CN105073957A - 纤维素生物燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了使用单一纤维素原料或两种或多种不同纤维素原料的组合与淀粉组分生产发酵产物的方法。该方法包括使用分提分离纤维素原料的多个组分，由使用化学品的湿法分提预处理组分，水解和发酵经预处理的原料，从而生产纤维素生物燃料。该方法可包括合并纤维素原料与其他组分至烧煮和/或发酵过程，对合并的组分进行蒸馏和脱水以生产所述生物燃料。该方法还可包括从原料生产全釜馏物流并机械加工该全釜馏物流以生产高价值蛋白动物饲料。

Description

纤维素生物燃料
相关申请的交叉参考
本应用要求2013年3月15日提交的标题为“纤维素生物燃料”的美国临时申请号61/799,942的优先权，其内容通过引用全文纳入本文。
技术领域
本发明的主题涉及处理来自单一原料或来自不同原料组合的组分，具体方法为进行整合至现有设施或针对现有设施改造的多种工艺，并合并这些原料与从现有设施生产的其他组分以生成乙醇、纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料。
背景
美国依赖进口石油来满足运输燃料的需求。为降低对进口石油的依赖，国会通过了能源政策法案以设立可再生燃料标准(RFS)项目。RFS项目包括要求将可再生燃料加入运输燃料。可再生燃料包括基于生物质的柴油、先进生物燃料和纤维素生物燃料。到2022年，环境保护署(EPA)提出通过RFS项目加入360亿加仑的可再生燃料。对于2013年，EPA提出美国使用的全部燃料供应中至少10％来自可再生燃料。例如，预期的纤维素生物燃料体积产量为每年1400万加仑。(EPA-420-F-13-007，2013年1月)。
作为RFS项目的结果，各工厂正评估新的技术以从多种原料生产纤维素生物燃料。纤维素乙醇是一种生物燃料，其通过将纤维素中的糖转化为醇燃料来生成。各工厂正整合新的技术来使用其现有设施生产纤维素生物燃料，具体方法为将纤维素材料和谷物淀粉转化为生物燃料。整合新技术来使用现有设施生产纤维素生物燃料有助于通过利用现有设施中现有管道、储存和加载设备来降低纤维素生物燃料商业生产的成本。
纤维素材料很丰富，因为植物、树木、灌木、草地和其他植物部分(即玉米秸：叶、壳、茎秆、穗轴)中均可见纤维素。纤维素是绿色植物的细胞壁组分。然而，将纤维素材料转化为纤维素生物燃料往往具有难度。难点包括难以释放纤维素材料中的糖；糖的释放生成抑制发酵的副产物；以及难以发酵这些糖。因此，需要以成本节约方式将纤维素原料转化为纤维素生物燃料以满足RFS的要求。
发明内容
本发明描述了一种将多种工艺整合至现有装置系统以提高总产量的方法。该方法包括鉴定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，该现有装置系统包括碾磨工艺、烧煮工艺、发酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺。待整合的各工艺包括：增加分提工艺将分离麸皮(bran)与原料中的其他组分相分离，增加预处理工艺来通过使用水和热分解麸皮中的纤维素和半纤维素，以及增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶水解麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒(cellulosicbeer)。随后，该方法将纤维素啤酒与来自现有装置系统中谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料单位的总产量。
本发明描述了一种处理纤维素原料的方法。该方法包括分提纤维素原料，通过将纤维素原料的组分分成与小颗粒料流分离的大颗粒料流，并通过向罐中的大颗粒料流添加水来对该大颗粒料流进行预处理以生成低固浆料，该低固浆料中固体的百分比占小于约25％。随后，该方法包括将蒸汽直接注入低固浆料以提高该低固浆料的温度，向已加热的低固浆料添加化学品以导致反应区发生；以及水解并发酵该低固浆料以生产纤维素啤酒。
本发明还描述了一种生产发酵产品的方法。该方法包括通过添加热和酸来分解纤维素和半纤维素并使用碱进行中和来预处理纤维素原料，并通过添加酶将纤维素和半纤维素转化为糖来水解预处理过的原料，以及使用生物体发酵该预处理过的原料以生产发酵产品。
提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。要求保护的主题的其他方面和优势会从下文各实施方式的详细描述和附图中显见。
附图简要说明
参考附图列举了详细描述。在各附图中，附图标记最左侧的数字表示该附图标记首次出现的附图号。在不同附图中使用相同的附图标记来表示类似或相同的元件。这些附图不将要求保护的主题限制为本文所述具体实施方式。
图1显示使用干法分提来生产纤维素生物燃料的示例性过程。
图2和3显示干法分提的示例性过程。
图4显示预处理的示例性工艺。
图5显示水解的示例性工艺。
图6显示使用前端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示例性过程。
图7显示前端湿法分提的示例性过程。
图8显示前端湿法分提的另一个示例性过程。
图9显示前端湿法分提的另一个示例性过程。
图10显示使用后端湿法分提以生产纤维素生物燃料和高价值蛋白动物饲料的示例性过程。
图11显示后端湿法分提的示例性过程。
发明详述
概述
本发明描述了使用单一纤维素原料或两种或多种不同纤维素原料的组合以整合至现有设备或针对现有设施改造的过程生产纤维素生物燃料的技术。生产纤维素生物燃料的益处包括温室气体排放(GHG)比新配方汽油降低85％。例如，整合式设计将降低现有设施的生产成本，同时消除向现有设备的直接化石燃料输入。结果是，碳足迹可能是约42gCO2e/MJ乙醇产热。本发明的一个总体预期益处包括加速成本经济型纤维素生物燃料进入市场以减少进口石油的消耗。另一个益处是提高现有装置系统中每原料单位的总产量。
影响生产纤维素生物燃料可能性的变量包括能够整合新技术以降低纤维素生物燃料商业生产的成本。整合式设计的益处包括使用现有道路、人工、水、管道、储存和加载设备，其都是在现有设施中可用的。其他益处包括生成多样化的产品(如热、电力和动物饲料)并减少固体表面上的污垢，这些污垢对于整合式方法的部分功能是有害的。除这些益处以外，所述方法还包括再循环热和电力，提高生物燃料的每原料单位产量，并生产纤维素生物燃料。
这些用于生产纤维素生物燃料的整合式方法包括如何通过使用玉米及其组分的单一纤维素原料，高粱和玉米的单一或合并的纤维素原料，或其他植物部分、纤维素生物质、木本作物、能源作物或其他类型的草本的合并原料来生产发酵产品。这些材料很丰富，因为植物、树木、灌木、草本和其他植物部分(即玉米秸：叶、壳、茎秆、穗轴)均可见。
这些整合式方法包括碾磨或分离原料的组分、使用化学品预处理原料的组分、调节预处理后原料的pH、水解和发酵预处理过的原料以生产纤维素生物燃料。这些方法还可包括将已发酵的原料与原料的其他组分混合以烧煮和/或发酵、蒸馏和脱水发酵后的原料以生产乙醇和纤维素生物燃料。这些方法还可包括生产全釜馏物流(wholestillagestream)并机械加工该全釜馏物流以生产高价值蛋白动物饲料。任意数目的所述工艺可以任意顺序组合以实施本方法或替代性方法。此外，也可以省略一个或多个所提供的步骤。
