理可產生可以轉換成 各種揮發性有機化合物的另外的可發酵糖。這些實施方案可以由木質纖維素材料的發酵和 進一步處理產生揮發性有機化合物，可以減少與其它進料在可以進入木質纖維素材料進一 步處理的生產流程之前有關的貯存、處理和運輸成本。這些實施方案還可以提供進料的連 續供應，與傳統的進料（在到達用於木質纖維素材料處理的生物質裝置時或之前通常需要 貯存、運輸和/或規格化）相比，所述進料已經規格化了，這降低了具體的相關費用。
[0010] 當將它運輸到用於木質纖維素材料處理的其它場所時，某些實施方案的進料也可 能具有較低的處理與運輸費用。不同於其它的傳統進料源，例如森林資源，某些實施方案 的進料（已經減小粒度）以預定的方式離開揮發性有機化合物回收系統，這可以減少或消 除在進料可進入木質纖維素材料處理之前的前端處理成本。本發明某些實施方案的進料的 預先規格化的粒度分布使其處於與傳統進料源相比更緻密的形式，這可以降低運輸成本， 因為單位體積可運輸更多的這些實施方案的進料。本發明的實施方案可提供與生物質材料 所特有的收穫期無關的全年可獲取的進料供給，從而減少進一步處理植物的貯存需求和費 用，並且不與人類寶貴的食物資源競爭。
[0011] 此外，在某些實施方案中，與其它生物質進料源如玉米秸杆相比，根據本發明各方 面獲得的固體組分可允許更好的糖化，特別是預處理和酶水解。在具體實施方案中，在用 α -羥基乙烷磺酸（HESA)預處理和在不攪動或混合（例如攪拌）預處理反應混合物下酶水 解後，所固體組分可獲得相同或更好的葡萄糖產量。至少在預處理期間最小化或消除所述 混合或攪動需求可允許更簡單且更經濟的規模化（例如工業規模）操作。在某些可能不需 要混合來實現預處理目標的實施方案中，在參數如單位體積功率、單位體積葉輪的泵排量、 剪切應力曲線、反應器幾何形狀和最終雷諾數放大期間不需要考慮太多，特別是針對多相 纖維系統如生物質/水系統來說。因此，本發明的某些實施方案可以允許較便宜的設備和 混合可能需要的相關維護。
[0012] 在一個實施方案中，製備生物質材料以產生揮發性有機化合物。通過以下步驟由 所製備的生物質材料回收揮發性有機化合物：將製備的生物質材料引入到無溶劑回收系統 的隔室；在隔室中將生物質材料與過熱蒸汽物流接觸，來將製備的生物質材料中的至少部 分初始液體汽化，過熱蒸汽物流包含至少一種揮發性有機化合物；將蒸汽組分和固體組分 與加熱的生物質材料分離，其中蒸汽組分包括至少一種揮發性有機化合物；和保留至少部 分氣體組分，以作為部分過熱蒸汽物流使用。通過適當的蒸餾過程可以將蒸汽組分中的化 合物進一步純化。將至少部分固體組分進一步處理以產生另外的可發酵糖。在一個實施方 案中，進一步處理包括將至少部分固體組分與適合於促進糖化的溶液接觸。在一個實施方 案中，將另外產生的可發酵糖發酵，以產生多種揮發性有機化合物如乙醇。在具體實施方案 中，來自發酵混合物的液體可以被輸送至蒸汽組分的蒸餾過程，從而允許由包含在生物質 材料中的大量碳水化合物（例如易於獲得的可發酵糖和由木質纖維素材料進一步處理產 生的那些）來產生乙醇的集成系統。
[0013] 在一個實施方案中，通過如下過程來產生製備的生物質：將至少一種添加的添加 劑加入生物質，其中所述至少一種添加劑包括微生物和任選的酸和/或酶；將製備的生物 質材料在貯存設備中貯存至少約24小時，以允許由至少一部分糖產生至少一種揮發性有 機化合物。
[0014] 除上述特徵外，通過應對挑戰如貯存和運輸費用、短的收穫時窗、糖的快速降解和 大的設備投資，本發明的實施方案允許由包含可發酵糖的植物經濟地生產替代燃料如乙 醇、其它揮發性有機化合物、烴和其它化學品。本文中描述的實施方案的各方面均適用於任 何生物質材料，例如包含可發酵糖的植物。本發明實施方案的特徵允許經濟地使用各種植 物以產生替代燃料和化學品，且不局限於經歷類似挑戰的高粱和其它植物。在本文中強調 這些挑戰性作物，這是因為其它方法和系統還不能經濟地利用這些挑戰性作物來生產燃料 和化學品。因此，特別提及高粱不是用於限定，而只是例舉本發明實施方案的一種特定應 用。
