用于加熱原料的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法。該方法包括將木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓。將所述栓或其節(jié)段給料到長形腔室中，其包含用于直接蒸汽添加的蒸汽添加器和在腔室內(nèi)共軸向安裝的旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸具有在其上安裝的一個或更多個碎裂元件。在長形腔室中通過碎裂元件產(chǎn)生碎裂的原料顆粒。所述碎裂的原料顆粒通過與經(jīng)蒸汽添加器引入的蒸汽相接觸而被加熱。然后在反應(yīng)器中處理所述碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。還提供了包含碎裂的原料顆粒的原料組合物。還提供了用于通過將從栓形成裝置的排放稠度維持低于35重量％來減少對設(shè)備之侵蝕的方法。
【專利說明】用于加熱原料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了在原料(feedstock)進(jìn)入下游反應(yīng)器之前加熱原料的改進(jìn)方法。本發(fā)明還提供了用于加工木質(zhì)纖維素原料同時降低對加工設(shè)備之侵蝕的改進(jìn)方法。
技術(shù)背景
[0002]從木質(zhì)纖維素原料(例如小麥稻桿、玉米稻桿和柳枝稷(switch grass))產(chǎn)生燃料乙醇或其他發(fā)酵產(chǎn)物的興趣日益增加。使用這些原料的優(yōu)點(diǎn)在于它們是廣泛可得的并且可以低成本獲得。此外，木質(zhì)纖維素原料通常被焚燒或填埋，所以將它們用于乙醇生產(chǎn)為處置成本提供了有吸引力的替代選擇。這些原料的另一個優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)化過程中的副產(chǎn)品(被稱為木質(zhì)素)可代替化石燃料作為燃料為加工提供動力。一些研究已經(jīng)得出結(jié)論，當(dāng)考慮整個生產(chǎn)和消費(fèi)周期時，使用由纖維素生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)生接近于無的溫室氣體。
[0003]一種用于從木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物(例如乙醇)的方法是進(jìn)行預(yù)處理，之后將纖維素酶促水解為葡萄糖。預(yù)處理通常破壞木質(zhì)纖維素原料的纖維結(jié)構(gòu)并增加原料的表面積以使得其易于與纖維素酶接近。可進(jìn)行預(yù)處理使得木聚糖高度水解并且僅少量纖維素發(fā)生轉(zhuǎn)化成葡萄糖。在隨后的步驟中使用纖維素酶將纖維素水解成葡萄糖。其他預(yù)處理方法(例如某些堿預(yù)處理)不水解或者導(dǎo)致有限的木聚糖水解。此外，有可能使用更劇烈化學(xué)處理(例如濃酸水解)來水解木聚糖和纖維素二者。
[0004]不考慮用于產(chǎn)生可發(fā)酵糖的方法，經(jīng)常進(jìn)行向即將加入的原料添加水以形成漿液的操作，從而促進(jìn)纖維素原料的運(yùn)輸和機(jī)械處理。漿液由水中木質(zhì)纖維素原料塊或顆粒組成。當(dāng)原料衆(zhòng)液具有約I重量％至約10重量％未溶解干燥固體的稠度(consistency)時，它們可最容易地泵送。
[0005]然而，為了木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化方法變得更經(jīng)濟(jì)，期望在較低水含量下操作它們。加工低水含量的原料在該方法的多個階段有許多優(yōu)點(diǎn)，其中之一是減小設(shè)備尺寸，這繼而降低資本成本。低水含量的另一些益處包括降低能量消耗，包括降低泵送、加熱、冷卻和蒸發(fā)的成本。此外，水使用成本可以降低，這在水短缺的干旱氣候中是特別有利的。
[0006]特別受益于低水平之水的加工階段是需要加熱以處理原料的預(yù)處理或其他階段。在這些處理期間，加熱反應(yīng)器上游或反應(yīng)器自身內(nèi)部之原料漿液所需的能量的量是原料漿液(包括用于運(yùn)輸原料的添加的水)之總質(zhì)量的直接函數(shù)。操作具有低水平之水的預(yù)處理或水解加工可以減少加熱所需的能量。已知多種用于加熱原料的方法，包括間接加熱方法(例如加熱套)，向腔室(chamber)添加經(jīng)加熱的水(例如在加拿大專利申請N0.2，638，152中公開的)，或者向反應(yīng)容器自身添加蒸汽(美國專利N0.5，338，366)。
[0007]用于降低水含量以及隨后加熱所需之能量的一種方法是在下游反應(yīng)器中進(jìn)行預(yù)處理或水解之前將即將加入的原料衆(zhòng)液脫水并形成原料的壓實(shí)栓(compacted plug)(參見共同擁有且共同未決的W02010/022511，其通過引用并入本文)?？梢酝ㄟ^多種裝置(例如栓螺旋進(jìn)料器(plug screw feeder)和加壓螺旋壓力機(jī)(pressurized screw press))產(chǎn)生原料的栓。通常減少原料的水含量使得固體含量高至足以發(fā)生栓形成。脫水可以在栓形成設(shè)備內(nèi)發(fā)生或者脫水和栓形成可在設(shè)備的單獨(dú)部分進(jìn)行?；蛘?，如果原料固體含量已經(jīng)處于期望的高稠度，則可以省略栓形成上游的脫水。
[0008]可證實(shí)形成的栓在其進(jìn)入下游反應(yīng)器之前難以加熱。栓常常排放(discharge)成大的節(jié)段，其直徑可為3-5英寸或甚至更大。這樣的大的節(jié)段阻止蒸汽迅速滲透進(jìn)入纖維材料并導(dǎo)致不均勻的溫度分布。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到在栓或其節(jié)段中的不均勻溫度分布可導(dǎo)致原料在下游反應(yīng)器中的蒸煮過度(overcooking)或蒸煮不足(undercooking)。反應(yīng)器中的蒸煮過度可導(dǎo)致原料的降解，而蒸煮不足則可導(dǎo)致低木糖產(chǎn)率和纖維素水解困難。
[0009]在利用高稠度材料的加工期間出現(xiàn)的另一問題是設(shè)備傾向于侵蝕。對暴露于高稠度原料漿液的栓形成裝置或其他設(shè)備的侵蝕破壞可以是昂貴的，這是因?yàn)樾枰?jīng)常維修或潛在地甚至昂貴地更換設(shè)備。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到對設(shè)備的侵蝕破壞對于含有相對高水平之灰分的木質(zhì)纖維素原料(例如耕種作物(cultivated crop)、農(nóng)業(yè)殘留物或糖加工殘留物)來說可能是特別成問題的。甘鹿稻桿(sugar cane straw)和榨糖殘洛(bagasse)是第二代生物燃料生產(chǎn)的當(dāng)前關(guān)注物，其通常含有相當(dāng)高含量的灰分。雖然可通過清洗或浙濾(leaching)除去灰分，但是這樣的步驟常常是不期望的，這是因?yàn)樗麄冊黾蛹庸ぶ兴氖褂谩?br> [0010]因此，本領(lǐng)域中需要用于在進(jìn)入下游反應(yīng)器之前加熱原料栓或其節(jié)段的改進(jìn)方法。本領(lǐng)域中還需要用于在操作包括形成來自非木本(non-woody)木質(zhì)纖維素原料之材料栓的加工時減少對設(shè)備之侵蝕的改進(jìn)方法。
發(fā)明概述
[0011]相對于在預(yù)處理或水解之前由木質(zhì)纖維素原料形成材料栓的已知方法，本文公開了克服或改善問題的方法，或者提供了可用的替代方案。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，本發(fā)明可以克服在原料進(jìn)入下游反應(yīng)器之前對其加熱的困難。特別地，通過確保原料栓或其節(jié)段在包含碎裂元件(disintegrating element)的加熱腔室中碎裂成顆粒，可以實(shí)現(xiàn)更大的比表面積。結(jié)果是，可以在預(yù)處理或水解原料之前實(shí)現(xiàn)蒸汽更迅速滲透到纖維材料中和更均勻的溫度分布。通過以這種方式使顆粒與蒸汽接觸，可潛在地減少下游反應(yīng)器中原料的蒸煮過度或蒸煮不足，這繼而可以提高木糖產(chǎn)率和纖維素水解。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括:將木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓；將所述栓或其節(jié)段給料到其至少一部分是圓筒形的長形(elongate)腔室中，并且所述長形腔室優(yōu)選為水平朝向或基本水平朝向，所述腔室具有用于直接蒸汽添加的蒸汽添加器(steam additionmeans)和安裝在其中的旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸具有在其上安置的一個或更多個碎裂元件；在所述長形腔室中通過碎裂元件產(chǎn)生碎裂的原料顆粒；通過使所述碎裂的原料顆粒與經(jīng)蒸汽添加器引入的蒸汽相接觸來加熱所述顆粒，其中該腔室中的操作壓力為至少約90磅/平方英寸絕對壓力(psia);并且其后，在反應(yīng)器中預(yù)處理或水解碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了如上所述的方法，其中在軸上安置碎裂元件以掃過(sweep)所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面。碎裂元件可以連續(xù)地軸向掃過所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了如上所述的方法，其中所述碎裂元件向原料移動通過加熱腔室的方向傾斜以促進(jìn)輸送原料通過加熱腔室。