虽然所述技术的各方面可在任意数目的不同环境和/或配置中实施，但在以下示例性环境中对这些实施进行描述。虽然针对整合式方法描述了这些技术，但可应用这些技术以在现有设施旁设置装置以生产纤维素生物燃料。
说明性环境
图1-11包括显示示例性过程的流程图。这些过程可使用不同的环境和设备进行。该设备不应理解为在其运行过程中必然是顺序依赖的。任意数目的所述工艺或设备件可以任意顺序组合以实施特定方法或替代性方法。此外，还可以省略一个或多个所提供的步骤或设备。
图1显示使用干法分馏来生产纤维素生物燃料、乙醇和动物饲料的示例性概述过程100。这些系列操作可参见工厂的干法研磨过程。例如，以连续方式操作所示过程100。然而，这些纤维素过程可以间歇过程、合并的连续和间歇过程、湿法碾磨过程、改良的干法研磨过程或干法研磨过程来进行。
过程100可接收包括但不限于以下的原料：玉米秸：叶、壳、茎秆、穗轴、高粱、能源高粱、柳枝稷、自用纤维(captivefiber)、生物质、能源作物、木本作物、植物、树木、灌木、草本、玉米籽粒等。这些原料可包括单个类型，合并的两种类型的原料，或者多种百分比范围的任意原料组合或掺混物。工厂对纤维素原料进行加工以将其转化为不同的联合产品，可包括待转化为纤维素生物燃料的麸皮、待转化为基于淀粉和基于发酵的产品(如乙醇、糖浆、食物和工业淀粉)的胚乳、待提取油、食物级蛋白质、用于高纤维动物饲料的饲料和用于高蛋白动物饲料的饲料级蛋白粉的胚芽。其他应用类型包括但不限于生产用于其他应用的化学品等。
出于简洁的目的，将参考图1描述使用单一原料的过程。用于合并的原料的过程类似于图1所述过程。在一个实施方式中，过程100使用玉米(即玉米秸，玉米纤维)以及下文所述技术将生物燃料的产率提高约10％。该原料可含有约83％至约92％的固体，其中主要组分是葡聚糖、淀粉、蛋白质、油和木聚糖。
过程100最初接收原料101，使用干法分提102将原料101的组分分离为麸皮104。例如，如果原料101是玉米，各组分是约5.3％的玉米粒，胚乳106占玉米粒的约82.9％)，胚芽108占玉米粒的约11％，和约1-3％的其他组分。图2和3讨论了干法分提102的细节。将含有纤维的麸皮104与另外的组分：胚乳106、胚芽108和其它组分(其待使用新纤维素技术进行进一步加工)相分离。过程100可将胚芽108传输至玉米油提取装置110以加工为食品级玉米油和残留胚芽。在另一个实施方式中，过程100将胚芽108传输至浆料罐116以进行进一步加工。
回到麸皮104，过程100对麸皮104进行预处理112和水解114。预处理冷凝物可在现有设施中用作烧煮水以减少甘油生产和酵母生产。烧煮用水可用于浆料罐116。这将提高产率约2％。分别根据图4和5讨论预处理112和水解114的细节。在过程100向原料麸皮104提供预处理112和水解114后，该材料可称作水解产物。该水解产物含有可发酵糖和对微生物具有毒性的化合物。过程100将该水解产物输送至浆料罐116。术语麸皮、纤维、原料和水解产物描述用于在整合式方法中进行加工的材料。例如，这些整合式方法可包括分提、预处理112和水解114以处理原料并生成水解产物。预处理112和水解114的工艺可与现有设施连通或整合至现有设施。该整合有助于谷粒转化投资和操作成本。用于这些纤维素过程的设备可包括预处理反应器、厌氧增殖器(anaerobicpropagator)和水解/发酵容器。
过程100可将胚乳106输送至浆料罐116、液化罐120和发酵罐122。过程100将水、酶和胚乳106以及水解产物添加至发酵罐122。在另一个实施方式中，过程100将水、酶和胚乳106以及水解产物添加至浆料罐116(未显示)。合并水、酶、胚乳106和水解产物导致淀粉、胚乳106至乙醇的产量提高以及水解产物至纤维素生物燃料的产量提高。此外，过程100将浆料罐116维持在温度约60至约100℃和停留时间约30至60分钟以将浆料中的不溶性淀粉转化为可溶性淀粉。该浆料可能有约15至30％的已溶解固体含量。浆料罐116中的其他物质可包括糖、蛋白质、纤维、淀粉、胚芽、粗砂、油和盐等，其通常存在于来自农业生产的未加工来料谷粒。现有设施中可存在一个或多个浆料罐。在另一个实施方式中，过程100还将胚芽108添加至浆料罐116。
在一个实施例中，该过程100添加酶，例如低pHα-淀粉酶。该低pHα-淀粉酶将淀粉聚合物分解成小片段，称为糊精。过程100在浆料罐116中将浆料的pH调节至约4至约5(取决于酶类型)。该低pHα-淀粉酶限制了进入浆料罐116的氨含量以最大化用于中和预处理112中预处理后原料的氨含量。此外，该低pHα-淀粉酶提供降粘作用(viscositybreak)，其允许利用较高的固体，进而允许掺混较低固体预处理的水解产物或啤酒。该低pHα-淀粉酶导致淀粉浆料中的流变变化，使其更易泵入各罐中并更易于实现过程100中的化学平衡。
过程100包括烧煮，其中在浆料罐116中加热浆料。烧煮还包括掺混浆料与直接蒸汽以将温度提高至约107℃(225°F)用于灭菌并将闪蒸罐中的温度降低至约85℃(185°F)。烧煮还使淀粉胶化。
过程100具有液化罐120，其中浆液的停留时间为约20至30分钟。过程100将浆料中的淀粉分解为称为糊精的复合糖。液化罐120中的温度可以是约185°F，且pH为5.8。过程100可包括一个或多个液化罐。
在另一个实施方式中，过程100将一部分低pHα-淀粉酶(约2/3)添加至浆料罐116中并将剩余的1/3低pHα-淀粉酶添加至闪蒸罐中(未显示)或液化罐120中。
一些方法可包括任选的喷射烧煮工艺。在使用该喷射烧煮工艺时，喷射烧煮器(未显示)会烧煮浆料。喷射烧煮可在升高的温度和压力下发生。例如，喷射烧煮可在约100至150℃(约212至302°F)的温度和约1.0至6.0kg/cm2(约15至85lbs/in2)的绝对压力下进行5分钟。喷射烧煮是一种用于使淀粉胶化的方法。
过程100在发酵罐122中合并原料麸皮104(其在加工后成为水解产物并继而成为纤维素啤酒)与胚乳106(即淀粉材料)和/或胚芽108。出于多种原因在发酵罐122中将来自水解114的纤维素啤酒与初生淀粉浆料流混合。整合纤维素啤酒与初生淀粉浆料流的一个原因是初生淀粉发酵实现了产量提高以及由于纤维转化为乙醇导致产量提高。该额外提高的产量仅在将水解产物(即纤维素啤酒)添加至初生淀粉浆料流之后实现。
整合纤维素啤酒与初生淀粉浆料流的时机是关键的。例如，在将初生淀粉浆料流添加至发酵罐122后，过程100具有少于约10小时来将水解114制得的纤维素啤酒转移至发酵罐122。将根据图5详细讨论来自混合型水解和发酵(HHF)的纤维素啤酒，其在填充期间与高固体38％固体、玉米醪(cornmash)直接混合至发酵罐122中。该选项可在HHF期间使用GMO酵母。发酵罐122的温度范围可以是约30℃至约35℃。
在另一个实施方式中，来自水解114的纤维素啤酒与初生淀粉浆料流的混合发生在整体化淀粉/HHF啤酒发酵的最初0-24小时内。这提供了淀粉加仑相关的产量提高。
在120处，过程100在液化罐中将浆料转化为醪(mash)。这发生在80至95℃以将胶化的淀粉水解成麦芽糊精和寡糖以生成液化的醪。此时，该醪流具有约18至40％总固体含量。该醪可含有悬浮的固体成分，其包含纤维、胚芽、粗砂等。
