專利名稱:用于糖化和發(fā)酵生物質(zhì)原料的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于糖化和發(fā)酵生物質(zhì)原料的方法和系統(tǒng)
背景
纖維素和木質(zhì)纖維素材料在眾多應(yīng)用中大量產(chǎn)生、加工和使用。這類材料經(jīng)常常使用一次，并且隨后作為廢物丟棄，或者簡單地被認(rèn)為是廢料，例如，污水、蔗渣、鋸屑和秸桿。
各種纖維素和木質(zhì)纖維素材料、其用途和應(yīng)用已經(jīng)描述在美國專利號(hào)7，307，108、7，074，918,6, 448，307,6, 258，876,6, 207，729,5, 973，035 和 5，952，105 中;以及許多專利申請(qǐng)中，包括 2006 年 3 月 23 日提交的 PCT/US2006/010648 “FIBROUS MATERIALSAND COMPOSITES” 和美國專利申請(qǐng)公開號(hào) 2007/0045456 “FIBROUS MATERIALS ANDCOMPOSITES”。
概述
本文公開了用于通過均在單一罐中進(jìn)行的多個(gè)生物工藝來產(chǎn)生產(chǎn)物的工藝。
一些工藝包括通過例如使用酶將材料(如纖維素或木質(zhì)纖維素原料)的纖維素部分轉(zhuǎn)化成低分子量糖來糖化或液化該材料，然后例如通過發(fā)酵和蒸餾將所得糖轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。在一些實(shí)施方式中，工藝包括使用分散系統(tǒng)來將纖維狀和/或顆粒狀原料分散于液體介質(zhì)和混合系統(tǒng)(例如低剪切系統(tǒng)例如射流混合系統(tǒng))中，以在罐中混合該材料。在一些實(shí)施方式中，該分散系統(tǒng)包括腔室以及在該腔室內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)件，所述轉(zhuǎn)動(dòng)件將所述原料和液體介質(zhì)軸向抽入所述腔室內(nèi)并且將所述原料在所述介質(zhì)中的分散體從所述腔室徑向排出。
本文中公開的工藝可以使用低堆積密度材料，例如纖維素或木質(zhì)纖維素原料，所述材料已經(jīng)物理預(yù)處理以具有小于約0. 75g/cm3的堆積密度，例如，小于約0. 7,0. 65,0. 60、0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 或更小，例如，小于 0. 025g/cm3。這類材料可以是例如用水或溶劑體系特別難以分散于液體中以用于糖化、發(fā)酵或其他加工。由于它們的低堆積密度，這些材料傾向于漂浮在液體的表面上而非被潤濕并分散于液體中。在一些情況下，這些材料可以是疏水性的、高度結(jié)晶的，或難以潤濕的。同時(shí)，需要在固形物水平相對(duì)高的分散體中加工原料，以便在加工后獲得糖在糖化材料中的高終濃度或高濃度期望產(chǎn)物(例如，發(fā)酵后的高濃度乙醇或其他醇類)。在一些情況下，使用本文所述的方法，在加工期間分散體的固形物水平可以例如是以重量計(jì)至少10、15、20、22. 5,25,27. 5、30、35、40、45%或甚至至少50%溶解的固形物。例如，固形物水平可以是約10至50%，例如，約10-40%、10-30%或 10-20%。
本文的工藝在一些情況下還允許用于所述工藝的酶和/或微生物在分批工藝中再使用，或在連續(xù)工藝中使用較長時(shí)間。
在一方面，本發(fā)明的特征在于包括以下的方法使容器例如罐中在液體介質(zhì)中的生物質(zhì)原料糖化以形成糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中將糖溶液轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如醇。
一些實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。轉(zhuǎn)化可包括發(fā)酵。該方法還可包括蒸餾，例如真空蒸餾。蒸餾可在低于70TOTT的真空下進(jìn)行。蒸餾可在環(huán)境溫度下進(jìn)行。
在一些情況下，原料具有低堆積密度，例如，低于約0. 5g/cm3的堆積密度。液體介質(zhì)可包括水，并且糖化劑可包括酶。該原料可包括纖維素或木質(zhì)纖維素材料。
該方法可包括另外的步驟。例如，該方法還可包括在糖化期間用射流混合器混合。用射流混合器或其它混合器混合還可在蒸餾期間進(jìn)行。該方法也可包括在糖化期間監(jiān)測原料、液體介質(zhì)和糖化劑的混合物的葡萄糖水平。在一些情況下，該方法還包括在糖化期間將另外的原料和糖化劑加至容器中以及使用分散系統(tǒng)將原料分散于介質(zhì)中。該方法還可包括在容器中將乳化劑或表面活性劑加至混合物。