[0015] 本發明的實施方案允許回收設備以與收穫時窗無關的控制方式全年連續運轉，從 而拓寬了可放置回收設備和/或設備來處理木質纖維素材料的地理位置，包括具有相對短 的收穫時窗的區域。
[0016] 本發明技術方案的其它優點和特徵由以下詳細說明將變得明顯。但應該理解的 是，所述詳細說明和具體實例雖然給出了本發明的優選方案，但只是描述性的，這是因為對 於本領域技術人員而言，基於所述詳細說明，在本發明精神和範圍內的多種變化和調整將 變得很明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 這些附圖描述了本發明一些實施方案的一些方面，和不用於限制或定義本發明。
[0018] 圖1是根據本發明某些方面來處理生物質材料的一種實施方案的流程圖。
[0019] 圖2是根據本發明某些方面來處理生物質材料的另一實施方案的流程圖。
[0020] 圖3是根據本發明某些方面使固體組分糖化的特定實施方案的流程圖。
[0021] 圖4是根據本發明某些方面使固體組分糖化的另一實施方案的流程圖。
[0022] 圖5是根據本發明某些方面使固體組分糖化的又一實施方案的流程圖。
[0023] 圖6示出根據本發明某些方面針對稀硫酸預處理的預處理溫度對葡聚糖收率％ 的圖線。
[0024] 圖7示出根據本發明某些方面針對稀硫酸預處理的預處理溫度對木聚糖收率％ 的圖線。
[0025] 圖8示出根據本發明某些方面針對熱水預處理的預處理溫度對葡聚糖收率％的 圖線。
[0026] 圖9示出根據本發明某些方面針對熱水處理的預處理溫度對木聚糖收率％的圖 線。
[0027] 圖10的圖線是根據本發明某些方面用低的酶水平處理的預處理固體組分的實施 方案中洗滌樣品的葡萄糖濃度隨時間變化。
[0028] 圖11的圖線是根據本發明某些方面用高的酶水平處理的預處理固體組分的實施 方案中洗滌樣品的葡萄糖濃度隨時間變化。
[0029] 圖12的圖線是根據本發明某些方面用低的酶水平處理的預處理固體組分的實施 方案中未洗滌樣品的葡萄糖濃度隨時間變化。
[0030] 圖13的圖線是根據本發明某些方面用低的酶水平處理的預處理固體組分的實施 方案中未洗滌樣品的葡萄糖濃度隨時間變化。

【具體實施方式】
[0031] 本發明的實施方案可以由固體生物質材料有效且經濟地生產和回收乙醇或其它 揮發性有機化合物如乙酸，以及提供進一步處理木質纖維素材料以產生可發酵糖的進料。 按照本發明的一個方面，製備生物質材料以產生揮發性有機化合物。通過以下步驟由製備 的生物質材料回收揮發性有機化合物：將製備的生物質材料引入到無溶劑回收系統的隔 室；在隔室中將生物質材料與過熱蒸汽物流接觸，來將製備的生物質材料中的至少部分初 始液體汽化，過熱蒸汽物流包含至少一種揮發性有機化合物；將蒸汽組分和固體組分與加 熱的生物質材料分離，其中蒸汽組分包括至少一種揮發性有機化合物；和保留至少部分氣 體組分，以作為部分過熱蒸汽物流使用。將至少部分固體組分進一步處理以產生另外的可 發酵糖。在一個實施方案中，進一步處理將至少部分固體組分與適合於促進糖化的溶液接 觸。在一個實施方案中，將另外產生的可發酵糖發酵，以產生多種揮發性有機化合物如乙 醇。
[0032] 牛物質制各
[0033] 如本文中使用的，術語〃固體生物質〃或〃生物質〃至少是指來自存活的或最近 存活的生物體的生物學物質。固體生物質包括可轉化成纖維或其它工業化學品（包括生物 燃料）的植物或動物質。固體生物質可源於多種植物或樹木，包括芒草、柳枝稷、大麻、玉 米、熱帶白楊、柳樹、高粱、甘蔗、甜菜和任意的能源甘蔗以及各種樹木，從桉樹到油棕（棕 櫚油）。在一個實施方案中，固體生物質包括至少一種產生可發酵糖的植物。固體生物質可 包含兩種或更多種不同的植物種類，包括產生可發酵糖的植物。在不用於限定本發明範圍 的優選實施方案中，由於高粱在低產能土地上的高產量和高含糖量而選擇它。