过程100可在发酵罐122中添加另一种酶(如葡糖淀粉酶)以将糊精分解为单糖。该葡糖淀粉酶将小片段分解为单个葡萄糖。该葡糖淀粉酶可在发酵前约60℃时(称作糖化)或发酵工艺开始时添加。过程100将pH调节至5.0或更低。在一个实施方式中，糖化与发酵还可同时进行。
在122处，过程100在发酵罐中向醪中添加微生物。可添加常见的微生物物种(如酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae))以将单糖(即麦芽糖和葡萄糖)转化为醇(具有固体和液体)、CO2和热量。发酵罐122中的材料需要转化为啤酒以实现最佳产量。在添加酿酒酵母的10小时内，过程100将来自水解114的全部材料转移至发酵罐122。固体的百分比是约30％至约50％。过程100将温度维持在约25℃至约50℃。
过程100还在烧煮用水中使用糖并在接种约10小时后将其与高固体淀粉混合。在一个实施方式中，单独的水解和发酵(SHF)使用纤维素酶处理水解产物以生成具有可发酵糖的纤维水解产物。过程100将来自水解114的所有材料转移至发酵罐122中并随后将C5/C6GMO酵母和酿酒酵母添加至尚未添加葡糖淀粉酶的发酵罐122中。这将C5糖转化为乙醇。一旦完成转化，过程100添加葡糖淀粉酶。
在另一个实施方式中，过程100合并预处理后的原料麸皮104与胚乳106、初生浆料流。过程100混合预处理的原料与初生浆料流的胚乳106，并向发酵罐122中添加GMO酵母而不改变参数。
发酵罐122中的停留时间可以是约50至约100小时。然而，一些变量(例如使用的微生物菌株、酶添加的速率、发酵温度、目标醇浓度、罐的尺寸等)影响发酵时间。
过程100在发酵罐122中形成醇、固体和液体。一旦完成，该醪通常称作啤酒，其可含有约13至16％醇，外加来自谷粒组分的可溶性和不溶性固体、微生物代谢物和微生物体。该微生物可在微生物循环步骤中循环，其是可选步骤。
过程100通过经由蒸馏系统124蒸馏啤酒(其包含纤维素啤酒)来将醇与固体和液体相分离。蒸馏系统124可包括但不限于：精馏柱、啤酒柱、侧线提馏塔或蒸馏柱。在一个实施方式中，过程100将啤酒泵入啤酒柱，其从来自蒸发器的低压蒸汽中通过对啤酒柱的底部加热将醇分离出啤酒。从啤酒柱底部离开的材料是全釜馏物132。
低酒精度醇以蒸汽形式离开啤酒柱的顶部并转移至精馏柱中。因此，过程100在蒸馏系统124中冷凝醇且这些醇以约90至95％纯度(约190标准酒精度)经蒸馏系统124的顶部离开。
来自精馏柱的底部液体大部分是水，并含有少量的醇。过程100可将底部液体传输至侧线提馏塔柱，该侧线提馏塔柱将醇分离出水并将醇添加回精馏柱。该液流可在预处理112或浆料罐116中用作烧煮用水。
在126处，过程100通过分子筛装置从190酒精度醇中除去水分。分子筛装置126包含一个或多个脱水柱，其装填有分子筛以得到接近100％醇(200标准酒精度)的产物。
过程100在贮存罐128之前或之中向醇添加变性剂。因此，该醇不用于饮用，但用于汽车燃料目的。在130处，可生产的示例性产品是生物燃料，其被用作燃料或燃料添加剂以用于汽车燃料目的。生物燃料130包含从淀粉发酵工艺生产的乙醇以及从预处理112和水解114的整合式方法生产的纤维素生物燃料。
回到132，蒸馏系统124中剩余的富水产物通常称作全釜馏物。全釜馏物132中的组分可包含悬浮的谷粒固体、材料和水。例如，该材料包含脂肪、蛋白质、纤维和矿物质。全釜馏物132落至蒸馏系统124的底部并通过机械装置134。机械装置134分离全釜馏物132以生成湿饼136和薄釜馏物138。该机械装置可包含离心机或任何其他类型的分离装置。
主要由固体组成的湿饼136可称作湿酒糟(WDG)。过程100可将一些湿饼136转移至一个或多个干燥器140以除去湿气。该干燥步骤生成低蛋白动物饲料，干酒糟(DDG)144，其可储存在罐中(未显示)。已分离和浓缩的液体是糖浆。将干燥的糖浆加回DDG144以形成具有可溶物的干酒糟(DDGS)142。DDGS142具有几乎无限的保存期限并可运输至任何市场用于牲畜的饲料。
对于出口市场中一些买家而言，DDGS142的颜色已成为一种质量因素。DDGS142的颜色可用于区分质量，无论是真实的还是所感知到的并影响价值。DDGS142的颜色是一种主观的评价标准，其基于五色评分卡和/或亨特(Hunter)或米诺塔(Minolta)色度计。浅色DDGS可具有显著的价格溢价。在一个实施方式中，过程100混合DDGS与玉米秸或其他合适材料而不影响饲料成分的营养质量。
回到134，机械装置134生成薄釜馏物138。将薄釜馏物138的料流输送至蒸发器146以煮去水分，形成含有可溶性(溶解的)、良好悬浮的(通常小于50μm)和浮动悬浮的固体(来自发酵)的粘稠糖浆(即25至40％干固体)。如上文所述，过程100将一些糖浆添加至DDG144(如虚线所示)以形成DDGS142。在一个实施方式中，过程100输送来自蒸发器146的冷凝水以用作烧煮用水或预处理水。在另一个实施方式中，甲烷转化器把待重新利用的蒸发冷凝物作为工艺用水(processwater)处理。该甲烷转化器也处理生物气，其被输送至干燥器140。
来自蒸发器146的粘稠糖浆可与湿饼136(即WDG)一起输送至干燥器140以生产DDGS142。在一个实施方式中，来自蒸发器146的粘稠糖浆可单独出售。
干法分提过程
图2和3显示干法分提(DF)102的示例性过程。DF102使用各种碾磨和分离工艺以将玉米粒分解为麸皮104、胚乳106和胚芽108的多个部分。DF102是3阶段研磨和分离过程。可以使用任何阶段或组合。碾磨或研磨玉米101的装置包括但不限于：锤式碾磨机、辊式碾磨机、盘式碾磨机、球式碾磨机、销棒碾磨机、振动台、风选(aspiration)系统等。DF102提高装置效率，降低温室气体排放并生产较高价值的副产物。
图2中，DF102接收玉米101作为原料，将该原料清理202并调理204。在原料去胚芽后，过程102将该原料通过辊式碾磨器碾磨206。在原料被碾磨206后，过程102按颗粒尺寸将碾磨的原料筛选208为多种级别，例如细碾磨物(fines)210、中段碾磨物(mid-cut)212和筛出物(overs)214。根据图3继续中段碾磨物212的讨论。
继续讨论筛出物214，过程102输送筛出物214用于风选216并生产麸皮218。DF102从分选216中对一些筛出物214进行剥刮(flake)220，之后按颗粒尺寸将碾磨的原料筛选222为多种级别(例如细碾磨物224、中段碾磨物226和筛出物228)。DF102再次将筛出物228风选230为麸皮232并继续剥刮234。剥刮234辗出未破碎的小颗粒或之前破碎的种子以形成薄片用于油提取。
图3中，DF300以图2的中段碾磨物212继续过程。DF300风选236中段碾磨物212并生产麸皮238。DF300将来自风选236的一些中段碾磨物212剥刮240，之后按颗粒尺寸将碾磨的原料筛选242为多种级别(例如细碾磨物244、中段碾磨物248和筛出物246)。过程300剥刮250中段碾磨物248。如上文所述，剥刮250辗出未破碎的小颗粒或之前破碎的种子以形成薄片用于油提取。
