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发酵

阅读：822发布：2020-05-12

专利汇可以提供发酵专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了用于提供目标化学品的方法，该方法包括：在一个或多个容器中提供包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料；将来自所述一个或多个容器中的得自纤维素的浆料进行分离，以提供包含来自所述得自纤维素的浆料的部分所述能发酵的糖类的液体级分和悬浮固体级分，将该悬浮固体级分返回到所述容器中；将所述液体级分输送到发酵罐中；使所述发酵罐中的所述液体级分的能发酵的糖类发酵以提供包含所述目标化学品的发酵液；以及将所述发酵液返回到所述一个或多个容器中。，下面是发酵专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于提供目标化学品的方法，包括：
a)在一个或多个容器中提供包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料；
b)将来自所述一个或多个容器的得自纤维素的浆料进行分离，以提供包含来自所述得自纤维素的浆料的部分所述能发酵的糖类的液体级分和悬浮固体级分，将该悬浮固体级分返回到所述容器中；
c)将所述液体级分输送到发酵罐；
d)使所述发酵罐中的所述液体级分的能发酵的糖类发酵以提供包含所述目标化学品的发酵液；和
e)将所述发酵液返回到所述一个或多个容器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述一个或多个容器中收取所述目标化学品。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述一个或多个容器中的温度至少为60℃，如至少70℃。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
f)在一个或多个目标物收取单元中从所述一个或多个容器的至少部分内容物中收取所述目标化学品。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述目标化学品选自乙醇、丁醇和琥珀酸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤d)包括使所述液体级分接触发酵生物体以得到所述发酵液。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述发酵生物体保留在所述发酵罐中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)的所述得自纤维素的浆料通过包括如下的方法获得：
a1)提供任选地经预处理的的纤维素生物质；和
b1)将来自步骤a1)的所述纤维素生物质在与所述容器相分离的至少一个水解单元中进行水解，以获得所述得自纤维素的浆料。
9.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中步骤a)的所述得自纤维素的浆料通过包括如下的方法获得：
a2)提供任选地经预处理的的纤维素生物质；和
b2)将所述纤维素生物质在所述容器中进行酶水解以得到所述得自纤维素的浆料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述一个或多个容器中的所述浆料的温度比在所述发酵罐中的所述液体级分的温度至少高5℃，如至少高10℃或15℃。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述一个或多个容器中的所述浆料的温度在30-100℃之间，如在40-70℃之间，和在所述发酵罐中的所述液体级分的温度在25-90℃之间，如在28-38℃之间。
12.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其中所述纤维素生物质为木质纤维生物质，如甘蔗渣或木材。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤e)包括通过将所述发酵液与步骤c)的所述液体级分热接触而加热所述发酵液。
14.用于将能发酵的糖类发酵成目标化学品的系统，包含：
用来容纳包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料的至少一个容器；
用来将来自所述至少一个容器的得自纤维素的浆料分离成液体级分和悬浮固体级分的至少一个分离器，所述分离器包含浆料入口、液体级分出口和悬浮固体级分出口；
用来将所述液体级分的至少部分所述能发酵的糖类进行发酵以产生发酵液的发酵罐，所述发酵罐包含进口和出口；
连接所述分离器的所述液体级分出口和所述发酵罐入口以将所述液体级分从所述分离器输送到所述发酵罐的第一输送装置，
连接所述发酵罐出口和所述至少一个容器以将所述发酵液从所述发酵罐输送到所述至少一个容器的第二输送装置，
用于将至少部分所述浆料从所述至少一个容器输送到所述分离器的所述料浆入口的第三输送装置，和
用于将所述悬浮固体级分从所述分离器的所述悬浮固体出口返回到所述至少一个容器中的第四输送装置。
15.根据权利要求14所述的系统，进一步包含用于泵送所述液体级分的第一泵和/或用于泵送所述发酵液的第二泵，所述第一泵布置在所述第一输送装置上，所述第二泵布置在所述第二输送装置上。
16.根据权利要求14或15所述的系统，进一步包含用于泵送所述浆料的第三泵，所述泵布置在所述第三输送装置上。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的系统，其中所述至少一个分离器包含至少一个过滤器、倾析器或离心机。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的系统，进一步包含用于从所述液体级分向所述发酵液传递热量的换热器，所述换热器布置在所述第一输送装置和所述第二输送装置上。
19.根据权利要求18所述的系统，其包含所述第一泵和所述第二泵，其中所述第一泵布置在所述第一输送装置上的所述换热器上游，和所述第二泵布置在所述第二输送装置上所述换热器的上游。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的系统，其中所述至少一个容器具有加热器。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的系统，其中所述至少一个容器适配成从所述容器收取所述目标化学品。
22.根据权利要求21所述的系统，其中在所述至少一个容器上布置蒸馏装置。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述蒸馏装置包含蒸馏塔。
24.根据权利要求14-23中任一项所述的系统，进一步包含用于从所述至少一个容器的至少部分内容物收取目标化学品的目标物收取单元，所述目标物收取单元连接到所述至少一个容器。
25.根据权利要求14-24中任一项所述的系统，其中所述发酵罐具有冷却器。
26.根据权利要求14-25中任一项所述的系统，其中所述发酵罐适配成保留发酵期间在所述发酵罐中提供的发酵生物体。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述发酵罐适配成保留酵母。
28.根据权利要求14-27中任一项所述的系统，进一步包含用于水解纤维素生物质并提供所述得自纤维素的浆料的至少一个水解单元，所述至少一个水解单元连接到所述至少一个容器。

说明书全文

发酵

技术领域

[0001] 本发明涉及用于从得自纤维素的浆料制备目标化学品的方法、用于从得自纤维素的浆料制备目标化学品的系统和发酵的得自纤维素的水解产物的用途。

背景技术

[0002] 全球变暖、石油消耗和能源安全已成为发展可代替得自石油的燃料(如汽油和柴油)的可再生燃料的主要驱动力。当前，乙醇是最常使用的可再生汽车燃料。它通过纤维素生物质如含糖或含淀粉原料的发酵来大量生产。然而，这些作物的供应相对有限，并且它们中的许多被认为是人类食物来源。另一方面，包含木质素的纤维素生物质(木质纤维生物质)是更为丰富且价格较低的原料，其具有提供更高净能量获得的潜力。在木质纤维素中，纤维素和半纤维素与木质素紧密结合，多酚化合物将纤维素和半纤维素聚合物连接在一起，从而提供了具有刚性和机械强度的木质纤维素。

