CN101711263A - 对木质纤维给料的连续逆流有机溶剂处理 - Google Patents
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Abstract
一种将木质纤维给料有机溶剂分馏为组份并进一步将所述组份至少处理为燃料乙醇和四等木质素衍生物的模块化过程。该模块化过程包括，第一处理模块，其被配置为以有机溶剂物理化学分解木质纤维给料从而产生纤维固体组份和液体组份；第二处理模块，其被配置为从纤维固体组份产生至少一种燃料乙醇和一等新木质素衍生物；第三处理模块，其被配置为将二等和三等木质素衍生物与液体组份分开并进一步处理液体组份以产生蒸馏物和酒糟；第四处理模块，其被配置为将四等木质素衍生物和酒糟分开并进一步处理酒糟以产生糖浆。
Description
技术领域
本发明涉及对木质纤维给料分馏为组份。更特别是，本发明涉及用于可循环有机溶剂分馏木质纤维材料以进行连续可控和可操作生产以及进一步处理木质素、单糖、寡糖、多糖和其它从中获得的产品的过程、系统和设备配置。
背景技术
从采伐的木材生产富纤维素木浆的工业过程为人所熟知并且通常包括将木材物理分解为更小片段和颗粒接下来在高温和高压下化学分解以融化木质素并将其与所组成的纤维素生物质分隔的步骤。在完成分解之后，将包括纤维素木浆的固体与所用过的分解液分开，该分解液一般称为黑液并且通常包括有机溶剂、溶解木质素、固体微粒单糖、寡糖、多糖和在化学分解时从木材中产生的其它有机化合物。纤维素木浆通常用于造纸而黑液通常被处理以去除可溶解的木质素，其后回收、净化并循环有机溶剂。木质素和黑液中剩余的酒糟通常被处理并作为废液流排出。
在过去二十年，本领域技术人员认识到包括裸子植物和被子植物基质(即木材)以及含野生植物和其它草本纤维生物质、废纸和木材的产品等等的木质纤维材料可利用组合有机溶剂分解系统的生物精炼过程被可能分解为可离析并进一步被处理为高价值产品例如其中燃料乙醇、木质素、糖醛、醋酸、净化单糖的多种有用组份(Pan等人，2005，Biotechnol.Bioeng.90：473-481；Pan等人，2006，Biotechnol Bioeng.94：851-861；Berlin等人，2007，Appl.Biochem.Biotechnol.136-140：267-280；Berlin等人，2007.J.Chem.Technol Biotechnol.82：767-774)。用于木质纤维给料的有机溶剂制浆过程和系统为人所熟知并且被美国专利4,941,944；5,730,837；6，179,958；和6,228,177的公开内容所示例。尽管似乎采用有机溶剂系统的生物精炼对大规模燃料乙醇生产具有巨大潜力，当前可获得的过程和系统在经济上尚不合理，因为它们需要昂贵的预处理步骤并且当前仅仅产生低价值的副产品(Pan等人，2006，J.Agric.Food Chem.54：5806-5813；Berlin等人，2007，Appl.Biochem.Biotechnol.136-140：267-280；Berlin等人，2007.J.Chem.Technol Biotechnol.82：767-774)。
发明内容
本发明的示例性实施例涉及用于容纳并可控地将木质纤维给料与逆流有机溶剂混合同时提供合适的温度和压力条件以将木质纤维给料分馏为此时随后被离析的组份的系统、过程和设备配置。所离析的组份进一步进行有选择地、可控制地以及可操纵地处理。
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种模块化处理系统，其用于在其中接收木质纤维给料并将其分馏为组份、将所述组份至少离析为固体组份和液体组份、然后分别处理所述固体和液体组份以进一步由此产生有用产品。本发明的合适模块化处理系统至少包括：
第一模块，包括多个用于如下功能的设备：(a)容纳和处理木质纤维给料，然后(b)在控制温度和压力条件下以设置为将木质纤维给料物理化学分解为大部分为纤维素木浆的固体组份以及为其中至少包含木质素、含木质素化合物、单糖、寡糖和多糖、包括半纤维素、纤维素和其它有机化合物的溶解及悬浮固体的用过溶剂的液体组份的合适溶剂混合所处理给料，以及(c)提供包括固体组份的第一输出流和包括液体组份的第二输出流；
第二模块，包括多个用于如下功能的设备：(d)容纳并可控地调节固体组份的粘度，(e)将调节粘度后的固体组份与选取用于将纤维素木浆糖化为包括单糖和/或寡糖的液体流的合适的酶混合(f)将单糖和/或多糖液体流与用于由此产生乙醇流的合适的发酵微生物混合，(g)精炼该乙醇以至少生成燃料乙醇流和脱醇溶剂流，(h)进一步处理该脱醇溶剂-酒糟流以沉淀第一木质素组份并将其从此离析，和(i)循环该脱木素的脱醇溶剂流以可控制地调节从第一模块的第一输出流进入第二模块的新固体组份粘度；
第三模块，包括多个用于如下功能的设备：(j)容纳来自第一模块的液体组份并可控制地将水源与液体组份混合从而沉淀第二木质素组份于此，(k)将第二木质素组份与液体组份离析从而产生液体滤液，(l)通过至少获得第一，一部分与第一模块中木质纤维给料混合的合适溶剂，第二，糖醛，以及第三，酒糟组份而在蒸馏塔中精炼液体滤液，(m)可控制地以第二模块中产生的一部分燃料乙醇再补充所获得部分的合适溶剂；以及
第四模块，包括多个用于容纳来自第三模块的酒糟组份并从此至少离析醋酸冷凝物、糖浆、第三木质素组份、以及半固态/固态废物材料的设备。
根据一方面，第一模块中的该多个设备被设置为连续容纳并沿一个方向传送通过其中木质纤维给料并以排出纤维素固体组份结束，同时沿相反方向逆流所选择的合适溶剂通过该设备至木质纤维给料的运输工具，并以排出用过的溶剂液体组份而结束。
根据另一方面，第一模块中的该多个设备被设置为容纳一批木质纤维给料并连续循环所选合适溶剂通过其中直到从该批木质纤维给料产生合适的固体组份。
还根据另一方面，第二模块中的该多个设备被设置为相继：(a)容纳从第一模块排出的纤维素固体组份并降低其粘度，然后(b)逐渐将该纤维素固体糖化为悬浮固体、溶解固体、半纤维素、多糖、寡糖从而产生主要包括多糖的液体流，(c)发酵该液体流，(d)蒸馏和精炼该发酵啤酒以将其至少离析为燃料乙醇和/或其它燃料乙醇例如丁醇和酒糟流，(e)对该酒糟流脱木素，和(f)循环该脱木素的酒糟流以降低从第一模块排出的新引入的纤维素固体组份的粘度。
根据另一方面，第二模块中的该多个设备可选地被设置为相继：(a)容纳从第一模块排出的纤维素固体组份并降低其粘度，然后(b)同时将该纤维素固体糖化为单糖同时发酵相同容器中的单糖，(c)蒸馏和精炼该发酵啤酒以将其至少离析为燃料乙醇和/或其它燃料乙醇例如丁醇和酒糟流，(e)对该酒糟流脱木素，和(f)循环该脱木素的酒糟流以降低从第一模块排出的新引入的纤维素固体组份的粘度。
根据另一方面，本系统的模块化处理系统可另外具有包括厌氧分解系统的第五模块，该厌氧分解系统具有多个设置为容纳来自第四模块的半固态/固态废料、然后溶解和气化该废料以生产甲烷、二氧化碳和水的设备。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了将木质纤维给料分馏为组份的过程。第一，采用合适的方式从引入的木质纤维材料离析例如砂砾和金属的外来材料。一种示例性的离析方式为筛选。如果想要如此，则筛选的木质纤维给料可被进一步筛选以去除微粒和过大的材料。第二，例如通过蒸发之后对加热的木质纤维给料脱水然后加压可控制地加热所筛选的木质纤维给料。第三，加热并脱水的木质纤维给料与合适的有机溶剂混合并然后灌注该合适的有机溶剂。第四，在可控制加压以及温度控制系统内可控制地对所混合的木质纤维给料和有机溶剂煮烧选定的时间。在煮烧过程中，所混合和灌注的木质纤维给料中所包含的木质素和含木质素化合物将被溶解至有机溶剂中，同时造成纤维素材料粘到那里并随之相互分离和离析。煮烧过程还将从木质纤维材料释放溶质和微粒形式的单糖、寡糖和多糖以及例如醋酸的其它有机化合物至有机溶剂中。本领域技术人员将其中含木质素、含木质素化合物、单糖、寡糖和多糖及其它有机化合物的这些有机溶剂称为“黑液”或者“废液”。