[0034] 術語〃可發酵糖〃是指低聚糖和單糖，它們可以被微生物用作碳源（例如戊糖和 己糖），以在厭氧和/或需氧條件下產生有機產物，例如醇、有機酸、酯和醛。這樣製備有機 產物一般可稱作發酵。該至少一種產生可發酵糖的植物在其生長周期期間的一個時間點包 含溶解在該植物材料水相中的可發酵糖。產生可發酵糖的植物的非限定性例子包括高粱、 甘蔗、甜菜和能源甘蔗。特別地，當它們接近或處於其最高的潛在可發酵糖產量（例如最大 的可發酵糖濃度）時，甘蔗、能源甘蔗和高粱通常在水相中包含約5-25wt%的可溶性糖，並 具有基於溼基約60-80 %間的含水量。
[0035] 術語〃溼基〃至少指包括水作為一部分質量的質量百分比。在優選實施方案中， 產生糖的植物是高粱。用來將碳水化合物微生物轉化成揮發性有機化合物（VOC)的高粱屬 的任意物種或種類均可以使用。對於使用高粱的實施方案，該植物提供了某些益處，包括其 是節水的，而且是耐乾旱和耐熱的。這些性質使得該作物適合於許多位置，包括全球的許多 地區，例如中國、非洲、澳大利亞和在美國，例如高原、西部的部分和整個南德克薩斯州。
[0036] 在使用高粱的實施方案中，高粱可包括任何可以以較高可發酵糖濃度收穫的種類 或種類的組合。具有優選性質的某些種類高粱有時被稱作〃甜高粱"。高粱可包括可能包含 或不包含足以支持在壓蔗機操作中榨汁處理的水分。在優選實施方案中，固體生物質包括： 由Advanta商業化生產的糖T高粱品種和/或糖T的父本（也是Advanta的可商購產品）。 在優選實施方案中，使用的作物具有約5-25的白利糖度，優選約10-20白利糖度，和更優選 約12-18白利糖度。本文中的術語"白利糖度"至少指葡萄糖、果糖和蔗糖在水溶液中的 含量，其中1度白利糖度是在100克溶液中1克的葡萄糖、果糖和/或蔗糖，並以重量百分 比（wt%)表示溶液的濃度。在另一優選實施方案中，使用的作物的含水量為約50-80%， 優選至少60%。
[0037] 在一個實施方案中，作物是具有約18的白利糖度值和約67%含水量的糖T的父 本。在另一實施方案中，作物是在約73%含水量下具有約12的白利糖度值的糖T。在這些 特定實施方案中，通過手持折射計確定白利糖度和含水率。
[0038] 在將至少一種添加劑（微生物、任選的酸和/或酶）加入固體生物質後，它變成制 備的生物質材料，其中該至少一種添加劑促進可發酵糖向VOC(例如乙醇）的轉化。如上所 述且進一步如下所述，製備的生物質材料可以貯存一段時間，以允許通過轉化過程產生更 多的V0C。然後，由該製備的生物質材料回收至少一種揮發性有機化合物。揮發性有機化 合物是本領域技術人員已知的。美國環境保護局（EPA)提供了揮發性有機化合物（VOC)的 描述，其中一種是任意的碳化合物，除了參與大氣光化學反應的一氧化碳、二氧化碳、碳酸、 金屬碳化物或碳酸鹽和碳酸銨，例外是由環境保護局指定的具有可忽略光化學反應性的那 些（參見 http://www. epa. gov/iag/voc2. html#definition)。揮發性有機化合物或 VOC 的 另一描述是任意的有機化合物，其組成使得它們能夠在正常的室內溫度和壓力的大氣條件 下蒸發。這是VOC在科學文獻中使用的一般定義，且與室內空氣品質用的定義一致。正常 的室內溫度和壓力的大氣條件指在通常住有人的建築中存在的條件範圍，因而可隨著建築 的類型及其地理位置而變化。一種示例性的正常室內大氣條件由純粹與應用化學國際聯合 會（IUPAC)和美國國家標準與技術研究院（NIST)所提供。IUPAC的標準是0°C (273. 15K， 32華氏度）的溫度和100迚&(14.504?8丨）的絕對壓力，和見51'的定義是201：(293.151(，68 華氏度）的溫度和101.325kPa(14.696psi)的絕對壓力。
[0039] 因為化合物的沸點溫度越低，其揮發性一般越高，因此有機化合物的揮發性有時 由它們的沸點來定義和分類。因此，可以通過其沸點來描述VOC。VOC是在約101. 3kPa標 準大氣壓下測量的沸點在約50-260°C範圍內的任意有機化合物。可以由本發明實施方案回 收的VOC回收和/或進一步處理的許多揮發性有機化合物可用於香水和調味品工業中。這 種化合物的例子可以是酯、酮、醇、醛、烴和萜烯。以下表1進一步提供了可以由製備的生物 質材料回收的VOC回收和/或進一步處理的揮發性有機化合物的非限定性例子。
