由生物質(zhì)材料生產(chǎn)揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施方案提供尤其在較大規(guī)模上，例如在商業(yè)或工業(yè)規(guī)模上，從固體生物質(zhì)材料中有效且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)并回收乙醇或其他揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如乙酸。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該方法包括(a)通過(guò)添加微生物，任選地酸和任選地酶到固體生物質(zhì)中，生成至少約10噸預(yù)備的生物質(zhì)材料；(b)在儲(chǔ)存設(shè)施中儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料至少約24小時(shí)，便于由固體生物質(zhì)內(nèi)的至少一部分糖生產(chǎn)至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物；和(c)通過(guò)實(shí)驗(yàn)無(wú)溶劑回收系統(tǒng)，收獲至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物。
【專利說(shuō)明】由生物質(zhì)材料生產(chǎn)揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明的實(shí)施方案一般地涉及由生物質(zhì)材料生產(chǎn)揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如乙醇的 方法，和更特別地涉及由生物質(zhì)材料發(fā)酵并回收這種揮發(fā)性有機(jī)化合物。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 這一部分?jǐn)M引入現(xiàn)有技術(shù)的各個(gè)方面，這些方面可與本發(fā)明的例舉實(shí)施方案有 關(guān)。這一討論被認(rèn)為輔助提供有助于更好地理解本發(fā)明特定方面的框架。因此，應(yīng)當(dāng)理解， 這一部分應(yīng)當(dāng)從這一角度閱讀，且不必然視為承認(rèn)任何現(xiàn)有技術(shù)。
[0004] 隨著全世界的石油供應(yīng)持續(xù)減少，對(duì)可替代各種石油產(chǎn)品，尤其運(yùn)輸燃料的備選 材料存在增長(zhǎng)的需求。在美國(guó)環(huán)境法規(guī)，例如1990年的清潔空氣法案中，提供了在機(jī)動(dòng)車 中使用氧化燃料的動(dòng)機(jī)。乙醇或甲基叔丁基醚（MTBE)提高了汽油中的含氧量并降低了一 氧化碳的釋放。使用乙醇的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是由可再生資源生產(chǎn)燃料。通過(guò)用可再生燃料替 代化石燃料，可降低二氧化碳（一種溫室氣體）的大氣水平。
[0005] 目前進(jìn)行了許多的努力來(lái)生產(chǎn)生物乙醇，所述生物乙醇衍生于可再生的生物質(zhì)材 料，例如玉米，糖類作物，能量作物，和固體廢物。常規(guī)的由玉米生產(chǎn)乙醇典型地與有價(jià)值的 食品資源存在競(jìng)爭(zhēng)，這可通過(guò)負(fù)面影響每年收割的農(nóng)作物產(chǎn)量的愈加苛刻的氣候條件，例 如干旱和洪水而進(jìn)一步放大。與常規(guī)乙醇生產(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)可抬高食品價(jià)格，盡管其他農(nóng)作物已 經(jīng)充當(dāng)乙醇生產(chǎn)用生物質(zhì)材料，但它們通常不適合于全球?qū)嵤?，因?yàn)檫@些農(nóng)作物具有氣候 要求。例如，也可有效地由甘蔗生產(chǎn)乙醇，但僅僅在氣候可能支持幾乎終年收割的世界的某 些區(qū)域，例如巴西進(jìn)行。
[0006] 盡管不使用玉米的其他生產(chǎn)乙醇的方法可獲得，但它們?nèi)匀皇遣蛔愕?。例如，Henk 和Linden在科羅拉多州大學(xué)研究了由高粱固態(tài)生產(chǎn)乙醇(參見(jiàn)Solid State Production of Ethanol from sorghum,Linda L. Henk和 James C. Linden, Applied Biochemistry and Biotechnology，第57/58卷，1996,第489-501頁(yè)）。他們注意到甜高粱成功地用于生產(chǎn)乙 醇，但需要解決三個(gè)問(wèn)題：
[0007] ?碳水化合物的儲(chǔ)存
[0008] ?木質(zhì)纖維素部分的可獲得性（Accessibility)，以酶解半纖維素和纖維素；和
