木质纤维素转化过程强化的制作方法
木质纤维素转化过程强化的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及与可再生材料和生物燃料生产相关的方法和系统。本发明的方面涉及 木质纤维素转化方法，其中常规方法中的多个方法步骤组合于单个单元操作中。
[0002] 发明背景
[0003] 木质纤维素加工包括多个单元操作，以便将可用糖（诸如蔗糖、半纤维素和纤维 素）经济地转化为所要分子（诸如生物燃料和生物化学品）。举例来说，用于木质纤维素加 工的典型配置可以包括原料制备、水解、发酵和蒸馏的步骤。通常一起进行这些步骤以便最 大化所有可用碳水化合物的转化产率而不形成有时毒性的副产物（诸如呋喃或有机酸）。
[0004] 生物燃料生产从环境立场出发是所要的，但为了商业化，生物燃料生产必须是经 济上可行的。加工的高资金成本和总体经济妨碍商业化。需要并且希望使木质纤维素加工 中的资金减到最少同时维持转化产率，特别是在可再生材料（诸如生物燃料）的生产中。 发明概要
[0005] 本发明涉及用于生产生物燃料和其它可再生材料的方法和系统，以及根据所述方 法制造的生物燃料组分组合物。与木质纤维素生物质的传统加工相比，下文所述的方法和 系统导致资金减到最少同时维持或改进产率。
[0006] 根据一些实施方案，一种生产可再生材料的方法可以包括使多糖材料水解，同时 从包括所述多糖材料和所述可再生材料的混合物中纯化出所述可再生材料。举例来说，所 述多糖可以包括半纤维素，并且所述水解可以包括热化学水解。作为另一个实例，所述可再 生材料可以包括简单的醇，并且所述纯化可以包括蒸馏发酵液的一部分。此外，所述方法可 以包括与使用木质纤维素原料的发酵过程分开进行的蒸馏水解，其中供应的热量促使蒸馏 和水解。
[0007] 本文中所用的木质纤维素原料可以包括半纤维素材料、纤维素材料和木质素材 料。另外，所述木质纤维素原料可以包括非结合碳水化合物材料。举例来说，所述木质纤维 素原料可以包括甘蔗、能源甘蔗、芒草、高粱、甜高粱、象草、玉米秸杆、玉米穗轴、叶子、农业 残余物、柳枝稷、芦竹、能源草、城市固体废弃物和/或其混合物。
[0008] 根据某些实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法包括以下步 骤：(a)从发酵液分离所述可再生材料，同时使半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材 料，（b)使纤维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料，和（c)使所述戊糖材料和所述 己糖材料发酵，以产生包含所述可再生材料的发酵液。
[0009] 在某些实施方案中，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和所述己糖材料发 酵的步骤可以基本上同时进行。此外，在某些实施方案中，所述分离步骤可以包括蒸馏所述 可再生材料。
[0010] 根据额外实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法包括：(a)在 半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合物材料发酵，以产生可 再生材料，（b)从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材 料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料，（C)使纤维素材料的至少一 部分水解，以形成己糖材料，和（d)使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材 料。
[0011] 根据本发明，存在多种可以进行这种方法的步骤的方式。在某些实施方案中，步骤 (C)和步骤（d)可以基本上同时进行。同样，在某些实施方案中，步骤（a)和步骤（d)可以 一起进行。此外，步骤（a)和步骤（d)的所述可再生材料可以在步骤（b)之前组合。在某 些实施方案中，所述木质素材料可以在步骤（c)与步骤（d)之间分离。另外或或者，为了分 离所述可再生材料而供应的热量还可以使所述半纤维素材料水解。
[0012] 通过本文中的方法制造的可再生材料可以包括例如简单的醇。根据一些实施方案 制造的可再生材料的实例包括乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、脂肪醇、异丁烯、类异戊二烯、 甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇和/或丁二醇。所述可再生材料可以包括适用 作生物燃料、混合原料、化学品、中间物、溶剂、粘着剂、聚合物和/或润滑剂的材料。所述可 再生材料可以包括一种或多种生物燃料组分，诸如脂质或醇（即乙醇、丁醇和/或异丁醇）。 所述生物燃料可以包括汽油、柴油、喷气燃料和/或煤油。
[0013] 根据一些实施方案，一种用于从木质纤维素原料生产可再生材料的系统可以包括 蒸馏水解单元；和发酵单元。所述系统还可以包括木质素分离单元。在某些实施方案中，所 述系统可以包括原料调节单元，其包括大小减小装置。另外，在某些实施方案中，所述系统 可以包括再循环线路。
[0014] 根据一些实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括：(a) 在第一发酵步骤中，在半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合 物材料发酵，以产生可再生材料，（b)从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素 材料分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料，（c) 在第二发酵步骤中，使所述戊糖材料的一部分发酵，以在具有所述木质素材料的发酵液中 产生可再生材料，和（d)将所述发酵液的一部分再循环到所述第一发酵步骤。在某些实施 方案中，所述发酵液的一部分可以在步骤（d)之前净化。所述方法还可以包括使所述纤维 素材料水解，以形成己糖材料；和使所述己糖材料的一部分发酵，以在发酵液中产生可再生 材料。此外，在某些实施方案中，所述水解和发酵可以与步骤（c)基本上同时进行。
[0015] 附图简述
[0016] 并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的【附图说明】了本发明的实施方案，并 且与描述一起用于解释本发明的特征、优势和原理。在图中：
[0017] 图1是说明生产可再生材料的常规方法的过程流程图。
[0018] 图2是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的一个实施方案的过程流程图。
[0019] 图3是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的另一个实施方案的过程流程 图。
[0020] 图4是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的又一个实施方案的过程流程 图。
[0021] 图5是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的再一个实施方案的过程流程 图。
[0022] 发明详述