在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，其包括罐、設(shè)置為將生物質(zhì)原料、糖化劑和液體介質(zhì)輸送至所述罐的輸送系統(tǒng)、設(shè)置為將輸送的生物質(zhì)原料和糖化劑混合的混合器以及設(shè)置為從所述罐的內(nèi)容物蒸餾產(chǎn)物的與所述罐連通的真空蒸餾系統(tǒng)。一些實(shí)施方式可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。該系統(tǒng)還可包括設(shè)置為用微生物接種所述罐的內(nèi)容物的輸送裝置。該系統(tǒng)還可包括設(shè)置為監(jiān)測所述罐的內(nèi)容物的氧水平的氧監(jiān)測器。混合器可以是或包括射流混合器。輸送系統(tǒng)可設(shè)置為將生物質(zhì)原料和液體介質(zhì)以 分散體的形式輸送至所述罐。
通過在單一罐中進(jìn)行多個(gè)加工步驟例如糖化、發(fā)酵和蒸餾，來降低工藝時(shí)間和成本，并且簡化工藝。同時(shí)，資本成本通常低于多罐加工設(shè)施。
在一些情況下，本文所述的系統(tǒng)或其組件可以是便攜的，從而該系統(tǒng)可以從一個(gè)位置運(yùn)輸(例如，通過鐵路、卡車或航運(yùn)容器)至另一個(gè)位置。這種移動(dòng)式加工在美國系列號(hào)12/374，549和國際申請(qǐng)?zhí)朩02008/011598中描述，所述文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容通過弓I用方式并入本文。
可以通過使用本文所述方法產(chǎn)生的示例性產(chǎn)物包括烴、蛋白質(zhì)、醇(例如，一元醇或二元醇)，如乙醇、正丙醇或正丁醇、羧酸、如乙酸或丁酸、羧酸鹽、羧酸和羧酸鹽的混合物和羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮、醛、a、￠-不飽和酸如丙烯酸、烯烴如乙烯，和這些物質(zhì)中任何者的混合物。具體例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1，4-丁二醇、1，3-丙二醇、這些醇中任一者的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羥丙酸、所述酸中任一者的鹽和所述酸中任一者及相應(yīng)鹽的混合物。這些產(chǎn)物和其他產(chǎn)物在USSN 12/417,900中描述，所述文獻(xiàn)的內(nèi)容通過引用方式并入本文。
使用ASTM D1895B測定堆積密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計(jì)的樣品重量除以以立方厘米計(jì)的已知量筒體積，計(jì)算出堆積密度。
本文所提及和所附的全部出版物、專利申請(qǐng)、專利和其他參考文獻(xiàn)含有的所有內(nèi)容通過引用方式完整地并入。
附圖簡述
圖I是說明將纖維素酶促水解成葡萄糖的圖解。
圖2是說明通過生產(chǎn)和發(fā)酵葡萄糖溶液將原料轉(zhuǎn)化成乙醇的流程圖。
圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的用于產(chǎn)生產(chǎn)物例如乙醇的系統(tǒng)的圖解說明。
圖3A是適用于圖3的系統(tǒng)的罐和蒸餾單元的圖解側(cè)視圖。
圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的分散系統(tǒng)的圖解透視圖。
圖5和圖5A分別是可以在圖4所示分散系統(tǒng)中使用的分散裝置的圖解截面圖和透視圖。[0027]圖6是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的分散系統(tǒng)的圖解透視圖。
圖7和圖7A是說明圖6中所示分散系統(tǒng)的替代性運(yùn)行模式的圖解。
圖8是以在圖6內(nèi)所示分散系統(tǒng)中使用的分散部件的圖解透視圖。
圖9和圖9A是說明離開噴嘴的射流的圖解。

圖10是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的射流攪拌器的圖解透視圖。圖IOA是圖10的射流攪拌器的葉輪和噴管的放大透視圖。圖IOB是替代的葉輪的放大透視圖。
圖11和圖IlA分別是具有從上方延伸至該罐內(nèi)的兩個(gè)射流混合器的罐的側(cè)視圖和截面圖。
圖12是用于輸送生物質(zhì)原料的吹氣機(jī)的圖解視圖。詳述