[0003] 在从纤维素生物质生产乙醇中，通常使用多种预处理和水解步骤以将所述纤维素和半纤维素多糖降解成能发酵的糖类。然后，通常通过用微生物如酵母发酵而将所述能发酵的糖类转变为乙醇，并通过蒸馏收取乙醇。

[0004] 在将纤维素生物质用各种酸进行汽蒸和浸渍后，高温下的水解产生了固体和液体的得自纤维素的材料的浆料。酸催化的水解可在两步中进行以同时降解半纤维素和纤维素聚合物，或通过半纤维素的水解进行较温和的预处理，随后进行酶处理以进一步降解纤维素聚合物。

[0005] 为了促进从酸性水解而获得的水解产物的良好发酵，浆料必须进行过滤和洗涤，通常通过压滤机，以除去浆料的固体级分。然而，过滤和随后的洗涤可导致能发酵的糖类的损失。为了使洗涤顺序优化和使糖损失最小化，需要大量的生产用水，这导致了水解产物的稀释。稀释的水解产物既而又伴有较高的蒸馏成本。此外，在未除去固体级分的情况下的水解产物的发酵不是最佳解决方案，因为固体物料的存在阻止了发酵微生物的再循环，因此需要连续地培养新的发酵生物体，这费力又昂贵。

[0006] 可通过使用SSF(同时进行糖化水解和发酵)方法而克服与酸性水解有关的一些问题，其中将能够水解多糖的酶和发酵微生物直接与浆料混合。然而，在该情况中，发酵生物体也不能再循环，这具有如上所述的负面后果。此外，酶水解和发酵过程的温度必须相同，这对于两种反应中的任一种都不是最佳的。而且，SSF需要强烈搅拌和冷却所述浆料，这增加了方法的复杂性。

发明内容

[0007] 总的来说，在现有技术中，对由纤维素和木质纤维生物质来制备乙醇的改进发酵方法存在需求。

[0008] 本发明的目的是提供从得自纤维素的浆料制备目标化学品如乙醇。

[0009] 此外，本发明的一些方面的目的是提供所述目标化学品的能量有效的生产。

[0010] 本发明一些方面的进一步的目的是提供在所述目标化学品生产中的改善的方法经济性。

[0011] 为了在本发明的某些方面提供本发明所提供的各种特征和组合之目的，下面给出了本发明实施方式的非限定性和分项化的列表。

[0012] 项目

[0013] 1.用于提供目标化学品的方法，包括：

[0014] a)在容器中提供包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料；

[0015] b)从所述得自纤维素的浆料中分离包含部分所述能发酵的糖类的液体级分；

[0016] c)将所述液体级分输送到发酵罐中；

[0017] d)在所述发酵罐中使所述液体级分中的能发酵的糖类发酵以提供包含所述目标化学品的发酵液；和

[0018] e)将所述发酵液返回到所述容器中。

[0019] 2.根据项目1所述的方法，其中步骤b)的分离在提供所述液体级分和悬浮固体级分的分离器中进行，所述悬浮固体级分返回到所述容器。

[0020] 3.根据项目1或2所述的方法，其中步骤b)的所述分离包含过滤或倾析。

[0021] 4.根据任何前述项目所述的方法，其中在步骤e)期间从所述发酵液中收取所述目标化学品。

[0022] 5.根据项目1-3任一项所述的方法，其中从所述容器中收取所述目标化学品。

[0023] 6.根据项目5所述的方法，其中所述容器中的温度为至少70℃。

[0024] 7.根据项目1-3任一项所述的方法，进一步包括：

[0025] f)在目标物收取单元中，从所述容器的至少部分内容物中收取所述目标化学品。

[0026] 8.根据项目4-7任一项所述的方法，其中通过蒸馏进行所述目标化学品的所述收取。

[0027] 9.根据任何前述项目所述的方法，其中所述目标化学品选自乙醇、丁醇和琥珀酸。

[0028] 10.根据任何前述项目所述的方法，其中步骤d)包含使所述液体级分接触发酵生物体以得到所述发酵液。

[0029] 11.根据项目10所述的方法，其中所述发酵生物体保留所述发酵罐中。

[0030] 12.根据项目11所述的方法，其中通过淀积、离心或固定来保留所述发酵生物体[0031] 13.根据项目10-12所述的方法，其中所述目标化学品为乙醇和所述发酵生物体为酵母。

[0032] 14.根据任何前述项目所述的方法，其中步骤a)的所述得自纤维素的浆料通过包含如下的方法获得：

[0033] a1)提供任选地经预处理的纤维素生物质；和

[0034] b1)将来自步骤a1)的所述纤维素生物质在与所述容器相分开的至少一个水解单元中进行水解，以获得所述得自纤维素的浆料。

[0035] 15.根据项目14所述的方法，其中所述水解是两步酸性水解。

[0036] 16.根据项目1-13任一项所述的方法，其中步骤a)的所述得自纤维素的浆料通过包含如下的方法获得：

[0037] a2)提供任选地经预处理的纤维素生物质；和

[0038] b2)将所述纤维素生物质在所述容器中进行酶水解以得到所述得自纤维素的浆料。

[0039] 17.根据项目16所述的方法，其中在步骤b2)中使用糖化水解酶，并将所述糖化水解酶从所述容器中进一步回收和再使用。

[0040] 18.根据前述项目1-17任一项所述的方法，其中所述容器中的所述浆料的温度在30-100℃之间，如在40-70℃之间，和所述发酵罐中的所述液体级分的温度在25-90℃之间，如在28-38℃之间。