根据一方面，在煮烧时和引入的木质纤维给料相对地可控制地逆流有机溶剂产生有助于并加速木质纤维给料中的木质素和含木质素组份的溶解以及分离的湍流。但是，在煮烧过程中可选地为湍流提供和木质纤维给料流相同方向的可控制有机溶剂流，即顺流，从而可控制地将溶剂和木质纤维给料混合在一起是属于本发明的范围的。而且在煮烧过程中可控制地部分去除有机溶剂并以新有机溶剂代替其也属于本发明的范围。
根据另一方面，木质纤维给料可包括物理分解的被子植物、裸子植物、例如木屑、锯末、木块、碎片等等的田野农作物纤维生物质片段中的至少一种。提供物理分解的被子植物、裸子植物、田野农作物纤维生物质片段属于本发明的范围。
而根据另一方面，木质纤维给料可包括废纸、木屑、粉碎的木质材料、木材复合物等等中的至少一种。混合木质纤维生物质材料和废纸、木屑、粉碎的木质材料木浆、木材复合物等等的一种或多种属于本发明的范围。
根据另一方面，可可控制地以及选择地调节液体木材比、工作温度、溶剂浓度和反应时间以产生具有可选择目标物理化学性质和特性的木浆和/或未质素。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了用于从黑液离析分离的纤维素纤维即木浆以及进一步和分别处理木浆和黑液的过程和系统。木浆和黑液的离析可当从煮烧过程对材料加压或者可选地压力被减小至环境压力并且其后离析木浆和黑液时实现。
根据一个方面，纤维木浆在用于造纸以及其它类似过程时可回收。
根据另一方面，提供了用于进一步可选地以及可控制地处理如这里所公开的纤维木浆的过程和系统。可合适地调节所回收木浆的pH和/或浓度以促进纤维素对单糖的水解，即水解产物溶液中的葡萄糖半族。示例性的合适水解装置包括酶、微生物、化学水解及其组合。
还根据另一方面，提供了通过对水解产物溶液发酵而从水解于纤维木浆的单糖产生乙醇的过程和系统。可控制地提供包括一种或多种选择的酵母菌族的接种体以促进和增强发酵速度和/或发酵效率和/或发酵产出属于本发明的范围。
根据另一个方面，提供了用于同时糖化和发酵如这里所公开而产生的纤维木浆的过程和系统。可控制地通过提供合适的水解手段例如酶、微生物、化学水解及其组合并同时和可控制地发酵而将纤维木浆水解为单糖属于本发明的范围。可控制地提供包括一种或多种选择的酵母菌族的接种体以促进和增强同时发酵速度和/或发酵效率和/或发酵产出属于本发明的范围。
根据另一方面，提供了用于进一步处理从水解产物溶液的发酵所产生的乙醇的过程和系统。示例性过程包括通过使乙醇经过至少一个分子筛而蒸馏、和去水或者脱水以浓缩和净化乙醇。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了用于从黑液回收木质素和含木质素化合物的过程和系统。一个示例性过程包括多个阶段中在从纤维木浆离析之后马上冷气黑液，其中在每个阶段以合适的热交换设备回收热并采用合适的回收装置例如蒸发和冷却设备回收有机溶剂。从中回收至少一些有机溶剂的酒糟即冷却的黑液被回收，然后被进一步冷却、调节pH(例如提高酸性)之后以水快速稀释以从酒糟沉淀木质素和含木质素化合物。所沉淀的木质素随后至少被清洗一次然后被干燥。
根据一方面，通过蒸馏塔处理被脱木素的酒糟以蒸发剩余的有机溶剂，并同时离析和浓缩糖醛。剩余的酒糟从蒸馏塔底部取走。可选地从蒸馏塔输入流转移至少一部分脱木素的酒糟至乙醇生产流用于在那里产生乙醇属于本发明的范围。替换地或者可选地，至少一部分从蒸馏塔底部移走的剩余酒糟可被转移至乙醇生产流在那里产生乙醇。
根据另一方面，从溶剂回收柱底部回收的酒糟进一步通过如下步骤处理：(a)倾倒以回收复合有机抽提物如植物甾醇、石油等等，然后(b)蒸发所倾倒的酒糟以产生(c)包括醋酸的酒糟蒸发物/冷凝物，以及(d)其中包括溶解的单糖的酒糟浆。可倾倒酒糟浆以回收(e)新的先前位置的低分子量木质素。所倾倒的酒糟浆可可选地被蒸发以回收溶解的糖。
通过净化和浓缩步骤进一步处理所回收的有机溶剂以使所回收的有机溶剂有用于循环回连续引入的木质纤维给料属于本发明的范围。
根据一个方面，有机溶剂与木质纤维给料混杂和混合一段选定的时间以在和逆流(或者可选地顺流)有机溶剂混合和以之灌注之前预处理木质纤维给料。
附图说明
将结合下面的附图描述本发明，其中：
图1是用于处理木质纤维给料的模块化连续逆流系统的本发明示例性实施例的示意性流程图；
图2是额外具有用于将糖输出流转向(a)燃料乙醇生产模块，和(b)厌氧分解模块的设备的图1系统的示意性流程图；
图3是示出用于在单个腔体内同时进行糖化和发酵过程的燃料乙醇生产模块选择性结构的示意性流程图；
图4是适合于和用于处理木质纤维给料的本发明的模块化连续逆流系统协作的示例性厌氧分解模块的示意性流程图；
图5是被重新配置为批通量系统的过程度连续逆流处理系统的示意性流程图；
图6为示出图5所示出的批通量系统的选择结构的示意性；
图7示出了描述对有机溶剂预处理白杨(山杨)木屑同时进行的糖化和发酵(SSF)的视图：(a)产自所生成白杨木浆的％乙醇理论产出vs.时间，和(b)在白杨木浆SSF期间所产生的啤酒乙醇浓度vs.时间；
图8示出了描述对有机溶剂预处理的不列颠哥伦比亚杀虫黑松(小干松)木屑进行SSF的视图：(a)产自所生成杀虫黑松木浆的％乙醇理论产出vs.时间，和(b)在所生成杀虫黑松木浆SSF期间所产生的啤酒乙醇浓度vs.时间；
图9示出了描述对有机溶剂预处理麦秸和柳枝稷木质纤维给料同时进行的糖化和发酵(SSF)的视图：(a)产自所生成纤维素木浆的％乙醇理论产出vs.时间，和(b)在白杨木浆SSF期间所产生的啤酒乙醇浓度vs.时间。
具体实施方式
本发明的示例性实施例涉及用于容纳并可控地将木质纤维给料与逆流有机溶剂混合，从而将木质纤维给料分馏为此时随后被离析的组份的系统、过程和设备配置。所离析的组份进一步进行有选择地、可控制地以及可操纵地处理。本发明的示例性实施例特别适合于从木质纤维给料离析出至少四种结构不同的木质素组份，每种组份包括多种衍生木质素化合物，同时本发明提供用于将其它组份至少转化为燃料乙醇、糖醛、醋酸、和单糖和/或寡糖流的过程。
图1中示出了本发明的示例性模块化处理系统，并且该系统通常包括模块A-D，其中第一模块A被配置为容纳木质纤维给料并将其处理为固体组份和液体组份，第二模块B被配置为容纳从第一模块A释放的固体组份并在那里至少产生燃料乙醇输出流100和在下文被称为中等分子量木质素(即MMW木质素)的一等木质素衍生物120，第三模块C被配置为容纳来自第一模块A的液体组份并至少离析出在下文被称为高分子量木质素(即HMW木质素)的二等木质素衍生物170，在其后滤液被至少离析为可循环的蒸馏溶剂、糖醛190、和酒糟，而第四模块D被配置为容纳来自第三模块C的酒糟并将其至少离析为低分子量木质素(即LMW木质素)、从中倾倒并离析在下文被称为极低分子量木质素(即VLMW木质素)的四等木质素衍生物245的糖浆流247、以及半固态/固态废料226。
图1中所示例的第一模块A具有被配置为容纳和临时存储木质纤维给料并同时连续将该给料排入具有离析设备20的传送系统中的箱10，离析设备20被配置为去除石子、砂砾、金属和其它碎片。合适的离析设备为筛选装置。离析设备20可选地被配置为将木质纤维给料按大小排列为需要的组份。所处理的木质纤维给料然后以第一螺旋喂送器30传送至分解/萃取容器40的第一端，然后朝向分解/萃取容器40的第二端。容器40具有接近于第二端的入口用于接收合适加热的分解/萃取溶剂的高压流，该高压流然后和木质纤维给料的移动方向相反逆流通过容器40从而产生溶剂的紊流及其与给料的混合。可选地，用于接收加热分解/萃取溶剂的高压流的入口可设置在分解/萃取容器40的第一端附近或者选择地更远设置在分解/萃取容器40的第一和第二端之间。合适的是对本发明的过程采用有机溶剂。示例性的合适溶剂包括甲醛、乙醇、正丙醇、丁醇、丙酮等等。如果需要，该有机溶剂可以额外地可控制地以无机或者有机酸酸化。如果需要，可以以无机或者有机碱额外并可控制地调控有机溶剂的pH。可控制地对容器40加压和控制温度以能够调控压力和温度从而当溶剂与给料混合时提供目标煮烧条件。示例性的煮烧条件包括大约15-30巴(g)范围的压力、大约120-350℃范围的温度、和大约1.5-5.5范围的pH。在煮烧过程中，混合和灌注的木质纤维给料中所包括的木质素和含木质素化合物将溶解于有机溶剂中，造成先前粘接于此的纤维素材料分离并相互离析。本领域技术人员将理解除了木质素和含木质素聚合物的溶解以外，煮烧过程将从木质纤维材料释放单糖、寡糖和多糖及其它有机化合物例如醋酸、糖醛、5-羟甲基糖醛(5-HMF)、其它有机酸例如溶质和微粒形式的蚁酸和乙酰丙酸进入有机溶剂中。本领域技术人员将这些包含木质素、含木质素化合物、单糖、寡糖、多糖、半纤维素及其它从木质纤维给料中萃取的有机化合物作为“黑液”或者“废液”。从给料中释放的分离纤维素材料被传送至容器40的第二端，在那里其经将纤维素材料压缩为固体组份，即然后被传送至第二模块B的木浆的第二螺旋喂送器50被排放。黑液作为液体组份从分解/萃取容器40的第一端附近排放至管道47以传送至第三模块C。
