CN105814177A - 包含木质纤维素生物质发酵过程的糖浆的燃料组合物 - Google Patents

Abstract

通过组合木质纤维素生物质发酵过程的糖浆联产品和一种附加燃料组分来制备固体木质纤维素燃料组合物。所述糖浆是用于不易于处理的粉状燃料材料的优异粘合剂。进一步处理燃料组合物以形成压块、丸粒等等。

Description

包含木质纤维素生物质发酵过程的糖浆的燃料组合物

本申请要求2013年10月10日提交的现在悬而未决的美国临时申请61/889061的权益，该临时申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及复合燃料组合物领域。更具体地，木质纤维素生物质发酵过程的糖浆联产品在燃料组合物中是优异的粘合剂。

背景技术

许多材料作为燃料极具价值，但是就处理而言，其形式在用作燃料时却难以处理。例如，煤矿开采、加工和处理产生百万吨因处理和运输问题而不适合作为燃料燃烧的细煤粉。通过将细煤粉与其它材料诸如淀粉/油乳液(US1,851,689)、淀粉和糖蜜(US5,009,671)、柏油粘结材料(US823,025)、沥青粘结料(US3,966,427)或液化生物质(US5,916,826)结合并压实而制成可用燃料。挤出和制粒工艺已经用于制备易于运输和易于处理的包含细煤粉的燃料丸粒。

还存在具有燃料值但为粉状或颗粒状的另一些材料，因此不适合于燃料用途。如果这些材料可制备为便利的、易于处理的产品，则可用作燃料。这包括生物质材料诸如木屑、研磨的生物质、和来自使用木质纤维素生物质的工艺的联产品。

在将木质纤维素生物质用作用于发酵的碳源的纤维素乙醇方法中，通常将来自蒸馏塔(醪塔)的全釜馏物分离为固体(湿饼或滤饼)和液体(稀塔馏物)馏分。使稀塔馏物通过蒸发器以产生糖浆。滤饼和糖浆是纤维素乙醇方法的联产品。可燃烧具有至少约40％固体的糖浆，如US20120102823中所公开，由此提供能量。也可燃烧滤饼以提供能量。

仍然需要这样的材料的组合物：便于处理并用作可燃燃料，由其它情况下难以用作燃料的材料制得。

发明内容

本发明提供固体燃料，其是起始于木质纤维素生物质和一种附加燃料材料的过程所产生的糖浆的混合物。附加燃料材料通常在用作燃料时不易于处理。

因此，本发明提供木质纤维素糖浆组合物，其包含：

a)约40％至约70％的固体；

b)约10g/l至约30g/l的乙酰胺；

c)至少约40g/l的糖；

其中所述木质纤维素糖浆具有约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度。

在另一方面，本发明提供了固体木质纤维素燃料组合物，所述组合物包含：

a)木质纤维素糖浆组合物，其包含：

i)约40％至约70％的固体；

ii)约10g/l至约30g/l的乙酰胺；

iii)至少约40g/l的糖；

其中所述木质纤维素糖浆具有约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度；以及

b)至少一种附加燃料组分。

在又一方面，本发明提供了湿木质纤维素滤饼组合物，其包含：

a)约35％至约65％的水分；

b)约20％至约75％的挥发物；

c)约35％至约65％的固体；

d)约1％至约30％的灰分含量；和

e)约5％至约20％的固定碳；

其中所述滤饼组合物具有约2,000至约9,000BTU/lb的能量值。

在另一方面，本发明提供了固体木质纤维素燃料组合物，其包含以上木质纤维素糖浆组合物和以上木质纤维素滤饼组合物。

在另一方面，本发明提供用于制备固体木质纤维素燃料组合物的方法，其包括使以上木质纤维素糖浆组合物与至少一种附加燃料组分混合，以产生固体木质纤维素燃料组合物。

在另一方面，本发明提供由木质纤维素生物质制备乙醇的方法，其包括：

a)提供蒸汽动力的木质纤维素乙醇制备系统，所述系统包括

i)用于减小生物质粒度的装置；

ii)用于预处理生物质以释放聚合糖的装置；

iii)用于使ii)的聚合糖转化为单体糖的装置；

iv)用于使iii)的单体糖转化为乙醇的装置；和

v)用于回收iv)的乙醇的装置；

其中所述木质纤维素乙醇制备系统产生：

1)木质纤维素糖浆组合物，其包含：

a)约40％至约70％的固体；

b)约10g/l至约30g/l的乙酰胺；

c)至少约40g/l的糖；和

d)至少约5g/l的氨；

其中所述木质纤维素糖浆具有约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度；以及

2)湿木质纤维素滤饼组合物，其包含：

a)约35％至约65％的水分；

b)约20％至约75％的挥发物；

c)约35％至约65％的固体；

d)约1％至约30％的灰分含量；和

e)约5％至约20％的固定碳；

其中所述滤饼组合物具有约2,000至约9,000BTU/lb的能量值；

其中所述木质纤维素糖浆组合物和所述湿木质纤维素滤饼用于生成蒸汽以为所述木质纤维素乙醇制备系统提供动力。

具体实施方式

可将因物理特性诸如较小粒度而难以使用的形成尘状、粉末或颗粒状材料的燃料材料与另一种材料混合，以形成可用的燃料材料诸如丸粒或压块。对于也由木质纤维素生物质发酵过程产生的粉状燃料材料诸如细煤粉、滤饼以及其它粒状生物质，由使用木质纤维素生物质的发酵过程产生的糖浆是一种优异的粘合剂。糖浆作为燃料具有其自身价值，并且当与粒状第二燃料组分混合时粘结第二燃料组分，使得能够挤出和/或形成混合物以制备可用的固体燃料产物。木质纤维素发酵过程的糖浆联产品成本低、水分低，并且其自身中的燃料使得其在固体木质纤维素燃料组合物中极具价值。

