KR20120108009A - 알코올 회수 및 증류 폐액 부산물의 농축을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

알코올 회수 및 증류 폐액 부산물의 농축을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

발효 공급물로부터 알코올, 특히 부탄올을 분리하고, 묽은 증류 폐액(thin stillage)을 시럽으로 농축하기 위한 시스템 및 방법은 멀티-트레인(train)의 멀티-효용 증발 시스템 내에서 묽은 증류 폐액의 농축으로부터 생성된 스팀에 의해서 공급된 열과 함께 하나 이상의 알코올 회수 증류 컬럼을 작동시키는 것을 포함한다.

Description

알코올 회수 및 증류 폐액 부산물의 농축을 위한 시스템 및 방법{Systems And Methods For Alcohol Recovery And Concentration Of Stillage By-products}
관련-출원과의 상호 참조
본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되며, 2009년 12월 21일 출원된 미국 가출원 제61/288,439호의 우선권 이익을 주장한다.
본 발명은 발효 공정에서 생성된 알코올을 회수하고, 증류 폐액(stillage) 부산물을 농축시키는 방법, 특히 증류 폐액 부산물로부터 물을 증발시켜 생성된 폐열을 사용하여 알코올을 회수하기 위한 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 에탄올의 제조를 위한 연료 등급의 알코올 제조 공정은 전형적으로는 물 및 밀링된 곡물의 혼합물을 발효시켜, 알코올, 상부 생성물로서 알코올을 회수하기 위한 발효된 혼합물의 증류물, 및 곡물 고형물과 물 중에 용해된 고형물의 묽은 증류 폐액을 포함하는 알코올 제조(distillery) 하부 부산물을 산출하는 것을 포함한다. 알코올 제조 부산물을 전형적으로는 이것으로부터 물을 증발시켜 농축하여, 가축용의 값비싼 사료인 용해성 증류 건식 곡물 (Distiller's Dried Grains with Solubles, DDGS)을 산출한다.
보다 경제적으로 연료 등급의 알코올 생성물을 제조하기 위해서는, 알코올 제조 공정에서 다양한 단계를 작동시키기 위해서 필요한 외부 에너지 및 물을 감소시키는 것이 바람직하다. 이는 예를 들어, 한 단위 작업의 폐열을 공정의 다른 단위 작업에서 사용하기 위한 열원으로 통합시키고, 공정 대 공정 열 교환, 및 폐수 스트림을 그 공정으로 다시 재순환시킴으로써 성취될 수 있다. 예를 들어, 반더 그리엔드(Vander Griend)의 미국 특허 제7,297,236호에는, 묽은 증류 폐액을 농축시켜 생성된 스팀이 발효된 혼합물의 증류 작업을 위한 열을 제공할 수 있는 에탄올 제조 공정이 기재되어 있다.
미국 특허 제7,297,236에 기재된 에탄올 제조 공정에서, 일렬 배열의 4개의 제1 효용 증발기 및 4개의 제2 효용 증발기가 묽은 증류 폐액을 농축하고, 제2 효용 증발기로부터의 제2 효용 스팀을 사용하여 공정의 증류 구획을 작동시킨다. 미국 특허 제 7,297,236에 기재된 바와 같이, 4개의 제1 효용 증발기 및 4개의 제2 효용 증발기를 구비한 예시적인 통상의 건식 그라인드(dry grind) 에탄올 플랜트 (100)의 개요가 도 1에 참고로 기재될 것이다. 도 1에 나타내어진 바와 같이, 에탄올 플랜트 (100)는, 고온수 (104) 및 밀링된 곡물 (102) (예를 들어, 옥수수)이 혼합되어, 가온되고(cooked) 발효조 내의 효모에 의해서 발효된 매쉬(mash)를 형성하여 발효 공급물 (106)을 산출하는 발효 구획 (110)을 포함한다.발효 공급물은 임의의 비-응축성 기체에 대한 탈기기 (도시되지 않음)로 보내지고, 이어서 맥주 컬럼 (120) 내에서 오버헤드(overhead) 에탄올-풍부 증기 (108) (예를 들어, 120 프루프(proof)) 및 맥주 하부 (116)로 분리될 수 있다. 탈기기로부터의 비-응축성 기체는 추가로 가공되어 맥주 컬럼 (120)으로 재공급될 수 있는 응축물 (도시되지 않음)로서 임의의 에탄올을 회수할 수 있고, 기체는 스크러버(scrubber) (도시되지 않음)로 보내진다. 스크러버 물 (도시되지 않음)은 공정의 발효 구획 (110)으로 재순환될 수 있다.
맥주 컬럼 (120)으로부터의 에탄올-풍부 증기 (108)는 고 농도의 에탄올 (예를 들어, 190 프루프)을 갖는 에탄올 증기가 오버헤드 증기 (110)로서 생성되는 정류기 컬럼 (130)에 도입된다. 발효 구획 (110) 내에서 밀링된 곡물 및 물을 가열하여 생성된 스팀 (129)은 또한 정류기 컬럼의 스트리핑(stripping) 구획에 공급되어 컬럼 하부의 액체 중에서 에탄올을 스트리핑하는 것을 도울 수 있다. 190 프루프의 에탄올 증기 (110)는 응축되고 구획 (140)의 발열기를 사용하여 분자체(molecular sieve)에서 탈수되어 높은 등급의 에탄올 증기 생성물 (112) (예를 들어, 199.5 프루프)을 산출한다. 이어서, 에탄올 증기 생성물 (112)은 냉각기/응축기 (145)에 의해서 냉각되고 응축되어 액체 에탄올 생성물 (112'')을 산출한다. 분자체는 흡수된 물을 제거함으로써 재생될 수 있으며, 이는 일부 에탄올을 포함할 수 있다. 제거된 물은 재생 냉각기/응축기 (도시되지 않음)에 의해서 냉각/응축되고, 재생 스트림 (114)을 통해 정류기 (130)로 되돌아갈 수 있다. 비-응축성 기체가 정류기 컬럼 내에 존재하면, 이러한 기체는 회수되고, 또한 스크러버 (도시되지 않음)로 보내질 수 있다.
대부분 물, 용해된 물질 및 밀링된 곡물로부터의 미발효된 고형물을 함유하는 맥주 컬럼 (120)으로부터의 맥주 하부 (116)는 원심분리기 (160)로 보내지고, 증류 곡물 (172)로서 공지된 대부분의 고형물 성분 및 묽은 증류 폐액 (118)으로서 공지된 대부분의 액체 성분으로 분리된다. 묽은 증류 폐액의 일부분 (118')은 발효 구획 (110)의 발효된 혼합물에 재도입되고, 나머지는 플랜트의 증발 구획 (150)에 보내질 수 있다. 증발 구획 (150)에서, 물은 묽은 증류 폐액 (118)으로부터 증발되어 시럽 (158)을 생성한다. 증발 구획은 (각각의 라인 (157)을 통해) 연속적으로 연결된 4개의 제1 효용 증발기 (151, 152, 153 및 154) 및 (각각의 라인 (157)을 통해) 연속적으로 연결된 4개의 제2 효용 증발기 (161, 162, 163 및 164)를 포함한다. 제1 효용기의 3개의 제1 증발기 (151, 152 및 153)는 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기 위한 열원으로서 플랜트 스팀 (190)을 사용하여 작동되고, 네번째 제1 효용 증발기 (154)는 에탄올 증기 생성물 스트림 (112)으로부터 발생된 에탄올 증기 (112')를 사용하여 작동된다. 제1 효용 증발기는 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 물을 증발시켜 중간 증류 폐액 (156)을 생성한다. 중간 증류 폐액 (156)은 첫번째 제2 효용 증발기 (161)로 보내지고, 이어서 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 물을 증발시켜 시럽 (158)을 생성하는 이후의 제2 효용 증발기 (162, 163 및 164)로 연속적으로 보내진다. 시럽 (158)은 혼합기 (170) 내에서 증류 곡물 (172)에 추가되어 증류 곡물 건조기 (180) 내에서 건조되어 DDGS를 산출하는 혼합된 공급물 (174)을 생성할 수 있다.
제2 효용 증발기는 제1 효용 증발기에서 발생된 제1 효용 스팀 (192)을 사용하여 작동된다. 제2 효용 증발기에서 발생된 제2 효용 스팀 (194)은 전달되어 맥주 컬럼 (120)의 작동을 위한 열을 제공한다. 증발기로부터의 스팀 응축물은 응축물 라인 (도시되지 않음)을 통해 방출되고, 가열되고, 공정의 발효 구획 (110)으로 재순환될 수 있다. 미국 특허 제 7,297,236호에는 4개의 제1 효용 증발기 (151, 152, 153 및 154) 중 임의의 하나, 및 4개의 제2 효용 증발기 (161, 162, 163 및 164) 중 임의의 하나가 보수를 위해서 오프-라인(off-line)되어, 우회될 수 있도록 증발기로 안내하는 다양한 라인 상에 밸브를 제공하는 것이 기재되어 있다.
다른 알코올을 위한 회수 공정에서, 미국 특허 제 7,297,236호에 기재된 바와 같은 제2 효용 스팀의 사용은 폐열의 효율적인 통합이 아닐 수도 있다. 또한, 미국 특허 제 7,297,236호에 기재된 에탄올 플랜트 (200) 및 에탄올 공정에서와 같이, 다른 알코올의 제조는 증발기를 위한 열원으로서 통합될 수 있는 과열된 알코올 증기 생성물을 산출할 수 없다. 예를 들어, 부탄올은 연료 첨가제로서, 디젤 연료에 대한 블렌드 성분으로서, 플라스틱 산업에서 공급 원료 화학물질로서, 그리고 식품 및 향미료 산업에서 식품등급 추출제로서의 용도와 같은 다양한 응용을 갖는 알코올이다. 부탄올은 에탄올보다 높은 에너지 밀도를 가지며, 표준 내부 연소 엔진에서 연소될 때 단지 CO2 만을 발생시키고 SOX 또는 NOX는 거의 발생시키기 않거나 발생시키기 않기 때문에, 연료 또는 연료 첨가제로서 선호된다. 또한, 부탄올은 에탄올보다 부식성이 덜하며, 현재까지 가장 바람직한 연료 첨가제이다. 매년 4.54 내지 5.44 기가그램 (100 내지 120억 파운드)의 부탄올이 석유화학적 수단에 의해서 생성된다. 부탄올에 대한 예상되는 요구가 증가함에 따라, 옥수수, 사탕수수, 또는 셀룰로오스계 공급물과 같은 재생가능 자원으로부터 발효에 의해 부탄올을 생성하는 데 대한 관심이 증대하고 있다.
부탄올 제조는 소정의 밀링된 곡물 적재량에 대해서 에탄올 제조보다 덜 에너지 효율적일 수 있다. 부탄올 제조 공정에서 발효된 혼합물은 전형적으로는 발효조 내의 부탄올-생성 미생물에 대한 부탄올의 독성 때문에 보다 낮은 농도의 부탄올을 갖는다. 부탄올을 생성하는 발효 공정에서, 현장(in situ) 생성물 제거는 유리하게는 발효 혼합물 중의 부탄올 농도를 제어함으로써 미생물의 부탄올 억제를 감소시키고 발효 속도를 개선한다. 현장 생성물 제거를 위한 기술에는 스트리핑, 흡착, 투과증발(pervaporation), 막 용매 추출, 및 액체-액체 추출이 포함된다. 액체-액체 추출에서는, 추출제는 발효 혼합물과 접촉하여 발효 브로스(fermentation broth)와 추출제 상 사이에 부탄올이 분배된다. 부탄올 및 추출제는 분리 공정에 의해, 예를 들어, 증류에 의해 회수된다. 회수 공정에서는, 추출제의 사용을 통해 발효 브로스로부터 제거되었을 수 있는 임의의 물, 비-응축성 기체 및/또는 발효 부산물로부터 부탄올이 또한 분리될 수 있다. 따라서, 부탄올 제조는 부탄올-함유 추출제 상으로부터 부탄올을 회수하기 위한, 에탄올 제조에는 존재하지 않는 단위 작업을 포함할 수 있다. 더욱이, 부탄올 제조에서는, 부탄올 회수 공정의 증류 구획이 고온 부탄올 증기 생성물을 산출할 수 없다. 또한, 제2 효용 스팀은 부탄올 회수를 위해서 증류 컬럼을 작동시키는데 필요한 것보다 더 많이 가열될 수 있다.
필요한 것은 작업에서 여전히 가요성이면서 에너지 효율적인 알코올, 특히 부탄올을 회수하기 위한 시스템 및 방법이다. 하기의 실시양태의 설명에 의해서 명백할 바와 같이, 본 출원은 이러한 요구 및 다른 요구를 충족시키고, 추가로 관련된 이점을 제공한다.
본 발명은 증류를 사용하여 발효 공급물로부터 알코올을 회수하고, 유사한 크기의 기존의 에탄올 플랜트에서 발견되는 것과는 다른 대안의 구성의 부가적인 증발기를 사용하여 묽은 증류 폐액 부산물을 시럽으로 농축하기 위한 시스템 및 공정을 제공한다. 일 실시양태에서, 본 발명은 증류 폐액 부산물의 농축으로부터 발생된 폐열을 효율적으로 활용하는, 추출제로부터 부탄올을 회수하기 위한 시스템 및 공정을 제공한다. 일 실시양태에서, 본 발명은 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물 중 적어도 일부를 분리하여 (i) 알코올-풍부 증기, 및 (ii) 묽은 증류 폐액을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 생성하는 것을 포함한다.
따라서, 본 명세서는 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물 중 적어도 일부를 분리하여 (i) 알코올-풍부 증기, 및 (ii) 묽은 증류 폐액을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 적어도 2개의 제1 효용 증발기를 사용하여, 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 적어도 2개의 제2 효용 증발기를 사용하여, 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하는 단계; 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 사용하여, 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하는 단계; 및 마지막 효용 증발기에 의해서 생성된 마지막 효용 스팀의 적어도 일부를 사용하여, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계를 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법을 제공한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기, 및 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 2개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제2 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제3 효용 증발기를 포함하고, 연속적으로 배열된 2개의 제4 효용 증발기를 추가로 포함하는 4종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 4개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 4개의 제2 효용 증발기, 및 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 2개 내지 4개의 제3 효용 증발기를 포함한다. 실시양태에서 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이고, 발효 공급물은 용매를 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함하며, 용매는 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, 또는 C12 내지 C22 지방 아미드 중 적어도 하나를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 발효 공급물을 용매-풍부 부분 및 용매-부족 부분 - 용매-부족 부분은 맥주 컬럼 내에서 증류된 발효 공급물의 부분임 -으로 분리하는 단계; 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동되며, 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨 - 내에서 용매-풍부 부분을 분리하여 용매-부족 및 알코올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 생성하는 단계; 마지막 효용 스팀의 일부분을 사용하여, 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급하는 단계를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 방법은 맥주 컬럼 내에 생성된 부탄올-풍부 증기를 응축시켜 제1 부탄올-풍부 액체를 생성하는 단계; 용매 컬럼 내에 생성된 용매-부족 증기를 응축시켜 용매-부족 액체를 생성하는 단계; 제1 부탄올-풍부 액체 및 용매-부족 액체를 합하여 부탄올을 포함하는 액체를 생성하는 단계; 부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 제2 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하는 단계; 및 증류 컬럼 내에서 제2 부탄올-풍부 액체를 증류하여 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 액체 하부 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제1 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다.실시양태에서, 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다.실시양태에서, 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다.실시양태에서, 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 제4 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 방법은 맥주 컬럼 내에 생성된 묽은 증류 폐액을 제1 효용 증발기에 병렬로 공급하는 것을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 방법은 플랜트 스팀을 사용하여, 제1 효용 증발기 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기에 충분한 열을 공급하는 것을 추가로 포함한다.
또한, 본 명세서는 발효 공급물을 수용하기 위한 입구를 가지며, 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 증류 곡물 및 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 주로 물 및 선택적으로는 용매를 포함함 -을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 방출하기 위한 맥주 하부 출구를 갖는 맥주 컬럼;묽은 증류 폐액을 농축하기 위한 멀티-효용 증발 시스템 - 멀티-효용 증발 시스템은 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트 - 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -; 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트 - 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번재 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 마지막 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 마지막 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 -를 포함함 -; 및 마지막 효용 스팀의 적어도 일부분이 맥주 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 마지막 효용 증발기의 마지막 효용 스팀 출구를 맥주 컬럼의 증기 입구에 연결하는 스팀 라인을 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 시스템을 제공한다. 실시양태에서, 시스템은 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기, 및 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 연속적으로 배열된 2개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제2 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제3 효용 증발기를 포함하고, 연속적으로 배열된 2개의 제4 효용 증발기를 추가로 포함하는 4종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 연속적으로 배열된 4개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 4개의 제2 효용 증발기, 및 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 연속적으로 배열된 2개 내지 4개의 제3 효용 증발기를 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 맥주 하부의 증류 곡물로부터 묽은 증류 폐액을 분리하도록 구성된 분리기; 분리기 및 맥주 하부 출구를 연결하는 맥주 하부 라인; 및 분리기 및 첫번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 입구를 연결하는 묽은 증류 폐액 라인을 포함한다. 실시양태에서, 분리기는 원심분리기 또는 필터 프레스이다. 실시양태에서, 시스템은 제1 묽은 증류 폐액 라인에 연결된 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함하며, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기 각각의 증류 폐액 입구는 각각의 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인과 소통하며, 이를 통해 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기는 분리기로부터 묽은 증류 폐액을 병렬로 수용할 수 있다. 실시양태에서, 증기 입구에서의 맥주 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮다. 실시양태에서, 시스템은 용매를 포함하는 발효 공급물의 일부분을 수용하기 위한 입구를 갖는 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 용매-부족 및 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 위한 하부 출구를 가지며, 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동함 -; 및 마지막 효용 스팀의 일부분이 용매 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 마지막 효용 증발기의 마지막 효용 스팀 출구를 용매 컬럼의 증기 입구에 연결하는 제2 스팀 라인 - 여기서, 증기 입구에서 용매 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮음 -을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제2 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제4 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 맥주 컬럼의 상부 출구는 부탄올-풍부 증기를 방출한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함하며, 용매는 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, 또는 C12 내지 C22 지방 아미드 중 적어도 하나를 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 발효 공급 원료로부터의 오일을 포함한다.