對(duì)于含有葡聚糖和/或木聚糖的材料例如纖維素材料和木質(zhì)纖維素材料，使用本文所述的方法，可以將生物質(zhì)(例如，植物生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)、紙和城市廢物)轉(zhuǎn)化或加工以產(chǎn)生有用的中間體和產(chǎn)物如有機(jī)酸、有機(jī)酸鹽、酐、有機(jī)酸酯和燃料，例如，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用燃料或燃料電池的原料，如本文所述的那些原料。本文描述了可以使用纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料作為原材料的系統(tǒng)和方法，所述的纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料是豐富和容易可獲得的，但是經(jīng)?？赡茈y以加工纖維素或木質(zhì)纖維素材料，例如，城市廢物流和廢紙流，如包括新聞紙、牛皮紙、瓦楞紙或這些紙的混合物的流。通常，如果需要，材料可以經(jīng)物理處理用于加工和/或后續(xù)加工，經(jīng)常通過尺寸減小方式處理。如果需要降低材料的不順從性，則可以采用物理加工方法如發(fā)酵法。本文所述的多種方法可以有效地降低原料的不順從性水平，使得它更易于加工，如通過生物處理法(例如，采用本文所述的任何微生物，如同型產(chǎn)乙酸菌(homoacetogen)或異型產(chǎn)乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、熱處理法(例如，氣化或熱解)或化學(xué)方法(例如，酸水解或氧化)。生物質(zhì)原料可以使用本文所述的任何方法中一種或多種進(jìn)行處理或加工，如機(jī)械處理、化學(xué)處理、輻射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法。多種處理系統(tǒng)和方法可以在這些技術(shù)或本文和其他地方所述的其他技術(shù)中使用兩種、三種或甚至四種或更多種技術(shù)組合的情況下使用。
為了將原料轉(zhuǎn)化成可以在現(xiàn)有制造廠(例如單細(xì)胞蛋白廠、酶制造廠或燃料廠例如谷物乙醇生產(chǎn)設(shè)施)中容易加工的形式，本文中公開的工藝可以使用低堆積密度材料，例如纖維素或木質(zhì)纖維素原料，所述材料已經(jīng)物理預(yù)處理以具有小于約0. 75g/cm3的堆積密度,例如，小于約 0. 7,0. 65,0. 60,0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 或更小，例如，小于0.025g/cm3。使用ASTM D1895B測定堆積密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計(jì)的樣品重量除以以立方厘米計(jì)的已知量筒體積，計(jì)算出堆積密度。
為了將原料轉(zhuǎn)化成可以容易加工的形式，通過糖化劑(例如酶或酸)，將原料中含有葡聚糖或木聚糖的纖維素水解成低分子碳水化合物，如糖，一種稱作糖化的方法。低分子量碳水化合物可以隨后例如在現(xiàn)有制造廠(如單細(xì)胞蛋白廠、酶制造廠或燃料廠例如乙醇生產(chǎn)設(shè)施)中使用。
包含纖維素的材料可以通過將該材料和糖化劑在液體介質(zhì)例如溶劑如水溶液中合并而用糖化劑處理。下文詳細(xì)討論用于將材料快速和高效地分散于液體介質(zhì)內(nèi)的方法。一旦材料已經(jīng)分散于介質(zhì)中，則將糖化劑、材料和液體介質(zhì)充分混合，在一些情況下充分糖化。在一些實(shí)施方式中，將材料和/或糖化劑遞增地而非一次性地添加。例如，可以將所述材料的一部分添加至液體介質(zhì)，分散于其中并且與糖化劑混合，直至該材料至少部分地糖化，此時(shí)將材料的第二部分分散于該介質(zhì)中并且添加至混合物。這種方法可以繼續(xù)直至獲得期望的糖濃度。
分解生物質(zhì)如生物質(zhì)的纖維素和/或木質(zhì)素部分的酶和破壞生物質(zhì)的生物，含有或制造多種纖維素裂解酶(纖維素酶)、木質(zhì)素酶或多種破壞小分子生物質(zhì)的代謝物。這些酶可以是協(xié)同地作用以降解生物質(zhì)的晶狀纖維素或木質(zhì)素部分的酶復(fù)合物。纖維素裂解酶的例子包括葡聚糖內(nèi)切酶、纖維二糖水解酶和纖維二糖酶(3-葡糖苷酶)。參考圖1，纖維素底物最初由葡聚糖內(nèi)切酶在隨機(jī)位置水解，產(chǎn)生低聚中間體。這些中間體隨后是外切性葡聚糖酶如纖維二糖水解酶的底物以從纖維素聚合物末端產(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖是水溶性1，4-連接的葡萄糖二聚體。最后，纖維二糖酶裂解纖維二糖以產(chǎn)生葡萄糖。合適的纖維素酶將在本文稍后部分中討論。
完成糖化所要求的時(shí)間將取決于所用的工藝條件和原料及酶。如果糖化在制造廠 中在受控條件下進(jìn)行，則纖維素可以在約12-96小時(shí)中基本上完全轉(zhuǎn)化成葡萄糖。如果部分或完全地短暫進(jìn)行糖化，則糖化可以花費(fèi)更長時(shí)間。
在一些情況下，糖化在pH約4至7，例如約4. 5至6或約5至6處進(jìn)行。
通常優(yōu)選的是，糖溶液中的葡萄糖終濃度應(yīng)當(dāng)是相對(duì)高的，例如，以重量計(jì)大于10%，或大于15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大于95%。這減少待運(yùn)輸?shù)捏w積，并且還抑制溶液中的微生物生長。在糖化后，水的體積可以減少，例如，通過蒸發(fā)或蒸餾。