[0009] ?從甜高粱中回收乙醇的更加經(jīng)濟(jì)的方式。
[0010] 在他們的方法中，他們指出在使用這種可再生生物質(zhì)中，季節(jié)的有效性 (availability)和甜高粱的儲(chǔ)存性是重要的因素。糖的提取與儲(chǔ)存是限制使用甜高粱作 為乙醇生產(chǎn)用底物的兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。常規(guī)的應(yīng)用預(yù)見(jiàn)使用從甜高粱漿液中提取或壓榨的 含有約10-15%糖的汁液（juice)。該汁液然后或者直接發(fā)酵成醇，或者蒸發(fā)成糖蜜以供儲(chǔ) 存。直接發(fā)酵汁液成乙醇是一種季節(jié)性方法，僅僅在收割之后的短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這呈現(xiàn)出 從實(shí)驗(yàn)階段規(guī)模放大到較大實(shí)踐階段的固態(tài)發(fā)酵，例如工業(yè)規(guī)模的挑戰(zhàn)。例如，短的收割窗 要求儲(chǔ)存空間和回收設(shè)施的顯著的資金投資，在短時(shí)間段內(nèi)處理峰值量，同時(shí)對(duì)于停機(jī)時(shí) 間來(lái)說(shuō)，空間與設(shè)備將處于睡眠狀態(tài)或者未充分使用。
[0011] 對(duì)甜高粱制造乙醇的一些問(wèn)題，Henk和Linden的策略是研究使用濕法儲(chǔ)存的固 態(tài)發(fā)酵，它被一體化到在甜高粱內(nèi)長(zhǎng)期儲(chǔ)存乙醇的經(jīng)濟(jì)方法內(nèi)。盡管Henk和Linden確實(shí) 顯示出總體工藝的一些改進(jìn)，但仍存在許多缺點(diǎn)，其中包括它們能生產(chǎn)的乙醇量。通過(guò)典型 地要求昂貴的設(shè)備（該設(shè)備需要昂貴的維護(hù)），這一提出的系統(tǒng)傾向于使生物乙醇的生產(chǎn) 甚至更加昂貴。此外，Henk和Linden顯示出在實(shí)驗(yàn)規(guī)模上過(guò)量固態(tài)發(fā)酵的可行性，但沒(méi)有 提供按比例放大操作的細(xì)節(jié)。
[0012] 例如，Henk和Linden沒(méi)有提供從生物質(zhì)固體材料中經(jīng)濟(jì)地回收乙醇和其他揮發(fā) 性有機(jī)化合物的任何方式。Henk和Linden以及其他人沒(méi)有解決使得由固態(tài)發(fā)酵高粱生產(chǎn) 乙醇在經(jīng)濟(jì)上可行的障礙，當(dāng)它在較大規(guī)模，尤其工業(yè)規(guī)模上操作時(shí)。
[0013] 其他人也意識(shí)到從生物質(zhì)固態(tài)材料中經(jīng)濟(jì)地回收乙醇和其他揮發(fā)性有機(jī)化合 物的挑戰(zhàn)。例如，Webster等人報(bào)道了使用甜高粱用草料收割機(jī)導(dǎo)致快速的汁液劣化 和因此不是將甜高粱介紹進(jìn)入糖廠的吸引人的解決方法（參見(jiàn)Observations of the Harvesting. Transporting and Trial Crushing of Sweet sorghum in a Sugar Mill, Webster, A.等人，2004 Conference of the Australian Society of Sugar Cane Techn ologist, Brisbane, Queensland，澳大利亞（2004 年 5 月））。Andrzejewski 和 Eggleston 報(bào)道了在使美國(guó)甜高粱變?yōu)橐掖迹ɑ蚱渌猛荆┲锌尚械奶魬?zhàn)圍繞著儲(chǔ)存汁液，因?yàn)樘鸶?梁在美國(guó)具有相對(duì)窄的收害幢(參見(jiàn)Development of commercially viable processing technologies for sweet sorghum at USDA-ARS-Southern Regional Research Center in New Orleans. Andrzejewski 和 Eggleston, Sweet sorghum Ethanol Conference, 2012 年1月26日）。特別地，挑戰(zhàn)包括⑴原汁的澄清化（clarification)(除去懸浮和渾濁的 顆粒），使之適合于濃縮和/或發(fā)酵，（ii)穩(wěn)定汁液或部分濃縮的汁液以供成本合算的季節(jié) 性使用（液體原料）和（iii)將汁液濃縮成糖漿以供儲(chǔ)存，終年供應(yīng)和有效地運(yùn)輸（液體 原料）。