따라서, 본 명세서는 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물 중 적어도 일부를 분리하여 (i) 알코올-풍부 증기, 및 (ii) 묽은 증류 폐액을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 적어도 2개의 제1 효용 증발기를 사용하여, 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 적어도 2개의 제2 효용 증발기를 사용하여, 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하는 단계; 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 사용하여, 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하는 단계; 마지막 효용 스팀의 적어도 일부를 사용하여, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계를 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법을 제공한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기, 및 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 2개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제2 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제3 효용 증발기를 포함하고, 연속적으로 배열된 2개의 제4 효용 증발기를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 4개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 4개의 제2 효용 증발기, 및 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 연속적으로 배열된 2개 내지 4개의 제3 효용 증발기를 포함한다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이고, 발효 공급물은 용매를 포함한다. 실시양태에서, 방법은 발효 공급물을 용매-풍부 부분 및 용매-부족 부분 - 용매-부족 부분은 맥주 컬럼 내에서 증류된 발효 공급물의 부분임 -으로 분리하는 단계; 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동되며, 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨 - 내에서 용매-풍부 부분을 분리하여 용매-부족 및 알코올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 생성하는 단계; 및 마지막 효용 스팀의 일부분을 사용하여, 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급하는 단계를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함하며, 용매는 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, 또는 C12 내지 C22 지방 아미드 중 적어도 하나를 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 발효 공급 원료로부터의 오일을 포함한다.
또한, 본 명세서는 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물 중 적어도 일부를 분리하여 (i) 알코올-풍부 증기 및 (ii) 묽은 증류 폐액을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기를 사용하여, 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기를 사용하여, 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 사용하여, 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하는 단계; 및 제3 효용 스팀의 적어도 일부분을 사용하여, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계를 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법을 제공한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함한다. 실시양태에서, 묽은 증류 폐액은 발효 공급 원료로부터 유래된 오일을 포함한다. 실시양태에서, 발효 공급물은 용매를 포함하며, 방법은 발효 공급물을 용매-풍부 부분 및 용매-부족 부분 - 용매-부족 부분은 맥주 컬럼 내에서 증류된 발효 공급물의 부분임 -으로 분리하는 단계; 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동되며, 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨 - 내에서 용매-풍부 부분을 분리하여 용매-부족 및 알코올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 생성하는 단계; 및 제3 효용 스팀의 일부분을 사용하여, 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급하는 단계를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이다. 실시양태에서, 방법은 맥주 컬럼 내에 생성된 부탄올-풍부 증기를 응축시켜 제1 부탄올-풍부 액체를 생성하는 단계; 용매 컬럼 내에 생성된 용매-부족 증기를 응축시켜 용매-부족 액체를 생성하는 단계; 제1 부탄올-풍부 액체 및 용매-부족 액체를 합하여 부탄올을 포함하는 액체를 생성하는 단계; 부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 제2 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하는 단계; 및 증류 컬럼 내에서 제2 부탄올-풍부 액체를 증류하여 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 액체 하부 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
또한, 물 및 밀링된 곡물을 포함하는 혼합물을 발효시켜 부탄올을 함유하는 발효 공급물을 생성하는 단계; 발효 공급물에 용매를 첨가하여 용매-풍부 상 및 용매-부족 상을 포함하는 2-상 혼합물을 생성하는 단계; 용매-부족 상으로부터 용매-풍부 상을 분리하는 단계; 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 용매-부족 상을 증류시켜 (i) 부탄올-풍부 증기, 및 (ii) 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함함 -을 포함하는 부탄올-부족 맥주 하부를 생성하는 단계; 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동되며, 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨 - 내에서 용매-풍부 상을 증류시켜 용매-부족 및 부탄올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 부탄올-부족 액체를 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기를 사용하여, 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기를 사용하여, 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하는 단계; 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 사용하여, 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하는 단계; 제3 효용 스팀의 일부분을 사용하여, 용매 컬럼 내에서 용매-풍부 상을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계; 맥주 컬럼 내에 생성된 부탄올-풍부 증기를 응축시켜 제1 부탄올-풍부 액체를 생성하는 단계; 용매 컬럼 내에 생성된 용매-부족 증기를 응축시켜 용매-부족 액체를 생성하는 단계; 제1 부탄올-풍부 액체 및 용매-부족 액체를 합하여 부탄올을 포함하는 액체를 생성하는 단계; 부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 제2 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하는 단계; 및 증류 컬럼 내에서 제2 부탄올-풍부 액체를 증류시켜 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 액체 하부 생성물을 생성하는 단계를 포함하는, 발효 공급물로부터 부탄올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법을 제공한다. 실시양태에서, 방법은 제3 효용 스팀의 제2 부분을 사용하여, 맥주 컬럼 내에서 용매-부족 상을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계를 추가로 포함한다.
실시양태에서, 제공된 방법은 맥주 하부로부터 고형물을 기계적으로 분리하는 것을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 방법은 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증류시킴으로써 생성된 분리된 고형물 및 시럽을 건조시켜 가축용 사료를 생성하는 것을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 3개의 제1 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제1 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 3개의 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 3개의 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 3개의 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 3개의 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된다. 실시양태에서, 방법은 맥주 컬럼 내에 생성된 묽은 증류 폐액을 3개의 제1 효용 증발기에 병렬로 공급하는 것을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 방법은 플랜트 스팀을 사용하여, 제1 효용 증발기 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기에 충분한 열을 공급하는 것을 추가로 포함한다.
실시양태에서, 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 묽은 증류 폐액 중에 물의 농도 (중량 기준)가 약 1/2 인 물의 농도 (중량 기준)를 갖는 시럽을 생성한다. 실시양태에서, 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 약 40% 내지 약 65%인 물의 농도 (중량 기준)를 갖는 시럽을 생성한다. 실시양태에서, 제3 효용 스팀을 사용하여 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증발시키기에 충분한 열을 공급한다. 실시양태에서, 제3 효용 스팀을 사용하여 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다.
실시양태에서, 방법은 플랜트 스팀을 사용하여 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기 위한 열을 공급하는 것을 추가로 포함하며, 여기서, 플랜트 스팀 및 마지막 효용 스팀의 적어도 일부분은 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다. 실시양태에서, 방법은 플랜트 스팀을 사용하여 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기 위한 열을 공급하는 것을 추가로 포함하며, 여기서, 플랜트 스팀 및 마지막 효용 스팀의 적어도 일부분은 용매 컬럼 내에서 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다.
실시양태에서, 제1 효용 증발기 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시킴으로써 생성된 제1 효용 스팀은 약 137.9 ㎪ (20 psia)의 압력에서 유지되며, 여기서, 제3 효용 증발기 내에서 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시킴으로써 생성된 제3 효용 스팀은 약 64.1 ㎪ (9.3 psia)의 압력에서 유지된다. 실시양태에서, 맥주 컬럼의 상부 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia)의 압력에서 유지된다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 내의 압력 강하는 약 10.3 ㎪ (1.5 psi) 내지 약 13.8 ㎪ (2.0 psi)에서 유지된다. 실시양태에서, 용매 증류 컬럼의 상부 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia)에서 유지된다. 실시양태에서, 용매 컬럼 내의 압력 강하는 약 10.3 ㎪ (1.5 psi) 내지 약 13.8 ㎪ (2.0 psi)에서 유지된다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기 내에서 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시킴으로써 생성된 제3 효용 스팀은 약 80℃ 내지 약 95℃의 온도로 유지된다.
실시양태에서, 마지막 효용 증발기 내에서 물을 증발시킴으로써 생성된 마지막 효용 스팀은 약 80℃ 내지 약 95℃의 온도로 유지된다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시킴으로써 생성된 제1 효용 스팀은 약 105℃ 내지 약 115℃의 온도로 유지된다.
또한, 본 명세서는 발효 공급물을 수용하기 위한 입구를 가지며, 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 증류 곡물 및 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함함 -을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 방출하기 위한 맥주 하부 출구를 갖는 맥주 컬럼; 묽은 증류 폐액을 농축하기 위한 멀티-효용 증발 시스템 - 멀티-효용 증발 시스템은 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트 - 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -; 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트 - 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 세번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 세번째 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 -를 포함함 -; 및 제3 효용 스팀의 적어도 일부분이 맥주 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 제3 효용 증발기의 제3 효용 스팀 출구를 맥주 컬럼의 증기 입구에 연결하는 스팀 라인을 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 시스템을 제공한다. 실시양태에서, 시스템은 맥주 하부의 증류 곡물로부터 묽은 증류 폐액을 분리하도록 구성된 분리기; 분리기 및 맥주 하부 출구를 연결하는 맥주 하부 라인; 및 분리기 및 첫번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 입구를 연결하는 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 분리기는 원심분리기 또는 필터 프레스이다. 실시양태에서, 시스템은 제1 묽은 증류 폐액 라인에 연결된 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함하며, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기 각각의 증류 폐액 입구는 각각의 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인과 소통하며, 이를 통해 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기는 분리기로부터 묽은 증류 폐액을 병렬로 수용할 수 있다. 실시양태에서, 증기 입구에서의 맥주 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮다. 실시양태에서, 시스템은 용매를 포함하는 발효 공급물의 일부분을 수용하기 위한 입구를 갖는 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 용매-부족 및 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 위한 하부 출구를 가지며, 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동함 -; 및 제3 효용 스팀의 일부분이 용매 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 제3 효용 증발기의 제3 효용 스팀 출구를 용매 컬럼의 증기 입구에 연결하는 제2 스팀 라인 - 여기서, 증기 입구에서 용매 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮음 -을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제2 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서 맥주 컬럼의 상부 출구는 부탄올-풍부 증기를 방출한다.
또한, 부탄올 및 용매를 포함하는 발효 공급물을 용매-풍부 부분 및 용매-부족 부분으로 분리하도록 구성된 분리기; 분리기에 유동적으로 연결되고, 발효 공급물의 용매-부족 부분을 수용하는 입구를 갖는 맥주 컬럼 - 맥주 컬럼은 부탄올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 증류 곡물 및 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함함 -을 포함하는 부탄올-부족 맥주 하부를 방출하기 위한 맥주 하부 출구를 가짐 -; 분리기에 유동적으로 연결되고, 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 수용하는 입구를 갖는 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 용매 부족 및 부탄올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 용매-풍부 및 부탄올-부족 액체를 방출하기 위한 하부 출구를 가짐 -; 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구에 유동적으로 연결된 제2 분리기 - 여기서, 제2 분리기는 맥주 하부의 증류 곡물로부터 묽은 증류 폐액을 분리하도록 구성됨 -; 제2 분리기에 유동적으로 연결되고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하도록 구성된 멀티-효용 증발 시스템 - 멀티-효용 증발 시스템은 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트 - 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -; 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트 - 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 세번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀를 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 세번째 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 -를 포함함-; 제3 효용 스팀의 일부분이 용매 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 제3 효용 증발기의 제3 효용 스팀 출구를 용매 컬럼의 증기 입구에 연결하는 스팀 라인 - 여기서, 증기 입구에서 용매 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮음 -; 부탄올-풍부 및 용매-부족 증기를 응축시켜 부탄올을 포함하는 액체를 생성하는, 맥주 컬럼의 상부 출구 및 용매 컬럼의 상부 출구에 유동적으로 연결된 응축기; 부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하는, 응축기에 유동적으로 연결된 경사분리기(decanter); 및 부탄올-풍부 액체를 증류시켜 실질적으로 100 중량%의 부탄올을 생성하도록 구성된, 경사분리기에 유동적으로 연결된 증류 컬럼 - 증류 컬럼은 실질적으로 100 중량%의 부탄올을 방출하는 하부 출구를 가짐 -을 포함하는, 발효 공급물로부터 부탄올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 시스템을 제공한다. 실시양태에서, 시스템은 제3 효용 스팀의 적어도 일부분이 맥주 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 제3 효용 증발기의 제3 효용 스팀 출구를 맥주 컬럼의 증기 입구에 연결하는 제2 스팀 라인을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 분리기와 첫번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 입구를 연결하는 묽은 증류 폐액 라인; 제1 묽은 증류 폐액 라인에 연결된 제2 증류 폐액 라인; 및 제1 묽은 증류 폐액 라인에 연결된 제3 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함하며, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기 각각의 증류 폐액 입구는 각각의 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인과 소통하며, 이를 통해 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기는 제2 분리기로부터 묽은 증류 폐액을 병렬로 수용한다. 실시양태에서, 시스템은 제2 분리기 및 멀티-효용 증발 시스템에 유동적으로 연결된 건조기를 추가로 포함하며, 건조기는 멀티-효용 증발 시스템에 의해서 생성된 맥주 하부의 증류 곡물 및 시럽을 건조하여 가축용 사료를 생성하도록 구성된다. 실시양태에서, 증기 입구에서의 맥주 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮다. 실시양태에서, 맥주 컬럼 및 용매 컬럼 각각은 대기압보다 낮은 압력에서 작동하도록 채택된 응축기를 포함하며, 이로 인해서 각각의 맥주 및 용매 컬럼을 대기압보다 낮은 압력으로 유지한다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제2 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다.
제공된 시스템의 실시양태에서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다.
또한, 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물로부터 알코올을 분리한 부산물로서 얻어짐 -을 시럽으로 농축하기 위한 멀티-효용 증발 시스템을 제공하며, 멀티-효용 증발 시스템은 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트 - 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -; 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트 - 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 세번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 세번째 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 -를 포함한다. 실시양태에서, 제1 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제2 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제3 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다. 실시양태에서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는다.
또한, 물 및 밀링된 곡물을 포함하는 혼합물을 발효시켜 부탄올을 함유하는 발효 공급물을 생성하기 위한 수단; 부탄올-함유 발효 공급물의 적어도 일부분을 수 비혼화성 유기 용매와 접촉시켜 수성 상 및 부탄올-함유 유기 상을 포함하는 2-상 혼합물을 형성하기 위한 수단; 수성 상으로부터 부탄올-함유 유기 상을 분리하기 위한 수단; 대기압보다 낮은 압력에서 수성 상을 분리하여 (i) 부탄올-풍부 증기, 및 (ii) 주로 물을 포함하는 묽은 증류 폐액을 포함하는 부탄올-부족 맥주 하부를 생성하기 위한 수성 상 분리 수단; 대기압보다 낮은 압력에서 부탄올-함유 유기 상을 분리하여 용매-부족 및 부탄올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 부탄올-부족 액체를 생성하기 위한 부탄올-함유 유기 상 분리 수단 - 부탄올-함유 유기 상 수단은 수성 상 분리 수단과 병렬로 작동됨 -; 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하기 위한 수단 - 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기 위한 수단은 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기를 포함함 -; 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성시키기 위한 수단 - 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기 위한 수단은 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기를 포함함 -; 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하기 위한 수단 - 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기 위한 수단은 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함함 -; 제3 효용 스팀의 제1 부분을 사용하여 수성 상 분리 수단 내에서 수성 상을 분리하기에 충분한 열을 공급하기 위한 수단; 및 제3 효용 스팀의 제2 부분을 사용하여 부탄올-함유 유기 상 분리 수단 내에서 부탄올-함유 유기 상을 분리하기에 충분한 열을 공급하기 위한 수단을 포함하는, 발효 공급물로부터 부탄올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 시스템을 제공한다. 실시양태에서, 시스템은 수성 상 분리 수단 내에 생성된 부탄올-풍부 증기를 응축시켜 제1 부탄올-풍부 액체를 생성하기 위한 수단; 부탄올-함유 유기 상 분리 수단 내에서 용매-부족 증기를 응축시켜 용매-부족 액체를 생성하기 위한 수단; 제1 부탄올-풍부 액체 및 용매-부족 액체를 합하여 부탄올을 포함하는 액체를 생성하기 위한 수단; 부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 제2 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하기 위한 수단; 및 제2 부탄올-풍부 액체를 분리하여 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 액체 하부 생성물을 생성하기 위한 수단을 추가로 포함한다. 실시양태에서, 시스템은 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키고, 우회하는 수단을 추가로 포함한다.
본 발명의 추가의 실시양태, 특징 및 이점뿐만 아니라 본 발명의 다양한 실시양태의 구조 및 작업은 첨부된 도면을 참고로 하기 상세한 설명에 기재되어 있다.
본원에 포함되며, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명을 예시하며, 또한 설명과 함께 본 발명의 원칙을 설명하고, 당업계의 숙련인이 본 발명을 실시하고 사용할 수 있도록 한다.
<도 1>
도 1은 연료 등급의 에탄올을 제조하기 위한 통상의 시스템을 예시한다.
<도 2>
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 공정을 실시하기에 유용한 시스템을 예시한다.
<도 3>
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 공정을 실시하기에 유용한 멀티-효용 증발기 시스템을 예시한다.
<도 4>
도 4는 비교예 4의 공정 모델링에서 사용되는 멀티-효용 증발기 시스템을 예시한다.
<도 5>
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 공정을 실시하기에 유용한 멀티-효용 증발기 시스템을 예시한다.
<도 6>
도 6은 본 발명의 일 실시양태에 따른 공정을 실시하기에 유용한 멀티-효용 증발기 시스템을 예시한다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 본 발명에 포함된 정의가 우선될 것이다. 또한, 내용 상 달리 요구되지 않는 한, 단수 용어는 복수를 포함하며, 복수 용어는 단수를 포함한다. 본원에 언급된 모든 공개 공보, 특허 및 다른 참고 문헌은 모든 목적을 위해서 이의 전문이 참고로 포함되어 있다.
본원에 전자적으로 제출된 표는 이들 전체 (표 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 및 14 포함)가 참고로 구체적으로 포함되어 있다.