可以通過限制隨酶一起添加至原料的介質(zhì)(例如，水)的量，獲得相對(duì)高的濃度溶液。可以例如，通過控制糖化多大程度地發(fā)生來控制濃度。例如，可以通過添加更多原料至溶液而增加濃度。可以例如通過增加溶液的溫度和/或通過添加如下文討論的表面活性劑而增加原料在介質(zhì)中的溶解度。例如，溶液可以維持在40-50°C、50-60°C、60-80°C或甚至更高的溫度。
參考圖2，用于制造醇(例如，乙醇)的方法可以包括例如任選地物理預(yù)處理原料，例如，以減小其大小(步驟110)，在這種處理之前和/或之后，任選地處理該原料以降低其不順從性(步驟112)，并且將原料糖化以形成糖溶液(步驟114)?？梢酝ㄟ^將原料在液體介質(zhì)(例如，水)中的分散體與酶混合(步驟111)進(jìn)行糖化，如會(huì)在下文詳細(xì)討論。在沒有將溶液從其已被糖化的罐內(nèi)除去的情況下，接著對(duì)溶液生物加工以產(chǎn)生期望的產(chǎn)物，例如乙醇(步驟118)，所述產(chǎn)物隨后進(jìn)一步加工，例如通過蒸餾(步驟120)進(jìn)一步加工。優(yōu)選地，蒸餾在與糖化和發(fā)酵相同的罐中進(jìn)行，例如使用真空蒸餾。下文將詳細(xì)描述這種工藝的各個(gè)步驟。根據(jù)需要，如所示，測量木質(zhì)素含量的步驟(步驟122)和設(shè)定或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)(步驟124)的步驟可以在工藝的多個(gè)階段進(jìn)行，例如緊鄰用來改變?cè)辖Y(jié)構(gòu)的工藝步驟之前。如果包括這些步驟，則調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以補(bǔ)償原料的木質(zhì)素含量可變性，如2009年2月11日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/151，724中所述，所述專利的完整公開內(nèi)容通過引用方式并入本文。
混合步驟111和糖化步驟114可以使用例如圖3中所示系統(tǒng)進(jìn)行。該系統(tǒng)包括罐136，其最初含有液體介質(zhì)并且稍后含有液體介質(zhì)、原料和糖化劑的混合物138。將液體介質(zhì)通過帶閥門的管道系統(tǒng)(未顯示)輸送至該罐。該系統(tǒng)還包括與分散單元134連通的料斗130。料斗接收例如來自供給源30的干燥成分，如酵母和養(yǎng)分。任選地，振動(dòng)裝置36可以與料斗連接以促進(jìn)從料斗輸送材料。該系統(tǒng)還包括分散單元134。將液體介質(zhì)從罐中抽入分散單元134，并且通過分散單元經(jīng)出口管137經(jīng)返回該罐。如所示，出口管137的開口可以在液面之上，或在一些情況下可以浸沒于罐中的液體內(nèi)。在一些情況下，根據(jù)所用的分散單元(如下文將討論)的類型，該系統(tǒng)可以包括設(shè)置為使液體介質(zhì)循環(huán)通過分散系統(tǒng)的泵139 (例如，正排量泵)和/或監(jiān)測分散體的粘度并且在測量的粘度達(dá)到預(yù)定值時(shí)開啟泵的粘度計(jì)141。
在圖3中所示的實(shí)施方案中，將原料輸送至罐中的液體介質(zhì)的表面，例如，經(jīng)具有輸送管道34 (例如，軟管或管道)的輸送裝置32。輸送裝置32也可以與振動(dòng)裝置36連接，以促進(jìn)材料流入該裝置。輸送裝置32可以是例如設(shè)置為將纖維狀和/或顆粒狀材料從來源經(jīng)軟管吹至遠(yuǎn)離該來源的吹氣機(jī)，例如，隔絕式吹氣機(jī)如從Frederick, Colorado可獲得的F0RCE3吹氣機(jī)。吹氣機(jī)500的例子在圖12中示意性示出。吹氣機(jī)500的料斗502從料源504接收材料，例如，借助真空506經(jīng)入口 505抽入材料。一旦處于料斗中，使用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置508使材料去團(tuán)聚化，其包括止于柔性槳葉512的轉(zhuǎn)動(dòng)臂510。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置508還將材料經(jīng)開 口 514掃下至氣閘516。材料至氣閘的輸送由平板或閥門518計(jì)量。氣閘516包括限定腔室522的多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片520。氣閘516的靠下部分包括通道524，其中空氣經(jīng)所述通道524從壓縮空氣供給源(未顯示)吹至出口管(例如，輸送管道34，圖3)。葉片將材料掃至各個(gè)部分中的通道，一旦這些材料位于通道附近，則它們被吹入出口管中。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片520充分緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而每個(gè)腔室足夠長時(shí)間地位于通道附近的適當(dāng)位置，因此部分材料和一定量的空氣被輸送至出口管內(nèi)。因此，空氣和材料的交替部分輸送至出口管。當(dāng)材料沿出口管(它可能相當(dāng)長)下行時(shí)，材料和空氣混合，從而對(duì)材料充氣并且使其經(jīng)出口管順暢移動(dòng)至罐。將攪拌器和氣閘中的轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)速率一起調(diào)整，并且該速率可以由用戶基于原料、出口管的長度和其他變量而變動(dòng)。