[0014] Bellmer尋求在加工之前，通過(guò)優(yōu)化從固體中除去汁液的條件來(lái)改進(jìn)該方 法（參見(jiàn) The untapped potential of Sweet sorghum as a Bioenergy Feedstock, Bellmer，D.，Sweet sorghum Ethanol Conference，2012 年 1 月 26 日）。Wu 等人認(rèn)識(shí) 到使用甜高粱用于生物燃料的挑戰(zhàn)，其中包括對(duì)于最高的糖含量來(lái)說(shuō)，短的收割時(shí)間段， 和在儲(chǔ)存過(guò)程中快速的糖劣化(參見(jiàn)Features of Sweet sorghum juice and their performance in ethanol fermentation, X. Wu 等人，Industrial Crops and Products 31:164-170,2010)。特別地，研究表明多達(dá)20%的可發(fā)酵糖類可在3天內(nèi)損失。Bennet 和Annex注意到使用高粱用于乙醇生產(chǎn)的局限性，其中牽涉材料的運(yùn)輸成本和儲(chǔ)存性（參 見(jiàn) Farm-gate productions costs of sweet sorghum as a bioethanol feedstock, Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, 第51 (2)卷：603-613, 2008)，盡管Bennet和Annex意識(shí)到在用酵母接種的青吧飼料中直接 生產(chǎn)乙醇，但他們得出結(jié)論，這種直接生產(chǎn)方法是不實(shí)際的，因?yàn)榇嬖谂c從青貯飼料中分離 乙醇有關(guān)的問(wèn)題，青C飼料的儲(chǔ)存損失（在倉(cāng)型筒倉(cāng)（bunker style silos)內(nèi)最多40%)， 且對(duì)于工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還有待檢驗(yàn)使用青貯飼料作為備選的發(fā)酵原料的可能性。
[0015] Shen和Liu尋求通過(guò)首先干燥甜高粱，以便保存糖類，然后計(jì)劃終年使用該材 料以供乙醇生產(chǎn)，解決長(zhǎng)期和有效儲(chǔ)存新鮮莖或汁液的問(wèn)題，進(jìn)而增加了材料處理成本 以供干燥，鋪開(kāi)濕高粱以供干燥，以及通過(guò)要求充足的氣候條件實(shí)現(xiàn)合適的干燥，增加了 該工藝的局限性(參見(jiàn) Research on Solid-State Ethanol Fermentation Using Dry Sweet Sorghum Stalk Particles with Active Dry Yeast, Shen, Fei 和 Liu,R. , Energy & Fuels, 2009,第23卷，第519-525頁(yè)）。Imam和Capareda尋求在發(fā)酵之前，處理汁液和使 用各種選項(xiàng)，例如高壓釜（熱處理），冷凍，增加發(fā)酵速率，和增加糖的濃度(參見(jiàn)Ethanol Fermentation from Sweet Sorghum Juice, Imam, T.和 Capareda, S.，ASABE, 2010AS ABE Annual International Meeting, Pittsburge, PA(2010 年 6 月））。
[0016] Bellmer，Huhnke和Godsey注意到在乙醇生產(chǎn)中使用高粱的挑戰(zhàn)，因?yàn)椋海╥)在甜 高粱內(nèi)碳水化合物的儲(chǔ)存性，（ii)在收割之后在莖內(nèi)快速的糖/碳水化合物劣化，（iii) 榨汁短的儲(chǔ)存期限，（iv)糖楽生產(chǎn)（脫水）成本太高(參見(jiàn)The untapped potential of sweet sorghum as a bioenergy feedstock. Bellmer, D.，Huhnke, R?和Godsey, C.，Biofue lsl (4) 563-573, 2010)。他們使用固相發(fā)酵桶，它是含旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)股和螺旋鉆的金屬容器，這要求 昂貴的設(shè)備。進(jìn)一步地，使用固相發(fā)酵桶也遭受農(nóng)作物，例如甜高粱收割窗的問(wèn)題。同樣， Noah和Linden注意到儲(chǔ)存性和低效的糖提取作為燃料和化學(xué)品使用甜高粱的兩個(gè)主要缺 點(diǎn)。
[0017] 總之，使用高粱和含可發(fā)酵糖類的其他植物的障礙包括下述事實(shí)：它們僅僅季節(jié) 性可獲得且儲(chǔ)存昂貴，這使得它成了有效地使用基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure)和計(jì)劃安排 勞力的挑戰(zhàn)；糖的提取和儲(chǔ)存性是兩個(gè)關(guān)鍵的障礙，因?yàn)樵谑崭钪蟊仨毩⒓撮_(kāi)始轉(zhuǎn)化，以 避免腐敗。
[0018] 因此，需要在大的規(guī)模上由生物質(zhì)材料生產(chǎn)乙醇和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物的方 法，該方法解決了至少這些障礙，例如優(yōu)選不與全世界的食品資源競(jìng)爭(zhēng)。