본 발명을 추가로 정의하기 위해서, 하기 용어 및 정의가 본원에 제공된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "포함한다", "포함하는", "비롯하다", "비롯한", "갖는다", "갖는" "함유한다" 또는 "함유하는" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 임의의 다른 정수 또는 정수의 그룹을 배제하지 않고, 언급된 정수 또는 정수 그룹의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 요소들의 목록을 포함하는 조성물, 혼합물, 공정, 방법, 물품 또는 장치는 반드시 그러한 요소만으로 제한되지는 않고, 명확하게 열거되지 않거나 그러한 조성물, 혼합물, 공정, 방법, 용품, 또는 장치에 내재적인 다른 요소를 포함할 수도 있다. 더욱이, 명백히 반대로 기술되지 않는다면, "또는"은 포괄적인 '또는'을 말하며 배타적인 '또는'을 말하는 것은 아니다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 하기 중 어느 하나에 의해 만족된다: A는 참 (또는 존재함)이고 B는 거짓 (또는 존재하지 않음), A는 거짓 (또는 존재하지 않음)이고 B는 참 (또는 존재함), A 및 B가 모두가 참 (또는 존재함).
본원에서 사용된 바와 같이, 명세서 및 청구항 전체에 걸쳐 사용된 용어 "구성되다," 또는 "구성되는"과 같은 변형은 임의의 언급된 정수 또는 정수 그룹의 포함을 나타내지만, 어떠한 부가적인 정수 또는 정수 그룹도 명시된 방법, 구조 또는 조성물에 부가될 수는 없다.
본원에서 사용된 바와 같이, 명세서 및 청구항 전체에 걸쳐 사용된 용어 "본질적으로 구성되다," 또는 "본질적으로 구성되는"과 같은 변형은 임의의 언급된 정수 또는 정수 그룹의 포함, 명시된 방법, 구조 또는 조성물의 기본적이거나 신규한 특성을 물질적으로 변경하지 않는 임의의 언급된 정수 또는 정수의 그룹의 선택적인 포함을 나타낸다.
또한, 본 발명의 요소 또는 성분 앞의 부정 관사 "a" 및 "an"는 요소 또는 성분의 경우 즉, 출현의 수에 관해서는 비제한적인 것으로 의도된다. 따라서, 부정 관사는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 판독되어야 하며, 요소 또는 성분의 단수형 단어는 그 수가 단수형을 명백하게 의미하는 것이 아니라면 복수형을 또한 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "발명" 또는 "본 발명"은 비제한적인 용어이며, 특정 발명의 임의의 단일의 실시양태를 언급하는 것으로 의도되지 않고, 본 출원에 기술된 바와 같은 모든 가능한 실시양태를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 채용된 발명의 성분 또는 반응물의 분량을 수정하는 용어 "약"은, 예를 들어, 현실에서 농축물 또는 용액을 제조하는데 사용되는 통상적 측정 및 액체 취급 과정; 이들 과정에서의 우발적인 오차; 조성물을 제조하거나 방법을 실행하기 위해 채용된 성분의 제조, 공급원 또는 순도의 차이; 등을 통해서 발생될 수 있는 수치의 차이를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 용어 "약"은 또한 특정 초기 혼합물로부터 유발되는 조성물에 대한 상이한 평형 조건으로 인해 달라지는 양을 포함한다. 용어 "약"에 의한 수정 여부를 불문하고, 청구범위는 분량의 균등물을 포함한다. 한 구현예에서, 용어 "약"은 보고된 수치의 10% 이내, 바람직하게는 보고된 수치의 5% 이내를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "부탄올"은 구체적으로 부탄올 이성체인, 1-부탄올(1-BuOH) 및/또는 아이소부탄올(iBuOH 또는 I-BUOH)을 개별적으로 또는 그 혼합물로 지칭한다. 2-부탄올 및 tert-부탄올(1,1-다이메틸 에탄올)은 특히 본 발명의 실시로부터 배제된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "생성물 제거"는 발효와 같은 생물학적 공정으로부터 특정 발효 생성물을 선택적으로 제거하여 생물학적 공정에서의 생성물 농도를 제어하는 것을 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같이 "발효 브로스"는 물, 당, 용해된 고형물, 현탁된 고형물, 알코올을 생성하는 미생물, 생성물 알코올 및 발효 용기에 담긴 물질의 모든 다른 구성성분의 혼합물을 의미하며, 여기서, 생성물 알코올은 존재하는 미생물에 의한 알코올, 물 및 이산화탄소 (CO2)로의 당의 반응의 반응에 의해서 제조된다. 가끔, 본원에서 사용된 바와 같이 용어 "발효 배지" 및 "발효된 혼합물"은 "발효 브로스"와 동의어로 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "발효 용기"는 당으로부터 생성물 부탄올이 제조되는 발효 반응이 수행되는 용기를 의미한다. 용어 "발효조"는 본 명세서에서 "발효 용기"와 동의어로 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이 용어 "효과적인 역가"는 발효 배지 1 L 당 발효에 의해서 생성되는 특정 알코올 (예를 들어, 부탄올)의 총 양을 나타낸다. 부탄올의 총 양에는 (i) 발효 배지 중의 부탄올의 양; (ii) 유기 추출제로부터 회수된 부탄올의 양; 및 (iii) 기체 스트리핑이 사용되는 경우, 기체 상으로부터 회수된 부탄올의 양이 포함된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "수성 상 역가"는 발효 브로스 중의 특정 알코올 (예를 들어, 부탄올)의 농도를 나타낸다.
본원에서 사용된 바와 같이 "스트리핑"은 휘발성 성분의 모두 또는 일부를 액체 스트림으로부터 기체 스트림으로 이동시키는 작용을 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같이 "스트리핑 섹션"은 스트리핑 작업이 일어나는 접촉 장치의 부분을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "정류"는 더 낮은 비등점의 성분을 더 높은 비등점의 성분으로부터 분리하고 정제하기 위하여, 응축성 성분의 전부 또는 일부를 기체 스트림으로부터 액체 스트림 내로 이동시키는 작용을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "정류 섹션"은 정류 작용이 일어나는, 공급 지점 위의 증류 컬럼의 섹션, 즉 공급 스트림이 들어가는 컬럼의 지점 위에 위치하는 트레이 또는 패킹 물질을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "분리"는 "회수"와 동의어이며, 초기 혼합물 중 화학적 화합물의 순도 또는 농도보다 더 큰 순도 또는 더 높은 농도로 상기 화합물을 얻도록 초기 혼합물로부터 상기 화합물을 제거하는 것을 지칭한다.
용어 "수-비혼화성"은 추출제 또는 용매와 같은 화학적 성분이, 하나의 액체 상을 형성하는 것과 같은 방식으로, 발효 브로스와 같은 수용액과 혼합될 수 없음을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "추출제"는 부탄올을 발효 브로스로부터 추출하는 데 사용되는 하나 이상의 유기 용매를 지칭한다. 가끔, 본원에서 사용된 바와 같이 용어 "용매"는 "추출제"와 동의어로 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이 "발효 공급물"은 일반적으로 발효 브로스를 의미하며, 발효 추출을 포함하는 본원에 기재된 공정의 일 실시양태에서는, "발효 공급물"은 발효 브로스를 수-비혼화성 유기 추출제와 접촉시켜 얻은 2상 혼합물을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "수성 상"은 발효 브로스를 수-비혼화성 유기 추출제와 접촉시켜 얻어지는 2상 혼합물의 수성 상을 지칭한다. 발효 추출을 포함하는 본원에 기재된 공정의 일 실시양태에서, 이어서, 용어 "발효 브로스"는 구체적으로 2상 발효 추출에서의 수성 상을 나타내며, 용어 "발효 공급물의 용매-부족 부분" 및 "용매-부족 상"은 "수성 상" 및 "발효 브로스"와 동의어로 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "유기 상"은 발효 브로스와 수-비혼화성 유기 추출제를 접촉시켜 얻어지는 2상 혼합물의 비수성 상을 지칭한다. 가끔, 본원에서 사용된 바와 같이 용어 "발효 공급물의 용매-풍부 부분" 및 "용매-풍부 상"은 "유기 상"과 동의어로 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "지방산"은 포화되거나 불포화된, C7 내지 C22 탄소 원자의 긴 지방족 사슬을 갖는 카르복실산을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "지방 알코올"은 포화되거나 불포화된, C7 내지 C22 탄소 원자의 긴 지방족 사슬을 갖는 알코올을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "지방 알데히드"는 포화되거나 불포화된, C7 내지 C22 탄소 원자의 긴 지방족 사슬을 갖는 알데히드를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 "지방 아미드"는 포화되거나 불포화된, C12 내지 C22 탄소 원자의 긴 지방족 사슬을 갖는 아미드를 지칭한다.
"비-응축성 기체"는 본 명세서에 기재된 방법의 작동 온도에서 응축되지 않는 기체를 의미한다. 그러한 기체는 예를 들어, 이산화탄소, 질소, 수소, 비활성 기체, 예컨대, 아르곤, 또는 이들의 임의의 혼합물로 이루어진 군의 기체로부터 선택될 수 있다.
본 발명은 증류를 사용하여 발효 공급물로부터 알코올을 회수하고, 3차 또는 실시양태에서는 4차 효용 증발 시스템을 사용하여 묽은 증류 폐액 부산물을 시럽으로 농축하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템 및 공정은 도 2와 도 3뿐만 아니라 도 5와 도 6에 참고로 기재될 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 3개 트레인의 3차 효용 증발 시스템 (280)을 예시한다. 도 2는 도 3의 예시적인 멀티-효용 증발 시스템 (280)으로부터 생성된 폐열이 알코올을 회수하기 위한 증류 작업에 통합되는, 알코올을 회수하고, 묽은 증류 폐액을 농축하기 위한 예시적인 시스템 (200)을 예시한다. 특히, 도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따라서, 추출성 발효 및 추출제 회수를 포함하고, 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 생성물을 산출하는 예시적인 공정에 따라서 부탄올을 회수하기 위한 시스템을 예시한다. 도 2는 예시적인 부탄올 회수 공정에 대한 참고로 기재되며, 회수될 특정 알코올에 따라서, 이의 단위 작업 및 공정 세팅은 도 2의 예시적인 부탄올 공정으로부터 변형될 수 있지만, 이러한 다른 알코올 회수 시스템은 도 3, 도 5, 또는 도 6의 멀티-효용 증발 시스템 및 본원에 기재된 바와 같이 이것과 연관된 열 통합을 여전히 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 2를 참고하면, 적어도 하나의 발효가능한 탄소 공급원 (예를 들어, 밀링된 옥수수) 및 물을 포함하는 매쉬되고 가온된 혼합된 공급물 (202)이 발효조 (210)로 도입되고, 발효조는 적어도 하나의 유전자 변형 (즉, 유전자 조작) 미생물 (도시되지 않음)을 함유하여 생합성 경로를 통해서 적어도 하나의 발효가능한 탄소 공급원으로부터 부탄올을 생성한다. 특히, 미생물은 적합한 탄소 기질이 함유된 발효 배지 내에서 성장할 수 있다. 추가의 탄소 기질은 단당류, 예를 들어 프룩토오스, 올리고당, 예를 들어 락토오스, 말토오스, 갈락토오스 또는 수크로오스, 다당류, 예를 들어 전분 또는 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물과, 재생가능한 공급재료로부터의 정제되지 않은 혼합물, 예를 들어 치즈 유장 투과물, 옥수수 침지액, 사탕무, 당밀 및 보리 누룩을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 다른 탄소 기질은 에탄올, 락테이트, 숙시네이트 또는 글리세롤을 포함할 수 있다.
또한, 탄소 기질은 1-탄소 기질, 예를 들어, 이산화탄소, 또는 중요 생화학적 중간체로의 대사적 전환이 입증된 메탄올일 수도 있다. 메틸로트로픽 유기체(methylotrophic organism)는 또한, 1원자 탄소 및 2원자 탄소 기질 외에 다수의 다른 탄소 함유 화합물, 예를 들어 메틸아민, 글루코사민 및 다양한 아미노산을 대사 활성에 이용하는 것으로 공지되어 있다. 예를 들어, 메틸로트로픽 효모는 메틸아민 유래의 탄소를 이용하여 트레할로스 또는 글리세롤을 형성하는 것으로 공지되어 있다 (문헌 [Bellion et al., Microb. Growth C1 Compd., [Int. Symp.], 7th (1993), 415-32, Editor(s): Murrell, J. Collin; Kelly, Don P. Publisher: Intercept, Andover, UK]). 마찬가지로, 다양한 종의 칸디다는 알라닌 또는 올레산을 대사작용한다(문헌 [Sulter et al., Arch. Microbiol. 153:485-489 (1990)]). 그러므로, 본 발명에 이용되는 탄소 공급원은 광범위한 탄소 함유 기질을 포함할 수 있으며 유기체의 선택에 의해서만 한정되는 것으로 생각된다.
상술된 탄소 기질 및 이의 혼합물 모두가 본 발명에 적합한 것으로 고려되지만, 일부 실시양태에서, 탄소 기질은 글루코오스, 프룩토오스 및 수크로오스, 또는 C5 당을 사용하도록 변형된 효모 세포를 위한 자일로오스 및/또는 아라비노오스와 같은 C5 당과의 이들의 혼합물이다. 수크로스는 재생산가능한 당 공급원, 이를 테면 사탕수수, 사탕무, 카사바(cassava), 단 수수(sweet sorghum) 및 이들의 혼합물로부터 유래될 수 있다. 글루코스 및 덱스트로스는 옥수수, 밀, 호밀, 보리, 귀리 및 이들의 혼합물과 같은 곡물을 비롯한 전분 계의 공급 원료의 당화를 통하여 재생산가능한 곡물 공급원으로부터 유래될 수 있다. 또한, 발효가능한 당은 예를 들어 참고로 본원에 도입된 미국 특허 공보 제20070031918 A1호에 기재된 바와 같이, 전처리 및 당화의 공정을 통해서 재생가능한 셀룰로스계 또는 리그노셀룰로스계 바이오매스로부터 유래될 수 있다. 바이오매스는 임의의 셀룰로스계 또는 리그노셀룰로스계 물질을 말하며, 셀룰로스를 포함하며, 선택적으로 헤미셀룰로스, 리그닌, 전분, 올리고당 및/또는 단당류를 추가로 포함하는 물질을 포함한다. 바이오매스는 또한 단백질 및/또는 지질과 같은 추가의 성분을 포함할 수 있다. 바이오매스는 단일의 공급원으로부터 유래할 수 있거나, 바이오매스는 1가지 초과의 공급원으로부터 유래된 혼합물을 포함할 수 있으며; 예를 들어, 바이오매스는 옥수수 속대 및 옥수수 대의 혼합물, 또는 풀과 잎의 혼합물을 포함할 수 있다. 바이오매스는 바이오에너지 작물, 농업 잔류물, 도시 고형 폐기물(municipal solid waste), 산업 고형 폐기물, 제지 제조로부터의 슬러지, 마당 폐기물(yard waste), 나무 및 삼림지 폐기물을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 바이오매스의 예는, 옥수수 낟알, 옥수수 속대, 옥수수 잔류물, 이를 테면 옥수수 껍질, 옥수수 대, 풀, 밀, 밀짚, 보리, 보릿짚, 건초, 볏짚, 스위치그래스(switchgrass), 폐지, 사탕수수 버개스(bagasse), 수수, 콩, 낟알의 제분으로부터 수득된 성분, 나무, 가지, 뿌리, 잎, 나뭇조각, 톱밥, 관목 및 떨기나무, 야채, 과실, 꽃, 동물 퇴비 및 이들의 혼합물을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
적절한 탄소 공급원 외에, 발효 배지는 적합한 미네랄, 염, 보조인자, 완충액 및 효소 경로의 촉진 및 배양물의 성장에 적합한, 당업자에게 공지된 기타 성분을 포함하여야 한다.