[0023] 本发明涉及使用包括过程强化的木质纤维素转化过程生产生物燃料和其它可再 生材料的方法和系统，以及根据所述方法制造的可再生材料。
[0024] 如本文中所用，术语"可再生材料"优选地是指至少部分地衍生自能够至少部分由 天然生态循环和/或资源置换的来源和/或过程的物质和/或物品。可再生材料可以广泛 地包括例如化学品、化学中间物、溶剂、粘着剂、润滑剂、单体、寡聚物、聚合物、生物燃料、生 物燃料中间物、生物汽油、生物汽油混合原料、生物柴油、绿色柴油、可再生柴油、生物柴油 混合原料、生物蒸馏物、生物炭、生物焦炭、可再生建筑材料等。作为一个更特 定实例，可再 生材料可以包括（但不限于）以下中的任一者或多者：乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、脂肪 醇、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇。在某些实施 方案中，可再生材料可以包括一种或多种生物燃料组分。举例来说，可再生材料可以包括简 单的醇（诸如乙醇、丁醇或异丁醇）或脂质。
[0025] 术语"生物燃料"优选地是指适用作至少部分衍生自可再生来源的燃料和/或燃 烧来源的组分和/或物流。生物燃料可以可持续地生产，和/或诸如当与化石燃料相比时 具有减少的向大气的净碳排放和/或无向大气的净碳排放。根据一些实施方案，可再生来 源可以排除诸如从地下开采或钻探的材料。在一些实施方案中，可再生资源可以包括单细 胞生物、多细胞生物、植物、真菌、细菌、藻类、中耕作物、非中耕作物、木料等。生物燃料可以 适用作运输燃料，诸如用于陆地运载工具、海上运载工具、航空运载工具等中。更具体来说， 生物燃料可以包括汽油、柴油、喷气燃料、煤油等。生物燃料可以适用于发电中，诸如提升蒸 汽、与适合传热介质交换能量、产生合成气、产生氢气、发电等。
[0026] "木质纤维素的"和"木质纤维素"优选地广泛地指含有纤维素、半纤维素、木质 素等的材料，诸如可以衍生自植物材料等。木质纤维素材料可以包括任何适合材料，诸如 甘蔗、甘蔗渣、能源甘蔗、能源甘蔗渣、稻、稻秸、玉米、玉米秸杆、玉米穗轴、小麦、麦杆、玉蜀 黍、玉蜀黍秸杆、高粱、高粱秸杆、甜高粱、甜高粱秸杆、芦竹、棉花残留、糖用甜菜、糖用甜菜 浆、大豆、油菜籽、麻风树属、柳枝稷、能源草、芒草、象草、其它草和这些材料中任一者的混 合物。木质纤维素材料一般来说还可以包括草、叶子、豆类、非禾本草本植物、仙人掌、木料、 木片、软木材（诸如松树和白杨）、硬木材（诸如桉树、橡树和山核桃木）、森林地被物、木材 废料、锯肩、纸、造纸厂残余物、纸品废物、农业残余物、城市固体废弃物、任何其它适合生物 质材料等。本文中所述的方法和系统中所用的木质纤维素原料典型地包括半纤维素材料、 纤维素材料和木质素材料。在某些实施方案中，木质纤维素原料还可以包括非结合碳水化 合物材料。
[0027] "木质素"优选地广泛地指可以是植物中的次生细胞壁的一部分的生物聚合物，诸 如可以共价键联到半纤维素的复杂高度交联芳香族聚合物。
[0028] "半纤维素"优选地广泛地指主要由戊糖组成的支链糖聚合物，诸如具有大体上无 规非晶结构并且典型地可以包括多达几十万个戊糖单元。
[0029] "纤维素"优选地广泛地指具有式（C6H1(l05)z的有机化合物，其中z包括任何适合 整数。纤维素可以包括例如具有几百到超过一万个己糖单元的线性链和高结晶度结构的多 糖。
[0030] "非结合碳水化合物"优选地广泛地指未结合或未聚合的糖汁或蔗糖。
[0031] 如上文所解释，木质纤维素加工包括多个单元操作，以便将可用糖（诸如蔗糖、半 纤维素和纤维素）经济地转化为所要分子（诸如生物燃料和生物化学品）。木质纤维素加 工的典型配置的一个实例由图1中的流程图说明。如图1中所示，木质纤维素加工20包括 将木质纤维素原料22馈送到原料制备单元24中，还向其中添加水26。从原料制备单元24 中的木质纤维素原料22和水26提取蔗糖汁28,并且将蔗糖汁28馈送到发酵单元36,同时 将剩余纤维与水混合物30馈送到水解单元32。将更多水26馈送到水解单元32,将其与纤 维与水混合物30混合。然后将水解的混合物34馈送到发酵单元36。在发酵单元36中，添 加C6和/或C5酶38,并且释放C02气体40。然后将发酵的纤维混合物42馈送到蒸馏单元 44,可以从所述蒸馏单元获得发酵产物46 (诸如乙醇），同时去除剩余纤维与水混合物48。
[0032] 通常进行这些步骤以便最大化所有可用碳水化合物的转化产率而不形成有时毒 性的副产物（诸如呋喃或有机酸）。
[0033] 为了最小化资金同时维持转化产率，可以经由过程强化来优化图1中说明的流程 图。更具体来说，可以将连续或非连续方法步骤组合于单个单元操作中以便实现多重结果。 因此，可以通过减少操作的数目，因此消除对某些设备件的需要，来实现资金最小化。
[0034] 下文详细描述的图2-5各自体现一个变化，其中将蒸馏和水解组合以便实现"蒸 馏水解"，其是同时回收发酵产物和预处理木质纤维素用于后续转化。可以通过预调节木质 纤维素原料或通过添加碱（诸如NaOH或NH40H)或酸（诸如H2S04)以催化木质素和/或半 纤维素水解和溶解，来实现进一步强化。在蒸馏水解期间添加碱或再循环含有酶的溶液将 帮助缓和乙醇蒸馏情况下的木质素再沉淀。
[0035] 图2中的流程图说明的木质纤维素加工包括使可溶糖发酵、蒸馏水解、通过C6和 /或C5酶进行酶促糖化、分离不可消化固体和再循环溶解的糖以发酵。更具体来说，如图2 中所示，木质纤维素加工120包括将木质纤维素原料122如下文所解释与再循环的溶解的 糖156 -起直接馈送到发酵单元136。随着可溶糖发酵，释放C02气体140,并且然后将发酵 的纤维混合物142馈送到蒸馏单元144以进行蒸馏水解。回收可能是乙醇的发酵产物146， 同时预处理木质纤维素以用于后续转化。从蒸馏单元144移出水150,同时使剩余纤维与 水混合物148通过到酶水解/分离单元152。添加额外水和C6和/或C5酶138到酶水解 /分离单元152中，在所述单元中进行酶促糖化，以及对不可消化固体的分离。从加工中移 出不可消化固体154,同时将溶解的糖156再循环到发酵单元136。
[0036] 如同图2中的流程图说明的木质纤维素加工，图3中的流程图说明的木质纤维素 加工也包括使可溶糖发酵和蒸馏水解。图3中的流程图说明的木质纤维素加工进一步包括 分离旧的/经处理的纤维和再循环新的/未经处理的纤维、通过C6和/或C5酶进行酶促 糖化和/或同时糖化和发酵（SSF)、和再循环溶解的糖和残余固体以发酵。更具体来说，如 图3中所示，木质纤维素加工220包括将木质纤维素原料222如下文所解释与再循环的溶 解的糖和残余固体268 -起直接馈送到发酵单元236。随着可溶糖发酵，释放0)2气体240， 并且然后将发酵的纤维混合物242馈送到蒸馏单元244以进行蒸馏水解。回收可能是乙醇 的发酵产物246,同时预处理木质纤维素以用于后续转化。从蒸馏单元244移出水250,同 时使剩余纤维与水混合物248 (包括旧的/经处理的纤维和新的/未经处理的纤维两者） 通过到固/固分离单元258,所述分离单元将旧的/经处理的纤维与新的/未经处理的纤维 分离。从加工中移出旧的/经处理的纤维260,同时将新的/未经处理的纤维262通过到 酶水解单元264。添加C6和/或C5酶266到酶水解单元264中，在所述单元中通过C6和 /或C5酶进行酶促糖化和/或同时糖化和发酵（SSF)。将溶解的糖和残余固体268再循环 到发酵单元236。
