發酵的製作方法

2023-05-08 00:53:26

專利名稱：發酵的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於從得自纖維素的漿料製備目標化學品的方法、用於從得自纖維素的漿料製備目標化學品的系統和發酵的得自纖維素的水解產物的用途。
背景技術：
全球變暖、石油消耗和能源安全已成為發展可代替得自石油的燃料(如汽油和柴油)的可再生燃料的主要驅動力。當前，乙醇是最常使用的可再生汽車燃料。它通過纖維素生物質如含糖或含澱粉原料的發酵來大量生產。然而，這些作物的供應相對有限，並且它們中的許多被認為是人類食物來源。另一方面，包含木質素的纖維素生物質(木質纖維生物質)是更為豐富且價格較低的原料，其具有提供更高淨能量獲得的潛力。在木質纖維素中，纖維素和半纖維素與木質素緊密結合，多酚化合物將纖維素和半纖維素聚合物連接在一起，從而提供了具有剛性和機械強度的木質纖維素。在從纖維素生物質生產乙醇中，通常使用多種預處理和水解步驟以將所述纖維素和半纖維素多糖降解成能發酵的糖類。然後，通常通過用微生物如酵母發酵而將所述能發酵的糖類轉變為乙醇，並通過蒸餾收取乙醇。在將纖維素生物質用各種酸進行汽蒸和浸漬後，高溫下的水解產生了固體和液體的得自纖維素的材料的漿料。酸催化的水解可在兩步中進行以同時降解半纖維素和纖維素聚合物，或通過半纖維素的水解進行較溫和的預處理，隨後進行酶處理以進一步降解纖維素聚合物。為了促進從酸性水解而獲得的水解產物的良好發酵，漿料必須進行過濾和洗滌， 通常通過壓濾機，以除去漿料的固體級分。然而，過濾和隨後的洗滌可導致能發酵的糖類的損失。為了使洗滌順序優化和使糖損失最小化，需要大量的生產用水，這導致了水解產物的稀釋。稀釋的水解產物既而又伴有較高的蒸餾成本。此外，在未除去固體級分的情況下的水解產物的發酵不是最佳解決方案，因為固體物料的存在阻止了發酵微生物的再循環，因此需要連續地培養新的發酵生物體，這費力又昂貴。可通過使用SSF(同時進行糖化水解和發酵)方法而克服與酸性水解有關的一些問題，其中將能夠水解多糖的酶和發酵微生物直接與漿料混合。然而，在該情況中，發酵生物體也不能再循環，這具有如上所述的負面後果。此外，酶水解和發酵過程的溫度必須相同，這對於兩種反應中的任一種都不是最佳的。而且，SSF需要強烈攪拌和冷卻所述漿料， 這增加了方法的複雜性。

發明內容
總的來說，在現有技術中，對由纖維素和木質纖維生物質來製備乙醇的改進發酵方法存在需求。本發明的目的是提供從得自纖維素的漿料製備目標化學品如乙醇。此外，本發明的一些方面的目的是提供所述目標化學品的能量有效的生產。
本發明一些方面的進一步的目的是提供在所述目標化學品生產中的改善的方法經濟性。為了在本發明的某些方面提供本發明所提供的各種特徵和組合之目的，下面給出了本發明實施方式的非限定性和分項化的列表。項目1.用於提供目標化學品的方法，包括a)在容器中提供包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料；b)從所述得自纖維素的漿料中分離包含部分所述能發酵的糖類的液體級分；c)將所述液體級分輸送到發酵罐中；d)在所述發酵罐中使所述液體級分中的能發酵的糖類發酵以提供包含所述目標化學品的發酵液；和e)將所述發酵液返回到所述容器中。2.根據項目1所述的方法，其中步驟b)的分離在提供所述液體級分和懸浮固體級分的分離器中進行，所述懸浮固體級分返回到所述容器。3.根據項目1或2所述的方法，其中步驟b)的所述分離包含過濾或傾析。4.根據任何前述項目所述的方法，其中在步驟e)期間從所述發酵液中收取所述目標化學品。5.根據項目1-3任一項所述的方法，其中從所述容器中收取所述目標化學品。6.根據項目5所述的方法，其中所述容器中的溫度為至少70°C。7.根據項目1-3任一項所述的方法，進一步包括f)在目標物收取單元中，從所述容器的至少部分內容物中收取所述目標化學品。8.根據項目4-7任一項所述的方法，其中通過蒸餾進行所述目標化學品的所述收取。9.根據任何前述項目所述的方法，其中所述目標化學品選自乙醇、丁醇和琥珀酸。10.根據任何前述項目所述的方法，其中步驟d)包含使所述液體級分接觸發酵生物體以得到所述發酵液。11.根據項目10所述的方法，其中所述發酵生物體保留所述發酵罐中。12.根據項目11所述的方法，其中通過澱積、離心或固定來保留所述發酵生物體13.根據項目10-12所述的方法，其中所述目標化學品為乙醇和所述發酵生物體為酵母。14.根據任何前述項目所述的方法，其中步驟a)的所述得自纖維素的漿料通過包含如下的方法獲得al)提供任選地經預處理的纖維素生物質；和bl)將來自步驟al)的所述纖維素生物質在與所述容器相分開的至少一個水解單元中進行水解，以獲得所述得自纖維素的漿料。15.根據項目14所述的方法，其中所述水解是兩步酸性水解。16.根據項目1-13任一項所述的方法，其中步驟a)的所述得自纖維素的漿料通過包含如下的方法獲得a2)提供任選地經預處理的纖維素生物質；和
b2)將所述纖維素生物質在所述容器中進行酶水解以得到所述得自纖維素的漿料。17.根據項目16所述的方法，其中在步驟W)中使用糖化水解酶，並將所述糖化水解酶從所述容器中進一步回收和再使用。18.根據前述項目1-17任一項所述的方法，其中所述容器中的所述漿料的溫度在30-100°C之間，如在40-70°C之間，和所述發酵罐中的所述液體級分的溫度在25_90°C之間，如在之間。19.根據前述項目14-18任一項所述的方法，其中所述纖維素生物質為木質纖維生物質，如甘蔗渣或木材。20.根據前述項目任一項所述的方法，其中步驟e)包括通過將所述發酵液與步驟 c)的所述液體級分熱接觸而對所述發酵液加熱。21.根據項目20所述的方法，其中所述熱接觸是在換熱器中實現的。22.根據前述項目任一項所述的方法，其中通過泵送進行c)的輸送和/或e)的返回。23.用於從得自纖維素的漿料中提取能發酵的糖類的發酵的得自纖維素的水解產物的用途，其中所述得自纖維素的漿料具有5% -約30%的懸浮固體含量。24.用於將糖類發酵成目標化學品的系統，包含用來容納包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料的至少一個容器；用於從所述漿料中分離包含能發酵的糖類的液體級分的分離器，所述分離器連接到所述容器；用於將所述液體級分中的至少部分所述能發酵的糖類進行發酵以產生發酵液的發酵罐，所述發酵罐包含入口和出口 ；連接所述分離器與所述發酵罐入口的第一連線和連接所述發酵罐出口與所述容器的第二連線。25.根據項目M所述的系統，其中連接所述分離器與所述發酵罐的所述第一連接裝置是用於將所述液體級分從所述分離器輸送到所述發酵罐中的第一輸送裝置，和所述第二連接裝置是用於將所述發酵液從所述發酵罐輸送到所述容器中的第二輸送裝置。26.根據項目25所述的系統，進一步包含用於泵送所述液體級分的第一泵和/或用於泵送所述發酵液的第二泵，所述第一泵布置在所述第一輸送裝置上，所述第二泵布置在所述第二輸送裝置上。27.根據項目25或沈所述的系統，其中所述分離器包含漿料入口、液體級分出口和懸浮固體級分出口，所述系統進一步包含用於將至少部分所述漿料從所述容器輸送到所述分離器的第三輸送裝置，和用於將所述懸浮固體級分從所述分離器輸送到所述容器的第四輸送裝置，所述第一輸送裝置連接到所述分離器的所述液體級分出口，所述第三輸送裝置連接到所述容器和所述分離器的所述漿料進口，和所述第四輸送裝置連接到所述分離器的所述固體級分出口和所述容器。28.根據項目27所述的系統，進一步包含