생합성 경로를 통해 부탄올을 생성하기 위한 유전자 병형 미생물에는 클로스트리듐(Clostridium), 지모모나스(Zymomonas), 에스케리키아(Escherichia), 살모넬라(Salmonella), 세라티아(Serratia), 에르위니아(Erwinia), 클레브시엘라(Klebsiella), 시겔라(Shigella), 로도코쿠스(Rhodococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 바실루스(Bacillus), 락토바실루스(Lactobacillus), 엔터로코쿠스(Enterococcus), 알칼리지네스(Alcaligenes), 클레브시엘라(Klebsiella), 파에니바실루스(Paenibacillus), 안트로박터(Arthrobacter), 코리네박테리움(Corynebacterium), 브레비박테리움(Brevibacterium), 스키조사카로마이세스(Schizosaccharomyces), 클루이버로마이세스(Kluyveromyces), 야로위아(Yarrowia), 피치아(Pichia), 칸디다(Candida), 한세눌라(Hansenula), 이사트켄키아(Issatchenkia) 또는 사카로마이세스(Saccharomyces) 속의 군이 포함될 수 있다. 일 실시양태에서, 유전자 변형 미생물은 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli), 락토바실루스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 및 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 일 실시양태에서, 유전자 변형 미생물은 사카로마이세스(Saccharomyces), 지고사카로마이세스(Zygosaccharomyces), 스키조사카로마이세스, 데케라(Dekkera), 토룰로프시스(Torulopsis), 브레타노마이세스(Brettanomyces), 및 일부 칸디다 종으로부터 선택된 크랩트리(crabtree)-양성 효모이다. 크랩트리-양성 호모 종에는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae), 사카로마이세스 클루이베리(Saccharomyces kluyveri), 스키조사카로마이세스 폼베(Schizosaccharomyces pombe), 사카로마이세스 바야누스(Saccharomyces bayanus), 사카로마이세스 미키태(Saccharomyces mikitae), 사카로마이세스 파라독서스(Saccharomyces paradoxus), 지고사카로마이세스 로욱시(Zygosaccharomyces rouxii), 및 칸디다 글라브라타(Candida glabrata)가 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2의 시스템 (200)에서, 부탄올은 2-상 추출 발효 방법을 사용하여 발효 배지로부터 회수된다. 추출 발효를 사용하여 발효 브로스로부터 부탄올을 생성하고 회수하는 방법은 2009년 6월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/478,389호, 2010년 4월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/758870호, 및 2009년 8월 6일자로 출원된 미국 가출원 제 61/231,699호에 상세히 기재되어 있으며, 방법은 발효 브로스를 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, C12 내지 C22 지방 아미드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 수 비혼화성 유기 추출제와 접촉시켜 수성 상 및 부탄올-함유 유기 상을 포함하는 2-상 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. "접촉"은 발효 배지와 유기 추출제를 발효 과정 중 언제든지 물리적으로 접촉시키는 것을 의미한다. 적합한 추출제의 예에는 올레일 알코올, 베헤닐 알코올, 세틸 알코올, 라우릴 알코올, 미리스틸 알코올, 스테아릴 알코올, 올레산, 라우르산, 미리스트산, 스테아르산, 메틸 미리스테이트, 메틸 올레에이트, 라우르 알데히드, 1-노난올, 1-데칸올, 1-운데칸올, 2-운데칸올, 1-노난알, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함하는 추출제가 포함된다. 일 실시양태에서, 추출제는 올레일 알코올을 포함한다. 이들 유기 추출제는 다양한 판매처, 이를 테면 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich) (미국 미주리주 세인트 루이스 소재) 로부터 다양한 등급으로 상업적으로 입수가능하며, 이중 다수는 부탄올을 생성하거나 회수하기 위한 추출 발효에 사용하기에 적합하다. 공업용 등급은 원하는 성분과, 고급 및 저급 지방 성분을 포함하는 화합물의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 하나의 상업적으로 입수할 수 있는 공업용 등급 올레일 알코올은 약 65% 올레일 알코올과 고급 및 저급 지방 알코올의 혼합물을 포함한다. 본원에 기재된 시스템 및 방법과 함께 사용하기에 적합한 부가적인 방법은 미국 가출원 일련번호 제61/368,429호 및 제61/379,546호에 개시되어 있다.
도 2를 참고하면, 발효 배지 (204)는 연속적으로 또는 주기적 기준으로 발효조 (210)로부터 제거되고, 추출제 (255)가 발효 배지 (204)에 첨가되어 발효 배지를 추출제 (255)와 접촉시킴으로써 얻어진 2상 혼합물 (205)을 얻는다. 2상 혼합물은 용기 (215)에 도입되며, 여기서 수성 상과 유기 상의 분리가 수행되어 부탄올-함유 유기 상 (208) 및 수성 상 (206)을 생성한다. 추출제 (255)는 전형적으로 이를 발효 브로스로부터의 부탄올 추출에 유용하게 만드는 특징을 갖는 수-비혼화성 유기 용매 또는 용매 혼합물이다. 일 실시양태에서, 추출제 (255)는 C7 내지 C22 지방 알코올, C7 내지 C22 지방산, C7 내지 C22 지방산의 에스테르, C7 내지 C22 지방 알데히드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함한다.
추출제는, 부탄올 수용액의 실온 추출에서 평가될 때, 예를 들어, 추출제 상에서의 부탄올의 농도가 수성 상에서의 농도의 적어도 1.1배가 되도록, 적어도 1.1:1의 농도 비로, 수성 상으로부터 부탄올을 우선적으로 분배시킨다. 다른 실시양태에서, 추출제는, 부탄올 수용액의 실온 추출에서 평가될 때, 추출제 상에서의 부탄올의 농도가 수성 상에서의 농도의 적어도 2배가 되도록, 적어도 2:1의 농도 비로, 수성 상으로부터 부탄올을 우선적으로 분배시킨다. 유기 추출제에 의한 부탄올 생성물의 추출은 발효 배지로부터 세포를 제거하거나 또는 제가하지 않고 수행될 수 있다. 세포는 여과 또는 원심분리를 포함하나 이에 한정되지 않는 해당 분야에 공지된 수단에 의해 발효 배지로부터 제거될 수 있다. 추출제 (255)는 용기 (215)에 도입하기 전에 분리 용기 (도시되지 않음) 내의 발효 배지 (204)에 첨가될 수 있거나 또는 대안적으로는 추출제 (255)는 용기 (215)에 도입한 후 발효 배지 (204)와 접촉되어 2상 혼합물 (205)을 얻을 수 있고, 이어서 이것은 유기 상 및 수성 상으로 분리된다. 부탄올-함유 유기 상 (208)은 사이포닝(siphoning), 경사분리(decantation), 중력 침강기를 사용하는 원심분리, 막-보조 상 분리 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 당 기술 분야에 공지된 방법을 사용하여 2상 발효 배지의 수성 상 (206)으로부터 분리된다.
도 2의 시스템 (200)에서, 부탄올은 발효조 (210)의 발효 배지 다운스트림으로부터 추출된다. 대안적으로, 2-상 추출 발효 방법은 발효조 내에서 배치식 모드로 또는 연속식 모드로 현장에서 수행될 수 있다. 현장 추출 발효의 경우, 유기 추출제는 2상 발효 배지를 형성하는 발효의 초반부에 발효 배지를 접촉할 수 있다. 대안적으로, 유기 추출제는 미생물이 배양물의 광학 밀도를 측정함으로써 결정될 수 있는 원하는 양의 성장을 이룬 후에 발효 배지와 접촉할 수 있다. 또한, 유기 추출제는 발효 배지 중의 부탄올 수준이 미리선택된 수준에 도달하는 때에, 예를 들어 부탄올 농도가 독성 수준에 도달하기 이전에, 발효 배지와 접촉할 수 있다. 발효 배지와 유기 추출제를 접촉시킨 후에, 부탄올 생성물은 유기 추출제로 분배되어, 미생물을 함유하는 수성 상 중의 농도가 감소되고, 이에 의해 저해성 부탄올 생성물에 대한 생산 미생물의 노출이 제한된다. 사용되는 유기 추출제의 부피는 후술되는 바와 같이 발효 배지의 부피, 발효조의 크기, 부탄올 생성물에 대한 추출제의 분배 계수 및 선택되는 발효 방식을 비롯한 많은 인자에 따라 달라진다. 유기 추출제의 부피는 발효조 작업 부피(working volume)의 약 3% 내지 약 60%일 수 있다.
현장 추출 발효의 연속식 모드에서, 일 실시양태에서, 추출제 (255)는 발효조 (210)로 도입되어 그 내에 발효조 (210)로부터 바로 나온 수성 상 스트림 (206) 및 부탄올-함유 유기-상 스트림 (208)을 갖는 2상 혼합물 (205)을 얻을 수 있다. 다른 실시양태에서, 발효 배지 및 부탄올-함유 유기 추출제의 혼합물은 발효조로부터 제거되고, 이어서, 부탄올-함유 유기 상은 수성 상으로부터 분리된다. 발효 배지는 발효조로 재순환되거나 새로운 배지로 교체될 수 있다. 이어서, 추출제는 처리되어 부탄올 생성물을 회수하고, 이어서, 추출제는 생성물의 추가 추출을 위해서 발효조로 다시 재순환될 수 있다. 대안적으로, 제거된 추출제를 대체하기 위하여 새로운 추출제가 발효조에 연속적으로 첨가될 수 있다. 일 실시양태에서, 유기 추출제의 부피는 발효조 작업 부피의 약 3% 내지 약 50%일 수 있고, 다른 실시양태에서는 약 3% 내지 약 30%, 다른 실시양태에서는 3% 내지 약 20%이고,다른 실시양태에서는 3% 내지 약 10%이다. 생성물이 반응기로부터 연속적으로 제거되기 때문에, 더 적은 부피의 유기 추출제가 필요하며, 더 많은 부피의 발효 배지가 사용될 수 있게 한다.
현장 추출 발효의 배치식 모드에서, 일정 부피의 유기 추출제가 발효조에 첨가되어 2-상 혼합물을 형성하고, 추출제는 공정 동안 제거되지 않는다. 이 모드는 발효 배지 내의 억제적 부탄올 생성물의 농도를 최소화 하기 위해서 더 많은 부피의 유기 추출제를 요구한다. 결과적으로, 연속식 모드를 사용하여 수득된 것보다 발효 배지의 부피가 더 적으며, 생산되는 생성물의 양이 더 적다. 예를 들어, 배치식 모드의 유기 용매의 부피는 일 실시양태에서는 발효조 작업 부피의 20% 내지 약 60%이며, 다른 실시양태에서는, 약 30% 내지 약 60%일 수 있다.
기체 스트리핑 (도시되지 않음)은 발효 배지로부터 부탄올 생성물을 제거하기 위해서 유기 추출제와 동시에 사용될 수 있다. 기체 스트리핑은 공기, 질소 또는 이산화탄소와 같은 기체를 발효 배지를 통해 통과시켜, 부탄올-함유 기체 상을 형성함으로써 수행될 수 있다. 부탄올 생성물은 부탄올을 응축시키기 위해 차가운 워터 트랩(water trap)을 사용하거나 기체 상을 용매로 스크러빙(scrubbing)하는 것과 같은 해당 분야에 공지된 방법을 사용하여, 부탄올-함유 기체 상으로부터 회수될 수 있다. 기체 스트리핑을 사용하여 발효 중 부탄올 농도를 제어하기 위한 방법은 공히 계류중이고 공동 소유인 2008년 12월 12일자로 출원된 국제 공개 출원 제WO 2009/079362호에 상세히 기재되어 있다.
추출의 효율성에 따라서, 발효 배지 중의 부탄올의 수성 상 역가는 예를 들어, 약 5 g/L 내지 약 85 g/L, 약 10 g/L 내지 약 40 g/L, 약 10 g/L 내지 약 20 g/L, 약 15 g/L 내지 약 50 g/L 또는 약 20 g/L 내지 약 60 g/L일 수 있다. 이론에 의한 제한없이, 더 높은 부탄올 역가는 추출 발효 방법으로 얻어질 수 있으며, 어느 정도는 발효 배지로부터 독성 부탄올 생성물을 제거하여 미생물에 대한 독성 수준 미만으로 유지하는 것에서 야기된다고 여겨진다.
아이소부탄올은 변형된 에스케리키아 콜라이 또는 사카로마이세스 세레비지에 변형체를, 예를 들어, 유기 추출제로서의 올레일 알코올과 병용 사용하여 추출 발효에 의해서 생성되어, 일 실시양태에서는 발효 배지 1 L 당 22 g을 초과하는 효과적인 역가를 성취할 수 있으며, 다른 실시양태에서는 발효 배지 1L 당 적어도 25 g, 다른 실시양태에서는 발효 배지 1L 당 적어도 30 g, 다른 실시양태에서는 적어도 발효 배지 1L 당 적어도 32 g , 다른 실시양태에서는 발효 배지 1L 당 적어도 35 g, 다른 실시양태에서는 발효 배지 1L 당 적어도 37 g, 다른 실시양태에서는 발효 배지 1L 당 적어도 40 g의 효과적인 역가를 성취할 수 있다. 기체 스트리핑과 병용하여 추출제로서 올레일 알코올을 사용하는 것은 비록 단독의 기체 스트리핑이 부탄올을 독성 수준 미만으로 유지하는 데 효과적일지라도 단독의 기체 스트리핑보다 상당히 더 큰 역가를 제공할 수 있다. 올레일 알코올을 포함하거나 본질적으로 이로 구성되는 유기 추출제는 또한 개선된 역가를 제공할 수 있다.
상술된 수단에 의한 추출제로부터의 발효 배지의 분리 후에, 발효 배지는 발효조로 재순환되거나, 폐기되거나 임의의 남아있는 부탄올 생성물의 제거를 위해 처리될 수 있다. 도 2의 실시양태에서, 추출제로부터 발효 배지를 분리한 후, 수성 상 (206)은 공급물 스트림 (212) 및 재순환 스트림 (214)으로 분리된다. 재순환 스트림 (214)은 발효 배지의 일부분을 발효조 (210)에 되돌아가게 한다. 유사하게, 유기 추출제와 접촉하기 전에, 셀을 발효 배지로부터 제거하는 경우, 단리된 셀 (도시되지 않음)은 또한 발효조로 재순환될 수 있다. 발효 배지의 공급물 스트림 (212)은 탈기되어 비-응축성 기체 (266)의 적어도 일부분을 이로부터 제거할 수 있으며, 하기에 더 상세히 개시될 바와 같이, 탈기된 공급물 스트림 (212')은 임의의 남아있는 부탄올 생성물의 회수를 위해서 맥주 증류 컬럼 (220)으로 도입된다. 제거된 비-응축성 기체 (266)는 스크러버 (도시되지 않음)로 보내질 수 있다.
발효 배지로부터 부탄올을 추출한 후, 부탄올은 부탄올-함유 유기 상 (208)으로부터 회수된다. 부탄올-함유 유기 상 (208)은 전형적으로는 수-비혼화성 유기 추출제, 물, 부탄올, 및 선택적으로는 비-응축성 기체를 포함한다. 부탄올-함유 유기 상 (208)은 선택적으로는 추출제 상으로 분배하기에 충분한 용해도를 갖는 발효 부산물을 추가로 포함한다. 일 실시양태에서, 부탄올-함유 유기 상 (208)은 상 (208)의 중량을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량%, 예를 들어 약 0.1 중량% 내지 약 40 중량%, 예를 들어 약 1 중량% 내지 약 40 중량%, 예를 들어 약 2 중량% 내지 약 40 중량%, 예를 들어 약 5 중량% 내지 약 35 중량%, 예를 들어 약 10 중량% 내지 약 35 중량%의 공급물 중의 부탄올 농도를 갖는다.
부탄올-함유 유기 상으로부터의 부탄올의 회수는 증류, 수지에 의한 흡착, 분자체에 의한 분리, 투과증발 등을 포함하나 이에 한정되지 않는 해당 분야에 공지된 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 도 2의 예시적인 시스템은 증류 및 경사분리의 조합을 포함하여 부탄올-함유 유기 상 (208)으로부터 부탄올을 회수한다. 증류 및 경사분리의 조합을 사용하여 수-비혼화성 유기 추출제, 물, 부탄올, 및 선택적으로는 비-응축성 기체를 포함하는 공급물로부터 부탄올을 분리하거나 회수하기 위한 방법은 공히 계류 중이고 공동 소유인 2009년 7월 15일자로 출원된 미국 가출원 제61/225,662호에 상세히 기재되어 있으며, 본 발명의 시스템 및 방법에서 사용될 수 있다. 증류에 의해서 추출제로부터 부탄올을 회수하기 위해서, 추출제는 대기압에서, 회수될 부탄올의 비등점보다 적어도 약 30 ℃ 높은, 예를 들어 적어도 약 35 ℃ 높은, 예를 들어 적어도 약 40 ℃ 높은, 예를 들어 적어도 약 45 ℃ 높은, 예를 들어 적어도 약 50 ℃ 높은, 예를 들어 적어도 약 55 ℃ 높은, 또는 예를 들어 적어도 약 60 ℃ 높은 비등점을 갖는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 실시양태에서, 부탄올-함유 유기 상 (208)으로부터 부탄올을 회수하기 위한 증류는 적어도 2개의 증류 컬럼인, 용매 컬럼 (230) 및 부탄올 컬럼 (260)을 사용하는 것을 포함한다. 용매 컬럼 (230)은, 경사분리와 조합하여, 추출제, 예를 들어, 올레일 알코올, 및 물로부터 이산화탄소와 같은 임의의 비-응축성 기체, 및 부탄올의 분리를 야기한다.
특히, 부탄올-함유 유기 상 (208)은 용매 컬럼 (230) 내에서 증류되어, 물, 부탄올, 및 비-응축성 기체 (공급물 중에 존재할 경우)를 포함하는 부탄올-풍부 증기상 오버헤드 스트림 (216), 및 추출제 및 물을 포함하며 실질적으로는 부탄올이 존재하지 않는 용매-풍부 액체 하부 스트림 (218)을 제공한다. "실질적으로 부탄올이 존재하지 않는"은, 부탄올이 하부 (218)의 약 0.01 중량% 이하를 구성함을 의미한다. 도시되지는 않았지만, 회수된 추출제 스트림 (218)은 추출 발효 공정으로 재순환될 수 있다. 예를 들어, 회수된 추출제 스트림 (218)은 발효 매질 (204)과 접촉하는 추출제 (255)로서 사용될 수 있다.
증기상 오버헤드 스트림 (216)은 최대 약 65 중량%의 부탄올 및 최소 약 30 중량%의 물을 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 증기상 오버헤드 스트림은 약 65 중량%의 부탄올 및 최소 약 32 중량%의 물을 포함하며, 다른 실시양태에서는 약 60 중량%의 부탄올 및 최소 약 35 중량%의 물, 다른 실시양태에서는 약 55 중량%의 부탄올 및 최소 약 40 중량%의 물, 다른 실시양태에서는 약 50 중량% 내지 약 55 중량%의 부탄올 및 약 45 중량% 내지 약 50 중량%의 물을 포함한다. 일 실시양태에서, 증기상 오버헤드 스트림 (216) 중의 추출제의 양은 2 중량% 미만이다. 증기상 오버헤드 스트림 (216)은 응축기 (도시되지 않음) 내에서 냉각되고, 응축되고, 맥주 컬럼 (220) 및 부탄올 컬럼 (260) 각각으로부터의 응축 증기상 오버헤드 스트림 (222 및 238)과 혼합기 (240)에서 합쳐진다. 합쳐진 스트림 (226)은 경사분리기 (250)에서 부탄올-풍부 액체 상 및 부탄올-부족 액체 수성 상으로 경사분리된다. 예를 들어, 액체 부탄올 상 (더 가벼운 액체 상임)은 약 30 중량% 미만의 물, 또는 약 20 내지 약 30 중량%의 물, 또는 약 16 내지 약 30 중량%의 물, 또는 약 10 내지 약 20 중량%의 물을 포함할 수 있으며, 용매 컬럼 (230)에서 오버헤드로 오는 약 0.001 중량% 미만의 잔류 추출제를 추가로 포함할 수 있다. 부탄올-풍부 액체 상 중의 잔류 추출제는 컬럼 (230)에서 정류 섹션을 사용함으로써 최소화될 수 있다. 액체 수성 상은 약 10 중량% 미만의 부탄올, 또는 일 실시양태에서는 약 3 내지 약 10 중량%의 부탄올을 포함할 수 있다. 비-응축성 기체가 용매 컬럼 (230)으로부터의 스트림 (216) 중에 존재하는 경우, 비-응축성 기체의 적어도 일부분은 공정으로부터 퍼징될 수 있고, 이것은 경사분리기 (250)를 떠나는 스트림 (268)으로 도시된다. 퍼징된 기체는 스크러버 (도시되지 않음)로 보내져서, 스크러버 물 (도시되지 않음)은 그 내의 임의의 부탄올을 회수하기 위한 경사분리기 (250)로 되돌아 갈 수 있다. 발효 배지 내의 부탄올-생성 미생물에 대한 부탄올의 독성으로 인해서, 스크러버 물이 공정의 발효 구획으로 재순환하는 것이 바람직하다. 경사분리기는 임의의 통상의 디자인일 수 있다.