[0041] 19.根据前述项目14-18任一项所述的方法，其中所述纤维素生物质为木质纤维生物质，如甘蔗渣或木材。

[0042] 20.根据前述项目任一项所述的方法，其中步骤e)包括通过将所述发酵液与步骤c)的所述液体级分热接触而对所述发酵液加热。

[0043] 21.根据项目20所述的方法，其中所述热接触是在换热器中实现的。

[0044] 22.根据前述项目任一项所述的方法，其中通过泵送进行c)的输送和/或e)的返回。

[0045] 23.用于从得自纤维素的浆料中提取能发酵的糖类的发酵的得自纤维素的水解产物的用途，其中所述得自纤维素的浆料具有5％-约30％的悬浮固体含量。

[0046] 24.用于将糖类发酵成目标化学品的系统，包含：

[0047] 用来容纳包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料的至少一个容器；

[0048] 用于从所述浆料中分离包含能发酵的糖类的液体级分的分离器，所述分离器连接到所述容器；

[0049] 用于将所述液体级分中的至少部分所述能发酵的糖类进行发酵以产生发酵液的发酵罐，所述发酵罐包含入口和出口；

[0050] 连接所述分离器与所述发酵罐入口的第一连线和

[0051] 连接所述发酵罐出口与所述容器的第二连线。

[0052] 25.根据项目24所述的系统，其中连接所述分离器与所述发酵罐的所述第一连接装置是用于将所述液体级分从所述分离器输送到所述发酵罐中的第一输送装置，和所述第二连接装置是用于将所述发酵液从所述发酵罐输送到所述容器中的第二输送装置。

[0053] 26.根据项目25所述的系统，进一步包含：

[0054] 用于泵送所述液体级分的第一泵和/或用于泵送所述发酵液的第二泵，所述第一泵布置在所述第一输送装置上，所述第二泵布置在所述第二输送装置上。

[0055] 27.根据项目25或26所述的系统，其中

[0056] 所述分离器包含浆料入口、液体级分出口和悬浮固体级分出口，

[0057] 所述系统进一步包含用于将至少部分所述浆料从所述容器输送到所述分离器的第三输送装置，和用于将所述悬浮固体级分从所述分离器输送到所述容器的第四输送装置，

[0058] 所述第一输送装置连接到所述分离器的所述液体级分出口，

[0059] 所述第三输送装置连接到所述容器和所述分离器的所述浆料进口，和

[0060] 所述第四输送装置连接到所述分离器的所述固体级分出口和所述容器。

[0061] 28.根据项目27所述的系统，进一步包含

[0062] 用于泵送所述浆料的第三泵，所述泵布置在所述第三输送装置上。

[0063] 29.根据项目25-28任一项所述的系统，其中所述分离器包含至少一个过滤器、倾析器或离心机。

[0064] 30.根据项目25-29任一项所述的系统，进一步包含用于将热量从所述液体级分输送到所述发酵液的换热器，所述换热器布置在所述第一输送装置和所述第二输送装置上。

[0065] 31.根据项目30所述的系统，其包含所述第一泵和第二泵，其中所述第一泵布置在所述第一输送装置上的所述换热器的上游，和所述第二泵布置在所述第二输送装置上的所述换热器的上游。

[0066] 32.根据项目24-31任一项所述的系统，其中所述容器装备有加热器。

[0067] 33.根据项目24-32任一项所述的系统，进一步包含布置在所述第二输送装置上的目标化学品收取装置。

[0068] 34.根据项目33所述的系统，其中所述目标化学品收取装置包含至少一个蒸馏单元。

[0069] 35.根据项目24-32任一项所述的系统，其中所述容器适配成从所述容器中收取所述目标化学品。

[0070] 36.根据项目35所述的系统，其中蒸馏装置布置在所述容器上。

[0071] 37.根据项目36所述的系统，其中所述蒸馏装置包含蒸馏塔。

[0072] 38.根据项目25-32任一项所述的系统，进一步包含从所述容器的至少部分内容物中收取目标化学品的目标物收取单元，所述目标物收取单元连接到所述容器。

[0073] 39.根据项目25-38任一项所述的系统，其中所述发酵罐装备有冷却器。

[0074] 40.根据项目24-39任一项所述的系统，其中所述发酵罐适配成保留发酵期间在所述发酵罐中提供的发酵生物体。

[0075] 41.根据项目40所述的系统，其中所述发酵罐适配成保留酵母。

[0076] 42.根据项目25-41任一项所述的系统，进一步包含用于水解纤维素生物质并提供所述得自纤维素的浆料的至少一个水解单元，所述至少一个水解单元连接到所述容器。

[0077] 43.根据项目25-41任一项所述的系统，进一步包含连接到所述容器的用于从所述容器中回收酶的酶回收装置。

[0078] 44.用于从发酵罐排出包含目标化学品的液体同时将发酵剂保留在所述发酵罐内的系统，所述系统包含：

[0079] 用于容纳包含所述发酵剂和所述目标化学品的液体的发酵罐；

[0080] 具有低于在所述发酵罐中的所述液体的表面的第一端和高于所述表面的第二端的至少一个管道；

[0081] 其中所述至少一个管道的直径配置成使得施加到所述至少一个管道的所述第二端的负压引起包含所述目标化学品的液体以低于所述发酵剂的平均沉降速率的速率从所述至少一个管道的所述第一端升至所述第二端，

[0082] 其中包含所述目标化学品的液体从所述至少一个管道的所述第二端排出且所述发酵剂保留在所述发酵罐中。

[0083] 45.用于从发酵罐中排出包含目标化学品的液体同时将发酵剂保留在所述发酵罐内的方法，所述方法包括以下步骤：

[0084] a)在发酵罐中提供包含所述目标化学品和发酵剂的液体，所述发酵罐包含具有低于在所述发酵罐中的所述液体的表面的第一端和高于所述表面的第二端的至少一个管道；

[0085] b)向所述至少一个管道的所述第二端施加负压，使得包含所述目标化学品的液体从所述至少一个管道的所述第一端升至所述第二端，其中所述至少一个管道的直径配置为使得包含所述目标化学品的液体以低于所述发酵剂的平均沉降速率的速率升高，其中包含所述目标化学品的液体从所述至少一个管道的所述第二端排出且所述发酵剂保留在所述发酵罐中。