以下定义和缩写用于权利要求和说明书的解释。

如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”或“含有”，或者其任何其它变型旨在包括非排他性的包括。例如，包含元素列表的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，但可以包括其它未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备固有的元素。此外，除非明确指明相反，“或”是指包含性的“或”而非排他性的“或”。例如，下列任一项均满足条件A或B：A为真实的(或存在的)且B为虚假的(或不存在的)，A为虚假的(或不存在的)且B为真实的(或存在的)，以及A和B均为真实的(或存在的)。

在本发明的元件或组分前的不定冠词“一个”和“一种”旨在对于所述元件或组分的实例(即出现)数量是非限制性的。因此，应将“一个”或“一种”理解为包括一个/一种或至少一个/一种，并且元素或组分的单数词语形式也包括复数指代，除非有数字明显表示单数。

如本文所用，术语“发明”或“本发明”是非限制性术语，并且不旨在意指本发明的任何单独实施方案，而是涵盖如本说明书和权利要求所述的所有可能的实施方案。

如本文所用，用术语“约”修饰本发明的成分或反应物的量时是指数值量的变化，它们可能发生在例如，典型的测量和用于制备浓缩液或实际使用溶液的液体处理程序中；这些程序中的偶然误差中；制造、来源、或用于制备组合物或实施方法的成分的纯度的差异中；等。术语“约”还包括由于对于起因于特定起始混合物的组合物的不同平衡条件而不同的量。无论是否由术语“约”来修饰，权利要求包括量的等同量。在一个实施方案中，术语“约”是指在报告数值10％以内，优选地在报告数值5％以内。

术语“可发酵糖”是指在发酵过程中能被微生物用作碳源的低聚糖和单体糖。

术语“木质纤维素”是指包含木质素和纤维素的组合物。木质纤维素材料也可包含半纤维素。

术语“纤维素”是指包含纤维素和附加组分(包括半纤维素在内)的组合物。

术语“糖化”是指由多糖产生可发酵糖。

术语“预处理的生物质”是指在糖化之前已经过预处理的生物质。所述预处理可为物理的、热的或化学方法的形式以及它们的组合。

术语“丁醇”是指异丁醇、1-丁醇、2-丁醇、或它们的组合。

术语“木质纤维素生物质”是指任何木质纤维素材料，并且包括包含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、寡糖和/或单体糖的材料。生物质也可包含附加组分如蛋白质和/或脂质。生物质可源自单一来源，或者生物质可包括源自一种以上来源的混合物；例如，生物质可包括玉米轴和玉米秸秆的混合物，或草和叶片的混合物。木质纤维素生物质包括但不限于生物能源作物、农业残留物、市政固体垃圾、工业固体垃圾、来自造纸业的淤渣、庭院垃圾、木材和林业垃圾。生物质的示例包括但不限于玉米棒、作物残留物如玉米壳、玉米秸秆、草(包括细叶芒)、小麦秸秆、大麦秸秆、干草、稻秆、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱材料、大豆植物材料、从谷物的研磨或从生产过程中使用谷物获得的组分(诸如DDGS：含可溶物的干酒糟)、树、枝、根、叶、木片、锯末、灌木和灌丛、蔬菜、水果、花、棕榈空果串和能源甘蔗。

术语“能源甘蔗”是指培育用于产生能量的甘蔗。其因纤维百分比高于糖而被选择。

术语“木质纤维素生物质水解产物”是指木质纤维素生物质糖化产生的产物。生物质也可在糖化前进行预处理或预加工。

术语“木质纤维素生物质水解产物发酵液”是指包含产物的发酵液，所述产物得自在包含木质纤维素生物质水解产物的培养基中的生物催化剂生长和生产。该发酵液包括木质纤维素生物质水解产物的没有被生物催化剂消耗的成分，以及生物催化剂本身和生物催化剂产生的产品。

术语“浆液”是指不溶解的材料和液体的混合物。浆液还可包含高水平的溶解固体。浆液的示例包括糖化液、发酵液和釜馏物。

术语“全釜馏物”是指蒸馏的塔底物。所述全釜馏物包含高锅炉和蒸馏进料流的任何固体。全釜馏物是枯竭的发酵液的类型。

术语“稀釜馏物”是指来自全釜馏物、发酵液、或产物枯竭的发酵液的固体/液体分离的液体部分。

本文术语“产物枯竭的发酵液”或“枯竭的发酵液”是指移除产物流后的木质纤维素生物质水解产物发酵液。

术语“糖浆”是指浓缩的产物，其由稀釜馏物移除水而产生，一般来讲为蒸发。

术语“目标产物”是指任何由发酵中的微生物生产宿主细胞生成的产物。目标产物可为宿主细胞中经遗传工程改造的酶的途径的产物或可由内源性途径产生。典型的目标产物包括但不限于：酸、醇、烷烃、烯烃、芳烃、醛、酮、生物聚合物、蛋白质、肽、氨基酸、维生素、抗生素和药物。

术语“发酵”广义地是指使用生物催化剂来产生目标产物。通常生物催化剂在发酵液中利用发酵液中的碳源生长，并且通过其代谢产生目标产物。

术语“固体木质纤维素燃料组合物”是指木质纤维素糖浆和一种附加燃料组分的混合物。其包括这些组分的初始混合物，以及混合后任何阶段的混合物。其因此包括在加工以形成易于处理的燃料材料期间和之后的组合物。

“固体”是指可溶固体和不可溶固体。来自木质纤维素发酵过程的固体包含来自用于制备水解产物培养基的木质纤维素生物质的残余物。

本文“挥发物”是指在引入热的过程中将较大程度汽化的组分。通过确定严格控制的条件下由加热至950℃所引起的重量损失来测量本文挥发物含量(如在ASTMD-3175中)。典型的挥发物包括但不限于氢气、氧气、氮气、乙酸以及一些碳和硫。