경사분리기 (250)로부터의 액체 수성 상의 전부 또는 일부는 환류 스트림 (228)으로서 용매 컬럼 (230)으로 되돌아 간다. 경사분리기 (250)로부터의 부탄올-풍부 액체 상의 스트림 (232)은 분리될 수 있고, 일부는 환류 스트림 (234)으로서 용매 컬럼 (230)으로 되돌아 가고, 나머지 부분 (236)은 부탄올 컬럼 (260)으로 공급된다. 부탄올 컬럼 (260)은 부탄올 및 물을 분리하고, 실질적으로 100 중량%의 부탄올이며 실질적으로 물이 존재하지 않는 부탄올 하부 스트림 (242)을 제공한다. "실질적으로 100 중량%의 부탄올" 및 "실질적으로 물이 존재하지 않는"은 물 및/또는 다른 부탄올이 아닌 성분 (예를 들어, 추출제)이 하부 스트림 (242)에 약 0.01 중량% 미만으로 존재한다는 것을 의미한다. 증기상 오버헤드 스트림 (238)은 부탄올 및 물, 예를 들어 약 67 중량%의 부탄올 및 약 33 중량%의 물, 예를 들어 60 중량%의 부탄올 및 약 40 중량%의 물, 또는 예를 들어 55 중량%의 부탄올 및 약 45 중량%의 물을 포함한다. 증기상 오버헤드 스트림 (238)은 응축기 (도시되지 않음) 내에서 응축되고, 혼합기 (240)를 통해 경사분리기 (226)로 되돌아 간다.
용매 컬럼 (230)은 적어도 공급물 입구, 오버헤드 증기 출구, 하부 스트림 출구, 가열 수단, 및 추출제로부터 부탄올의 분리를 야기하기에 충분한 수의 단수(stage)를 갖는 임의의 통상적인 증류 컬럼일 수 있다. 예를 들어, 추출제가 올레일 알코올을 포함하는 일 실시양태에서, 용매 컬럼 (230)은 적어도 5단을 가질 수 있으며, 재-가열기를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 용매 컬럼 (230)은 15단을 갖는다. 정류 섹션은 스트림 (236) 내에서 최소의 추출제 손실이 바람직할 경우에 필요할 수 있으며, 환류 스트림 (234)의 사용과 조합될 수 있거나 조합되지 않을 수 있다. 가열 수단은 증기 입구에서 컬럼에 공급되는 스팀과 같은 가열된 증기일 수 있다. 일 실시양태에서, 증기 입구는 컬럼 (230)의 하부에 존재하고, 오버헤드 증기 출구는 컬럼 (230)의 상부에 존재한다. 일 실시양태에서, 용매 컬럼 (230)은 대기압보다 낮은 압력에서 유지된다 (예를 들어, 오버헤드 증기 (116)를 응축시키기 위해서 응축기 (도시되지 않음)를 대기압보다 낮은 압력에서 작동시킴으로써 성취됨). 이러한 예에서, 증기 입구에서 용매 컬럼 (230) 내의 압력은 대기압보다 낮다. 여기에 공급되는 가열된 증기는 증기 입구에서 컬럼 압력에 상응하는 압력을 가져야 한다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 57.9 ㎪ (8.4 psia (약 0.57 atm))이고, 일 실시양태에서, 증기 출구에서의 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia (약 0.47 atm))이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 96.5 ㎪ (14.0 psia)이고, 일 실시양태에서, 증기 출구에서의 압력은 약 86.2 ㎪ (12.5 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 75.8 ㎪ (11.0 psia)이고, 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 62.1 ㎪ (9 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 62.1 ㎪ (9.0 psia)이고, 일 실시양태에서, 증기 출구에서의 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 55.2 ㎪ (8 psia)이고, 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 44.8 ㎪ (6.5 psia)이다. 일 실시양태에서, 용매 컬럼 (230) 내의 압력 강하는 약 10.3 ㎪ (1.5 psia) 내지 약 13.8 ㎪ (2.0 psia)로, 다른 실시양태에서는 약 13.8 ㎪ (2.0 psia) 내지 약 17.2 ㎪ (2.5 psia)로, 다른 실시양태에서는 약 6.9 ㎪ (1.0 psia) 내지 약 17.2 ㎪ (2.5 psia)로 유지된다.
부탄올 컬럼 (260)은 적어도 공급물 입구, 오버헤드 증기 출구, 하부 스트림 출구, 가열 수단 (예를 들어, 가열된 증기), 및 실질적으로 물이 존재하지 않는 하부 스트림 (242)을 제공하도록 목적하는 분리를 야기하기에 충분한 수의 단수를 갖는 임의의 통상의 증류 컬럼일 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 부탄올 컬럼 (260)은 적어도 6단일 수 있으며, 재-가열기를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 부탄올 컬럼 (260)은 10단을 가지며, 일 실시양태에서, 부탄올 컬럼 (260)은 대기압보다 낮은 압력에서 유지된다. 일 실시양태에서, 부탄올 컬럼 (260)은 대기압보다 높은 압력에서 유지되며, (260)의 오버헤드 증기는 가열 매질로서 단일 제1 효용기 본체 (503)로 보내질 수 있고, 응축물은 경사분리기 (250)로 되돌아 간다.
추출제로부터 발효 배지를 분리한 후, 탈기된 수성 상 공급물 스트림 (212')은 맥주 컬럼 (220)으로 도입되어 물, 부탄올, 및 비-응축성 기체 (공급물 중에 존재할 경우)를 포함하는 부탄올-풍부 증기상 오버헤드 스트림 (222) 및 부탄올-부족 맥주 하부 액체 스트림 (224)을 제공한다. 맥주 하부 스트림 (224)은 부산물, 예컨대 증류 곡물 및 묽은 증류 폐액을 포함한다. 증기상 오버헤드 스트림 (222)은 상기에 기재된 바와 같이, 부탄올 컬럼 (260)을 사용하여 부탄올을 회수하기 위해서 응축기 (도시되지 않음) 내에서 응축되어, 경사분리기 (250)에 도입될 수 있다. 따라서, 맥주 컬럼 (220)은 용매 컬럼 (230)과 병렬로 작동되며, 맥주 컬럼 (220)으로부터의 응축된 증기상 오버헤드 스트림 (222)은 용매 컬럼 (230)으로부터의 응축된 증기상 오버헤드 스트림 (216)과 혼합기 (240) 내에서 혼합될 수 있고, 합쳐진 스트림 (226)은 경사분리기 (250)에서 경사분리된다.
도시되지 않은 실시양태에서, 발효 배지는 부탄올을 회수하기 위한 증류 전에 추출제로부터 분리되지 않는다. 이러한 실시양태에서, 2-상 혼합물은 추출제 및 물로부터 부탄올을 분리하도록 작동되는 맥주 컬럼 내에서 증류된다.
맥주 컬럼 (220)은 적어도 공급물 입구, 오버헤드 증기 출구, 하부 스트림 출구, 가열 수단 (예를 들어, 가열된 증기), 및 맥주 하부로부터 부탄올을 분리하기에 충분한 단수를 갖는 임의의 통상의 증류 컬럼일 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 맥주 컬럼 (220)은 적어도 10단을 가질 수 있으며, 재-가열기를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 맥주 컬럼 (220)은 대기압보다 낮은 압력에서 유지된다. 일 실시양태에서, 맥주 컬럼 (220) 내의 압력 강하는 약 10.3 ㎪ (1.5 psia) 내지 약 13.8 ㎪ (2.0 psia)로, 다른 실시양태에서는 약 13.8 ㎪ (2.0 psia) 내지 약 17.2 ㎪ (2.5 psia)로, 다른 실시양태에서는 약 6.9 ㎪ (1.0 psia) 내지 약 17.2 ㎪ (2.5 psia)로 유지된다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 맥주 컬럼 (220) 내의 압력은 대기압보다 낮다. 일 실시양태에서, 도시된 바와 같이, 증기 입구는 컬럼 (220)의 하부에 존재하고, 오버헤드 증기 출구는 컬럼 (220)의 상부에 존재한다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 57.9 ㎪ (8.4 psia (약 0.57 atm))이고, 약 57.9 ㎪ (8.4 psia (약 0.57 atm))의 압력에서 가열된 증기는 증기 입구에서 컬럼에 공급된다. 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia (약 0.47 atm))이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 96.5 ㎪ (14.0 psia)이고, 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 86.2 ㎪ (12.5 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 75.8 ㎪ (11.0 psia)이고, 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 62.1 ㎪ (9 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 62.1 ㎪ (9.0 psia)이고, 일 실시양태에서, 증기 출구에서의 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia)이다. 일 실시양태에서, 증기 입구에서의 압력은 약 55.2 ㎪ (8 psia)이고, 일 실시양태에서 증기 출구에서의 압력은 약 44.8 ㎪ (6.5 psia)이다.
맥주 하부 부산물은 공급 원료로서의 가치를 가지기 때문에, 맥주 하부를 폐기물로서 버리는 것 보다는, 통상적으로 이들 부산물의 전부 또는 일부를 증류 건식 곡물, 증류 습식 곡물, 증류 건식 용해물, 응축된 증류 용해물, 및/또는 용해성 증류 건식 곡물 (DDGS) 중 하나 이상으로 추가로 가공하는 것이 바람직하다. 도 2의 실시양태에서, 맥주 하부 스트림 (224)은 추가로 가공되어 DDGS (282)를 생성한다. 그러한 목적으로, 주로 물을 포함하는 묽은 증류 폐액으로부터 맥주 하부의 곡물 고형물 (272)을 분리하기 위해서, 맥주 하부 스트림 (224)은 원심분리기 또는 필터 프레스와 같은 기계적 분리기일 수 있는 분리기 (270)에 도입된다. 묽은 증류 폐액의 일부분 (274')은 발효조 (210)로 도입되는 혼합된 공급물 (202)로 재순환될 수 있다. 남아있는 묽은 증류 폐액 (274)은 멀티-효용 증발 시스템 (280) 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 실질적인 양의 물을 증발시킴으로써 시럽 (276)으로 농축된다. 일 실시양태에서, 멀티-효용 증발 시스템 (280)은 시럽 (276) 중의 물의 중량 농도가 묽은 증류 폐액 (274) 중의 물의 중량 농도의 약 1/2이 되도록 묽은 증류 폐액 (274)으로부터 물을 증발시킨다. 일 실시양태에서, 멀티-효용 증발 시스템 (280)은 시럽 (276) 중의 물의 중량 농도가 약 40% 내지 약 65%, 다른 실시양태에서는 시럽 (276) 중의 물의 중량 농도가 약 45% 내지 약 60%가 되도록 묽은 증류 폐액 (274)으로부터 물을 증발시킨다. 일 실시양태에서, 묽은 증류 폐액 (274) 중의 물의 중량 농도는 약 85% 내지 약 95%이고, 다른 실시양태에서는 묽은 증류 폐액 (274) 중의 물의 중량 농도는 약 90%이다. 이어서, 시럽 (276)은 혼합기 (290) 내에서 곡물 고형물 (272)과 합쳐지고, 이어서 곡물 및 시럽의 합쳐진 스트림 (278)은 건조기 (295) 내에서 건조되어 DDGS (282)를 생성할 수 있다.
도 2에 도시되지 않은 실시양태에서, 2-상 혼합물은 추출제 및 물로부터 부탄올을 분리하도록 작동되는 맥주 컬럼 내에서 증류된다. 맥주 하부 부산물은 상기에 기재된 바와 같이 증류 건식 곡물, 증류 습식 곡물, 증류 건식 용해물, 응축된 증류 용해물, 및/또는 용해성 증류 건식 곡물 (DDGS) 중 하나 이상으로 가공되고, 묽은 증류 폐액은 추출제를 포함한다. 추출제를 포함하는 묽은 증류 폐액의 일부분은 상기에 기재된 바와 같이 발효조로 재순환될 수 있고, 나머지는 본원에 기재된 멀티-효용 증발 시스템에서 상기에 기재된 바와 같이 이것으로부터 물의 실질적인 양을 증발시킴으로써, 시럽으로 농축된다.
멀티-효용 증발 시스템 (280)에서, 깨끗한 플랜트 스팀 (288) 및/또는 플랜트 재생 스팀 (288') (도 3 참조)은 열원으로서 사용되어 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 중간 증류 폐액을 생성한다. 이어서, 묽은 증류 폐액으로부터 증발된 물로 구성된 생성된 스팀은 이후의 효용기의 증발기에서 중간 증류 폐액으로부터 물을 점진적으로 증발시키기 위해서 사용되어 시럽 (276)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 중간 증류 폐액으로부터 증발된 물로 구성된 스팀은 수집되고, 스팀 라인 (292)을 통해 방출되고, 맥주 컬럼 (220) 및/또는 용매 컬럼 (230)을 위한 가열 수단으로서, 또는 부탄올 컬럼 (260)과 같은 다른 단위 작업의 가열 수단으로서 시스템 (200)으로 통합된다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 제3 효용 스팀은 부탄올 컬럼 (260)을 위한 재가열기를 대신하여 사용될 수 있다. 이러한 경우, 주입된 스팀은 응축되고, 경사분리기 (250)에서 경사분리될 수 있지만, 이것은 증류 작업에서 수압 부하를 증가시킬 수 있다. 도 2의 실시양태에서, 스팀 라인 (292)은 스팀을 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)으로 공급하여 이들 컬럼의 분리 작업을 위한 열을 제공하는 라인 (294) 및 라인 (296)으로 분리된다. 증발기로부터의 스팀 응축물은 응축물 라인 (275)을 통해 방출되고, 필요할 경우 시스템 (200)의 다른 단위 작업으로 재순환되거나, 플랜트 스팀 가열기 (도시되지 않음)로 재공급될 수 있다. 일 실시양태에서, 응축물 스트림 (275)은 가열되고, 공정의 발효 구획에서의 사용을 위해서, 예를 들어, 밀링된 곡물과 혼합되어, 발효조 (210)로 공급되는 혼합된 공급물 (202)을 형성하기 위해서, 재순환된다 (도시되지 않음).
멀티-효용 증발 시스템 (280)은 이제 도 3을 참고로 설명될 것이다. 멀티-효용 증발 시스템 (280)은 3개 트레인의 3차 효용 증발기 (총 9개의 증발기)로 형성되어 분리기 (270)로부터의 묽은 증류 폐액 (274)을 시럽 (276)으로 농축하고, 이어서 이것은 상기에 기재된 바와 같이 건조기 (295)에 공급될 수 있다. 제1 효용 증발기는 증발기 (501, 502 및 503)이다. 제2 효용 증발기는 증발기 (511, 512 및 513)이다. 제3, 또는 마지막 효용 증발기는 증발기 (521, 522 및 523)이다. 각각의 효용기의 증발기는 임의의 통상의 디자인일 수 있다. 예를 들어, 제1 효용 증발기 (501)에 대해서 도시된 바와 같이, 각각의 증발기는 본 기술 분야에 공지된 바와 같은 쉘 튜브 열 교환기를 갖는 상위 부분 (540), 및 하위 팟(lower pot) 부분 (545)을 포함할 수 있다. 상위 부분 (540)에서, 튜브는 증류 폐액을 열 교환기 위에 위치한 입구 (예를 들어, 인접 밸브 (324))로부터 열 교환기 부분을 지나서, 이어서 아래의 팟 부분 (545)으로 운송한다. 증류 폐액은 이후의 증발기 (예를 들어, 증발기 (502))의 증류 폐액 입구와 소통하는 출구 (예를 들어, 인접 밸브 (326))로 방출된다. 증기원으로부터 가열된 증기는 증기 입구 (예를 들어, 인접 밸브 (320))에서 수용되고, 본 기술 분야에 공지된 바와 같은 열 교환기의 쉘 사이드 내에서 단리된다. 가열된 증기와 증류 폐액 간의 열 교환은 증류 폐액으로부터 물이 증발되게 하고, 응축물 라인 (275)에서 나가는 스팀이 응축되게 한다. 각각의 증발기로부터의 응축물은 합쳐지고, 시스템 (200)에서 재순환될 수 있다 (도 2의 라인 (275) 참조). 증류 폐액으로부터 증발된 물은 증발 시스템 (280)의 다운스트림 효용기의 증기 입구에 연결될 수 있는 스팀 출구 (예를 들어, 인접 밸브 (328)에서 방출될 수 있다. 증발기로 인도하는 각종 라인은 증발기 중 임의의 하나가 보수를 위해서 오프-라인(off-line)되어, 우회될 수 있도록 밸브가 존재한다.
도시된 실시양태에서, 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)의 증기 입구는 열원으로서 깨끗한 플랜트 스팀 (288) 및/또는 재생 플랜트 스팀 (288')을 수용한다. 묽은 증류 폐액 (274)은 라인 (274a)을 통해 증발기 (501)의 상위 부분 (540)으로 들어가서, 약간 농축되어 증발기 (501)의 하부 팟 부분 (545)을 떠난다. 선택적으로는, 증발 시스템 (280)에 들어가는 묽은 증류 폐액 (274)은 이들 증발기의 증류 폐액 입구에 연결된 각각의 라인 (274a, 274b 및 274c)을 통해서 병렬로 3개의 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)에 동등하게 또는 달리 나누어 질 수 있다. 증발기 (501)를 떠나는 농축된 증류 폐액은 다음 증발기 (502)의 상부로 들어가고, 이어서 최종적으로는 제1 중간 증류 폐액 라인 (374) 내의 제1 중간 증류 폐액으로서 마지막 제1 효용 증발기 (503)의 하부를 떠난다. 증발기 (501, 502 및 503) 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 가열된 스팀은 제1 효용 스팀으로서 각각의 스팀 출구를 통해 방출되고, 제1 효용 스팀 라인 (388)으로 들어간다. 실시양태에서, 플랜트 재생 스팀 (288 )은 응축될 필요가 있는 다른 플랜트 작업으로부터의 공정 증기를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 증기를 수용하는 제1 효용 증발기 본체는 이러한 공정 증기의 응축기로서 작용할 수 있고, 증발기 본체의 쉘 사이드는 재순환 물 탱크로 도달할 수 있는 깨끗한 스팀 응축물이 오염되지 않게 하면서 응축된 공정 액체가 다른 공정으로 되돌아 갈 수 있도록 고립될 것이다. 일 실시양태에서, 플랜트 재생 스팀 (288')은 제1 효용 증발기 본체 내에서 응축될 수 있고, 경사분리기 (250) 내에서 경사분리될 수 있는 부탄올 컬럼 (260)으로부터의 증기상 오버헤드를 포함한다.
일 실시양태에서, 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)는 각각 약 137.9 ㎪ (20 psia)의 압력에서, 그리고 약 105℃ 내지 약 115℃의 온도에서 작동되며, 다른 실시양태에서는 약 105℃ 내지 약 110℃, 다른 실시양태에서는 약 109℃의 온도에서 작동된다. 플랜트 스팀은, 온도 근접성이 증류 폐액과 가열 스팀 사이에서 유지되도록 제1 효용 증발기의 작업 온도 및 압력보다 높은 온도 및 압력으로 존재할 수 있다. 일 실시양태에서, 온도 근접성은 약 10℃ 내지 약 20℃ 인 실시양태이고, 다른 실시양태에서, 온도 근접성은 약 10℃이다. 제1 효용 증발기의 온도 및 압력은 상기에 언급된 온도 및 압력 범위보다 약간 높거나 낮을 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서, 제1 효용기 온도는 약 99℃ 내지 약 130℃일 수 있다. 제1 효용기 온도를 낮추면 제3 효용기 온도가 낮아진다. 따라서, 일반적으로, 제1 효용 증발기 온도는 특정 알코올 회수 공정의 증류 컬럼 (예를 들어, 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)) 중 하나 이상을 가열하기 위해서 제3 효용 스팀을 위한 온도 및 압력을 보증하는 작동가능한 범위 이내이어야 한다. 이것은 제3 효용 스팀을 사용하여 증류 컬럼(들)의 작업에 필요한 진공을 증가시킬 것이다. 증류를 위한 강한 진공 압력은, (재-가압의 부재시) 비-응축성 기체가 스트림에 존재할 경우 컬럼의 오버헤드 증기 스트림을 응축시키기 더 어렵게 할 수 있다. 최적의 온도는 증발기의 증류 폐액 사이드 상에서의 파울링(fouling)을 감소시키거나 방지하고, 유용한 제3 효용 스팀이 생성되는 것을 여전히 보증하도록 너무 높지 않은 온도이다.
일 실시양태에서, 제1 효용 증발기에 의해서 생성된 제1 효용 스팀의 압력은 약 96.5 ㎪ (14 psia) 내지 약 262.0 ㎪ (38 psia) (약 99℃ 내지 약 130℃의 온도에 상응함)이고, 압력은 약 110.3 ㎪ (16 psia) 내지 약 206.8 ㎪ (30 psia)이다. 다른 실시양태에서, 제1 효용 스팀의 압력은 약 137.9 ㎪ (20 psia)이고, 온도는 약 109℃이다. 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)에 의해서 생성된 제1 효용 스팀은 (라인 (388)에서) 합쳐지고, 이어서 동등하게 또는 달리 제2 효용 증발기 (511, 512 및 513)로 분배된다. 제1 효용 스팀 라인 (388)은 제2 효용 증발기 (511, 512 및 513)의 증기 입구에 제1 효용 스팀을 공급한다. 대안적으로, 각각의 제1 효용 증발기로부터의 제1 효용 스팀을 각각의 제2 효용 증발기에 공급할 수 있다. 예를 들어, 제1 효용 증발기 (501)에서 생성된 스팀은 제2 효용 증발기 (511)로 공급된다.
제2 효용 증발기 (511, 512 및 513) 및 제3 효용 증발기 (521, 522 및 523)의 배열 및 작동은, 제2 및 제3 효용 증발기가 더 낮은 압력 및 온도에서 작동하고, 제2 효용 증발기가 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)로부터 수집된 제1 효용 스팀에 의해서 가열되고, 제3 효용 증발기가 제2 효용 증발기 (511, 512, 및 513)로부터 수집된 제2 효용 스팀에 의해서 가열되는 것을 제외하고는, 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503)와 매우 유사하다. 일 실시양태에서, 각각의 효용기의 증발기에 대한 압력 강하는 약 27.6 ㎪ (4.0 psi) 내지 약 48.3 ㎪ (7.0 psi)이다. 일 실시양태에서, 압력 강하는 바로 전 효용기의 경우보다 이후의 효용기의 경우 더 낮다. 예를 들어, 137.9 ㎪ (20 psia)의 제1 효용기 압력이 사용되는 특정 실시양태에서, 제1 효용 증발기에 대한 압력 강하는 약 42.1 ㎪ (6.1 psia)이고, 제2 효용 증발기에 대한 압력 강하는 약 31.7 ㎪ (4.6 psia)이다. 일반적으로, 증발기 전체에 걸친 총 압력 강하는 증발기 효용기 간의 온도 근접성에 좌우된다. 예를 들어, 증발기 전체에 걸친 압력 강하는, 137.9 ㎪ (20 psia)의 제1 효용기 압력이 사용되고, 생성된 제3 효용 스팀의 압력이 약 64.1 ㎪ (9.3 psi)인 특정 실시양태의 경우 인접 효용기 간에는 10℃ 근접성을 기준으로 한다.
제1 중간 증류 폐액은 제2 효용 증발기 (511)의 상부로 들어가고, 더 농축되어 증발기 (511)의 하부를 떠난다. 증발기 (511)를 떠나는 농축된 증류 폐액은 다음 제2 효용 증발기 (512)의 상부로 들어가고, 이어서 최종적으로는 제2 중간 증류 폐액 라인 (384) 내의 제2 중간 증류 폐액으로서 마지막 제2 효용 증발기 (513)의 하부를 떠날 수 있다. 증발기 (511, 512 및 513) 내에서 제1 중간 증류 폐액으로부터 가열된 스팀은 제2 효용 스팀으로서 각각의 스팀 출구를 통해 방출되고, 제2 효용 스팀 라인 (398)으로 들어간다. 제2 효용 증발기에 의해서 생성된 제2 효용 스팀은 (라인 (398)에서) 합쳐지고, 이어서 동등하게 또는 달리 제3 효용 증발기로 분배될 수 있다. 제2 효용 스팀 라인 (398)은 제3 효용 증발기 (521, 522 및 523)의 증기 입구에 제2 효용 스팀을 공급한다. 대안적으로, 각각의 제2 효용 증발기는 증발기 트레인에서 각각의 제3 효용 증발기에만 제2 효용 스팀을 공급할 수 있다. 일 실시양태에서, 제2 효용 증발기에 의해서 생성된 제2 효용 스팀의 압력은 약 68.9 ㎪ (10 psia) 내지 약 110.3 ㎪ (16 psia)이고, 온도는 약 90℃ 내지 약 106℃이다. 다른 실시양태에서, 제2 효용 스팀의 압력은 약 95.5 ㎪ (13.85 psia)이고, 온도는 약 99℃이다.
제2 중간 증류 폐액은 제3 효용 증발기 (521)의 상부로 들어가고, 더 농축되어 증발기 (521)의 하부를 떠난다. 증발기 (521)를 떠나는 농축된 증류 폐액은 다음 제3 효용 증발기 (522)의 상부로 들어가고, 이어서, 결국에는 시럽 (276)으로서 마지막 제3 효용 증발기 (523)의 하부를 떠나며, 이것은 혼합기 (290)로 운송되어, 건조되어 DDGS (282)를 생성하는 합쳐진 곡물 및 시럽 스트림 (278)을 형성할 수 있다. 증발기 (521, 522 및 523)에서 제2 중간 증류 폐액으로부터 가열된 스팀은 제3 효용 스팀으로서 각각의 스팀 출구를 통해 방출되고, 제3 효용 스팀을 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)으로 각각 운송하는 스팀 라인 (294 및 296)으로 분리하는 스팀 라인 (292)로 들어간다. 일 실시양태에서, 제3 효용 증발기에 의해서 생성된 제3 효용 스팀의 압력은 약 48.3 ㎪ (7 psia) 내지 약 82.7 ㎪ (12 psia)이고, 온도는 약 80℃ 내지 약 95℃이고, 다른 실시양태에서, 제3 효용 스팀의 온도는 약 85℃ 내지 약 90℃이다. 다른 실시양태에서, 제3 효용 스팀의 압력은 약 64.1 ㎪ (9.3 psia)이고, 온도는 약 88℃이다.
일 실시양태에서, 제3 효용 스팀은 맥주 컬럼 (220) 내에서 발효 공급물 (212')을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다. 일 실시양태에서, 제3 효용 스팀은 용매 컬럼 (230) 내에서 부탄올-함유 유기 상 (208)을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다. 일 실시양태에서, 플랜트 스팀은 제3 효용 스팀과 함께 사용되어 맥주 컬럼 (220) 내에서 발효 공급물 (212')을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다. 일 실시양태에서, 플랜트 스팀은 제3 효용 스팀과 함께 사용되어 용매 컬럼 (230) 내에서 부탄올-함유 유기 상 (208)을 증류시키기에 충분한 열을 공급한다. 다른 실시양태에서, 단지 맥주 컬럼 (220)에만 제3 효용 스팀이 공급된다. 다른 실시양태에서, 단지 용매 컬럼 (230)에만 제3 효용 스팀이 공급된다. 부탄올 회수 공정의 다른 실시양태를 위해서, 예컨대, 액체-액체 추출 (예를 들어, 스트리핑, 흡착, 투과증발, 막 용매 추출)과 다른 또는 이밖의 현장 생성물 제거를 위한 기술을 활용하는 회수 공정을 위해서 뿐만 아니라 다른 알코올과 관련된 회수 공정을 위해서, 본원에 기재된 멀티-효용 증발 시스템으로부터의 제3 효용 스팀을 사용하여 공정의 하나 이상의 증류 단위 작업에 열을 공급할 수 있다. 제3 효용 스팀으로부터 열을 수용하는 하나 이상의 증류 단위 작업은 대기압보다 낮은 압력에서 유지되어야 하며, 이로 인해서 특정 증류 컬럼으로 주입되기 전에 제3 효용 스팀이 가압되는 것이 방지된다.
본 발명의 3개 트레인의 3차 효용 증발기는, 제2 효용 스팀을 효율적으로 사용함으로써 더 많이 농축된 시럽을 얻거나, 또는 대안적으로는 2개의 효용 증발 시스템을 사용하는 것과 동일한 농도의 시럽을 얻지만 더 높은 증류 폐액 처리량을 가능하게 함으로써 2개의 효용 증발 시스템에 비해 이점을 제공할 수 있다. 희석된 시럽은 장비 파울링의 가능성을 감소시킬 수 있고, 수송하는데 더 적은 힘이 필요할 수 있기 때문에, 보다 묽은 시럽을 가공하는 것이 바람직할 수 있다. 농축된 시럽 중에 물의 양이 적을수록 다운스트림 DDGS 건조기 (예를 들어, 건조기 (295))의 열 부하량(heat duty)이 낮아지기 때문에, 농축된 시럽 또한 이점을 제공하며, 희석된 시럽보다 더 에너지 효율적인 공정을 제공할 수 있다. 본 발명의 3개 트레인의 3차 효용 증발기는 또한 부가적인 예비-가열 또는 냉각 및/또는 가압 단계 없이, 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)에 직접적으로 공급하기에 최적의 온도 및 압력을 갖는 마지막 효용기로부터 스팀을 얻음으로써 증발 시스템의 스팀을 효율적으로 사용하는 이점을 제공할 수 있다. 또한, 특히, 부탄올 제조의 경우, 맥주, 용매 및 부탄올 증류 컬럼은 제1 효용 증발기 온도는 여전히 비교적 낮게 유지되면서, 제3 효용 스팀이 사용될 수 있는 방식으로 배열되어, 제조 작업 동안 매년 단지 몇 차례의 증발기 세척만이 필요할 수 있다. 특히, 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)은 병렬로 배열되어 있고, 부탄올 회수 증류 컬럼에 직접 공급하기에 유용한 온도 및 압력의 제3 효용 스팀을 여전히 성취하면서 제2 및 제3 효용 증발기에서 필요한 압력 강하를 허용하는 최소의 압력 강하 (예를 들어, 약 10.3 ㎪ (1.5 psi) 내지 약 13.8 ㎪ (2.0 psi))로 작동될 수 있기 때문에, 본 발명은 제1 효용 증발기가 온화한 온도 및 압력 (예를 들어, 약 137.9 ㎪ (20 psia) 및 약 109℃)에서 작동될 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
또한, 증발기 각각으로부터의 각종 라인 및 증발기 각각으로 안내하는 각종 라인은 3개의 제1 효용 증발기 (501, 502 및 503) 중 임의의 하나, 3개의 제2 효용 증발기 (511, 512 및 513) 중 임의의 하나, 및 3개의 제3 효용 증발기 (521, 522 및 523) 중 임의의 하나가 보수를 위해서 오프-라인(off-line)되어, 우회될 수 있도록 밸브가 존재할 수 있다. 증발기를 고립시키고, 우회하기 위한 밸브는 증발기 (501)를 참고로 기술될 것이다. 스팀 라인 밸브 (320)가 열리고, 묽은 증류 폐액 유입 밸브 (324)가 열리고, 묽은 증류 폐액 출구 밸브 (326)가 열리고, 제1 효용 스팀 출구 밸브 (328)가 열리고, 묽은 증류 폐액 우회 밸브 (322)가 닫힐 경우, 증발기 (501)는 온(on)-라인이다. 밸브 (320, 322, 324, 326 및 328)가 이러한 구성일 경우, 증발기 (502)가 온-라인이면, 증발기 (501)는 가열을 위한 플랜트 스팀을 수용하고, 증발을 위한 묽은 증류 폐액을 수용하고, 제2 효용 증발기 (증발기 (511, 512 및 513))가 사용하기 위한 제1 효용 스팀을 생성하고, 증발기 (502)에 의한 추가의 증발을 위한 약간 농축된 증류 폐액을 생성한다. 스팀 라인 밸브 (320)가 닫히고, 묽은 증류 폐액 유입 밸브 (324)가 닫히고, 제1 효용 스팀 출구 밸브 (328)가 닫히고, 묽은 증류 폐액 우회 밸브 (322)가 열릴 경우, 증발기 (501)는 오프-라인이다. 밸브 (320, 322, 324, 326 및 328)가 이러한 구성일 경우, 증발기 (501)는 플랜트 스팀, 묽은 증류 폐액 또는 심지어는 제1 효용 스팀의 역류도 수용하지 않는다. 이러한 구성일 경우, 묽은 증류 폐액은 증발기 (501)를 우회하여, 증발기 (502)로 흐른다. 3개의 효용기의 다른 증발기는 증발기 (501)와 유사한 밸브가 존재할 수 있고, 동일한 방식으로 온-라인 또는 오프-라인될 수 있고, 따라서, 이러한 증발기의 밸브에 대한 상세한 논의가 생략된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 제1 효용 증발기의 스팀 라인 밸브 (320)와 유사한 플랜트 스팀 라인 밸브를 가질 수 있다. 따라서, 이후의 증발기 효용기를 작동하는데 사용되는 증발기 스팀을 공급하거나 대체하기 위해서 플랜트 스팀이 사용될 수 있다. 예를 들어, 증발 트레인 (예를 들어, 증발기 (501, 511 및 521))의 증발기 중 하나 (예를 들어, 제1 효용 증발기 (501))가 오프-라인되고, 이어서, 그 트레인의 이후의 효용기의 증발기 (예를 들어, 제2 효용 증발기 (511))가 플랜트 스팀을 사용하여 계속 작동될 수 있다.
플랜트 용량 및 효율은 시스템 (200)의 다른 단위 작업 (예를 들어, 상기에 기재된 바와 같은 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230))에서 사용하기 위해서 더 많은 스팀을 발생시키는 다수의 증발기 온-라인으로 개선될 수 있지만, 플랜트 비가동 시간을 최소화시키는 것이 필요하기 때문에, 하나 이상의 증발기를 고립시키고 우회하기 위한 밸브는 증발기의 통상의 보수, 세척, 수리를 수행하기 위한 가요성을 제공한다. 오프-라인되는데 필요할 수 있는 증발기에 따라서, 증발 트레인 및 공정 세팅은 또한 이에 따라 재구성될 수 있다. 예를 들어, 최적은 아니지만, 시스템이 3개 트레인의 2개의 효용 증발 시스템으로서 작동하고, 제2 효용 증기가 시스템에서 통합되도록 전체 효용기 (예를 들어, 제1 효용 증발기)가 오프-라인될 수 있다. 그러나, 증발 농축 공정에서 단지 2개의 효용기를 사용하는 것은, 에너지 활용 효율이 비교적 낮아질 수 있고, 고도로 농축된 시럽을 성취하기 위해서, 증발기에 대한 묽은 증류 폐액의 유량이 감소될 필요가 있을 수 있다. 각각의 효용기에서 단지 하나의 증발기가 임의의 소정의 시간에 오프라인되어, 시스템이 2개 트레인의 3개의 효용 증발 시스템으로서 작동할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 모든 증발기가 온-라인되어 있을 경우와 마찬가지로, 최적 온도 및 압력의 제3 효용 스팀이 여전히 생성되어 맥주 및 용매 컬럼의 작업을 위한 가열된 증기를 공급한다. 온-라인 및 오프-라인 증발기 구성을 위한 또 다른 선택이 가능하다. 예를 들어, 다른 선택은 시스템에서 단지 하나의 증발기 (예를 들어, 첫번째 제1 효용 증발기 (501))를 오프라인시키고, 제1 효용기의 나머지 증발기 (502 및 503), 뿐만 아니라 제2 및 제3 효용기의 모든 증발기를 작동시킨다. 이러한 예에서는, 제2 효용기의 모든 3개의 증발기를 작동시키기에 적절한 스팀을 제공하도록 제1 효용 스팀 라인 (388)에 연결된 메이크-업(make-up) 스팀 라인 (도시되지 않음)을 통해서 메이크-업 플랜트 스팀을 첨가하는 것이 필요할 수 있다.
또한, 각각의 증발기는 농축된 증류 폐액을 검출하기 위해서 하부 팟 부분 (545)에 레벨 센서가 존재할 수 있고, 증발기에 연결된 라인은 유량 센서가 존재할 수 있다. 센서의 피드백을 기초로 다양한 밸브가 작동되어 유량을 제어할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 각각에 증발기에 대한 증류 폐액 유동은 증발기의 팟 부분 (545)에서 감지된 수준을 기초로 특정 증발기에 더 많거나 더 적은 증류 폐액을 공급하도록 제어될 수 있다. 또한, 각각의 증발기에 공급된 스팀은 각각의 스팀 입구 밸브를 제어함으로써 변화를 줄 수 있으며, 이로 인해서 열 부하량이 단위 증발기를 기초로 최적화된다.
또한, 임의의 증발기 또는 각각의 증발기는 상 분리를 검출하기 위해서 하부 팟 부분 (545)에 상간(interphase) 검출기가 존재할 수 있다. 상간 검출은 본 기술 분야에 공지되어 있으며, IR, 근 IR, 밀도 측정과 같은 기술을 활용할 수 있다. 실시양태에서, 증발기 용기는 육안으로 상간 검출이 가능하도록 구성될 수 있다. 묽은 증류 폐액이 오일 (예컨대, 공급 원료로부터의 오일) 또는 용매를 포함하여, 이에 따라 2-상 혼합물인 실시양태에서, 상 분리는 임의의 증발기에서 감지될 수 있으므로, 최종 시럽이 형성되기 전에 증류 폐액으로부터 유기 상을 제거할 수 있다. 증발기에서 유기 상을 제거하는 것은 부피 및 펌펑 전력의 관점에서 이후의 증발기 및 효용기에 부담을 덜 줄 수 있다는 것을 의미할 것이다. 유기 상이 용매를 포함하는 실시양태에서, 제거 용매는 공정에서 후속 사용을 위해서 재순환될 수 있다.
도 3을 참고로 기술된 공정 이외에, 본 명세서가 속한 기술 분야의 숙련인은 부가적인 구성이 또한 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 이점을 제공할 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 멀티-효용 증발 시스템 (600)은 도 5를 참고로 설명된다. 멀티-효용 증발 시스템 (600)은 2개 트레인의 4차 효용 증발기 (총 8개의 증발기)로 형성되어 분리기 (270)로부터의 묽은 증류 폐액 (274)을 시럽 (276)으로 농축하고, 이것은 건조기 (295)에 공급될 수 있다. 제1 효용 증발기는 증발기 (601 및 602)이다. 제2 효용 증발기는 증발기 (611 및 612)이다. 제3 효용 증발기는 (621 및 622)이다. 제4 효용 증발기는 (631 및 632)이다. 예를 들어, 멀티-효용 증발 시스템 (280)에 대해서 기재된 바와 같이, 증발기는 임의의 통상의 디자인일 수 있다. 이 구성에서, 제4 효용기는 마지막 효용기이며, 마지막 효용 스팀은 맥주 및/또는 용매 컬럼의 작동을 위해서 가열된 증기를 공급할 수 있다.
다른 예로서, 멀티-효용 증발 시스템 (700)이 도 6을 참고로 설명된다. 멀티-효용 증발 시스템 (700)은 통상의 에탄올 플랜트 디자인의 4개 트레인의 2차 효용 증발기와, 추가의 1 내지 4개 증발기의 제3 효용기 (9 내지 12개의 증발기)로 유지되어 분리기 (270)로부터의 묽은 증류 폐액 (274)을 시럽 (276)으로 농축하고, 이것은 건조기 (295)로 공급될 수 있다. 제1 효용 증발기는 증발기 (701, 702, 703, 및 704)이다. 제2 효용 증발기는 증발기 (711, 712, 713, 및 714)이다. 제3 효용 증발기는 (721, 722, 및 723)이다. 그러나, 마지막 효용기 대해서 3개의 증발기가 도 6에 도시되어 있지만, 이러한 구성에서, 마지막 효용기는 1, 2, 3, 또는 4개의 증발기기로 구성될 수 있다. 예를 들어, 멀티-효용 증발 시스템 (280)에 대해서 기재된 바와 같이, 증발기는 임의의 통상의 디자인일 수 있다. 이 구성에서, 제3 효용기는 마지막 효용기이며, 마지막 효용 스팀은 맥주 및/또는 용매 컬럼의 작동을 위해서 가열된 증기를 공급할 수 있다. 증기 스트림 (792)은 다른 제2 효용 스팀과 합쳐지거나 또는 공정의 다른 부분으로 직접 보내질 수 있다. 마찬가지로, 다른 실시양태에서, 다음 내지 마지막 효용기로부터의 증기 스트림은 컬럼 또는 공정의 다른 부분으로 직접 보내질 수 있다.
본 발명의 공정은 공정의 컴퓨터 모델을 사용하여 입증될 수 있다. 공정 모델링은 엔지니어에 의해 복잡한 화학 공정을 모의실험하는데 사용되는 확립된 방법론이다. 공정 모델링 소프트웨어는 다수의 기본적인 공학 계산, 예를 들어, 질량 및 에너지 균형, 증기/액체 평형 및 반응 속도 계산을 수행한다. 분별 장치의 모델링은 널리 확립된 특성이다. 실험적으로 결정된 2성분 증기/액체 평형 및 액체/액체 평형 데이터에 기초한 계산으로 다성분 혼합물의 거동을 쉽게 예측할 수 있다. 이러한 능력은 미국 매사추세츠주 버링턴 소재의 조셉 보스턴 오브 아스펜테크, 인크.(Joseph Boston of Aspentech, and evaporators Inc.)에 의해 개발된 "인사이드-아웃(inside-out)" 알고리즘과 같은 정밀한 알고리즘을 사용하여 복잡한 다중 단수, 다성분 증류 컬럼 및 증발기의 모델링이 가능하도록 확장되어 왔다. 시판 모델링 소프트웨어, 예를 들어, 아스펜테크로부터의 아스펜 플러스(Aspen Plus)® 를 물리적 특성 데이터, 예를 들어, 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 더 아메리칸 인스티튜트 오브 케미칼 엔지니어스, 인크(the American Institute of Chemical Engineers, Inc.)로부터 입수가능한 DIPPR와 함께 사용하여 공정의 정확한 모델 및 평가를 개발할 수 있다. 다음 비제한적인 예는 본 발명을 추가로 예시할 것이다.
실시예
하기 비교예는 공정 모델링을 통해서 얻었고, 동일한 건조 옥수수 적재량인 25.5%에 대해서, 통상의 에탄올 제조 공정의 효율과 비교한, 본 발명에 따른 알코올 제조 공정의 에너지 활용 효율을 예시한다. 건조 옥수수 적재량은, 발효 배치를 기준으로, 발효조 내에 충전된 총 건조 옥수수를, 물을 포함하는 발효조 내의 물질의 총 중량으로 나눔으로써 정의된다. 각각의 실시예에서, 매쉬, 가열 및 발효를 위한 50 MM gal/년의 옥수수 공급물은 15 중량%의 물 및 나머지 양의 건조 옥수수의 조성을 갖는다. 건조 옥수수는 70 중량%의 전분, 9.8 중량%의 단백질 및 8 중량%의 발효가능하지 않은 용해된 고형물 (NFDS)을 갖는다.
실시예 1: 4개 트레인의 2차 효용 증류 폐액 증발을 사용한 에탄올 제조 공정
실시예 1은 도 1을 참고로 상기에 도시되고 기재된 바와 같은 건식 그라인드 에탄올 플랜트 (100)에 대한 공정 개요를 따르는 "건식 그라인드" 에탄올 발효 제조 공정의 공정 모델 모의실험을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 모델 모의실험의 경우, 스트림 (194)은 스트림 (126) 및 스트림 (128)으로 분리되어 각각 맥주 컬럼 (120) 및 정류기 (130)의 작동을 위한 열을 제공한다. 실시예 1의 모의실험을 위해 사용된 파라미터는 표 1에 열거되어 있다. 공정 모델로부터 계산된 특정 치수 및 열 부하량 결과가 또한 표 1에 열거되어 있다. 이들 파라미터에는 물리적 특성 파라미터, 매쉬된 옥수수 공급물 (예를 들어, 효소, 암모니아)에 대한 다양한 공급물과 관련된 파라미터, 매쉬 가온 및 당화 파라미터, 수렴(convergence), 및 다른 컴퓨터 선택 또는 진단과 관련된 것이 포함되지 않는다. 하기 표에서, 약어 "EtOH"는 에탄올을 지칭한다.
[표 1]
Figure pct00001
Figure pct00002
실시예 1에 대한 스트림 결과가 표 2에 열거되어 있다. 맥주 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 3에 열거되어 있다. 정류기 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 4에 열거되어 있다.
실시예 2: 3개 트레인의 3차 효용기 증류 폐액 증발을 사용한 부탄올 제조 공정
실시예 2는 도 2 및 도 3을 참고로 상기에 도시되고 기재된 바와 같은 시스템 (200)의 공정 개요를 따르는 "건식 그라인드" 부탄올 발효 제조 공정의 공정 모델 모의실험을 제공한다. 실시예 2는 부탄올 이성체로서 아이소부탄올을 사용하고 추출제로서 올레일 알코올을 사용하는 공정 모델링을 통해서 얻었다. 1-부탄올 또는 1-부탄올과 아이소부탄올의 혼합물이 부탄올 이성체로서 선택되는 유사한 경우에 대해서, 물과 이러한 부탄올 이성체들 사이의 공비혼합물의 이질적 성질 및 아이소부탄올과 1-부탄올의 물리적 특성 데이터의 유사성으로 인해 유사한 결과가 예상되었다.
실시예 2의 모의실험을 위해 사용된 파라미터는 표 5에 열거되어 있다. 공정 모델로부터 계산된 특정 치수 및 열 부하량 결과가 또한 표 5에 열거되어 있다. 이들 파라미터에는 물리적 특성 파라미터, 매쉬된 옥수수 공급물 (예를 들어, 효소, 암모니아)에 대한 다양한 공급물과 관련된 파라미터, 매쉬 가온 및 당화 파라미터, 수렴, 및 다른 컴퓨터 선택 또는 진단과 관련된 것이 포함되지 않는다. 하기 표에서, 약어 "OLEYLOH"는 올레일 알코올을 지칭하며, "I-BUOH" 또는 "BUOH"는 아이소부탄올을 지칭한다.
[표 5]
Figure pct00003
Figure pct00004
실시예 2에 대한 스트림 결과가 표 6에 열거되어 있다. 맥주 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 7에 열거되어 있다. 용매 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 8에 열거되어 있다. 부탄올 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 9에 열거되어 있다.
실시예 3: 4개 트레인의 2차 효용 증류 폐액 증발을 사용한 부탄올 제조 공정
실시예 3은, 증발 시스템 (280)을 도 4에 도시된 4개 트레인의 2차 효용 증발 시스템 (280')으로 교체한 것을 제외하고는, 도 2에 참고로 상기에 도시되고 기재된 시스템 (200)의 공정 개요를 실질적으로 따르는 "건식 그라인드" 부탄올 발효 제조 공정의 비교 공정 모델 모의실험을 제공한다. 도 4의 증발 시스템 (280')에서, 묽은 증류 폐액 (274)은 시럽 (276')으로 농축되고 (이어서, 혼합기 (290)로 이송됨, 도 2 참조), 제1 효용 증발기 (151 내지 154)는 깨끗한 플랜트 스팀 (288)에 의해서 가열된다. 제2 효용 증발기 (161 내지 164)에 의해서 생성된 제2 효용 스팀 (292')은 증발 시스템 (280')을 떠난다 (이어서, 맥주 컬럼 (220) 및 용매 컬럼 (230)에 스팀을 공급하는 라인 (294) 및 라인 (296)으로 분리됨, 도 2 참고). 4개 트레인의 2차 효용 증발 시스템 (280')은 도 1 및 비교예 1의 에탄올 제조 공정의에서 참고로 상기에 기재된 증발 시스템 (150)과 동일한 구성이며, 마찬가지로 참조 번호도 동일하거나 기능적으로 유사한 부재를 나타낸다. 따라서, 도 4의 상세한 논의는 생략한다.
실시예 3의 모의실험을 위해 사용된 파라미터는 표 10에 열거되어 있다. 공정 모델로부터 계산된 특정 치수 및 열 부하량 결과가 또한 표 10에 열거되어 있다. 이들 파라미터에는 물리적 특성 파라미터, 매쉬된 옥수수 공급물 (예를 들어, 효소, 암모니아)에 대한 다양한 공급물과 관련된 파라미터, 매쉬 가온 및 당화 파라미터, 수렴, 및 다른 컴퓨터 선택 또는 진단과 관련된 것이 포함되지 않는다.
[표 10]
Figure pct00005
Figure pct00006
실시예 3에 대한 스트림 결과가 표 11에 열거되어 있다. 맥주 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 12에 열거되어 있다. 용매 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 13에 열거되어 있다. 부탄올 컬럼 트래픽 및 액체 질량 조성 프로파일이 표 14에 열거되어 있다.
공정 모델로부터 계산된 바와 같이, 표 15는 가열 부하량, 냉각 부하랑 및 공정-대-공정 열 교환에 의해서 공급된 부하량을 기초로 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 공정의 전체 열 소비량을 비교한다. 표 15는, 본 발명의 공정에 따른 부탄올 제조가, 생성된 생성물에 대해서, 놀랍게도 통상의 에탄올 제조 공정보다 더 에너지 효율적인 공정일 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 실시예 1 및 2의 각각의 모의실험의 경우, 중량을 기준으로 부탄올은 에탄올보다 대략 25% 더 높은 에너지 밀도를 가지며, 에너지 밀도 차이를 고려하여, 에탄올 1 킬로그램 당 열 소비량은 부탄올 1 킬로그램 당 열 소비량보다 더 크다. 또한, 실시예 1의 제1 효용 증발기 (즉, 84284 MJ/hr)와 실시예 2의 제1 효용 증발기 (즉, 85492 MJ/hr) 간의 비교되는 열 부하량으로 인해서, 61.5 중량%의 물을 포함하는 시럽을 생성하는 실시예 1의 시스템보다 하나 더 적은 수의 증발 트레인을 가짐에도 불구하고, 실시예 2의 3개 트레인의 3차 효용 증발 시스템에 의해서 45 중량%의 물을 포함하는 더 농축된 시럽이 생성될 수 있다.
유사하게, 61.5 중량%의 물을 포함하는 시럽을 생성하는 실시예 3의 시스템보다 하나 더 적은 수의 증발 트레인을 가짐에도 불구하고, 실시예 2의 시스템에 의해서 45 중량%의 물을 포함하는 더 농축된 시럽이 생성될 수 있다. 또한, 9 중량%의 물이 존재하는 DDGS 생성물을 얻기 위해서, 실시예 2에 대해서 계산된 DDGS 건조기 부하량은 단지 68971 MJ/hr이지만, 실시예 3에 대해서 계산된 DDGS 건조기 부하량은 82458 MJ/hr이다. 더욱이, 표 15에 나타내어진 것 처럼, 실시예 3의 경우 부탄올 1 킬로그램 당 열 소비량은 실시예 2의 경우보다 크다. 이것은, 실시예 3에서 모의실험된 바와 같은 4개 트레인의 2차 효용 증발 시스템을 사용하는 부탄올 제조 공정이 놀랍게도 본 발명에 따른 3개 트레인의 3차 효용 증발 시스템을 사용하는 부탄올 제조 공정보다 전체적으로 덜 에너지 효율적이라는 것을 나타낸다.