[0086] 发明详述

[0087] 在本发明中，提供了用于提供目标化学品的方法，包括：

[0088] a)在容器中提供包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料；

[0089] b)从所述得自纤维素的浆料中分离包含部分所述能发酵的糖类的液体级分；

[0090] c)将所述液体级分输送到发酵罐中；

[0091] d)在所述发酵罐中使在所述液体级分中的能发酵的糖类进行发酵以提供包含所述目标化学品的发酵液；和

[0092] e)将所述发酵液返回到所述容器中。

[0093] “目标化学品”是指可通过能发酵的糖类的发酵而制得的感兴趣的化学品。

[0094] “浆料”是指固体在液体中的半流体悬浮液，即悬浮在液体中的固体物料。因此得自纤维素的浆料是其中固体含量具有纤维素来源的浆料。

[0095] “能发酵的糖类”如能发酵的单糖和二糖是指可以例如通过微生物发酵剂转化如发酵成目标化学品的糖。能发酵的单糖可包含具有不同碳原子数目的单糖，如具有五个碳原子的戊糖、具有六个碳原子的己醣以及具有七个碳原子的庚糖。能发酵的二糖的实例为果糖。通常，何种糖类能视作能发酵的糖类取决于所使用的发酵剂。也就是说，能发酵的糖类是可通过发酵剂而发酵的那些。在本发明的情况中，见下文，当在所述发酵罐中提供酶β-葡萄糖苷酶时，“能发酵的糖类”包括纤维二糖。

[0096] “容器”是指能容纳所研究的物料的任何结构体，并且其可由不同材料如金属、不锈钢等组成。

[0097] 从所述得自纤维素的浆料中分离包含部分所述能发酵的糖类的液体级分是指将所述得自纤维素的浆料分类成不同级分，其中至少一个级分是液体，即具有低含量的悬浮固体，且所述液体级分包含至少部分所述能发酵的糖类。所述液体级分在任何情况下具有比所述得自纤维素的浆料的悬浮固体含量低的悬浮固体含量。优选地，悬浮固体含量低于5g/l，如低于2g/l，如低于1g/l，如低于0.5g/l，如低于0.2g/l。

[0098] 使能发酵的糖类发酵是指通过发酵将所述能发酵的糖类转化成所述目标化学品。发酵是本领域技术人员所公知的工艺，且通常通过微生物来进行。

[0099] “发酵罐”是指适用于所研究的发酵反应的容器。

[0100] 此外，在本发明中，提供了用于使糖类发酵成目标化学品的系统，包含：

[0101] 用来容纳包含能发酵的糖类的得自纤维素的浆料的容器；

[0102] 用于从所述浆料中分离包含能发酵的糖类的液体级分的分离器，所述分离器连接到所述容器；

[0103] 用于使所述液体级分中的至少部分所述能发酵的糖类发酵以生产发酵液的发酵罐，所述发酵罐包含入口和出口；

[0104] 连接所述分离器与所述发酵罐入口的第一连接装置和

[0105] 连接所述发酵罐出口与所述容器的第二连接装置。

[0106] “连接装置”是指任何形式的连接装置，液体可以通过该连接装置从一个单元流向另一个单元。例如，连接装置可为具有膜(membrane)或筛孔状结构的接口。

[0107] 根据本发明所述的方法和系统的各方面是基于洞察到的以下情况：用于从得自纤维素的浆料提供目标化学品的发酵可如下进行：从所述得自纤维素的浆料中分离液体级分，使分离的液体发酵并将来自发酵的液体返回到所述得自纤维素的浆料中，以及这样的发酵具有许多积极效果。

[0108] 优选地，基本上所有的如至少90％(v/v)或95％(v/v)的来自所述发酵的液体返回到所述得自纤维素的浆料中。根据本发明可以理解，将所述发酵液返回到所述得自纤维素的浆料(从而与其混合)，而不是返回到方法的较早的阶段中如返回到制备所述得自纤维素的浆料的任何步骤(如纤维素生物质的预处理)中。

[0109] 如果在纤维素生物质的酸解之后使用公开的方法和系统，则可基本上减少或避免使用额外的水来洗涤所述浆料。通过从所述浆料中分离液体级分并然后返回发酵液，所述浆料反而用所述发酵液洗涤，促进了单糖从所述浆料的固体成分中释放。因此，需要较少的外部生产用水，这既而获得对目标化学品较小稀释，并促进了目标化学品的有效收取。

[0110] 而且，如果所公开的方法和系统与得自纤维素的浆料的酶水解一起使用，则在容器中酶水解期间的温度与在发酵罐中发酵期间的温度可保持不同，因为所述容器与所述发酵罐是分离的。如果水解反应和发酵反应具有不同的最佳温度，则这有助于对这两个反应都有利的条件。例如，酶水解期间的温度可保持高于发酵期间的温度，由此有助于适温酶的利用。

[0111] 此外，根据本发明的方法和系统不需要对浆料的强烈搅拌和冷却，因为发酵是在分开的发酵罐中进行的。根据本发明的方法和系统还有助于在容器中浆料较高温度的使用，这降低了浆料的粘度，从而可使用在所述浆料中的更高悬浮固体含量。此外，如果使用微生物来发酵单糖，所述微生物可在发酵罐中的多个发酵循环中重复使用，这既而又减少了对培养新微生物的需要。浆料的发酵通常不允许发酵剂的如此重复使用，因为浆料的固体和发酵剂可能未分离。

[0112] 浆料容器中的工艺可分批进行，但如果容器是缓慢装满的，则也可认为其是补料分批处理。后者是有利的，因为其允许浆料的逐渐消化和固体在浆料容器中的比在进料中更低的浓度，这便于搅拌、泵送和过滤。在装满后，浆料容器可保持在恒定体积，同时所分离的液体循环通过发酵容器并再次返回。在分批和补料分批工艺中，容器最终放空，然后通常用新鲜浆料再填充。多快将浆料容器装满和其在恒定体积下保持多长是最佳化问题。浆料容器的填充和放空也可连续进行。