用於泵送所述漿料的第三泵，所述泵布置在所述第三輸送裝置上。29.根據項目2518任一項所述的系統，其中所述分離器包含至少一個過濾器、傾析器或離心機。30.根據項目25- 任一項所述的系統，進一步包含用於將熱量從所述液體級分輸送到所述發酵液的換熱器，所述換熱器布置在所述第一輸送裝置和所述第二輸送裝置上。31.根據項目30所述的系統，其包含所述第一泵和第二泵，其中所述第一泵布置在所述第一輸送裝置上的所述換熱器的上遊，和所述第二泵布置在所述第二輸送裝置上的所述換熱器的上遊。32.根據項目24-31任一項所述的系統，其中所述容器裝備有加熱器。33.根據項目24-32任一項所述的系統，進一步包含布置在所述第二輸送裝置上的目標化學品收取裝置。34.根據項目33所述的系統，其中所述目標化學品收取裝置包含至少一個蒸餾單兀。35.根據項目24-32任一項所述的系統，其中所述容器適配成從所述容器中收取所述目標化學品。36.根據項目35所述的系統，其中蒸餾裝置布置在所述容器上。37.根據項目36所述的系統，其中所述蒸餾裝置包含蒸餾塔。38.根據項目25-32任一項所述的系統，進一步包含從所述容器的至少部分內容物中收取目標化學品的目標物收取單元，所述目標物收取單元連接到所述容器。39.根據項目25-38任一項所述的系統，其中所述發酵罐裝備有冷卻器。40.根據項目24-39任一項所述的系統，其中所述發酵罐適配成保留髮酵期間在所述發酵罐中提供的發酵生物體。41.根據項目40所述的系統，其中所述發酵罐適配成保留酵母。42.根據項目25-41任一項所述的系統，進一步包含用於水解纖維素生物質並提供所述得自纖維素的漿料的至少一個水解單元，所述至少一個水解單元連接到所述容器。43.根據項目25-41任一項所述的系統，進一步包含連接到所述容器的用於從所述容器中回收酶的酶回收裝置。44.用於從發酵罐排出包含目標化學品的液體同時將發酵劑保留在所述發酵罐內的系統，所述系統包含用於容納包含所述發酵劑和所述目標化學品的液體的發酵罐；具有低於在所述發酵罐中的所述液體的表面的第一端和高於所述表面的第二端的至少一個管道；其中所述至少一個管道的直徑配置成使得施加到所述至少一個管道的所述第二端的負壓引起包含所述目標化學品的液體以低於所述發酵劑的平均沉降速率的速率從所述至少一個管道的所述第一端升至所述第二端，其中包含所述目標化學品的液體從所述至少一個管道的所述第二端排出且所述發酵劑保留在所述發酵罐中。45.用於從發酵罐中排出包含目標化學品的液體同時將發酵劑保留在所述發酵罐內的方法，所述方法包括以下步驟a)在發酵罐中提供包含所述目標化學品和發酵劑的液體，所述發酵罐包含具有低於在所述發酵罐中的所述液體的表面的第一端和高於所述表面的第二端的至少一個管道；b)向所述至少一個管道的所述第二端施加負壓，使得包含所述目標化學品的液體從所述至少一個管道的所述第一端升至所述第二端，其中所述至少一個管道的直徑配置為使得包含所述目標化學品的液體以低於所述發酵劑的平均沉降速率的速率升高，其中包含所述目標化學品的液體從所述至少一個管道的所述第二端排出且所述發酵劑保留在所述發酵罐中。發明詳述在本發明中，提供了用於提供目標化學品的方法，包括a)在容器中提供包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料；b)從所述得自纖維素的漿料中分離包含部分所述能發酵的糖類的液體級分；c)將所述液體級分輸送到發酵罐中；d)在所述發酵罐中使在所述液體級分中的能發酵的糖類進行發酵以提供包含所述目標化學品的發酵液；和e)將所述發酵液返回到所述容器中。「目標化學品」是指可通過能發酵的糖類的發酵而製得的感興趣的化學品。「漿料」是指固體在液體中的半流體懸浮液，即懸浮在液體中的固體物料。因此得自纖維素的漿料是其中固體含量具有纖維素來源的漿料。「能發酵的糖類」如能發酵的單糖和二糖是指可以例如通過微生物發酵劑轉化如發酵成目標化學品的糖。能發酵的單糖可包含具有不同碳原子數目的單糖，如具有五個碳原子的戊糖、具有六個碳原子的己醣以及具有七個碳原子的庚糖。能發酵的二糖的實例為果糖。通常，何種糖類能視作能發酵的糖類取決於所使用的發酵劑。也就是說，能發酵的糖類是可通過發酵劑而發酵的那些。在本發明的情況中，見下文，當在所述發酵罐中提供酶 β -葡萄糖苷酶時，「能發酵的糖類」包括纖維二糖。「容器」是指能容納所研究的物料的任何結構體，並且其可由不同材料如金屬、不鏽鋼等組成。從所述得自纖維素的漿料中分離包含部分所述能發酵的糖類的液體級分是指將所述得自纖維素的漿料分類成不同級分，其中至少一個級分是液體，即具有低含量的懸浮固體，且所述液體級分包含至少部分所述能發酵的糖類。所述液體級分在任何情況下具有比所述得自纖維素的漿料的懸浮固體含量低的懸浮固體含量。優選地，懸浮固體含量低於 5g/l，如低於2g/l，如低於lg/Ι，如低於0. 5g/l，如低於0. 2g/l。使能發酵的糖類發酵是指通過發酵將所述能發酵的糖類轉化成所述目標化學品。 發酵是本領域技術人員所公知的工藝，且通常通過微生物來進行。「發酵罐」是指適用於所研究的發酵反應的容器。此外，在本發明中，提供了用於使糖類發酵成目標化學品的系統，包含用來容納包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料的容器；用於從所述漿料中分離包含能發酵的糖類的液體級分的分離器，所述分離器連接到所述容器；用於使所述液體級分中的至少部分所述能發酵的糖類發酵以生產發酵液的發酵罐，所述發酵罐包含入口和出口 ；連接所述分離器與所述發酵罐入口的第一連接裝置和連接所述發酵罐出口與所述容器的第二連接裝置。「連接裝置，，是指任何形式的連接裝置，液體可以通過該連接裝置從一個單元流向另一個單元。例如，連接裝置可為具有膜(membrane)或篩孔狀結構的接口。根據本發明所述的方法和系統的各方面是基於洞察到的以下情況用於從得自纖維素的漿料提供目標化學品的發酵可如下進行從所述得自纖維素的漿料中分離液體級分，使分離的液體發酵並將來自發酵的液體返回到所述得自纖維素的漿料中，以及這樣的發酵具有許多積極效果。優選地，基本上所有的如至少90% (ν/ν)或95% (ν/ν)的來自所述發酵的液體返回到所述得自纖維素的漿料中。根據本發明可以理解，將所述發酵液返回到所述得自纖維素的漿料(從而與其混合)，而不是返回到方法的較早的階段中如返回到製備所述得自纖維素的漿料的任何步驟(如纖維素生物質的預處理)中。如果在纖維素生物質的酸解之後使用公開的方法和系統，則可基本上減少或避免使用額外的水來洗滌所述漿料。