[0019] 發(fā)明概述
[0020] 與常規(guī)方法相比，本發(fā)明的實(shí)施方案提供許多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)解決這些挑戰(zhàn)，其中一些 挑戰(zhàn)如上所述，例如需要分散的（decentralized)裝置，短的收割窗，快速的糖劣化，和大 的設(shè)備投資，本發(fā)明的實(shí)施方案允許由含有可發(fā)酵糖的植物經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)乙醇和其他揮發(fā)性 有機(jī)化合物。
[0021] 在某些實(shí)施方案中，可通過(guò)一堆或更多堆地儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵，從 而與通常要求顯著的資金投資的現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)酵工藝相比，減少或省去對(duì)昂貴設(shè)備的需 求。本發(fā)明的實(shí)施方案允許發(fā)酵與產(chǎn)品儲(chǔ)存聯(lián)合，其中現(xiàn)有技術(shù)的可發(fā)酵糖類作物的發(fā)酵 常常要求即時(shí)收割，避免腐敗，這使得現(xiàn)有技術(shù)的操作時(shí)間敏感。
[0022] 本發(fā)明的實(shí)施方案允許回收設(shè)施以控制的方式終年連續(xù)運(yùn)行，而與收割窗無(wú)關(guān)， 從而拓寬了放置回收設(shè)施可獲得的地理位置，其中包括具有相對(duì)短收割窗的區(qū)域。例如，巴 西的甘蔗乙醇裝置典型地每年操作約9個(gè)月，因?yàn)檫@是在巴西甘蔗的收割窗。在美國(guó)，相 同的裝置每年可僅僅操作約3-5個(gè)月，因?yàn)橐笈c農(nóng)作物短時(shí)間的可獲得性相關(guān)的即時(shí)收 害IJ。本發(fā)明的實(shí)施方案省去或最小化對(duì)即時(shí)收割的需求，從而便于終年生產(chǎn)乙醇，而與糖類 作物的收割窗無(wú)關(guān)。
[0023] 本發(fā)明的實(shí)施方案提供對(duì)發(fā)酵和儲(chǔ)存時(shí)間段的控制，其中揮發(fā)性有機(jī)化合物的最 小劣化最多700天，從而提供短的收割窗，其中農(nóng)作物最接近于其峰值糖潛力和田間產(chǎn)率。 與常規(guī)方法相比，這便于在最佳條件下收割，所述常規(guī)方法可能需要犧牲糖的生產(chǎn)水平和 田間產(chǎn)率以獲得較長(zhǎng)收割窗。
[0024] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的實(shí)施方案便于大規(guī)模生產(chǎn)乙醇或其他揮發(fā)性有機(jī)化合物，其 中包括回收充足的含量以供商業(yè)化或者其他工業(yè)應(yīng)用。
[0025] 在特別的實(shí)施方案中，提供生產(chǎn)至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法，該方法包括：生成至少約10噸預(yù)備的生物質(zhì)材料，所述預(yù)備的生物質(zhì)材料包括加入到含糖的固體生物 質(zhì)中的至少一種添加劑，其中所述至少一種添加劑包括微生物，和任選地酸和/或酶；和在 儲(chǔ)存設(shè)施中儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料至少約24小時(shí)，便于由至少一部分糖生產(chǎn)至少一種揮 發(fā)性有機(jī)化合物；和通過(guò)將儲(chǔ)存的生物質(zhì)材料進(jìn)料到無(wú)溶劑回收系統(tǒng)中，將所儲(chǔ)存的生物 質(zhì)材料至少分離成含至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物的氣體組分和固體組分，從而收獲至少一 種揮發(fā)性有機(jī)化合物。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施方案中，收獲步驟包括：引入所預(yù)備的生物質(zhì)材料到無(wú)溶劑回收系統(tǒng) 的密閉隔室內(nèi)，其中所預(yù)備的生物質(zhì)材料含有一種或多種揮發(fā)性有機(jī)化合物；在該密閉隔 室內(nèi)接觸所預(yù)備的生物質(zhì)材料與過(guò)熱的蒸氣物流，汽化所預(yù)備的生物質(zhì)材料內(nèi)的至少一部 分起始的液體內(nèi)容物，所述過(guò)熱的蒸氣物流包括至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物；從所預(yù)備的 生物質(zhì)材料中分離氣體組分和固體組分，所述氣體組分包括至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物； 和保留至少一部分氣體組分以供用作一部分過(guò)熱的蒸氣物流。