[0113] 从得自纤维素的浆料制备目标化学品优选是作为连续过程进行，其中含糖液体级分持续不断地从一个或多个浆料容器中分离出来并泵送通过发酵容器，在发酵容器中保留有发酵生物体的培养物。将具有较高目标化学品含量但较低糖类浓度的料流返回进料到一个或多个浆料容器。然而当浆料容器放空或再填充时，中断该进料。原则上，也可改变进料方式以使得其满足分批或补料分批工艺的定义，即发酵可分批进行。

[0114] 为了在本发明的系统中达到足够的目标化学品浓度或消耗足够量的糖类材料，可需要一定时间。因此，本发明第一方面的方法可进行至少1小时，如至少12小时，如至少18小时，如至少24小时。因此，从容器中分离液体级分的步骤、将液体级分输送到发酵罐中的步骤、使能发酵的糖类在发酵罐中发酵的步骤和使返回发酵液的步骤可进行至少1小时，如至少12小时，如至少18小时，如至少24小时。

[0115] 如上所述，用于容纳得自纤维素的浆料的多个容器可将液体级分进料到单个发酵罐中，且可将来自单个发酵罐的发酵液返回到多个容器中。

[0116] 在本发明系统方面的实施方式中，连接分离器与发酵罐的第一连接装置是用于将液体级分从分离器输送到发酵罐的第一输送装置，和第二连接装置是用于将发酵液从发酵罐输送到容器的第二输送装置。第一和/或第二输送装置例如可包含一个或多个管道。

[0117] 在本发明方法方面的实施方式中，步骤b)的分离在提供液体级分和悬浮固体级分的分离器中进行，所述悬浮固体级分返回到容器中。“悬浮固体级分”是指具有悬浮固体含量高于在容器中的得自纤维素的浆料的悬浮固体含量的级分。例如，悬浮固体级分的悬浮固体含量为5g/l或更高，如10g/l或更高。将悬浮固体级分返回到容器允许仍包含在悬浮固体级分中的能发酵的糖类的最佳使用，所述能发酵的糖类即未包含在液体级分中但例如包埋在固体成分中或吸附到固成分上的能发酵的糖类。

[0118] 在本发明系统方面的实施方式中，其中第一和第二连接装置各自为第一和第二输送装置，

[0119] 分离器包含浆料进口、液体级分出口和悬浮固体级分出口，

[0120] 所述系统进一步包含用于将至少部分浆料从所述容器输送到所述分离器的第三输送装置，和将悬浮固体级分从所述分离器返回到所述容器的第四输送装置，

[0121] 第一输送装置连接到所述分离器的液体级分出口，

[0122] 第三输送装置连接到所述容器和所述分离器的浆料进口，和

[0123] 第四输送装置连接到所述分离器的固体级分出口和所述容器。

[0124] 在本发明方法方面的实施方式中，c)的输送和/或e)的返回通过泵送进行。

[0125] 泵送是在系统中主动输送液体的便利方式。此外，如果步骤b)的分离在分离器中进行，则可使用运输装置如输送带将悬浮固体级分返回到容器中。

[0126] 在本发明系统方面的实施方式中，其中第一和第二连接装置各自为第一和第二输送装置，所述系统进一步包含用于泵送液体级分的第一泵和/或用于泵送发酵液的第二泵，所述第一泵布置在第一输送装置上，

[0127] 所述第二泵布置在第二输送装置上。

[0128] 所述系统还可包含用于泵送浆料的第三泵，该泵布置在第三输送装置上。

[0129] 在方法方面的另一实施方式中，步骤b)的分离包括过滤或倾析。过滤是指使用一种或多种类型的过滤器或格栅状结构以从液体中除去固体，由此提供了基本上没有固体的液体级分。倾析是指例如在离心之后从沉淀物除去上层清液。过滤和倾析是用于从浆料有效地分离液体级分的便利方式。

[0130] 在本发明系统方面的实施方式中，分离器包含至少一个过滤器、倾析器或离心机。

[0131] 所述至少一个过滤器可为相同类型的至少一个过滤器或两个或更多个不同类型的过滤器，所述不同类型的过滤器例如为实现期望的分离效果的不同孔径或结构的过滤器。所述至少一个过滤器可为至少一个带式过滤机、滤鼓、盘滤机和/或至少一个膜。

[0132] 在第一方面的另一实施方式中，在步骤e)期间从发酵液收取目标化学品。

[0133] 从发酵液中收取目标化学品是指从发酵液中除去至少部分目标化学品。

[0134] 在步骤e)期间可连续地收取目标化学品，或可在系统中目标化学品已积累到某一浓度后从步骤e)中收取目标化学品。

[0135] 在本发明系统方面的实施方式中，其中第一和第二连接装置各自为第一和第二输送装置，所述系统进一步包含布置在第二输送装置上的目标化学品收取装置。目标化学品收取装置是指适配成收取目标化学品的装置。在该装置中，可使用热和/或真空以馏出目标化学品。

[0136] 在从生物质如木质纤维素制备乙醇的传统工艺中，良好的工艺经济性要求进行蒸馏的液体通常具有至少35g/l的乙醇浓度。然而，在包括步骤e)期间或从第二输送装置收取目标化学品的上述实施方式中，进行目标化学品收取的液体的乙醇浓度可低于35g/l，有时低于25g/l，而仍提供有竞争力的总乙醇收率。

[0137] 在本发明方法方面的实施方式中，从所述容器收取目标化学品。

[0138] 在本发明系统方面的实施方式中，所述容器适配成从所述容器收取目标化学品。

[0139] 因此，目标化学品可直接从容器中收取，而不必从容器排出内容物或排空容器。如果从容器中收取目标化学品，则容器中的温度可至少为60℃，如至少70℃。如果容器的温度高于目标化学品的沸点，则目标化学品可在容器中蒸发，这便于目标化学品通过例如蒸馏直接从容器收取。