通過從所述漿料中分離液體級分並然後返回發酵液，所述漿料反而用所述發酵液洗滌，促進了單糖從所述漿料的固體成分中釋放。因此，需要較少的外部生產用水，這既而獲得對目標化學品較小稀釋，並促進了目標化學品的有效收取。而且，如果所公開的方法和系統與得自纖維素的漿料的酶水解一起使用，則在容器中酶水解期間的溫度與在發酵罐中發酵期間的溫度可保持不同，因為所述容器與所述發酵罐是分離的。如果水解反應和發酵反應具有不同的最佳溫度，則這有助於對這兩個反應都有利的條件。例如，酶水解期間的溫度可保持高於發酵期間的溫度，由此有助於適溫酶的利用。此外，根據本發明的方法和系統不需要對漿料的強烈攪拌和冷卻，因為發酵是在分開的發酵罐中進行的。根據本發明的方法和系統還有助於在容器中漿料較高溫度的使用，這降低了漿料的粘度，從而可使用在所述漿料中的更高懸浮固體含量。此外，如果使用微生物來發酵單糖，所述微生物可在發酵罐中的多個發酵循環中重複使用，這既而又減少了對培養新微生物的需要。漿料的發酵通常不允許發酵劑的如此重複使用，因為漿料的固體和發酵劑可能未分離。漿料容器中的工藝可分批進行，但如果容器是緩慢裝滿的，則也可認為其是補料分批處理。後者是有利的，因為其允許漿料的逐漸消化和固體在漿料容器中的比在進料中更低的濃度，這便於攪拌、泵送和過濾。在裝滿後，漿料容器可保持在恆定體積，同時所分離的液體循環通過發酵容器並再次返回。在分批和補料分批工藝中，容器最終放空，然後通常用新鮮漿料再填充。多快將漿料容器裝滿和其在恆定體積下保持多長是最佳化問題。漿料容器的填充和放空也可連續進行。從得自纖維素的漿料製備目標化學品優選是作為連續過程進行，其中含糖液體級分持續不斷地從一個或多個漿料容器中分離出來並泵送通過發酵容器，在發酵容器中保留有發酵生物體的培養物。將具有較高目標化學品含量但較低糖類濃度的料流返回進料到一個或多個漿料容器。然而當漿料容器放空或再填充時，中斷該進料。原則上，也可改變進料方式以使得其滿足分批或補料分批工藝的定義，即發酵可分批進行。為了在本發明的系統中達到足夠的目標化學品濃度或消耗足夠量的糖類材料，可需要一定時間。因此，本發明第一方面的方法可進行至少1小時，如至少12小時，如至少18 小時，如至少M小時。因此，從容器中分離液體級分的步驟、將液體級分輸送到發酵罐中的步驟、使能發酵的糖類在發酵罐中發酵的步驟和使返回發酵液的步驟可進行至少1小時， 如至少12小時，如至少18小時，如至少24小時。如上所述，用於容納得自纖維素的漿料的多個容器可將液體級分進料到單個發酵罐中，且可將來自單個發酵罐的發酵液返回到多個容器中。在本發明系統方面的實施方式中，連接分離器與發酵罐的第一連接裝置是用於將液體級分從分離器輸送到發酵罐的第一輸送裝置，和第二連接裝置是用於將發酵液從發酵罐輸送到容器的第二輸送裝置。第一和/或第二輸送裝置例如可包含一個或多個管道。在本發明方法方面的實施方式中，步驟b)的分離在提供液體級分和懸浮固體級分的分離器中進行，所述懸浮固體級分返回到容器中。「懸浮固體級分」是指具有懸浮固體含量高於在容器中的得自纖維素的漿料的懸浮固體含量的級分。例如，懸浮固體級分的懸浮固體含量為5g/l或更高，如10g/l或更高。將懸浮固體級分返回到容器允許仍包含在懸浮固體級分中的能發酵的糖類的最佳使用，所述能發酵的糖類即未包含在液體級分中但例如包埋在固體成分中或吸附到固成分上的能發酵的糖類。在本發明系統方面的實施方式中，其中第一和第二連接裝置各自為第一和第二輸送裝置，分離器包含漿料進口、液體級分出口和懸浮固體級分出口，所述系統進一步包含用於將至少部分漿料從所述容器輸送到所述分離器的第三輸送裝置，和將懸浮固體級分從所述分離器返回到所述容器的第四輸送裝置，第一輸送裝置連接到所述分離器的液體級分出口，第三輸送裝置連接到所述容器和所述分離器的漿料進口，和第四輸送裝置連接到所述分離器的固體級分出口和所述容器。在本發明方法方面的實施方式中，c)的輸送和/或e)的返回通過泵送進行。泵送是在系統中主動輸送液體的便利方式。此外，如果步驟b)的分離在分離器中進行，則可使用運輸裝置如輸送帶將懸浮固體級分返回到容器中。在本發明系統方面的實施方式中，其中第一和第二連接裝置各自為第一和第二輸送裝置，所述系統進一步包含用於泵送液體級分的第一泵和/或用於泵送發酵液的第二泵，所述第一泵布置在第一輸送裝置上，所述第二泵布置在第二輸送裝置上。所述系統還可包含用於泵送漿料的第三泵，該泵布置在第三輸送裝置上。在方法方面的另一實施方式中，步驟b)的分離包括過濾或傾析。過濾是指使用一種或多種類型的過濾器或格柵狀結構以從液體中除去固體，由此提供了基本上沒有固體的液體級分。傾析是指例如在離心之後從沉澱物除去上層清液。過濾和傾析是用於從漿料有效地分離液體級分的便利方式。在本發明系統方面的實施方式中，分離器包含至少一個過濾器、傾析器或離心機。
所述至少一個過濾器可為相同類型的至少一個過濾器或兩個或更多個不同類型的過濾器，所述不同類型的過濾器例如為實現期望的分離效果的不同孔徑或結構的過濾器。所述至少一個過濾器可為至少一個帶式過濾機、濾鼓、盤濾機和/或至少一個膜。在第一方面的另一實施方式中，在步驟e)期間從發酵液收取目標化學品。從發酵液中收取目標化學品是指從發酵液中除去至少部分目標化學品。在步驟e)期間可連續地收取目標化學品，或可在系統中目標化學品已積累到某一濃度後從步驟e)中收取目標化學品。在本發明系統方面的實施方式中，其中第一和第二連接裝置各自為第一和第二輸送裝置，所述系統進一步包含布置在第二輸送裝置上的目標化學品收取裝置。目標化學品收取裝置是指適配成收取目標化學品的裝置。在該裝置中，可使用熱和/或真空以餾出目標化學品。在從生物質如木質纖維素製備乙醇的傳統工藝中，良好的工藝經濟性要求進行蒸餾的液體通常具有至少35g/l的乙醇濃度。然而，在包括步驟e)期間或從第二輸送裝置收取目標化學品的上述實施方式中，進行目標化學品收取的液體的乙醇濃度可低於35g/l，有時低於25g/l，而仍提供有競爭力的總乙醇收率。在本發明方法方面的實施方式中，從所述容器收取目標化學品。在本發明系統方面的實施方式中，所述容器適配成從所述容器收取目標化學品。因此，目標化學品可直接從容器中收取，而不必從容器排出內容物或排空容器。如果從容器中收取目標化學品，則容器中的溫度可至少為60°C，如至少70°C。如果容器的溫度高於目標化學品的沸點，則目標化學品可在容器中蒸發，這便於目標化學品通過例如蒸餾直接從容器收取。例如，如果目標化學品是乙醇，其在大氣壓下具有78°C的沸點，如果容器中的溫度為70°C，則可應用低於大氣壓的壓力以從容器收取乙醇。在第一方面的另一實施方式中，所述方法進一步包括f)從目標物收取單元中容器的至少部分內容物收取目標化學品。在本發明系統方面的實施方式中，所述系統進一步包含用於從容器的至少部分內容物收取目標化學品的目標物收取單元，所述目標物收取單元連接到所述容器。目標物收取單元是指適配成收取目標化學品的單元。可通過排出所述容器的至少部分內容物並從該部分中收取目標化學品，或在收取目標化學品之前基本上排空所述容器的全部內容物來進行從所述容器中收取目標化學品。 也可在收取目標化學品之前過濾容器內容物待收取目標化學品的部分或全部容器內容物。在方法方面的實施方式中，通過蒸餾進行目標化學品的收取。目標化學品的蒸餾是指目標化學品的氣化，隨後通過冷卻和冷凝目標化學品的蒸氣，並收集目標化學品的所得液體。在系統方面的實施方式中，其中目標化學品收取裝置布置在第二輸送裝置上，目標化學品收取裝置包含至少一個蒸餾單元。蒸餾單元可包含蒸餾裝置，如至少一個蒸餾塔。在系統方面的實施方式中，其中從容器收取目標化學品，蒸餾裝置布置在所述容器上。蒸餾裝置可包含蒸餾塔。在系統方面的另一實施方式中，其中所述系統包含連接所述容器的目標物收取單