分提的麸皮218、232和238可以是过程100中输送至预处理112的麸皮104的部分。在接收至过程100中时，麸皮104可以是约83％至约92％固体。麸皮104中的组分可包括但不限于葡聚糖、淀粉和木聚糖。葡聚糖分子是D-葡萄糖单体的聚糖，由糖苷键连接。葡聚糖包括但不限于糖原、右旋糖酐、淀粉、纤维素等。木聚糖是植物细胞壁中发现的一种高度复合的聚糖类型。木聚糖是由木糖(一种戊糖)单元形成的聚糖。木聚糖在植物细胞壁中与纤维素几乎同样普遍并主要含有β-D-木糖单元，如纤维素中连接的那样。
原料的预处理
图4显示预处理112的示例性工艺。麸皮104是纤维素原料，其主要由纤维素、半纤维素和少量木质素组成。纤维素和半纤维素可由酶转化为糖并随后发酵为产物。纤维素原料的应用需要预处理112以打开纤维，使得酶可作用于纤维素和半纤维素。然而，半纤维素的酸降解释放糠醛。
预处理112分解纤维素原料的结构。纤维素和半纤维素是纤维素原料中糖的主要来源。预处理112使用化学品以及高温和压力分解纤维素和半纤维素。预处理112将大部分纤维素和半纤维素转化为糖。
图4中，预处理112在浆料罐402中添加水401以润湿麸皮104。水温范围是约82℃至约205℃(约180°F至约400°F，约355K至约478K)。浆料罐402可包含具有上升流或下降流的搅拌器，其使用热水搅拌麸皮104的低固浆料流。该低固浆料是约10％至约30％总固体。在其它实施方式中，该低固浆料是约10％至约20％总固体，或该低固浆料是约10％至约25％总固体。预处理112可使用蒸发器冷凝物作为浆料罐402中水的来源，其具有低pH。例如，该蒸发器冷凝物可取自现有设施的蒸发器146。取自蒸发器146的冷凝物含有乙酸，其使预处理112更有效并改进预处理112的质量。
在另一个实施方式中，第一效应流(firsteffectsteam)将一部分预处理冷凝物直接循环至预处理水罐(未显示)。在另一个实施方式中，浆料罐402的水401来自闪蒸罐冷凝物的蒸汽和/或来自现有设施和侧线提馏塔底部的蒸汽。在另一个实施方式中，一些来自预处理112的预处理冷凝物可被循环至现有设施。可以使用预处理冷凝物作为现有设施中的烧煮用水以减少甘油生产和酵母生产。这会导致产量提高2％。目前，过程100可将其输送通过甲烷转化器以除去预处理工艺中生成的糠醛和乙酸。然而，使用预处理冷凝物作为烧煮用水具有实际价值。
预处理112向麸皮104添加热水401在浆料罐402中形成低固浆料至约82℃至约104℃(约180°F至约220°F)的温度范围。该低固浆料在浆料罐402中的停留时间为约1分钟至约12分钟，其pH小于4。该停留时间根据浆料罐402的尺寸、固体百分比和材料的温度等变化。
预处理112将直接蒸汽注射至低固浆料流。该直接最均衡器通过加热器404产生。该加热器可包含一至约六个加热器，其可依次或平行运行。此时，加热器404直接添加蒸汽至低固浆料流至超过大气温度。例如，温度达到大于约100℃(约大于212°F)，超过沸点。这持续约数秒至约数分钟，取决于预处理112中使用的加热器的数目和蒸汽的流动速率。
在一个实施方式中，预处理112注射化学品405(如无机酸)以导致出现反应区。由于低固浆料流中低固体含量，这是可能的。反应区出现在闪蒸罐的最后一个加热器之后。
化学品405(无机酸)可包括但不限于硫酸、磷酸和硝酸。酸的浓度可以是纤维干重的1-5％。例如，在一个实施方式中，预处理112以麸皮104干重的2-4％w/w使用硫酸。对于已注射有化学品405(无机酸)的低固浆料流而言，pH小于2。
在一个实施方式中，预处理112通过连续的两个加热器404将低固浆料流加热至温度高于约100℃(约高于212°F)。预处理112将硫酸注射至低固浆料流，随后通过第三加热器将注射有硫酸的低固浆料流加热至温度高于约143℃(约290°F)。
随后，预处理112将低固浆料流输送至反应器406。反应器406可包含具有上升流、径向流或下降流的搅拌器，其搅拌该低固浆料流。反应器406中的过程水解纤维素和半纤维素。高温水可分离低固浆料流中的材料。这发生在反应器406中，其停留时间的最佳范围为约6分钟至约14分钟，且最佳温度范围是约154℃至约188℃(约310°F至约370°F)。在浆料罐402中将压力控制在饱和蒸汽压力，加10-100psig。
预处理112将来自反应器406的经预处理的原料输送至闪蒸罐408。反应器406使用爆炸性减压释放经预处理的原料。闪蒸罐408可包含具有上升流或下降流的搅拌器，其搅拌经预处理的原料。
在一个实施方式中，预处理112还在闪蒸罐408中通过使用碱407进行中和来调节经预处理的原料的pH。可以使用的碱407包括但不限于：无水氨、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙、废碱、氨水或任何其他碱。碱407的含量可以是19重量％至30重量％。碱407量的计算基于质量平衡以调节整合式方法/啤酒发酵的pH。基于此，现有设施中使用的脲可被碱407替代而无需将碱407直接注射至发酵罐。因此，可通过向现有设施提供经预处理的材料来获得现有设施中发酵所需的大部分氮。
随后，经预处理的原料经历水解产物调节。这通过向经预处理的原料(现在称作水解产物)中添加更多碱来实现，直至满足发酵的碱需要。在一个实施方式中，预处理112还完成使用另一种碱将水解产物的液体部分的pH调节至约4至约6。
可以使用的碱407包括但不限于：无水氨、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或任何其他碱。预处理112在闪蒸罐408中将水解产物的温度调节至约40℃至60℃(约104°F至约140°F)。压力是-10至10psig。
在一个实施方式中，预处理112添加无水氨来将pH调节至大于4.5且其量足以在现有设施中提供发酵。预处理112还向水解产物中添加额外的氨直至满足氨需要，随后向水解产物中添加氢氧化钠以完成pH调节。
闪蒸罐408提供闪蒸蒸汽410和水解产物，其在水解114中进一步加工。在一个实施方式中，水401可来自预处理112中闪蒸罐408释放的闪蒸蒸汽410。这显示为从闪蒸蒸汽410至水401的虚线412。
在另一个实施方式中，过程100将经预处理的材料(水解产物)从预处理直接提取至现有设施。该实施方式将水解产物直接输送至浆料罐116或将水解产物直接添加至发酵罐122而不进行水解工艺。
数据的示例示于接近说明书末尾的表格中。预处理112数据显示工艺过程中的温度、固体百分比、所用酸的百分比、所用不同碱的百分比和所用混合的碱的百分比。影响预处理和水解的因素包括纤维素含量、纤维素结晶性、可用的表面积、木质素的含量和性质、半纤维素的类型和含量。
水解产物的水解
图5显示水解的示例性工艺。如上文所述，其可以是批式过程或者连续过程。水解114适用纤维素酶将水解产物，例如预处理的麸皮104，大部分纤维素和剩余的预处理后半纤维素转化为葡萄糖和木糖。这使预处理112和水解114的工艺与现有设施的过程整合。
图5中，水解114的一个实施方式是纤维素的混合型水解和发酵(HHF)，其最大化产量提高。HHF工艺可始于单独的水解步骤并终止于同时的水解和发酵。该HHF工艺接收来自预处理112的闪蒸罐408的水解产物500至第一降粘罐502。预处理112打开纤维以提高酶可作用性，同时最小化葡萄糖损失。随后，该HHF工艺在第一降粘罐502中向水解产物500添加酶501如纤维素酶。可存在零或多个降粘罐，这取决于一些变量，如整合式方法的能力、固体百分比、罐的尺寸等。降粘罐502、504可包含具有上升流或下降流的搅拌器，其搅拌水解产物500。