[0140] 例如，如果目标化学品是乙醇，其在大气压下具有78℃的沸点，如果容器中的温度为70℃，则可应用低于大气压的压力以从容器收取乙醇。

[0141] 在第一方面的另一实施方式中，所述方法进一步包括：

[0142] f)从目标物收取单元中容器的至少部分内容物收取目标化学品。

[0143] 在本发明系统方面的实施方式中，所述系统进一步包含用于从容器的至少部分内容物收取目标化学品的目标物收取单元，所述目标物收取单元连接到所述容器。

[0144] 目标物收取单元是指适配成收取目标化学品的单元。

[0145] 可通过排出所述容器的至少部分内容物并从该部分中收取目标化学品，或在收取目标化学品之前基本上排空所述容器的全部内容物来进行从所述容器中收取目标化学品。也可在收取目标化学品之前过滤容器内容物待收取目标化学品的部分或全部容器内容物。

[0146] 在方法方面的实施方式中，通过蒸馏进行目标化学品的收取。目标化学品的蒸馏是指目标化学品的气化，随后通过冷却和冷凝目标化学品的蒸气，并收集目标化学品的所得液体。

[0147] 在系统方面的实施方式中，其中目标化学品收取装置布置在第二输送装置上，目标化学品收取装置包含至少一个蒸馏单元。蒸馏单元可包含蒸馏装置，如至少一个蒸馏塔。

[0148] 在系统方面的实施方式中，其中从容器收取目标化学品，蒸馏装置布置在所述容器上。蒸馏装置可包含蒸馏塔。

[0149] 在系统方面的另一实施方式中，其中所述系统包含连接所述容器的目标物收取单元，该目标物收取单元包含蒸馏装置，如至少一个蒸馏塔。

[0150] 在方法方面的另一实施方式中，通过萃取和/或使用至少一个膜的工艺来收取目标化学品。如果目标化学品为例如琥珀酸，萃取工艺和/或使用至少一个膜的工艺会是有利的。在本发明系统方面的实施方式中，布置在第二输送装置上的目标化学品收取装置和/或目标物收取单元包含至少一个膜。

[0151] 在方法方面的实施方式中，目标化学品选自乙醇、丁醇和琥珀酸。可得自纤维素的这些目标化学品可通过发酵从能发酵的糖类制得。目标化学品的其它实例可为其它醇或酸、烷烃、烯烃、芳香族，醛、酮、生物聚合物、蛋白质、肽、氨基酸、维生素、抗菌素及其它药物。

[0152] 在方法方面的实施方式中，步骤d)包括使液体级分与发酵生物体相接触以获得发酵液。

[0153] 发酵生物体是指能够将能发酵的糖类发酵成目标化学品的生物体。可使用包含发酵生物体的发酵罐来实现液体级分与发酵生物体的接触。发酵生物体可至少一种真核微生物或原核微生物，如细菌和/或酵母。已公知细菌和酵母能够将糖类发酵成其它化学化合物。来自酿酒酵母属(Saccharomyces)、毕赤酵母属(Pichia)和念珠菌属(Candida)的酵母可用作发酵生物体。发酵生物体例如可为野生型、突变型或重组体型酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。酿酒酵母是用于从己糖生产乙醇的最合适的微生物之一，且在工业生产中受到欢迎的。此外，发酵生物体可为野生型、突变型或重组体型大肠杆菌(Escherichia coli)。当目标化学品例如为丁醇或琥珀酸时，重组体型大肠杆菌菌株是有用的。在方法方面的实施方式中，目标化学品是乙醇和发酵生物体是酵母。

[0154] 在方法方面的实施方式中，发酵生物体保留在发酵罐中。发酵生物体保留在发酵罐中是指设计发酵罐或发酵条件，以使得当将发酵液返回到所述容器中时，发酵生物体的量在发酵罐中没有显著降低。如果发酵生物体在发酵罐中的生长弥补了该损失，保留发酵生物体可允许发酵生物体离开发酵罐。此外，在发酵罐中保留发酵生物体可允许发酵生物体离开发酵罐，但通过使用布置在所述发酵罐下游的发酵生物体返回系统可进行返回。因此，在发酵罐中保留发酵生物体体现了在根据本发明的方法中发酵生物体在多个循环中重复使用，例如重复步骤b)-e)。因此，不必对每个循环都培养新鲜的发酵生物体。此外，在方法方面的另一实施方式中，新鲜的发酵生物体加入到发酵罐中，而至少一些发酵生物体保留在发酵罐中。这是指可将新鲜的发酵生物体连续地加入到发酵罐中或在根据本发明方法的各次循环之间加入到发酵罐中，例如以确保在发酵罐中的高发酵活性。

[0155] 在补充的实施方式中，一种或多种酶也保留在发酵罐中。因此当在容器中进行酶水解时，该补充实施方式是特别相关的。经常在纤维素降解成能发酵的糖类中使用的酶β-葡萄糖苷酶是特别合适的，因为其作用在可溶性物质上和各纤维素纤维之间的接触，因此不需要酶。将酶保留在发酵罐中可显著地降低酶的消耗，从而改善了工艺的经济性。

[0156] 例如，可通过淀积、离心或固定而保留发酵生物体和/或酶。

[0157] 淀积是指使发酵剂和/或包含酶的颗粒沉降到分离容器的底部，然后将沉降的发酵剂泵送回发酵罐中，同时从分离容器的顶部排出清液。

[0158] 离心是指在分离装置中利用转动以产生离心力，从而较致密的成分离开装置的轴。由此，发酵剂(致密成分)可与液体分离并返回到发酵罐中。

[0159] 此外，固定是指在发酵罐捕集发酵剂和/或酶，如用在发酵液中自由移动或附着在发酵罐的器壁上的多孔但固体状材料进行捕集。或者，也可使用发酵罐中存在的其它结构用于捕集。例如，可通过包封在发酵罐中的珠子中而捕集发酵剂。