12元，該目標物收取單元包含蒸餾裝置，如至少一個蒸餾塔。在方法方面的另一實施方式中，通過萃取和/或使用至少一個膜的工藝來收取目標化學品。如果目標化學品為例如琥珀酸，萃取工藝和/或使用至少一個膜的工藝會是有利的。在本發明系統方面的實施方式中，布置在第二輸送裝置上的目標化學品收取裝置和 /或目標物收取單元包含至少一個膜。在方法方面的實施方式中，目標化學品選自乙醇、丁醇和琥珀酸。可得自纖維素的這些目標化學品可通過發酵從能發酵的糖類製得。目標化學品的其它實例可為其它醇或酸、烷烴、烯烴、芳香族，醛、酮、生物聚合物、蛋白質、肽、胺基酸、維生素、抗菌素及其它藥物。在方法方面的實施方式中，步驟d)包括使液體級分與發酵生物體相接觸以獲得發酵液。發酵生物體是指能夠將能發酵的糖類發酵成目標化學品的生物體。可使用包含發酵生物體的發酵罐來實現液體級分與發酵生物體的接觸。發酵生物體可至少一種真核微生物或原核微生物，如細菌和/或酵母。已公知細菌和酵母能夠將糖類發酵成其它化學化合物。來自釀酒酵母屬(Saccharomyces)、畢赤酵母屬(Pichia)和念珠菌屬(Candida) 的酵母可用作發酵生物體。發酵生物體例如可為野生型、突變型或重組體型釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 0釀酒酵母是用於從己糖生產乙醇的最合適的微生物之一， 且在工業生產中受到歡迎的。此外，發酵生物體可為野生型、突變型或重組體型大腸桿菌 (Escherichia coli)。當目標化學品例如為丁醇或琥珀酸時，重組體型大腸桿菌菌株是有用的。在方法方面的實施方式中，目標化學品是乙醇和發酵生物體是酵母。在方法方面的實施方式中，發酵生物體保留在發酵罐中。發酵生物體保留在發酵罐中是指設計發酵罐或發酵條件，以使得當將發酵液返回到所述容器中時，發酵生物體的量在發酵罐中沒有顯著降低。如果發酵生物體在發酵罐中的生長彌補了該損失，保留髮酵生物體可允許發酵生物體離開發酵罐。此外，在發酵罐中保留髮酵生物體可允許發酵生物體離開發酵罐，但通過使用布置在所述發酵罐下遊的發酵生物體返回系統可進行返回。因此，在發酵罐中保留髮酵生物體體現了在根據本發明的方法中發酵生物體在多個循環中重複使用，例如重複步驟b)_e)。因此，不必對每個循環都培養新鮮的發酵生物體。此外，在方法方面的另一實施方式中，新鮮的發酵生物體加入到發酵罐中，而至少一些發酵生物體保留在發酵罐中。這是指可將新鮮的發酵生物體連續地加入到發酵罐中或在根據本發明方法的各次循環之間加入到發酵罐中，例如以確保在發酵罐中的高發酵活性。在補充的實施方式中，一種或多種酶也保留在發酵罐中。因此當在容器中進行酶水解時，該補充實施方式是特別相關的。經常在纖維素降解成能發酵的糖類中使用的酶 β -葡萄糖苷酶是特別合適的，因為其作用在可溶性物質上和各纖維素纖維之間的接觸，因此不需要酶。將酶保留在發酵罐中可顯著地降低酶的消耗，從而改善了工藝的經濟性。例如，可通過澱積、離心或固定而保留髮酵生物體和/或酶。澱積是指使發酵劑和/或包含酶的顆粒沉降到分離容器的底部，然後將沉降的發酵劑泵送回發酵罐中，同時從分離容器的頂部排出清液。離心是指在分離裝置中利用轉動以產生離心力，從而較緻密的成分離開裝置的軸。由此，發酵劑(緻密成分)可與液體分離並返回到發酵罐中。
此外，固定是指在發酵罐捕集發酵劑和/或酶，如用在發酵液中自由移動或附著在發酵罐的器壁上的多孔但固體狀材料進行捕集。或者，也可使用發酵罐中存在的其它結構用於捕集。例如，可通過包封在發酵罐中的珠子中而捕集發酵劑。在一些發酵工藝中，生物質(發酵劑)傾向於以高於其再生的速率的速率離開發酵罐。這有時稱為「洗去」。當發酵液包含抑制發酵劑的物質時，洗去的風險就特別高。如果不能防止洗去，就必須增加發酵罐的體積，這提高了成本，或者必須減少發酵液的供應， 這降低了系統的生產能力。洗去問題可使用多種細胞截流技術如固定或通過離心的再循環來解決。這在上面進行了進一步的解釋。或者，可使用沉降器。在該情況中，將液體發酵劑混合物從發酵罐中泵送到發酵劑在其中沉積(沉沒)的外部容器中並泵送回發酵罐中(參見上面)。通常，在該裝置中，發酵劑必須絮凝以獲得足夠的沉降速率。外部沉降器的缺點是對額外容器的投資和需要增大泵送量。此外，外部沉降裝置可能由於沉降器的堵塞而導致操作中斷。因此，使用根據項目44的內部沉降器可能是有益的。作為集成的發酵容器和沉降器的該裝置的一個實施方式示於圖6中。在圖6中，外出流在一個或多個管道中被吸收。管道的數量和尺寸使得上升流速率低於發酵劑的平均沉降速率。沉降器優選具有攪拌器，和操作期間的攪拌優選使得保持低的管道入口產生的湍流。由此發酵液(包含目標化學品)被從發酵罐液體的表層區被吸走，同時發酵劑很大程度上得以保留。對於外部沉降器來說，發酵生物體的絮凝對於操作與即得到足夠的沉降速度是必需的。例如，可使用絮凝發酵劑(如絮凝酵母)或可加入絮凝劑。使用如上和根據項目44的內部沉降器也可降低在發酵罐中的感染風險，因為在發酵罐中的流動速率對具有比液體在管道中上升的平均速率低的沉降速率的任何東西，包括感染性生物如細菌，都提供了「洗去」。因此，發酵罐中的液體的高周轉可從發酵罐中衝洗掉感染性生物，這降低了在發酵罐中的感染風險。此外，如果在其中將從發酵罐中排出的發酵液返回到高溫區域如本發明的容器中的系統中使用內部沉降器，則可在很大程度上殺死或鈍化來自發酵罐的感染性生物體，由此降低了在整個系統中的感染性生物的濃度。在本發明系統方面的實施方式中，發酵罐適配成保留在發酵期間發酵罐中提供的發酵生物體。例如，發酵罐可適配成保留酵母。發酵罐可例如通過具有如上所述的「內部沉降器」而適配成保留髮酵生物體。在本發明方法方面的實施方式中，步驟a)的得自纖維素的漿料通過包括如下的方法而獲得al)提供經任選預處理的纖維素生物質；和bl)在與所述容器相分開的至少一個水解單元中將來自步驟al)的纖維素生物質水解，以獲得得自纖維素的漿料。在該實施方式中，得自纖維素的漿料在將其加入到容器之前優選進行中和。例如通過加入鹼如NaOH或石灰石來進行中和。例如，纖維素生物質可為木質纖維生物質如甘蔗渣或木材。木質纖維生物質是指包含纖維素、木質素和可能的半纖維素的生物質。木質纖維生物質可為例如木材殘渣或林產殘渣，如木材碎片、鋸木廠廢品或造紙廠廢品，或農業殘渣。木質纖維生物質是具有能提供高的淨能量獲取潛能的豐富原料並具有高的可再生ω2效率。「經預處理的纖維素生物質」是指已進行經預處理以改變其性質的纖維素生物質， 使得纖維素在隨後的水解期間更易處理。