纤维素生物燃料制造技术

本发明专利技术描述了使用单一纤维素原料或两种或多种不同纤维素原料的组合与淀粉组分生产发酵产物的方法。该方法包括使用分提分离纤维素原料的多个组分，由使用化学品的湿法分提预处理组分，水解和发酵经预处理的原料，从而生产纤维素生物燃料。该方法可包括合并纤维素原料与其他组分至烧煮和/或发酵过程，对合并的组分进行蒸馏和脱水以生产所述生物燃料。该方法还可包括从原料生产全釜馏物流并机械加工该全釜馏物流以生产高价值蛋白动物饲料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纤维素生物燃料相关申请的交叉参考本应用要求2013年3月15日提交的标题为“纤维素生物燃料”的美国临时申请号61/799,942的优先权，其内容通过引用全文纳入本文。
本专利技术的主题涉及处理来自单一原料或来自不同原料组合的组分，具体方法为进行整合至现有设施或针对现有设施改造的多种工艺，并合并这些原料与从现有设施生产的其他组分以生成乙醇、纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料。背景美国依赖进口石油来满足运输燃料的需求。为降低对进口石油的依赖，国会通过了能源政策法案以设立可再生燃料标准(RFS)项目。RFS项目包括要求将可再生燃料加入运输燃料。可再生燃料包括基于生物质的柴油、先进生物燃料和纤维素生物燃料。到2022年，环境保护署(EPA)提出通过RFS项目加入360亿加仑的可再生燃料。对于2013年，EPA提出美国使用的全部燃料供应中至少10％来自可再生燃料。例如，预期的纤维素生物燃料体积产量为每年1400万加仑。(EPA-420-F-13-007，2013年1月)。作为RFS项目的结果，各工厂正评估新的技术以从多种原料生产纤维素生物燃料。纤维素乙醇是一种生物燃料，其通过将纤维素中的糖转化为醇燃料来生成。各工厂正整合新的技术来使用其现有设施生产纤维素生物燃料，具体方法为将纤维素材料和谷物淀粉转化为生物燃料。整合新技术来使用现有设施生产纤维素生物燃料有助于通过利用现有设施中现有管道、储存和加载设备来降低纤维素生物燃料商业生产的成本。纤维素材料很丰富，因为植物、树木、灌木、草地和其他植物部分(即玉米秸：叶、壳、茎秆、穗轴)中均可见纤维素。纤维素是绿色植物的细胞壁组分。然而，将纤维素材料转化为纤维素生物燃料往往具有难度。难点包括难以释放纤维素材料中的糖；糖的释放生成抑制发酵的副产物；以及难以发酵这些糖。因此，需要以成本节约方式将纤维素原料转化为纤维素生物燃料以满足RFS的要求。
技术实现思路
本专利技术描述了一种将多种工艺整合至现有装置系统以提高总产量的方法。该方法包括鉴定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，该现有装置系统包括碾磨工艺、烧煮工艺、发酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺。待整合的各工艺包括：增加分提工艺将分离麸皮(bran)与原料中的其他组分相分离，增加预处理工艺来通过使用水和热分解麸皮中的纤维素和半纤维素，以及增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶水解麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒(cellulosicbeer)。随后，该方法将纤维素啤酒与来自现有装置系统中谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料单位的总产量。本专利技术描述了一种处理纤维素原料的方法。该方法包括分提纤维素原料，通过将纤维素原料的组分分成与小颗粒料流分离的大颗粒料流，并通过向罐中的大颗粒料流添加水来对该大颗粒料流进行预处理以生成低固浆料，该低固浆料中固体的百分比占小于约25％。随后，该方法包括将蒸汽直接注入低固浆料以提高该低固浆料的温度，向已加热的低固浆料添加化学品以导致反应区发生；以及水解并发酵该低固浆料以生产纤维素啤酒。本专利技术还描述了一种生产发酵产品的方法。该方法包括通过添加热和酸来分解纤维素和半纤维素并使用碱进行中和来预处理纤维素原料，并通过添加酶将纤维素和半纤维素转化为糖来水解预处理过的原料，以及使用生物体发酵该预处理过的原料以生产发酵产品。提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。要求保护的主题的其他方面和优势会从下文各实施方式的详细描述和附图中显见。附图简要说明参考附图列举了详细描述。在各附图中，附图标记最左侧的数字表示该附图标记首次出现的附图号。在不同附图中使用相同的附图标记来表示类似或相同的元件。这些附图不将要求保护的主题限制为本文所述具体实施方式。图1显示使用干法分提来生产纤维素生物燃料的示例性过程。图2和3显示干法分提的示例性过程。图4显示预处理的示例性工艺。图5显示水解的示例性工艺。图6显示使用前端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示例性过程。图7显示前端湿法分提的示例性过程。图8显示前端湿法分提的另一个示例性过程。图9显示前端湿法分提的另一个示例性过程。图10显示使用后端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示例性过程。图11显示后端湿法分提的示例性过程。专利技术详述概述本专利技术描述了使用单一纤维素原料或两种或多种不同纤维素原料的组合以整合至现有设备或针对现有设施改造的过程生产纤维素生物燃料的技术。生产纤维素生物燃料的益处包括温室气体排放(GHG)比新配方汽油降低85％。例如，整合式设计将降低现有设施的生产成本，同时消除向现有设备的直接化石燃料输入。结果是，碳足迹可能是约42gCO2e/MJ乙醇产热。本专利技术的一个总体预期益处包括加速成本经济型纤维素生物燃料进入市场以减少进口石油的消耗。