CN102203271A - 用于将生物质转化为生物燃料的材料和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开文本提供了将生物质转化为生物燃料的材料和方法。所述材料包括使用纤维素酶类或者不使用纤维素酶类的胶体磨，所述方法包括使用胶体磨和任选的纤维素酶类对用于由生物质生产生物燃料的工艺中的生物质进行预处理。

Description

用于将生物质转化为生物燃料的材料和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请号61/092,109(2008年8月27日提交)的优先权，将该申请的内容整体引入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及生物质向生物燃料的转化，包括在生物燃料的生产工艺中用来预处理生物质的材料和方法。
背景技术
使用生物质(如植物生物质)作为生产生物燃料(如乙醇或丁醇)的原材料被确立为是碳基燃料的可行的备选。玉米是最普遍的生物质，在美国有大量的玉米乙醇工厂，但是在美国和其他国家也使用其他的生物质来源，如甜菜、糖蔗、蜀黍(高梁)、大麦、玉米秸秆、能源甘蔗和木材废料。
对于将玉米用作生物质，所述玉米粒由许多物质(包括淀粉、蛋白质、油、纤维及各种有机和无机的化合物以及水)组成。胚乳(主要含有淀粉)通常占玉米粒的约80-85％(干基，dry weight basis)，而胚芽和表皮分别占约10-14％和5-6％。所述胚芽富含油，通常含有约为38wt％-45wt％的油。
对于玉米(和其他淀粉基生物质)向生物燃料的转化，是通过酶将淀粉分解(即水解)成糖(也称为“液化”)。使所产生的糖冷却，再将其转移到发酵罐中，在发酵罐中添加有将相对复杂的糖分解成简单糖(糖化作用)的其他酶。还在发酵罐中添加酵母，在发酵罐中，酵母利用这些简单糖来产生乙醇或另外的生物燃料。一旦发酵完毕，使发酵醪(fermented mash)通过发酵池(beer well)转移到蒸馏系统中(其中，固体和水经过一系列的分馏阶段与乙醇分离)。在分馏过程中，乙醇从一个阶段蒸发并在下个阶段凝结，从而将乙醇浓缩到为约95vol％。剩余的水通过分子筛或膜除去，将乙醇浓缩到高于99vol％。将含有可溶固体和不溶固体的水本体(称为整个釜馏液(whole stillage))从蒸馏柱的底部排出，然后离心。将大部分的悬浮固体作为35％的固体块除去，同时将大部分溶有固体的水分成循环的液体(逆流)或被输送到蒸发器中浓缩。所述蒸发器浓缩物(～40％固体)与所述的块状固体混合，再以润湿态出售或在旋转式干燥器或闪蒸干燥器中干燥得到90％的固体粉末，称为含有可溶物的干酒糟(DDGS)。
发明内容
本公开文本提供将生物质(如淀粉基生物质或纤维素基生物质)转化成生物燃料的材料和方法。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨或其他高剪切磨碎/混合设备(除非另外说明，下文，术语“胶体磨”指胶体磨本身或其他任何的高剪切/磨碎混合设备)。在某些实施方式中，本发明的胶体磨包括转子和定子，且任选地能将生物质的长纤维减小为更小的颗粒。在某些实施方式中，所述的胶体磨不包括如在美国专利公开号2009/0000184中描述的那些旋转盘。在某些实施方式中，不使用蒸汽和/或补充的CO2处理胶体磨中的颗粒。
本发明所述的方法包括：使用胶体磨减小和限定生物质粒径的整个范围；与生物燃料生产工艺中使用的另外的糖类和/或低聚糖接触；以及形成如下粒径，所述粒径足以在下游过滤中产生仍可被回收的浓缩颗粒浆料(不同于大颗粒和纤维的不可泵送的缠结块、或者不同于因粒径太小而形成的不可回收的淤浆)。本文使用的“粒径”可由颗粒穿过已知孔隙直径的筛子的能力来确定。所述颗粒的尺寸是仍能使颗粒穿过的筛孔的最小尺寸。不过应当理解所述颗粒不必是球形的，但尺寸粗略地等于颗粒的最窄直径，由此通过测量颗粒穿过已知孔隙直径的筛子的能力最有效地确定粒径。筛子通常阻留具有特定直径的长纤维，因为它们会因弯曲缠结在筛子中。