例如，預處理可降低纖維素生物質的結晶度和/ 或纖維素生物質的孔隙度。預處理可包括本領域技術人員公知的一個或多個預處理方法。 例如，預處理可為浸漬。浸漬是指將纖維素生物質用浸漬流體浸漬。該流體可為酸性溶液， 如無機酸溶液。浸漬也可用氣體如SO2-氣體或氣體與液體的組合來進行。預處理也可為氣蒸，或氣蒸後浸漬。氣蒸是指用來從纖維素生物質中驅除空氣以進一步促進纖維素水解的方法。氣蒸是用於預處理如木質纖維生物質的公知方法。作為其它實例，預處理可包括預水解、浸漬、氣蒸、蒸汽爆破或它們的任何組合。蒸汽爆破是指組合了氣蒸、剪切力和水解以破裂纖維素纖維的方法。將來自步驟al)的纖維素生物質進行水解是指將所述纖維素生物質的纖維素通過與水進行反應的化學而分解。例如，水解可為單步或兩步酸性水解。兩步酸性水解是指在酸性環境中(例如在PH低於4的環境中)在兩個步驟中任選地經預處理的纖維素生物質的水解。酸性環境可通過加入至少一種無機酸如硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、 硼酸和/或氫氟酸而實現。此外，兩步酸性水解中的至少一個水解步驟可在高於大氣壓的壓力下進行。兩個水解步驟可在兩個分開的水解單元和在兩種不同酸性環境中進行，這可通過在兩個水解單元中加入兩種不同的酸或通過在兩個分開的水解單元中使用不同壓力而實現。用於兩步酸性水解中的酸可為稀釋的酸。在本發明系統方面的實施方式中，所述系統進一步包含用於水解纖維素生物質並提供得自纖維素的漿料的至少一個水解單元，所述至少一個水解單元連接到所述容器。該至少一個水解單元可適用於根據上述的兩步酸性水解。該至少一個水解單元可包含不鏽鋼。在本發明方法方面的另一實施方式中，步驟a)的得自纖維素的漿料通過包含如下的方法獲得a2)提供任選地經預處理的纖維素生物質；和b2)將該纖維素生物質在所述容器中進行酶水解以得到得自纖維素的漿料。關於「經預處理的纖維素生物質」，參見上面所述。該實施方式還可包括酶預水解。 在任選地經預處理的纖維素生物質輸送到容器之前，可使用酶預-水解來降低其粘度。因此，步驟^)可為將任選地經預處理的纖維素生物質進行酶預水解。酶預水解因此可為與在b2)中容器相分開的單元中進行的分開的步驟。經預處理的生物質優選在進行預水解或加入到所述容器之前被中和。例如，纖維素生物質可為木質纖維生物質，如甘蔗渣或木材。木質纖維生物質和經預處理的纖維素生物質如上所述。酶水解是指通過至少一種酶催化的水解反應。所述至少一種酶可為至少一種糖化酶，其是指可將纖維素生物質轉化或水解成能發酵的糖類如單糖和/或二糖的至少一種酶。該糖化酶可為水解多糖的糖苷酶。糖苷酶的實例包括纖維素水解糖苷酶，如纖維素酶、內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶， 半纖維素水解葡萄糖苷酶，如木聚糖酶、內切木聚糖酶、外切木聚糖酶、β -木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶和葡糖醛酶，以及澱粉水解葡萄糖苷酶，如澱粉酶、α -澱粉酶、β -澱粉酶，葡糖澱粉酶α -葡糖澱粉酶、和異澱粉酶，或在EC3. 2. l.x(如EC3. 2. 1. 4，其中EC為Enzyme Commission數)中記載的酶中的任何酶，。如果使用預水解，可在預水解時就加入在容器中的酶水解期間所使用的全部或一些酶。例如，糖化酶可用於步驟1^2)，並且糖化酶還可進一步從容器中收取並重複使用。從所述容器中收取和重複使用酶可減少水解纖維素生物質時對外部酶的使用或需求。可從排出容器的內容物中收取酶。如果漿料連續排出容器，則可從容器中連續收取酶。如果在處理的特定時間後或當達到了特定目標化學品濃度時容器被排空，則可從容器中排空出的物料中收取酶。然後可在步驟1^2)中重複使用所收取的酶以從新的纖維素生物質中獲得得自纖維素的漿料。在本發明系統方面的實施方式中，所述系統進一步包括連接到所述容器的、用於從所述容器收取酶的酶收取裝置。酶收取裝置可包含用於收取酶的提純裝置，例如與所收取酶具有親合性的至少一個親合系統或親合色譜柱。在本發明方法方面的實施方式中，在容器中的漿料溫度在30-100°C之間，如在 40-70 0C之間，並且在發酵罐中的液體級分的溫度在25-90 °C之間，如在洲_38 °C之間。因此，在容器中的漿料溫度和在發酵罐中的液體級分溫度可不相同。不同溫度可有助於容器中的漿料和在發酵罐中的發酵的良好狀態。例如，如果在步驟1^2)中在所述容器中進行酶水解，則與在發酵罐中將能發酵的糖類進行發酵時的最佳溫度相比，在所述容器中的酶水解反應的溫度可為不同的最佳溫度。例如，如果將酵母用作發酵罐中的發酵生物體且在步驟1^2)中使用酶水解，則在所述容器中的漿料溫度可在60-90°C之間，和在發酵罐中的發酵液溫度可為約35°C。此外，如果將嗜熱微生物用作在發酵罐中的發酵生物體，則發酵罐中的液體的最佳溫度可在60-90°C之間。作為進一步的實例，如果通過步驟al)和 bl)而獲得纖維素生物質，則容器中的漿料溫度和發酵罐中的發酵液的溫度可相似，例如約 35 "C。在本發明系統方面的實施方式中，所述容器具有加熱器。如果例如在所述容器中提供的得自纖維素的漿料和/或輸送到所述容器中的發酵液具有比所期望的低的溫度，則加熱器有助於容器的溫度升高。如果例如在所述容器中如在如上所述的步驟1^2)中進行酶水解，則酶水解反應可具有較高的最佳溫度，即最大數量的多糖通過酶催化的反應水解的比得自纖維素的漿料的溫度和/或發酵液的溫度高的溫度。因此，與例如在發酵罐中相比，在容器中加熱器可有助於利用不同的溫度。在本發明系統方面的另一實施方式中，發酵罐具有冷卻器。如果發酵罐具有冷卻器，如果輸送到發酵罐中的液體級分的溫度比對於發酵反應有利的溫度更高，則其有助於發酵罐中溫度的降低。在本發明方法方面的實施方式中，步驟e)包括通過將發酵液與步驟C)的液體級分熱接觸而對其加熱。將發酵液與液體級分熱接觸是指將發酵液處於其中它可以熱的形式與液體級分進行能量交換的條件。例如，可在換熱器中實現熱接觸。例如，在換熱器中將發酵液與液體級分進行熱接觸是在發酵液和液體級分之間被動交換熱量的有效方式。因此，如果容器中的溫度高於發酵罐的最佳溫度，例如如果在容器中進行步驟1^2)中的酶水解，用輸送到發酵罐中的液體加熱輸送到所述容器中的液體，即在步驟C)的液體級分和步驟e)的發酵液之間交換熱量，這是在本發明方法和系統中保存能量的有效方式。如果在發酵罐和容器中各自使用不同溫度，則該熱交換也降低了冷卻發酵罐和/或加熱容器的必要性。在本發明系統方面的實施方式中，其中第一和第二連接裝置各自為第一和第二輸送裝置，所述系統進一步包括用於從液體級分輸送熱量到發酵液的換熱器，該換熱器布置在第一輸送裝置和第二輸送裝置上。例如，如果所述系統進一步包括第一和第二泵，則第一泵可布置在第一輸送裝置上的換熱器的上遊，且第二泵可布置在第二輸送裝置上的換熱器的上遊。在本發明的進一步方面中，提供了用於從得自纖維素的漿料中提取糖類的發酵的得自纖維素的水解產物的用途，其中得自纖維素的漿料具有的懸浮固體含量為5% -30%, 例如 8% -25%，例如 12% -17%。「發酵的得自纖維素的水解產物」因為進行了發酵而具有乙醇成分。優選地，所述得自纖維素的水解產物源自所述漿料，所述得自纖維素的水解產物由所述漿料以發酵形式來用於提取能發酵的糖類。測量懸浮固體含量的方法對本領域技術人員來說是公知的。與如果使用外部生產用水相比，使用用於從得自纖維素的漿料中提取能發酵的糖類的發酵的得自纖維素的水解產物可帶來對能發酵的糖類的較小稀釋。