本文“固定碳”是指通过将水分百分比、灰分百分比、和挥发物百分比相加，然后用100减去该百分比得到的计算百分比。

“灰分”是根据ASTMD-3174，在控制条件下燃烧后剩余的残余物的重量。

如木质纤维素糖浆组合物中所提及的“糖”意指单体糖和可溶性低聚糖的总和。

糖浆的制备和糖浆组合物

本发明的木质纤维素糖浆作为来自于使用木质纤维素生物质的过程的联产品而产生，所述木质纤维素生物质作为可用作生物催化剂的碳源的可发酵糖的来源。生物催化剂在发酵过程中利用糖产生目标产物。

为了从木质纤维素生物质产生可发酵糖，对生物质进行处理以释放糖诸如来自于生物质多糖的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。本领域技术人员可用任何已知的方法处理木质纤维素生物质，以在水解产物中产生可发酵糖。通常，所述生物质使用物理的、热的和/或化学的处理进行预处理，并酶解糖化。热-化学预处理方法包括蒸汽喷发或使生物质溶胀以释放糖的方法(参见例如WO2010113129；WO2010113130)。也可以采用化学糖化。用于预处理生物质的物理处理包括但不限于磨削、研磨和切割。诸如这些的物理处理可用于在进一步化学处理前减小粒度。化学处理包括碱处理诸如用强碱(氨或NaOH)或酸处理(US8545633；WO2012103220)。在一个实施方案中，用氨处理生物质(US7932063；US7781191；US7998713；US7915017)。这些处理从生物质释放聚合糖。低氨预处理是特别有用的，其中生物质与包含氨的水性溶液接触，以形成生物质-氨水混合物，其中氨的浓度足够维持生物质-氨水混合物的碱性pH，但相对于生物质的干重小于约12重量％，并且相对于生物质-氨水混合物的重量，生物质的干重为至少约15重量％的固体，如US7,932,063所公开的，其以引用方式并入本文。

将聚合糖转化为单体糖的糖化可以通过酶处理或化学处理进行。使经预处理的生物质与糖化酶聚生体在合适的条件下接触，以产生可发酵糖。在糖化之前，可使经预处理的生物质达到期望的水分含量并对其进行处理以改变pH、组合物或温度使得糖化酶聚生体中的酶将有活性。可通过添加固体或液体形式的酸改变pH。另选地，可利用可从发酵中回收的二氧化碳(CO₂)降低pH。例如，如果存在足够的液体，可从发酵罐中收集CO₂并将其进料到闪蒸槽中的预处理产物顶部空间或起泡通过预处理生物质，同时监控pH，直至达到所需的pH。可使温度达到下文提到的适合糖化酶活性的温度。通常，合适的条件可包括在约40℃和50℃之间的温度以及在约4.8和5.8之间的pH。

纤维素或木质纤维素生物质的酶促糖化通常利用酶组合物或共混物来降解纤维素和/或半纤维素并且产生包含糖，诸如葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的水解产物。糖化酶参见Lynd，L.R.等人(“Microbiol.Mol.Biol.Rev.，66：506-577，2002)。使用至少一种酶，并且通常使用糖化酶共混物，其包括一种或多种糖苷酶。糖苷酶水解二糖、低聚糖和多糖的醚键，并且存在于广义“水解酶”(EC3.)的酶分类EC3.2.1.x(EnzymeNomenclature1992，AcademicPress，SanDiego，CA，以及增补1(1993)、增补2(1994)中、增补3(1995、增补4(1997)和增补5[分别在Eur.J.Biochem.，223：1-5，1994；Eur.J.Biochem.，232：1-6，1995；Eur.J.Biochem.，237：1-5，1996；Eur.J.Biochem.，250：1-6，1997；以及Eur.J.Biochem.”，264：610-6501999中])中。用于糖化的糖苷酶可通过它们水解的生物质组分进行分类。用于糖化的糖苷酶可包括纤维素水解糖苷酶(例如，纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶)、半纤维素水解糖苷酶(例如，木聚糖酶、内切木聚糖酶、外切木聚糖酶、β-木聚糖苷酶、阿拉伯糖基木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果胶酶、葡糖苷酸酶)和淀粉水解糖苷酶(例如，淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、异淀粉酶)。此外，将其它活性物加入糖化酶聚生体(诸如肽酶(EC3.4.x.y)、脂肪酶(EC3.1.1.x和3.1.4.x)、木素酶(EC1.11.1.x)或阿魏酸酯酶(EC3.1.1.73))中以促进从生物质的其它组分中释放多糖可为有用的。本领域熟知生产多糖水解酶的微生物常常表现出某种活性，如降解纤维素的能力，该活性由具有不同底物特异性的若干种酶或一组酶催化。因此，来自微生物的“纤维素酶”可包括一组酶、一种或多种酶或所有酶，它们都可有助于纤维素降解活性。取决于获取酶时利用的纯化方案，商业或非商业酶制剂(诸如纤维素酶)可包括多种酶。对于糖化有用的许多糖基水解酶和它们的组合物公开于WO2011/038019中。用于糖化的另外的酶包括例如糖基水解酶，其水解两个或更多个碳水化合物之间的糖苷键，或碳水化合物与非碳水化合物部分之间的糖苷键。

糖化酶可商购获得。此类酶包括例如CP纤维素酶、木聚糖酶、1500、DUET、以及Trio^TM(Dupont^TM/Wilmington，DE)，以及Novozyme-188(诺维信，2880Bagsvaerd，丹麦(Novozymes，2880Bagsvaerd，Denmark))。此外，糖化酶可以是未经纯化的并以细胞提取物或全细胞制剂的形式提供。可使用已经工程化以表达一种或多种糖化酶的重组微生物制备所述酶。例如，可用于经预处理纤维素类生物质的糖化的H3A蛋白质制剂是由里氏木霉(Trichodermareesei)的遗传工程菌株生产的酶的未纯化的制剂，其包括纤维素酶和半纤维素酶的组合，并且描述于WO2011/038019中，该文献以引用方式并入本文。