在一个实施方式中，可以存在零个降粘罐。在另一个实施方式中，可存在一个降粘罐。在另一个实施方式中，可存在超过两个降粘罐。
通过β-葡糖苷酶将纤维二糖转化为葡萄糖是降低纤维二糖抑制并增强用于生产纤维素生物燃料的纤维素酶效率的关键因素。纤维二糖是一种通过β(1,4)键连接两个葡萄糖分子的水溶性二糖，其获自纤维素水解时的分解，β-葡糖苷酶是一种作用于连接两个葡萄糖或葡萄糖取代分子(如纤维二糖)的β1,4键的葡糖苷酶。
纤维素酶的五种常见类型包括内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、纤维二糖酶、氧化型纤维素酶和纤维素磷酸酶。β-1,4-内切葡聚糖酶是催化纤维素水解的特定酶，β-葡糖苷酶是对多种β-D-糖苷底物具有特异性的外切纤维素酶。其催化β-D-糖苷中末端非还原残基的水解，同时释放葡萄糖。纤维素酶可包括但不限于CTec2、CTec3、4和4X、TRIOTM等。
在一个实施方式中，水解114使用CTec2，一种可购自诺维信公司(Novozymes)的复合纤维素酶，其将纤维素降解为可发酵糖。其包括强效纤维素酶、高水平的β-葡糖苷酶和半纤维素酶的掺混物。CTec2提供高转化产率，其是抑制剂耐受的。CTec2具有较低的操作成本，同时提高过程灵活性。
在另一个实施方式中，水解114使用Ctec3，一种可购自诺维信公司的纤维素酶和半纤维素酶复合酶，其将纤维素和半纤维素降解为可发酵糖。其包括高级GH61化合物、改进型β-葡糖苷酶和半纤维素酶的掺混物。CTec3是成本节约的解决方案，因为需要较少的酶用于转化。
该HHF工艺在第一降粘罐502中在约40℃至约60℃的温度范围中进行水解产物500的水解并将水解产物500的pH调节至约4.2至6。在各实施方式中，该HHF工艺可将碱添加至任意降粘罐。该HHF工艺持续约12至约33小时以实现葡聚糖至葡萄糖和木聚糖至木糖的目标酶促转化。在一个实施方式中，该酶促转化可以是大于50％。在另一个实施方式中，该酶促转化可以是大于约90％。
水解114需要能够代谢水解产物500中存在的5碳和6碳糖的生物体。转基因或代谢工程改造的生物体可提供最稳健的候选物，其能够发酵在传统玉米乙醇加工中通常遇到的6碳糖以及纤维素原料降解生成的5碳糖。需要天然特征的过表达和添加新特征以获得能够有效利用水解产物500中存在的糖的酵母菌株。酵母和其他微生物的遗传改造已充分研究并可从多个供应商处获得合适的生物体，这些供应商专注于向燃料和饮料生产工业提供商业用量的酵母。该酵母可包括但不限于C5/C6转基因(GMO)酵母、酿酒酵母(S.cerevisiae)等。该C5/C6GMO是转基因酿酒酵母(S.cerevisiae)。在另一个实施方式中，水解114使用细菌代谢水解产物中的5碳和6碳糖。
在一个实施方式中，该HHF工艺在第二降粘罐504中将水解产物500的温度降低至约20℃至约45℃(约68°F至约113°F)以添加酵母。酵母需要较低的温度来促进发酵。该HHF工艺在第二降粘罐504中将水解产物500的pH调节为约4.5至5.2。在一个实施方式中，该HHF工艺向第一降粘罐中添加CTec2并向第二降粘罐504中添加C5/C6转基因(GMO)酵母。该HHF工艺可使用一定范围的百分比用于C5/C6GMO增殖，例如HHF体积的约4％至约11％。
这允许C5/C6GMO酵母在额外的25至50小时内将C5和C6糖转化为纤维素生物燃料，而纤维素的酶促水解以相对于50℃下水解的较低速率进行(即，同时糖化和发酵(SSF))。
降粘后，材料通过水解罐。水解罐的数目可以是一至六个罐。在一个实施方式中，存在四个水解和发酵罐506、508、510、512。该HHF工艺在混合型水解和发酵罐506-512中将水解产物500的温度范围降低至约30℃至约35℃(120°F至约140°F)并添加碱以将pH优化为4至5.5。116、120中加工的固体具有约30％至44％(w/w)以在最终啤酒中维持需要的乙醇滴定度。该HHF工艺中每蒲式耳的产量提高超过9％。该HHF工艺生产低滴定度啤酒(35-50g/L乙醇)，其可掺混至现有设施的发酵罐122中，如图5和1所示。
在一个实施方式中，该HHF工艺可不包括粘性罐并包括四个水解和发酵罐。来自预处理的材料直接进入水解罐并维持在约45℃至约55℃。在水解罐中降低温度并向材料中添加酵母。在一个实施方式中，该HHF工艺可包括一个降粘罐和四个水解和发酵罐。在另一个实施方式中，该HHF工艺可包括两个降粘罐、三个水解和发酵罐和一个缓冲罐。该配置通过减少所需的设备量降低了投资成本。例如，该实施方式包括上文所述过程步骤，但缓冲罐减少了发酵所需的小时数。发酵的停留时间可以是约10小时至约75小时，其减少了发酵时间，如前文所述。在另一个实施方式中，使用三个水解罐和一个缓冲罐时，该HHF工艺类似于所述过程但发酵时间小于约60小时。
在另一个实施方式中，该HHF工艺在第一和第二降粘罐中进行类似步骤。然而，该HHF工艺在第一降粘罐中在水解产物温度为约30℃至约35℃时开始并添加纤维素酶。随后，该HHF工艺向第二降粘罐中添加酵母。在不具有第二降粘罐的实施方式中，该HHF工艺在水解和发酵罐中添加酵母。该发酵持续约24小时。随后，该HHF工艺将水解产物的温度提高至约45℃至约60℃，使得酶可以将纤维素转化为葡萄糖。纤维素啤酒进入发酵罐122。
在另一个实施方式中，水解114可以是单独的水解和发酵(SHF)，其在水解产物温度为约45℃至约55℃时开始，添加纤维素酶，停留时间为3至5天，从而实现葡聚糖至葡萄糖的目标酶促转化(即大于90％转化率)。该步骤生成含有可发酵糖的水解产物，其随后被导入现有装置系统的浆料罐116中。在该实施方式中，C5糖不发酵且整合式方法使用水解产物替换现有设施中的烧煮用水。该选项将平均产量提高约7％。对于该实施方式，另一个选项是将葡糖淀粉酶的添加设置在装料开始后约72小时。在另一个选项中，在发酵中添加GMO酵母并在木糖发酵后添加葡糖淀粉酶。
在另一个实施方式中，水解114可以是同时的糖化和发酵(SSF)，其通过接收来自预处理112的水解产物开始并将水解产物的温度设置为约45℃至约55℃。SSF向水解产物中添加纤维素酶直至90％的纤维素转化为糖。随后，该SSF工艺添加酵母用于发酵。纤维素啤酒被输送至发酵罐122。
在另一个实施方式中，如上文对于第二降粘罐所述，该SSF工艺通过接收来自预处理112的水解产物开始并使水解产物的温度下降为约30℃至约35℃，。此时，该SSF工艺向已降温的水解产物中添加纤维素酶。随后，该SSF工艺添加酵母用于发酵。纤维素啤酒被输送至发酵罐122。
在另一个实施方式中，该SSF工艺通过使水解产物的温度成为约30℃至约35℃开始并添加纤维素酶。随后，该SSF工艺添加酵母，其允许木糖在24小时内发酵，再将温度提高至约50℃至约60℃，从而酶可使葡聚糖转化为葡萄糖。纤维素啤酒可被输送至现有设施的发酵罐122。
数据的示例示于接近说明书末尾的表格中。水解114数据显示葡萄糖和木糖的转化百分比、水解时间和总HHF时间，以及测试的不同水解类型。
C5/C6酵母增殖
在图5中，酵母增殖514是通过繁殖增加细胞数目的过程。该酵母可以多种形式提高，例如酵母乳、酵母汁、压榨酵母和活性干酵母(ADY)。酵母增殖514可由酵母汁、酵母乳、压榨酵母或ADY开始。
这可以是有氧增殖，其中酵母被接种至罐中合适的可发酵介质中。在各实施方式中，该过程可向酵母增殖514中添加水解产物500和/或添加来自液化的组分。该增殖工艺控制和监测一些因素(如温度、营养补充、底物浓度和氧含量)以确保罐内的生长。酵母的供应商提供储存、接种、可发酵介质等的指导。
酵母增殖514是玉米醪(即约20-35％固体)和玉米纤维水解产物(即约10-20％固体)的混合物上的C5/C6GMO微需氧增殖，其持续12-24小时，之后接种至上文所述水解和发酵罐506、508、510、512。在一个实施方式中，过程100将用于增殖的酵母递送至整合式设计的设施，递送方式与递送至现有设施相同(即以活性干酵母或酵母汁的形式)。C5/C6GMO酵母增殖的变量是温度范围为约30℃至约35℃且pH范围为4至5.5(具有自然波动)。
使用前端湿法分提的纤维素过程
图6显示使用前端湿法分提以生产纤维素生物燃料、乙醇和高价值蛋白动物饲料的示例性过程600。图6中过程与图1类似的部分不再赘述。图6与图1类似，不同之处在于该图显示整合多种工艺与使用碾磨和前端湿法分提的现有设施的另一个实施方式。将根据图7、8和9详细讨论前端湿法分提606的细节。
碾磨前，过程600通过分级机来清理玉米602。该分级机可以是一种振荡筛分装置，其分离发现的玉米602所带物质。该分离基于颗粒尺寸。例如，过程600筛选可包含垃圾或形成材料的大尺寸颗粒、可包含玉米602的中等尺寸颗粒和可包含沙子、碎谷粒等的小尺寸颗粒。
过程600将玉米602输送至料斗(binhopper)或辊式给料机(rollfeeder)并碾磨604玉米。碾磨604玉米602的装置包括但不限于：锤式碾磨机、辊式碾磨机、盘式碾磨机、球式碾磨机、销棒碾磨机、振动台、风选系统等。在一个实施方式中，两个辊可以相同速度旋转，从而对玉米602施加压力。在另一个实施方式中，这两个辊以不同速度运行以提高压力和剪切力。该辊式碾磨机可包含沿辊底部定位的筛网，从而允许特定尺寸的颗粒通过该筛网。
过程600碾磨604来自单独料流的大尺寸颗粒，在烧煮118中混合来自单独料流的大尺寸颗粒，添加酶并烧煮浆料。过程600可接收来自烧煮118(其包括浆料罐116)和/或来自液化罐120的浆料。过程600还在前端湿法分提606中分离不同尺寸的颗粒来将麸皮104与胚乳106和胚芽108相分离。图6所示过程的剩余部分类似于根据图1讨论的过程。
前端湿法分提实施例
图7-9显示与整合式方法联用的前端湿法分提的示例。该前端湿法分提过程更好地分离麸皮104、胚乳106和胚芽108，从而可对麸皮104进行预处理和水解。该前端湿法分提过程通过淀粉释放技术提高产量，产量提高了约2％至3％。该前端湿法分提过程提高淀粉表面积并使酶能够接触淀粉。此外，前端湿法分提过程对额外淀粉的发酵解除现有设施中离心机、蒸发器和干燥器的负载。
出于说明目的，通过虚线识别液体和良好悬浮的颗粒料流，表示其被输送至各罐。这些示例显示可从所示机械分离装置接收至各罐的料流。然而，任何料流都可从任意机械分离装置接收至各罐。
图7显示与整合式方法联用的前端湿法分提(FEWF)700的示例。过程700接收工艺料流702，其可以是来自浆料罐116的烧煮前浆料或来自液化罐120的醪。过程700分离各组分，并进一步清洗材料。过程700通过第一机械分离装置704输送工艺料流702，其将组分如较大固体克隆与较小颗粒和液体料流相分离。
第一机械分离装置704可包含旋转的叶片、固定鼓(stationarydrum)和配置为筛网的外壁。第一机械分离装置704推动工艺料流702通过有孔筛网，其中液体和小颗粒708(即淀粉、麸质、蛋白质、盐等)通过有孔筛网并输送至混合罐706。各叶片旋转以使工艺料流702朝有孔筛网移动。该有孔筛网具有开口，开口的尺寸允许水、淀粉和小尺寸颗粒流过该有孔筛网但不允许较大颗粒710(如纤维)流过。
过程700生成液体和良好悬浮的颗粒料流708和大悬浮固体料流710。液体和良好悬浮的颗粒料流708可包含淀粉，其已被清洗并从纤维中除去。过程700将液体和良好悬浮的颗粒料流708输送至混合罐706。
过程700将大悬浮固体料流710导向剪切装置712。剪切装置712可以是盘式碾磨机、辊式碾磨机、锤式碾磨机等，从而向大悬浮固体物理710中的大悬浮固体施加高剪切力而不形成粉末。过程700将经碾磨的大颗粒料流713输送至混合罐706。
混合罐706中的料流仍可含有淀粉和/或食品级蛋白质。因此，过程700还将混合罐706中的液体和良好悬浮的颗粒料流708与经碾磨的大颗粒料流713输送至第二机械分离装置714。第二机械分离装置714将组分如较大固体颗粒料流716与较小颗粒和液体料流718相分离。过程700将较小颗粒和液体料流718输送至液化罐120进行进一步加工。同时过程700将较大固体颗粒料流716输送至湿法分提罐，WF浆料罐720。过程700还将WF浆料罐720中的较大固体颗粒料流716输送至第三机械分离装置722。
第三机械分离装置722将纤维(即麸皮104)与小颗粒和液体料流相分离，纤维被输送至预处理112。小颗粒和液体料流724将被输送至液化罐120。
该机械分离装置包含以下至少一种：叶片机器、清洗叶片机器、过滤离心机、压力DSM筛网或重力DSM筛网。在一个实施方式中，该机械分离装置是叶片机器分离装置，其具有至少四个旋转叶片以及固定鼓和配置为筛网的外壁。在其他实施方式中，该叶片机器分离装置可包含至少两个旋转叶片至最多20个旋转叶片。
图8显示与整合式方法联用的前端湿法分提(FEWF)800的另一个示例。过程800接收工艺料流802至第一混合罐803中，该工艺料流802可以是来自浆料罐116的浆料或来自液化罐120的醪。过程800输送工艺料流802通过第一机械分离装置804，其生成液体和良好悬浮的颗粒料流806和大悬浮固体料流808。过程800将液体和良好悬浮的颗粒料流806输送至液化罐120。
大悬浮固体料流808的一部分805被导向剪切装置807，其将大悬浮固体研磨成经碾磨的固体料流809。过程800将经碾磨的固体料流809输送至第二混合罐810。同时，过程800将大悬浮固体料流808的其他部分输送至第二混合罐810。第二混合罐810还接收来自第三机械分离装置820的另一液体和良好悬浮的颗粒料流822(以虚线显示)。此时，将合并的料流混合并加热至约76℃至约85℃(170°F至约185°F)，持续约1至约30分钟。过程800将该合并的料流811从第二混合罐810输送至第二机械分离装置812。该合并的料流811的一部分可循环回第一机械分离装置804(以虚线显示)。
第二机械分离装置812从纤维中清洗和除去淀粉，生成另一液体和良好悬浮的颗粒料流814以输送至第一混合罐803或者浆料罐116的补充水，并生成另一大悬浮固体料流816以输送至第三混合罐818。此时，将合并的料流混合并加热至约76℃至约85℃(170°F至约185°F)，持续约1至约30分钟。过程800还将该合并的料流从第三混合罐818输送至第三机械分离装置820。
第三机械分离装置820除去纤维上残留的任何淀粉，生成另一液体和良好悬浮的颗粒料流822以输送至第二混合罐810，并生成另一大悬浮固体料流824以输送至第四混合罐826。第四混合罐826还接收来自现有设施的烧煮用水828。向大悬浮料流824中添加的烧煮用水828可在第四混合罐826中形成较低固体料流。烧煮用水828可包括但不限于热稀释水。烧煮用水828的温度范围可以是约75℃至约95℃。此时，将合并的料流在第四混合罐826中混合并加热至约76℃至约85℃(170°F至约185°F)，持续约1至约30分钟。
过程800将料流从第四混合罐826输送至第四机械分离装置828。第四机械分离装置828分离纤维、麸皮104(待输送至预处理112)与液体和良好悬浮的颗粒料流830(待输送至第三混合罐818)(以虚线显示)。
该机械分离装置包含以下至少一种：叶片机器、清洗叶片机器、过滤离心机、压力DSM筛网或重力DSM筛网。在一个实施方式中，第一机械分离装置是叶片机器分离装置，其具有至少四个旋转叶片以及固定鼓和配置为筛网的外壁。在其他实施方式中，该叶片机器分离装置可包含至少两个旋转叶片至最多20个旋转叶片。
清洗叶片机器可包含多级清洗。例如，在一个实施方式中，第一机械分离装置中可具有两级清洗。然而，可使用任何次数的清洗，例如两次、三次或四次。纤维或大固体的清洗有助于从纤维中清洗掉淀粉和谷蛋白或蛋白质。该清洗是逆流流动。
第一混合罐803、第二混合罐810、第三混合罐818和第四混合罐826可以是烧煮罐或包含搅拌器的任何类型的罐。各罐中的停留时间可基于一些变量预先确定。这些变量可包括罐的尺寸、材料量、谷物类型等。
大悬浮固体料流与水的烧煮导致加热时淀粉颗粒吸收水。因此，水被吸收到颗粒内。颗粒的膨胀允许其在回转至浆料过程开始时有改进的酶作用。
图9显示与整合式方法联用的前端湿法分提900的另一个示例。过程900接收工艺料流902，其可以是来自浆料罐116的烧煮前浆料或来自液化罐120的醪。过程900分离各组分，并进一步清洗材料。过程900输送工艺料流902通过第一机械分离装置904，该装置将组分如较大固体颗粒与较小颗粒和液体料流相分离诸。
第一机械分离装置904可包含旋转的叶片、固定鼓和配置为筛网的外壁。第一机械分离装置904推动工艺料流902通过有孔筛网，其中液体和小颗粒(即淀粉、麸质、蛋白质、盐等)通过有孔筛网并输送至混合罐906。各叶片旋转以使工艺料流902朝有孔筛网移动。该有孔筛网具有开口，开口的尺寸允许水、淀粉和小尺寸颗粒流过该有孔筛网但不允许较大颗粒(如纤维)流过。
过程900生成液体和良好悬浮的颗粒料流908和大悬浮固体料流910。液体和良好悬浮的颗粒料流908可包含淀粉，其已被清洗并从纤维中除去。过程900将液体和良好悬浮的颗粒料流908输送至混合罐906。过程900将大悬浮固体料流910导向剪切装置912，其剪切大固体或颗粒。
在另一个实施方式中，机械分离装置(如离心机或叶片机器)可接收来自混合罐的料流以分离出纤维并将液体和良好悬浮的颗粒料流输送至液化罐120。
使用后端湿法分提的纤维素过程
图10显示使用后端湿法分提以生产纤维素生物燃料、乙醇和高价值蛋白动物饲料的示例性过程1000。图10中过程与图1类似的部分不再赘述。图10与图1类似，不同之处在于该图显示整合多种工艺与使用碾磨和后端湿法分提的现有设施的另一个实施方式。将根据图11详细讨论后端湿法分提1006的细节。
碾磨前，过程1000通过分级机来清理玉米1002。该分级机可以是一种振荡筛分装置，其分离发现的玉米1002所带物质。该分离基于颗粒尺寸。例如，过程1000筛选可包含垃圾或形成材料的大尺寸颗粒、可包含玉米1002的中等尺寸颗粒和可包含沙子、碎谷粒等的小尺寸颗粒。
过程1000将玉米1002输送至料斗或辊式给料机并碾磨1004玉米。碾磨1004玉米1002的装置包括但不限于：锤式碾磨机、辊式碾磨机、盘式碾磨机、球式碾磨机、销棒碾磨机、振动台、风选系统等。
过程1000从蒸馏系统124中生产全釜馏物132。全釜馏物132在后端湿法分提1006中进一步分离以分离出纤维1008与全釜馏物132中的其他组分。
回到1006，其他组分被导向机械装置1010。机械装置1010可以是任何类型的分离装置，包括但不限于离心机、过滤器、叶片筛网、筛网等。机械装置1010生产饼1012。过程1000可将一些饼1012转移至一个或多个干燥器140以除去湿气。该干燥步骤生成高蛋白(HP)动物饲料，高蛋白干酒糟(HPDDG)1014，其可储存在罐中(未显示)。已分离和浓缩的液体是糖浆。将干燥的糖浆加回HPDDG1014以形成具有可溶物的高蛋白干酒糟(HPDDGS)1016。这些产物具有几乎无限的保存期限并可运输至任何市场用于牲畜的饲料。图10所示过程的剩余部分类似于根据图1讨论的过程。
后端湿法分提
图11显示整合式方法中后端湿法分提1006的一个示例。过程1006提供纤维1008与其他组分的更好分离，从而可以预处理和水解纤维1008。其通过淀粉释放技术提高产量，可将产量提高2％至3％。过程1006提高淀粉表面积并使酶能够接触淀粉。此外，该过程对额外淀粉的发酵解除现有设施中离心机、干燥器和蒸发器的负载。
过程1006使用第一机械装置1102分离全釜馏物132以生产两种产物。第一机械装置1102从全釜馏物料流中分离出纤维1008。随后，过程1006输送全釜馏物料流通过第二机械装置1104以生成第一料流至蒸发器146并干燥该第一料流以形成糖浆1112。
回到1104，过程1006输送第二料流通过第三机械装置1106。过程906还将第二料流输送至干燥器140，其干燥固体料流以生成高蛋白DDG1014和混有糖浆1016的DDGS1016。
该机械装置可包括但不限于：离心机、喷嘴离心机、过滤离心机、滗析离心机、三相分离机(tricanter)等。
结果的实施例
下文实施例仅代表本发明的一些方面。本领域技术人员应理解，说明书中描述的过程可以多种修改的方式实施而具有本发明的益处。本文中使用的这些实施例和方法都不应以任何方式被解释为限制权利要求中未明确说明的本发明。
预处理实施例
使用硫酸、氨、氢氧化钾和氢氧化钠的混合碱、氢氧化钾和氢氧化钠在五个离散的时间框中进行预处理112。下文表I总结了各预处理轮次。
表I.预处理轮次
预处理数据显示，固体百分比的范围是15.41％至16.39％，使用的硫酸量为3.83％至4.07％，氨量范围是1.08％至1.19％，氢氧化钾和氢氧化钠的混合碱的范围是2.34％至3.90％，氢氧化钾量范围是0.52％至0.87％，氢氧化钠量范围是0.58％至0.98％，且平均温度范围是310.08°F至312.08°F。
对于半纤维素转化而言，运行期间的预处理质量相对恒定。各轮次之间观察到相对恒定的木糖、糠醛、乙酸和阿拉伯糖浓度。运行期间淀粉转化为单体葡萄糖逐步增加。单体葡萄糖的稳定增加和DP4+峰的稳定下降显示，随着运行时间的流逝，预处理中形成的寡聚体淀粉被更有效地分解为葡萄糖。运行期间原料中的淀粉含量稳定增加。
水解实施例
通过生成570,000加仑水解产物来进行水解114。水解114包括水解18个单独批次的经预处理的麸皮。水解114将纤维素和半纤维素转化为C6糖(即葡萄糖)和C5糖(即木糖)或单体组分。表II显示了转化批次的百分比以及葡萄糖和木糖的平均百分比。
表II.水解转化数据
表II显示水解114以平均15.7％总固体生产水解产物。C6(即葡萄糖)的平均转化百分比是90.5％，而木糖(即木糖)的平均转化百分比是79.8％。水解产生超过90％的C6转化。
混合型水解和发酵实施例