可供選擇地，材料可以使用其他技術(shù)如重力自動(dòng)加料或螺桿輸送器輸送至液體的表面。
在一些實(shí)施方式中，罐配備有柔性透氣的蓋或設(shè)置為允許空氣在原料輸送期間從罐中排泄、同時(shí)防止原料從罐中吹出和/或雜質(zhì)進(jìn)入罐內(nèi)的其他裝置。
當(dāng)原料材料經(jīng)輸送管道34輸送到罐中液體的表面上時(shí)，液體經(jīng)分散單元134的出口管137排出到材料上。排出的液體潤濕原料材料，引起材料沉入液體中，在這里它可以由分散單元134、優(yōu)選地與下文討論的射流混合器144的混合作用組合時(shí)而分散。
通常優(yōu)選，當(dāng)原料輸送管道經(jīng)輸送時(shí)，分散單元134和射流混合器144運(yùn)行。
在替代實(shí)施方案中，料斗130接收已被原料處理模塊132處理以減少其大小并任選地降低其不順從性(步驟110和112)的原料，并且將原料經(jīng)料斗130輸送至罐。將原料和液體介質(zhì)從罐抽入到分散單元134，并且通過分散單元的作用將原料分散于液體介質(zhì)(例如，水)內(nèi)。
在兩個(gè)實(shí)施方案中，糖化劑從包括計(jì)量裝置142的料斗140輸送至罐中。將該罐的內(nèi)容物混合，例如，通過一個(gè)或多個(gè)射流混合器混合。在圖3中圖解表示射流混合器144 ；合適射流混合器的例子將在下文詳細(xì)描述，并且還在2009年6月19日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/218，832中描述，所述文獻(xiàn)的公開內(nèi)容在此通過引用方式并入本文。使用驅(qū)動(dòng)泵和/或轉(zhuǎn)子(未顯示)的電機(jī)146，射流混合器產(chǎn)生射流。由電機(jī)146施加的扭矩與罐中混合物的固形物水平相關(guān)，所述固形物水平轉(zhuǎn)而反映混合物已經(jīng)糖化的程度。扭矩由扭矩監(jiān)測器148測量，所述扭矩監(jiān)測器148發(fā)送信號(hào)至驅(qū)動(dòng)輸送器130的電機(jī)150并且還發(fā)送信號(hào)至料斗140的計(jì)量裝置142。因此，根據(jù)罐內(nèi)容物的糖化，處理的原料和酶的供應(yīng)可以被中斷或恢復(fù)。由扭矩監(jiān)測器測量的數(shù)據(jù)也可以用來調(diào)節(jié)射流混合器，例如，以降低利用轉(zhuǎn)子的混合器的RPM，或用來降低泵驅(qū)動(dòng)混合器的射流速度。作為扭矩監(jiān)測器的替代或除扭矩監(jiān)測器之外，該系統(tǒng)可以包括測量電機(jī)的全負(fù)荷安培數(shù)的安培監(jiān)測器(未顯示)。在一些情況下，射流混合器可以包括變頻器(VFD)以允許調(diào)整電機(jī)的速度。
該系統(tǒng)也可以包括熱監(jiān)測器(未顯示)，所述熱監(jiān)測器監(jiān)測液體介質(zhì)的溫度并且調(diào)節(jié)與溫度增加相對(duì)應(yīng)的原料的進(jìn)料速率和/或混合條件。這種溫度反饋環(huán)可以用來防止液體介質(zhì)達(dá)到將使酶變性的溫度。
當(dāng)一個(gè)或多個(gè)泵在本文所述的系統(tǒng)中使用時(shí)，通常優(yōu)選應(yīng)當(dāng)使用正排量泵(PD)泵，例如，螺桿泵或螺桿型ro泵。
將糖溶液接種并且在同一個(gè)罐中發(fā)酵以用于糖化。通常，應(yīng)當(dāng)控制發(fā)酵期間的氧水平，例如，通過監(jiān)測氧水平并且根據(jù)需要使罐通風(fēng)或使混合物曝氣。還需要監(jiān)測容器中乙醇的水平，從而當(dāng)乙醇水平開始下降時(shí)，可以例如，通過加熱或添加亞硫酸氫鈉終止發(fā)酵過程。通常，使用如上所述的相同設(shè)備，射流混合在發(fā)酵期間繼續(xù)。
當(dāng)發(fā)酵已經(jīng)完成或完成至所需程度時(shí)，通過蒸餾收集發(fā)酵產(chǎn)物例如醇(例如乙醇)。優(yōu)選地，使用真空蒸餾單元151進(jìn)行蒸餾，如圖3中圖解所示。優(yōu)選真空蒸餾，因?yàn)槠淇稍诖篌w上環(huán)境溫度下進(jìn)行，并且由此存在于罐中的營養(yǎng)物、酶和/或微生物將不被蒸餾損害且可以再使用。優(yōu)選地，在低于150Torr，例如低于125、100、80、70、60、50、40或30Torr或甚至低于25Torr的壓力下進(jìn)行真空蒸餾。通常，壓力應(yīng)該足夠低使得防止水和醇的共沸混合物的形成，由此消除之后例如用3A分子篩從醇中除去水的需要。