第二模块B具有混合容器60，其中通过与经管道130从模块B的下流组份传送的回收循环溶剂流混合而将固体组份即从第一模块A排放的木浆的粘度可控制地降至选定的目标粘度。粘度降低的木浆然后被转移至分解容器70，在容器70中合适的酶配制品与木浆混杂和混合用于逐渐将纤维素纤维、悬浮固体和溶解固体分解为半纤维素、多糖、寡糖和单糖。包括这些分解产品的液流被从分解容器70转移至发酵容器80并与合适的微生物接种体混合，选择该接种体以分解液流中的己醣和戊糖单糖从而产生至少包括短链醇例如乙醇、残余沉淀和酒糟的发酵啤酒。发酵啤酒被转移至第一蒸馏塔90以通过挥发然后蒸馏并分别地从蒸馏塔90顶部收集至少传送并存储在合适容纳容器100中的燃料乙醇而精制。剩余的液体酒糟从蒸馏塔90移至被设置为沉淀和离析MMW木质素的设备110，MMW木质素然后被收集并存储在合适的容器120以进行进一步的处理和/或运输。对酒糟进行加热并以冷水对其突然灌注意促进MMW木质素的沉淀属于本发明的范围。被脱木素的酒糟然后被可控制地从设备110经管道130循环至混合容器60以降低从第一模块A新引入的木浆的粘度。
用于添加至分解容器70以逐渐将纤维素纤维分解为半纤维素、多糖、寡糖和单糖的合适的酶配制品可包括一种或多种例如内切-β-1，4-葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、木聚糖酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支链淀粉酶、酯酶、其它半纤维素和纤维素等等的酶。用于在发酵腔80中发酵戊糖和/或己醣单糖的合适微生物接种体可包括一种或多种选自酵母种、真菌种和细菌种的链。合适的酵母例如酵母菌和毕赤菌。合适的酵母菌例如酿酒酵母如链Sc Y-1528，Tembec-1等等。合适当真菌种例如曲霉菌和木霉菌。合适的细菌例如天然产生并更改基因的埃希菌、发酵单胞菌、梭菌、和棒状杆菌。提供包括单链或者可选地单种生物体的多链、或者更可选地包括多种属和微生物类型(即酵母菌、真菌和细菌)链的链的混合物的接种体属于本发明的范围。
在模块C中对从第三模块A的分解/萃取容器40作为液体组份排放的黑液进行处理以回收至少一部分包括黑液的分解/萃取溶剂并如下文更详细地描述从木质纤维给料离析有用组份。黑液通过管道47传送至加热塔140，在其中黑液首先被加热然后与冷水源快速混合(即“突然灌注”)和掺合从而从黑液沉淀HMW木质素。所沉淀的HMW木质素被合适的固体液体离析设备150例如过滤装置、水力漩流分离器、离心机及其它类似设备从水稀释黑液中离析。所离析的HMW木质素被转送至木质素干燥器160以可控制地去除多余蒸汽，其后所干燥的HMW木质素被转送至存储箱170以打包和运输。
脱木素的滤液组份被从离析设备150转送至第二蒸馏塔180以在那里蒸发、蒸馏和回收短链醇例如乙醇。所回收的短链醇被转送至分解/萃取溶剂箱250，在那里如果需要其与模块B中所产生的部分燃料乙醇混合并从管道95提取，从而可控制地在经管道41向模块A的分解/萃取容器40供应分解/萃取溶剂之前调节分解/提取溶剂的浓度和组成。和第二蒸馏塔中的气化和蒸馏过程同时地从脱木素的滤液组份回收糖醛并将所回收的糖醛转送至存储箱190属于本发明的范围。用于回收糖醛的示例性合适过程为酸化所脱木素的滤液从而从那里冷凝糖醛。提供合适当液体碱或者酸以可控制地调节脱木素的滤液组份的pH属于本发明的范围。合适的液体碱例如氢氧化钠。合适的酸例如硫酸。
第二蒸馏塔的酒糟被转送至第四模块D以进行进一步的处理以及从那里离析有用产品。热酒糟被转送至冷却塔200，冷却塔200被设置为收集然后被转送至合适当容纳容器210的包括醋酸的冷凝物。脱酸的酒糟然后被转送至设置为加热酒糟的酒糟处理腔220，之后以冷水突然灌注从而沉淀然后被从糖浆流离析的LMW木质素，以及排放至水处理箱226的半固态/固态废料。LMW木质素被转送至合适的容纳容器230以进行进一步的处理和/或运输。通常包括木糖、树胶醛糖、葡萄藤、甘露糖、半乳糖的糖浆流流经将VLMW木质素从糖浆流离析的倾倒器240从而净化在进一步处理和/或运输之前被转送至合适容纳箱247的糖浆流。VLMW木质素在进行进一步的处理和/或运输之前被转送至合适的容纳箱245。
图2描述了适合于本发明的模块化木质纤维给料处理系统的示例性更改。
一个示例性实施例包括提供用于从离析设备20接收所处理的木质纤维给料以在通过和加热的分解/萃取溶剂混合和浸透合适的时间段儿而分解和萃取之前进行预处理的预处理容器25。可通过阀门42将合适的分解/萃取溶剂流转向并通过管道43将其传递至预处理容器25。过量的分解/萃取溶剂通过在将给料转送至分解/萃取容器40期间第一螺旋喂送器所施加的机械压力从所处理和预处理的木质纤维给料挤出。提取的分解/萃取溶剂经管道32可循环回预处理容器25以和管道43所传送的引入的处理过木质纤维给料和新引入分解/萃取溶剂混合。在传送至分解/萃取容器40之前对所处理木质纤维给料的这种预处理将促进在混合和煮烧过程中对分解/萃取溶剂的快速吸收并加快那里的木质纤维给料的分解以及组份的萃取。
图2中所描述的另一个示例性实施例提供了设置在从模块D中的倾倒器240排放的糖浆流中的第二分流器阀门260。除了将糖流引向糖流容纳箱240之外，第二分流器阀门260被设置为可控制地将一部分液体糖流转向管道270以输入模块B中的发酵箱80。这样的对模块D的一部分液体糖流的转送将增强和加大箱80中的发酵速度，并将进一步增加从传输至模块A的木质纤维给料产生的燃料乙醇的量。
图2中所描述的另一个示例性实施例提供了可选的第五模块E，其包括被设置为从酒糟处理容器220接收半固态/固态废物以及可选地被设置为接收从酒糟处理容器220排放的一部分糖浆流的厌氧分解系统。图3中描述了包括本发明模块E的示例性厌氧分解系统，并且该系统通常包括淤泥箱310、设置为在其中进行生物酸化过程的容器320(在下文被称为酸化容器)、设置为在其中进行生物产已酸菌过程的容器330(在下文被称为产已酸菌容器)、设置为在其中进行将醋酸转换为沼气的生物过程的容器340(在下文被称为沼气容器)。在模块C的酒糟处理容器220中产生的半固态/固态废料被传输装置225转送至其中维持兼性厌氧微生物的厌氧条件和合适数量的淤泥箱310。由兼性微生物所产生的酶将包括半固态/固态废料络合的有机分子水解为可溶单体例如单糖、氨基酸和脂肪酸。如果需要提供接种体合成物以和淤泥箱310中的半固态/固态废料混杂和混合以加快其中进行的水解过程属于本发明的范围。合适的水解接种体组成具有至少一种肠杆菌。其中含有水解可溶单体的液流被传送至其中维持厌氧条件和大量引起酸化细菌的酸化容器320。酸化容器320中所容纳的液流包含的单糖、氨基酸和脂肪酸被引起酸化细菌转换为易挥发酸。如果需要提供被设置为促进和加速酸化容器320中溶解易挥发脂肪酸的产生的酸化接种体组成属于本发明的范围。合适的酸化接种体组成具有至少苏云金杆菌、乳杆菌和链球菌中的至少一种。其中包括溶解易挥发脂肪酸的液流被传送至其中维持厌氧条件和大量产已酸菌的产已酸菌容器330。易挥发的脂肪酸被产已酸菌转化为醋酸、二氧化碳、和氢。如果需要提供被设置为促进和加速从在液流中传送进入产已酸容器330中的易挥发脂肪酸产生醋酸的接种体组成属于本发明的范围。合适的醋化接种体组成具有醋菌、葡糖杆菌和芽胞梭菌中的至少一种。醋酸、二氧化碳和氢然后被从产已酸菌容器330转送至其中醋酸被转化为甲烷、二氧化碳和水的沼气容器340中。模块E的沼气容器330所产生的沼气组成将随着被传送至模块A的木质纤维给料的化学组成稍微变化，但是将通常包括主要地甲烷，次要地CO2，以及少量的氮气、氢气、氧气和硫化氢。如果需要提供被设置为促进和加速醋酸转化为沼气的产烷接种体组成属于本发明的范围。合适的产烷接种体组成具有甲烷杆菌、甲烷球菌、和甲烷火菌中的至少一种细菌。沼气可直接给送至例如气体启动燃气轮机的发电系统。当旋转涡轮时沼气的燃烧将存储在沼气中所包括甲烷分子链接中的能量转换为机械能。由沼气例如在内燃机或者微型涡轮中的燃烧所产生的机械能可旋转产生电子流或者电的涡轮。此外，这些内燃机所产生的余热如果需要可用于本发明其它模块中对设施的基础结构和/或蒸汽和/或热水的加热。
但是，半固态/固态废料的厌氧分解所存在的问题在于该过程的第一步即将包含半固态/固态材料的络合有机分子水解为含可溶单体例如单糖、氨基酸和脂肪酸的液流通常漫长而易变，而后面的步骤即酸化、醋化和沼气产生和第一步相比进行得较快。因此，厌氧第一步骤中的该漫长而易变的水解可造成相对于设施对发电和/或蒸汽和/或热水的要求沼气生产的量不足。因此，如图2和3所描述的本发明的另一个实施例可控制地提供一部分从模块D的酒糟处理容器220排放的糖浆流至模块E的酸化箱320以补偿对从传送至淤泥箱310的半固态/固态材料水解的可溶单糖的供应。因此可通过在源自酒糟处理容器220的糖浆排放管道上提供第二分流器260以可控制地将一部分糖浆转入管道275从而转送至酸化容器320而精确控制和调节本发明的模块E所产生的沼气量。
图4中描述了本发明的另一个示例性实施例，并且该实施例提供了用于模块B的选择容器280，其中容器280被设置为从混合容器60(图2)接收粘度降低的木浆以及同时即在其中共糖化和共发酵粘度降低的固体组份。本领域技术人员将理解这样的共糖化和共发酵过程通常被称为“同时糖化和发酵”(SSF)过程，以及容器280(在下文称之为SSF容器)可替代图2中的分解容器70和发酵容器80。合适的是经管道270从第二分流器阀门260(图2和4)提供糖浆补偿流进入SSF容器280以可控制地增强和提高SSF容器280中发酵速度。
图5描述了本发明的另一个示例性实施例，并且该示例性实施例提供了选择性第一模块AA用于和模块B连通和协作，其中和被设置为连续流入、处理和分解/萃取木质纤维给料的模块A(图1)相比，该选择第一模块AA(图5)被设置为容纳、处理和分解/萃取木质纤维给料批。如图5所示，用于批分解/萃取木质纤维给料的一个示例性实施例包括与分解/萃取溶剂再流通箱410和溶剂泵420互联和连通的批分解/萃取容器400。一批木质纤维给料被装入容纳箱430，在该箱中木质纤维给料被可控制地排放入具有筛选设备440的传送系统，该筛选设备被设置去除石子、砂砾、金属和其它碎片。筛选设备440可可选地设置为将木质纤维给料依大小分类为期望的组份。所处理的木质纤维给料然后通过第三螺旋喂送器450被传送至批分解/萃取容器400的第一端。分解/萃取溶剂再循环箱410被设置为经管道41从模块B的分解/萃取溶剂容纳箱250接收合适的分解/萃取溶剂。分解/萃取溶剂经溶剂泵420被泵送至批分解/萃取容器400，其中其可控制地经其中包含的木质纤维给料批混合、混杂和循环。批分解/萃取容器400被可控制地加压并控制温度以能够调控压力和温度从而当溶剂与给料混杂和混合时满足目标煮烧条件。示例性的煮烧条件包括大约15-30巴(g)范围的压力、大约120-350℃范围的温度、和大约1.5-5.5范围的pH。在煮烧过程中，混合和灌注的木质纤维给料中所包括的木质素和含木质素化合物将溶解于有机溶剂中，造成粘接于此的纤维素材料分离并相互离析。本领域技术人员将理解除了木质素和含木质素聚合物的溶解以外，煮烧过程将从木质纤维材料释放单糖、寡糖和多糖及其它有机化合物例如溶质和微粒形式的醋酸进入有机溶剂中。合适的是在煮烧过程中从批分解/萃取容器400经管道460排放分解/萃取溶剂以经管道460转送回分解/萃取溶剂再循环箱410从而被溶剂泵420再循环回批分解/萃取容器400中直到木质纤维给料被从废有机溶剂的木质纤维给料合适分解并萃取为包括含分离的纤维素纤维粘性木浆材料的固体组份，和包括溶质和微粒形式的溶解木质素和含木质素的聚合物、半纤维素、多糖、寡糖、单糖和其它有机化合物液体组份，即黑液。经管道465从溶剂再循环箱410抽取一部分再循环分解/萃取溶剂以转送至模块C中的加热塔140，以及以经管道41来自模块B的分解/萃取溶剂容纳箱250的新分解/萃取溶剂代替所抽取部分的再循环分解/萃取溶剂从而加速批分解/萃取容器400内的分解/萃取过程属于本发明的范围。在完成木质纤维给料的分解/萃取之后，包括纤维素纤维浆的固体组份被从批分解/萃取容器400排放并传送至模块B中的混合容器60，在那里通过与经管道130传送、从模块B的脱木质素设备110可控制循环的脱木质素酒糟混杂和混合可控制地将固体组份即从第一模块AA排放的木浆的粘度降至选定的目标粘度，并在其后通过如前文所述糖化、发酵和精制而进一步处理粘度降低的木浆。黑液经管道465被从分解/萃取溶剂再循环箱410转送至模块C中的加热塔140以将木质素沉淀于此并如前所述进一步处理。
图6中描述了对本发明的批分解/萃取模块元件进行的合适的示例性更改，其中提供预处理容器445以从筛选设备440接收所处理的木质纤维给料而通过和分解/萃取溶剂混合和浸透合适的时间段儿在传送至批分解/萃取容器400之前对其进行预处理。合适的分解/萃取溶剂流可经阀门42(如图2所示)从管道41转向并经管道43传送至预处理容器445。在将给料转送至批分解/萃取容器400期间通过第三螺旋喂送器450所施加的机械压力而从所处理和预处理的木质纤维给料挤出多余的分解/萃取溶剂。所提取的分解/萃取溶剂经管道455被循环回预处理容器445以和管道43所传送的引入的处理木质纤维给料和新引入分解/萃取溶剂混合。在将所处理的木质纤维给料传送至批分解/萃取容器400之前如此对其进行的预处理将促进混合和煮烧过程期间分解/萃取溶剂的快速吸收以及加速木质纤维给料的分解和那里组份的萃取。
在下面的选定硬木和选定软木种的实施例中更详细地描述了用于将木质纤维给料蒸馏为之后进行离析的组份的系统、方法和过程。下面的实例期望解释而非限制本发明。
实例1
收集不列颠哥伦比亚白杨(山杨)(～125年)整个原木的代表性样品。在采伐之后，原木被卸载、劈开、切削并研磨为大约≤10mm×10mm×3mm的木屑尺寸。木屑在室温下储存(平衡时的湿气含量为～10％)。在2-L
(Parr为美国利诺斯州莫林的Parr仪器公司的注册商标)反应器中不添加外在酸或碱在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理白杨木屑。在195℃下对被指定为ASP1的白杨木屑的复制品200g(ODW)样品煮烧60分钟。黑液∶木材比为按重量5∶1。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和废液。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88(TAPPI出版社，2004，CD-ROM中的TAPPI方法)获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗的木浆的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室(NREL，Golden，CO，USA)所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体木质素和碳氢化合物回收和过程质量平衡。表格1中示出了原始和预处理白杨木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的白杨木屑(55.6％木浆收益)之后回收222.2g(火炉干燥重量，odw)的ASP1木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.71g Kg-1的糖醛和0.06g Kg-1的5-HMF。表格2中示出了从木浆和黑液中分别回收的不同等级的木质素。
表格1原始和预处理白杨木屑(ASP1预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格2：原始白杨木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(ASP1预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计用于生产乙醇的清洗木浆的潜力。首先以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，然后将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，最终反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528(从美国伊利诺斯州皮奥里亚的美国农业部的农业研究服务获得)补偿的15FPUg-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品1.5L(Celluclast为丹麦Bagsvaerd的Novozymes A/S公司的注册商标)根据同时糖化和发酵方案(SSF)运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为39.4％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为3.26％(w/w)(图7a和7b)。
实例2
实例1中所制备、被指代为ASP2木屑的复制品200-g样品用于该被用于该研究。在2-L
反应器中不添加外在酸或碱在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理白杨木屑。在195℃下对白杨木屑的复制品200g(ODW)样品煮烧90分钟。黑液∶木材比为按重量5∶1。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和液体。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88(TAPPI出版社，2004，CD-ROM中的TAPPI方法)获得的更改Klason木质素方法确定原始木屑、清洗和未清洗的木浆的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室(NREL，Golden，CO，USA)所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格3中示出了原始和预处理白杨木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的白杨木屑(57.6％木浆收益)之后回收230.2g(odw)的木浆，并且其主要包括可发酵为乙醇的碳氢化合物的。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.53g Kg-1的糖醛和0.05g Kg-1的5-HMF。表格4中示出了原始白杨木屑的木质素含量和预处理后回收的总木质素。
表格3原始和预处理白杨木屑(ASP2预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格4：原始白杨木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(ASP2预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从清洗木浆对乙醇的生产。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，然后将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPU g-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据SSF运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为79.30％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为6.33％(w/w)(图7a和7b)。
实例3
实例1中所制备、被指代为ASP3木屑的复制品200-g样品用于该被用于该研究。在2-L
反应器中不添加外在酸或碱在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理白杨木屑。在195℃下对白杨木屑的复制品样品煮烧120分钟。黑液∶木材比为按重量5∶1。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和液体。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定原始木屑、清洗和未清洗的木浆的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格5中示出了原始和预处理白杨木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的主要包括可发酵为乙醇的碳氢化合物的白杨木屑(54.98％木浆收益)之后回收219.9g(odw)的木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.92g Kg-1的糖醛和0.08g Kg-1的5-HMF。表格6中示出了原始白杨木屑的木质素含量和预处理后回收的总木质素。
在100-mL三角瓶中估计从清洗木浆对乙醇的生产。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPU g-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据SSF方案运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为79.00％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为6.60％(w/w)(图7a和7b)。
表格5原始和预处理白杨木屑(ASP3预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格6：原始白杨木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(ASP3预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
实例4
收集不列颠哥伦比亚杀虫黑松(小干松)(～120年)整个原木的代表性样品。在采伐之后，原木被卸载、劈开、切削并研磨为大约≤10mm×10mm×3mm的木屑尺寸。木屑在室温下储存(平衡时的湿气含量为～10％)。被指定为BKLLP1的该木屑复制品200g样品被用于该研究。在2-L
反应器中添加1.10％(w/w)硫酸的情况下在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理该木屑。在170℃下对木屑的复制品中煮烧60分钟。黑液∶木材比为5∶1(w∶w)。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和液体。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗的原始木屑的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所获得的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格7中示出了原始和预处理杀虫黑松木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的木屑(44.30％木浆收益)之后回收177.2g(odw)的木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.72g Kg-1的糖醛和1.78g Kg-1的5-HMF。表格8中示出了原始杀虫黑松木屑中的木质素含量和预处理之后的总木质素回收。
表格7原始和预处理杀虫黑松木屑(BKLLP1预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格8：原始杀虫黑松木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(BKLLP 2预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从清洗木浆对乙醇的生产。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPUg-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据同时糖化和发酵方案(SSF)运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为60.50％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为7.18％(w/w)(图8a和8b)。
实例5
在实例4中描述的研究所制备的木屑的被指定为BKLLP2的复制品200g样品不列颠哥伦比亚杀虫黑松(小干松)被在2-L
反应器中添加1.10％(w/w)硫酸的情况下在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理。在175℃下对木屑的复制品200g(ODW)样品煮烧60分钟。黑液∶木材比为5∶1(w∶w)。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和液体。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗的原始木屑的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格9中示出了原始和预处理杀虫黑松木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的木屑(36.10％木浆收益)之后回收144.4g(odw)的木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.92g Kg-1的糖醛和1.87g Kg-1的5-HMF。表格10中示出了原始杀虫黑松木屑中的木质素含量和预处理之后的总木质素回收。
表格9原始和预处理杀虫黑松木屑(BKLLP2预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格10：原始杀虫黑松木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(BKLLP 2预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从清洗木浆对乙醇的生产。试验如下运行。以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPU g-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据同时糖化和发酵方案(SSF)运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为53.10％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为7.74％(w/w)(图8a和8b)。
实例6
在实例4中描述的研究所制备的木屑的被指定为BKLLP3的复制品200g样品不列颠哥伦比亚杀虫黑松(小干松)被在2-L反应器中添加1.10％(w/w)硫酸的情况下在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理。在180℃下对木屑的复制品200g煮烧60分钟。黑液∶木材比为5∶1(w∶w)。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和液体。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约40％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗的原始木屑的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格11中示出了原始和预处理杀虫黑松木屑的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理400g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的木屑(30.18％木浆收益)之后回收120.7g(odw)的木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生1.47g Kg-1的糖醛和2.17g Kg-1的5-HMF。表格12中示出了原始白杨木屑中的木质素含量和预处理之后的总木质素回收。
表格11原始和预处理杀虫黑松木屑(BKLLP3预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格12：原始杀虫黑松木屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(BKLLP 3预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从清洗木浆对乙醇的生产。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗木浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPU g-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据SSF方案运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为44.60％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为7.79％(w/w)(图8a和8b)。
实例7
收集美国东华盛顿的麦秸(小麦菌)的代表性样品。麦秸被切削为～5cm的碎屑并在室温下储存(平衡时的湿气含量为～10％)。在2-L
反应器中不添加外来酸或碱的情况下在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理麦秸。在195℃下对被指定为WS-1麦秸的复制品100-g(ODW)样品煮烧90分钟。黑液∶原始材料比为10∶1(w∶w)。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和废液。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约50％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗木浆的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格13中示出了原始和预处理麦秸的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理100g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的麦秸(46.8％木浆收益)之后回收46.8g(火炉干燥重量，odw)的WS-1木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.39g Kg-1的糖醛和0.03g Kg-1的5-HMF。表格14中示出了原始麦秸中的木质素含量和预处理之后的总木质素回收。
表格13原始和预处理麦秸碎屑(WS-1预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格14：原始麦秸碎屑中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(WS-1预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从所产生清洗麦秸浆产生乙醇的潜力。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBU g-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPUg-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据SSF方案运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为88.86％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为6.14％(w/w)(图9a和9b)。
实例8
收集美国田纳西州的柳枝稷(柳枝稷)的代表性样品。柳枝稷被切削为大约5cm的颗粒尺寸并在室温下储存(平衡时的湿气含量为～10％)。在2-L
反应器中不添加外来酸或碱的情况下在水醇(50％w/w乙醇)中有机溶剂预处理柳枝稷屑。在195℃下对被指定为SWG-1的复制品100-g(odw)柳枝稷样品煮烧90分钟。黑液∶原始材料比为10∶1(w∶w)。在煮烧后，反应器被冷却到室温。然后通过蒸馏离析固体和废液。以热乙醇溶液(70℃)强洗固体，之后进行自来水清洗步骤。借助水压机(可选择地可采用螺旋压榨机)将清洗后的木浆的湿气含量降至大约50％。均匀化所清洗的木浆并在4℃下将其存储在冰箱中。根据从木浆和造纸工业技术协会(TAPPI)标准方法T222om-88获得的更改Klason木质素方法确定清洗和未清洗木浆的化学组成(己醣、戊糖、木质素含量)。根据国家可再生能量实验室所建立的标准步骤对液体分析碳氢化合物降解产品(糖醛，5-羟甲基糖醛)、酸、和寡糖和单糖。所产生的数据用于计算总体碳氢化合物和木质素回收和过程质量平衡。表格15中示出了原始和预处理柳枝稷的碳氢化合物组成和全部碳氢化合物回收。在批有机溶剂处理100g的主要含可发酵为乙醇的碳氢化合物的麦秸(45.2％木浆收益)之后回收45.2g(火炉干燥重量，odw)的SWG-1木浆。戊糖和己醣被部分地退化，分别产生0.917g Kg-1的糖醛和0.21g Kg-1的5-HMF。表格16中示出了原始柳枝稷中的木质素含量和预处理之后的总木质素回收。
表格15原始和预处理柳枝稷颗粒(SWG-1预处理工况)的碳氢化合物含量和总体碳氢化合物回收
表格16：原始柳枝稷颗粒中的木质素输入和在有机溶剂预处理后回收的木质素组份(SWG-1预处理工况)
*通过以水沉淀从黑液回收；AIL-不溶于酸的木质素；ASL-可溶于酸的木质素
在100-mL三角瓶中估计从所产生清洗柳枝稷浆产生乙醇的潜力。三角瓶中的试验如下运行。以水氨溶液将所清洗浆的pH调节为pH 5.50，将其置于三角瓶中并重新悬浮于蒸馏水至100g的总反应重量(包括酵母和酶重量，总反应量为～100mL)且最终固体浓度为16％(w/w)。在以商用β-葡萄糖苷酶配制品(30CBUg-1葡聚糖)和产乙醇酵母、在能够发酵所有己醣的10g/L干细胞重量下的酿酒酵母链Y-1528补偿的15FPUg-1葡聚糖下采用商用里氏木霉真菌纤维素酶配制品
1.5L根据SSF方案运行乙醇生产过程。在36℃下150rpm转速下48小时形成该混合物。在0、24、36和48h时通过气体色谱法采取乙醇分析样品。基于初始己醣输入所获得的乙醇收益为82.51％理论乙醇收益。最终的乙醇啤酒浓度为5.97％(w/w)(图9a和9b)。
虽然结合示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解如何更改和改变这里所公开的用于连续容纳和可控制地使木质纤维给料与逆流有机溶剂混合的系统、过程和设备配置。这里所描述的用于以逆流或者可选地顺流有机溶剂处理连续引入的木质纤维给料流以将木质纤维材料离析为组份并进一步处理的某些新颖元件可被更改为集成为设置用于处理木质纤维材料的批系统。例如，批系统所产生黑液可被脱木素然后一部分脱木素的黑液可在批有机溶剂煮烧之前用于处理新鲜批的木质纤维材料，而如这里所公开剩余的脱木质素黑液被进一步处理为组份。具体地，可在使木质纤维材料批与合适的有机溶剂接触、混合和灌注之前新鲜批的木质纤维材料可可控制地与脱木素黑液部分混合指定的时间段。而且，在其中通过在分解容器内或者附近提供高压有机溶剂流而以有机溶剂煮烧一批木质纤维材料的批分解系统中提供紊流属于本发明的范围。可选的是可控制地在煮烧期间从分解容器去除部分有机溶剂/黑液并同时引入新鲜有机溶剂和/或脱木素黑液从而促进和加速对木质纤维材料的脱木素化。进一步处理批木质纤维分解系统的脱木素黑液以离析和进一步处理例如其中的木质素、糖醛、醋酸、单糖、寡糖和乙醇的组份也属于本发明的范围。
Claims (48)
1.一种将木质纤维给料有机溶剂分馏为组份并进一步处理所述组份的模块化过程，该模块化过程包括：
第一处理模块，具有容纳、物理筛选、和通过单独提供的有机溶剂物理化学分解木质纤维给料，从而从中萃取组份以及将所述组份离析为纤维固体组份和第一液体组份的第一系列步骤；
第二处理模块，具有从所述纤维固体组份至少产生燃料乙醇和多种一等木质素衍生物的第二系列步骤；
第三处理模块，具有第三处理步骤，至少包括将第一液体组份离析为包括多种二等木质素衍生物和第一滤液的第二固体组份的第一步骤、将第一滤液离析为包括多种三等木质素衍生物和第二滤液的第三固体组份、和从所述滤液离析糖醛的第三步骤、通过蒸馏从滤液回收一部分有机溶剂从而产生第一酒糟的第四步骤；和
第四处理模块，具有将第一酒糟至少离析为含醋酸液体组份、多种四等木质素衍生物、单糖糖浆、和固体废料的第四系列步骤。
2.根据权利要求1的模块化过程，另外具有包括厌氧分解模块的第五处理模块，该厌氧分解模块设置为将在第四处理模块中离析的固体废料至少处理为可收集沼气和液体排出物。
3.根据权利要求1的模块化过程，其中第一处理模块被设置为连续容纳、物理处理和物理化学分解木质纤维给料从而连续产生纤维素固体组份和第一液体组份。
4.根据权利要求1的模块化过程，其中第一处理模块被设置为容纳、物理处理、和物理化学分解一批木质纤维给料从而产生纤维素固体组份和第一液体组份。
5.根据权利要求1的模块化过程，其中有机溶剂包括至少一种选自甲醇、乙醇、丁醇和丙醇的一种溶剂。
6.根据权利要求1的模块化过程，其中有机溶剂至少包括乙醇。
7.根据权利要求3的模块化过程，其中第一系列步骤包括从木质纤维给料物理离析非木质纤维材料，将所述木质纤维给料传送至可加热和可加压分解容器的第一端中、所述容器被加热和增压，将所述木质纤维给料传送至分解容器第二端附近，将所述木质纤维给料和所述有机溶剂混合并从此产生纤维素固体组份和第一液体组份，从分解容器第二端附近排放固体组份，和从分解容器第一端附近排放第一液体组份的步骤。
8.根据权利要求7的模块化过程，其中通过使得有机溶剂从分解容器的第二端附近向第一端附近逆流而将木质纤维给料和有机溶剂混合。
9.根据权利要求7的模块化过程，其中通过使得其中和分解容器附近的有机溶剂再循环而混合木质纤维给料和有机溶剂。
10.根据权利要求7的模块化过程，其中第一系列步骤另外包括可控制地以加热有机溶剂蒸馏木质纤维给料选定的时间段、可控制地在将所述木质纤维给料传送至分解容器第一端附近之前从木质纤维给料去除加热的有机溶剂的步骤。
11.根据权利要求1的模块化过程，其中第二系列步骤包括可控制地降低纤维素固体组份粘度、可控制地分解粘度降低的纤维素固体组份以产生包括至少可溶糖的第二液体组份、可控制地发酵第二液体组份以从那里产生啤酒、蒸馏该啤酒以从那里产生燃料乙醇和第二酒糟、和从所述第二酒糟离析一等木质素衍生物的步骤。
12.根据权利要求11的模块化过程，这里第二系列步骤包括添加被设置为可控制分解粘度降低的纤维素固体组份的酶配制品的步骤，所述酶配制品包括至少一种选自纤维素酶、半纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、木聚糖酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、支链淀粉酶的酶。