另一个益处是提高现有装置系统中每原料单位的总产量。影响生产纤维素生物燃料可能性的变量包括能够整合新技术以降低纤维素生物燃料商业生产的成本。整合式设计的益处包括使用现有道路、人工、水、管道、储存和加载设备，其都是在现有设施中可用的。其他益处包括生成多样化的产品(如热、电力和动物饲料)并减少固体表面上的污垢，这些污垢对于整合式方法的部分功能是有害的。除这些益处以外，所述方法还包括再循环热和电力，提高生物燃料的每原料单位产量，并生产纤维素生物燃料。这些用于生产纤维素生物燃料的整合式方法包括如何通过使用玉米及其组分的单一纤维素原料，高粱和玉米的单一或合并的纤维素原料，或其他植物部分、纤维素生物质、木本作物、能源作物或其他类型的草本的合并原料来生产发酵产品。这些材料很丰富，因为植物、树木、灌木、草本和其他植物部分(即玉米秸：叶、壳、茎秆、穗轴)均可见。这些整合式方法包括碾磨或分离原料的组分、使用化学品预处理原料的组分、调节预处理后原料的pH、水解和发酵预处理过的原料以生产纤维素生物燃料。这些方法还可包括将已发酵的原料与原料的其他组分混合以烧煮和/或发酵、蒸馏和脱水发酵后的原料以生产乙醇和纤维素生物燃料。这些方法还可包括生产全釜馏物流(wholestillagestream)并机械加工该全釜馏物流以生产高价值蛋白动物饲料。任意数目的所述工艺可以任意顺序组合以实施本方法或替代性方法。此外，也可以省略一个或多个所提供的步骤。虽然所述技术的各方面可在任意数目的不同环境和/或配置中实施，但在以下示例性环境中对这些实施进行描述。虽然针对整合式方法描述了这些技术，但可应用这些技术以在现有设施旁设置装置以生产纤维素生物燃料。说明性环境图1-11包括显示示例性过程的流程图。这些过程可使用不同的环境和设备进行。该设备不应理解为在其运行过程中必然是顺序依赖的。任意数目的所述工艺或设备件可以任意顺序组合以实施特定方法或替代性方法。此外，还可以省略一个或多个所提供的步骤或设备。图1显示使用干法分馏来生产纤维素生物燃料、乙醇和动物饲料的示例性概述过程100。这些系列操作可参见工厂的干法研磨过程。例如，以连续方式操作所示过程100。然而，这些纤维素过程可以间歇过程、合并的连续和间歇过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将各过程整合至现有装置系统的方法，所述方法包括：确定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，所述现有装置系统包括研磨工艺、烧煮工艺、发酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺；增加分提工艺以将麸皮与原料中的其他组分分离；增加预处理工艺用水和热分解所述麸皮中的纤维素和半纤维素；增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶复合物/混合物水解所述麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒，以及将所述纤维素啤酒与来自所述现有装置系统中所述谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料单位的总产量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.15 US 61/799,9421.一种将各过程整合至现有装置系统的方法，所述方法包括：确定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，所述现有装置系统包括研磨工艺、烧煮工艺、发酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺；增加分提工艺以将麸皮与原料中的其他组分分离；增加预处理工艺用水和热分解所述麸皮中的纤维素和半纤维素；增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶复合物/混合物水解所述麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒，以及将所述纤维素啤酒与来自所述现有装置系统中所述谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料单位的总产量。2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过由所述预处理工艺释放蒸汽并将所述蒸汽以送至所述现有装置系统的上述工艺中使用来回收能量。3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括重新引导来自所述现有装置系统中各工艺的烧煮用供水以用于所述预处理工艺。4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将来自所述预处理工艺的冷凝物循环至预处理水罐。5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在所述现有装置系统中由所述谷物的淀粉与纤维素啤酒一起发酵为啤酒；蒸馏所述啤酒从而将醇与固体和液体分离；除去所述醇中的水分；以及向所述醇中添加变性剂以生成生物燃料。6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在所述现有装置系统中由所述谷物的淀粉与纤维素啤酒一起发酵为啤酒；蒸馏所述啤酒从而将醇与固体和液体分离；将所述固体和所述液体分离为湿饼和浓缩物；以及生...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·贾沃斯，C·R·W·杰肯，S·范德格里安得，J·斯普纳，J·P·里克立德，L·马尔伯格，R·E·赫夫林，D·B·里维斯，S·D·科尔，K·A·迪克尔，
申请(专利权)人：ICM公司，
类型：发明
国别省市：美国;US