適合的罐160和蒸餾單元162示于圖3A中。罐160包括可例如用水進(jìn)行流體冷卻以維持容器內(nèi)的所需溫度的夾套容器164，以及包括真空孔168和其它可輸送材料的孔的蓋166。蓋166還可包括出口孔170，其與蒸餾單元162的導(dǎo)管172流體相通。發(fā)酵的產(chǎn)物例如乙醇通過導(dǎo)172管被真空抽入冷凝器174，并且收集于帶蓋的接收容器176中。系統(tǒng)可設(shè)置為維持容器內(nèi)的溫度低于55° F、50° F、45° F或甚至低于40° F(低于13°C、10°C、7°C或 4. 5°C )
分散和混合
分散
分散單元134可以包括用液體介質(zhì)潤濕原料的任何類型的分散設(shè)備。許多分散單元包括腔室和位于腔室中的轉(zhuǎn)子，從而將原料和液體介質(zhì)軸向地向轉(zhuǎn)子抽吸并且向外徑向地?cái)D壓至轉(zhuǎn)子的周界并且因此穿過離心泵形式的單元的出口。取決于分散單元的構(gòu)造，可能需要備份泵(泵139，上文討論)以抽吸高粘度的流體穿過分散單元。構(gòu)建一些分散單元以在單元內(nèi)部產(chǎn)生極高靜流體壓力；當(dāng)使用這類單元時(shí)，通常不需要備份泵。
在圖4-5A中顯不合適分散系統(tǒng)300的一個(gè)例子。這種系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)低的吸力，并且因此一般使用備份泵。分散系統(tǒng)300包括可以從較大料斗或袋子(未顯示)或其他源中接收原料并且輸送至分散單元301的接收料倉302。分散單元301包括殼體304，其限定分散室306(圖5A)、液體入口 308、與料倉302連通的固體入口 310(圖5A)和出口 312。分散系統(tǒng)300還包括驅(qū)動(dòng)分散單元301的電機(jī)314、用戶控制界面316和幫助維持分散單元301內(nèi)部的密封件完整性的加壓單元318。閥門(未顯示)布置在接收料倉302和固體入口 310之間以計(jì)量向分散單元301的固體輸送。
分配單元301的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在圖5-5A中顯示。在穿過固體入口 310后，固體由經(jīng)液體入口 308進(jìn)入的液體接觸時(shí)固體由攪龍320向下移動(dòng)。液體和固體隨后由一系列混合葉片322混合，并且最終由轉(zhuǎn)子324 (在圖5A中詳細(xì)顯示)混合，其中所述轉(zhuǎn)子324以相對(duì)于腔室306側(cè)壁的轉(zhuǎn)子/定子布局而布置。這種系列混合部件以遞增水平的剪切力用液體潤濕固體，產(chǎn)生從出口 312離開的基本上同質(zhì)分散體。通過文丘里原理，葉輪產(chǎn)生在腔室306和料倉302之間有差異的巨大壓力，所述壓力抽出真空并且因此幫助將材料從料倉抽出至腔室。
圖6-8中顯不另一個(gè)合適的分散系統(tǒng)400。這種系統(tǒng)從IKA Works, Wilmington, North Carolina以商標(biāo)名CMS2000商購。如所供應(yīng)，分散系統(tǒng)400包括 液體罐402。然而，如果需要，可以省略相對(duì)小的罐402并且系統(tǒng)的剩余物排入較大的罐，例如，工業(yè)體積罐(未顯示)。系統(tǒng)400還包括固體接收漏斗403、包括殼體404 (具有與上文討論的殼體304相似的結(jié)構(gòu))的分配單元401、電機(jī)414、用戶控制界面416和加壓單元418。
分散系統(tǒng)400和分配系統(tǒng)300之間的主要差異在于分配裝置401和301的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖8中詳細(xì)顯示的分配單元401包括作為葉輪發(fā)揮作用并且在單元內(nèi)部產(chǎn)生極高靜流體壓力的轉(zhuǎn)子420。因此，分散單元以離心泵的方式發(fā)揮作用，并且通常甚至在相對(duì)高的粘度時(shí)不需要備份泵。
轉(zhuǎn)子420將液體從罐經(jīng)入口 408以高吸力抽吸至腔室406。液體和固體(經(jīng)入口410進(jìn)入)軸向地以高壓被抽吸至轉(zhuǎn)子420內(nèi)，并且借助將原料分散于液體中的高速紊流徑向地離開轉(zhuǎn)子420。基本上均勻分散體經(jīng)出口 412離開腔室并且輸送至罐用于糖化。
分散系統(tǒng)400可以按多種模式運(yùn)行,其例子在7和7A圖中顯不。在圖7中，分散單元401通過將原料載入料斗422進(jìn)料，所述料斗422安裝在殼體404的固體入口上。閥門424控制原料向分散單元401的輸送。原料可以使用任何所需的輸送技術(shù)加載，例如，手工、通過輸送器、風(fēng)力裝料機(jī)(pneumatic loader)等。在圖7A中，使用吸氣棒(suctionwand) 426,將原料從袋或料倉424吸出。在這種情況下,可以通過控制吸氣速率而控制原料的輸送?？梢允褂闷渌季帧?br>原料可以連續(xù)地或斷續(xù)地輸送至分散單元，并且該分散系統(tǒng)可以按再循環(huán)或“單程”模式運(yùn)行。若需要，在初始分散已經(jīng)完成后，分散單元可以用于糖化期間的混合。