圖1顯示了根據本發明實施方式的系統的示意圖，其中通過兩步酸性水解而獲得得自纖維素的漿料。圖2顯示了根據本發明實施方式的系統的示意圖，其中通過酶水解而獲得得自纖維素的漿料。圖3顯示了作為本發明構思證明的、用來製備乙醇的試驗裝置的示意圖。圖4顯示了實施例4的結果。水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖濃度繪製成時間的函數。X-軸表示為小時的時間，y_軸表示為g/Ι的濃度。實心菱形表示乙醇，空心三角表示葡萄糖和實心三角表示甘露糖。圖5表示實施例5的結果。水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖濃度繪製成時間的函數。X-軸表示為小時的時間，和y_軸表示為g/Ι的濃度。實心菱形表示乙醇，空心三角表示葡萄糖和實心三角表示甘露糖。圖6顯示了用於從發酵罐中排出包含目標化學品的液體，同時將發酵劑保留在發酵罐內部的系統的實例。實例性實施方式詳述下面更詳細地描述了本發明方法和系統的非限定性實施方式。實施例1.用於提供目標化學品的方法和系統，其中通過纖維素生物質的兩步酸性水解獲得得自纖維素的漿料圖1說明了公開的方法和系統的實施方式，其中通過兩步酸性水解獲得得自纖維素的漿料。用於提供目標化學品的系統包含用於容納得自纖維素的漿料的容器(1)。通過
17在兩個水解單元(18a和18b)中進行的兩步酸性水解，獲得具有懸浮固體含量約15%的得自纖維素的漿料。在第一水解單元(18a)中提供了例如通過氣蒸而預處理的的纖維素生物質，其中所述纖維素生物質處於例如170-190°C和pHl. 5-2. 5的條件。在兩步酸性水解的第二步驟中，在第二水解單元(18b)中纖維素生物質處於如190-210°C和pHl. 5-2. 5的條件以獲得得自纖維素的漿料，所述得自纖維素的漿料經由容器(14)的入口輸送到容器(1)。每個步驟的典型保留時間為5-10分鐘。在漿料進入容器(1)之前，通過加入鹼如NaOH或氨水進行中和。容器(1)連接到分離器O)，將部分得自纖維素的漿料通過第三輸送裝置(6) 如管道經由分離器O)的漿料進口 Oa)輸送到分離器O)。分離器例如可為帶式過濾器。 通過布置在第三輸送裝置(6)上的第三泵(10)來輔助漿料向分離器O)的輸送。分離器
(2)具有用於從漿料中分離液體級分的至少一個過濾器。將剩餘的懸浮固體級分經由所述分離器的懸浮固體級分出口 Oc)和第四輸送裝置(7)而返回到容器(1)，同時將液體級分經由分離器O)的液體級分出口(2b)、通過第一輸送裝置(4)如管道而經由發酵罐(3)的發酵罐入口(3a)輸送到發酵罐( 。通過布置在第一輸送裝置(4)上的第一泵(8)來輔助通過第一輸送裝置(4)的液體級分輸送。發酵罐C3)包含發酵生物體如絮凝釀酒酵母，該酵母將液體級分中的能發酵的糖類發酵成目標化學品如乙醇。例如用冷卻器(1 將發酵罐(3)的溫度調節成約35°C的溫度，這通常接近於當使用酵母時的發酵反應的最佳溫度。 將由此包含目標化學品的所獲發酵液以允許發酵生物體在發酵罐(3)中沉澱的速率從布置在發酵罐C3)頂部的發酵罐出口(3b)排出。因此，發酵生物體最大程度地保留在發酵罐
(3)中。將發酵液通過第二輸送裝置( 如管道從發酵罐出口(3b)返回到容器(1)。通過布置在第二輸送裝置( 上的第二泵(9)來輔助通過第二輸送裝置(5)的發酵液的輸送。 使部分得自纖維素的漿料從容器(1)到分離器O)的輸送過程、分離液體級分並將液體級分輸送到發酵罐(3)同時將懸浮固體級分返回到容器(1)的過程、以及將發酵液返回到容器(1)的過程連續重複。因為將包含目標化學品的發酵液返回到容器(1)，在系統中目標化學品的濃度逐漸增大。上述各過程連續地重複直至在容器(1)中達到目標化學品的期望濃度。然後，將容器(1)的全部內容物輸送到可包含蒸餾塔的目標物收取單元(16)。容器 (1)的內容物流可在被輸送至目標物收取單元(16)的同時經過少一個過濾器(17)以降低懸浮固體含量。然後通過例如在蒸餾塔中的蒸餾而在目標物收取單元(16)中收取目標化學品如乙醇。此外，上述公開的系統還可裝備有促進第一輸送裝置(4)和第二輸送裝置(5) 之間熱量交換的換熱器，以進一步最優化系統中的能量利用。實施例2.用於提供目標化學品的方法和系統，其中通過纖維素生物質的酶水解獲得得自纖維素的漿料圖2說明了公開的方法和系統的實施方式，其中通過酶水解獲得得自纖維素的漿料。用於提供目標化學品的系統包含用於容納得自纖維素的漿料的容器(1)。通過經由容器(14)的入口而向容器(1)提供經預處理的纖維素生物質，從而獲得具有懸浮固體含量為10-15%，優選10-13%的得自纖維素的漿料。纖維素生物質可例如通過稀酸處理和/或蒸汽爆破而進行預處理。然後使用糖化酶在容器(1)中將經預處理的纖維素生物質進行酶水解。這些酶催化了經預處理的纖維素生物質中的多糖向能發酵的糖類如二糖和單糖的水解。經預處理的纖維素生物質的逐漸分解可帶來在容器中比經預處理的纖維素生物質的進料中低的懸浮固體含量。在約65°C溫度時容器(1)中使用的糖化酶的催化周轉率(catalytic turnover)最高，因此在容器(1)上布置加熱器(12)以加熱容器(1)中得自纖維素的漿料。容器(1)連接到分離器( 。將部分得自纖維素的漿料經由第三輸送裝置(6) 如管道而通過分離器的漿料進口 Oa)輸送到分離器( 。通過布置在第三輸送裝置(6)上的第三泵(10)來輔助漿料向分離器O)的輸送。分離器(2)具有用於從漿料中分離液體級分的至少一個過濾器。將剩餘的懸浮固體級分經由分離器的懸浮固體級分出口 Oc)和經由第四輸送裝置(7)而返回到容器(1)，同時將液體級分經由分離器O)的液體級分出口(2b)、通過第一輸送裝置(4)如管道而經由發酵罐的發酵罐入口(3a)輸送到發酵罐(3) 中。通過布置在第一輸送裝置(4)上的第一泵(8)來輔助通過第一輸送裝置(4)的液體級分輸送。發酵罐C3)包含發酵生物體如絮凝釀酒酵母，該酵母將液體級分中的能發酵的糖類發酵成目標化學品如乙醇。將由此包含目標化學品的所獲發酵液以允許發酵生物體在發酵罐⑶中沉澱的速率從布置在發酵罐⑶頂部的發酵罐出口(3b)排出。因此，基本上所有的發酵生物體保留在發酵罐(3)中。發酵生物體的發酵速率具有約35°C的最大溫度，即低於容器⑴中的漿料溫度。因此，在發酵罐⑶上布置冷卻器(13)以將發酵罐(3)的溫度降低到期望水平。將發酵液通過第二輸送裝置( 如管道從發酵罐出口(3b)返回到容器 (1)。通過布置在第二輸送裝置( 上的第二泵(9)來輔助通過第二輸送裝置( 的發酵液的輸送。