在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨，所述方法包括：在由生物质生产生物燃料的工艺中，使用胶体磨生产具有相对均匀的粒径的生物质颗粒。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨，所述方法包括：在由生物质生产生物燃料的工艺中，使用胶体磨生产生物质颗粒的胶态悬浮体。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨和锤磨，所述方法包括在通过胶体磨之前，将所述的用于生物燃料生产工艺中的生物质使用锤磨制成干粉。在某些实施方式中，所述材料包括胶体磨和一个或多个锤磨、以及酶或酶的混合物，所述方法包括：通过使用胶体磨和一个或多个锤磨剪切所述生物质，对所述生物质进行预处理；以及使用酶或酶的混合物水解所述生物质。可在胶体磨之前或胶体磨之后添加这些酶。在预处理步骤也使用酶或酶的混合物的实施方式中，所述酶可以是纤维素酶(cellulase)或其他酶。在某些实施方式中，所述材料包括一种或多种上述指定的材料，所述方法包括一种或多种上述指定的方法。在某些实施方式中，在由生物质生产生物燃料的工艺中，将所述的材料和方法施用到纤维素原料上。在某些实施方式中，所述纤维素原料包括玉米纤维或玉米秸秆，所述工艺包括由玉米、玉米纤维和/或玉米秸秆生产乙醇。在上述的一种或多种实施方式中，所述工艺还包括生产含醇的生物燃料，其中乙醇浓度至少为生物燃料的5vol％、至多为生物燃料的20vol％或更高，例如对于玉米或类似生物质，乙醇浓度至少为生物燃料的13vol％、至多为生物燃料的16vol％或至多20vol％；或者对于非玉米或纤维素类生物质(cellulosic biomass)，乙醇浓度至少为生物燃料的4vol％和至多7vol％、8vol％或10-12vol％。
在上述的一个或多个实施方式中，所述工艺还包括，每蒲式耳(bushel)玉米产生2.8-3.1加仑乙醇这样的产量。在某些实施方式中，所述工艺包括每吨生物质材料生产60-80加仑或更多加仑的乙醇。
本发明提供制备生物燃料的方法。在某些实施方式中，所述方法包括对生物质颗粒进行预处理，将所述颗粒减小为相对均匀的粒径；以及由所述预处理后的生物质颗粒制备生物燃料。
在某些实施方式中，所述预处理使用高剪切磨碎设备。在某些实施方式中，所述的高剪切磨碎设备是胶体磨。
在某些实施方式中，对剪切后的生物质或磨碎后的生物质进行所述预处理。
在某些实施方式中，至少85％或至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约800μm或约100μm-500μm的粒径。
在某些实施方式中，约100μm-约800μm的所述生物质是玉米，至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约500μm的粒径。
在某些实施方式中，与未使用胶体磨来减小所述生物质颗粒的方法相比，所述生物燃料的产量得到提高。
在某些实施方式中，所述方法进一步包括将所述的生物质与至少一种纤维素酶类(cellulase enzyme)接触。
在某些实施方式中，所述方法包括将胶体磨磨碎后的生物质与至少一种纤维素酶类接触，以产生水解产物；以及由所述水解产物制备生物燃料。在某些实施方式中，所述的至少一种纤维素酶类选自于由如下酶组成的组：内切葡聚糖酶、内切-1，4-β-葡聚糖酶、羧甲基纤维素酶、内切-1，4-β-D-葡聚糖酶、β-1，4-葡聚糖酶、β-1，4-内切葡聚糖水解酶、纤维糊精酶(celludextrinase)和微晶纤维素酶。
在某些实施方式中，与所述纤维素酶类的接触在约30℃-约55℃的温度进行约24小时-约72小时。在某些实施方式中，所述接触是与酶的混合物接触，所述酶的混合物是将纤维素转化成葡萄糖的酶与将半纤维素转化成木糖和阿拉伯糖的酶的混合物。在某些实施方式中，所述纤维素酶类的混合物包括纤维素酶、木聚糖酶和木质素酶。
在某些实施方式中，与未将所述磨碎后的生物质(谷物、玉米秸秆等)与至少一种纤维素酶类接触的方法相比，所述生物燃料的产量得到提高。
在某些实施方式中，所述方法进一步包括：在与所述至少一种纤维素酶类接触之前，使用胶体磨将所述磨碎后的生物质研磨成相对均匀的粒径。
在某些实施方式中，所述生物燃料的制备步骤包括：将淀粉水解以生成糖；以及将所述糖发酵生产所述生物燃料。
在某些实施方式中，所述制备生物燃料的方法是工业规模的方法。