可使用化学糖化处理并且其对于本领域的技术人员是已知的，诸如用无机酸包括HCl和H₂SO₄处理(US5580389；WO2011002660)。

通过木质纤维素生物质的糖化来释放糖诸如葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，并且这些单体糖提供用于生物催化剂(用于发酵过程)的碳水化合物源。糖存在于用作发酵培养基的生物质水解产物中。发酵培养基可仅由水解产物构成，或可包括水解产物之外的组分，诸如山梨醇或甘露糖醇，最终浓度为约5mM，如US7,629,156中所述，其以引用方式并入本文。生物质水解产物通常占发酵培养基的至少约50％。通常发酵液终体积的约10％是包含生物催化剂的种菌。

在发酵罐中发酵包含水解产物的培养基，所述发酵罐为任何容纳水解产物发酵培养基和至少一种生物催化剂并且具有阀门、通气孔、和/或用于管理发酵过程的端口的容器。

天然地或通过基因工程利用葡萄糖且优选地还利用木糖生产目标产物的任何生物催化剂可用于木质纤维素生物质制成的生物质水解产物中可发酵糖的发酵。可通过发酵生产的目标产物包括例如酸、醇、烷烃、烯烃、芳烃、醛、酮、生物聚合物、蛋白质、肽、氨基酸、维生素、抗生素和药物。醇包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、甘油、赤藓醇、木糖醇、甘露糖醇和山梨醇。酸可包括乙酸、甲酸、乳酸、丙酸、3-羟基丙酸、丁酸、葡萄糖酸、衣康酸、柠檬酸、琥珀酸、3-羟基丙酸、富马酸、马来酸和乙酰丙酸。氨基酸可包括谷氨酸、天冬氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、甘氨酸、精氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。附加的目标产物包括甲烷、乙烯、丙酮和工业酶。

生物质水解产物中糖转化为目标产物的发酵可通过一个或多个能够在包含生物质水解产物的培养基中生长的合适的生物催化剂在一步或多步发酵过程中进行。生物催化剂可以是选自细菌、丝状真菌和酵母的微生物。生物催化剂可为野生型微生物或重组微生物，并且可包括例如属于埃希氏菌(Escherichia)、发酵单胞菌(Zymomonas)、酵母属(Saccharomyces)、假丝酵母属(Candida)、毕赤酵母属(Pichia)、链霉菌(Streptomyces)、芽胞杆菌(Bacillus)、乳酸杆菌(Lactobacillus)和梭菌(Clostridiuma)属的生物体。通常，生物催化剂的示例包括重组大肠杆菌、运动发酵单胞菌、嗜热脂肪芽胞杆菌、酿酒酵母、嗜热梭菌、高温产氢菌、以及树干毕赤酵母。为生长良好和在木质纤维素生物质水解产物发酵液中有高的产物产量，可选择或工程化生物催化剂以具有对生物质水解液中存在的抑制剂，如乙酸盐，有更高的抗性。例如，生物催化剂可产生作为目标产物的乙醇，诸如通过运动发酵单胞菌产生乙醇，如在US8,247,208中有所描述，其以引用方式并入本文。

发酵在适用于所用特定生物催化剂的条件下进行。可对条件诸如pH、温度、氧含量和混合进行调节。用于酵母和细菌生物催化剂发酵的条件在本领域中是已知的。

此外，糖化和发酵可在同一容器中同时发生，这称为同步糖化和发酵(SSF)。此外，在称为HSF(混合糖化和发酵)的过程中，在糖化和发酵并发的时间段之前可发生局部糖化。

对于较大规模的发酵，通常较少的生物催化剂培养物首先生长，其称为种子培养物。将种子培养物作为种菌添加至发酵培养基中，通常在约2％至约20％的终体积的范围内。

通常通过生物催化剂发酵产生包含由生物催化剂制得的目标产物的发酵液。例如，在乙醇过程中，发酵液可为包含约6％至约10％乙醇的发酵醪。除目标产物之外，发酵液还包含水、溶质和固体，它们得自水解产物培养基以及得自水解产物培养基中糖的生物催化剂代谢。通常使目标产物与发酵液分离，产生枯竭的发酵液(可称为全釜馏物)。例如，当乙醇为产物时，通常使用醪塔蒸馏发酵液，以产生乙醇产物流和全釜馏物。蒸馏可使用本领域技术人员已知的任何条件，包括在常压或减压下。使馏出的乙醇进一步通过精馏塔和分子筛以回收乙醇产物。可另选地在随后步骤中移除目标产物，诸如在分离发酵液之后从固体或液体部分中移除。

木质纤维素生物质发酵过程的糖浆联产品由发酵液或枯竭的发酵液制得。糖浆制备的示例在US20120102823中有所公开，其以引用方式并入本文。发酵液或枯竭的发酵液，如全釜馏物，被分离为固体和液体流，其中液体流被称为稀釜馏物。可使用多种过滤设备，如带束过滤器、压带机、螺杆式压缩机、转筒过滤器、碟式过滤器、Nutsche滤过器、压力过滤机和离心过滤器。可通过如施用真空、压力或离心力辅助过滤。为了提高过滤的效率可使用热处理，如公开在共同拥有的和共同未决的US20120178976中的，其以引用方式并入本文。

对木质纤维素生物质水解产物发酵液或枯竭的发酵液进行后续液体/固体分离，固体部分或滤饼(也称为湿饼)可以燃烧以为生产过程提供能量。所述滤饼可在燃烧前干燥，如空气干燥，以降低水分。

对木质纤维素生物质水解产物发酵液进行后续液体/固体分离，取出产物流。例如，可萃取或蒸馏液体流以产生产物流，如蒸馏以产生乙醇产物流和剩余液体。

液体部分通过蒸发而进一步纯化以产生能回收的水和糖浆。在蒸发之前，液体部分的一部分可回收作为涡流使用，其可添加到过程中需要水的任何一点，如在预处理、糖化或生物催化剂种子繁殖中。蒸发可在任何蒸发系统中进行，如降膜、升膜、压力环流、板式或机械和热蒸汽再压缩系统。蒸发可为连续的或分批的，并可用多效蒸发器。蒸发的水可循环用于木质纤维素生物质水解产物发酵总体过程。