此外，第一輸送裝置(4)和第二輸送裝置( 在換熱器(11)中進行熱接觸，這說明降低了在第一輸送裝置中輸送的液體級分的溫度，和升高了在第二輸送裝置(5)中輸送的發酵液的溫度，由此有助於系統中的有效能量節約以及布置在容器(1)上的加熱器 (12)和布置在發酵罐C3)上的冷卻器(1 的較少使用。使部分得自纖維素的漿料從容器 (1)到分離器(2)的輸送過程、分離液體級分並將液體級分輸送到發酵罐(3)中同時將懸浮固體級分返回到容器(1)的過程、以及將發酵液返回到容器(1)的過程連續重複。因為將包含目標化學品的發酵液返回到容器(1)中，在系統中目標化學品的濃度逐漸增大。上述各過程連續地重複直至在容器(1)中達到目標化學品的期望濃度。然後，將容器(1)的全部內容物輸送到可包含蒸餾塔的目標物收取單元(16)。容器(1)的全部內容物可經過酶收取裝置(15)，所述收取裝置包含用於糖化酶的親合裝置，從而可收取酶並在容器(1)中的進一步水解反應中重複使用。此外，容器(1)的內容物在被輸送到目標物收取單元(16)的同時可經過至少一個過濾器(17)以降低懸浮固體含量。然後例如通過在蒸餾塔中的蒸餾而在目標物收取單元(16)中收取目標化學品如乙醇。實施例3.用於從發酵罐中排出包含乙醇的液體同時將絮凝酵母保留在發酵罐內部中的系統圖6顯示了用於從發酵罐中排出包含乙醇的液體同時將絮凝酵母保留在發酵罐內部中的系統。發酵罐Gl)連接到入口管G2)和出口管04)。在所示實例中，四個管道 (43)連接到所述出口管並在發酵罐中液體表面G7)之下延伸。絮凝酵母G6)存在於發酵罐的液體中，並提供攪拌器0 以均質化液體-酵母混合物(從而提供有效的發酵)。通過對出口管G4)施加負壓而將包含由絮凝酵母G6)製得的乙醇的液體從管道排出。 設置管道G3)的尺寸如直徑以使得包含乙醇的液體在管道G3)中上升的速率小於絮凝酵母G6)的平均沉降速率。此外，攪拌器的布置和攪拌水平使得發酵罐中液體表面G7)之下延伸的出口管G3)的開口處的湍流運動最小化。由此，包含乙醇的液體從發酵罐Gl) 中排出，同時絮凝酵母G6)保留在發酵罐Gl)的內部。
試驗件實施方式下面非限定性實施例來進一步解釋本發明。實施例4.包括酶水解的乙醇製備原料與方法在圖3中展示了實施例4的試驗裝置的示意圖。水解容器(31)用2500ml得自纖維素的漿料填充，該漿料最初具有17. 2% SS(w/w)的懸浮固體含量。水解容器(31)的溫度為40°C和pH為約5. 0。將糖化酶(獲自Novozymes的Celluclast)以7. 5FPU/g的乾料量加入到水解容器(31)中。此外，將過量的β-葡萄糖苷酶也加入到水解容器(31)中。在通過使用第一攪拌器(39b)的連續攪拌期間，在厭氧環境中進行水解容器(31)中的酶水解反應。液體級分通過兩個過濾器(33a和33b)從水解容器(31)中分離出，並使用第一泵 (34)將其從第一管道(3 輸送到300ml的發酵容器(3 。向發酵容器(3 中初始加入約9g/l量的絮凝酵母。發酵容器(32)的溫度為35°C和pH為約5.0。在通過使用第二攪拌器(39a)的連續攪拌期間，在厭氧環境中進行發酵容器(3 中的發酵。發酵液通過經由 「內部沉降器」 (36)緩慢排出-所述內部沉降器是絮凝酵母不能通過的圓筒，因為其沉降速度高於液體的向上運動。使用第二泵(38)將發酵液從第二管道(37)輸送返回到水解容器 (31)，同時酵母保留在發酵容器(32)中。結果在96小時內實施該試驗。測量平均循環流量為約200ml/小時，即水解容器(31) 的全部液體成分在12. 5小時內得以再循環。在整個試驗中自始至終測量了在水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖濃度，且結果示於圖4中。96小時後，在水解容器中的乙醇濃度為約37.6g/l。在發酵容器中測量出稍微高的量。這說明，96小時後，在系統中殘留有約12.3g/l的能發酵的糖類濃度。理論上，如果試驗進行更長的時間，該量可帶來另外的 4-5g/l乙醇，即在水解容器中產生超過40g/l的總乙醇濃度。葡聚糖周轉率估計為約70%。測量乙醇收率為最高理論水平的約73%，這可能表明，在試驗期間乙醇在系統中蒸發，和產生了比可測到的濃度更高的乙醇濃度。因此，實施例4是本發明方法和系統的驗證，並表明可製備高濃度的乙醇。實施例5.無酶水解的乙醇製備原料與方法使用在實施例4中描述的相同的試驗裝置，但未向水解容器(31)中加入酶。此夕卜，向水解容器(31)中加入初始濃度各自為llg/Ι和16g/l的葡萄糖和甘露糖，且水解容器(31)的溫度為50°C。結果在25小時內實施該試驗。在整個試驗中自始至終測量了在水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖濃度，且結果示於圖5中。25小時後，與實施例4相比，糖類濃度降低地更快且所有糖類或多或少有所消耗。這可能是因為由於在水解容器中缺乏糖化酶而沒有產生其它糖類。25小時後，乙醇濃度為約16g/l，這與實施例4中所得濃度相比更低。然而，這也可通過試驗期間的較低的初始糖類濃度和缺乏糖化酶得以解釋。乙醇收率為最大理論乙醇收率的86%。因此，在實施例5中獲得的結果也是用於製備目標化學品的公開的方法和系統的良好驗證。實施例6.用於提供目標化學品的方法和系統，其中使用了多個漿料容器圖7展示了使用多個漿料容器1的系統和方法。將來自每個容器1的得自纖維素的漿料在分離器2中分離成液體級分和懸浮固體級分。將得自纖維素的漿料經由第三輸送裝置6供應到分離器2，並將懸浮固體級分經由第四輸送裝置7從分離器2返回到容器1。 通過第一輸送裝置4將來自所有分離器2的液體級分合併成進入發酵罐3的單一進料71， 並將液體級分的能發酵的糖類在發酵罐3中進行發酵以生產目標化學品。發酵優選通過發酵生物體如酵母來進行，且發酵罐3可適配成保留酵母。通過第二輸送裝置5將來自發酵罐3的發酵液返回到容器1中。第二輸送裝置5可因此包含接收來自發酵罐3的發酵液的單一入口和將發酵液返回到各自容器1的多個出口。換熱器(在圖7中未顯示)可布置在第一輸送裝置4和第二輸送裝置5上，以使得熱量可從通向發酵罐3的液體級分輸送到從發酵罐3導出的發酵液。將得自纖維素的物料經由容器入口 14而進料到容器1。得自纖維素的物料可為水解的或剛經預處理的。如果得自纖維素的物料是剛經預處理的，則其在容器1中進行酶水解。例如，在預定時間內，可從容器1中的自纖維素的漿料連續地分離出液體級分，並可將發酵液連續地返回到容器1，直至在容器1中達到預定的目標化學品濃度或直至在容器1中消耗掉預定量的可用的能發酵的糖類。然後可經由容器1的出口(在圖7中未顯示)將來自容器的得自纖維素的漿料輸送到目標物收取單元(在圖7中未顯示)。各容器1可同時填充，但優選將它們依次填充。因此，單一預處理過程或單一水解過程可提供進料到所有容器1中的得自纖維素的材料。因此，每個容器1可循環操作，且各個容器1的循環可彼此不同步。一個循環可例如包含填充、液體的連續分離和返回以及排空。例如，如果使用了四個容器1，則可填充第一容器1，而第二容器1處於分離和返回的初期階段，第三容器1處於分離和返回的分離和返回的後期階段，而第四容器1被排空。這允許發酵罐3的連續操作，布置在容器1上遊的任何預處理和/或水解過程，以及布置在容器的下遊的目標物收取單元(如蒸餾裝置)。