[0037] 不同于图2和图3中的流程图说明的木质纤维素加工，图4中的流程图说明 的木 质纤维素加工包括使木质纤维素原料蒸馏水解、通过C6和/或C5酶进行酶促糖化和/或 SSF同时使可溶糖发酵、分离不可消化固体和再循环回收的发酵液以蒸馏水解以用于产物 回收。更具体来说，如图4中所示，木质纤维素加工320包括将木质纤维素原料322如下文 所解释与回收的发酵液370-起直接馈送到蒸馏单元344,以进行蒸馏水解。回收可能是乙 醇的发酵产物346,同时预处理木质纤维素以用于后续转化。使剩余纤维与水混合物348通 过到发酵单元336。添加C6和/或C5酶366到发酵单元336中，同时与使可溶糖发酵同时 地，通过C6和/或C5酶进行酶促糖化和/或SSF。随着可溶糖发酵，释放C02气体340,并 且然后将发酵的纤维混合物342馈送到固/液分离单元372,还向所述单元中添加水374。 在分离之后，将回收的发酵液370再循环到蒸馏单元344,同时从加工中移出固体376。
[0038] 图5中的流程图说明的木质纤维素加工使用具有两个啤酒柱的蒸馏水解，其包括 使可溶糖发酵、C6和/或C5酶的酶促糖化和发酵、产物回收和固/液分离、和再循环水和未 发酵的非结合碳水化合物和固体纤维。如图5中所示，木质纤维素加工420包括将木质纤 维素原料422如下文所解释与再循环的溶解的糖456 -起直接馈送到第一级发酵单元436 以用于蔗糖转化。随着可溶糖发酵，释放〇)2气体440,并且然后将发酵的纤维混合物442 馈送到产物回收与水解单元478以进行蒸馏水解。还如下所述将再循环的水和未发酵的非 结合碳水化合物480馈送到产物回收与水解单元478。回收可能是乙醇的发酵产物446,同 时预处理木质纤维素以用于后续转化。从产物回收与水解单元478移出水482,同时使剩 余纤维与水混合物484通过到酶水解与第二级发酵单元486。添加C6和/或C5酶466到 酶水解与第二级发酵单元486中，在所述单元中进行C6和/或C5酶的酶促糖化和发酵两 者。随着可溶糖发酵，释放C02气体488,并且然后将水解并且发酵的纤维混合物490馈送 到产物回收与液/固分离单元492。将溶解的糖456再循环到发酵单元436,同时将水和未 发酵的非结合碳水化合物480再循环到产物回收与水解单元478,并且将不可消化固体494 从加工中移出。
[0039] 在本文中所述的木质纤维素加工中的任一者中，可以将从加工中移出的固体用于 诸如发电、再循环产物或废弃物处理。举例来说，固体可以燃烧以产生蒸汽和电力，其可以 销售到电网以改进GHG平衡；或其用于例如优质颗粒板、纤维产品或蜡。
[0040] 用于过程强化的额外流程图变体可以与说明的流程图中的任一者组合使用，诸如 "蒸发发酵"，其中发酵废气的真空分离与产物回收同时实现碳水化合物转化。
[0041] 在一个更通用实施方案中，一种制造可再生材料的方法包括使多糖材料水解，同 时从包括所述多糖材料和所述可再生材料两者的混合物中纯化出所述可再生材料。举例来 说，所述多糖可以包括半纤维素，并且所述水解可以包括热化学水解。另外，所述可再生材 料可以包括简单的醇，并且所述纯化可以通过蒸馏发酵液的一部分来进行。在这种类型的 实施方案中，所述方法可以包括与使用木质纤维素原料的发酵过程分开进行的蒸馏水解， 其中供应的热量促使蒸馏和水解。
[0042] 作为一个更特定实例，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括： 从发酵液分离所述可再生材料，同时使半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；使纤 维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料；和使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以 产生包含所述可再生材料的发酵液。任选地，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和 所述己糖材料发酵可以基本上同时进行。此外，从所述发酵液分离所述可再生材料可以包 括蒸馏所述可再生材料。
[0043] 作为另一个实例，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括：在半 纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合物材料发酵，以产生可再 生材料；从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；使纤维素材料的至少一部分水解， 以形成己糖材料；和使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材料。
[0044] 在某些实施方案中，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和所述己糖材料发 酵的步骤可以基本上同时进行。
[0045] 在某些实施方案中，使所述非结合碳水化合物材料发酵和使所述戊糖材料和所述 己糖材料发酵的步骤一起进行。
[0046] 在某些实施方案中，来自使所述非结合碳水化合物材料发酵的步骤的可再生材料 和来自使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵的步骤的可再生材料可以在进行以下步骤之 前组合：从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料。
[0047] 某些实施方案可以包括在使所述纤维素材料水解与使所述戊糖材料和所述己糖 材料发酵的步骤之间分离所述木质素材料。
[0048] 在所描述的方法中的任一者中，为了分离所述可再生材料而供应的热量还可以使 所述半纤维素材料水解。
[0049] -般来说，如图2-5中所说明，一种本文中用于从木质纤维素原料生产可再生材 料的系统可以包括蒸馏水解单元；和发酵单元。所述系统还可以包括木质素分离单元。作 为另一个选择，所述系统可以包括原料调节单元，其包括大小减小装置。此外，所述系统可 以包括再循环线路。
[0050] 作为一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法的又一个实例，所述方法可以 包括：在第一发酵步骤中，在半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水 化合物材料发酵，以产生可再生材料；从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素 材料分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；在第 二发酵步骤中，使所述戊糖材料的一部分发酵，以在具有所述木质素材料的发酵液中产生 可再生材料；和将所述发酵液的一部分再循环到所述第一发酵步骤。
[0051] 在某些实施方案中，所述发酵液的一部分可以在将所述发酵液的一部分再循环到 所述第一发酵步骤的步骤之前净化。
[0052] 某些实施方案还可以包括：使纤维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料； 和使所述己糖材料的一部分发酵，以在发酵液中产生可再生材料。这些步骤可以与在第二 发酵步骤中使所述戊糖材料的一部分发酵以在具有所述木质素材料的发酵液中产生可再 生材料的步骤基本上同时进行。
[0053] 根据一些实施方案，本发明可以是针对一种可再生材料，其根据本文中所述的方 法和/或系统中的任一者制造。