蒸发后剩余的物质是糖浆，其为本发明木质纤维素糖浆。木质纤维素糖浆组合物包含约40％至约70％固体(可具有约40％、45％、50％、55％、60％、65％或70％固体)、约10g/l至30g/l的乙酰胺、至少约40g/l的糖、约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度。“SSU”是以秒计的赛波特通用粘度。当用氨处理生物质时，木质纤维素糖浆包含至少约5g/l的氨。当用氨处理生物质时，木质纤维素糖浆包含至少约5g/l的氨。

附加燃料组分

将附加燃料组分与本发明的木质纤维素糖浆组合，以产生本发明的固体木质纤维素燃料组合物。可混合的并且可燃烧的任何材料可用作附加燃料组分。通常附加燃料组分是粒状、并且是粉状、尘状或颗粒状的材料。在一个实施方案中，附加燃料组分是细煤粉。细煤粉通常具有小于0.0625英寸(0.159cm)的粒度，并且可包含达至约0.125英寸(0.318cm)的偶见颗粒并且几乎不会更大，以形成尘状、粉状材料。典型批次的细煤粉可具有达至约15％的水分含量，在诸如储存条件下已使其干燥的批次中具有更低的水分含量。

在另一个实施方案中，附加燃料组分是如上所述木质纤维素生物质发酵过程所产生的滤饼。可使用湿滤饼，或通常可通过空气干燥对其进行干燥。湿木质纤维素滤饼组合物包含约35％至65％的水分、或约40％至约60％水分(可具有约35％、40％、45％、50％、55％、60％或65％水分)，约20％至约75％挥发物或约20％至约40％挥发物(可具有约20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％或75％挥发物)，约35％至65％固体或约40％至约60％固体(可具有约35％、40％、45％、50％、55％、60％或65％固体)，约1％至约30％灰分、或约3％至约30％灰分(可具有约1％、3％、5％、10％、15％、20％、25％或30％灰分)，约5％至约20％固定碳，并且其具有约2,000至约9,000BTU/lb的能量值(可具有约2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500或9,000BTU/lb)。通过确定严格控制的条件下由加热至950℃所引起的重量损失来测量本文挥发物含量(如在ASTMD-3175中)。典型的挥发物包括氢气、氧气、氮气、乙酸以及一些碳和硫。根据ASTMD-3174，通过称量在控制条件下燃烧后剩余的残余物来测定灰分。通过将水分、灰分和挥发物百分比相加，然后用100减去该百分比来计算固定碳的量。通常采用干燥来实现BTU/lb的较高全范围。可在使用前干燥滤饼和/或将其在诸如锤磨机中处理为颗粒。在另一个实施方案中，附加燃料组分是粒状石油焦(也称为石油焦)。石油焦是固体的含碳材料，其为炼油或其它裂化过程的副产品。其为精炼油砂的产品。石油焦可为任意类型，诸如生焦、针焦、针状焦、燃料级焦、煅烧石油焦、或脱硫焦。

在各种其它实施方案中，附加燃料组分为尺寸减少以产生可与木质纤维素糖浆混合的材料的生物质。可使用以上列出的任何纤维素生物质。生物质可为来自于诸如木材工业、谷物产业、或农业生产的过程的废产物。该类材料可包括诸如锯末、玉米纤维、玉米秸秆、玉米棒和蔗渣的材料。生物质可为新采收的材料诸如柳枝稷。可用本领域技术人员已知的任何方法诸如磨削、研磨、切割、切碎、压碎和/或盘精磨来减小生物质的尺寸。通常使木质纤维素生物质的尺寸减小至能制备诸如颗粒状、尘状和/或粉状的可混合材料的颗粒。

固体木质纤维素燃料组合物

本发明的固体木质纤维素燃料组合物包含如上所述的本发明木质纤维素糖浆和附加燃料组分。使本发明的木质纤维素糖浆和附加燃料组分混合在一起并形成木质纤维素燃料组合物。通常在混合时缓慢地或以增量一起加入组分以避免团聚。可根据所需规模来使用任何类型的混合器诸如双桨式搅拌器或拌和车。

以使得糖浆为糖浆和附加燃料组分的最终混合物的约10％至约50％的量来使木质纤维素糖浆和附加燃料组分混合。糖浆可为总混合物的约10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。在一个实施方案中，糖浆为糖浆和附加燃料组分的最终混合物的约20％至40％，并且附加燃料组分为细煤粉。在一个实施方案中，糖浆为糖浆和附加燃料组分的最终混合物的约10％至40％，并且附加燃料组分为木质纤维素滤饼。

糖浆的水分含量可为约40％。诸如对于在木质纤维素生物质发酵过程中产生的湿饼(湿滤饼)或刚收获的生物质而言，附加燃料组分的水分含量可为40％或更高。可在混合前对这些组分各自进行干燥，以除去一些水分。例如，可对附加燃料组分进行干燥诸如空气干燥，以减小水分含量来避免混合时团聚。根据材料的干燥，木质纤维素燃料组合物的水分含量为约10％至40％。可在混合前、混合后或处理后对材料进行干燥。

对木质纤维素糖浆和附加燃料组分的混合物进行处理以形成便于处理的固体材料。处理可包括诸如加热、压缩、挤出、粒化、模塑和/或干燥这些处理。可形成各种形状诸如压块、丸粒、不规则形状等等。例如，可在高温下使混合物通过挤出机，然后通过制粒机后干燥，以形成硬化的燃料丸粒。可使用通过管芯推动或抽吸半软质固体的任何类型的如本领域技术人员所知的挤出机。挤出可在高温和/或高压下进行。制粒机可用于减小木质纤维素燃料组合物的体积并增大其密度，其可单独使用或与挤出组合使用，从而使材料成形为丸粒。压块可采用螺旋压机或其它压缩设备形成。在成形后，使木质纤维素燃料组合物干燥，以形成固体木质纤维素燃料组合物，其中水分含量小于30％。根据用于制备本发明的固体木质纤维素燃料组合物的起始物质和方法，水分可小于约30％、25％、20％、15％、或10％。