2權利要求
1.用於提供目標化學品的方法，包括a)在一個或多個容器中提供包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料；b)將來自所述一個或多個容器的得自纖維素的漿料進行分離，以提供包含來自所述得自纖維素的漿料的部分所述能發酵的糖類的液體級分和懸浮固體級分，將該懸浮固體級分返回到所述容器中；c)將所述液體級分輸送到發酵罐；d)使所述發酵罐中的所述液體級分的能發酵的糖類發酵以提供包含所述目標化學品的發酵液；和e)將所述發酵液返回到所述一個或多個容器中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中從所述一個或多個容器中收取所述目標化學品。
3.根據權利要求2所述的方法，其中在所述一個或多個容器中的溫度至少為60°C，如至少70°C。
4.根據權利要求1所述的方法，進一步包括f)在一個或多個目標物收取單元中從所述一個或多個容器的至少部分內容物中收取所述目標化學品。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述目標化學品選自乙醇、丁醇和琥珀酸。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中步驟d)包括使所述液體級分接觸發酵生物體以得到所述發酵液。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述發酵生物體保留在所述發酵罐中。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中步驟a)的所述得自纖維素的漿料通過包括如下的方法獲得al)提供任選地經預處理的的纖維素生物質；和bl)將來自步驟al)的所述纖維素生物質在與所述容器相分離的至少一個水解單元中進行水解，以獲得所述得自纖維素的漿料。
9.根據權利要求1-7任一項所述的方法，其中步驟a)的所述得自纖維素的漿料通過包括如下的方法獲得a2)提供任選地經預處理的的纖維素生物質；和b2)將所述纖維素生物質在所述容器中進行酶水解以得到所述得自纖維素的漿料。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中在所述一個或多個容器中的所述漿料的溫度比在所述發酵罐中的所述液體級分的溫度至少高5°C，如至少高10°C或15°C。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中在所述一個或多個容器中的所述漿料的溫度在30-100°C之間，如在40-70°C之間，和在所述發酵罐中的所述液體級分的溫度在25-90°C之間，如在之間。
12.根據權利要求8和9中任一項所述的方法，其中所述纖維素生物質為木質纖維生物質，如甘蔗渣或木材。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中步驟e)包括通過將所述發酵液與步驟c)的所述液體級分熱接觸而加熱所述發酵液。
14.用於將能發酵的糖類發酵成目標化學品的系統，包含用來容納包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料的至少一個容器；用來將來自所述至少一個容器的得自纖維素的漿料分離成液體級分和懸浮固體級分的至少一個分離器，所述分離器包含漿料入口、液體級分出口和懸浮固體級分出口 ；用來將所述液體級分的至少部分所述能發酵的糖類進行發酵以產生發酵液的發酵罐， 所述發酵罐包含進口和出口 ；連接所述分離器的所述液體級分出口和所述發酵罐入口以將所述液體級分從所述分離器輸送到所述發酵罐的第一輸送裝置，連接所述發酵罐出口和所述至少一個容器以將所述發酵液從所述發酵罐輸送到所述至少一個容器的第二輸送裝置，用於將至少部分所述漿料從所述至少一個容器輸送到所述分離器的所述料漿入口的第三輸送裝置，和用於將所述懸浮固體級分從所述分離器的所述懸浮固體出口返回到所述至少一個容器中的第四輸送裝置。
15.根據權利要求14所述的系統，進一步包含用於泵送所述液體級分的第一泵和/或用於泵送所述發酵液的第二泵，所述第一泵布置在所述第一輸送裝置上，所述第二泵布置在所述第二輸送裝置上。
16.根據權利要求14或15所述的系統，進一步包含用於泵送所述漿料的第三泵，所述泵布置在所述第三輸送裝置上。
17.根據權利要求14-16中任一項所述的系統，其中所述至少一個分離器包含至少一個過濾器、傾析器或離心機。
18.根據權利要求14-17中任一項所述的系統，進一步包含用於從所述液體級分向所述發酵液傳遞熱量的換熱器，所述換熱器布置在所述第一輸送裝置和所述第二輸送裝置上。
19.根據權利要求18所述的系統，其包含所述第一泵和所述第二泵，其中所述第一泵布置在所述第一輸送裝置上的所述換熱器上遊，和所述第二泵布置在所述第二輸送裝置上所述換熱器的上遊。
20.根據權利要求14-19中任一項所述的系統，其中所述至少一個容器具有加熱器。
21.根據權利要求14-20中任一項所述的系統，其中所述至少一個容器適配成從所述容器收取所述目標化學品。
22.根據權利要求21所述的系統，其中在所述至少一個容器上布置蒸餾裝置。
23.根據權利要求22所述的系統，其中所述蒸餾裝置包含蒸餾塔。
24.根據權利要求14-23中任一項所述的系統，進一步包含用於從所述至少一個容器的至少部分內容物收取目標化學品的目標物收取單元，所述目標物收取單元連接到所述至少一個容器。
25.根據權利要求14-24中任一項所述的系統，其中所述發酵罐具有冷卻器。
26.根據權利要求14-25中任一項所述的系統，其中所述發酵罐適配成保留髮酵期間在所述發酵罐中提供的發酵生物體。
27.根據權利要求沈所述的系統，其中所述發酵罐適配成保留酵母。
28.根據權利要求14-27中任一項所述的系統，進一步包含用於水解纖維素生物質並提供所述得自纖維素的漿料的至少一個水解單元，所述至少一個水解單元連接到所述至少一個容器。
全文摘要
本發明提供了用於提供目標化學品的方法，該方法包括在一個或多個容器中提供包含能發酵的糖類的得自纖維素的漿料；將來自所述一個或多個容器中的得自纖維素的漿料進行分離，以提供包含來自所述得自纖維素的漿料的部分所述能發酵的糖類的液體級分和懸浮固體級分，將該懸浮固體級分返回到所述容器中；將所述液體級分輸送到發酵罐中；使所述發酵罐中的所述液體級分的能發酵的糖類發酵以提供包含所述目標化學品的發酵液；以及將所述發酵液返回到所述一個或多個容器中。
文檔編號C12P7/10GK102459620SQ201080028540
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者H.哥倫德伯格 申請人:瑞典乙醇化工技術有限公司