[0054] 虽然蒸馏水解例如通过实现在进行纤维预处理的同一设备中回收乙醇蒸气而实 现资金最小化，因此减少单元操作的总数目（并且在一些实施方案中，消除辊磨机、水解和 /或排毒部分），但本文中所述的蒸馏水解和其它过程 强化布置还提供许多次要效益。这些 次要效益包括：
[0055] ?与C5解聚/降解动力学的匹配更佳；两阶段预处理的实现；抑制剂/醛形成减 少
[0056] ?通过维持整个设备中的固：液比>3-3. 5而实现的可操作性改进
[0057] ?通过减少进入的馈料和在约4-4. 5的pH下发酵并且通过在70_80°C下进行分开 的水解和发酵（SHF)而进行的生物负荷控制
[0058] ?与针对改进的SHF动力学优化的C5/C6酶温度的匹配
[0059] ?设备上的pH和温度波动减小；酸/碱使用减少；渗透/盐应力降低
[0060] ?乙酸酯抑制的通过酸催化酯化为乙酸乙酯副产物而实现的消除；蒸馏水解部分 的回收
[0061] 以下实施例基于图1-5中说明的流程图来比较五种不同方法的乙醇产率。 实施例
[0062] 如上所述，图1是说明生产可再生材料的常规方法的过程流程图。在这个实施例 中，下表1中的数据对应于图1中的流程图的每个阶段。这个实施例中的总产率是86. 00 加仑/干燥MT。
[0063] 表1:对应于图1的数据
[0064]
[0065]
[0066] 如上所述，图2是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的一个实施方案的过 程流程图。在这个实施例中，下表2中的数据对应于图2中的流程图的每个阶段。这个实 施例中的总产率是86. 85加仑/干燥MT。
[0067] 表2 :对应于图2的数据
[0068]
[0069]
[0070]如上所述，图3是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的另一个实施方案的 过程流程图。在这个实施例中，下表3中的数据对应于图3中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是86. 5加仑/干燥MT。
[0071]表3:对应于图3的数据
[0072]
[0073」
[0074]
[0075] 如上所述，图4是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的又一个实施方案的 过程流程图。在这个实施例中，下表4中的数据对应于图4中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是86. 4加仑/干燥MT。
[0076] 表4 :对应于图4的数据
[0077]
[0078]
[0079」
[0080] 如上所述，图5是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的再一个实施方案的 过程流程图。。在这个实施例中，下表5中的数据对应于图5中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是90加仑/干燥MT。
[0081] 表5 :对应于图5的数据
[0082]
[0083]
[0084]
[0085] 图5中的流程图说明的方法与其它配置相比具有最高产物产率。这种配置与其它 配置之间的主要差异是，不存在在水解或发酵之后立即进行的固/液分离步骤，这防止损 失非结合碳水化合物或乙醇。
[0086] 本领域技术人员将显而易知，可以在不背离本发明的范围或精神的情况下对公开 的结构和方法作出各种修改和变动。具体来说，对任一个实施方案的描述可以与描述或其 它实施方案自由组合以产生两种或更多种要素或限制的组合和/或变化。本领域技术人员 通过考虑本文中公开的本发明的说明书和实践，将显而易知本发明的其它实施方案。期望 说明书和实施例仅视为示例性的，本发明的真实范围和精神由以上权利要求书指示。
【主权项】
1. 一种生产可再生材料的方法，所述方法包括使多糖材料水解，同时从包括所述多糖 材料和所述可再生材料的混合物中纯化出所述可再生材料。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述多糖包括半纤维素，并且所述水解包括热化学 水解。3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述可再生材料包括简单的醇，并且所述纯化包 括蒸馏发酵液的一部分。4. 如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述方法包括与使用木质纤维素原料的发酵 过程分开进行的蒸馏水解，其中供应的热量促使蒸馏和水解。5. -种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法，其中所述木质纤维素原料包括半纤 维素材料、纤维素材料和木质素材料，所述方法包括： a) 从发酵液分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊 糖材料； b) 使所述纤维素材料水解，以形成己糖材料；和 c) 使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生包含所述可再生材料的发酵液。6. 如权利要求5所述的方法，其中步骤b)和步骤c)基本上同时进行。7. 如权利要求5或6所述的方法，其中所述分离包括蒸馏所述可再生材料。8. -种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法，其中所述木质纤维素原料包括非结 合碳水化合物材料、半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料，所述方法包括： a) 在所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料存在下使所述非结合碳水 化合物材料发酵，以产生可再生材料； b) 从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料； c) 使所述纤维素材料水解，以形成己糖材料； d) 使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材料。9. 如权利要求8所述的方法，其中步骤c)和步骤d)基本上同时进行。10. 如权利要求8或9所述的方法，其中步骤a)和步骤d) -起进行。11. 如权利要求8、9或10所述的方法，其进一步包括在步骤b)之前组合步骤a)和步 骤d)的所述可再生材料。12. 如权利要求8、9、10或11所述的方法，其进一步包括在步骤c)与步骤d)之间分离 所述木质素材料。13. 如权利要求8、9、10、11或12所述的方法，其中为了分离所述可再生材料而供应的 热量还使所述半纤维素材料水解。14. 如权利要求8、9、10、11或12所述的方法，其中所述木质纤维素原料包括甘蔗、能源 甘蔗、芒草、高粱、甜高粱、象草、玉米秸杆、玉米穗轴、叶子、农业残余物、柳枝稷、芦竹、能源 草或城市固体废弃物。15. -种用于从木质纤维素原料生产可再生材料的系统，所述系统包括： 蒸馏水解单元；和 发酵单元。
【专利摘要】木质纤维素的经济转化需要最大化可用碳水化合物的转化以及最小化过程资金成本两者。过程强化通过将在类似条件下进行的那些单元操作组合到单个步骤中来最小化资金成本，同时保持转化产率。提出了最小化过程资金同时维持总转化产率的流程图变化。
【IPC分类】C12P7/06
【公开号】CN104903456
【申请号】CN201380069465