在某些实施方式中，所述发酵在酿酒酵母(S.cerevisiae)或贝酵母(S.bayanus)或毕赤酵母(P.stipitis)的存在下进行。
在某些实施方式中，所述生物燃料是乙醇、丁醇、生物柴油或航空燃料。
本发明还包括用胶体磨预处理生物质以生产生物质颗粒的方法，其中，至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约800μm的粒径。
在某些实施方式中，所述方法还进一步包括在用胶体磨预处理所述生物质原料之前，用锤磨将所述生物质原料粉碎。
在某些实施方式中，在发酵工艺中使用预处理后的颗粒。
在某些实施方式中，所述的发酵工艺在液体醪(fluid mash)中含有颗粒，所述胶体磨具有用来选择孔隙尺寸的孔隙旋转控制器，且该下游工艺进一步包括使用分离装置将所述颗粒与剩余的液体醪分离，以及选择孔隙尺寸以生产具有相对均匀的粒径、符合所述分离装置使用的颗粒。在某些实施方式中，所述生物质是玉米，且至少95％的所述预处理后的颗粒具有约150μm-约300μm的粒径。
在某些实施方式中，所述生物质是玉米，且至少95％的所述预处理后的颗粒具有约150μm-约500μm的粒径。
除非另外指明，本文所使用的所有科技术语具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。尽管与本文记载的那些相似或等同的方法和材料可用在本发明的实际操作或测试中，但下面描述了合适的方法和材料。此外，所述材料、方法和实施例仅为阐明本发明，并不意在限制本发明。所有出版物、专利申请、专利及本文提到的其他参考资料整体引入本文作参考。
说明书中给出本发明的一个或多个非限制性的实施方式的细节。根据所述说明书和权利要求书，本发明的一个或多个可能的实施方式的特征、目的和优点会很清楚。
附图说明
图1用胶体磨处理和未用胶体磨处理的DDGS残余淀粉的百分含量(干基)。
图2用胶体磨处理和未用胶体磨处理的DDGS蛋白质的值(干基)。
图3磨碎后的生物质和未磨碎后的生物质生产的乙醇的百分数。这个数据代表在玉米生产乙醇时使用胶体磨，乙醇浓度增加了1.17％v/v，或者乙醇产量提高了近8％。
图4这个数据比较了对于锤磨制备的液体浆料和来自相同的浆料再通过胶体磨后的液体浆料所溶解的固体(Brix)和总的固体(干基重)。
图5使用纤维素酶和未使用纤维素酶的锤磨和胶体磨对玉米的处理。
图6使用胶体磨和未使用胶体磨处理的玉米秸秆的比较。
图7使用胶体磨和未使用胶体磨处理的能源甘蔗水解值的比较。
具体实施方式
由生物质生产生物燃料可涉及：预处理生物质原料，以生成简单糖(然后发酵成乙醇)和从发酵液中回收乙醇产品。预处理可涉及：用机械的方法将生物质原料破碎成更小颗粒，以及将原料中复合多糖水解成简单糖。使用酸和酶进行水解。可使用酶的混合物完成发酵，所述酶的混合物包括：将纤维素转化成6-碳糖，然后使用酵母将所述糖转化成乙醇或其他醇的一种或多种酶；以及将半纤维素转化成5-碳糖，再使用酵母将所述糖转化成乙醇或其他醇的一种或多种酶。乙醇的回收可涉及：蒸馏，将乙醇与发酵液中的其他组分分离；以及脱水，从所得乙醇中除去残余水。
本公开文本提供了在由生物质生产生物燃料的工艺中用来预处理生物质的材料和方法。本文所述的材料和方法涉及：在由生物质生产生物燃料的工艺的预处理步骤中，使用胶体磨来减小生物质的尺寸。
本文所述的材料和方法可用于生产许多生物燃料。所述生物燃料包括但不限于：醇类，例如乙醇、甲醇、丙醇和丁醇；溶剂，例如丙酮；及它们的混合物。尽管乙醇可能是本公开文本中提及的主要的生物然料，但是“乙醇”的使用并不意在限制本申请公开的任何内容。所述胶体磨可用于制备用来转化成糖的生物质，所述糖随后会用来生产其他生物燃料，所述其他生物燃料包括但不限于其他醇(如丁醇)和生物柴油。
除了生产生物燃料外，本文描述的材料和方法也能用来预处理原料，例如供在其他类型的应用中使用。在某些实施方式中，将所述原料进行预处理用于其他的发酵中，例如用于生产琥珀酸。胶体磨可制备原料，所述原料用于转化成糖，然后，所述糖能通过合适的生物生产具有附加值的副产品。例如，在某些实施方式中，发酵包括使用酵母和大肠杆菌(E.coli)、梭状芽孢杆菌(Clostridium)以及其他细菌和真菌(它们中的某些可在基因上改性或未在基因上改性)的生物质。这包括生物燃料和副产品如琥珀酸的生产。