[0040] 表 1
[0041]

【權利要求】
1. 一種處理生物質材料的方法，包括： (i) 將生物質材料引入至無溶劑回收系統的加壓隔室內，其中所述生物質材料含有一 種或多種揮發性有機化合物； (ii) 在加壓隔室中將所述生物質材料與過熱蒸汽物流接觸，以將所述生物質材料中的 至少部分初始液體汽化，所述過熱蒸汽物流包含至少一種揮發性有機化合物； (iii) 將蒸汽組分和固體組分與所述加熱的生物質材料分離，所述蒸汽組分包括至少 一種揮發性有機化合物；保留至少部分氣體組分，以作為部分所述過熱蒸汽物流使用； (iv) 將所述固體組分從所述無溶劑回收系統排出；和 (v) 將至少部分所述固體組分與適合於促進糖化的溶液接觸。
2. 權利要求1的方法，其中所述溶液包括溫度至少約170°C的水。
3. 權利要求1的方法，其中所述溶液包括適合於將至少部分所述固體組分水解以產生 包含可發酵糖的產物的酸性溶液。
4. 權利要求3的方法，其中所述酸性溶液包含至少一種a-羥基磺酸。
5. 權利要求4的方法，其中所述a-羥基磺酸以基於所述溶液約l-55wt%的量存在。
6. 權利要求3的方法，其中所述a-羥基磺酸是由（a)羰基化合物或羰基化合物前體 與（b)二氧化硫或二氧化硫前體和（c)水製備的。
7. 權利要求3的方法，其中在約50-150°C範圍內的溫度和在1-約lObarg範圍內的壓 力下，將所述固體組分與所述酸性溶液接觸。
8. 權利要求1的方法，其中進一步包括通過加熱和/或減壓從所述產物中脫除以其組 分形式存在的a-羥基磺酸，以產生基本不含a-羥基磺酸的含至少一種可發酵糖的酸脫 除產物。
9. 權利要求8的方法，進一步包括將所述酸脫除產物水解並發酵，以產生包含多種V0C 的發酵產物。
10. 權利要求1的方法，其中引入到所述加壓隔室的所述生物質材料是由收穫的作物 的固態發酵工藝獲得的。
11. 權利要求10的方法，其中所述作物選自高粱、甘蔗、玉米、熱帶玉米、甜菜、能源甘 蔗及它們的任意組合。
12. 權利要求1的方法，其中所述加壓隔室包括過熱蒸汽物流在其內部流動的環形圓 筒。
13. 權利要求1的方法，其中利用結合至加壓隔室的旋風分離部件完成所述分離步驟， 其中配置所述旋風分離部件以將分離的固體組分從加壓隔室排出。
14. 權利要求1的方法，所述生物質通過以下步驟產生：將至少一種添加劑加入生物 質，其中所述至少一種添加劑包括微生物以及任選的酸和/或酶；和將製備的生物質材料 在貯存設備中貯存至少約24小時，以允許由至少部分所述糖產生至少一種揮發性有機化 合物。
15. 權利要求1的方法，其中所述生物質具有約3-80mm的平均粒度分布。
16. 權利要求1的方法，進一步包括將至少部分來自無溶劑回收系統的固體組分直接 進料至所述接觸步驟。
17. 權利要求1的方法，其中在至少部分接觸期間不攪拌與所述適合於促進糖化的溶 液接觸的固體組分。
18. -種處理生物質材料的方法，包括： 將生物質材料的固體組分與適合於促進糖化的溶液接觸，其中所述固體組分由包括以 下步驟的方法產生： 將生物質材料引入至無溶劑回收系統的加壓隔室內，其中所述生物質材料含有一種或 多種揮發性有機化合物； 在所述加壓隔室中將所述生物質材料與過熱蒸汽物流接觸，以將所述生物質材料中的 至少部分初始液體汽化，所述過熱蒸汽物流包含至少一種揮發性有機化合物； 將蒸汽組分和固體組分與加熱的生物質材料分離，所述蒸汽組分包括至少一種揮發性 有機化合物； 保留至少部分氣體組分，以作為部分所述過熱蒸汽物流使用； 將所述固體組分從所述無溶劑回收系統排出。
【文檔編號】C12F3/10GK104364365SQ201380030681
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月16日 優先權日:2012年5月17日
【發明者】P·G·漢密爾頓, C·W·雷德特克, K·M·克萊特曼, P·R·韋德, R·L·布萊克博恩 申請人:國際殼牌研究有限公司