[표 15]
Figure pct00007
실시예 4: 3개 트레인의 2차 효용 증류 폐액 증발을 사용한 에탄올 제조 공정
실시예 4 는 실시예 1에서 사용된 바와 동일한 공정 개요 및 실질적으로 동일한 모델링 파라미터를 사용하지만 (도 1 및 표 1 참조), 대신에 증발 시스템 (150)의 하나의 증발 트레인을 공정 모델로부터 배제시킨 "건식 그라인드" 에탄올 발효 제조 공정의 공정 모델 모의실험을 제공한다. 실시예 4에서, 실시예 1에서 사용된 공정 모델링 파라미터로부터의 약간의 변형에는 재생 냉각기/응축기를 39℃에서 작동시키는 것과, 증발기 가열기 입구 온도가 115.5℃이고, 출구 온도가 111.6℃인 것이 포함된다. 또한, 실시예 4는 60 중량%의 물을 포함하고, (DDGS 건조기 (180)에서) 9 중량%의 물 농도로 건조되는 시럽 (158)의 제조를 모의실험한다. 실시예 4는 세척 또는 보수를 위해서 오프-라인된 하나의 증발 트레인을 우회한 결과로서, 3개 트레인의 2차 효용 증발 시스템을 사용하여 도 1의 에탄올 플랜트 (100)를 작동시키는 시나리오를 모의실험한다. 특히, 실시예 4의 공정 모델 모의실험은 제1 효용 증발기 (153) 및 제2 효용 증발기 (163)로 구성된 증발 트레인을 공정 개요로부터 배제시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 유사하다. 따라서, 제1 효용 증발기 (152)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제1 효용 증발기 (154)로 공급되고, 제2 효용 증발기 (162)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제2 효용 증발기 (164)에 공급된다. 실시예 4 공정 모델로부터 계산된 바와 같이, 표 16은 가열 부하량, 냉각 부하량 및 공정-대-공정 열 교환에 의해서 공급된 부하량을 기초로, 실시예 4의 공정 전체의 열 소비량을 제공한다.
실시예 5: 2개 트레인의 3차 효용 증류 폐액 증발을 사용한 부탄올 제조 공정
실시예 5는 실시예 2에서 사용된 바와 동일한 공정 개요 및 실질적으로 동일한 모델링 파라미터를 사용하지만 (도 2와 3, 및 표 5 참조), 대신에 증발 시스템 (280)의 하나의 증발 트레인을 공정 모델로부터 배제시킨 "건식 그라인드" 부탄올 발효 제조 공정의 공정 모델 모의실험을 제공한다. 실시예 5는 세척 또는 보수를 위해서 오프-라인된 하나의 증발 트레인을 우회한 결과로서, 2개 트레인의 3차 효용 증발 시스템을 사용하여 부탄올 회수를 위해서 도 2 및 3의 시스템 (200)을 작동시키는 시나리오를 모의실험한다. 특히, 실시예 5의 공정 모델 모의실험은 제1 효용 증발기 (502), 제2 효용 증발기 (512), 및 제3 효용 증발기 (522)로 구성된 증발 트레인을 공정 개요로부터 배제시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 유사하다. 따라서, 제1 효용 증발기 (501)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제1 효용 증발기 (503)에 공급되고, 제2 효용 증발기 (511)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제2 효용 증발기 (513)에 공급되고, 제3 효용 증발기 (521)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제3 효용 증발기 (523)에 공급된다. 실시예 5는 45 중량%의 물을 포함하고, (DDGS 건조기 (295)에서) 9 중량%의 물 농도로 건조되는 시럽 (276)의 제조를 모의실험한다. 공정 모델로부터 계산된 바와 같이, 표 16은 가열 부하량, 냉각 부하량 및 공정-대-공정 열 교환에 의해서 공급된 부하량을 기초로, 실시예 5의 공정 전체의 열 소비량을 제공한다.
실시예 6: 3개 트레인의 2차 효용 증류 폐액 증발을 사용한 부탄올 제조 공정
실시예 6은 실시예 3에서 사용된 바와 동일한 공정 개요 및 실질적으로 동일한 모델링 파라미터를 사용하지만 (도 2와 4, 및 표 10 참조), 대신에 증발 시스템 (280')의 하나의 증발 트레인을 공정 모델로부터 배제시킨 "건식 그라인드" 부탄올 발효 제조 공정의 공정 모델 모의실험을 제공한다. 또한, 실시예 6에서, 맥주 및 용매 컬럼은 상부 압력이 60.7 ㎪ (8.8 psia)이고, 하부 압력이 71.0 ㎪ (10.3 psia)이며, 부탄올 컬럼은 상부 압력이 60.7 ㎪ (8.8 psia)이고, 하부 압력이 66.2 ㎪ (9.6 psia)이다. 실시예 6은 세척 또는 보수를 위해서 오프-라인된 하나의 증발 트레인을 우회한 결과로서, 3개 트레인의 2차 효용 증발 시스템을 사용하여 부탄올 회수를 위해서 시스템 (200)을 작동시키는 시나리오를 모의실험한다. 특히, 실시예 6의 공정 모델 모의실험은 제1 효용 증발기 (153) 및 제2 효용 증발기 (163)로 구성된 증발 트레인을 공정 개요로부터 배제시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 유사하다. 따라서, 제1 효용 증발기 (152)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제1 효용 증발기 (154)로 공급되고, 제2 효용 증발기 (162)를 떠나는 증류 폐액은 마지막 제2 효용 증발기 (164)에 공급된다. 실시예 6은 61.5 중량%의 물을 포함하고, (DDGS 건조기 (295)에서) 9 중량%의 물 농도로 건조되는 시럽 (276')의 제조를 모의실험한다. 공정 모델로부터 계산된 바와 같이, 표 16은 가열 부하량, 냉각 부하량 및 공정-대-공정 열 교환에 의해서 공급된 부하량을 기초로, 실시예 6의 공정 전체의 열 소비량을 제공한다.
[표 16]
Figure pct00008
표 16은, 하나의 증발 트레인이 증류 폐액 부산물의 농축 동안 오프-라인되어 있어도, 제조된 생성물에 대해서, 본 발명의 공정에 따른 부탄올 제조가 통상의 에탄올 제조 공정보다 더 에너지 효율적인 공정일 수 있음을 나타낸다. 표 16은 또한 본 발명의 공정에 따른 증류 폐액 농축을 위해서, 2개 트레인의 3차 효용 증발 시스템을 사용하는 부탄올 제조가 3개 트레인의 2차 효용 증발 시스템과 함께 작동하는 부탄올 제조 공정보다 더 에너지 효율적인 공정일 수 있음을 나타낸다. 본 발명의 시스템 및 공정의 이러한 예시적인 개선된 에너지 효율 및 가요성은, 경제적이고, 자연친화적이고, 가용성인 제조 공정으로, 증류 폐액 부산물로부터의 가축 사료를 제조할 수 있게 할 뿐만 아니라, 재생가능한 자원으로부터 알코올 연료의 상업적 생산을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시양태가 상기에 기재되어 있지만, 이들은 제한이 아닌 단지 예의 방식으로 존재함을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 형태 및 상세사항에 있어서의 각종 변형이 행해질 수 있음은 관련 기술의 숙련인에게는 자명할 것이다. 띠라서, 본 발명의 범위 및 범주는 상기에 기재된 예시적인 실시양태 중 임의적인 것으로 제한되지 않아야 하지만, 하기 특허청구범위 및 이들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다.
본 명세서에 언급된 모든 공개물, 특허 및 특허 출원은 본 발명이 속한 기술 분야의 숙련인의 수준을 암시하며, 각각의 개별 공개물, 특허 또는 특허 출원이 참고로 포함되어 있는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 언급되어 있는 것과 동일한 정도로 본원에 참고로 포함되어 있다.
[표 2]
Figure pct00009
Figure pct00010
[표 3]
Figure pct00011
[표 4]
Figure pct00012
[표 6]
Figure pct00013
Figure pct00014
[표 7]
Figure pct00015
[표 8]
Figure pct00016
[표 9]
Figure pct00017
[표 11]
Figure pct00018
Figure pct00019
[표 12]
Figure pct00020
[표 13]
Figure pct00021
[표 14]
Figure pct00022

Claims (39)

  1. 대기압보다 낮은 압력에서 유지되는 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물 중 적어도 일부를 분리하여 (i) 알코올-풍부 증기, 및 (ii) 묽은 증류 폐액(thin stillage)을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 생성하는 단계;
    연속적으로 배열된 적어도 2개의 제1 효용 증발기를 사용하여, 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하는 단계;
    연속적으로 배열된 적어도 2개의 제2 효용 증발기를 사용하여, 제1 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하는 단계;
    적어도 하나의 제3 효용 증발기를 사용하여, 제2 효용 스팀으로부터의 열과 함께 생성된 제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 시럽을 생성하는 단계; 및
    마지막 효용 증발기에 의해서 생성된 마지막 효용 스팀의 적어도 일부를 사용하여, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시키기 위한 열을 공급하는 단계를 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기, 및 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연속적으로 배열된 2개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제2 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제3 효용 증발기를 포함하고, 연속적으로 배열된 2개의 제4 효용 증발기를 추가로 포함하는 4종의 효용기를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 연속적으로 배열된 4개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 4개의 제2 효용 증발기, 및 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 연속적으로 배열된 2개 내지 4개의 제3 효용 증발기를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물을 증류시킨 알코올-풍부 증기는 부탄올-풍부 증기이고, 발효 공급물은 용매를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 묽은 증류 폐액은 주로 물을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함하며, 용매는 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, 또는 C12 내지 C22 지방 아미드 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    발효 공급물을 용매-풍부 부분 및 용매-부족 부분 - 용매-부족 부분은 맥주 컬럼 내에서 증류된 발효 공급물의 부분임 - 으로 분리하는 단계;
    용매 컬럼 - 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동되며, 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨 - 내의 용매-풍부 부분을 분리하여 용매-부족 및 알코올-풍부 증기, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 생성하는 단계; 및
    마지막 효용 스팀의 일부분을 사용하여, 용매 컬럼 내에서 발효 공급물의 용매-풍부 부분을 증류시키기에 충분한 열을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    맥주 컬럼 내에 생성된 부탄올-풍부 증기를 응축시켜 제1 부탄올-풍부 액체를 생성하는 단계;
    용매 컬럼 내에 생성된 용매-부족 증기를 응축시켜 용매-부족 액체를 생성하는 단계;
    제1 부탄올-풍부 액체 및 용매-부족 액체를 합하여 부탄올을 포함하는 액체를 생성하는 단계;
    부탄올을 포함하는 액체를 분리하여 제2 부탄올-풍부 액체 및 부탄올-부족 액체를 생성하는 단계; 및
    증류 컬럼 내에서 제2 부탄올-풍부 액체를 증류하여 실질적으로 100 중량%의 부탄올의 액체 하부 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 제1 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제1 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  13. 제1항에 있어서, 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  14. 제2항에 있어서, 제2 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제2 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  15. 제1항에 있어서, 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  16. 제2항에 있어서, 제3 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  17. 제3항에 있어서, 제4 효용 증발기는, 증발기 중 하나는 우회되지만, 나머지 제3 효용 증발기는 작동이 계속될 수 있도록 배열된 방법.
  18. 제1항에 있어서, 맥주 컬럼 내에 생성된 묽은 증류 폐액을 제1 효용 증발기에 병렬로 공급하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 플랜트 스팀을 사용하여, 제1 효용 증발기 내에서 묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시키기에 충분한 열을 공급하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  20. 발효 공급물을 수용하기 위한 입구를 가지며, 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 증류 곡물 및 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 주로 물 및 선택적으로는 용매를 포함함 - 을 포함하는 알코올-부족 맥주 하부를 방출하기 위한 맥주 하부 출구를 갖는 맥주 컬럼;
    묽은 증류 폐액을 농축하기 위한 멀티-효용 증발 시스템 - 멀티-효용 증발 시스템은
    묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트- 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -;
    제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트- 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번재 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 마지막 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및
    제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 적어도 첫번째 및 두번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 마지막 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 -를 포함함 -; 및
    마지막 효용 스팀의 적어도 일부분이 맥주 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 마지막 효용 증발기의 마지막 효용 스팀 출구를 맥주 컬럼의 증기 입구에 연결하는 스팀 라인을 포함하는, 발효 공급물로부터 알코올을 분리하고, 묽은 증류 폐액을 시럽으로 농축하기 위한 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 연속적으로 배열된 3개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 3개의 제2 효용 증발기, 및 연속적으로 배열된 3개의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함하는 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 연속적으로 배열된 2개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제2 효용 증발기, 연속적으로 배열된 2개의 제3 효용 증발기를 포함하고, 연속적으로 배열된 2개의 제4 효용 증발기를 추가로 포함하는 4종의 효용기를 포함하는 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 연속적으로 배열된 4개의 제1 효용 증발기, 연속적으로 배열된 4개의 제2 효용 증발기, 및 적어도 하나의 제3 효용 증발기를 포함하는 3종의 효용기를 포함하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 연속적으로 배열된 2개 내지 4개의 제3 효용 증발기를 포함하는 시스템.
  25. 제20항에 있어서,
    맥주 하부의 증류 곡물로부터 묽은 증류 폐액을 분리하도록 구성된 분리기;
    분리기 및 맥주 하부 출구를 연결하는 맥주 하부 라인; 및
    분리기 및 첫번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 입구를 연결하는 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함하는 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 분리기는 원심분리기 또는 필터 프레스인 시스템.
  27. 제21항에 있어서, 제1 묽은 증류 폐액 라인에 연결된 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인을 추가로 포함하는 시스템으로서, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기 각각의 증류 폐액 입구는 각각의 제2 및 제3 묽은 증류 폐액 라인과 소통하며, 이를 통해 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기는 분리기로부터 묽은 증류 폐액을 병렬로 수용할 수 있는 시스템.
  28. 제20항에 있어서, 증기 입구에서의 맥주 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮은 시스템.
  29. 제20항에 있어서,
    용매를 포함하는 발효 공급물의 일부분을 수용하기 위한 입구를 갖는 용매 컬럼 - 용매 컬럼은 용매-부족 및 알코올-풍부 증기를 방출하기 위한 상부 출구, 및 용매-풍부 및 알코올-부족 액체를 위한 하부 출구를 가지며, 용매 컬럼은 맥주 컬럼과 병렬로 작동함 -; 및
    마지막 효용 스팀의 일부분이 용매 컬럼의 작동을 위한 열을 공급하도록 마지막 효용 증발기의 마지막 효용 스팀 출구를 용매 컬럼의 증기 입구에 연결하는 제2 스팀 라인 - 여기서, 증기 입구에서 용매 컬럼 내의 압력은 대기압보다 낮음 - 을 추가로 포함하는 시스템.
  30. 제20항에 있어서, 제1 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
  31. 제20항에 있어서, 제2 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
  32. 제20항에 있어서, 제3 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
  33. 제22항에 있어서, 제4 효용 증발기는 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
  34. 제20항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
  35. 제20항에 있어서, 맥주 컬럼의 상부 출구는 부탄올-풍부 증기를 방출하는 시스템.
  36. 제20항에 있어서, 묽은 증류 폐액은 용매를 포함하며, 용매는 C12 내지 C22 지방 알코올, C12 내지 C22 지방산, C12 내지 C22 지방산의 에스테르, C12 내지 C22 지방 알데히드, 또는 C12 내지 C22 지방 아미드 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
  37. 제20항에 있어서, 묽은 증류 폐액은 발효 공급 원료로부터의 오일을 포함하는 시스템.
  38. 묽은 증류 폐액 - 묽은 증류 폐액은 맥주 컬럼 내에서 발효 공급물로부터 알코올을 분리한 부산물로서 얻어짐 - 을 시럽으로 농축하기 위한 멀티-효용 증발 시스템으로서,
    묽은 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제1 효용 스팀 및 제1 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제1 효용 증발기 세트 - 제1 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제1 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제1 효용 증발기는 맥주 하부의 묽은 증류 폐액을 수용하기 위해서 맥주 컬럼의 맥주 하부 출구와 소통하는 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제1 효용 증발기는 이전의 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제1 효용 증발기 각각은 증기원으로부터 가열된 증기를 수용하기 위한 증기 입구를 가지며, 각각의 제1 효용 증발기는 물이 묽은 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제1 중간 증류 폐액 및 제1 효용 스팀을 생성하도록 가열된 증기가 묽은 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제1 효용 증발기는 제1 효용 스팀을 배출하기 위한 제1 효용 스팀 출구를 가짐 -;
    제1 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제2 효용 스팀 및 제2 중간 증류 폐액을 생성하기 위한 제2 효용 증발기 세트 - 제2 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제2 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제2 효용 증발기는 세번째 제1 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제2 효용 증발기는 이전의 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제2 효용 증발기 각각은 제1 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제2 효용 증발기는 물이 제1 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 제2 중간 증류 폐액 및 제2 효용 스팀을 생성하도록 제1 효용 스팀이 제1 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제2 효용 증발기는 제2 효용 스팀을 배출하기 위한 제2 효용 스팀 출구를 가짐 -; 및
    제2 중간 증류 폐액으로부터 물을 증발시켜 제3 효용 스팀 및 시럽을 생성하기 위한 제3 효용 증발기 세트 - 제3 효용 증발기는 연속적으로 연결된 첫번째, 두번째 및 세번째 제3 효용 증발기를 포함하며, 여기서, 첫번째 제3 효용 증발기는 세번째 제2 효용 증발기의 증류 폐액 출구에 연결된 증류 폐액 입구, 및 증류 폐액을 방출하기 위한 증류 폐액 출구를 가지며, 여기서, 각각의 이후의 제3 효용 증발기는 이전의 제3 효용 증발기의 증류 폐액 출구와 소통하는 증류 폐액 입구를 가지며, 제3 효용 증발기 각각은 제2 효용 스팀 출구에 연결된 증기 입구를 가지며, 각각의 제3 효용 증발기는 물이 제2 중간 증류 폐액으로부터 점진적으로 증발되어 시럽 및 제3 효용 스팀을 생성하도록 제2 효용 스팀이 제2 중간 증류 폐액과 열-교환되게 구성되며, 각각의 제3 효용 증발기는 제3 효용 스팀을 배출하기 위한 제3 효용 스팀 출구를 가짐 - 를 포함하는 멀티-효용 증발 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 효용 증발기 각각은 증발기를 고립시키기 위한 밸브, 및 증발기를 우회하여 다음 증발기의 증류 폐액 입구로 증류 폐액의 경로를 변경하는 라인으로 증류 폐액을 재안내하기 위해서 이것과 연관된 우회 밸브를 갖는 시스템.
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