用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料的材料和方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年8月26日、發(fā)明名稱為"用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料 的材料和方法"的申請(qǐng)?zhí)枮?00980142544. 9的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/092, 109 (2008年8月27日提交）的優(yōu)先權(quán)， 將該申請(qǐng)的內(nèi)容整體引入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及生物質(zhì)向生物燃料的轉(zhuǎn)化，包括在生物燃料的生產(chǎn)工藝中用來預(yù)處理 生物質(zhì)的材料和方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 使用生物質(zhì)（如植物生物質(zhì)）作為生產(chǎn)生物燃料（如乙醇或丁醇）的原材料被確 立為是碳基燃料的可行的備選。玉米是最普遍的生物質(zhì)，在美國有大量的玉米乙醇工廠，但 是在美國和其他國家也使用其他的生物質(zhì)來源，如甜菜、糖蔗、蜀黍（高梁）、大麥、玉米秸 桿、能源甘蔗和木材廢料。
[0006] 對(duì)于將玉米用作生物質(zhì)，所述玉米粒由許多物質(zhì)（包括淀粉、蛋白質(zhì)、油、纖維及 各種有機(jī)和無機(jī)的化合物以及水）組成。胚乳（主要含有淀粉）通常占玉米粒的約80-85% (干基，dry weight basis)，而胚芽和表皮分別占約10-14%和5-6%。所述胚芽富含油， 通常含有約為38wt% -45wt%的油。
[0007] 對(duì)于玉米（和其他淀粉基生物質(zhì)）向生物燃料的轉(zhuǎn)化，是通過酶將淀粉分解（即 水解）成糖（也稱為"液化"）。使所產(chǎn)生的糖冷卻，再將其轉(zhuǎn)移到發(fā)酵罐中，在發(fā)酵罐中 添加有將相對(duì)復(fù)雜的糖分解成簡單糖（糖化作用）的其他酶。還在發(fā)酵罐中添加酵母，在 發(fā)酵罐中，酵母利用這些簡單糖來產(chǎn)生乙醇或另外的生物燃料。一旦發(fā)酵完畢，使發(fā)酵醪 (fermented mash)通過發(fā)酵池（beer well)轉(zhuǎn)移到蒸餾系統(tǒng)中（其中，固體和水經(jīng)過一系 列的分餾階段與乙醇分離）。在分餾過程中，乙醇從一個(gè)階段蒸發(fā)并在下個(gè)階段凝結(jié)，從而 將乙醇濃縮到為約95vol %。剩余的水通過分子篩或膜除去，將乙醇濃縮到高于99vol %。 將含有可溶固體和不溶固體的水本體（稱為整個(gè)釜餾液（whole stillage))從蒸餾柱的底 部排出，然后離心。將大部分的懸浮固體作為35%的固體塊除去，同時(shí)將大部分溶有固體的 水分成循環(huán)的液體（逆流）或被輸送到蒸發(fā)器中濃縮。所述蒸發(fā)器濃縮物（~40%固體） 與所述的塊狀固體混合，再以潤濕態(tài)出售或在旋轉(zhuǎn)式干燥器或閃蒸干燥器中干燥得到90% 的固體粉末，稱為含有可溶物的干酒糟（DDGS)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開文本提供將生物質(zhì)（如淀粉基生物質(zhì)或纖維素基生物質(zhì)）轉(zhuǎn)化成生物燃料 的材料和方法。在某些實(shí)施方式中，所述材料包括膠體磨或其他高剪切磨碎/混合設(shè)備（除 非另外說明，下文，術(shù)語"膠體磨"指膠體磨本身或其他任何的高剪切/磨碎混合設(shè)備）。在 某些實(shí)施方式中，本發(fā)明的膠體磨包括轉(zhuǎn)子和定子，且任選地能將生物質(zhì)的長纖維減小為 更小的顆粒。在某些實(shí)施方式中，所述的膠體磨不包括如在美國專利公開號(hào)2009/0000184 中描述的那些旋轉(zhuǎn)盤。在某些實(shí)施方式中，不使用蒸汽和/或補(bǔ)充的〇) 2處理膠體磨中的 顆粒。