HHF反应器用于显示整合式方法中戊糖和己糖的转化。1000小时运行期间，完成8个HHF批次(各约4000加仑)。HHF工艺是一种两相工艺，其包括具有正常水解条件(128°F，pH控制在4.8-5.0)下水解产物的初始时间段和之后降温至正常发酵条件(90°F，pH控制在4.8-5.0)。下文表III显示了水解运行和总时间。
表III.HHF数据
最初，各转化的目标是总共120小时，其中30小时进行水解。如批次编号414、415、416所示，这些批次HHF总时间降为60小时且其中15小时用于水解。该数据显示时间减半不会影响发酵产量百分比。通过加倍酵母接种量和酶剂量，这是可行的。
水解方法和变量
使用不同的变量条件运行不同类型的水解方法。一种方法是单独水解混有高固体玉米醪的玉米麸皮(SHF-CM)。该方法测试使用标准非GMO酵母(NABC生物发酵公司(NABC-Bioferm))发酵纤维素/淀粉混合的醪相关的产量提高。
另一种方法是玉米麸皮混合型水解和发酵(HHF)啤酒混以高固体玉米醪(HHF-CM)。经预处理的玉米麸皮浆料在128°F下水解15-30小时。温度随后下降至89°F并向发酵罐中添加GMO酵母以将五碳和六碳糖(不包括阿拉伯糖)转化为低滴定度啤酒(35-45g/L)。该啤酒随后与高固体玉米醪混合。
另一种方法使用与水混合的高固体玉米醪(水-CM)，水的体积与添加的玉米麸皮水解产物或HHF啤酒相等。该测试用作对照。控制因素是所有4个批次都接收具有完全相同组分的完全等量的玉米醪。
表IV.HHF-CM、SHF-CM和水-CM数据
HHF-CM批次502、503、510、514和515分别显示产量提高11.6％、11.2％、10.4％、11.1％和11.1％。这些产量提高高于SHF-CN批次的产量提高。总体而言，HHF-CM优于SHF-CM和对照。
整合式发酵实施例
三种不同的方法包括单独水解与高固体玉米醪混合的玉米麸皮(SHF-CM)，与高固体玉米醪混合的玉米麸皮混合型水解和发酵(HHF)啤酒(HHF-CM)，以及与水混合的高固体玉米醪(其中水的体积与添加的玉米麸皮水解产物或HHF啤酒相等)。
表V.整合式发酵数据
通过HPLC分析的乙醇滴定度数据的统计学评估显示，与对照相比，SHF-CM和HHF-CM分别产生7.1％和9.7％的产量提高。此外，这两种不同的变量情况被发现彼此之间存在统计学差异。
所有批次都在小于60小时内完成。各HHF-CM批次显示，平均产量提高百分比为9.7％，平均酵母减少百分比为81.4％，且平均甘油减少百分比为33％。总体而言，HHF-CM优于SHF-CM和对照。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于所述具体特征或方法行为。相反，这些具体特征和行为是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (20)

1.一种将各过程整合至现有装置系统的方法，所述方法包括：
确定将谷物转化为乙醇的现有装置系统，所述现有装置系统包括研磨工艺、烧煮工艺、发酵工艺、蒸馏工艺、脱水工艺、蒸发工艺、固液分离工艺、增殖工艺；
增加分提工艺以将麸皮与原料中的其他组分分离；
增加预处理工艺用水和热分解所述麸皮中的纤维素和半纤维素；
增加水解和纤维素发酵工艺以使用纤维素酶复合物/混合物水解所述麸皮并使用生物体发酵以生产纤维素啤酒，以及
将所述纤维素啤酒与来自所述现有装置系统中所述谷物的淀粉合并至发酵工艺以提高现有装置系统中每份原料单位的总产量。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过由所述预处理工艺释放蒸汽并将所述蒸汽以送至所述现有装置系统的上述工艺中使用来回收能量。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括重新引导来自所述现有装置系统中各工艺的烧煮用供水以用于所述预处理工艺。
4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将来自所述预处理工艺的冷凝物循环至预处理水罐。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述现有装置系统中由所述谷物的淀粉与纤维素啤酒一起发酵为啤酒；
蒸馏所述啤酒从而将醇与固体和液体分离；
除去所述醇中的水分；以及
向所述醇中添加变性剂以生成生物燃料。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述现有装置系统中由所述谷物的淀粉与纤维素啤酒一起发酵为啤酒；
蒸馏所述啤酒从而将醇与固体和液体分离；
将所述固体和所述液体分离为湿饼和浓缩物；以及
生产酒糟。
7.一种处理纤维素原料的方法，所述方法包括：
通过将所述纤维素原料的组分分离为大颗粒料流和小颗粒料流来分提所述纤维素原料；
在罐中通过向所述大颗粒料流添加水来预处理所述大颗粒料流以形成低固浆料，所述低固浆料中的固体百分比占小于约25％；
直接注射蒸汽至所述低固浆料以提高所述低固浆料的温度；
向加热的所述低固浆料中添加化学品以导致形成反应区；以及水解和发酵所述低固浆料以生产纤维素啤酒。
8.如权利要求7所述的方法，所述水包含至少一种以下物质：蒸发器冷凝物、预处理冷凝物、来自闪蒸罐的蒸汽或来自侧线提馏塔底部的蒸汽。
9.如权利要求7所述的方法，其中，提高温度包括约355K至约478K。
10.如权利要求7所述的方法，所述化学品包含硫酸、磷酸或硝酸中的至少一种。
11.如权利要求7所述的方法，所述水解和发酵包括在水解中使用纤维素酶复合混合物并在发酵中使用生物体以最大化纤维素生物燃料的生产。
12.如权利要求7所述的方法，所述水解将所述低固浆料中的纤维素和半纤维素转化成糖，将至少80％的所述纤维素转化为葡萄糖并将至少70％的所述半纤维素转化为单体组分。
13.如权利要求7所述的方法，所述水解和发酵的时间小于60小时。
14.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括在所述反应区后在闪蒸罐中添加碱以中和所述低固浆料，所述碱包含无水氨、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙、废碱或氨水中的至少一种。
15.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
蒸馏所述纤维素啤酒从而将醇与固体和液体分离；
除去所述醇中的水分；以及
向所述醇中添加变性剂以生成纤维素生物燃料。
16.一种方法，包括：
通过添加热和酸以分解纤维素和半纤维素并使用碱进行中和来预处理纤维素原料；以及
通过添加酶将纤维素和半纤维素转化为糖来水解经预处理的原料并使用生物体发酵所述经预处理的原料以生成发酵产物。
17.如权利要求16所述的方法，所述酶包含纤维素酶、高水平的β-葡糖苷酶和半纤维素酶的复合混合掺混物。
18.如权利要求16所述的方法，所述碱的量和类型由所述发酵中氮的需求确定。
19.如权利要求16所述的方法，所述生物体是转基因酿酒酵母。
20.如权利要求16所述的方法，所述水解和发酵包括以下至少一种：混合型水解和发酵，单独的水解和发酵，或同时糖化和发酵。
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