固体木质纤维素燃料组合物的用途

本发明的固体木质纤维素燃料组合物为易于处理和运输的形式。与单独的附加燃料组分相比，固体木质纤维素燃料组合物在处理、运输和储存期间的粉化大大减少。固体木质纤维素燃料组合物可具有减小的桥接倾向并且减少从料斗流出。其可在任何适当的燃烧炉诸如蒸气锅炉、热水锅炉、加工炉、或其它具有适宜的释放控制的工业或商业燃烧工艺中燃烧。

实施例

本发明将在以下的实施例中进一步阐述。应该理解，这些实施例尽管说明了本发明的优选实施例，但仅是以例证的方式给出的。通过上述论述和这些实施例，本领域的技术人员可确定本发明的必要特征，并且在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可对本发明进行各种变化和修改以适应多种用途和条件。

所用缩写的意义如下：“s”是指秒，“min”是指分钟，“h”或“hr”是指小时，“μL”或“ul”是指微升，“mL”或“ml”是指毫升，“L”或“l”是指升，“m”是指米，“nm”是指纳米，“mm”是指毫米，“cm”是指厘米，“μm”是指微米，“mM”是指毫摩尔每升，“M”是指摩尔每升，“mmol”是指毫摩尔，“μmole”是指微摩尔，“g”是指克，“μg”是指微克，“mg”是指毫克，“kg”是指千克，“rpm”是指每分钟转数，“C”是指摄氏度，“ppm”是指份每一百万份，“cP”是厘泊，“g/l”是指克每升，“SSU”是以秒计的赛波特通用粘度。

一般方法：

糖化酶

1500(A1500)和木聚糖酶购自DaniscoU.S.Inc.，Genencor，International(Rochester，NY)。

纤维素酶和半纤维素酶生产菌株

菌株229：里氏木霉菌株，来源于RL-P37(Sheir-NeissandMontenecourt，1984，Appl.Microbiol.Biotechnol.20：46-53)通过诱变和对高纤维素酶产量的选择，采用PEG介导转化法与β-葡糖苷酶表达盒(cbhl启动子，里氏木霉β-葡糖苷酶1基因，cbhl终止子和amdS标记)和木聚糖内切酶表达盒(cbhl启动子，里氏木霉xyn3和cbhl终止子)共转化(Penttila等人，1987，Gene61(2)：155-64)。众多的转化子被分离出来并检验β-葡糖苷酶和木聚糖内切酶产量。一个转化子，称为里氏木霉菌株229，被用于本文所述的某些研究中。

菌株H3A：里氏木霉菌株229采用电穿孔法，与β-木糖苷酶Fv3A表达盒(cbhl启动子，Fv3A基因，cbhl终止子和alsR标记)、β-木糖苷酶Fv43D表达盒(egll启动子，Fv43D基因，原生Fv43D终止子)以及Fv51Aα-阿拉伯呋喃糖酶表达盒(egl1启动子，Fv51A基因，Fv51A原生终止子)共转化。转化子在包含氯嘧磺隆的Vogels琼脂平板上选择。许多转化子被分离出来并检验β-木糖苷酶和L-α-阿拉伯呋喃糖酶产量。里氏木霉整合表达菌株H3A，其重组表达里氏木霉β-葡糖苷酶1、里氏木霉xyn3、Fv3A、Fv51A、以及Fv43D，被分离出来。

在菌株H3A发酵期间产生的细胞外蛋白通过离心从细胞群中分离出来，通过经由Millipore10kD分子截留分子量膜进行的膜超滤进行浓缩，并将pH调节至4.8。使用Weichselbaum和Gornall修改的改性的缩二脲方法测定总蛋白，该方法使用牛血清白蛋白作为校准物(Weichselbaum，1960，Amer.J.Clin.Path.16∶40；Gornall等人，1949J.Biol.Chem177：752)。这种H3A细胞外蛋白制剂本文称为H3A蛋白，它用作组合纤维素酶和半纤维素酶制剂，在SSF期间影响络合碳水化合物水解。

生物催化剂和种菌制剂

运动发酵单胞菌用于发酵的起源

木质纤维素生物质水解产物发酵液可采用可供选择的生物催化剂产生。以下描述了示例性菌株。作为替代方案，菌株ZW658，保藏号为ATCC#PTA-7858，可用于生产处理用的木质纤维素生物质水解产物发酵液。

运动发酵单胞菌菌株ZW705产自菌株ZW801-4，其采用US8247208所述的方法，其以引用方式并入本文，在此简要重述。运动发酵单胞菌菌株ZW801-4的培养物生长在如下的胁迫条件下。ZW801-4是运动发酵单胞菌重组的木糖利用菌株，其描述于US7,741,119，其以引用方式并入本文。菌株ZW801-4衍生自菌株ZW800，菌株ZW800衍生自菌株ZW658，它们均描述于US7,741,119中。ZW658通过经由序贯转座事件将两个操纵子(PgapxylAB和Pgaptaltkt)整合到ZWl(ATCC31821)基因组中，然后通过对包含木糖的选择培养基的适应而构建，所述操纵子包含四个编码木糖异构酶、木酮糖激酶、转醛醇酶和转酮醇酶的木糖利用基因。ZW658以ATCC#PTA-7858保藏。在ZW658中，使用宿主媒介的基因双交换同源重组和作为选择性标记的奇放线菌素抗性使编码葡萄糖-果糖氧化还原酶的基因插入失活以产生ZW800。使用Cre重组酶，通过位点特异性重组移除由loxP位点束缚的奇放线菌素抗性标记以产生ZW801-4。