[0009] 本發(fā)明所述的方法包括：使用膠體磨減小和限定生物質(zhì)粒徑的整個(gè)范圍；與生物 燃料生產(chǎn)工藝中使用的另外的糖類和/或低聚糖接觸；以及形成如下粒徑，所述粒徑足以 在下游過濾中產(chǎn)生仍可被回收的濃縮顆粒漿料（不同于大顆粒和纖維的不可栗送的纏結(jié) 塊、或者不同于因粒徑太小而形成的不可回收的淤漿）。本文使用的"粒徑"可由顆粒穿過 已知孔隙直徑的篩子的能力來確定。所述顆粒的尺寸是仍能使顆粒穿過的篩孔的最小尺 寸。不過應(yīng)當(dāng)理解所述顆粒不必是球形的，但尺寸粗略地等于顆粒的最窄直徑，由此通過測 量顆粒穿過已知孔隙直徑的篩子的能力最有效地確定粒徑。篩子通常阻留具有特定直徑的 長纖維，因?yàn)樗鼈儠?huì)因彎曲纏結(jié)在篩子中。
[0010] 在某些實(shí)施方式中，所述材料包括膠體磨，所述方法包括：在由生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃 料的工藝中，使用膠體磨生產(chǎn)具有相對(duì)均勻的粒徑的生物質(zhì)顆粒。在某些實(shí)施方式中，所 述材料包括膠體磨，所述方法包括：在由生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的工藝中，使用膠體磨生產(chǎn)生 物質(zhì)顆粒的膠態(tài)懸浮體。在某些實(shí)施方式中，所述材料包括膠體磨和錘磨，所述方法包括 在通過膠體磨之前，將所述的用于生物燃料生產(chǎn)工藝中的生物質(zhì)使用錘磨制成干粉。在某 些實(shí)施方式中，所述材料包括膠體磨和一個(gè)或多個(gè)錘磨、以及酶或酶的混合物，所述方法包 括：通過使用膠體磨和一個(gè)或多個(gè)錘磨剪切所述生物質(zhì)，對(duì)所述生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理；以及 使用酶或酶的混合物水解所述生物質(zhì)。可在膠體磨之前或膠體磨之后添加這些酶。在預(yù)處 理步驟也使用酶或酶的混合物的實(shí)施方式中，所述酶可以是纖維素酶（cellulase)或其他 酶。在某些實(shí)施方式中，所述材料包括一種或多種上述指定的材料，所述方法包括一種或多 種上述指定的方法。在某些實(shí)施方式中，在由生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的工藝中，將所述的材 料和方法施用到纖維素原料上。在某些實(shí)施方式中，所述纖維素原料包括玉米纖維或玉米 秸桿，所述工藝包括由玉米、玉米纖維和/或玉米秸桿生產(chǎn)乙醇。在上述的一種或多種實(shí) 施方式中，所述工藝還包括生產(chǎn)含醇的生物燃料，其中乙醇濃度至少為生物燃料的5vol%、 至多為生物燃料的20vol %或更高，例如對(duì)于玉米或類似生物質(zhì)，乙醇濃度至少為生物燃料 的13vol%、至多為生物燃料的16vol%或至多20vol% ;或者對(duì)于非玉米或纖維素類生物 質(zhì)（cellulosic biomass)，乙醇濃度至少為生物燃料的4vol%和至多7vol%、8vol%或 10-12vol%〇
[0011] 在上述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，所述工藝還包括，每蒲式耳（bushel)玉米產(chǎn) 生2. 8-3. 1加侖乙醇這樣的產(chǎn)量。在某些實(shí)施方式中，所述工藝包括每噸生物質(zhì)材料生產(chǎn) 60-80加侖或更多加侖的乙醇。