【发明人】约瑟夫·宾德尔, 雅各布·博登, 米绍·查普尔, 帕拉格·沙阿
【申请人】Bp北美公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】US20140187825, WO2014105700A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及与可再生材料和生物燃料生产相关的方法和系统。本发明的方面涉及 木质纤维素转化方法，其中常规方法中的多个方法步骤组合于单个单元操作中。
[0002] 发明背景
[0003] 木质纤维素加工包括多个单元操作，以便将可用糖（诸如蔗糖、半纤维素和纤维 素）经济地转化为所要分子（诸如生物燃料和生物化学品）。举例来说，用于木质纤维素加 工的典型配置可以包括原料制备、水解、发酵和蒸馏的步骤。通常一起进行这些步骤以便最 大化所有可用碳水化合物的转化产率而不形成有时毒性的副产物（诸如呋喃或有机酸）。
[0004] 生物燃料生产从环境立场出发是所要的，但为了商业化，生物燃料生产必须是经 济上可行的。加工的高资金成本和总体经济妨碍商业化。需要并且希望使木质纤维素加工 中的资金减到最少同时维持转化产率，特别是在可再生材料（诸如生物燃料）的生产中。 发明概要
[0005] 本发明涉及用于生产生物燃料和其它可再生材料的方法和系统，以及根据所述方 法制造的生物燃料组分组合物。与木质纤维素生物质的传统加工相比，下文所述的方法和 系统导致资金减到最少同时维持或改进产率。
[0006] 根据一些实施方案，一种生产可再生材料的方法可以包括使多糖材料水解，同时 从包括所述多糖材料和所述可再生材料的混合物中纯化出所述可再生材料。举例来说，所 述多糖可以包括半纤维素，并且所述水解可以包括热化学水解。作为另一个实例，所述可再 生材料可以包括简单的醇，并且所述纯化可以包括蒸馏发酵液的一部分。此外，所述方法可 以包括与使用木质纤维素原料的发酵过程分开进行的蒸馏水解，其中供应的热量促使蒸馏 和水解。
[0007] 本文中所用的木质纤维素原料可以包括半纤维素材料、纤维素材料和木质素材 料。另外，所述木质纤维素原料可以包括非结合碳水化合物材料。举例来说，所述木质纤维 素原料可以包括甘蔗、能源甘蔗、芒草、高粱、甜高粱、象草、玉米秸杆、玉米穗轴、叶子、农业 残余物、柳枝稷、芦竹、能源草、城市固体废弃物和/或其混合物。
[0008] 根据某些实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法包括以下步 骤：(a)从发酵液分离所述可再生材料，同时使半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材 料，（b)使纤维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料，和（c)使所述戊糖材料和所述 己糖材料发酵，以产生包含所述可再生材料的发酵液。
[0009] 在某些实施方案中，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和所述己糖材料发 酵的步骤可以基本上同时进行。此外，在某些实施方案中，所述分离步骤可以包括蒸馏所述 可再生材料。
[0010] 根据额外实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法包括：(a)在 半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合物材料发酵，以产生可 再生材料，（b)从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材 料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料，（C)使纤维素材料的至少一 部分水解，以形成己糖材料，和（d)使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材 料。
[0011] 根据本发明，存在多种可以进行这种方法的步骤的方式。在某些实施方案中，步骤 (C)和步骤（d)可以基本上同时进行。同样，在某些实施方案中，步骤（a)和步骤（d)可以 一起进行。此外，步骤（a)和步骤（d)的所述可再生材料可以在步骤（b)之前组合。在某 些实施方案中，所述木质素材料可以在步骤（c)与步骤（d)之间分离。另外或或者，为了分 离所述可再生材料而供应的热量还可以使所述半纤维素材料水解。
[0012] 通过本文中的方法制造的可再生材料可以包括例如简单的醇。根据一些实施方案 制造的可再生材料的实例包括乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、脂肪醇、异丁烯、类异戊二烯、 甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇和/或丁二醇。所述可再生材料可以包括适用 作生物燃料、混合原料、化学品、中间物、溶剂、粘着剂、聚合物和/或润滑剂的材料。所述可 再生材料可以包括一种或多种生物燃料组分，诸如脂质或醇（即乙醇、丁醇和/或异丁醇）。 所述生物燃料可以包括汽油、柴油、喷气燃料和/或煤油。
[0013] 根据一些实施方案，一种用于从木质纤维素原料生产可再生材料的系统可以包括 蒸馏水解单元；和发酵单元。所述系统还可以包括木质素分离单元。在某些实施方案中，所 述系统可以包括原料调节单元，其包括大小减小装置。另外，在某些实施方案中，所述系统 可以包括再循环线路。
[0014] 根据一些实施方案，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括：(a) 在第一发酵步骤中，在半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合 物材料发酵，以产生可再生材料，（b)从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素 材料分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料，（c) 在第二发酵步骤中，使所述戊糖材料的一部分发酵，以在具有所述木质素材料的发酵液中 产生可再生材料，和（d)将所述发酵液的一部分再循环到所述第一发酵步骤。在某些实施 方案中，所述发酵液的一部分可以在步骤（d)之前净化。所述方法还可以包括使所述纤维 素材料水解，以形成己糖材料；和使所述己糖材料的一部分发酵，以在发酵液中产生可再生 材料。此外，在某些实施方案中，所述水解和发酵可以与步骤（c)基本上同时进行。
[0015] 附图简述
[0016] 并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的【附图说明】了本发明的实施方案，并 且与描述一起用于解释本发明的特征、优势和原理。在图中：
[0017] 图1是说明生产可再生材料的常规方法的过程流程图。
[0018] 图2是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的一个实施方案的过程流程图。
[0019] 图3是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的另一个实施方案的过程流程 图。
[0020] 图4是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的又一个实施方案的过程流程 图。
[0021] 图5是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的再一个实施方案的过程流程 图。
[0022] 发明详述
[0023] 本发明涉及使用包括过程强化的木质纤维素转化过程生产生物燃料和其它可再 生材料的方法和系统，以及根据所述方法制造的可再生材料。
[0024] 如本文中所用，术语"可再生材料"优选地是指至少部分地衍生自能够至少部分由 天然生态循环和/或资源置换的来源和/或过程的物质和/或物品。可再生材料可以广泛 地包括例如化学品、化学中间物、溶剂、粘着剂、润滑剂、单体、寡聚物、聚合物、生物燃料、生 物燃料中间物、生物汽油、生物汽油混合原料、生物柴油、绿色柴油、可再生柴油、生物柴油 混合原料、生物蒸馏物、生物炭、生物焦炭、可再生建筑材料等。作为一个更特 定实例，可再 生材料可以包括（但不限于）以下中的任一者或多者：乙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、脂肪 醇、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇。在某些实施 方案中，可再生材料可以包括一种或多种生物燃料组分。举例来说，可再生材料可以包括简 单的醇（诸如乙醇、丁醇或异丁醇）或脂质。
[0025] 术语"生物燃料"优选地是指适用作至少部分衍生自可再生来源的燃料和/或燃 烧来源的组分和/或物流。生物燃料可以可持续地生产，和/或诸如当与化石燃料相比时 具有减少的向大气的净碳排放和/或无向大气的净碳排放。根据一些实施方案，可再生来 源可以排除诸如从地下开采或钻探的材料。在一些实施方案中，可再生资源可以包括单细 胞生物、多细胞生物、植物、真菌、细菌、藻类、中耕作物、非中耕作物、木料等。生物燃料可以 适用作运输燃料，诸如用于陆地运载工具、海上运载工具、航空运载工具等中。更具体来说， 生物燃料可以包括汽油、柴油、喷气燃料、煤油等。生物燃料可以适用于发电中，诸如提升蒸 汽、与适合传热介质交换能量、产生合成气、产生氢气、发电等。
[0026] "木质纤维素的"和"木质纤维素"优选地广泛地指含有纤维素、半纤维素、木质 素等的材料，诸如可以衍生自植物材料等。木质纤维素材料可以包括任何适合材料，诸如 甘蔗、甘蔗渣、能源甘蔗、能源甘蔗渣、稻、稻秸、玉米、玉米秸杆、玉米穗轴、小麦、麦杆、玉蜀 黍、玉蜀黍秸杆、高粱、高粱秸杆、甜高粱、甜高粱秸杆、芦竹、棉花残留、糖用甜菜、糖用甜菜 浆、大豆、油菜籽、麻风树属、柳枝稷、能源草、芒草、象草、其它草和这些材料中任一者的混 合物。木质纤维素材料一般来说还可以包括草、叶子、豆类、非禾本草本植物、仙人掌、木料、 木片、软木材（诸如松树和白杨）、硬木材（诸如桉树、橡树和山核桃木）、森林地被物、木材 废料、锯肩、纸、造纸厂残余物、纸品废物、农业残余物、城市固体废弃物、任何其它适合生物 质材料等。本文中所述的方法和系统中所用的木质纤维素原料典型地包括半纤维素材料、 纤维素材料和木质素材料。在某些实施方案中，木质纤维素原料还可以包括非结合碳水化 合物材料。
[0027] "木质素"优选地广泛地指可以是植物中的次生细胞壁的一部分的生物聚合物，诸 如可以共价键联到半纤维素的复杂高度交联芳香族聚合物。
[0028] "半纤维素"优选地广泛地指主要由戊糖组成的支链糖聚合物，诸如具有大体上无 规非晶结构并且典型地可以包括多达几十万个戊糖单元。
[0029] "纤维素"优选地广泛地指具有式（C6H1(l05)z的有机化合物，其中z包括任何适合 整数。纤维素可以包括例如具有几百到超过一万个己糖单元的线性链和高结晶度结构的多 糖。
[0030] "非结合碳水化合物"优选地广泛地指未结合或未聚合的糖汁或蔗糖。
[0031] 如上文所解释，木质纤维素加工包括多个单元操作，以便将可用糖（诸如蔗糖、半 纤维素和纤维素）经济地转化为所要分子（诸如生物燃料和生物化学品）。木质纤维素加 工的典型配置的一个实例由图1中的流程图说明。如图1中所示，木质纤维素加工20包括 将木质纤维素原料22馈送到原料制备单元24中，还向其中添加水26。从原料制备单元24 中的木质纤维素原料22和水26提取蔗糖汁28,并且将蔗糖汁28馈送到发酵单元36,同时 将剩余纤维与水混合物30馈送到水解单元32。将更多水26馈送到水解单元32,将其与纤 维与水混合物30混合。然后将水解的混合物34馈送到发酵单元36。在发酵单元36中，添 加C6和/或C5酶38,并且释放C02气体40。然后将发酵的纤维混合物42馈送到蒸馏单元 44,可以从所述蒸馏单元获得发酵产物46 (诸如乙醇），同时去除剩余纤维与水混合物48。
[0032] 通常进行这些步骤以便最大化所有可用碳水化合物的转化产率而不形成有时毒 性的副产物（诸如呋喃或有机酸）。
[0033] 为了最小化资金同时维持转化产率，可以经由过程强化来优化图1中说明的流程 图。更具体来说，可以将连续或非连续方法步骤组合于单个单元操作中以便实现多重结果。 因此，可以通过减少操作的数目，因此消除对某些设备件的需要，来实现资金最小化。
[0034] 下文详细描述的图2-5各自体现一个变化，其中将蒸馏和水解组合以便实现"蒸 馏水解"，其是同时回收发酵产物和预处理木质纤维素用于后续转化。可以通过预调节木质 纤维素原料或通过添加碱（诸如NaOH或NH40H)或酸（诸如H2S04)以催化木质素和/或半 纤维素水解和溶解，来实现进一步强化。在蒸馏水解期间添加碱或再循环含有酶的溶液将 帮助缓和乙醇蒸馏情况下的木质素再沉淀。
[0035] 图2中的流程图说明的木质纤维素加工包括使可溶糖发酵、蒸馏水解、通过C6和 /或C5酶进行酶促糖化、分离不可消化固体和再循环溶解的糖以发酵。更具体来说，如图2 中所示，木质纤维素加工120包括将木质纤维素原料122如下文所解释与再循环的溶解的 糖156 -起直接馈送到发酵单元136。随着可溶糖发酵，释放C02气体140,并且然后将发酵 的纤维混合物142馈送到蒸馏单元144以进行蒸馏水解。回收可能是乙醇的发酵产物146， 同时预处理木质纤维素以用于后续转化。从蒸馏单元144移出水150,同时使剩余纤维与 水混合物148通过到酶水解/分离单元152。添加额外水和C6和/或C5酶138到酶水解 /分离单元152中，在所述单元中进行酶促糖化，以及对不可消化固体的分离。从加工中移 出不可消化固体154,同时将溶解的糖156再循环到发酵单元136。
[0036] 如同图2中的流程图说明的木质纤维素加工，图3中的流程图说明的木质纤维素 加工也包括使可溶糖发酵和蒸馏水解。图3中的流程图说明的木质纤维素加工进一步包括 分离旧的/经处理的纤维和再循环新的/未经处理的纤维、通过C6和/或C5酶进行酶促 糖化和/或同时糖化和发酵（SSF)、和再循环溶解的糖和残余固体以发酵。更具体来说，如 图3中所示，木质纤维素加工220包括将木质纤维素原料222如下文所解释与再循环的溶 解的糖和残余固体268 -起直接馈送到发酵单元236。随着可溶糖发酵，释放0)2气体240， 并且然后将发酵的纤维混合物242馈送到蒸馏单元244以进行蒸馏水解。回收可能是乙醇 的发酵产物246,同时预处理木质纤维素以用于后续转化。从蒸馏单元244移出水250,同 时使剩余纤维与水混合物248 (包括旧的/经处理的纤维和新的/未经处理的纤维两者） 通过到固/固分离单元258,所述分离单元将旧的/经处理的纤维与新的/未经处理的纤维 分离。从加工中移出旧的/经处理的纤维260,同时将新的/未经处理的纤维262通过到 酶水解单元264。添加C6和/或C5酶266到酶水解单元264中，在所述单元中通过C6和 /或C5酶进行酶促糖化和/或同时糖化和发酵（SSF)。将溶解的糖和残余固体268再循环 到发酵单元236。