ZW801-4的连续培养在250ml搅拌的、pH和温度受控的发酵罐(Sixfors；Bottmingen，Switzerland)中进行。发酵基础培养基是5g/L酵母提取物，15mM磷酸铵，1g/L硫酸镁，10mM山梨醇，50g/L木糖和50g/L葡萄糖。通过在97天中逐渐提高加到上述连续培养基中的乙酸铵浓度，同时保持通过特定稀释速率测得的确定生长速率来影响在高浓度乙酸和氨的存在下的适应生长。将乙酸铵浓度提升至160mM。通过加入磷酸铵至在连续培养139天的末期最终总铵离子浓度为210mM来实现铵离子浓度的进一步提高。通过接种至单菌落并扩增一个选择的菌落来从适应种群中分离菌株ZW705。

菌株AR37-31产自菌株ZW705，并进一步适应在玉米芯水解产物培养基中生长，如U.S.8,476,048所公开的，其以引用方式并入本文。ZW705生长于恒浊器中(US6,686,194；HeuriskoUSA，Inc.Newark，DE)，其为连续流动培养装置，其中培养物中的细胞浓度通过控制培养基向培养物内的流动而保持恒定，使得培养物的浊度保持在指定的狭窄限制内。培养物在连续培养装置中可利用两种培养基生长，一种为静息培养基(培养基A)，一种为刺激培养基(challengemedium，培养基B)。培养物生长在生长室中的静息培养基上到浊度设置点，然后以稀释速率设置进行稀释以维持细胞密度。通过每10分钟加入一次限定体积的培养基来进行稀释。当恒浊器进入培养基刺激(challenge)模式时，基于在前一次培养基添加后返回设置点的速率选择加入刺激培养基或静息培养基。生长室中培养基的稳态浓度为培养基A和培养基B的混合；根据从各个培养基提取的速率决定两种培养基的比例，其允许以设置的稀释速率维持设置的细胞密度。代表生长室中种群的细胞样品以每周的间隔从恒浊器外流液中回收(在捕获室)。所述细胞样品在MRM3G6培养基上生长一次并在-80℃作为甘油原液保存。

ZW705生长至一个任意浊度设置点，其表明培养物使用了输入培养基中存在的全部葡萄糖和大约一半的木糖，以在设置稀释速率下满足细胞密度设置点。使用静息培养基，其为50％的HYAc/YE和50％的MRM3G6.5X4.5NH₄Ac12.3以及刺激培养基，其为HYAc/YE。3周后分离的菌株用于另一轮恒浊器适应，使用HYAc/YE作为静息培养基以及HYAc/YE加9重量％乙醇作为刺激培养基。菌株AR37-31在2周后分离，在水解产物培养基中鉴定为一个提高木糖和葡萄糖利用率、以及提升乙醇产量的菌株。通过序列分析，发现AR37-31在运动发酵单胞菌基因组开放阅读框中有一个突变，所述开放阅读框编码具有膜转运蛋白性质的蛋白，并注释为编码镰刀菌酸抗性蛋白。

培养基

每升MRM3包含：酵母提取物(10g)、KH₂PO₄(2g)和MgSO₄.7H₂O(1g)

MRM3G6包含的是MRM3，其包含60克/升葡萄糖

MRM3G6.5X4.5NH₄Ac12.3是包含65g/L葡萄糖、45g/L木糖、12.3g/L乙酸铵的MRM3

HYAc/YE包含玉米芯(cob)水解产物，其固体通过离心移除并过滤消毒，其包含68克/升葡萄糖，46克/升木糖和5克/升乙酸盐，辅以6.2克/升乙酸铵和0.5％酵母提取物，调节至pH5.8。

木质纤维素生物质处理和发酵

将玉米秸秆研磨至3/8＂(0.95cm)。在140℃下用14％NH₃和65％固体预处理60min。在47℃和pH5.3下用7.8mg/g葡聚糖+木聚糖的酶聚生体糖化96小时。糖化酶为在如上所述里氏木霉菌株H3A中表达的纤维素酶和半纤维素酶的混合物。所得的水解产物用于发酵。将10mM山梨醇添加至水解产物中以制备发酵培养基，并将pH调节至5.8。

对于种子，使第一冷冻菌株运动发酵单胞菌AR37-31原液在33℃下于MRM3G6(10g/LBBL酵母提取物、2g/LKH₂PO₄、1g/LMgSO₄*7H₂O、60g/L葡萄糖)上生长8小时而不摇动，作为再生培养基。用再生培养基接种MRM3G10培养基(如同MRM3G6但具有100g/L葡萄糖)，并在摇动下于33℃孵育14-16小时。生长为1.5至3.1的OD₆₀₀。使用整个培养基来接种种子发酵器至约0.05的初始OD₆₀₀。

在10g/L酵母提取物、2g/LKH₂PO₄、5g/LMgSO₄*7H₂O、10mM山梨醇和150g/L葡萄糖中进行种子发酵。在33℃和pH5.5下进行种子发酵。在首次观察到葡萄糖减少至小于50克/升后收获种子，使用YSI2700SELECT^TM生物化学分析仪(YSILifeSciences；YellowSprings，OH)测定葡萄糖。

在发酵器中，将种子添加至水解产物培养基中。使发酵在30℃-33℃下进行48-72小时。

木质纤维素糖浆和滤饼

蒸馏发酵液以回收乙醇并过滤剩余的全釜馏物。使液体部分通过蒸发器以除去塔顶水，并且产生木质纤维素糖浆。固体部分为木质纤维素滤饼。

实施例1-预测

由细煤粉和木质纤维素糖浆制备燃料丸粒

将50磅水分含量为8％的细煤粉置于电动搅拌机中。将木质纤维素生物质乙醇制备过程制得的糖浆(参见一般方法)缓慢倾注到细煤粉中，同时混合。以5∶1或4∶1的细煤粉与糖浆的最终比率来制备批料。将所得混合物各自进料至在约200℃的温度下运行的挤出机中。然后将挤出的材料进料至制粒机中。使所得丸粒冷却并硬化。细煤粉在所得固体丸粒中保持在一起，几乎没有粉状材料。