[0012] 本發(fā)明提供制備生物燃料的方法。在某些實(shí)施方式中，所述方法包括對(duì)生物質(zhì)顆 粒進(jìn)行預(yù)處理，將所述顆粒減小為相對(duì)均勻的粒徑；以及由所述預(yù)處理后的生物質(zhì)顆粒制 備生物燃料。
[0013] 在某些實(shí)施方式中，所述預(yù)處理使用高剪切磨碎設(shè)備。在某些實(shí)施方式中，所述的 高剪切磨碎設(shè)備是膠體磨。
[0014] 在某些實(shí)施方式中，對(duì)剪切后的生物質(zhì)或磨碎后的生物質(zhì)進(jìn)行所述預(yù)處理。
[0015] 在某些實(shí)施方式中，至少85%或至少95%的所述預(yù)處理后的顆粒具有約 100 y m_ 約 800 y m 或約 100 y m_500 y m 的粒徑。
[0016] 在某些實(shí)施方式中，約100 ym-約800 ym的所述生物質(zhì)是玉米，至少95%的所述 預(yù)處理后的顆粒具有約100 ym-約500 ym的粒徑。
[0017] 在某些實(shí)施方式中，與未使用膠體磨來減小所述生物質(zhì)顆粒的方法相比，所述生 物燃料的產(chǎn)量得到提高。
[0018] 在某些實(shí)施方式中，所述方法進(jìn)一步包括將所述的生物質(zhì)與至少一種纖維素酶類 (cellulaseenzyme)接角蟲。
[0019] 在某些實(shí)施方式中，所述方法包括將膠體磨磨碎后的生物質(zhì)與至少一種纖維素酶 類接觸，以產(chǎn)生水解產(chǎn)物；以及由所述水解產(chǎn)物制備生物燃料。在某些實(shí)施方式中，所述的 至少一種纖維素酶類選自于由如下酶組成的組：內(nèi)切葡聚糖酶、內(nèi)切-1，4-0 -葡聚糖酶、 羧甲基纖維素酶、內(nèi)切-1，4-0 -D-葡聚糖酶、0 -1，4-葡聚糖酶、0 -1，4-內(nèi)切葡聚糖水解 酶、纖維糊精酶（celludextrinase)和微晶纖維素酶。
[0020] 在某些實(shí)施方式中，與所述纖維素酶類的接觸在約30°C -約55°C的溫度進(jìn)行約24 小時(shí)-約72小時(shí)。在某些實(shí)施方式中，所述接觸是與酶的混合物接觸，所述酶的混合物是 將纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖的酶與將半纖維素轉(zhuǎn)化成木糖和阿拉伯糖的酶的混合物。在某些實(shí) 施方式中，所述纖維素酶類的混合物包括纖維素酶、木聚糖酶和木質(zhì)素酶。
[0021] 在某些實(shí)施方式中，與未將所述磨碎后的生物質(zhì)（谷物、玉米秸桿等）與至少一種 纖維素酶類接觸的方法相比，所述生物燃料的產(chǎn)量得到提高。
[0022] 在某些實(shí)施方式中，所述方法進(jìn)一步包括：在與所述至少一種纖維素酶類接觸之 前，使用膠體磨將所述磨碎后的生物質(zhì)研磨成相對(duì)均勻的粒徑。
[0023] 在某些實(shí)施方式中，所述生物燃料的制備步驟包括：將淀粉水解以生成糖；以及 將所述糖發(fā)酵生產(chǎn)所述生物燃料。
[0024] 在某些實(shí)施方式中，所述制備生物燃料的方法是工業(yè)規(guī)模的方法。
[0025] 在某些實(shí)施方式中，所述發(fā)酵在釀酒酵母（S. cerevisiae)或貝酵母（S. bayanus) 或畢赤酵母（P. stipitis)的存在下進(jìn)行。
[0026] 在某些實(shí)施方式中，所述生物燃料是乙醇、丁醇、生物柴油或航空燃料。
[0027] 本發(fā)明還包括用膠體磨預(yù)處理生物質(zhì)以生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒的方法，其中，至少95% 的所述預(yù)處理后的顆粒具有約100 ym-約800 ym的粒徑。
[0028] 在某些實(shí)施方式中，所述方法還進(jìn)一