[0027] 在另一實(shí)施方案中，提供含揮發(fā)性有機(jī)化合物的可儲(chǔ)存的濕法生物質(zhì)的生產(chǎn)方 法，所述方法包括：添加至少一種添加劑到至少約10噸的固體生物質(zhì)中，生成預(yù)備的生物 質(zhì)材料，所述固體生物質(zhì)包括產(chǎn)糖植物，其中所述至少一種添加劑包括微生物，和任選地酸 和/或酶；和允許在預(yù)備的生物質(zhì)材料內(nèi)的至少一部分糖轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性有機(jī)化合物；其中 該生物質(zhì)材料能儲(chǔ)存約700天，且沒(méi)有顯著劣化揮發(fā)性有機(jī)化合物。
[0028] 除了以上所述的特征以外，通過(guò)解決這些挑戰(zhàn)，例如儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本，短的收割 窗，快速的糖劣化，和大的設(shè)備投資，本發(fā)明的實(shí)施方案提供由含可發(fā)酵糖的植物經(jīng)濟(jì)地生 產(chǎn)備選的燃料，例如乙醇和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物。本文描述的實(shí)施方案的一些方面可應(yīng) 用到任何生物質(zhì)材料，例如含有可發(fā)酵糖的植物上。本發(fā)明實(shí)施方案的特征允許經(jīng)濟(jì)地使 用各種植物生產(chǎn)備選的燃料和化學(xué)品且不限于高粱和遭受類似挑戰(zhàn)的其他植物。本文強(qiáng)調(diào) 這種挑戰(zhàn)性農(nóng)作物，是因?yàn)槠渌椒ê拖到y(tǒng)不能經(jīng)濟(jì)地使用這些挑戰(zhàn)性農(nóng)作物來(lái)生產(chǎn)燃料 和化學(xué)品。正因?yàn)槿绱耍唧w提及高粱不打算限制，而是闡述本發(fā)明實(shí)施方案的特定應(yīng)用。
[0029] 根據(jù)下述詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明實(shí)施方案的其他特征和優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見(jiàn)。然而，應(yīng)當(dāng) 理解，僅僅通過(guò)闡述給出詳細(xì)說(shuō)明和同時(shí)表明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的具體實(shí)施例，因?yàn)楦?據(jù)這一詳細(xì)說(shuō)明，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種變化和改性對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯 而易見(jiàn)的。
[0030] 附圖簡(jiǎn)述
[0031] 這些附圖闡述了本發(fā)明一些實(shí)施方案的某些方面，且不應(yīng)當(dāng)用于限制或定義本發(fā) 明。
[0032] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的某些方面處理生物質(zhì)材料的一個(gè)實(shí)施方案的方框圖。
[0033] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些方面處理生物質(zhì)材料的另一實(shí)施方案的方框圖。
[0034] 優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明
[0035] 本發(fā)明的實(shí)施方案可提供尤其在較大規(guī)模上，例如在商業(yè)化或工業(yè)規(guī)模上，從固 體生物質(zhì)材料中有效且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)和回收乙醇或其他揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如乙酸。根據(jù) 本發(fā)明的一個(gè)方面，該方法包括（a)通過(guò)添加微生物，任選地酸和任選地酶到固體生物質(zhì) 中，生成至少約10噸預(yù)備的生物質(zhì)材料；(b)在儲(chǔ)存設(shè)施中儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料至少約 24小時(shí)，便于由固體生物質(zhì)內(nèi)的至少一部分糖生產(chǎn)至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物；和（c)通 過(guò)使用無(wú)溶劑回收系統(tǒng)收獲至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物。
[0036] 本文中所使用的術(shù)語(yǔ)"固體生物質(zhì)"或"生物質(zhì)"至少是指來(lái)自活體或最近存活的 有機(jī)物的生物物質(zhì)。固體生物質(zhì)包括植物或動(dòng)物物質(zhì)，它們可轉(zhuǎn)化成纖維或其他工業(yè)化學(xué) 品，其中包括生物燃料。固體生物質(zhì)可以衍生于許多類型的植物或樹(shù)木，其中包括芒草，柳 枝稷草，大麻，玉米，熱帶白楊，柳樹(shù)，高粱，甘蔗，糖用甜菜和任何能量藤條，和各種樹(shù)種，范 圍從桉樹(shù)到油棕櫚（棕櫚油）。在一個(gè)實(shí)施方案中，固體生物質(zhì)包括至少一種可發(fā)酵的產(chǎn)糖 植物。固體生物質(zhì)可包括兩種或更多種不同的植物類型，其中包括可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物。不同 的植物類型可具有相同或不同的收割季節(jié)。在不打算限制本發(fā)明范圍的優(yōu)選實(shí)施方案中， 選擇高粱，因?yàn)樗诓荒敲锤弋a(chǎn)的土地上具有高的產(chǎn)率且具有高的糖含量。
[0037] 術(shù)語(yǔ)"可發(fā)酵的糖"是指低聚糖和單糖，它們可用作碳源（例如戊糖和己糖），通過(guò) 微生物，在厭氧和/或需氧條件下生成有機(jī)產(chǎn)物，例如醇類，有機(jī)酸，酯，和醛。這種有機(jī)產(chǎn) 物的生產(chǎn)通?？煞Q為發(fā)酵。至少一種可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物含有在其生長(zhǎng)循環(huán)的過(guò)程中的一個(gè) 時(shí)間點(diǎn)處，在植物材料的水相內(nèi)溶解的可發(fā)酵的糖類。可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物的非限制性實(shí)例 包括高粱，甘蔗，糖用甜菜和能量藤條。特別地，甘蔗，能量藤條，和高粱典型地在水相內(nèi)含 有約5% -約25%的可溶糖w/w且以濕重為基礎(chǔ)具有約60%至約80%的含濕量，當(dāng)它們臨 近或者處于它們的最大潛在可發(fā)酵糖的產(chǎn)生下時(shí)（例如，最大可發(fā)酵糖濃度）。
[0038] 術(shù)語(yǔ)"以濕重為基礎(chǔ)（wet basis)"至少是指包括水作為一部分質(zhì)量的質(zhì)量百分 t匕。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，產(chǎn)糖植物是高粱。可使用高粱的任何種屬或變體，它提供碳水化 合物的微生物轉(zhuǎn)化，變?yōu)閾]發(fā)性有機(jī)化合物（V0C)。對(duì)于使用高粱的實(shí)施方案來(lái)說(shuō)，該植物 提供某些優(yōu)勢(shì)，其中包括節(jié)水（water-efficient)以及抗干旱和耐熱。這些性能使得該農(nóng)作 物適合于許多位置，其中包括地球上的各個(gè)區(qū)域，例如中國(guó)，非洲，澳大利亞和美國(guó)，例如海 拔高的平原地區(qū)，西部，和橫跨南德克薩斯州。
[0039] 在使用高粱的實(shí)施方案中，高粱可包括可被收割的具有較高可發(fā)酵糖濃度的任何 各種或各種的組合。具有優(yōu)選性能的一些種類的高粱有時(shí)稱為〃甜高粱"。該高粱可包括 可能或可能不含有充足濕氣以支持在甘蔗研磨操作中榨汁過(guò)程的各種高粱。在優(yōu)選的實(shí)施 方案中，固體生物質(zhì)包括商業(yè)上通過(guò)Advanta生產(chǎn)的Sugar T高粱變體和/或Sugar T的父 本，它也是Advanta的可商購(gòu)的產(chǎn)品。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所使用的農(nóng)作物具有約5-約 25的糖度（brix)，優(yōu)選約10-約20的糖度，和更優(yōu)選約12-約18的糖度。本文中所使用 的術(shù)語(yǔ)"糖度"至少是指在水溶液內(nèi)葡萄糖、果糖和蔗糖的含量，其中1度糖度是在l〇〇g 溶液內(nèi)lg葡萄糖，果糖和/或蔗糖且代表以重量百分比（％ w/w)為單位的溶液濃度。在另 一優(yōu)選的實(shí)施方案中，所使用的農(nóng)作物的含濕量為約50% -80%，優(yōu)選至少60%。
[0040] 在一個(gè)實(shí)施方案中，農(nóng)作物是糖度值為約18和含濕量為約67%的Sugar T的父 本。在另一實(shí)施方案中，農(nóng)作物是糖度值為約12和含濕量為約73%的Sugar T。在這些特 別的實(shí)施方案中，通過(guò)手持式折射儀，測(cè)定糖度和含濕量值。