实例2-预测

由滤饼和木质纤维素糖浆制备燃料丸粒

将50磅水分含量为30％的经空气干燥的滤饼锤磨为颗粒并置于电动搅拌机中。将木质纤维素生物质乙醇制备过程制得的糖浆(参见一般方法)缓慢倾注到滤饼中，同时混合。以5∶1或4∶1的滤饼与糖浆的最终比率来制备批料。将所得混合物各自进料至在约200℃的温度下运行的挤出机中。然后将挤出的材料进料至制粒机中。使所得丸粒冷却并硬化。滤饼颗粒在所得固体丸粒中保持在一起，几乎没有粉状材料。

Claims (22)

1.木质纤维素糖浆组合物，其包含：

a)约40％至约70％的固体；

b)约10g/l至约30g/l的乙酰胺；和

c)至少约40g/l的糖；

其中所述纤维素糖浆具有约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度。

2.根据权利要求1所述的木质纤维素糖浆组合物，其中所述糖浆为由纤维素生物质制备醇的过程的联产品。

3.根据权利要求2所述的木质纤维素糖浆组合物，其中所述由纤维素生物质制备醇的过程采用氨来预处理所述木质纤维素生物质，并且所述糖浆包含至少约5g/l的氨。

4.根据权利要求3所述的木质纤维素糖浆组合物，其中所述木质纤维素生物质选自玉米棒、玉米秸秆、草、小麦秸秆、大麦秸秆、干草、稻秆、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱植物材料、大豆植物材料、木本植物、蔬菜、水果和花。

5.固体木质纤维素燃料组合物，其包含根据权利要求1所述的木质纤维素糖浆组合物和至少一种附加燃料组分。

6.根据权利要求5所述的固体木质纤维素燃料组合物，其中所述附加燃料组分为石油焦和尺寸减小的生物质中的至少一者。

7.根据权利要求5所述的固体木质纤维素燃料组合物，其中所述木质纤维素糖浆组合物占所述固体木质纤维素燃料组合物的约10％至50％。

8.根据权利要求7所述的固体木质纤维素燃料组合物，其中所述木质纤维素糖浆组合物占所述固体木质纤维素燃料组合物的约20％至约40％。

9.根据权利要求5所述的固体木质纤维素燃料组合物，其具有约10％至约20％的水分。

10.湿木质纤维素滤饼组合物，其包含：

a)约35％至约65％的水分；

b)约20％至约75％的挥发物；

c)约35％至约65％的固体；

d)约1％至约30％的灰分含量；和

e)约5％至约20％的固定碳；

其中所述滤饼组合物具有约2,000至约9,000BTU/lb的能量值。

11.根据权利要求10所述的湿木质纤维素滤饼组合物，其中所述湿木质纤维素滤饼是由木质纤维素生物质制备醇的过程的联产品。

12.根据权利要求11所述的湿木质纤维素滤饼组合物，其中所述由纤维素生物质制备醇的过程采用氨来预处理所述木质纤维素生物质。

13.根据权利要求12所述的湿木质纤维素滤饼组合物，其中所述木质纤维素生物质选自玉米棒、玉米秸秆、草、小麦秸秆、大麦秸秆、干草、稻秆、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱植物材料、大豆植物材料、木本植物、蔬菜、水果、花、棕榈空果串和能源甘蔗。

14.固体木质纤维素燃料组合物，其包含根据权利要求1所述的木质纤维素糖浆组合物和根据权利要求10所述的木质纤维素滤饼组合物。

15.根据权利要求14所述的固体木质纤维素燃料组合物，其中所述木质纤维素糖浆组合物占所述固体木质纤维素燃料组合物的约10％至约40％。

16.根据权利要求15所述的固体木质纤维素燃料组合物，其具有约10％至约40％的水分含量。

17.根据权利要求5或14中任一项所述的固体木质纤维素燃料组合物，其中所述组合物为选自丸粒、压块和不规则形状的固体的形式。

18.用于制备固体木质纤维素燃料组合物的方法，其包括使根据权利要求1所述的木质纤维素糖浆组合物与至少一种附加燃料组分混合，以产生固体木质纤维素燃料组合物。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述木质纤维素糖浆组合物占所述固体木质纤维素燃料组合物的约10％至约50％。

20.根据权利要求18所述的方法，其中在使所述木质纤维素糖浆组合物和所述至少一种附加燃料组分混合之后对所述固体木质纤维素燃料组合物进行干燥。

21.根据权利要求20所述的方法，其中在干燥之前，通过挤出机将所述固体木质纤维素燃料组合物挤出。

22.由木质纤维素生物质制备乙醇的方法，其包括：

a)提供蒸汽动力的木质纤维素乙醇制备系统，所述系统包括：

i)用于减小所述生物质的粒度的装置；

ii)用于预处理生物质以释放聚合糖的装置；

iii)用于使所述ii)的聚合糖转化为单体糖的装置；

iv)用于使所述iii)的单体糖转化为乙醇的装置；和

v)用于回收所述iv)的乙醇的装置；

其中所述木质纤维素乙醇制备系统产生：

1)木质纤维素糖浆组合物，其包含：

a)约40％至约70％的固体；

b)约10g/l至约30g/l的乙酰胺；

c)至少约40g/l的糖；和

d)至少约5g/l的氨；其中所述木质纤维素糖浆具有约1至约2g/cm³的密度和在100°F(38℃)下小于500SSU的粘度；以及

2)湿木质纤维素滤饼组合物，其包含：

a)约35％至约65％的水分；

b)约20％至约75％的挥发物；

c)约35％至约65％的固体；

d)约1％至约30％的灰分含量；和

e)约5％至约20％的固定碳；

其中所述滤饼组合物具有约2,000至约9,000BTU/lb的能量值；

其中所述木质纤维素糖浆组合物和所述湿木质纤维素滤饼用于生成蒸汽以为所述木质纤维素乙醇制备系统提供动力。