[0160] 在一些发酵工艺中，生物质(发酵剂)倾向于以高于其再生的速率的速率离开发酵罐。这有时称为“洗去”。当发酵液包含抑制发酵剂的物质时，洗去的风险就特别高。如果不能防止洗去，就必须增加发酵罐的体积，这提高了成本，或者必须减少发酵液的供应，这降低了系统的生产能力。

[0161] 洗去问题可使用多种细胞截流技术如固定或通过离心的再循环来解决。这在上面进行了进一步的解释。或者，可使用沉降器。在该情况中，将液体发酵剂混合物从发酵罐中泵送到发酵剂在其中沉积(沉没)的外部容器中并泵送回发酵罐中(参见上面)。通常，在该装置中，发酵剂必须絮凝以获得足够的沉降速率。外部沉降器的缺点是对额外容器的投资和需要增大泵送量。此外，外部沉降装置可能由于沉降器的堵塞而导致操作中断。

[0162] 因此，使用根据项目44的内部沉降器可能是有益的。作为集成的发酵容器和沉降器的该装置的一个实施方式示于图6中。在图6中，外出流在一个或多个管道中被吸收。管道的数量和尺寸使得上升流速率低于发酵剂的平均沉降速率。沉降器优选具有搅拌器，和操作期间的搅拌优选使得保持低的管道入口产生的湍流。

[0163] 由此发酵液(包含目标化学品)被从发酵罐液体的表层区被吸走，同时发酵剂很大程度上得以保留。

[0164] 对于外部沉降器来说，发酵生物体的絮凝对于操作与即得到足够的沉降速度是必需的。

[0165] 例如，可使用絮凝发酵剂(如絮凝酵母)或可加入絮凝剂。

[0166] 使用如上和根据项目44的内部沉降器也可降低在发酵罐中的感染风险，因为在发酵罐中的流动速率对具有比液体在管道中上升的平均速率低的沉降速率的任何东西，包括感染性生物如细菌，都提供了“洗去”。因此，发酵罐中的液体的高周转可从发酵罐中冲洗掉感染性生物，这降低了在发酵罐中的感染风险。此外，如果在其中将从发酵罐中排出的发酵液返回到高温区域如本发明的容器中的系统中使用内部沉降器，则可在很大程度上杀死或钝化来自发酵罐的感染性生物体，由此降低了在整个系统中的感染性生物的浓度。

[0167] 在本发明系统方面的实施方式中，发酵罐适配成保留在发酵期间发酵罐中提供的发酵生物体。例如，发酵罐可适配成保留酵母。发酵罐可例如通过具有如上所述的“内部沉降器”而适配成保留发酵生物体。

[0168] 在本发明方法方面的实施方式中，步骤a)的得自纤维素的浆料通过包括如下的方法而获得：

[0169] a1)提供经任选预处理的纤维素生物质；和

[0170] b1)在与所述容器相分开的至少一个水解单元中将来自步骤a1)的纤维素生物质水解，以获得得自纤维素的浆料。

[0171] 在该实施方式中，得自纤维素的浆料在将其加入到容器之前优选进行中和。例如通过加入碱如NaOH或石灰石来进行中和。

[0172] 例如，纤维素生物质可为木质纤维生物质如甘蔗渣或木材。木质纤维生物质是指包含纤维素、木质素和可能的半纤维素的生物质。木质纤维生物质可为例如木材残渣或林产残渣，如木材碎片、锯木厂废品或造纸厂废品，或农业残渣。木质纤维生物质是具有能提供高的净能量获取潜能的丰富原料并具有高的可再生CO2效率。

[0173] “经预处理的纤维素生物质”是指已进行经预处理以改变其性质的纤维素生物质，使得纤维素在随后的水解期间更易处理。例如，预处理可降低纤维素生物质的结晶度和/或纤维素生物质的孔隙度。预处理可包括本领域技术人员公知的一个或多个预处理方法。例如，预处理可为浸渍。浸渍是指将纤维素生物质用浸渍流体浸渍。该流体可为酸性溶液，如无机酸溶液。浸渍也可用气体如SO2-气体或气体与液体的组合来进行。预处理也可为气蒸，或气蒸后浸渍。气蒸是指用来从纤维素生物质中驱除空气以进一步促进纤维素水解的方法。气蒸是用于预处理如木质纤维生物质的公知方法。作为其它实例，预处理可包括预水解、浸渍、气蒸、蒸汽爆破或它们的任何组合。蒸汽爆破是指组合了气蒸、剪切力和水解以破裂纤维素纤维的方法。将来自步骤a1)的纤维素生物质进行水解是指将所述纤维素生物质的纤维素通过与水进行反应的化学而分解。例如，水解可为单步或两步酸性水解。两步酸性水解是指在酸性环境中(例如在pH低于4的环境中)在两个步骤中任选地经预处理的纤维素生物质的水解。酸性环境可通过加入至少一种无机酸如硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、硼酸和/或氢氟酸而实现。此外，两步酸性水解中的至少一个水解步骤可在高于大气压的压力下进行。两个水解步骤可在两个分开的水解单元和在两种不同酸性环境中进行，这可通过在两个水解单元中加入两种不同的酸或通过在两个分开的水解单元中使用不同压力而实现。用于两步酸性水解中的酸可为稀释的酸。

[0174] 在本发明系统方面的实施方式中，所述系统进一步包含用于水解纤维素生物质并提供得自纤维素的浆料的至少一个水解单元，所述至少一个水解单元连接到所述容器。

[0175] 该至少一个水解单元可适用于根据上述的两步酸性水解。该至少一个水解单元可包含不锈钢。

[0176] 在本发明方法方面的另一实施方式中，步骤a)的得自纤维素的浆料通过包含如下的方法获得：

[0177] a2)提供任选地经预处理的纤维素生物质；和

[0178] b2)将该纤维素生物质在所述容器中进行酶水解以得到得自纤维素的浆料。

[0179] 关于“经预处理的纤维素生物质”，参见上面所述。该实施方式还可包括酶预水解。在任选地经预处理的纤维素生物质输送到容器之前，可使用酶预-水解来降低其粘度。因此，步骤a2)可为将任选地经预处理的纤维素生物质进行酶预水解。酶预水解因此可为与在b2)中容器相分开的单元中进行的分开的步骤。经预处理的生物质优选在进行预水解或加入到所述容器之前被中和。