[0041] 在添加至少一種添加劑（微生物，任選地酸和/或酶）到固體生物質(zhì)中之后，它變 為預(yù)備的生物質(zhì)材料,其中至少一種添加劑促進(jìn)可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化成V0C(例如乙醇）。如以上 所述和以下進(jìn)一步描述的，預(yù)備的生物質(zhì)材料可儲(chǔ)存一段時(shí)間，以允許通過(guò)該轉(zhuǎn)化工藝生 成更多的VOC。然后從預(yù)備的生物質(zhì)材料中回收至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物。揮發(fā)性有機(jī) 化合物是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。U.S.EPA提供揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC)的說(shuō)明，其中之 一是碳的任何化合物，但不包括參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金屬碳 化物或碳酸鹽，和碳酸銨，例外的是EPA指定的具有可忽略不計(jì)的光化學(xué)反應(yīng)性的那些（參 見(jiàn) http://www. epa. gov/iag/voc2. html#definition)。揮發(fā)性有機(jī)化合物或 VOC 的另一說(shuō) 明是任何有機(jī)化合物，其組成使得它們可在正常的室內(nèi)溫度和壓力的大氣條件下蒸發(fā)。這 是在科技文獻(xiàn)中使用的V0C的一般定義，且與室內(nèi)空氣質(zhì)量所使用的定義一致。正常的室 內(nèi)溫度和壓力的大氣條件是指被人們居住的建筑物中通常發(fā)現(xiàn)的條件范圍，和因此可隨建 筑物的類型及其地理位置而變化。通過(guò)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 與技術(shù)會(huì)（NIST)提供一個(gè)例舉的正常室內(nèi)大氣條件。IUPAC的標(biāo)準(zhǔn)是0°C的溫度（273， 15K，32° F)和 lOOkPa 的絕對(duì)壓力（14, 504psi)，和 NIST 的定義是 20°C的溫度（293,15K， 68° F)和 101. 325kPa 的絕對(duì)壓力（14. 696psi)。
[0042] 由于通?；衔锏膿]發(fā)性越高，則其沸點(diǎn)溫度越低，因此，有機(jī)化合物的揮發(fā)性 有時(shí)通過(guò)它們的沸點(diǎn)來(lái)定義并分類。因此V0C可通過(guò)其沸點(diǎn)來(lái)描述。V0C是沸程為約 50°C -260°C的任何有機(jī)化合物，這在約101. 3kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測(cè)量?？苫厥蘸?或由從 本發(fā)明的實(shí)施方案中回收的V0C進(jìn)一步加工的許多揮發(fā)性有機(jī)化合物在香料和調(diào)味料工 業(yè)中具有應(yīng)用。這些化合物的實(shí)例可以是酯，酮，醇，醛，烴和萜烯類。下表1進(jìn)一步提供了 可回收和/或由從預(yù)備的生物質(zhì)材料中回收的V0C進(jìn)一步加工的揮發(fā)性有機(jī)化合物的非限 定性實(shí)例。
[0043] 表 1
[0044]
【權(quán)利要求】
1. 生產(chǎn)至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法，該方法包括： 生成至少約10噸預(yù)備的生物質(zhì)材料，所述預(yù)備的生物質(zhì)材料包括加入到含糖的固體 生物質(zhì)中的至少一種添加劑，其中所述至少一種添加劑包括微生物，和任選地酸和/或酶； 在儲(chǔ)存設(shè)施中儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料至少約24小時(shí)，便于由至少一部分糖生產(chǎn)至少 一種揮發(fā)性有機(jī)化合物；和 通過(guò)將儲(chǔ)存的生物質(zhì)材料進(jìn)料到無(wú)溶劑回收系統(tǒng)中，將所儲(chǔ)存的生物質(zhì)材料至少分離 成含至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物的氣體組分和固體組分，從而收獲至少一種揮發(fā)性有機(jī)化 合物。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中在約1-7個(gè)月范圍內(nèi)的時(shí)間段中生成至少約700噸預(yù)備的 生物質(zhì)材料。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中生成至少約25, 000噸預(yù)備的生物質(zhì)材料。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中相對(duì)于每1噸預(yù)備的生物質(zhì)材料，生成約14-16加侖的乙 醇。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中生物質(zhì)物質(zhì)包括至少一種可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物。