[0016]根據(jù)本發(fā)明前述方面之任一方面的一個實(shí)施方案，將木質(zhì)纖維素原料給料到脫水裝置以產(chǎn)生脫水的原料，并且之后將所述脫水的原料給料到栓形成裝置。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，該原料經(jīng)加壓，然后給料到脫水裝置并且在脫水裝置的入口處該原料的壓力大于約45磅/平方英寸絕對壓力。
[0017]用于碎裂該原料的碎裂元件可以包含切割旋翼式螺鉆(cut flight auger)、帶狀送料器(ribbon feeder)、鋸齒螺旋鉆(sawtooth auger)、刀片(blade)、桿(bar)、槳(paddle)、釘(peg)、臂(arm)或其組合。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，碎裂元件位于至少腔室之中區(qū)的軸上。該軸在腔室之入口部分中的區(qū)域可以包含帶狀送料器、切割旋翼式螺鉆或鋸齒螺旋鉆。
[0018]碎裂元件可以從軸向外突出并且可以配置成使得旋轉(zhuǎn)軸上碎裂元件的外邊緣描繪的一個或更多個圓，所述一個或更多個圓相對于腔室的內(nèi)表面同心或基本上同心。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，最靠近于腔室內(nèi)表面之碎裂元件外邊緣的速度為約200米/分鐘至約1000米/分鐘。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，最接近于腔室內(nèi)表面的碎裂元件外邊緣的速度為約450米/分鐘至約800米/分鐘。
[0020]在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，腔室之內(nèi)表面和最靠近于該內(nèi)表面的碎裂兀件外邊緣之間的距離小于腔室之內(nèi)部直徑的10%。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，蒸汽添加器包含沿腔室之長度布置的用于直接蒸汽注入的入口。優(yōu)選地，該腔室不含有間接加熱套。
[0022]預(yù)處理或水解可包括向碎裂的原料顆粒添加化學(xué)品。所述化學(xué)品通常是酸或堿。
[0023]本發(fā)明還提供了用于當(dāng)加工來自非木本木質(zhì)纖維素原料的高稠度材料時減少對設(shè)備之侵蝕的改進(jìn)方法。如所討論的，與木本生物質(zhì)(biomass)相比，非木本原料通常含有相對高水平的灰分，并且因此使用這些原料的加工更傾向于對設(shè)備(特別是暴露于高稠度材料的設(shè)備，例如栓形成裝置)侵蝕損傷。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到當(dāng)材料稠度高時，加工這樣的原料時對設(shè)備之侵蝕損傷的影響將是特別顯著的。這與木本材料(例如含有相對低水平灰分的木屑和木漿)相反。文獻(xiàn)中記載的使用木屑或木漿作為原料用于制造乙醇的加工可通常在栓形成裝置中在較高稠度下操作。
[0024]因此，通過在比在木漿和造紙加工中較普遍的稠度更低的稠度下操作，可減少侵蝕損傷，由此導(dǎo)致節(jié)約操作成本和資本成本。在該栓形成裝置的出口處控制稠度使得其保持低于35重量％未溶解干燥固體的閾稠度值，但在20重量％以上以維持低水條件。
[0025]因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括:(i)將木質(zhì)纖維素原料以漿液的形式給料到栓形成裝置并且在其中形成原料栓，其中離開所述栓形成裝置的所述栓或其節(jié)段具有約20重量％至約35重量％的未溶解干燥固體含量；(ii)在步驟(i)之后預(yù)處理所述木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生具有約15重量％至約30重量％未溶解干燥固體含量的預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料；(iii)酶促水解所述預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生至少包含葡萄糖的溶液；以及(iv)發(fā)酵至少所述葡萄糖以產(chǎn)生醇，其中該木質(zhì)纖維素原料選自:灰分含量大于0.5% (w/w)的耕種作物、糖加工殘留物和農(nóng)業(yè)殘留物。
[0026]如本文所證明的，以上所述的方法在產(chǎn)生纖維素底物中有效，由所述纖維素底物可回收高葡萄糖產(chǎn)率而同時減少侵蝕。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中至少70%的纖維素被轉(zhuǎn)化為葡萄糖。優(yōu)選預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中至少80%或至少90%的纖維素被轉(zhuǎn)化為葡萄糖。
[0027]本發(fā)明還提供了用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的改進(jìn)方法，其包括將該原料浸泡在水溶液中的步驟。經(jīng)浸泡的原料可以具有約I重量％至約12重量％的未溶解干燥固體含量。優(yōu)選地，使用包含酸或堿預(yù)處理化學(xué)品的水溶液進(jìn)行浸泡。在預(yù)處理前浸泡原料的益處是這可確保生物質(zhì)的均一濕潤，其繼而幫助實(shí)現(xiàn)在隨后的預(yù)處理或水解中均勻蒸煮。隨后將經(jīng)浸泡的原料給料到栓形成裝置以形成材料栓，并且離開栓形成裝置之出口的栓或其節(jié)段具有不超過35重量％的未溶解干燥固體含量，從而減少對設(shè)備的侵蝕。
[0028]因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括(i)用水溶液浸泡木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料，其中所述木質(zhì)纖維素原料不主要含有木屑或木漿；(ii)將經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓，其中離開栓形成裝置的所述栓或其節(jié)段具有約20重量％至約35重量％的未溶解干燥固體含量；(iii)碎裂所述栓或其節(jié)段以產(chǎn)生碎裂的原料顆粒并加熱所述碎裂的原料顆粒；以及其后(iv)在反應(yīng)器中預(yù)處理或水解所述碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，經(jīng)浸泡原料在被給料到栓形成裝置前在脫水裝置中被部分地脫水。或者，部分脫水可以在栓形成裝置自身中進(jìn)行。
[0030]優(yōu)選地，木質(zhì)纖維素原料是甘蔗榨糖殘渣或甘蔗秸桿。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甘蔗秸桿和榨糖殘渣含有相對高水平的灰分。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，木質(zhì)纖維素原料具有約1.5%(w/w)至約15% (w/w)的灰分含量。根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料是灰分含量為約1.5% (w/w)至約15% (w/w)或約1.5% (w/w)至約12% (w/w)的甘鹿榨糖殘渣或甘蔗秸桿。
[0031]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中至少70%的纖維素被轉(zhuǎn)化為葡萄糖。優(yōu)選地，預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中至少80%或至少90%的纖維素被轉(zhuǎn)化為
葡萄糖。
[0032]非限制性地，通過進(jìn)行上述導(dǎo)致對加工設(shè)備之侵蝕減少的方法，可以減少甚至完全避免使用清洗或浙濾步驟。這減少水使用。然而，為進(jìn)一步減少侵蝕或出于其他原因從木質(zhì)纖維素原料除去特定部分的灰分可以是有利的。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料在步驟(i)之前不浙濾或清洗以除去大于50重量％的灰分。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了木質(zhì)纖維素原料組合物，其包含(i)碎裂的木質(zhì)纖維素原料顆粒；(ii)約15重量％至約35重量％未溶解固體，其中該未溶解固體包含約20重量％至約60重量％纖維素和約10重量％至約30重量％木聚糖；以及(iii)礦物酸或有機(jī)酸，其中該原料顆粒不主要源于木屑或木漿，并且其中該原料組合物的PH為約0.5至約4.5。該組合物的溫度可以為約100°C至約280°C。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料顆粒源自榨糖殘渣或甘蔗秸桿。根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料組合物包含約15重量％至約30重量％未溶解干燥固體，或約20重量％至約30重量％未溶解干燥固體。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了木質(zhì)纖維素原料組合物，其包含(i)碎裂的木質(zhì)纖維素原料顆粒；(ii)約15重量％至約30重量％未溶解干燥固體，其中該未溶解干燥固體包含約20重量％至約60重量％纖維素和約10重量％至約30重量％木聚糖；以及
(iii)礦物酸，其中該原料顆粒不主要源于木屑或木漿，并且其中該原料組合物的PH為約
0.5至約3.5。該組合物的溫度可以為約100°C至約280°C。
[0036]本發(fā)明還提供了包括預(yù)處理前述木質(zhì)纖維素原料組合物的方法。本發(fā)明還提供了預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料組合物，其中如用里氏木霉(Trichoderma reesei)纖維素酶水解時所測量的，預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中按重量百分比至少70%，更優(yōu)選至少80%或90%的纖維素可轉(zhuǎn)化為葡萄糖，并且其中預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料源自甘蔗榨糖殘渣或甘蔗秸桿。用于確定纖維素酶對預(yù)處理之木質(zhì)纖維素原料的可消化性的方法在實(shí)施例4中提出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]在附圖中，
[0038]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法的流程圖；
[0039]圖2是在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在加熱腔室中使用的鋸齒螺旋鉆之橫截面；以及
[0040]圖3是這樣的圖，其顯示了在一個月的操作時期內(nèi)測量的根據(jù)本發(fā)明之方法產(chǎn)生的預(yù)處理原料漿液之未溶解干燥固體稠度(重量％)。
[0041]發(fā)明詳述
[0042]以下對優(yōu)選實(shí)施方案的描述僅是示例性的，并且不限制實(shí)施本發(fā)明所必需之特征的組合。所提供的標(biāo)題不意味著限制本發(fā)明的多種實(shí)施方案。術(shù)語例如“包含”和“包括”不意味著是限制性的。此外，無量詞修飾的名詞的使用包括一個或更多個，并且“或”意為“和/或”，除非另有說明。除非本文另有限定，否則本文所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的通常理解相同的含義。
[0043]原料和原料尺寸減小
[0044]用于該方法的原料是木質(zhì)纖維素材料。術(shù)語“木質(zhì)纖維素原料”意為任意類型的植物生物質(zhì),例如但不限于植物生物質(zhì),包括耕種作物,例如但不限于草(grass)，例如但不限于C4草,例如但不限于柳枝稷、大米草(cord grass)、黑麥草(rye grass)、芒草(miscanthus)、草廬(reed canary grass)或其組合；糖加工殘留物,例如但不限于榨糖殘渣，例如甘蔗榨糖殘渣、甜菜漿(beet pulp)或其組合；農(nóng)業(yè)殘留物，例如但不限于大豆秸桿、玉米稻桿、稻桿、甘鹿稻桿、稻殼、大麥稻桿、玉米穗軸(corn cob)、小麥稻桿、油菜稻桿、燕麥稻桿、燕麥殼、玉米纖維或其組合；林業(yè)生物質(zhì)，例如但不限于再循環(huán)的木衆(zhòng)纖維、鋸屑、硬木(如楊木)、軟木或其組合。此外，木質(zhì)纖維素原料可以包括木質(zhì)纖維素廢料或林業(yè)廢料，例如但不限于新聞紙(newsprint)、硬紙板等。木質(zhì)纖維素原料可以包含一種纖維，或者替代地，木質(zhì)纖維素原料可以包含源自不同木質(zhì)纖維素原料的纖維混合物。此外，木質(zhì)纖維素原料可以包含新鮮的木質(zhì)纖維素原料、部分干燥的木質(zhì)纖維素原料、完全干燥的木質(zhì)纖維素原料或其組合。此外，新的木質(zhì)纖維素原料種類可以通過植物育種或通過基因工程從任何以上所列的那些產(chǎn)生。
[0045]優(yōu)選地，木質(zhì)纖維素原料是甘蔗榨糖殘渣或甘蔗秸桿。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，甘蔗秸桿包括甘蔗的頂部和葉片。
[0046]木質(zhì)纖維素原料包含大于約20%、更優(yōu)選大于約30%、更優(yōu)選大于約40% (w/w)的量的纖維素。例如,木質(zhì)纖維素材料可以包含約20%至約50% (w/w)的纖維素或其間的任意量。這樣的原料包含半纖維素，包括木聚糖、阿拉伯聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖。此外，木質(zhì)纖維素原料包含大于約10%的量、更通常大于約15% (w/w)的量的木質(zhì)素。木質(zhì)纖維素原料還可包含少量的蔗糖、果糖和淀粉。
[0047]通常通過下述方法減小木質(zhì)纖維素原料的尺寸，所述方法包括但不限于碾(milling)、磨(grinding)、攪拌、撕碎(shredding)、壓縮/膨脹或其他類型的機(jī)械作用。機(jī)械作用導(dǎo)致的尺寸減小可以通過適于該目的的任何設(shè)備類型來實(shí)施，例如但不限于選自以下的尺寸減小裝置:錘式碾碎機(jī)(hammer mill)、桶式研磨機(jī)(tub-grinder)、棍式壓制機(jī)(roll press)、精制機(jī)(refiner)和水力碎衆(zhòng)機(jī)(hydra-pulper)。可以將原料減小成長度為約1/16至約8英寸或其間任意量的顆粒。減小的顆粒的長度還可以為:按重量計至少約90%顆粒的長度小于約5英寸或甚至更??；例如，按重量計至少約90%顆粒的長度可以小于約4、約3、約2、約I或約1/2英寸?？梢赃M(jìn)行清洗以除去沙、砂礫以及其他外來顆粒，這是因?yàn)樗鼈儠ο掠卧O(shè)備造成損傷。應(yīng)當(dāng)理解，例如如果原料的顆粒尺寸已經(jīng)在1/2英寸至8英寸之間，則木質(zhì)纖維素原料無需經(jīng)過尺寸減小。
[0048]出于該說明書的目的，使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)通過圖像分析確定原料顆粒的尺寸。合適的圖像分析技術(shù)的實(shí)例公開于Igathinathane (Sieveless particlesize distribution analysis of particulate materials through computer vision.Computers and Electronics in Agriculture, 2009,66:147-158,其主要內(nèi)容通過引用并入本文)，其報道了幾種不同錘式碾碎原料的顆粒尺寸分析。測量可以是體積或重量平均長度。
[0049]原料稠度
[0050]在木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置之前，可以將木質(zhì)纖維素原料中未溶解固體的量調(diào)節(jié)到期望的稠度。進(jìn)入栓形成裝置后，木質(zhì)纖維素原料可具有的未溶解干燥固體稠度為約I重量％至約40重量％或約4重量％至約20重量％以及其間的所有比率。未溶解干燥木質(zhì)纖維素原料固體的百分比可以在栓形成裝置的入口處測定。期望的稠度由以下幾個因素確定，例如可泵送性、管線要求以及其他實(shí)際的考慮。
[0051]木質(zhì)纖維素原料的稠度(本文中也稱為未溶解干燥固體或“UDS”)通過以下測定:過濾并清洗樣品以除去未溶解的固體，然后以足以從濕潤的材料或漿液的樣品除去水但不導(dǎo)致原料固體熱降解的溫度和時間段來干燥樣品。水除去或干燥之后，稱重干燥固體，并且濕潤材料或漿液之樣品中水的重量是濕潤固體或漿液之樣品的重量與干燥固體的重量之間的差異。水衆(zhòng)液中未溶解干燥固體(undissolved dry solid,UDS)的量被稱作衆(zhòng)液的稠度。稠度表示為漿液的重量中干燥固體的重量，例如表示為以重量為基礎(chǔ)的比例(重量:重量)，或者以重量為基礎(chǔ)的百分比，例如％ (w/w)(本文還表示為重量％)。用于測定稠度的方法在實(shí)施例1中提出。
[0052]將木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置之前，原料可以浸泡在包含水的含水溶液中或包含預(yù)處理化學(xué)品的溶液中。在預(yù)處理前用包含預(yù)處理化學(xué)品的溶液浸泡原料的益處是可以確保預(yù)處理化學(xué)品均一浸潰生物質(zhì)，其繼而在隨后的預(yù)處理中幫助實(shí)現(xiàn)均勻蒸煮。均一浸潰確保一些材料不蒸煮過度和因預(yù)處理化學(xué)品的高局部濃度而降解，同時其他材料未蒸煮不足導(dǎo)致低木糖產(chǎn)率和纖維素水解困難。當(dāng)預(yù)處理在中等固體稠度或高固體稠度下進(jìn)行時，木質(zhì)纖維素原料的蒸煮過度或蒸煮不足可以是特別成問題的，因?yàn)轭A(yù)處理化學(xué)品之濃度和溫度的不均一性更加顯著。
[0053]脫水
[0054]原料可以被脫水以在栓形成前在期望的范圍內(nèi)增加未溶解干燥固體稠度。然而，應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)原料給料到栓形成裝置時，如果原料的稠度已經(jīng)在期望的水平，則可以不需要脫水。脫水可以包括在壓力下從原料除去水，或者在大氣壓力下，如下文所述。
[0055]可以配置栓形成裝置以使原料脫水，盡管可以采用用于脫水和栓形成的各自分離的裝置。非限制性地，適合用于本發(fā)明的包括脫水部分的栓形成裝置可以是加壓螺旋壓力機(jī)或栓螺旋進(jìn)料器，如在共同未決且共同擁有的W02010/022511中所描述的，其通過引用并入本文。通過脫水步驟從木質(zhì)纖維素原料榨出的水可以在該方法中重復(fù)使用，例如用于漿化和/或浸泡即將加入的原料。
[0056]多種已知裝置可用于在栓形成之前使原料脫水。實(shí)例包括濾干機(jī)(drainer)、過濾裝置、篩網(wǎng)(screen)、螺旋壓力機(jī)、擠出機(jī)(extruder)或其組合。
[0057]如果在壓力下對原料進(jìn)行脫水，則可以通過一個或更多個高壓泵引起壓力增加。在脫水之前，泵或其他給料裝置將原料的壓力增加到例如約45磅/平方英寸絕對壓力至約900磅/平方英寸絕對壓力，或約70鎊/平方英寸絕對壓力至約800磅/平方英寸絕對壓力，或約140磅/平方英寸絕對壓力至約800磅/平方英寸絕對壓力。可以采用位于脫水裝置或同時使原料脫水的栓形成裝置上的原料入口部分的壓力傳感器來測量壓力。或者，可以在大氣壓力或低于約45磅/平方英寸絕對壓力的壓力下對原料進(jìn)行脫水。
[0058]可以存在使原料預(yù)排水(pre-draining)的任選步驟，以在大氣壓力或更高的壓力下從原料漿液排出含水溶液。之后可對該預(yù)排水的原料漿液進(jìn)行進(jìn)一步脫水。
[0059]栓形成裝置
[0060]栓形成可以認(rèn)為是纖維素顆粒一體化成壓縮的物料，本文稱作栓。栓形成裝置形成在不同壓力的區(qū)域之間充當(dāng)密封物(seal)的栓。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，栓對栓下游的裝置中的較高壓力進(jìn)行密封。然而，應(yīng)當(dāng)理解壓力在栓形成裝置的入口處可以更高。
[0061]如上所述，栓形成裝置可以使原料脫水，或者這一功能可以通過上游脫水裝置實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行脫水的栓形成裝置可以包含具有開口的殼體(housing)或殼(shell)，水可以通過所述開口。栓形成裝置可以在大氣壓力或更低的壓力下操作。
[0062]非限制性地，栓形成裝置可以是栓螺旋進(jìn)料器、加壓螺旋壓力機(jī)、共軸活塞螺旋進(jìn)料器(co-axial piston screw feeder)或模塊化螺旋裝置(modular screw device)。
[0063]木質(zhì)纖維素原料的栓可以具有的水與未溶解干燥木質(zhì)纖維素原料固體的重量比為約0.5: 1(67重量％ UDS)至約5: I (17重量％ UDS)、或約1:1 (50重量％ UDS)至約4: 1(20重量％ UDS)、或約1.5: 1(40重量％ UDS)至約4: I (20重量％ UDS)、或約1.5: 1(40重量％^^)至約3.5: I (22重量％ UDS)，以及其間的所有比例。水與干燥未溶解木質(zhì)纖維素原料固體的重量比，或者木質(zhì)纖維素原料的栓或其節(jié)段中的重量％ UDS可以通過實(shí)施例1中描述的方法確定。優(yōu)選地，如果木質(zhì)纖維素原料是非木本原料，木質(zhì)纖維素原料之栓的未溶解干燥固體含量低于35重量％。如所討論的，通過在35重量％的未溶解干燥固體含量以下操作，加工設(shè)備較少傾向于由這樣的原料中存在的灰分引起侵蝕。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料之栓的未溶解干燥固體含量為20重量％至35重量％、20重量％至32重量％、22重量％至32重量％或22重量％至30重量％。
[0064]非木本原料可以是耕種作物、糖加工殘留物或農(nóng)業(yè)殘留物。非木本原料將含有大于0.5重量％的灰分(w/w)，或更通常地大于I重量％的灰分(w/w)。所述灰分包括但不限于二氧化硅、以及鉀、鈣和鈉的鹽。所述鹽可以作為碳酸鹽、磷酸鹽、氯化物或其他常見的鹽形式存在。根據(jù)原料的來源還可以存在鎂和其他礦物質(zhì)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，非木本木質(zhì)纖維素原料的灰分含量為約0.5重量％至約18重量％、約I重量％至約17重量％、約I重量％至約15重量％或約I重量％至約10重量％?；曳趾咳鐚?shí)施例2中所述測量進(jìn)行，并且相對于原料樣品的烘箱干燥重量測定。
[0065]碎裂和蒸汽接觸
[0066]栓形成后，將木質(zhì)纖維素原料給料到下游長形腔室，本文中也稱作“高剪切加熱腔室”或“加熱腔室”，在所述腔室中隨著原料貫穿其中輸送，原料通過碎裂元件被碎裂成顆粒。通常，加熱腔室是水平朝向的或基本上水平朝向的。碎裂的顆粒通過直接蒸汽接觸被加熱，其允許充分的熱轉(zhuǎn)移。
[0067]加熱腔室的至少一部分是圓筒形的。例如，腔室的至少中區(qū)可以是圓筒形并且腔室的入口和出口區(qū)可以是不同的形狀，盡管沿其整個軸長為圓筒形的腔室是優(yōu)選的。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“圓筒形”包括截頭圓錐形(frusto-conical)或基本上為圓筒形的其他形狀。
[0068]栓或其節(jié)段不需要直接給料到加熱腔室中?？梢詫⑷我獾亩喾N已知裝置安置在栓形成裝置和加熱腔室之間。非限制性地，這樣的裝置的實(shí)例包括:機(jī)械限制裝置(mechanical restricting device)、約束裝置(restraining device)、刮肖Ij器(scraper)和傳送器(conveyor)。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)栓從栓形成裝置排放或進(jìn)入位于栓形成裝置下游的其他裝置中時，或者當(dāng)栓被給料到加熱腔室中時，栓可以破碎成節(jié)段。
[0069]腔室包含用于直接蒸汽添加的蒸汽添加器和通常在腔室內(nèi)共軸安裝的可旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸包含一個或更多個從軸向外突出的碎裂元件。有利的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以使用在剪切作用中向栓或栓節(jié)段施加能量的碎裂元件實(shí)現(xiàn)栓或栓節(jié)段的有效碎裂。如下文所討論的，可以根據(jù)最佳原料碎裂所需選擇操作參數(shù)。
[0070]本文所用的術(shù)語“碎裂元件”指安置在軸上的部件，其將原料栓或其節(jié)段輸送通過腔室并給予原料足夠的剪切，從而在軸以合適的速度旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生碎裂的原料顆粒。碎裂元件可以包含切割旋翼式螺鉆、帶狀送料器、鋸齒螺旋鉆、刀片、桿、槳、釘、臂或其組合。應(yīng)當(dāng)理解，碎裂元件的長度可變化。
[0071]碎裂涉及將栓或其節(jié)段轉(zhuǎn)化為碎裂的顆粒。碎裂的顆粒意指加熱腔室中，源自栓的纖維團(tuán)塊被破壞成其組成顆粒，或者團(tuán)塊在高剪切加熱腔室中尺寸大幅減小。非限制性地，如果使用小麥稻桿，團(tuán)塊的最小維度可以小于約IOmm,或優(yōu)選小于約5mm。
[0072]選擇碎裂元件的葉尖速(tip speed)以引起原料碎裂并且一般比在其他工業(yè)中已知的混合傳送器中使用的高。碎裂元件的葉尖速可以為約200米/分鐘至約1000米/分鐘或約450至約800米/分鐘或其間任意范圍。剪切作用一般是碎裂元件之形狀、碎裂元件之?dāng)?shù)目(如果使用多于一個碎裂元件)和葉尖速的函數(shù)。這些參數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整以實(shí)現(xiàn)期望的剪切速率。[0073]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，碎裂元件位于軸上(至少其中間區(qū)上)。軸的入口區(qū)可以包含用于將栓或其節(jié)段給料并輸送至軸中間區(qū)的工具，在軸中間區(qū)原料可發(fā)生更強(qiáng)烈的碎裂。軸的出口區(qū)可以包含用于將栓輸送到腔室之出口的工具。
[0074]在本發(fā)明的另一些實(shí)施方案中，碎裂元件位于軸的入口和/或出口區(qū)。根據(jù)這些實(shí)施方案，軸的入口和/或出口區(qū)上的元件不僅輸送原料，還碎裂原料。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，軸的入口區(qū)包含帶狀送料器、切割旋翼式螺鉆或鋸齒螺旋鉆。該配置可以提高吞吐量(throughput capacity)并使加熱腔室之上游的阻塞最小化。
[0075]一些或全部的碎裂元件可以向原料移動通過加熱腔室的方向傾斜，從而促進(jìn)原料通過其輸送。也就是說，碎裂元件可以以與加熱腔室的橫切線偏離的角度安裝在該軸上。這樣的配置可以減少原料的停滯時間分布，進(jìn)而最大限度地減少原料的加熱過度或加熱不足。例如，碎裂元件可以以與軸的橫切線偏離O至約45°的角度安裝在該軸上。例如，碎裂元件可以以與軸的橫切線偏離I至約45°的角度，或以與軸的橫切線偏離5至約30°的角度安裝在該軸上。
[0076]蒸汽添加器可以包含一個或更多個用于直接蒸汽注入的入口。沿腔室的長度在隔開的注入點(diǎn)引入蒸汽允許更均勻地加熱原料顆粒?？梢酝ㄟ^原料入口、沿腔室長度布置的入口、或其組合引入蒸汽。此外，可以將用于預(yù)處理或水解的化學(xué)品引入到加熱腔室中。
[0077]加熱腔室的操作壓力和溫度通常將對應(yīng)于下游反應(yīng)器的壓力和溫度。腔室的操作壓力可以為至少約90磅/平方英寸絕對壓力。合適的操作壓力的實(shí)例包括約90磅/平方英寸絕對壓力至約680磅/平方英寸絕對壓力。
[0078]加熱腔室的溫度會大于約100°C。溫度范圍的實(shí)例包括約100°C至約280°C，或約160°C 至約 260 °C。
[0079]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，碎裂元件從軸向外突出并且可以配置使得碎裂元件的外邊緣描繪的一個或更多個相對于腔室的內(nèi)表面同心或基本上同心的圓。術(shù)語“基本上同心”意指由外邊緣描繪的一個或更多個圓的偏心率小于加熱腔室直徑的約10%。
[0080]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，腔室內(nèi)表面和最靠近內(nèi)表面的碎裂元件外邊緣之間的距離(下文中也稱作“間隙”)小于腔室內(nèi)部直徑的約10%。如上所述，碎裂元件的長度可變化。因此，在最靠近腔室內(nèi)表面之碎裂元件的外邊緣處測量所述間隙。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，間隙為腔室之內(nèi)部直徑的約2%至約8%，或約2.5%至約6%。
[0081]碎裂元件安置在軸上以掃過所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面。通過掃過腔室內(nèi)表面的至少一個區(qū)域，碎裂元件可以減少或消除結(jié)成的垢(scale build-up)，其包括可以減少加熱腔室之運(yùn)輸和混合容量的木質(zhì)素沉積。
[0082]術(shù)語“掃過”意指腔室內(nèi)表面和最靠近內(nèi)表面的碎裂元件外邊緣之間的距離小于腔室內(nèi)部直徑的5%。通過利用這樣的間隙，可從腔室的內(nèi)表面除去結(jié)成的垢或者可以減少所述結(jié)成。對于掃過來說適合的間隙范圍的實(shí)例包括約1.0%至約5.0%、約1.5%至約
4.5%或約 2.0%至約 4.0%。
[0083]此外，如果在軸上安裝離散的碎裂元件(例如刀片、桿、槳、釘、臂)，可以選擇相鄰元件間的間隔，使得消除相鄰碎裂元件之間腔室的內(nèi)表面上的停滯區(qū)域(stagnant zone)，在所述停滯區(qū)域中有機(jī)沉淀在腔室的內(nèi)表面積累。例如，碎裂元件可以重疊以提供沿腔室的至少一個區(qū)域連續(xù)軸向掃過，從而減少或消除停滯區(qū)域。[0084]本發(fā)明還涉及木質(zhì)纖維素原料組合物，其包含(i)碎裂的木質(zhì)纖維素原料顆粒；
(ii)約15重量％至約35重量％未溶解干燥固體,其中該未溶解干燥固體包含約20重量％至約60重量％纖維素和約10重量％至約30重量％木聚糖；以及(iii)礦物酸或有機(jī)酸，其中該原料顆粒不主要源于木屑或木漿，并且其中該原料組合物的PH為約0.5至約4.5。
[0085]短語“不主要含有”意指原料組合物含有的來自木屑或木漿的原料顆粒不超過約50重量％,優(yōu)選少于40重量％、30重量％、20重量％或10重量％。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，原料組合物不主要含有林業(yè)生物質(zhì)。
[0086]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，未溶解干燥固體含量為15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％、20重量％、21重量％、22重量％、23重量％、24重量％、25重量％、26重量％、27重量％、28重量％、29重量％、30重量％、31重量％、32重量％、33重量％、34重量％或35重量％ ο原料組合物中未溶解干燥固體的范圍可以包括這些值中任意的數(shù)值界限。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，未溶解干燥固體含量為約20至約32重量％或約18重量％至約28重量％。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，原料組合物的pH為0.5、1.0、1.5,2.0,2.5,3.0、
3.5、4.0或4.5。原料組合物的pH范圍可以包括這些值中任意的數(shù)值界限。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，pH為約0.5至約3.5或約0.5至約3.0。該礦物酸可以是硫酸、亞硫酸、鹽酸、磷酸或其任意組合。非限制性地，該酸可以是硫酸。有機(jī)酸可以是乙酸。
[0088]未溶解固體可以含有20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％或60重量％的纖維素。未溶解固體中纖維素含量的范圍可以包括這些值中任意的數(shù)值界限。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，未溶解固體中纖維素含量可以為約30重量％至約60重量％。
[0089]未溶解固體可以含有10重量％、15重量％、20重量％、25重量％或30重量％的木聚糖。未溶解固體中木聚糖含量的范圍可以包括這些值中任意的數(shù)值界限。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，未溶解固體中木聚糖含量可以為約15重量％至約30重量％。
[0090]組合物的溫度可以為約100°C、120°C、140°C、160°C、180°C、190°C、200 V、220 V、240°C、260°C或280°C之間。溫度范圍可以包括這些值中任意的數(shù)值界限。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方案，溫度范圍是160°C至280°C。
[0091]預(yù)處理和水解
[0092]在升高加熱腔室中碎裂的原料顆粒的溫度后，原料顆粒被預(yù)處理或水解。
[0093]術(shù)語“預(yù)處理”是指木質(zhì)纖維素原料在破壞纖維結(jié)構(gòu)的條件下反應(yīng)的過程，并且其提高纖維素纖維中的纖維素對隨后的酶促或化學(xué)轉(zhuǎn)化步驟的易感性或可達(dá)性(accessibility)。在預(yù)處理過程中,木質(zhì)纖維素原料中的一部分木聚糖可以被水解成木糖和其他水解產(chǎn)物，盡管本發(fā)明也涵蓋不水解木聚糖的預(yù)處理過程。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，木聚糖被水解成木糖的量為大于約50重量％、約60重量％、約70重量％、約80重量％或約90重量％。
[0094]術(shù)語“預(yù)處理的原料”意指已進(jìn)行預(yù)處理使得纖維素纖維中包含的纖維素對后續(xù)酶促或化學(xué)轉(zhuǎn)化步驟的易感性或可達(dá)性增加的原料。預(yù)處理的原料包含預(yù)處理之前在原料中存在的纖維素。在一些實(shí)施方案中，木質(zhì)纖維素原料中包含的木聚糖的至少一部分在預(yù)處理中被水解以產(chǎn)生至少木糖。[0095]術(shù)語預(yù)處理或水解不旨在限于本文公開的特定處理方法。也就是說，它們可以包括或不包括化學(xué)品的使用(例如熱水預(yù)處理)并且預(yù)處理或水解可以是多階段或單階段過程，該過程產(chǎn)生可發(fā)酵的糖或制備用于隨后轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵之糖的原料。原料中包含的所有或部分多糖可以在預(yù)處理或水解期間轉(zhuǎn)化為低聚糖或單糖或其組合。如果在預(yù)處理或水解期間使用了化學(xué)品，其可以包括有機(jī)溶劑、氧化劑、或者無機(jī)酸或堿。木質(zhì)素在預(yù)處理或水解期間可以除去或不除去。
[0096]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，木質(zhì)纖維素原料中包含的多糖的至少一部分被水解以產(chǎn)生一種或更多種單糖。
[0097]可以使用多種類型的反應(yīng)器以預(yù)處理或水解原料，所述反應(yīng)器包括兩種或更多種串聯(lián)或平行安置的反應(yīng)器。
[0098]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，反應(yīng)器是垂直反應(yīng)器，其可以是上行流(upnow)或下行流(downnow)垂直反應(yīng)器。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，反應(yīng)器是水平或傾斜反應(yīng)器。該反應(yīng)器可以裝備有內(nèi)部機(jī)構(gòu)(如螺旋、傳送器、刮削器或類似機(jī)構(gòu))，其用于通過其輸送木質(zhì)纖維素原料和/或有助于排出反應(yīng)器。
[0099]在脫水前、栓形成前進(jìn)行的浸泡過程期間，可以將用于預(yù)處理或水解原料的化學(xué)品添加到加熱腔室、到栓形成裝置、到反應(yīng)器或其組合中的原料中。
[0100]反應(yīng)器中壓力為約90磅/平方英寸絕對壓力至約680磅/平方英寸絕對壓力以及其間的任意壓力。反應(yīng)器中的壓力可以用一個或更多個壓力傳感器測量。如果配置一個或更多個反應(yīng)器使得各自中有不同的壓力水平，本文中原料進(jìn)入第一個反應(yīng)器的位置的壓力被認(rèn)為是該反應(yīng)器的壓力。
[0101]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，在反應(yīng)器中于酸性條件下處理木質(zhì)纖維素原料。對于酸性條件，合適的PH為約O至約3.5、或約0.2至約3、或約0.5至約3以及其間所有pH值。
[0102]為設(shè)定反應(yīng)器中酸性條件而添加的酸可以是硫酸、亞硫酸、鹽酸、磷酸或其任意組合。添加亞硫酸包括添加二氧化硫、二氧化硫與水或亞硫酸。有機(jī)酸也可以單獨(dú)或與礦物酸組合使用。
[0103]為設(shè)定反應(yīng)區(qū)中堿性條件而添加的堿可以是氨、氫氧化銨、氫氧化鉀、氫氧化鈉或其任意組合。
[0104]反應(yīng)器中反應(yīng)的合適溫度和時間將取決于多個變量，包括反應(yīng)器中的pH和所期望的多糖之水解的程度(如果存在)。
[0105]非限制性地，木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理可以在酸性或堿性條件下發(fā)生。在酸性預(yù)處理過程中，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，在預(yù)處理反應(yīng)器中的時間可以為約10秒至約20分鐘或約10秒至約600秒或約10秒至約180秒以及其間任意時間。溫度可以為約150°C至約280°C以及其間的任意溫度。用于預(yù)處理的pH可以為約0.5至約3或約1.0至約2.0。
[0106]在堿性預(yù)處理過程中，在反應(yīng)器中的時間為約I分鐘至約120分鐘或約2分鐘至約60分鐘以及其間的所有時間，并且處于約20°C至約220°C或約120°C至約220°C以及其間之所有溫度的合適溫度。
[0107]作為堿性預(yù)處理方法的氨纖維膨脹(ammonia fiber expansion, AFEX)可能產(chǎn)生很少的單糖或不產(chǎn)生單糖。因此，如果在反應(yīng)區(qū)中采用AFEX處理，則反應(yīng)區(qū)中產(chǎn)生的水解物可能不生成任何單糖。
[0108]根據(jù)AFEX方法，使纖維素生物質(zhì)與通常濃縮的氨或氫氧化銨在壓力容器中接觸。將所述接觸維持充足的時間以使氨或氫氧化銨能夠膨脹(即去結(jié)晶化)纖維素纖維。之后迅速降低壓力以使氨閃蒸(flash)或沸騰并使纖維素纖維結(jié)構(gòu)迅速擴(kuò)張(explode)。然后可以根據(jù)已知的方法回收閃蒸的氨?？梢栽诩s20°C至約150°C或在約20°C至約100°C以及其間任意溫度下運(yùn)行AFEX過程。該預(yù)處理的持續(xù)時間可以是約I分鐘至約20分鐘或其間任意時間。
[0109]稀釋的氨預(yù)處理采用比AFEX更稀釋的氨或氫氧化銨溶液。這樣的預(yù)處理過程可能產(chǎn)生或不產(chǎn)生任何單糖?？梢栽诩s100°C至約150°c或其間任意溫度進(jìn)行稀釋的氨的預(yù)處理。該預(yù)處理的持續(xù)時間可以是約I分鐘至約20分鐘或其間任意時間。
[0110]當(dāng)在預(yù)處理中使用氫氧化鈉或氫氧化鉀時，溫度可以是約100°C至約140°C或其間任意溫度，所述預(yù)處理的持續(xù)時間可以是約15分鐘至約120分鐘或其間任意時間，并且pH可以是約pHll至約13或其間任意pH值。
[0111]或者，可以在嚴(yán)苛至足以將纖維素水解成葡萄糖和其他產(chǎn)物的條件下進(jìn)行酸或堿水解過程。
[0112]嚴(yán)苛至足以水解木聚糖和纖維素的酸水解可以進(jìn)行約10秒至約20分鐘或其間任意時間。溫度可以是約180°C至約260°C或其間任意溫度。pH可以是O至約I或其間任意pH。
[0113]嚴(yán)苛至足以水解木聚糖和纖維素的堿水解可以在約125°C至約260°C、或約135°C至約260°C、或約125°C至約180°C或其間任意溫度下于約pH13至約14或其間任意pH下進(jìn)行約30分鐘至約120分鐘或其間任意時間。
[0114]可以將預(yù)處理的或水解的原料排放到排放裝置(例如螺旋排料機(jī)(screwdischarger)、掃孑L 排料機(jī)(swept orifice discharger)、旋轉(zhuǎn)排料機(jī)(rotarydischarger)、活塞式排料機(jī)(piston type discharger)等)?？梢允褂么?lián)或平行安置的兩個或更多個反應(yīng)器。
[0115]可以將離開反應(yīng)區(qū)的水解的或預(yù)處理的原料減壓并閃蒸冷卻，例如冷卻到約30°C至約100°C。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，將壓力降低到約大氣壓力?？赏ㄟ^一個或更多個閃蒸器進(jìn)行冷卻和減壓。
[0116]預(yù)處理原料漿液的未溶解干燥固體可以是約15重量％至約30重量％或約15重量％至約25重量％。
[0117]酶促水解和發(fā)酵
[0118]如果離開反應(yīng)器的水解的或預(yù)處理的原料含有纖維素，則可以用纖維素酶對其進(jìn)行纖維素水解。術(shù)語“纖維素酶”、“纖維酶”或“酶”是指催化纖維素水解成產(chǎn)物的酶，所述產(chǎn)物例如葡萄糖、纖維二糖或其他纖維寡糖。纖維素酶是代表多酶混合物的通用術(shù)語，所述多酶混合物包含可由多種植物和微生物產(chǎn)生的外切纖維二糖水解酶(CBH)、內(nèi)切葡聚糖酶(EG)和β-葡糖苷酶(i3G)。本發(fā)明的方法可以用任意類型的纖維素酶來實(shí)施，而不論其來源為何。
[0119]任選地，在酶促水解之前，將預(yù)處理生成的糖與預(yù)處理的原料漿液中未水解的原料組分相分離。進(jìn)行該分離的策略包括但不限于過濾、離心、洗滌或其他用于除去纖維固體或懸浮固體的已知方法。然后可以濃縮含糖水流(aqueous sugar stream),例如通過蒸發(fā)、采用膜等。通常通過微過濾來除去任何痕量固體。
[0120]在一個實(shí)施方案中，將從纖維固體分離的含糖水流通過酵母茵或細(xì)菌發(fā)酵以生成糖醇。該糖醇可以選自木糖醇、阿拉伯糖醇(arbitol)、赤蘚糖醇、甘露糖醇和半乳糖醇。優(yōu)選地，該糖醇是木糖醇。或者，通過經(jīng)天然存在或重組的細(xì)菌或真菌發(fā)酵將所述糖轉(zhuǎn)化成醇(如乙醇或丁醇)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于可從可發(fā)酵糖產(chǎn)生之特定化學(xué)品或用于產(chǎn)生所述化學(xué)品的特定方法。
[0121]通常，對大多數(shù)纖維素酶適合的溫度是約45°C至約55°C或其間任意溫度，盡管對于嗜熱纖維素酶溫度可以更高。選擇纖維素酶的劑量以實(shí)現(xiàn)充分高水平的纖維素轉(zhuǎn)化。例如，適合的纖維酶劑量可以是約5.0至約100.0濾紙單位(Filter Paper Unit,FPU或IU)/克纖維素，或者其間的任意量。FPU是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)度量，并且根據(jù) Ghose (1987，Pure and App1.Chem.,59: 257-268)進(jìn)行定義和測量。β -葡糖苷酶的劑量水平可以是約5至約400 β -葡糖苷酶單位/克纖維素，或其間任意量，或約35至約100 β-葡糖苷酶單位/克纖維素，或其間任意量。也根據(jù)Ghose (同上)的方法測量β_葡糖苷酶單位。
[0122]纖維素的酶促水解根據(jù)期望的轉(zhuǎn)化程度持續(xù)約24小時至約250小時，或其間任意時間量。由此產(chǎn)生的漿液是包含葡萄糖、木糖、其他糖、木質(zhì)素和其他未轉(zhuǎn)化之懸浮固體的水溶液。在該水溶液中也可能存在反應(yīng)區(qū)中產(chǎn)生的其他糖。糖易于與懸浮固體分離并可以按照需要進(jìn)一步處理，例如但不限于發(fā)酵以產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物(包括但不限于通過酵母茵或細(xì)菌產(chǎn)生乙醇或丁醇)。如果產(chǎn)生乙醇，則可以用酵母茵進(jìn)行發(fā)酵，所述酵母茵包括但不限于釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。
[0123]進(jìn)行發(fā)酵的溶解糖不僅可以包括在纖維素水解期間釋放的葡萄糖，還可以是由預(yù)處理產(chǎn)生的糖，即木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其組合。這些糖可以與纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖一起發(fā)酵，或者可以將它們給料以單獨(dú)發(fā)酵。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，通過具有將葡萄糖和木糖二者轉(zhuǎn)化成乙醇之能力的釀酒酵母酵母菌株，將這些糖與纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖一起轉(zhuǎn)化為乙醇?？梢詫︶劸平湍妇赀M(jìn)行遺傳改造以使其能夠產(chǎn)生這一有價值的副產(chǎn)物(參見，例如，美國專利N0.5，789，210，其通過引用并入本文)，盡管已經(jīng)報道了一些釀酒酵母酵母菌株天然能夠?qū)⒛咎寝D(zhuǎn)化為乙醇。
[0124]實(shí)施例
[0125]實(shí)施例1:木質(zhì)纖維素原料漿液中未溶解固體濃度的測定
[0126]如下進(jìn)行漿液中未溶解干燥固體(UDS)含量的測定。
[0127]將固定量的漿液分配到塑料稱重盤中并且使用分析刻度準(zhǔn)確記錄漿液重量。將尺寸適于布氏漏斗的1.6 μ tm圓形濾紙放在鋁稱重罐中，并且記錄罐和濾紙的合并重量。將預(yù)稱重的濾紙轉(zhuǎn)移到布氏漏斗后，使預(yù)稱重的漿液通過濾紙以分離固體。使用小體積的去離子水以確保固體被定量地從稱重盤轉(zhuǎn)移至布氏漏斗。然后用過量的去離子水洗滌該固體，其后將經(jīng)洗滌的樣品和濾紙轉(zhuǎn)移到預(yù)稱重的鋁罐中。注意要確保固體被定量地轉(zhuǎn)移。鋁罐在105°C烘箱中干燥過夜后，準(zhǔn)確地對內(nèi)容物(content)稱重，并且通過測定(作為百分比或比例)每克漿液中干燥固體的克數(shù)來定量UDS。
[0128]實(shí)施例2:木質(zhì)纖維素原料之灰分含量的測定[0129]灰分的量表示為在575°C干燥氧化后保留的殘留物百分比(根據(jù)NREL技術(shù)報告NREL/TP-510-42622，2008，1月，其通過引用并入本文)。相對于105°C烘箱干燥的樣品(干燥過夜)報告結(jié)果。
[0130]為了測定灰分的含量，首先將不含任何樣品的坩堝在馬弗爐(muffle furnace)中于575±25°C加熱4小時,冷卻然后稱重。加熱后,將坩堝冷卻然后干燥到恒定重量,其被定義為在575±25°C再次加熱?甘禍I小時后i甘禍重量的變化小于±3mg。
[0131]分析的樣品是105°C烘箱干燥的標(biāo)本(specimen)。在烘箱中于105°C干燥過夜后記錄烘箱干燥的樣品的重量，并且該重量被稱作“烘箱干燥重量”或“0DW”。將干燥的稱重的樣品放在坩堝中并在設(shè)定為575±25°C的馬弗爐中化為恒定重量的灰分?；一蠓Q重坩堝和灰分并且在ODW基礎(chǔ)上確定灰分百分比。通過確定每克烘箱干燥樣品的灰分的克數(shù)(作為百分比)來定量灰分。
[0132]實(shí)施例3:原料脫水、栓形成、栓碎裂和預(yù)處理系統(tǒng)
[0133]以下描述了用于根據(jù)本發(fā)明之實(shí)施方案產(chǎn)生預(yù)處理之原料的系統(tǒng)。
[0134]參照圖1,衆(zhòng)液線102中稠度為約1%至約10% (w/w)、優(yōu)選約3%至約5% (w/w)的木質(zhì)纖維素原料漿液通過泵104經(jīng)入料線(in-feed line) 106泵送進(jìn)入由一般圖標(biāo)108所示的加壓脫水螺旋壓力機(jī)。加壓脫水螺旋壓力機(jī)108包含具有原料入口端口 112和壓榨液(pressate)端口 114的固體殼105。入料線106通過原料入口端口 112在壓力(例如約70磅/平方英寸絕對壓力至約900磅/平方英寸絕對壓力)下將木質(zhì)纖維素原料給料到脫水螺旋壓力機(jī)108中。壓力可以通過用位于原料入口端口 112的壓力傳感器測量壓力來確定。
[0135]篩網(wǎng)116布置在殼105內(nèi)以提供篩網(wǎng)和殼105之內(nèi)圓周之間的外部空間118。螺桿(screw) 120同心地且可旋轉(zhuǎn)地安裝在篩網(wǎng)116內(nèi)。螺桿120的旋翼(flight) 122 —般具有恒定的外部直徑并且附著到具有核心直徑的螺旋軸，所述核心直徑從加壓脫水螺旋壓力機(jī)108的入口端124至出口端126增加。
[0136]已經(jīng)從木質(zhì)纖維素原料漿液壓榨的水和任何其他液體(包括溶解的固體)浙出(withdrawn)到空間118中，所述空間118作為浙出的水的收集腔室?？臻g118通過壓榨液端口 114連接至渦輪(turbine) 132，其通過壓榨液線130排出浙出的水。然后將浙出的水或壓榨液經(jīng)線134送到壓榨液回收衆(zhòng)液制造系統(tǒng)(pressate return slurry make-upsystem)(未不出)。
[0137]部分脫水的木質(zhì)纖維素原料在出口端126處離開螺旋壓力機(jī)108的脫水和栓形成區(qū)。離開脫水和栓形成區(qū)的部分脫水的木質(zhì)纖維素原料中水與干燥木質(zhì)纖維素原料固體的重量比可以在約1.5: 1 (67重量％ UDS)至約4: 1(20重量％ UDS)的范圍內(nèi)。脫水的木質(zhì)纖維素原料中水與干燥木質(zhì)纖維素原料固體的重量比或未溶解干燥固體百分比通過從例如螺旋壓力機(jī)的出口端126收集原料的樣品并通過以上實(shí)施例1中描述的方法測定樣品中的重量比或重量％ UDS來測定。最優(yōu)選地，原料栓或其節(jié)段在出口處的稠度不超過35重量％ UDS以減少對螺旋壓力機(jī)108的侵蝕。
[0138]加壓螺旋壓力機(jī)108的出口端126可操作地連接至栓區(qū)136。迫使部分脫水的木質(zhì)纖維素原料的栓通過栓區(qū)136并且在栓出口 137處排放。還可以在栓出口 137處存在約束裝置(未示出)。[0139]蒸汽入口端口 138和/或端口 138A由經(jīng)過蒸汽入口線139的蒸汽源供給。將部分脫水的原料的栓經(jīng)過給料腔室141給料到高剪切加熱腔室140，所述栓含有干燥原料固體之重量的約0.5至約5倍范圍的水。
[0140]在高剪切加熱腔室140中，原料栓或其節(jié)段被碎裂成顆粒，其通過經(jīng)蒸汽的直接蒸汽接觸而被加熱，所述蒸汽通過線139和/或端口 138A引入。蒸汽還可以被引入加熱腔室140的主體中。如上所述，當(dāng)栓從加壓螺旋壓力機(jī)108排放時或當(dāng)它被給料到放置在螺旋壓力機(jī)108下游的其他裝置中時，栓可以破裂成節(jié)段。
[0141]加熱腔室140是圓筒形水平朝向的裝置，其具有在腔室中共軸安裝的同心、可旋轉(zhuǎn)的軸142。同心軸142包含多個安裝在其中區(qū)上的碎裂元件143并且所述碎裂元件143從其放射狀突出。如下所述，一些碎裂元件包含遠(yuǎn)端144，其是“T-形”的用以掃過腔室140的內(nèi)表面。軸142的入口區(qū)包含用于將栓或其節(jié)段輸送到腔室中區(qū)的入口螺旋鉆145。此夕卜，在軸142的出口區(qū)中提供了具有相反傾斜的出口螺旋鉆146，其用于將在加熱腔室140中產(chǎn)生的經(jīng)加熱、碎裂的原料排放到預(yù)處理反應(yīng)器152中。
[0142]在加熱腔室140中通過多個碎裂元件143將剪切作用給予原料栓或其節(jié)段。軸的葉尖速是這樣的，其使得原料節(jié)段碎裂并且通常在450米/分鐘至約800米/分鐘的范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)最佳碎裂。剪切作用的程度很大程度上是碎裂元件的數(shù)目和形狀乘以葉尖速的函數(shù)。碎裂期間，原料栓或其節(jié)段被破壞成小顆粒。
[0143]配置各個碎裂元件使得腔室140的內(nèi)表面與各個碎裂元件之遠(yuǎn)“T-形”端144的外邊緣之間的間隙小于腔室140之內(nèi)部直徑的4%。這樣的間隙允許碎裂元件143掃過腔室140的內(nèi)表面。
[0144]此外，碎裂元件143安置在軸142上，使得存在腔室140之內(nèi)表面的連續(xù)軸向掃過。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方案，各個“T-形”碎裂元件的末端部分與相鄰T-形元件的對應(yīng)末端部分相重疊。這允許被各個T-形元件掃過的面積與由相鄰T-形元件掃過的面積相重疊，使得不存在有機(jī)沉淀在腔室之內(nèi)表面上積累的停滯區(qū)域。
[0145]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，碎裂元件是“Y-形”的。此外，可以在軸上安置“Y-形”和“T-形”碎裂元件的組合。
[0146]用于將栓或其節(jié)段輸送到腔室140之中區(qū)的螺旋鉆145可以是鋸齒螺旋鉆。圖2中示出了適合用于本發(fā)明的多種螺旋鉆結(jié)構(gòu)的橫截面。在入口區(qū)提供這樣的螺旋鉆有利于輸送栓或其節(jié)段通過加熱腔室140。此外，當(dāng)原料栓或節(jié)段進(jìn)入加熱腔室時，鋸齒螺旋鉆起到碎裂所述原料栓或節(jié)段的作用。
[0147]將經(jīng)加熱的、碎裂的原料從加熱腔室140排放到預(yù)處理反應(yīng)器152中，所述反應(yīng)器152包含圓筒形、水平朝向的容器，在其中安裝了具有旋翼156的螺旋傳送器154。預(yù)處理反應(yīng)器152在這樣的條件下操作:壓力為約90磅/平方英寸絕對壓力至約680磅/平方英寸絕對壓力，pH為約0.5至約3.0并且溫度為約160°C至約260°C。木質(zhì)纖維素原料在反應(yīng)器中處理的時間為約10秒至約600秒。通過在加壓螺旋壓力機(jī)的入口之前向木質(zhì)纖維素原料添加酸可以得到反應(yīng)器152中期望的pH。
[0148]排放裝置158將預(yù)處理的原料從預(yù)處理反應(yīng)器152排放。隨后，將預(yù)處理的原料在閃蒸器或容器(未顯示)中閃蒸以在酶促水解之前冷卻它。
[0149]實(shí)施例4:產(chǎn)生對纖維素酶有增強(qiáng)的酶促消化性的預(yù)處理的原料，同時減少設(shè)備侵蝕
[0150]在該實(shí)施例中描述的方法涉及將木質(zhì)纖維素原料以低稠度浸泡在酸性水溶液中，隨后使用加壓螺旋壓力機(jī)將經(jīng)浸泡的原料漿液脫水至28重量％的未溶解固體稠度。離開螺旋壓力機(jī)的栓節(jié)段在加熱腔室中碎裂，隨后在升高的溫度和壓力下被預(yù)處理。
[0151]通過保持螺旋壓力機(jī)的栓區(qū)UDS不高于28重量％，避免了螺旋壓力機(jī)被過度磨損和劃傷。最高的UDS稠度發(fā)生在加壓螺旋壓力機(jī)的栓區(qū)并且因此稠度正是在這一階段被控制以減少侵蝕。隨后的預(yù)處理導(dǎo)致20重量％ UDS的原料漿液。以下結(jié)果顯示預(yù)處理有效地產(chǎn)生預(yù)處理的原料漿液，高葡萄糖產(chǎn)率可以在低水條件下從所述預(yù)處理的原料漿液中回收。
[0152]對小麥秸桿進(jìn)行顆粒尺寸減小并浸泡在pH為1.4的酸性溶液中。已經(jīng)報道小麥秸桿含有3.1 %二氧化硅和4.9%非二氧化硅鹽的灰分含量。(參見共同擁有的美國專利N0.7，754，457)。
[0153]參照圖1，將經(jīng)浸泡的原料漿液通過泵104經(jīng)入料線106泵入到由一般圖標(biāo)108指示的加壓脫水螺旋壓力機(jī)中。操作加壓脫水螺旋壓力機(jī)108使得離開該裝置的栓節(jié)段具有28重量％的UDS。如所討論的，通過在該干燥固體稠度下操作，可減少由原料灰分含量導(dǎo)致的對螺旋壓力機(jī)的侵蝕。
[0154]經(jīng)給料腔室141將栓節(jié)段給料到高剪切加熱腔室140中。在該高剪切加熱腔室140中，離開該裝置的原料節(jié)段被碎裂成顆粒。原料顆粒通過經(jīng)蒸汽的直接蒸汽接觸被加熱，所述蒸汽通過線139和/或端口 138A引入。
[0155]將經(jīng)加熱的、碎裂的原料從加熱腔室140排放到預(yù)處理反應(yīng)器中。進(jìn)行預(yù)處理的pH、溫度和時間在共同擁有的美國專利N0.7，754，457中提出，其通過引用并入本文。
[0156]經(jīng)I個月的操作時間測量了預(yù)處理的原料的未溶解干燥固體含量。結(jié)果在圖3中示出。該圖顯示，在進(jìn)行測量的時間段中，預(yù)處理的原料的固體濃度沒有大的偏離。這顯示了該方法可在延長的時間段中以恒定稠度操作。
[0157]還測試了預(yù)處理的原料樣品被纖維素酶水解以產(chǎn)生葡萄糖的能力。通過使用本文描述的方法產(chǎn)生預(yù)處理的原料，可獲得高產(chǎn)率的葡萄糖。
[0158]在該實(shí)施例中，使用由里氏木霉分泌的纖維素酶水解預(yù)處理的原料。通過logen Energy菌株P(guān)1380H的浸沒液體培養(yǎng)物發(fā)酵來產(chǎn)生纖維素酶，使用的方法描述于US2010/0304438，其通過引用并入本文。使用BiOSpin⑧.柱(Bio-Rad)按照生產(chǎn)商的方案
將經(jīng)過濾的發(fā)酵液體培養(yǎng)基(broth)脫鹽。使用含牛血清白蛋白(Sigma-Aldrich? )
對照的BCA試劑盒(Sigma-A丨drich? )測定經(jīng)脫鹽的酶的總蛋白濃度。
[0159]使用上述獲得的分解纖維素的酶系統(tǒng)在一個批次反應(yīng)中水解預(yù)處理之小麥秸桿的纖維素。用30mg纖維素酶/克纖維素水解預(yù)處理的小麥秸桿，反應(yīng)在50°C和pH5.0下、50mL的總反應(yīng)體積中進(jìn)行，伴有250rpm軌道震蕩(orbital shaking)。165小時后，從反應(yīng)中移出等分試樣；取樣期間將反應(yīng)良好混合以確保固體和液體樣品的均勻性。通過將等分試樣在100°C熱阻斷中孵育5分鐘來終止其中的反應(yīng)。
[0160]分析滅活樣品的液體級分(fraction)的葡萄糖濃度以確定纖維素轉(zhuǎn)變程度。使用本領(lǐng)域已知的技術(shù)使用基于葡萄糖氧化酶和辣根過氧化物的酶偶聯(lián)測定確定葡萄糖濃度(參見Trinder，1969，Ann.Clin.Biochem.，6: 24-27，其通過參考引入本文)。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法，在單獨(dú)的預(yù)處理之纖維素至葡萄糖的酸水解中測定在反應(yīng)起始時纖維素中存在的葡萄糖等價物的量。轉(zhuǎn)換計算包括對于葡萄糖對溶液密度的影響和反應(yīng)中存在的非可水解木質(zhì)素的體積排阻效應(yīng)的修正項。
[0161]在預(yù)處理的原料中纖維素的經(jīng)計算的轉(zhuǎn)化率為90%，表明該預(yù)處理有效地產(chǎn)生可從其回收高葡萄糖產(chǎn)率的纖維素底物。
【權(quán)利要求】
1.用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括: (i)將木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓； (ii)將所述栓或其節(jié)段給料到其至少一部分是圓筒形的長形腔室中，所述腔室具有用于直接蒸汽添加的蒸汽添加器和安裝在其中的旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸具有在其上安置的一個或更多個碎裂元件； (iii)在所述長形腔室中通過所述碎裂元件產(chǎn)生碎裂的原料顆粒； (iv)通過使所述碎裂的原料顆粒與經(jīng)所述蒸汽添加器引入的蒸汽相接觸來加熱所述顆粒，其中所述腔室中的操作壓力為至少約90磅/平方英寸絕對壓力；并且其后 (v)在反應(yīng)器中預(yù)處理或水解所述碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生所述預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素原料是漿液的形式并給料到脫水裝置以產(chǎn)生脫水的原料，并且其中之后將所述脫水的原料給料到所述栓形成裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述原料加壓，之后給料到脫水和栓形成組合裝置，并且其中所述原料在所述裝置之入口處的壓力大于約45磅/平方英寸絕對壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述碎裂元件安置在所述軸上以掃過所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述碎裂元件連續(xù)地軸向掃過所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述蒸汽添加器包含沿所述腔室之長度布置的用于直接蒸汽注入的入口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述腔室不含有間接加熱套。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中預(yù)處理或水解包括向所述碎裂的原料顆粒添加化學(xué)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述化學(xué)品是酸或堿。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其中所述腔室之內(nèi)表面和最靠近于所述內(nèi)表面之所述碎裂元件的外邊緣之間的距離小于所述腔室之內(nèi)部直徑的約10%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其中最靠近于所述腔室內(nèi)表面之所述碎裂元件的外邊緣的速度為約200米/分鐘至約1000米/分鐘。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述速度為約450米/分鐘至約800米/分鐘。
13.用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括: (i)將木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓； (ii)將來自所述栓形成裝置的所述栓或其節(jié)段給料到其至少一部分是圓筒形的長形腔室中，所述腔室具有用于直接蒸汽添加的蒸汽添加器和安裝在其中的旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸具有在其上安置的一個或更多個碎 裂元件，其中所述碎裂元件安置在所述軸上以掃過所述腔室之至少一個區(qū)域的內(nèi)表面； (iii)在所述長形腔室中通過所述碎裂元件產(chǎn)生碎裂的原料顆粒； (iv)通過使所述碎裂的原料顆粒與通過所述蒸汽添加器引入的蒸汽相接觸來加熱所述顆粒，其中所述腔室中的操作壓力為至少約90磅/平方英寸絕對壓力；并且其后 (v)在預(yù)處理反應(yīng)器中預(yù)處理或水解所述碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生所述預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。
14.木質(zhì)纖維素原料組合物，其包含: (i)碎裂的木質(zhì)纖維素原料顆粒； (ii)約15重量％至約35重量％未溶解固體,其中所述未溶解固體包含約20重量％至約60重量％纖維素和約10重量％至約30重量％木聚糖；以及 (iii)礦物酸或有機(jī)酸； 其中所述原料顆粒不主要源自木屑或木漿，并且其中所述原料組合物的PH為約0.5至約 4.5。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的木質(zhì)纖維素原料組合物，其中所述組合物的溫度為約100℃ 至約 280℃。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的木質(zhì)纖維素原料組合物，其中所述木質(zhì)纖維素原料是榨糖殘渣或甘蔗秸桿。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的木質(zhì)纖維素原料組合物，其中所述木質(zhì)纖維素原料組合物包含約15重量％至約30重量％未溶解固體。
18.方法，其包括預(yù)處理權(quán)利要求14至17中任一項所述的木質(zhì)纖維素原料組合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述方法產(chǎn)生的預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料組合物，其中如用里氏木霉(Trichoderma reesei)纖維素酶水解時所測量的,所述預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料中至少70%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖，并且其中所述預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料從甘蔗榨糖殘渣或甘蔗秸桿產(chǎn)生。
20.用于從木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)生醇的方法，其包括: (i)將木質(zhì)纖維素原料以漿液的形式給料到栓形成裝置并且在其中形成原料栓，其中離開所述栓形成裝置的所述栓或其節(jié)段具有約20重量％至約35重量％的未溶解干燥固體含量； (ii)在步驟(i)之后預(yù)處理所述木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生具有約15重量％至25重量％未溶解干燥固體含量的預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料； (iii)酶促水解所述預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生至少包含葡萄糖的溶液；以及 (iv)發(fā)酵至少所述葡萄糖以產(chǎn)生所述醇， 其中所述木質(zhì)纖維素原料選自:灰分含量大于0.5% (w/w)的耕種作物、糖加工殘留物和農(nóng)業(yè)殘留物。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中給料到所述栓形成裝置的所述漿液是經(jīng)浸泡的原料漿液。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素原料是甘蔗榨糖殘渣或甘鹿稻桿。
23.根據(jù)權(quán)利要求20、21或22所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素原料的灰分含量為1.5%至 15% (w/w)。
24.用于產(chǎn)生預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料的方法，其包括: (i)用水溶液浸泡木質(zhì)纖維素原料以產(chǎn)生經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料，其中所述木質(zhì)纖維素原料不主要含有木屑或木漿； (ii)將所述經(jīng)浸泡的木質(zhì)纖維素原料給料到栓形成裝置并在其中形成原料栓，其中離開所述栓形成裝置的所述栓或其節(jié)段具有約20重量％至約35重量％的未溶解干燥固體含量; (iii)碎裂所述栓或其節(jié)段以產(chǎn)生碎裂的原料顆粒并加熱所述碎裂的原料顆粒；以及其后 (iv)在反應(yīng)器中預(yù)處理或水解所述碎裂的原料顆粒以產(chǎn)生所述預(yù)處理的或水解的木質(zhì)纖維素原料。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述經(jīng)浸泡的原料在給料到所述栓形成裝置之前部分地脫水。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述經(jīng)浸泡的原料在栓形成之前于加壓螺旋壓力機(jī)中部分地脫水。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任一項所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素原料在步驟(i)之前不浙濾或清洗以除去大于 50重量％的灰分。
【文檔編號】C12P7/02GK103906876SQ201280051717
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月20日
【發(fā)明者】托爾比約恩·萬德莫伊倫, 斯蒂芬·A·羅蘭 申請人:艾歐基能源公司