射流混合
一旦原料已經(jīng)基本上分散于液體中，可能需要關(guān)閉分散系統(tǒng)并且使用要求更少能量以進(jìn)一步混合的混合器。用于這個(gè)目的特別有利的混合器稱作“射流混合器”。通常，合適的混合器的共同之處在于，它們產(chǎn)生高速度循環(huán)流，例如環(huán)形的或橢圓樣式的流。通常，優(yōu)選的混合器顯示高的整體流率。優(yōu)選的混合器以相對(duì)低的能量消耗提供這種混合作用。通常還優(yōu)選，混合器產(chǎn)生相對(duì)低的剪切力并且避免加熱液體介質(zhì)，因?yàn)榧羟辛?或熱可不利地影響糖化劑(或微生物，例如，在發(fā)酵的情況下)。如下文將詳細(xì)討論，一些優(yōu)選的混合器將混合物經(jīng)入口抽入可以包括轉(zhuǎn)子或葉輪的混合部件，并且隨后從混合部件中經(jīng)出口噴嘴排出混合物。這種循環(huán)作用和離開噴嘴的射流的高速度有助于分散漂浮在液體表面上的材料或已經(jīng)沉降至罐底部的材料，這取決于混合部件的方向?；旌喜考梢砸圆煌较蚨ㄎ灰苑稚⑵〔牧虾统两挡牧希⑶以谝恍┣闆r下，混合部件的方向可以是可調(diào)節(jié)的。
例如，在一些優(yōu)選的混合系統(tǒng)中，與外界流體會(huì)合時(shí)，射流的速度Vtl是約2至300m/s，例如，約5至150m/s或約10至100m/s。對(duì)于100，000L的罐，混合系統(tǒng)的功率消耗可以是約20至1000KW，例如，30至570KW或50至500KW。
射流混合包括將高速度液體的浸沒射流或眾多浸沒射流排放入流體介質(zhì)，在這種情況下即生物質(zhì)原料、液體介質(zhì)和糖化劑的混合物。液體的射流穿透流體介質(zhì)，而其能量因紊流或一些初熱而消散。這種紊流與速度梯度(流體剪切力)相關(guān)。周圍的流體被加速并且夾帶至射流中，而這種次生夾帶流隨距射流噴嘴的距離增加而增加。當(dāng)射流膨脹時(shí)，次生流的動(dòng)量通常保持恒定，只要該流不撞擊到墻壁、地板或其他障礙物。該流在其撞擊到任何障礙物之前持續(xù)的時(shí)間越長，夾帶至次生流中的液體越多，從而增加罐或容器中的整體流。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，次生流將更多或更少地?fù)p失動(dòng)量，這取決于罐的幾何學(xué)，例如，該流沖擊 到障礙物上的角度。通常需要對(duì)射流定向和/或設(shè)計(jì)該罐，從而對(duì)于罐壁的水力損失最小化。例如，可以需要罐具有弓形底部(例如，半球形封頭)，并且射流混合器相對(duì)接近側(cè)壁定位，如圖IlA中所顯示。罐底部(下部封頭)可以具有任何所需的半球形構(gòu)型，或可以具有橢圓或圓錐狀幾何形狀。
射流混合與大部分類型的液體/液體和液體/固體混合的不同在于驅(qū)動(dòng)力是液力而非機(jī)械力。不同于如機(jī)械攪拌器那樣剪切流體并且推動(dòng)它圍繞混合容器，射流混合器經(jīng)罐內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)噴嘴擠壓流體，從而產(chǎn)生夾帶其他流體的高速射流。結(jié)果是剪切(流體針對(duì)流體)和循環(huán)，這高效地混合罐內(nèi)容物。
參考圖9，來自浸沒射流的芯流和周圍流體之間高速度梯度造成渦流。圖9A說明浸沒射流的一般特征。隨著浸沒射流擴(kuò)展至周圍環(huán)境中，速度曲線隨距噴嘴的距離(X)增加而變扁平。另外，速度梯度dv/dr隨給定距離X處的r(距射流中線的距離)變化，從而產(chǎn)生限定混合區(qū)域的渦流(來自噴嘴的圓錐狀擴(kuò)張物)。
在空氣中浸沒射流的實(shí)驗(yàn)性研究中(所述研究的結(jié)果適用于任何流體，包括水)，Albertson 等人(“Diffusion of Submerged Jets，，，論文 2409，Amer. Soc. of CivilEngineers Transactions,第 115 卷:639-697，1950,第 657 頁)開發(fā)了對(duì)于 v (x)r = Q/v。(中線速度)無的量綱關(guān)系V (r) Jv (X) r =。(在給定X的速度曲線)、Qx/Qq (流夾帶)和Ex/Eq (能量隨X的變化)
(I)中線速度，V (X)rVv0 :
v(r 0) X n
.....................................,T.....(2)在任何X處的速度曲線，V(r) Jv(x)r=0
「00781 iog[^^ -0J§-33-^
BIx"
(3)在任何x處的流量和能量
權(quán)利要求