6. 權(quán)利要求5的方法，其中至少一種可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物包括高粱，甘蔗，糖用甜菜，能 量藤條，及其任何組合中的至少一種。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中預(yù)備的生物質(zhì)材料包括至少兩類不同的植物，其中每一植 物類型具有不同的收割季節(jié)。
8. 權(quán)利要求5的方法，其中收割至少一種可發(fā)酵的產(chǎn)糖植物，當(dāng)所述植物達(dá)到其糖生 產(chǎn)潛力的至少約80%時(shí)。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中儲(chǔ)存步驟包括儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料范圍為約72小時(shí)-約 700天的時(shí)間段。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中儲(chǔ)存步驟包括儲(chǔ)存預(yù)備的生物質(zhì)材料，其時(shí)間段足以允許 糖轉(zhuǎn)化成至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合物至少約95%的糖轉(zhuǎn)化效率。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中儲(chǔ)存設(shè)施位于離無(wú)溶劑回收系統(tǒng)約〇. 5英里處。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中儲(chǔ)存步驟進(jìn)一步包括形成高度為至少約10英尺的至少一 堆預(yù)備的生物質(zhì)材料。
13. 權(quán)利要求1的方法，其中形成至少一堆進(jìn)一步包括壓縮至少一部分預(yù)備的生物質(zhì) 材料，有助于建立厭氧環(huán)境。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中收獲步驟包括： 引入所預(yù)備的生物質(zhì)材料到無(wú)溶劑回收系統(tǒng)的密閉隔室內(nèi)，其中所預(yù)備的生物質(zhì)材料 含有一種或多種揮發(fā)性有機(jī)化合物； 在該密閉隔室內(nèi)接觸所預(yù)備的生物質(zhì)材料與過(guò)熱的蒸氣物流，汽化所預(yù)備的生物質(zhì)材 料內(nèi)的至少一部分起始的液體內(nèi)容物，所述過(guò)熱的蒸氣物流包括至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合 物； 從所預(yù)備的生物質(zhì)材料中分離氣體組分和固體組分，所述氣體組分包括至少一種揮發(fā) 性有機(jī)化合物；和 保留至少一部分氣體組分以供用作一部分過(guò)熱的蒸氣物流。
15. 含揮發(fā)性有機(jī)化合物的可儲(chǔ)存的濕法生物質(zhì)的生產(chǎn)方法，所述方法包括： 添加至少一種添加劑到至少約10噸的固體生物質(zhì)中，生成預(yù)備的生物質(zhì)材料,所述固 體生物質(zhì)包括產(chǎn)糖植物，其中所述至少一種添加劑包括微生物，和任選地酸和/或酶；和 允許在預(yù)備的生物質(zhì)材料內(nèi)的至少一部分糖轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性有機(jī)化合物； 其中該生物質(zhì)材料能儲(chǔ)存約700天，且沒(méi)有顯著劣化揮發(fā)性有機(jī)化合物。
16.權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括： 引入預(yù)備的生物質(zhì)材料到無(wú)溶劑回收系統(tǒng)的密閉隔室內(nèi)，其中所預(yù)備的生物質(zhì)材料含 有一種或多種揮發(fā)性有機(jī)化合物； 在該密閉隔室內(nèi)接觸所預(yù)備的生物質(zhì)材料與過(guò)熱的蒸氣物流，汽化所預(yù)備的生物質(zhì)材 料內(nèi)的至少一部分起始的液體內(nèi)容物，所述過(guò)熱的蒸氣物流包括至少一種揮發(fā)性有機(jī)化合 物； 從所預(yù)備的生物質(zhì)材料中分離氣體組分和固體組分，所述氣體組分包括至少一種揮發(fā) 性有機(jī)化合物；和 保留至少一部分氣體組分以供用作一部分過(guò)熱的蒸氣物流。
【文檔編號(hào)】C12F3/10GK104302775SQ201380025629
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月17日
【發(fā)明者】P·G·漢密爾頓, C·W·雷德特克, K·M·克萊特曼 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司