[0037] 不同于图2和图3中的流程图说明的木质纤维素加工，图4中的流程图说明 的木 质纤维素加工包括使木质纤维素原料蒸馏水解、通过C6和/或C5酶进行酶促糖化和/或 SSF同时使可溶糖发酵、分离不可消化固体和再循环回收的发酵液以蒸馏水解以用于产物 回收。更具体来说，如图4中所示，木质纤维素加工320包括将木质纤维素原料322如下文 所解释与回收的发酵液370-起直接馈送到蒸馏单元344,以进行蒸馏水解。回收可能是乙 醇的发酵产物346,同时预处理木质纤维素以用于后续转化。使剩余纤维与水混合物348通 过到发酵单元336。添加C6和/或C5酶366到发酵单元336中，同时与使可溶糖发酵同时 地，通过C6和/或C5酶进行酶促糖化和/或SSF。随着可溶糖发酵，释放C02气体340,并 且然后将发酵的纤维混合物342馈送到固/液分离单元372,还向所述单元中添加水374。 在分离之后，将回收的发酵液370再循环到蒸馏单元344,同时从加工中移出固体376。
[0038] 图5中的流程图说明的木质纤维素加工使用具有两个啤酒柱的蒸馏水解，其包括 使可溶糖发酵、C6和/或C5酶的酶促糖化和发酵、产物回收和固/液分离、和再循环水和未 发酵的非结合碳水化合物和固体纤维。如图5中所示，木质纤维素加工420包括将木质纤 维素原料422如下文所解释与再循环的溶解的糖456 -起直接馈送到第一级发酵单元436 以用于蔗糖转化。随着可溶糖发酵，释放〇)2气体440,并且然后将发酵的纤维混合物442 馈送到产物回收与水解单元478以进行蒸馏水解。还如下所述将再循环的水和未发酵的非 结合碳水化合物480馈送到产物回收与水解单元478。回收可能是乙醇的发酵产物446,同 时预处理木质纤维素以用于后续转化。从产物回收与水解单元478移出水482,同时使剩 余纤维与水混合物484通过到酶水解与第二级发酵单元486。添加C6和/或C5酶466到 酶水解与第二级发酵单元486中，在所述单元中进行C6和/或C5酶的酶促糖化和发酵两 者。随着可溶糖发酵，释放C02气体488,并且然后将水解并且发酵的纤维混合物490馈送 到产物回收与液/固分离单元492。将溶解的糖456再循环到发酵单元436,同时将水和未 发酵的非结合碳水化合物480再循环到产物回收与水解单元478,并且将不可消化固体494 从加工中移出。
[0039] 在本文中所述的木质纤维素加工中的任一者中，可以将从加工中移出的固体用于 诸如发电、再循环产物或废弃物处理。举例来说，固体可以燃烧以产生蒸汽和电力，其可以 销售到电网以改进GHG平衡；或其用于例如优质颗粒板、纤维产品或蜡。
[0040] 用于过程强化的额外流程图变体可以与说明的流程图中的任一者组合使用，诸如 "蒸发发酵"，其中发酵废气的真空分离与产物回收同时实现碳水化合物转化。
[0041] 在一个更通用实施方案中，一种制造可再生材料的方法包括使多糖材料水解，同 时从包括所述多糖材料和所述可再生材料两者的混合物中纯化出所述可再生材料。举例来 说，所述多糖可以包括半纤维素，并且所述水解可以包括热化学水解。另外，所述可再生材 料可以包括简单的醇，并且所述纯化可以通过蒸馏发酵液的一部分来进行。在这种类型的 实施方案中，所述方法可以包括与使用木质纤维素原料的发酵过程分开进行的蒸馏水解， 其中供应的热量促使蒸馏和水解。
[0042] 作为一个更特定实例，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括： 从发酵液分离所述可再生材料，同时使半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；使纤 维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料；和使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以 产生包含所述可再生材料的发酵液。任选地，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和 所述己糖材料发酵可以基本上同时进行。此外，从所述发酵液分离所述可再生材料可以包 括蒸馏所述可再生材料。
[0043] 作为另一个实例，一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法可以包括：在半 纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水化合物材料发酵，以产生可再 生材料；从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；使纤维素材料的至少一部分水解， 以形成己糖材料；和使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材料。
[0044] 在某些实施方案中，使所述纤维素材料水解和使所述戊糖材料和所述己糖材料发 酵的步骤可以基本上同时进行。
[0045] 在某些实施方案中，使所述非结合碳水化合物材料发酵和使所述戊糖材料和所述 己糖材料发酵的步骤一起进行。
[0046] 在某些实施方案中，来自使所述非结合碳水化合物材料发酵的步骤的可再生材料 和来自使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵的步骤的可再生材料可以在进行以下步骤之 前组合：从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料。
[0047] 某些实施方案可以包括在使所述纤维素材料水解与使所述戊糖材料和所述己糖 材料发酵的步骤之间分离所述木质素材料。
[0048] 在所描述的方法中的任一者中，为了分离所述可再生材料而供应的热量还可以使 所述半纤维素材料水解。
[0049] -般来说，如图2-5中所说明，一种本文中用于从木质纤维素原料生产可再生材 料的系统可以包括蒸馏水解单元；和发酵单元。所述系统还可以包括木质素分离单元。作 为另一个选择，所述系统可以包括原料调节单元，其包括大小减小装置。此外，所述系统可 以包括再循环线路。
[0050] 作为一种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法的又一个实例，所述方法可以 包括：在第一发酵步骤中，在半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料存在下使非结合碳水 化合物材料发酵，以产生可再生材料；从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素 材料分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料；在第 二发酵步骤中，使所述戊糖材料的一部分发酵，以在具有所述木质素材料的发酵液中产生 可再生材料；和将所述发酵液的一部分再循环到所述第一发酵步骤。
[0051] 在某些实施方案中，所述发酵液的一部分可以在将所述发酵液的一部分再循环到 所述第一发酵步骤的步骤之前净化。
[0052] 某些实施方案还可以包括：使纤维素材料的至少一部分水解，以形成己糖材料； 和使所述己糖材料的一部分发酵，以在发酵液中产生可再生材料。这些步骤可以与在第二 发酵步骤中使所述戊糖材料的一部分发酵以在具有所述木质素材料的发酵液中产生可再 生材料的步骤基本上同时进行。
[0053] 根据一些实施方案，本发明可以是针对一种可再生材料，其根据本文中所述的方 法和/或系统中的任一者制造。