1.一種方法，包括 使容器中在液體介質(zhì)中的生物質(zhì)原料糖化以形成濃度為至少15%的糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中將所述糖溶液轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的方法，其中轉(zhuǎn)化包括發(fā)酵。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的方法，其中轉(zhuǎn)化還包括蒸餾。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其中蒸餾包括真空蒸餾。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其中蒸餾在低于70Torr的真空下進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中蒸餾在環(huán)境溫度下進(jìn)行。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述產(chǎn)物包括醇。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述原料具有小于約O.5g/cm3的堆積山/又ο
9.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述液體介質(zhì)包括水。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述糖化劑包括酶。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在糖化期間用射流混合器混八口 ο
12.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在糖化期間監(jiān)測所述原料、所述液體介質(zhì)和所述糖化劑的混合物的葡萄糖水平。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在糖化期間將另外的原料和糖化劑加至所述容器中以及使用所述分散系統(tǒng)將所述原料分散于所述介質(zhì)中。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述容器包括罐。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述原料包括纖維素或木質(zhì)纖維素材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15所述的方法，其中所述原料包括紙。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在所述容器中將乳化劑或表面活性劑加至所述混合物中。
18.根據(jù)權(quán)利要求
3或4所述的方法，還包括在蒸餾期間混合。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中在蒸餾期間使用射流混合器進(jìn)行混合。
20.—種系統(tǒng),包括 罐， 設(shè)置為將生物質(zhì)原料、糖化劑和液體介質(zhì)輸送至所述罐的輸送系統(tǒng)， 設(shè)置為將所述輸送的生物質(zhì)原料和糖化劑混合的混合器，和 設(shè)置為從所述罐的內(nèi)容物蒸餾產(chǎn)物的與所述罐連通的真空蒸餾系統(tǒng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置為用微生物接種所述罐的內(nèi)容物的輸送>j-U ρ α裝直。
22.根據(jù)權(quán)利要求
20或21所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置為監(jiān)測所述罐的內(nèi)容物的氧水平的氧監(jiān)測器。
23.根據(jù)權(quán)利要求
20-22中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述混合器包括射流混合物器。
24.根據(jù)權(quán)利要求
20-23中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述輸送系統(tǒng)設(shè)置為將所述生物質(zhì)原料和液體介質(zhì)以分散體的形式輸送至所述罐。
專利摘要
處理生物質(zhì)原料(例如，工廠生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)和城市廢物生物質(zhì))以產(chǎn)生有用的產(chǎn)品，如燃料。例如，描述了可以將原料轉(zhuǎn)化成糖溶液的系統(tǒng)，隨后可使所述糖溶液發(fā)酵以產(chǎn)生乙醇。通過操作射流混合器使生物質(zhì)原料在容器中糖化，所述容器還包含液體介質(zhì)和糖化劑。
文檔編號(hào)C12P7/10GKCN102782117SQ201080061659
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年11月18日
發(fā)明者M·梅多夫, T·馬斯特曼 申請(qǐng)人:希樂克公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan