CN104321435A - 用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统和方法以及用于所述生产的整合点的使用 - Google Patents

用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统和方法以及用于所述生产的整合点的使用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种与生产乙醇的常规方法(第一代(1G)乙醇)整合的从木质纤维素生物质(尤其是甘蔗渣和甘蔗秆，尽管不限于此)生产乙醇及类似产品的系统和方法(第二代(2G)乙醇)，所述生产乙醇的常规方法诸如，例如，使用甘蔗汁和/或糖蜜(一种典型的巴西方法，在糖和乙醇工厂中或独立的酿酒厂中)、玉米、谷物、小麦、甜高梁、白甜菜等)，所述系统和方法包括物流和排出物的再利用。更具体而言，本发明涉及一种生产乙醇和类似产品的整合方法，该方法总体上在原料、蒸汽、电能和处理水的使用方面具有提高的功效。

Description

用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统和方法以及用于所述生产的整合点的使用
相关专利申请的交叉引用
本发明要求于2012年3月30日提交的专利申请号BR 10 20120072990 8的内部优先权。
发明领域
本发明涉及一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统和方法，其包括排出物物流的回收和使能量有效用于从甘蔗汁和/或糖蜜(molasses)、谷物、小麦、甜高梁、淀粉质(含淀粉)原料、白甜菜(whitebeetroot)等得到的第一代(1G)乙醇和从诸如甘蔗渣秆(但不限于此)的木质纤维素生物质和/或从类似产品得到的第二代(2G)乙醇的联合生产(joint production)。更具体而言，本发明公开的方法构成了乙醇及类似产品的整合生产方法，其允许在原料、蒸汽、电能和处理水的使用方面具有提高的功效水平。
背景技术
年复一年，生物质用于乙醇生产的巨大潜力已通过多种技术结构和根据以下非常多种生物质类型的使用在全世界范围内得到证实：即，C4植物–属于黑麦草(Lolium)属、大米草属(Spartina)属、黍(Panicum)黍、芒(Miscanthus)黍及其组合；甘蔗渣(来自磨碎机和/或扩散器)、甘蔗秆(来自人工或机械化甘蔗收获工艺)；诸如小麦、水稻、黑麦、大麦、燕麦、玉米及类似物质(例如狼尾草(Napier grass)-“柳枝稷(switchgrass)”)的谷物秸秆；木材；香蕉树的茎和杆、仙人掌、纸板、木屑、报纸；农工业或市政废物以及它们的组合。
在巴西，甘蔗产业可追溯到国家的殖民化时期(1532)，这是最初的种植被引入该地区的年份。然而，在迄今超过500年的时间，巴西仅利用了可得自用于制造糖和酒精的甘蔗(汁)的能量的三分之一。因此，可考虑提高生物能源链的生产能力和降低成本，这不仅可通过现在使用的技术的逐步发展，而且可通过新技术的出现，诸如第二代乙醇的生产，这将允许大规模利用剩余的三分之二植物(所述生物质包括甘蔗渣和秆)。
这些材料(甘蔗渣和秆)代表在我们国家中最适合用于从木质纤维素源生产乙醇的生物质，不仅因为其包括40％～50％的纤维素，还因为那些在糖和1G乙醇生产中作为衍生物产生的大量副产品。在这种情况下，开发生产2G乙醇的方法看起来构成了最可行的选择，该方法主要考虑了与1G乙醇的生产的热和基建整合。
因此，考虑到生物质(也就是说，从甘蔗汁提取得到的糖和已产生的残余物(纤维)中存在的糖)的整体利用，本发明涉及一种使得能够设立附设于常规的第一代乙醇工厂(无论其所处理的原料如何)的用于第二代乙醇生产的工厂(技术)。这一策略允许通过以下方式增强遍布于全世界的糖和酒精生产工厂还有自治酿酒厂(autonomous distilleries)的生产能力：通过工艺整合的概念，在运行中的工厂中回收目前可用的物流和/或排出物，保持先前存在的能量的自足性。这一概念主要意图优化能量的使用和减少工业过程引发的环境影响。因此，本发明的目标之一在于提供一种1G/2G乙醇的联合(整合)生产的方法，包括回收在1G工艺中产生的物流和排出物，以供应运行2G工厂所需的大部分能量。
在巴西，生产第二代(2G)乙醇的技术仍然在经历成熟期，迄今尚未有已建成并具有相关工业规模生产能力的工厂。这一情况暗示了实施本发明中所述目标的极好机会，这是因为同一情况也能提供与能量和排出物回收相关的巨大增益。
下文中引用的文件构成了与能量利用方案和工艺流体再利用相关的现有技术的参考文献，然而这些文献中没有任何一篇揭示或建议了本发明中公开的主题。
题为“Modelagem eenergética do processo dede etanol a partir de biomassa de”[Modeling and energyintegration of the process of生产of ethanol from甘蔗biomass](Bereche,R.P.,presented at the School of Mechanical Engineering of the UNICAMPuniversity[University of Campinas,State ofPaulo,Brazil]in July 21,2011)的博士学位论文除了可能的用于纤维素衍生乙醇(2G)生产的技术之外还公开了在甘蔗和酒精(1G)加工工厂(1G)中现存独立操作的理论分析。在所讨论的论文中，作者引证了提高1G和2G技术之间能量整合的可能性，然而将其实用范围限制在甘蔗渣用于生产2G-乙醇的应用和甘蔗汁蒸发系统中作为上面提到的工艺的能量整合的替代方案。除了阐述在工业环境中优化工艺用水消耗和排出物再利用的实践和可行方案以提供重要的环境利益之外，本专利申请中公开的用于1G/2G乙醇的联合(整合)生产的方法与所提及的博士论文的区别还在于公开了源于甘蔗或其它农作物(木质纤维素材料)的收获的所有残余物可作为构成获得2G乙醇的原料源。因此，所考虑的论文不曾揭示本文件中公开的技术状态。
题为“das Principais Tecnologias dede EtanolAtravés do Processamento da Celulose(2a )nas atuais usinas de(1a )”[Integration of the Main Technologies forObtainment of Ethanol By Means of Processing of Cellulose(2ndGeneration)in current甘蔗processing plants(1st Generation)](BernardoNeto,O.,presented at the Polytechnics School of the University ofPaulo in March 25,2009)的硕士论文公开了关于不同的第二代技术的文献综述，并提出剩余生物质的气化方法构成提高甘蔗加工工厂能量效率的最佳替代方案。因此，所提到的学位论文与本申请的区别在于并未揭示或建议使用工艺流体和排出物来优化用于1G+2G乙醇生产的方法的能量整合。
题为“Production of bioethanol and other bio-based materials from甘蔗bagasse:Integration to conventional bioethanol production process”(Dias et al.,化学Engineering Research和Design,2009,87:1206-1216)的论文公开了通过双效蒸馏(double effect distillation)在酿酒厂中进行热整合的研究，其与用于甘蔗渣的酸水解的ORGANOSOLV技术相关。该工作区别于本申请，其既未揭示也未建议本发明，特别是仅被限制于在酿酒厂中进行热优化以提高来自第一代工艺的剩余甘蔗渣的量。此外，所述论文也没有考虑到如本申请所要求的排出物的再利用和用于乙醇生产的第一代和第二代方法之间的热整合。
题为“Improving bioethanol production from sugarcane:evaluation ofdistillation,thermal integration和cogeneration系统s”(Dias et al.,Energy,2011,36(6):3691-3703)的论文公开了通过使用特定的蒸馏工艺热整合与应用使用BIGCC(“Biomass Integrated Gasification Combined Cycle”(生物质整合气化组合周期))技术的组合对甘蔗工厂(第一代)进行能量优化的研究。该文件既未揭示也未建议如本文所提出的用于第一代和第二代乙醇的生产的能量整合的系统和方法)，因为其并未考虑用于纤维素乙醇生产的方法构成生物质利用的替代方案，且其也未设想任何排出物再利用的技术方案。
在专利申请号[BR]PI 0708266-5A2中，描述了一种通过使用多效技术进行能量优化的通过蒸馏生产酒精的系统和方法。在该方法中，蒸馏塔的进料被分为两个物流并被进给到两组塔中，其一为高压塔，且另一组为低压塔，它们与使用源于一个塔的塔顶的热能的再沸器共同为另一个供热。该方法证实了当系统被充分构造时，可回收精馏塔B顶部的可用热，然而其并未说明任何除酿酒厂之外的应用。本发明与该引用申请的区别在于公开了酿酒厂中的可用物流例如在相关的第二代乙醇生产工厂中的利用，应用了工艺整合的概念。
在专利申请号[BR]PI 0503931-2A中，描述了一种通过带有能量优化的“变压吸附”方法生产无水酒精的设置和方法。在该方法中，终产品(无水酒精)中所含的一部分热通过热整合和无水酒精蒸汽的机械压缩的方式回收，证实了当该方法以良好结构化方式构造时，用酒精蒸汽回收物流中的可用热是可行的。申请号[BR]PI 0503931-2A与本发明的区别实际上在于其讨论了特定方式的热回收技术应用于优化含水酒精脱水技术自身中的蒸汽消耗，但没有讨论与其它技术的热整合，特别是与用于第二代乙醇生产的技术。
在专利申请号US 2012/0041186A1中，描述了一种通过蒸汽爆炸处理对半纤维素进行连续预提取的方法和系统。在所述文件中，“闪蒸(flash)”物流具有用于热回收系统的巨大能量潜力，尽管所引用的文件并未提到这样的应用。本发明与所提及的文件区别在于在整合方法的概念上使用了来自相关技术/工厂或同一方法的其它部分的可用和适合的物流。
在国际公开号WO 2012/021950中，描述了一种用于得到具有高糖含量的水解产品最终物流的方法。当温度保持在50℃左右时，水解反应系统实现了其最佳效率水平。水解系统的这一特征使得必须需要热原以便将系统维持在特定温度。然而，所引用的文件并未建议任何具体策略、设置、系统和构造以得到在水解系统中加热和维持最佳温度的必要能量。本发明与所述文件的区别在于其利用了在常规乙醇生产(无论在该方法中使用的原料如何)中产生的物流/排出物来供应加热水解反应器和/或2G-乙醇工厂的其它设备单元所需的能量。
在专利申请号[BR]PI 1101295-1(其申请人为Centro de TecnologiaCanavieira(CTC))中，描述了使用酒糟(釜馏物)(粗品、过滤品、浓缩品等)和/或来自发酵酒蒸馏工艺的任何残余物作为木质纤维素生物质的酶水解工艺中的替代缓冲剂。这种和在与本发明相结合的常规1G-乙醇工厂中可用的其它排出物的再利用增强了可从本说明书中所述整合方法中得到的利益。
在Centro de Tecnologia Canavieira(CTC)提交的专利申请号[BR]PI0904538-4中，公开了一种优化用于生产糖、乙醇和类似产品的植物生物质的处理的方法，所述优化通过采用与现在采用和已公知的技术相比将工业单元的总能量需求最小化的工艺构造进行。所述文件证实了与本发明的互补特征，尽管其不曾揭示本文所要求的目标。
基于从已被研究的文献得到的内容，尚未知存在任何可能揭示或建议本发明技术的文件，因此本文所提出的技术方案是新颖的，并且证实了相对于现有技术的创造性步骤。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统，其包括以下整合点：
i)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液(flegmass)物流(3)作为在容器(RF)中产生蒸汽的热水源；
ii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为(S1)和(S2)中的分离和回收系统的热水源；
iii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为在酶水解步骤中控制固含量的热水源；
iv)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为直接或间接加热酶水解反应器(RH)的热水源；
v)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为在生物质进入工艺的入口处清洁该生物质的热水源；
vi)使用来自精馏塔(B和/或B1)顶部的蒸汽相的酒精物流(4)作为生物质水解反应器的加热源；
vii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为生物质水解反应器(RH)的直接或间接加热源；
viii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为控制酶水解反应中pH水平的缓冲溶液源；
ix)使用在生物质预处理之后产生的“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量来在容器(RF)中产生蒸汽；
x)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)提供运行汽提塔A和脱气塔A1以及精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的能量；
xi)使用在蒸汽容器(RF)中生成的源于物流(7)的蒸汽物流(11)作为生物质水解反应器的直接或间接加热源；
xii)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)作为塔A、A1、B和B1底部处的直接加热源，即，喷涌(物流8)；
xiii)当通过间接交换回收能量时，将蒸汽物流(7)的全部或部分冷凝物的回流用于蒸汽容器RF；
xiv)使用处理水物流(9)在RF容器中产生蒸汽；和
xv)使用在容器(RF)中产生的蒸汽物流(10)提供预热反应器(RPT)或其等同设备的进料物流的能量；
以及它们的组合。
在一个实施方式中，所述系统还包括以下元件：
i)至少一个连接容器(TF)出口和蒸汽容器(RF)入口的装置；
ii)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口和蒸汽容器(RF)的装置；
iii)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口和(S1)和(S2)中的分离和回收系统的装置；
iv)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口和水解反应器(RH)和/或与生物质清洁系统(TL)的装置；
v)至少一个利用工厂中可用的处理水在容器(RF)中产生蒸汽的装置；
vi)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口与汽提塔A和脱气塔A1和精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的装置；
vii)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口和反应器(RPT)或其等同设备的装置；
viii)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口和水解反应器的装置；
ix)至少一个在通过间接交换回收能量时将蒸汽物流(7)的冷凝物返回到蒸汽容器RF的装置；和
x)至少一个采用来自精馏塔(B和/或B1)的蒸汽相的酒精物流(4)作为加热生物质水解反应器的加热源的装置，
以及它们的组合。
在一个实施方式中，所述装置是壳管式和/或板式热交换器，且所述系统使用在容器RF中的仪表和控制，其还可包含压力控制装置、页面控制装置、流量控制装置和温度控制装置。
在一个其它方面，本发明提供了一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的方法，其包括以下步骤：
i)预处理生物质；
ii)将经预处理的生物质进行酶水解；
iii)将包含可发酵糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)分离；
iv)将步骤iii)中得到的溶液与甘蔗汁和/或糖蜜的糖共同发酵；
v)分离经发酵的酒；和
vi)将步骤v)中产生的乙醇蒸馏/脱水。
在一个实施方式中，在所述方法中，
i)生物质的预处理使用蒸汽进行，其中在该操作中使用的一部分能量通过热回收系统再利用；
ii)预处理中产生的糖的分离通过使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行；
iii)经预处理的生物质的酶水解使用作为加热源的二次冷凝液物流(3)、来自酒精精馏塔和/或来自酒糟(釜馏物)物流(5)的含水酒精蒸汽物流(4)进行；
iv)含有所需糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)的分离使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行；
v)发酵使用一部分存储在热回收系统中用于清洁、灭菌、冷却或这些操作的组合的物流(在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))进行；
vi)经发酵的酒的分离使用一部分存储在热回收系统中用于清洁、灭菌、冷却或这些操作的组合的物流(在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))进行；
vii)乙醇的蒸馏/脱水使用一部分存储在热回收系统中的物流进行，优选在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)。
在一个其它实施方式中，所述方法任选包括在预处理步骤i)之前清洁生物质的步骤，该步骤可通过使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行。
在一个其它实施方式中，在步骤v)中，糖蜜用经水解的甘蔗汁稀释直到达到介于10°Brix～50°Brix之间的浓度。
在一个实施方式中，所述热回收系统由以下组成：热交换器、分离容器、控制系统以及该系统的连续和稳定运行所需的其它附件。
在仍然另一个实施方式中，所述步骤i)还可额外使用化学或生物催化剂进行。
在一个其它方面，本发明涉及如上所定义的整合点用于第一代和第二代乙醇的整合生产的应用。
附图说明
在图1中，显示了利用木质纤维素生物质的方法及其向可发酵糖的转化的示意图，其中的步骤包括清洁(2.1)、预处理(2.2)、酶水解(2.3)和固-液分离(2.4)，以便产生可发酵糖(2.5)的溶液。还显示了入口和出口，诸如，用于生物质(2)、杂质(5.3)、化学/生物催化剂(2.6)、蒸汽(4.2)、糖(其大部分为具有5个碳原子的形式)(C5)、缓冲剂(2.7)、酶(2.8)和纤维木质素(5.2)。
图2描绘了用于乙醇(1G)的生产的常规方法的示意图，其中进给以在酶水解步骤(2G方法)产生的可发酵糖(C6)，后续步骤为发酵(1.1)、经发酵的酒(1.2)的分离、经发酵的酒(1.3)的分离/脱水、所产生的乙醇(1.4)、细胞循环(1.5)、经水解的甘蔗汁的浓缩(1.6)、糖蜜(16°～30°Brix)(1.7)和酒糟(釜馏物)(4.4)。
图3显示了用于第一代(1G)和第二代(2G)乙醇的生产的整合方法的示意图，其包括已产生用于供应全球方法的能量需求的物流和排出物的再利用，显示该整合方法的步骤诸如，清洁(2.1)、预处理(2.2)、酶水解(2.3)、固-液分离(2.4)、发酵(1.1)、经发酵的酒的分离(1.2)、经发酵的酒的分离/脱水(1.3)，另外还有其副产品诸如可发酵糖的溶液(2.5)和乙醇(1.4)。还显示了入口和出口，诸如用于生物质(2)、杂质(5.3)、化学/生物催化剂(2.6)、蒸汽(4.2)、大部分具有5个碳原子的糖(C5)、缓冲剂(2.7)、酶(2.8)、纤维木质素(5.2)、冷凝物(4.3)、二次冷凝液(3)、酒糟(釜馏物)(4.4)、细胞循环(cell recycling)(1.5)、经水解的甘蔗汁的浓缩(1.6)、糖蜜(16°～30°Brix)(1.7)和酒精蒸汽(4.5)。
图4例示了含水酒精的蒸馏方法，其中不考虑能量和排出物的再利用，指明了从酒的进给开始直到得到终产品(含水酒精)的基本物流和设备。此外，还显示了汽提系统(A)、酒的脱气(A1)、第二代酒精的浓缩(D)、酒精的精馏(B和B1)、热交换器(E、E1、E2、R和R1)、二次冷凝液物流(3)、酒(4.1)、蒸汽(4.2)、冷凝物(4.3)、酒糟(釜馏物)(4.4)、第二代酒精(4.5)和含水酒精燃料(AEHC)。
图5是第二代(2G)乙醇的制备方法的简易流程图，其中不靠率能量和排出物的再利用。该流程图显示了从生物质的进给直到得到可发酵糖(主要为葡萄糖)溶液的基本物流和设备，还有用于分离糖的系统(S1和S2)、处理水(1)、生物质(2)、低压蒸汽(5.1)、“闪蒸”蒸汽(6)、C5和C6物流、纤维木质素(5.2)、冷凝物(4.3)和杂质(5.3)。
图6显示了根据本发明的用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统，包括根据本发明的能量和排出物的再利用。该图显示了基本、优选和任选的物流及设备，指明了在第二代乙醇生产工厂和含水静静生产工厂之间用于能量和排出物的再利用的整合点。
具体实施方式
所有技术术语和表达式具有本发明所属领域技术人员所通常理解的相同含义。尽管与本文所述者相似或相同的方法及材料可用于本发明的实施或测试，就此而言被视为适当的方法和材料如本文下面所述。因此，本文所引用的术语可能在不同单位、工业或国家上存在区别，但尽管如此本发明的技术概念和范围应保持有效。此外，本文中所阐述的材料、方法和例子相对于本发明意图为说明性而非限制性的。
用于乙醇生产(例如，从甘蔗)的第一代和第二代方法的组合允许得到最终更大量的这种生物燃料而不会由此导致栽种原料体积的增大或重质面积的任何扩大。本发明提供了用于从木质纤维素生物质(特别是甘蔗渣和来自甘蔗植物的秆，然而不限于此)生产乙醇、常规生物燃料和/或多种化学品(溶剂、酸、聚合物等)的第一代(1G)和第二代(2G)技术的排出物再利用和能量整合的形式。
为本申请的目的，整合点涉及如下点：于该处1G和2G方法可通过1G和2G乙醇生产工厂之间的能量和/或排出物物流的回收和利用而被连结。
第一代和第二代乙醇生产工厂
要与第一代(1G)工厂整合的第二代(2G)乙醇生产工厂基本可通过图1中所例示的步骤表达。
对于本申请，术语“生物质”可包括任何非化石有机材料，即，并非衍生自生物有机体者，无论是活的还是死的。如本文所用的，术语“生物质”具体是指源于植物的纤维或木质纤维素生物质，并且包括纤维素，还任选包括半纤维素、木质素、淀粉、寡聚糖和/或单糖。生物质可源于一种单独的来源，或者可包括源于多于一种来源的混合物。例如，生物质可包括不同植物品种和/或植物不同部分的材料的混合物。生物质包括但不限于生物能量谷物、农业和林业残余物。生物质的例子包括但不限于源于选自以下的植物的植物材料：甘蔗、玉米、大豆、高粱、粟、黑麦、小麦、黑小麦、燕麦、大麦、水稻、苜蓿、狼尾草、芒草棉，龙舌兰，大麻，黄麻，桉树，松树，柳树，烟草，苜蓿，竹，麻，红薯，马铃薯，木薯，山药，甜菜和油菜。在一个优选实施方式中，生物质包括甘蔗渣和/或甘蔗秆。
首先，到达该工艺的生物质可经历清洁或调理步骤以去除可能存在于材料中的植物或矿物杂质。该操作虽然是任选的，但非常相关，因为其直接影响将会实际处理的原料的最终品质，特别是由于其延长了已安装设备的可用寿命，因为其基本上最小化了与磨损(其可归因于例如沙子和石头的存在)相关的损害，尤其是当材料为机械收割时。因此，生物质的清洁构成了2G乙醇生产工艺的第一个步骤，其可使用多种不同技术(单个操作)进行：即，过滤、倾析、浮选、衬垫、磨碎、过滤后清洗、筛分和干法清洁等，但不限于此。
在工艺的第二个步骤中，生物质(经或未经清洁和调理的)经历预处理，其目的在于分离生物质的三种主要(最大)部分并溶解非纤维素组分(主要为半纤维素)以促进对纤维素酶的易接近性，所述纤维素酶主要负责在后续的水解步骤中将纤维素分子破坏为(单体)葡萄糖。该分离/溶解过程因化学剂(例如酸和碱)和/或生物剂(例如酶、微生物)的作用发生，并且通常在分别为150℃～225℃和12bar～25bar范围内的温度和压力操作条件下进行。
在进行有效预处理的许多方式中，以下显示为最满意的选择：蒸汽爆炸(与蒸汽一起爆炸)、热水(热水解)、湿法碱式氧化、湿法碱式过氧化物氧化、氨纤维氧化(AFEX)、氢氧化钠纤维氧化(SHFEX)、CO2爆炸和超临界CO2。通常，这些方法使用水蒸汽、稀硫酸、稀磷酸、氨、氢氧化钙(“石灰”)和二氧化硫(SO2)。
当预处理步骤结束时(无论选择何种技术用于该目的)，经预处理的材料可遵循总计两种途径发展通过该工艺：1)其可被直接进给到水解步骤，或2)其可经历固-液分离操作，由此分离因半纤维素的溶解产生的戊糖溶液(通过，例如，压缩、离心、过滤后清洗、倾析后清洗、蒸发后清洗等，但不限于此)，剩余的纤维(纤维素+木质素)被送往后面的水解步骤。这是在直接成本方面最相关的操作步骤之一，此外还显著影响之前和之后的工艺步骤的成本。
在酶水解步骤中，预处理之后(无论使用何种方法用于该目的)留在纤维中的纤维素通过名为纤维素酶的酶“池”被转化为葡萄糖。该水解过程通常在缓冲介质中发生。
酶水解过程可在选自以下的任何结构中发生：SHF(独立的酶水解和发酵)、SSF(同时的酶水解和发酵)、SSCF(同时的酶水解、发酵和共同发酵)、CBP(同时的酶产生、水解和发酵)、SEPHY(独立于发酵的酶产生和酶水解)以及这些的组合。
当水解步骤结束时，将包含可发酵糖(C6)的水解液体与残余的固体成分分离。该成分在本文中称为纤维木质素，并且基本由浓缩木质素和未在水解过程中转化的纤维素组成。通常，在该工艺步骤中，可使用固-液分离技术，诸如，过滤(使用或不用真空)、离心、蒸发和倾析等。在分离之后，水解液体前进到发酵，或者可用作生产多种产物的原料，诸如，燃料、有机酸、溶剂和/或HMF(5-羟甲基糠醛，一种通常用于生产软化剂、润滑剂、化学产品和聚合物等的化合物)。在这种可能性中，可在有或没有细胞循环(cell recycling)的情况下以连续模式、半连续模式(分批进给)或不连续模式(分批)操作。
现在安装在巴西工厂中的工业基地使用甘蔗通过以下方法生产糖和乙醇，该方法已经共享了一些操作，诸如，例如，甘蔗的清洗(用水或干法清洁)、准备用于磨碎或分散的甘蔗、甘蔗汁的提取(其可通过磨碎或分散进行)和由此得到的液体的提纯/处理。以类似方式，还可以回收木质纤维素残余物，特别是甘蔗渣和秆，以便通过在与现有设备完全整合的情况下处理这些生物质，尤其是针对能量组织。在图3中，描绘了用于第一代和第二代乙醇的整合生产的方法的示意图，其目的在于在两种过程(能量回收和排出物的再利用)的多个操作之间的完美整合。
在此背景下，本发明涉及一种用于乙醇(1G+2G)及类似产品的整合生产的系统和方法，包括两种方法之间的能量整合和排出物整合，并且在原料、蒸汽、电能和处理水的使用中提供了提高的效率。
用于第一代和第二代乙醇的生产的整合方法
本发明提供了一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的方法，其广义上包括以下步骤：
i)预处理生物质；
ii)将经预处理的生物质酶水解；
iii)将包含可发酵糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)分离；
iv)将步骤iii)中得到的溶液与甘蔗汁和/或糖蜜的糖共同发酵；
v)分离经发酵的酒；
vi)将步骤v)中产生的乙醇分离/脱水。
任选地，在上述步骤i)之前，生物质可进行清洁。在一个实施方式中，根据本发明的方法的第一个步骤包括使用“TL”清洁系统清洁原料，其目的在于去除杂质和使生物质均匀化以使其更容易用于后面的化学和/或生物处理，以及保护设备免于遭受因矿物杂质的存在所导致的可能的机械磨损。如本领域技术人员所知的，该系统可显示多种结构，可包括多种设备单元，并且可利用多种概念来分离杂质和使原料适合于后续处理的条件。在可能的清洁系统领域中，存在以下技术方案：使用罐或等同容器，用干净的水和搅拌装置来去除杂质和使生物质均匀，如图6中所描绘的。在本发明的一个实施方式中，清洁使用来自，诸如，例如，二次冷凝液物流(3)的水进行(参见图6)。
以下步骤包括生物质的化学和物理改变，又名预处理，伴有半纤维素部分的溶解。在该步骤中，高-压蒸汽或低-压蒸汽被进给到包含可用或未用催化剂浸渍的生物质的预处理反应器(通常名为蒸汽爆炸的过程)中。任选地，可使用化学催化剂(例如酸和碱)和/或生物催化剂(例如酶、微生物)。
在本发明范围内，典型的酿酒厂物流和/或排出物可用于该工艺步骤，其贡献于整合的1G/2G方法的能量优化和提供明显的环境利益。例如，生物质可用来自存储于热回收系统“RF”中的蒸汽的蒸汽进行处理。在停留所需时间之后，经处理的生物质被送往“闪蒸”罐“TF”。在该步骤中产生的蒸汽不含生物质颗粒，其全部或部分用作加热第二代乙醇生产方法的内部物流的加热源，如本申请所公开的那样。随后，经预处理的生物质被送往分离系统“S1”(通过过滤、离心、通过扩散提取等)以回收已在预处理过程中溶解的源于半纤维素的C5糖。在一个实施方式中，分离可使用一部分二次冷凝液物流(3)作为热水源发生(参见图6)。
继续工艺步骤，经预处理的生物质被送往酶水解系统“RH”，其中纤维素通过不同方法被大部分转化为葡萄糖，所述不同方法可包括复合和/或多相技术。水解过程通常在缓冲介质中和受控温度下发生。
在本发明范围内，介质缓冲的一个替代性实施方式为在木质纤维素生物质的糖化中使用酒糟(釜馏物)或来自发酵酒(无论其来源或表现形式–粗品、过滤品、浓缩品等)的蒸馏的任何其它残余物，这证实了与常规方法相比较的多个优点。这样的再利用代表了1G和2G方法之间的可能的整合点。与在本文所提出的方法中使用酒糟(釜馏物)相关的一些竞争性优点如下：在生物质(无论是否经过预处理)的酶水解步骤中水消耗的显著经济性，这是因为酒糟(釜馏物)可进一步取代该特定步骤中所需的所有水；2)与获得用于缓冲介质(pH控制)的化学品输入相关的成本的显著降低(更易承受的成本)；3)反应介质的缓冲(其中发生了木质纤维素生物质的糖化)的高效性；4)在工业环境中此物质本身有大量可用，这是因为对于所产生的每升乙醇，产生了约10～12升酒糟(釜馏物)；5)富含氮(其组成中高达1g/L的总氮)，这是与发酵过程非常相关的大量营养剂；和6)满足环境需求，这是因为其允许具有高生化耗氧量(BOD)的“残余物”在工艺中被再利用，避免了土壤和地下水的污染。在木质纤维素生物质的酶水解工艺中用作缓冲剂的酒糟(釜馏物)如以下专利申请中所述：该专利申请的申请人是Centro de TecnologiaCanavieira–CTC，按时提交给INPI[Brazilian Patent and TrademarkOffice(巴西专利商标局)]，申请号PI 1101295-1。
关于温度，本发明的一个实施方式涉及二次冷凝液物流(3)、来自the酒精精馏塔的含水酒精蒸汽物流(4)和/或酒糟(釜馏物)物流(5)作为热源的应用(参见图6)。
在水解中产生的糖(C6糖的溶液)的分离在“S2”系统中进行，其中可使用多种技术，如同本领域技术人员所知的那样(过滤、离心、压缩等)。在一个实施方式中，分离可使用一部分二次冷凝液物流(3)作为热水源(图6)进行。来自该步骤的固相可被送往锅炉(boiler)或分配用于其它商业目的，同时根据本发明的一个优选实施方式，水解液体被直接送往1G工厂的发酵段(以稀释或浓缩形式)，如图2中所示。
在构成本发明目标的方法的范围内，水解液体向常规发酵的进给代表1G和2G方法之间的另一个整合点。在巴西糖和酒精工厂的特定情况中，水解液体用于稀释糖蜜，从而部分或完全取代在该操作中使用的水，直到达到10°Brix～50°Brix之间的浓度，更优选16°Brix～30°Brix。在自治酿酒厂中，上面提及的水解液体应在被送往发酵步骤之前进行蒸发。
因此，可发酵糖(无论是来自生物质水解的那些还是来自甘蔗汁/糖蜜的那些)可通过使用安装在工业单元中的基础设施和相同微生物进行发酵(图2)。在该发酵过程中，可使用或不使用细胞循环和以连续模式、半连续模式(分批进给)或不连续模式(分批)操作。在一个实施方式中，工艺温度可使用一部分存储在热回收系统中的物流(在容器RF中产生的蒸汽物流7，和/或二次冷凝液物流(3))保持在最佳范围，如图6中所示。
在发酵之后，必须经历固-液分离过程，其中发生了经发酵的酒与工艺中所用的生物质(酵母)的分离。通常该分离过程通过离心发生，尽管其它方法同样可用于该目的；且细胞的循环可发生或不发生。随后，将酒送往蒸馏系统以得到终产物，产生酒糟(釜馏物)作为“副产物”。
该步骤在图3中阐述，其中酒中所含的酒精浓缩直到接近共沸点，这是因为乙醇-水是不理想的混合物(non-ideal mixture)。
在含水乙醇生产单元中最常发现的常规过程包括5个塔的使用：A、A1、D、B和B1，如图4中示意性所绘的。在这些塔中，包括塔A、A1和D的组被称为汽提系统(A)、酒脱气(A1)和第二代酒精浓缩(D)。另一方面，塔B和B1被最广泛地称为酒精精馏塔。
塔(A)的功能是从酒中抽取挥发性较高的物质和其中溶解的气体，以及完成进料物流的加热。将酒进给到塔A1顶部，并且从塔A的顶部抽取乙醇质量浓度为约40％的稠液(phlegm)。将塔A1的顶部物流送往塔D，其中发生了酒中存在的挥发性最高的物质的浓缩。来自塔D的塔顶的蒸汽在交换器R和R1中冷凝，其中一部分作为回流返回进给到塔D的顶部，另一部分作为第二代酒精被抽取。从塔A的底部抽取名为酒糟(釜馏物)的物流，尽管目前其仅作为肥料使用，但在本发明的范围内发现了更有价值的应用。来自塔A的稠液以蒸汽相进给到塔B，在这里去除了一些杂质，诸如，杂醇油。在该塔中，稠液被被浓缩，直到达到92.3乙醇质量％的最大浓度。在塔B顶部得到的蒸汽在交换器E中被部分冷凝，其中发生了用于加热酒的热的部分回收，随后剩余的蒸汽在交换器E1和E2中冷凝。塔B1的底部产物被称为二次冷凝液，并且应包含至多0.02质量％的乙醇。蒸馏酒和精馏酒精所需的蒸汽在塔A和B1的底部供应。蒸汽可通过喷涌(spurting)直接注入塔基(base of column)(当使用甘蔗汁蒸汽(0.8bar)时这是典型方案)，或者通过应用用于逸出蒸汽(1.5bar)的热交换器进行间接交换。
在本发明中，提出了用于回收“闪蒸”蒸汽物流(6)中可用能量的系统(如图6所示)用于提供第一代(1G)乙醇的生产中所需的部分或全部能量的应用。热回收系统RF基本由以下组成：热交换器、分离容器、控制系统以及所述系统的连续和稳定操作所需的其它附件。图6的在所述的RF系统中产生的物流7和10可用于补充工业中已存在的蒸汽网络，或者可通过热交换器的方式或通过直接注入独立地用于现有设备中。根据本发明的RF系统可在0.5～5bar的宽压力范围内运行，更优选在0.8～1.5bar范围内。
在蒸馏塔A和B1的基部供应的能量通过对来自发酵的酒进行预处理而被部分再利用。该热整合回收了精馏塔B的塔顶物流中的平均40％的可用能量。因此，约60％的能量通过冷却系统被传递到冷却水并随后传递到环境中(参见图4)。
如本发明中所公开的，一部分来自精馏塔B顶部的物流将被送往水解系统(RH)作为加热内部物流和将水解反应(RH)的温度保持在最佳水平的热源(参见图6)。
如图4中所示，酒糟(釜馏物)物流(4.4)和二次冷凝液(3)在常规方法中并未使用，而是被送去用于甘蔗栽培作为灌溉施肥(在巴西的情况中)，或者在对酒精(釜馏物)用作肥料存在适当限制的国家中被蒸发。在本发明中，二次冷凝液物流(3)(也如图6中所示)可用作用于生物质清洁步骤(TL)、从经预处理的生物质提取半纤维素的步骤(S1)、从纤维木质素滤饼提取葡萄糖的步骤(S2)、修正水解系统(RH)中固含量的步骤中的干净热水的来源和/或作为RF系统中的补充水。
另外，本发明可通过文件号[BR]PI 1101295-1进行补充，其中酒糟(釜馏物)物流用作生物质的酶水解反应中的缓冲剂。
因此本发明提供了整合的1G/2G方法的运行成本降低和可用自然资源的合理和有效的利用。其应用是直接的，并且其不限于包括本文下面所述步骤(尽管不限于此)的1G/2G乙醇生产方法：
i)通过蒸汽任选使用酶和/或化学品对生物质(干净或否)进行预处理，其中一部分所述蒸汽被存储在热回收系统中；
ii)通过本领域已知方法(诸如压缩、离心、过滤后清洗、离心后清洗、倾析后清洗、蒸发后清洗等)分离预处理中产生的糖(主要是具有5个碳原子的糖–C5)，使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)，如图6中所示；
iii)将经预处理的生物质进行酶水解，使用一部分二次冷凝液物流(3)；来自酒精精馏塔的含水酒精蒸汽物流(4)和/或酒糟(釜馏物)物流(5)作为加热源(参见图6)；
iv)使用本领域已知方法(诸如，压缩、离心、过滤后清洗、离心后清洗、倾析后清洗、蒸发后清洗等)将含有所需的糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)分离，使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)，如图6；
v)将步骤“iv”中得到的糖溶液与甘蔗汁和/或糖蜜共同发酵，使用一部分存储在热回收系统中的物流(容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))，如图6中所示；
vi)将经发酵的酒通过离心和/或其它固-液分离方法分离，使用使用一部分存储在热回收系统中的物流(在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))，如图6中所示；
vii)将发酵中产生的乙醇分离/脱水，使用一部分存储在热回收系统中的物流，优选在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)(参见图6)。
任选地，在上述步骤i)之前，可通过使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行生物质的清洁。
上述热回收系统可接收、存储和供应第一代(1G)乙醇生产中所需的一部分或全部能量。图6的热回收和再利用系统(RF)可由以下组成：热交换器、分离容器、控制系统以及其连续和稳定运行所需的其它附件。其优选在0.5～5bar的宽压力范围内运行，更优选在0.8～1.5bar范围内。
在一个实施方式中，蒸馏是在乙醇生产工厂中通常用于蒸馏去酵母酒(de-leavened wine)以生产酒精(含水和无水)的方法，最常用于含水和/或无水酒精生产单元中的这类方法结构如图4所示，通过项目A、A1、D、B和B1。
用于第一代和第二代酒精的整合生产的系统
根据本发明的1G和2G方法之间的整合通过利用在1G乙醇生产方法中产生的物流和/或排出物供应2G乙醇生产中的部分或全部能量或排出物需求而发生，反之亦然，其目的是从供应到工业中的相同量的生物质得到最大化的生物燃料生产。
因此，本发明的一个其它目标包括提供一种用于1G和2G乙醇的整合生产的系统，其允许再利用1G乙醇生产方法中存在的物流和/或排出物以供应2G乙醇生产工厂的一部分能量需求，反之亦然，从而提供可用自然资源的合理和有效利用，以便从供应到工业的相同量的生物质得到最大化的生物燃料的全球生产。这样的系统包括以下整合点，如图6中所示：
i)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为热水源以便在容器(RF)中产生蒸汽；
ii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为热水源以用于(S1)和(S2)中的分离和回收系统；
iii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为热水源以用于控制酶水解步骤中的固含量；
iv)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为热水源以用于直接或间接加热酶水解反应器(RH)；
v)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为热水源以用于清洁进给到工艺中的生物质；
vi)使用来自精馏塔(B和/或B1)顶部的蒸汽相的酒精物流(4)作为加热源以用于生物质水解反应器；
vii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为直接或间接加热源以用于生物质水解反应器(RH)；
viii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为缓冲溶液源以用于控制酶水解反应的pH；
ix)使用在生物质预处理之后产生的“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量以便在容器(RF)中产生蒸汽；
x)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)以提供用于操作汽提塔A和脱气塔A1以及用于操作精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的能量；
xi)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)作为直接或间接加热源以用于生物质水解反应器；
xii)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)作为直接加热源(例如，喷涌(物流8))以用于塔A、A1、B和B1的底部；
xiii)当通过间接交换回收能量时使用来自蒸汽物流(7)的全部或部分冷凝物的返回流以用于蒸汽容器RF；
xiv)使用处理水物流(9)用于在RF容器中产生蒸汽；和
xv)使用容器(RF)中产生的蒸汽物流(10)提供用于预热反应器(RPT)或其等同设备的进给物流的能量。
上述连接点可全部使用以实现1G和2G乙醇的整合生产方法，并且正如本领域技术人员所容易注意到的和取决于乙醇生产工厂自身的工厂结构，其可以使用上面列出的整合点的组合。
因此，根据本发明的系统额外包括以下项目(参见图6)：
i)至少一个用于连接容器(TF)出口和蒸汽容器(RF)入口的装置；
ii)至少一个用于连接精馏塔(B和/或B1)出口和蒸汽容器(RF)的装置；
iii)至少一个用于连接精馏塔(B和/或B1)出口和(S1)和(S2)中的分离和回收系统的装置；
iv)至少一个用于连接精馏塔(B和/或B1)出口和水解反应器(RH)和/或生物质清洁系统(TL)的装置；
v)至少一个用于利用工厂中可用的处理水在容器(RF)中产生蒸汽的装置；
vi)至少一个用于连接蒸汽容器(RF)出口与汽提塔A和脱气塔A1和精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的装置；
vii)至少一个用于连接蒸汽容器(RF)出口和反应器(RPT)或其等同设备的装置；
viii)至少一个用于连接蒸汽容器(RF)出口和水解反应器的装置；
ix)至少一个在通过间接交换回收能量时用于将蒸汽物流(7)的冷凝物返回到蒸汽容器RF的装置；和
x)至少一个用于采用来自精馏塔(B和/或B1)的蒸汽相的酒精物流(4)作为加热生物质水解反应器的加热源的装置；
以及上面所述元件的一部分的组合。
所述“装置”理解为但不限于以下设备，诸如，以其各种结构的壳管式和/或板式热交换器，诸如，例如，热虹吸式、“降膜式”和其它类型，以便通过间接交换回收在生物质预处理之后产生的“闪蒸”蒸汽物流(6)中和来自精馏塔(B和/或B1)顶部的蒸汽相的酒精物流(4)中所含的能量。此外，在用于产生蒸汽的容器(RF)中使用仪表和控制，诸如优选以下设备：压力控制器、液面控制器、流量和/或温度控制器。
本文上面所述的元件可全部或部分组合，如同本领域技术人员容易意识到的那样，这取决于何者是最适合用于乙醇生产工厂自身结构的。
在图6中，图示了本申请中提出的系统，显示了上面所述的整合的1G/2G方法的物流和整合点。
本发明通过下面所述的仅为揭示性和非限制性的实施例进一步说明。
实施例1
“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量通过以下方式被再利用以便在容器(RF)中产生蒸汽：使用一个或多个交换器通过间接交换回收在通过蒸汽爆炸或其它技术对生物质进行预处理之后产生的“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量。所用的交换器为壳管式和/或板式，其可为各种结构的，诸如，热虹吸式，“降膜式”等，以便通过间接交换回收“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量。在等同实施方式中，可使用一个或多个蒸汽容器(RF)以便由从“闪蒸”蒸汽物流(6)回收的能力生产蒸汽。
根据排出物再利用的概念，在用于清洁发酵器之后，来自精馏塔(s)B和/或B1或其等同设备的二次冷凝液物流(3)可用作用于在蒸汽容器(RF)中产生蒸汽的水源。
另外，可使用用于锅炉的处理水或任何类型的加热蒸汽冷凝物(在流程图中标识为物流9)作为用于在蒸汽容器(RF)中产生蒸汽的水源。
在本文所述方案中，使用用于蒸汽容器(RF)的工艺变量(诸如：压力、液面、流量和温度)的仪表和控制系统。
在容器(RF)中产生的蒸汽提供了本文设置的多个步骤中所需的部分或全部能量，其在本文中标识为，例如，为第一代乙醇生产单元供应能量的物流(7)，或者用于加热预处理系统(RPT)的物流的被标识为物流(10)的物流，如图6中所示。
在该具体实施例中，物流(7)用作部分或全部用于第二代乙醇生产单元的加热源，并且供应用于操作汽提塔(A)和脱气塔(A1)所需的部分或全部能量。
图6的示意图提供了以其各种结构的壳管式交换器(诸如，热虹吸式和“降膜式”等)用于通过间接交换回收“闪蒸”蒸汽物流7中所含的能量的应用，其提供了操作汽提塔A和脱气塔A1或其等同设备所需能量的一部分或全部。在本发明的结构中，也可使用板式交换器通过间接交换回收“闪蒸”蒸汽物流7中所含的能量，其提供了操作汽提塔A和脱气塔A1所需能量的一部分或全部。
本实施例还提供了蒸汽物流(7)直接喷涌用于提供操作汽提塔A和脱气塔A1所需能量的一部分或全部的应用。
在本实施例中，在容器(RF)中产生的物流(7)用于提供操作精馏塔B和/或B1或其等同设备所需能量的一部分或全部。
在本文所公开的实施例中，使用了以其各种结构的壳管式交换器，诸如，热虹吸式和“降膜式”等，以便通过间接交换回收“闪蒸”蒸汽物流7所含的能量，其提供了操作精馏塔B和/或B1或其等同设备所需能量的一部分或全部。
如上所述的能量回收还可通过以其各种结构的板式交换器的方式进行，所述板式交换器用于通过间接交换回收“闪蒸”蒸汽物流(7)中所含的能量，其提供了操作精馏塔B和/或B1或其等同设备所需能量的一部分或全部。
图6的示意图还提供了蒸汽物流(7)直接喷涌以提供操作精馏塔(B和/或B1)所需能量的一部分或全部。
在本文所述的方法结构中，当通过间接交换回收能量时，来自蒸汽物流(7)的一部分或全部冷凝物返回到蒸汽容器(RF)。
根据图6的模型，来自精馏塔(B和/或B1)或在用于清洁发酵器之后的二次冷凝液物流(3)用作热水源以用于生物质清洁系统(TL)，无论在清洁系统中采用何种技术、设备和结构。
该方案还提供了壳管式、板式或任何间接热交换系统的交换器(在图6中列为(TC1))用于控制生物清洁系统(TL)入口处的二次冷凝液物流(3)的温度的应用。
在所提出的实施例中，来自精馏塔(B和B1)或其等同设备的二次冷凝液物流(3)在用于清洁发酵器之后被用作热水源以用于经预处理的生物质的物流(C5)的分离和回收系统(在图6中被列为(S1))，无论在该分离和回收系统中采用何种技术、设备和结构。
为保证系统(S1)的正确性能，使用了壳管式交换器、板式交换器或任何其它间接热交换系统(在图6中列为(TC5))以调节二次冷凝液物流(3)在其进入系统(S1)处的温度。
根据图6中所提出的结构，来自精馏塔B和/或B1或其等同设备的二次冷凝液物流(3)在用于清洁发酵器之后用作热水源以用于木质纤维素滤饼的(C6)的物流的分离和回收系统，其在图6中列为(S2)。
本实施例提供了壳管式、板式交换器和任何间接热交换系统(在图6中列为(TC6)用于调节二次冷凝液物流(3)在其进入系统(S2)处的温度的应用。
来自精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的二次冷凝液物流(3)在用于清洁发酵器之后用作热水源以用于水解反应器(在图6中列为(RH))，无论在该生物质水解系统中所用的技术、设备和结构如何。
根据本发明的结构，壳管式、板式交换器或任何用于间接热交换的系统(在图6中列为(TC8))用于调节二次冷凝液物流(3)在其进入系统(RH)处的温度。
图6中描述的方案采用来自精馏塔(B和/或B1)顶部或其任何等价物的蒸汽相的酒精物流(4)作为生物质水解步骤中的加热源。
在该热回收点处，使用了壳管式、板式交换器或任何用于间接热交换的系统(在图6中列为(TC3))以回收物流(4)中所含的能量，其供应了加热水解系统(RH)所需的能量，直到达到最佳工艺温度，无论在该用于生物质水解的系统中所用的技术、设备和结构如何。
在图6所阐述的系统中，使用了仪表和控制系统以读取和控制精馏塔(B和/或B1)中的工艺变量，诸如，压力控制、流速控制和温度控制，以便稳定和控制本发明中提出的能量回收系统。
实施例2
该实施例例示了代表本发明实际应用的可能的系统实施方式。
将清洁系统(TL)进给以50吨/天的生物质，后者包含约2～15wt％的杂质。该物流可作为任何比例的甘蔗渣和杆的组合物存在。在生物质进给的同时，将约5m3[立方米]/小时的二次冷凝液(3)以连续模式进给到系统(TL)。二次冷凝液将在30～105℃的温度范围内使用，更优选在85℃～100℃范围内。
随后在该方法中，将经清洁和均匀化的生物质使用来自蒸汽回收系统(RF)的物流(10)预处理到80～150℃范围内的温度。在预处理系统(RPT)之后，将生物质在“闪蒸(flash)”系统(TF)中迅速减压，使压力在26bar到大气压范围内变化。在该步骤中，产生了压力可在0.5～5bar范围内变化的蒸汽物流(6)，并将其进给到蒸汽回收系统(RF)中。系统(RF)的操作可在于0.5～6.0bar之间变化的压力范围内发生，优选于1.5bar的压力发生。在该实施例中，约1.0吨/小时的蒸汽在系统(RF)中产生，这相当于在反应器(RPT)中使用的蒸汽的40％。这种产生的蒸汽的一部分(约80％)将通过物流(7)的方式用于酒精蒸馏步骤中，所述物流(7)在0.5～3.0bar的压力范围内。一部分二次冷凝液物流(3)(约1.5m3[立方米]/小时)用于将系统(RF)的操作容积维持在50～105℃的温度范围内。
在预处理之后，将生物质进给到分离系统(S1)中，其中将半纤维素的溶解部分与纤维素纤维相分离。在该步骤中，将约10m3[立方米]/小时的来自蒸馏的二次冷凝液在50～105℃的温度进给到分离系统(S1)中。
在以下步骤中，将约2.0吨/小时的与半纤维素部分相分离的已处理生物质进给到水解反应器(RH)中。为确保反应器的操作处于酶反应的最佳温度(其可在35～70℃的范围内变化)，使用约5.0吨/小时的物流(4)，其构成来自精馏塔“B“顶部的酒精蒸汽的一部分。通过添加二次冷凝液(3)和酒糟(釜馏物)(5)将反应器中悬浮液的固含量保持在8～40％的范围内。当水解反应完成时，将反应介质进给到分离系统(S2)中，其中将葡萄糖部分与木质素部分和未反应的纤维素部分相分离。存在于该步骤中产生的纤维木质素滤饼中的葡萄糖将与约50m3[立方米]/小时的来自物流(3)的二次冷凝液一起转移。葡萄糖物流在图6中标识为C6，其被送去发酵。
从本文公开内容可理解的是，本发明的使用在经济上是令人感兴趣的，这是因为其允许优化已存在的第一代和第二代乙醇生产设备或者其可应用于新计划中以减少设备的操作成本。此外，应理解本发明包含在本专利申请所述者之外的其它形式和实施方式。

Claims (13)

1.一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的系统，其特征在于包括以下整合点：
i)使用源于精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为在容器(RF)中产生蒸汽的热水源；
ii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为(S1)和(S2)中的分离和回收系统的热水源；
iii)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为在酶水解步骤中控制固含量的热水源；
iv)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为直接或间接加热酶水解反应器(RH)的热水源；
v)使用来自精馏塔(B和/或B1)的二次冷凝液物流(3)作为在生物质进入工艺的入口处清洁该生物质的热水源；
vi)使用来自精馏塔(B和/或B1)顶部的蒸汽相的酒精物流(4)作为生物质水解反应器的加热源；
vii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为生物质水解反应器(RH)的直接或间接加热源；
viii)使用酒糟(釜馏物)物流(5)作为控制酶水解反应中的pH水平的缓冲溶液源；
ix)使用在生物质预处理之后产生的“闪蒸”蒸汽物流(6)中所含的能量在容器(RF)中产生蒸汽；
x)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)提供操作汽提塔A和脱气塔A1以及精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的能量；
xi)使用在蒸汽容器(RF)中产生的源于物流(7)的蒸汽物流(11)作为生物质水解反应器的直接或间接加热源；
xii)使用在蒸汽容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)作为塔A、A1、B和B1底部的直接加热源，即，喷涌(物流8))；
xiii)当通过间接交换回收能量时，将蒸汽物流(7)的全部或部分冷凝物的回流用于蒸汽容器RF；
xiv)使用处理水物流(9)在RF容器中产生蒸汽；和
xv)使用在容器(RF)中产生的蒸汽物流(10)提供预热反应器(RPT)或其等同设备的进料物流的能量；
以及它们的组合。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括以下元件：
i)至少一个连接容器(TF)出口和蒸汽容器(RF)入口的装置；
ii)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口和蒸汽容器(RF)的装置；
iii)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口和(S1)和(S2)中的分离和回收系统的装置；
iv)至少一个连接精馏塔(B和/或B1)出口与水解反应器(RH)和/或生物质清洁系统(TL)的装置；
v)至少一个利用工厂中可用的处理水在容器(RF)中产生蒸汽的装置；
vi)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口与汽提塔A和脱气塔A1以及精馏塔(B和/或B1)或其等同设备的装置；
vii)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口与反应器(RPT)或其等同设备的装置；
viii)至少一个连接蒸汽容器(RF)出口与水解反应器的装置；
ix)至少一个在通过间接交换回收能量时将蒸汽物流(7)的冷凝物返回到蒸汽容器RF的装置；和
x)至少一个采用来自精馏塔(B和/或B1)的蒸汽相的酒精物流(4)作为加热生物质水解反应器的加热源的装置；
以及它们的组合。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述装置包括壳管式和/或板式热交换器。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于在容器RF中使用仪表和控制。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述仪表选自压力控制器、液面控制器、流速控制器和温度控制器。
6.一种用于第一代和第二代乙醇的整合生产的方法，其特征在于包括以下步骤：
i)预处理生物质；
ii)将经预处理的生物质酶水解；
iii)将包含可发酵糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)分离；
iv)将在步骤iii)中得到的溶液与甘蔗汁和/或糖蜜的糖共同发酵；
v)分离经发酵的酒；和
vi)将步骤v)中产生的乙醇蒸馏/脱水。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
i)生物质的预处理使用蒸汽进行，其中在该操作中采用的部分能量通过热回收系统被再利用；
ii)预处理中产生的糖的分离使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器清洁的二次冷凝液物流(3)进行；
iii)经预处理的生物质的酶水解使用作为加热源的二次冷凝液物流(3)、来自酒精精馏塔和/或来自酒糟(釜馏物)物流(5)的含水酒精蒸汽物流(4)进行；
iv)包含所需糖的溶液与残余的富木质素纤维(纤维木质素)的分离使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行；
v)发酵使用一部分存储在热回收系统中用于清洁、灭菌、冷却或这些操作的组合的物流(在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))进行；
vi)经发酵的酒的分离使用一部分存储在热回收系统中用于清洁、灭菌、冷却或这些操作的组合的物流(在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7)和/或二次冷凝液物流(3))进行；
vii)乙醇的蒸馏/脱水使用一部分存储在热回收系统中的物流(优选在容器(RF)中产生的蒸汽物流(7))进行。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于任选包括在预处理步骤i)之前清洁生物质的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述清洁使用一部分来自精馏塔(B和/或B1)和/或发酵器的清洁的二次冷凝液物流(3)进行。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤v)中，糖蜜用经水解的甘蔗汁稀释，直到其达到介于10°Brix～50°Brix之间的浓度。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述热回收系统包括热交换器、分离容器、控制系统以及其连续稳定操作所需的其它附件。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤i)还可使用化学或生物催化剂发生。
13.整合点用于第一代和第二代乙醇的整合生产的应用，其特征在于所述整合点如权利要求1中所定义。
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