在某些实施方式中，在将废弃物引入甲烷消化池之前，用所述胶体磨将城市的生物质废弃物或工业的生物质废弃物粉碎，在所述消化池中，首先用细菌将所述废弃物消化成酸，然后再消化成甲烷和CO2气。在本例中，所述胶体磨能将废弃物减小到更易被消化的尺寸。
本文所述的材料和方法基本上可用于任何生物质。生物质的实例包括但不限于：含淀粉作物(如，玉米、小麦或大麦)、含糖作物(如，糖蔗、能源甘蔗或甜菜)、饲料作物(如，草、苜蓿或三叶草)和油籽作物(如，大豆、向日葵或红花)；木制材料，如树、灌木和木材残留物(如，来自于森林空地和工厂的锯屑、树皮等)；废弃物如城市固体废弃物(MSW；如，纸、食物残渣和庭院垃圾，或木料)、加工废弃物和造纸淤泥；以及水生植物如藻类、水草、水风信子，或芦苇和灯芯草。生物质的其他实例包括蜀黍(高粱)、稻壳、稻秆、小麦秸和其他秸秆。
已将胶体磨用在食品、油漆和化妆品的生产中。本公开文本第一次证实胶体磨可用在生物燃料的生产中，具体地，胶体磨可用在生物燃料生产中生物质的预处理中。本公开文本也非常意外地证实：在某些实施方式中，当用胶体磨对生物质进行预处理时，所述生物质的机械加工能足以满足发酵，可不需要酸预处理的步骤。参见实施例3。
不受理论的束缚，确信使用胶体磨对所述生物质进行预处理，使得该生物质呈如下形式，即，所述生物质中，适当百分比的淀粉和糖组分可被利用以转化成生物燃料。进一步确信，与常规的使用锤磨预处理的机械方法相比，所述胶体磨使所述生物质中更高百分比的淀粉组分和糖组分可被利用以转化成生物燃料。这能从下图1中看出，其中试验A-E代表与经过胶体磨处理或未经过胶体磨处理、由发酵的玉米浆料制备的DDGS中残留淀粉的值。在所有试验中，所述胶体磨处理后的材料使更多淀粉得到转化，从而使DDGS中残留的淀粉更少。这种转化为现有设施提供价值，因为DDGS中的淀粉越少，生物燃料的产量就越高，从而增加收益。
如图2所示，DDGS中残留淀粉越少，也会使得DDGS中蛋白质的值越高，这样可使得以每吨计DDGS更有价值。
例如，与将生物质粉碎成无规则的、相对较大且不均匀尺寸的锤磨相比，在与液体例如水混合时，所述胶体磨可将粗制的生物质原料转化成具有相对均匀且小粒径的浆料。因此，本发明提供使用胶体磨或其他高剪切磨来生产粒径均匀的、可泵送的预处理后的生物质颗粒群(也就是能作为浆料被泵送)。通常，随着液体每单位体积中生物质的量的增加，生物质颗粒将不能再被泵送，反而形成缠结的结块(与浆料相对)。
Figure BPA00001350095200081
*BDS＝绝干固体
如上表所示，用胶体磨预处理生物质，使得到这样的粒径，该粒径足以使浆料中产生与单独使用锤磨产生的颗粒相比浓度高得多的可泵送的固体。例如，用锤磨预处理后的固体物范围仅为12-38％BDS，而进一步用胶体磨处理所述固体后的范围为21-46％BDS。本发明人认为：所述胶体磨减小较大颗粒的尺寸(如在800-1500μm之间)，而不减小较小颗粒的尺寸(如100-500μm之间)，但并不想以此来限制本发明的范围。因此，所述胶体磨产生尺寸更为均匀的颗粒群。而且，在此群中所述粒径足够大，从而得到可回收的高浓度的浆料。因此，在某些实施方式中，在胶体磨预处理后，所述生物质的粒径足以产生可泵送的浆料，所述浆料包括来自纤维素类生物质(包括但不限于茎、木质原料或收割的植物废弃物)至少15％、17％、19％、21％、23％或25％的BDS。在某些实施方式中，在用胶体磨预处理后，所述生物质粒径的足以产生可泵送的浆料，所述浆料包括来自生物质原料(包括但不限于谷物如玉米粒)至少40％、42％或44％的BDS。
在本申请文件中，“相对均匀的粒径”指的是平均而言，相比于使用锤磨或类似的研磨设备(例如，销棒磨碎机或辊式磨碎机)预处理生物质而生产的颗粒，所述颗粒在尺寸上更相近。通常用于研磨整粒玉米粒的锤磨具有的粒径范围主要在100-1600μm之间，在该范围内的重量分布呈钟形曲线状。
在某些实施方式中，用锤磨产生的玉米或其他生物质粉末与淡水和逆流混合，以制备通过胶体磨的、例如30％的固体醪。所述磨上的孔隙设置对最大粒径进行控制。被泵送到磨头腔(milling head chamber)的液体可处于环境温度下或被加热，有时在90-100℃的范围被加热。来自于锤磨的颗粒(如100-1600μm)通过所述胶体磨，通常可被加工到100-500μm或100-800μm的范围，例如在100-500μm的范围内，总的颗粒中至少85wt％或95wt％的颗粒具有小于800μm的粒径。
胶体磨能用来生产尺寸低至1μm的颗粒，尽管这可使给定重量的生物质向生物燃料转化具有更令人满意的转化率，但是限制因素变为下游分离装置以合理的回收率处理这些小颗粒的能力。目前，分离装置不太适合处理非常小的颗粒(＜10μm)。因此，优选未达到最小可能的粒径，因为非常小的颗粒很难与液体醪分离。如果将粒径分布控制在窄的范围内，那么在乙醇生产工厂中通过现有的离心机更容易将所述颗粒分离。然而，由于所述的胶体磨可用来制备如此小的粒径，所以如果分离装置改变，可适应或更有效地处理较小粒径，那么可通过改变孔隙设置，使用所述胶体磨来生产那些较小尺寸的颗粒。
在某些实施方式中，在由生物质生产生物燃料的工艺中，胶体磨用作唯一的预处理步骤。在某些实施方式中，由生物质生产生物燃料的工艺中，胶体磨与至少一种其他的预处理方法一起用来预处理生物质。在某些实施方式中，所述的进一步预处理方法包括使用锤磨对所述生物质进行一次或多次粉碎，以及使用酶或酶的混合物水解所述生物质。参见实施例2和实施例3。在某些实施方式中，其中预处理包括使用一种或多种酶水解所述生物质，所述酶可以选自α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡聚糖酶(gluconase)、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、木质素酶、过氧化物酶、镁过氧化物酶(magnesium peroxidase)和内切葡聚糖酶或它们的混合物。
在某些实施方式中，所述生物质原料是玉米、玉米秸秆或玉米青贮饲料，所生产的生物燃料是乙醇。在其他的实施方式中，所述原料可包括上述提到的宽范围的农业材料，通过糖的发酵，最终的生物燃料可能是乙醇或其他醇(如丁醇)、生物柴油以及航空燃料。在某些实施方式中，在由生物质生产生物燃料的工艺中，与仅使用锤磨由类似的生物质生产生物燃料的工艺相比，使用胶体磨预处理生物质生产生物燃料，使生物燃料的产量增加。在某些实施方式中，基于通常在锤磨中得到的初始粒径和胶体磨上的孔隙设置，胶体磨预处理使得每吨生物质生产的生物燃料产率以加仑计增加0.25-2.5％或2.5-10％以上。
不受理论的束缚，确信前述的利弊为：经剪切，粒径逐渐变得更小，将糖、淀粉和纤维素与含有酵母和酶的发酵培养基接触时产量随之增加；相反，由于在发酵工艺中那些颗粒进一步变得更小，它们变得越来越难分离。商购的胶体磨具有孔隙设置，所述设置可动态调节以适应在每个生物燃料工厂的微小差异，所述差异包括逆流百分率、离心机型号或其他的颗粒分离工艺装置及其他因素。在某些实施方式中，本文描述的一种或多种方法可结合使用以将上述生物燃料的最终产量增加到超过单独通过任意一种方法得到的产量。在某些实施方式中，本文描述的方法能提高和优化玉米油与废蒸馏液(称为釜馏液)的分离。
胶体磨及其在生物燃料生产中的应用
胶体磨具有各种尺寸和各种结构材料。本领域的技术人员能为各种生物质优化所述尺寸和冶金材料(metallurgy)。例如，两台IKA的型号为MK2000/50的胶体磨可在双相不锈钢中用于50MMGPY(百万加仑每年)玉米的发酵工艺中，而一台IKA的型号为MK2000/50的胶体磨(由304个不锈钢部件组成)完全可以满足30MMGPY糖蔗纤维素工艺的需要。在每个例子中，为各种原料物质的输入和各种流速条件优化孔隙尺寸。
如下实施例2和实施例3所示，胶体磨可用来预处理生物质，如玉米生物质。在某些实施方式中，如在实施例中示出的那些，与单独使用锤磨进行预处理相比，用胶体磨进行预处理可提高乙醇的产量。所述的胶体磨可被改装，例如在目前的玉米乙醇的生产厂中通过在混合槽和液化槽间在线插入胶体磨。所述胶体磨还可用于设计和建设新的生物燃料生产厂。
所述胶体磨可通过使用孔隙旋转控制器来选择所形成的粒径分布。与备选的预处理技术如用锤磨粉碎相反，使用胶体磨从较大的生物质可得到相对精细的粒径分布。胶体磨上合适的孔隙尺寸可产生高度均匀的生物质悬浮物，与仅使用粉碎设备相比，其中生物质的最大粒径被大大减小且明显更均匀。用在玉米乙醇工厂中的胶体磨的半径孔隙尺寸范围可为0.104-0.728mm，如0.104-0.520mm，如0.208-0.520mm，从而所得到的颗粒尺寸范围为100-800μm。例如，在某些实施方式中，0.1-0.15mm的孔隙设置用于玉米秸秆或其他的纤维素类生物质，而0.2-0.3mm的孔隙设置用于谷物，包括但不限于玉米粒。如下图1所示，与锤磨相比，胶体磨用于生产相对精细、具有高表面积的均匀粒径，使得有更高百分比的淀粉、纤维素和糖可被利用进行酶转化，从而使产量得到提高。
通常，如前所述，所述生物质越细，关于每吨生物质所得到的生物燃料产量以加仑计也就越高。然而，在整个过程中，一个严重的主导因素是移除生物燃料后残留固体的回收。如上所解释的这个因素使得玉米乙醇中最佳的生物质的尺寸为100-500μm。对于使用稻草、糖蔗、能源甘蔗和其他材料(如前数4页中所列出的那些)的纤维素类工艺，其中可安装现有的过滤设备的情况，生物质的尺寸可从50-350μm，通常从75-150μm。
当与生物质预处理结合使用时，胶体磨还可具有一种或多种如下另外的特征。胶体磨可接受各种长度的纤维，并快速地将它们转化成十分受控的粒径，同时剪切所述材料，并将更多的碳水化合物和/或纤维素材料释放至酶降解或经历酶降解。所述胶体磨还可任选地消除对操作喷射炉设备的需求。所述喷射炉使用高压蒸汽来帮助从生物质释放淀粉，而在使用胶体磨的工艺中则不需要该喷射炉。这可为每年生产5千万加仑的生物燃料的工厂节省能量35,000MMBTU/年。天然气的费用为$5.00/MMBTU，所述设施能节省$176,000/年。
可商购的胶体磨能以高达350加仑每分钟(gpm)并高达甚至超过500gpm的速率加工原料。这样就使得商业上可行的数量(3-4)的磨能用在制备上述100MMGPY的生物燃料的工艺中。由于胶体磨产生的均匀粒径，所述胶体磨还能使发酵后的固体更有效地离心分离。
在大部分的生物燃料厂中，玉米醪中固体的重量范围为25-35wt％(db)。在线安置在混合槽和液化槽间的胶体磨可接受通常遇见的整个范围的固体，并且由于实现了粒径的高度均匀性和更低的流体粘度，还使得生物质的负载比不使用胶体磨的类似工艺更高(如，范围为40wt％)。
在某些例子中，可将生物质直接引入到胶体磨中。然而，在另外一些的例子中，在将生物质引入胶体磨之前，经历一个或多个预处理步骤。例如，可将所述生物质首先用粉碎设备(如，锤磨、浸渍器)预处理，这通常使生物质破碎，从而导致粒径的大而无规则的分布，随后使用胶体磨进行更精细地研磨或使用浸渍器后再使用胶体磨进行更精细地研磨，由此形成具有所希望尺寸的、相对均匀的颗粒。例如，来自不同材料的生物质(例如但不限于，玉米和稻草)可通过具有固定设置的筛孔尺寸(如#7或#8)的锤磨给料。然后，该锤磨可连接到胶体磨，所述胶体磨具有可调节的孔隙设置用于动态调节生物质所希望的粒径。
可将胶体磨用于玉米乙醇的温度和pH通常是设施中的特定淀粉酶起作用的温度和pH。例如，在常规的玉米乙醇操作中，胶体磨可在pH约3.8至约6.2(如，约4.2至约5.5、或约4.5至约5.0)的范围内、于约30℃至约120℃的温度下进行操作。示例性的温度为约76℃至约84℃的范围，或对于高温酶如Fuelzyme
Figure BPA00001350095200121
胶体磨可在约85℃至96℃的温度范围内操作。类似地，关于预处理其它生物质方面，胶体磨使用的温度和pH会是特定设施中的酶起作用的温度和pH。
纤维素酶的处理
在常规的生物燃料的操作中，失去大量淀粉以生产乙醇，并且以副产品的形式(如含可溶物的干酒糟(DDGS))被丢弃。DDGS通常含有约12-15wt％(干基(db))的纤维素和半纤维素，约4-10wt％(db)的淀粉可连接到所述纤维素和半纤维素上。本公开文本描述了用纤维素酶类来释放并回收在常规的实际操作中通常失去或丢弃的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。本公开文本证实了，所述纤维素酶类的使用提高和改善了不使用纤维素酶类的现有常规方法中的乙醇产量。纤维素和半纤维素的这种分解还导致之前与所述纤维素和半纤维素连接的淀粉的释放。生物质可使用纤维素酶类水解：在约50℃-55℃的温度、pH为4.0-4.5下水解约2小时至24小时。在由生物质制备生物燃料的整个工艺中的任何阶段，可将生物质与纤维素酶类接触。例如，在将生物质通过粉碎设备加工后，将该生物质与一种或多种纤维素酶类接触。本文的结果表明，胶体磨的应用，例如用来生产生物质的胶态悬浮体，使得纤维素酶类能更好地进入和水解生物质中的纤维素和半纤维素。因此，尽管不需要，但是所述总产量可以如下方式得到提高：通过胶体磨，或本文描述的通过粉碎设备和胶体磨二者加工所述生物质后，再将所述生物质与一种或多种纤维素酶类接触。此外或作为替换方法，提高产量的方法是在将所述生物质与葡萄糖淀粉酶接触期间或接触之后(如，在糖化作用期间或之后)，再将所述生物质与一种或多种纤维素酶类接触。
根据本发明，可使用本技术领域内常规的分子生物学、微生物学和生物化学技术。文献中全面地解释了这些技术。将通过如下实施例进一步描述本发明，这些实施例不限制权利要求书记载的本发明的范围。本文记载的方法和材料可以引入现有的生物燃料的操作中，或在设计的新的生物燃料操作中可包括本文记载的方法和材料。
实施例
实施例1使用锤磨的常规生物燃料生产与使用锤磨加胶体磨的比较
使用具有#7筛孔或筛网的传统锤磨，将玉米粒粉碎成玉米面粉。所述粒径分布范围为小于50μm至1400μm。所述的分布曲线是钟型的，意味着所得到的面粉含有相当大一部分的大颗粒。所得到的面粉以约32wt％(db)与来自于工厂水系统的逆流混合，所述逆流主要是水和残留颗粒。然后，将耐高温的淀粉酶(Fuelzyme
Figure BPA00001350095200141
(Verenium，Cambridge，MA))添加到玉米面粉、水和逆流的混合物中，在pH 5.0、于87.8℃将所述混合物加热2小时。
在初始液化后，将所述玉米醪冷却到35℃，并添加另外的酶(葡萄糖淀粉酶)来进一步继续糖化过程，从而开始将纤维素转化成糖(主要是葡萄糖)。将酵母和尿素一并添加到所述醪中以提供氮源。所使用的酵母是可商购的、类似于由North American Bioproducts(NABC)(亚特兰大，GA)和Fermentis(Marcq-en-Baroeul，法国)生产的酵母。所述液态醪在酵母的存在下发酵72小时以完成葡萄糖向乙醇的转化。对于仅经过锤磨粉碎的物质，此方法得到乙醇的浓度为约～15vol％，但对于经过锤磨加胶体磨处理的玉米，乙醇的浓度为～16.2v％(图3)。这个数据表示当使用胶体磨作用于玉米生产乙醇时，乙醇浓度增加了～1.17％v/v，乙醇产量(gal/bu)提高了近8％。
实施例2使用锤磨的常规生物燃料生产与使用胶体磨并同时包含纤维素酶和不包含纤维素酶的比较
使用传统的锤磨(#7筛孔或筛网)，将玉米粒粉碎成玉米面粉。所述粒径的分布范围为小于50μm至1400μm。所述分布曲线是钟型的，意味着所得到的面粉含有相当大一部分的大颗粒。将所得到的面粉以约为32wt％(db)与来自于工厂的水系统的逆流混合，所述逆流主要是水和残留颗粒。然后，将耐高温的淀粉酶(Fuelzyme(Verenium，Cambridge，MA))添加到玉米面粉、水和逆流的混合物中，在pH 5.0下、于87.8℃将所述混合物加热2小时。
在初始糖化后，将所述玉米醪冷却到35℃，添加另外的酶(葡萄糖淀粉酶)进一步继续糖化过程，从而开始将纤维素转化成糖(主要是葡萄糖)。将酵母与尿素一并添加到所述醪中以提供氮源。所使用的酵母是可商购的、类似于由North American Bioproducts  (NABC)(亚特兰大，GA)和Fermentis(Marcq-en-Baroeul，法国)生产的酵母。将所述液态醪在酵母的存在下发酵约60小时以完成葡萄糖向乙醇的转化。处理1(Trt1)是占纤维素1.5％(w/w)的纤维素酶和占固体0.1％的半纤维素酶；处理2(Trt 2)是占纤维素3％的纤维素酶和占固体0.25％的半纤维素酶；以及处理3(Trt 3)是占纤维素15％的纤维素酶和占固体0.5％的半纤维素酶。
该实施例表明纤维素酶的添加，即胶体磨结合纤维素酶的处理提高了乙醇的量(w/v％)。例如，当向胶体材料中添加纤维素酶(孔隙设置为0.2-0.3)时，乙醇的总产量比仅用锤磨处理玉米提高了0.225w/v％，而未添加纤维素酶的处理仅增加0.1665w/v％。胶体磨的处理使粒径更小，这种较小粒径使纤维素酶将糖转化成葡萄糖。
实施例3用胶体磨处理后，由玉米秸秆向糖的转化得到提高