13.根据权利要求11的模块化过程，这里第二系列步骤包括添加被设置为可控制发酵第二液体组份的接种体配制品的步骤，接种体配制品包括至少一种选自酵母链、真菌链和细菌链的微生物链。
14.根据权利要求13的模块化过程，这里接种体配制品包括至少一种选自自然产生和基因改变的酵母菌链和毕赤菌链的微生物链。
15.根据权利要求13的模块化过程，这里接种体配制品包括至少一种选自自然产生和基因改变的曲霉菌链和木霉菌链的微生物链。
16.根据权利要求11的模块化过程，这里接种体配制品包括至少一种选自自然产生和基因改变的埃希菌链、发酵单胞菌链、梭菌链、和棒状杆菌链的微生物链。
17.根据权利要求11的模块化过程，其中在单个容器中同时执行所述分解步骤和所述发酵步骤。
18.根据权利要求11的模块化过程，其中所述脱木素的第二酒糟被用于可控制地降低纤维素固体组份的粘度。
19.根据权利要求1的模块化过程，其中第三系列步骤另外包括将所回收部分的有机溶剂在第一处理模块循环的步骤。
20.根据权利要求19的模块化过程，其中所回收部分的有机溶剂被可控制地与第二处理模块产生的一部分燃料乙醇混合。
21.根据权利要求2的模块化过程，其中厌氧分解模块包括生物液化所述固体废料从而产生第三液体组份的第一步骤、生物酸化第三液体组份从而从此产生液体有机酸流的第二步骤、生物醋化液体有机流从而至少产生醋酸的第三步骤、和从所述醋酸至少生物产生沼气和液体污物的第四步骤。
22.根据权利要求21的模块化过程，其中第一步骤另外具有接种步骤，其中包括至少一种选自至少包括自然产生和基因改变的肠杆菌的组的微生物链的接种体被可控制地与所述固体废料混合。
23.根据权利要求21的模块化过程，其中第二步骤另外具有接种步骤，其中包括至少一种选自至少包括自然产生和基因改变的苏云金杆菌、乳杆菌和链球菌的组的微生物链的接种体被可控制地至少与所述醋酸混合。
24.根据权利要求21的模块化过程，其中第三步骤另外具有接种步骤，其中包括至少一种选自至少包括自然产生和基因改变的醋菌、葡糖杆菌和芽胞梭菌的组的微生物链的接种体被可控制地至少与所述醋酸混合。
25.根据权利要求21的模块化过程，其中第四步骤另外具有接种步骤，其中包括至少一种选自至少包括自然产生和基因改变的甲烷杆菌、甲烷球菌、和甲烷火菌的组的微生物链的接种体被可控制地至少与所述醋酸混合。
26.根据权利要求21的模块化过程，其中在第四处理模块中产生的一部分液体单糖糖浆被可控制地传送至用于酸化的厌氧分解模块的第二步骤。
27.根据权利要求1的模块化过程，还具有第六处理模块，该模块包括设置为容纳、发酵和蒸馏其中的所述单糖糖浆和从那里离析蒸馏物和酒糟的发酵模块。
28.根据权利要求27的模块化过程，其中所述酒糟至少包括1，3丙二醇。
29.根据权利要求27的模块化过程，其中所述蒸馏物至少包括乳酸。
30.一种将木质纤维给料有机溶剂分馏为组份并进一步处理所述组份的模块化系统，该模块化系统包括：
第一处理模块，设置为容纳、物理处理、和通过单独提供的有机溶剂物理化学分解木质纤维给料从而从所述给料萃取组份以及将所述组份离析为纤维固体组份和第一液体组份；
第二处理模块，设置为容纳所述纤维固体组份和从所述纤维固体组份至少产生燃料乙醇、一等木质素衍生物、和脱木素酒糟；
第三处理模块，设置为将第一液体组份离析为包括二等木质素衍生物、三等木质素衍生物和滤液的固体组份、从所述滤液离析糖醛、通过蒸馏从滤液回收一部分有机溶剂从而产生第一酒糟；和
第四处理模块，设置为将第一酒糟至少离析为含醋酸液体组份、四等木质素衍生物、单糖糖浆、和固体废料。
31.根据权利要求30所述的模块化系统，另外具有第五处理模块，其被设置为将在第四处理模块中离析的固体废料至少厌氧分解和处理为可收集沼气和液体排出物。
32.根据权利要求30所述的模块化系统，第一处理模块包括多种选择和被设置为用于可控制和可操作进行如下操作的通信和协作的设备：
在其中容纳木质纤维给料；
通过从那里离析非木质纤维材料处理木质纤维给料；
通过将所述给料与分别供应的有机溶剂混合同时可控制地至少调节那里的温度和压力从而产生纤维素固体组份和第一液体组份而物理化学分解所处理的木质纤维给料；以及
分别而可控制地排放纤维素固体组份和第一液体组份。
33.根据权利要求30所述的模块化系统，其中第一处理模块被设置为连续容纳、物理处理和物理化学分解木质纤维给料从而连续产生纤维素固体组份和第一液体组份。
34.根据权利要求30所述的模块化过程，其中第一处理模块被设置为容纳、物理处理、和物理化学分解一批木质纤维给料从而产生纤维素固体组份和第一液体组份。
35.根据权利要求30所述的模块化系统，其中第一处理模块具有温度可控和压力可控分解容器，其被设置为：
在第一端附近容纳所处理的木质纤维给料和将所述给料传送至第二端附近；
在第二端附近接收有机溶剂并使所述有机溶剂流通至第一端附近；
通过设置在第二端附近的出口排放纤维素固体组份；以及
通过设置在第一端附近的出口排放第一液体组份。
36.根据权利要求35所述的模块化系统，其中温度可控和压力可控分解容器被设置为：
在第一端附近容纳所处理的木质纤维给料和将所述给料传送至第二端附近；
在第一端附近接收有机溶剂并使所述有机溶剂循环通过其中和附近；
通过设置在第二端附近的出口排放纤维素固体组份；以及
通过设置在第二端附近的出口排放第一液体组份。
37.根据权利要求35所述的模块化系统，其中温度可控和压力可控分解容器被设置为：
在第一端附近容纳所处理的木质纤维给料和将所述给料传送至第二端附近；
接收第一端和第二端之间的有机溶剂并使所述有机溶剂循环通过其中和附近；
通过设置在第二端附近的出口排放纤维素固体组份；以及
通过设置在第一端附近的出口排放第一液体组份。
38.根据权利要求30所述的模块化系统，其中第一处理模块另外具有被设置为在物理化学分解所述处理的木质纤维给料之前相继浸透所处理木质纤维给料和使其不饱和的设备。
39.根据权利要求30所述的模块化系统，其中第二处理模块包括多种选择和被设置为用于可控制和可操作进行如下操作的通信和协作的设备：
在其中容纳第一处理模块排放的纤维素固体组份；
降低纤维素固体组份粘度；
酶分解粘度降低的纤维素组份以产生第二液体组份；
发酵第二液体组份从而产生啤酒；
蒸馏该啤酒以从那里产生燃料乙醇和第二酒糟；和
从所述第二酒糟离析一等木质素衍生物。
40.根据权利要求30所述的模块化系统，其中脱木素的第二酒糟可循环以降低纤维素固体组份的粘度。
41.根据权利要求30所述的模块化系统，其中第二处理模块具有用于在其中同时进行粘度降低的纤维素固体组份的酶分解和在其中产生的第二液体组份的发酵的容器。
42.根据权利要求30所述的模块化系统，其中厌氧分解模块具有多个被设置为进行如下操作的设备：
容纳和生物水解第四处理模块离析的固体废料从而产生第三液体组份；
容纳和生物酸化第三液体组份从而产生生物酸化的液体组份；
容纳和生物醋化生物酸化的液体组份从而至少产生醋酸；和
至少容纳醋酸和至少生物产生沼气和液体污物。
43.根据权利要求42所述的模块化系统，其中厌氧分解模块另外被设置为可控制地容纳第四处理模块中离析的一部分所述单糖糖浆和将其与第三液体组份混合。
44.根据权利要求30所述的模块化系统，另外具有第六处理模块，被设置为容纳、发酵和蒸馏所述单糖糖浆和从中离析蒸馏物和酒糟。
45.根据权利要求30所述的模块化系统，其中所述酒糟至少包括1，3丙二醇。
46.根据权利要求30所述的模块化系统，其中所述蒸馏物至少包括乳酸。
47.一等木质素衍生物，所述一等木质素衍生物由包括如下步骤的过程产生：
包括水解纤维素固体材料从而产生至少包括可溶单糖的液流的第一步骤；
包括发酵所述至少包括可溶解单糖的液流从而产生发酵啤酒的第二步骤；
包括蒸馏所述啤酒以从中产生乙醇和酒糟的第三步骤；和
从所述酒糟沉淀和离析木质素衍生物的第四步骤。
48.二等木质素衍生物，所述二等木质素衍生物由包括如下步骤的过程产生：
包括将木质纤维给料分馏为纤维素固体组份和高压液体组份以及离析所述组份的第一步骤；
包括对液体组份降压和冷却从而从所述液体组份沉淀多种木质素衍生物的第二步骤；以及
包括从所述液体组份离析所述沉淀的多种木质素衍生物的第三步骤。
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