[0054] 虽然蒸馏水解例如通过实现在进行纤维预处理的同一设备中回收乙醇蒸气而实 现资金最小化，因此减少单元操作的总数目（并且在一些实施方案中，消除辊磨机、水解和 /或排毒部分），但本文中所述的蒸馏水解和其它过程 强化布置还提供许多次要效益。这些 次要效益包括：
[0055] ?与C5解聚/降解动力学的匹配更佳；两阶段预处理的实现；抑制剂/醛形成减 少
[0056] ?通过维持整个设备中的固：液比>3-3. 5而实现的可操作性改进
[0057] ?通过减少进入的馈料和在约4-4. 5的pH下发酵并且通过在70_80°C下进行分开 的水解和发酵（SHF)而进行的生物负荷控制
[0058] ?与针对改进的SHF动力学优化的C5/C6酶温度的匹配
[0059] ?设备上的pH和温度波动减小；酸/碱使用减少；渗透/盐应力降低
[0060] ?乙酸酯抑制的通过酸催化酯化为乙酸乙酯副产物而实现的消除；蒸馏水解部分 的回收
[0061] 以下实施例基于图1-5中说明的流程图来比较五种不同方法的乙醇产率。 实施例
[0062] 如上所述，图1是说明生产可再生材料的常规方法的过程流程图。在这个实施例 中，下表1中的数据对应于图1中的流程图的每个阶段。这个实施例中的总产率是86. 00 加仑/干燥MT。
[0063] 表1:对应于图1的数据
[0064]
[0065]
[0066] 如上所述，图2是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的一个实施方案的过 程流程图。在这个实施例中，下表2中的数据对应于图2中的流程图的每个阶段。这个实 施例中的总产率是86. 85加仑/干燥MT。
[0067] 表2 :对应于图2的数据
[0068]
[0069]
[0070]如上所述，图3是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的另一个实施方案的 过程流程图。在这个实施例中，下表3中的数据对应于图3中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是86. 5加仑/干燥MT。
[0071]表3:对应于图3的数据
[0072]
[0073」
[0074]
[0075] 如上所述，图4是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的又一个实施方案的 过程流程图。在这个实施例中，下表4中的数据对应于图4中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是86. 4加仑/干燥MT。
[0076] 表4 :对应于图4的数据
[0077]
[0078]
[0079」
[0080] 如上所述，图5是说明使用过程强化生产可再生材料的方法的再一个实施方案的 过程流程图。。在这个实施例中，下表5中的数据对应于图5中的流程图的每个阶段。这个 实施例中的总产率是90加仑/干燥MT。
[0081] 表5 :对应于图5的数据
[0082]
[0083]
[0084]
[0085] 图5中的流程图说明的方法与其它配置相比具有最高产物产率。这种配置与其它 配置之间的主要差异是，不存在在水解或发酵之后立即进行的固/液分离步骤，这防止损 失非结合碳水化合物或乙醇。
[0086] 本领域技术人员将显而易知，可以在不背离本发明的范围或精神的情况下对公开 的结构和方法作出各种修改和变动。具体来说，对任一个实施方案的描述可以与描述或其 它实施方案自由组合以产生两种或更多种要素或限制的组合和/或变化。本领域技术人员 通过考虑本文中公开的本发明的说明书和实践，将显而易知本发明的其它实施方案。期望 说明书和实施例仅视为示例性的，本发明的真实范围和精神由以上权利要求书指示。
【主权项】
1. 一种生产可再生材料的方法，所述方法包括使多糖材料水解，同时从包括所述多糖 材料和所述可再生材料的混合物中纯化出所述可再生材料。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述多糖包括半纤维素，并且所述水解包括热化学 水解。3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述可再生材料包括简单的醇，并且所述纯化包 括蒸馏发酵液的一部分。4. 如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述方法包括与使用木质纤维素原料的发酵 过程分开进行的蒸馏水解，其中供应的热量促使蒸馏和水解。5. -种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法，其中所述木质纤维素原料包括半纤 维素材料、纤维素材料和木质素材料，所述方法包括： a) 从发酵液分离所述可再生材料，同时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊 糖材料； b) 使所述纤维素材料水解，以形成己糖材料；和 c) 使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生包含所述可再生材料的发酵液。6. 如权利要求5所述的方法，其中步骤b)和步骤c)基本上同时进行。7. 如权利要求5或6所述的方法，其中所述分离包括蒸馏所述可再生材料。8. -种从木质纤维素原料生产可再生材料的方法，其中所述木质纤维素原料包括非结 合碳水化合物材料、半纤维素材料、纤维素材料和木质素材料，所述方法包括： a) 在所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料存在下使所述非结合碳水 化合物材料发酵，以产生可再生材料； b) 从所述半纤维素材料、所述纤维素材料和所述木质素材料分离所述可再生材料，同 时使所述半纤维素材料的一部分水解，以形成戊糖材料； c) 使所述纤维素材料水解，以形成己糖材料； d) 使所述戊糖材料和所述己糖材料发酵，以产生可再生材料。9. 如权利要求8所述的方法，其中步骤c)和步骤d)基本上同时进行。10. 如权利要求8或9所述的方法，其中步骤a)和步骤d) -起进行。11. 如权利要求8、9或10所述的方法，其进一步包括在步骤b)之前组合步骤a)和步 骤d)的所述可再生材料。12. 如权利要求8、9、10或11所述的方法，其进一步包括在步骤c)与步骤d)之间分离 所述木质素材料。13. 如权利要求8、9、10、11或12所述的方法，其中为了分离所述可再生材料而供应的 热量还使所述半纤维素材料水解。14. 如权利要求8、9、10、11或12所述的方法，其中所述木质纤维素原料包括甘蔗、能源 甘蔗、芒草、高粱、甜高粱、象草、玉米秸杆、玉米穗轴、叶子、农业残余物、柳枝稷、芦竹、能源 草或城市固体废弃物。15. -种用于从木质纤维素原料生产可再生材料的系统，所述系统包括： 蒸馏水解单元；和 发酵单元。
【专利摘要】木质纤维素的经济转化需要最大化可用碳水化合物的转化以及最小化过程资金成本两者。过程强化通过将在类似条件下进行的那些单元操作组合到单个步骤中来最小化资金成本，同时保持转化产率。提出了最小化过程资金同时维持总转化产率的流程图变化。
【IPC分类】C12P7/06
【公开号】CN104903456
【申请号】CN201380069465
【发明人】约瑟夫·宾德尔, 雅各布·博登, 米绍·查普尔, 帕拉格·沙阿
【申请人】Bp北美公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】US20140187825, WO2014105700A1
最新回复(0)