通过锤磨，将玉米秸秆材料研磨成粉。然后，将这种材料复水得到玉米秸秆10％的干固增重。使材料以25分钟的连续循环(continuous loop)通过胶体磨上0.1-0.15mm的孔隙设置。在通过胶体磨处理后，所述材料在50℃用纤维素酶和半纤维素酶培养。24小时时，与未经处理的材料相比较，通过胶体磨再循环的材料另有～10％的糖从糖化作用过程中释放。实施例4用胶体磨处理后，由能源甘蔗向葡萄糖的转化得到提高
将能源甘蔗材料研磨成粉。然后，将这种材料复水得到10％的干固增重。使材料以5分钟的循环通过胶体磨。在用胶体磨处理后，在50℃用纤维素酶或半纤维素酶培养所述材料。24小时时，与未处理的材料相比，再循环通过胶体磨的材料另有＞17％以上的糖从糖化作用过程中释放。
其他实施方式
应了解，虽然结合本发明详细的说明书描述了本发明，但是前述的描述意在阐明本发明，而不是限制所附权利要求书的范围限定的本发明的范围。其他各个方面、优点和改变落入所附权利要求书的范围之内。

Claims (22)

1.一种制备生物燃料的方法，包括：
对生物质颗粒进行预处理，以将所述颗粒减小到相对均匀的粒径；以及
由所述预处理后的生物质颗粒制备所述生物燃料。
2.权利要求1所述的方法，其中，所述的预处理使用高剪切磨碎设备进行。
3.权利要求1所述的方法，其中，所述的高剪切磨碎设备为胶体磨。
4.权利要求1所述的方法，其中，对剪切后的生物质或磨碎后的生物质进行所述预处理。
5.权利要求1所述的方法，其中，至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约800μm的粒径。
6.权利要求1所述的方法，其中，所述生物质是玉米，且至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约500μm的粒径。
7.权利要求3所述的方法，其中，与未使用胶体磨来减小所述生物质粒径的方法相比，所述生物燃料的产量得到提高。
8.权利要求1或3所述的方法，进一步包括将所述生物质与至少一种纤维素酶类接触。
9.一种制备生物燃料的方法，包括：
将已用胶体磨磨碎后的生物质与至少一种纤维素酶类接触，以生产水解后的谷物；以及
由所述水解后的谷物得到的淀粉来制备所述生物燃料。
10.权利要求9所述的方法，其中，与所述纤维素酶类的接触在约30℃-约55℃的温度下进行约24小时-约72小时。
11.权利要求9所述的方法，其中，所述接触是与酶的混合物接触，所述酶的混合物是将纤维素转化成葡萄糖的酶与将半纤维素转化成木糖和阿拉伯糖的酶的混合物。
12.权利要求11所述的方法，其中，所述纤维素酶类的混合物包括纤维素酶、木聚糖酶和木质素酶。
13.权利要求9所述的方法，其中，与未将所述磨碎后的谷物与至少一种纤维素酶类接触的方法相比，所述生物燃料的产量得到提高。
14.权利要求9所述的方法，进一步包括：在与所述的至少一种纤维素酶类接触之前，使用胶体磨将所述磨碎后的谷物研磨到相对均匀的粒径。
15.权利要求1或9所述的方法，其中，所述生物燃料的制备步骤包括：
将淀粉水解产生糖；以及
将所述糖发酵生产所述生物燃料。
16.权利要求1或9所述的方法，其中，所述的生物燃料是乙醇、丁醇、生物柴油或航空燃料。
17.一种方法，包括：
用胶体磨对生物质进行预处理以产生生物质颗粒，其中，至少95％的所述预处理后的颗粒具有约100μm-约800μm的粒径。
18.权利要求17所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在用胶体磨对所述生物质原料进行预处理之前，用锤磨将所述生物质原料粉碎。
19.权利要求17所述的方法，其中，所述预处理后的颗粒用在发酵工艺中。
20.权利要求19所述的方法，其中，所述发酵工艺在液体醪中产生颗粒，所述胶体磨具有用来选择孔隙尺寸的孔隙旋转控制器，且所述步骤进一步包括使用分离装置将所述颗粒与所述液体醪分离，以及选择孔隙尺寸以生产具有相对均匀粒径、符合所述分离装置使用的颗粒。
21.权利要求20所述的方法，其中，所述的生物质是玉米，且至少95％的所述预处理后的颗粒具有约150μm-约300μm的粒径。
22.权利要求20所述的方法，其中，所述的生物质是玉米，且至少95％的所述预处理后的颗粒具有约150μm-约500μm的粒径。
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