[0180] 例如，纤维素生物质可为木质纤维生物质，如甘蔗渣或木材。木质纤维生物质和经预处理的纤维素生物质如上所述。酶水解是指通过至少一种酶催化的水解反应。所述至少一种酶可为至少一种糖化酶，其是指可将纤维素生物质转化或水解成能发酵的糖类如单糖和/或二糖的至少一种酶。该糖化酶可为水解多糖的糖苷酶。糖苷酶的实例包括纤维素水解糖苷酶，如纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶，半纤维素水解葡萄糖苷酶，如木聚糖酶、内切木聚糖酶、外切木聚糖酶、β-木糖苷酶、阿拉伯木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果胶酶和葡糖醛酶，以及淀粉水解葡萄糖苷酶，如淀粉酶、α-淀粉酶、β--淀粉酶，葡糖淀粉酶α-葡糖淀粉酶、和异淀粉酶，或在EC3.2.1.x(如EC3.2.1.4，其中EC为Enzyme Commission数)中记载的酶中的任何酶，。

[0181] 如果使用预水解，可在预水解时就加入在容器中的酶水解期间所使用的全部或一些酶。

[0182] 例如，糖化酶可用于步骤b2)，并且糖化酶还可进一步从容器中收取并重复使用。

[0183] 从所述容器中收取和重复使用酶可减少水解纤维素生物质时对外部酶的使用或需求。可从排出容器的内容物中收取酶。如果浆料连续排出容器，则可从容器中连续收取酶。如果在处理的特定时间后或当达到了特定目标化学品浓度时容器被排空，则可从容器中排空出的物料中收取酶。

[0184] 然后可在步骤b2)中重复使用所收取的酶以从新的纤维素生物质中获得得自纤维素的浆料。

[0185] 在本发明系统方面的实施方式中，所述系统进一步包括连接到所述容器的、用于从所述容器收取酶的酶收取装置。

[0186] 酶收取装置可包含用于收取酶的提纯装置，例如与所收取酶具有亲合性的至少一个亲合系统或亲合色谱柱。

[0187] 在本发明方法方面的实施方式中，在容器中的浆料温度在30-100℃之间，如在40-70℃之间，并且在发酵罐中的液体级分的温度在25-90℃之间，如在28-38℃之间。

[0188] 因此，在容器中的浆料温度和在发酵罐中的液体级分温度可不相同。不同温度可有助于容器中的浆料和在发酵罐中的发酵的良好状态。例如，如果在步骤b2)中在所述容器中进行酶水解，则与在发酵罐中将能发酵的糖类进行发酵时的最佳温度相比，在所述容器中的酶水解反应的温度可为不同的最佳温度。例如，如果将酵母用作发酵罐中的发酵生物体且在步骤b2)中使用酶水解，则在所述容器中的浆料温度可在60-90℃之间，和在发酵罐中的发酵液温度可为约35℃。此外，如果将嗜热微生物用作在发酵罐中的发酵生物体，则发酵罐中的液体的最佳温度可在60-90℃之间。作为进一步的实例，如果通过步骤a1)和b1)而获得纤维素生物质，则容器中的浆料温度和发酵罐中的发酵液的温度可相似，例如约35℃。

[0189] 在本发明系统方面的实施方式中，所述容器具有加热器。

[0190] 如果例如在所述容器中提供的得自纤维素的浆料和/或输送到所述容器中的发酵液具有比所期望的低的温度，则加热器有助于容器的温度升高。如果例如在所述容器中如在如上所述的步骤b2)中进行酶水解，则酶水解反应可具有较高的最佳温度，即最大数量的多糖通过酶催化的反应水解的比得自纤维素的浆料的温度和/或发酵液的温度高的温度。因此，与例如在发酵罐中相比，在容器中加热器可有助于利用不同的温度。

[0191] 在本发明系统方面的另一实施方式中，发酵罐具有冷却器。

[0192] 如果发酵罐具有冷却器，如果输送到发酵罐中的液体级分的温度比对于发酵反应有利的温度更高，则其有助于发酵罐中温度的降低。

[0193] 在本发明方法方面的实施方式中，步骤e)包括通过将发酵液与步骤c)的液体级分热接触而对其加热。将发酵液与液体级分热接触是指将发酵液处于其中它可以热的形式与液体级分进行能量交换的条件。例如，可在换热器中实现热接触。例如，在换热器中将发酵液与液体级分进行热接触是在发酵液和液体级分之间被动交换热量的有效方式。因此，如果容器中的温度高于发酵罐的最佳温度，例如如果在容器中进行步骤b2)中的酶水解，用输送到发酵罐中的液体加热输送到所述容器中的液体，即在步骤c)的液体级分和步骤e)的发酵液之间交换热量，这是在本发明方法和系统中保存能量的有效方式。如果在发酵罐和容器中各自使用不同温度，则该热交换也降低了冷却发酵罐和/或加热容器的必要性。

[0194] 在本发明系统方面的实施方式中，其中第一和第二连接装置各自为第一和第二输送装置，所述系统进一步包括用于从液体级分输送热量到发酵液的换热器，该换热器布置在第一输送装置和第二输送装置上。例如，如果所述系统进一步包括第一和第二泵，则第一泵可布置在第一输送装置上的换热器的上游，且第二泵可布置在第二输送装置上的换热器的上游。

[0195] 在本发明的进一步方面中，提供了用于从得自纤维素的浆料中提取糖类的发酵的得自纤维素的水解产物的用途，其中得自纤维素的浆料具有的悬浮固体含量为5％-30％，例如8％-25％，例如12％-17％。

[0196] “发酵的得自纤维素的水解产物”因为进行了发酵而具有乙醇成分。优选地，所述得自纤维素的水解产物源自所述浆料，所述得自纤维素的水解产物由所述浆料以发酵形式来用于提取能发酵的糖类。

[0197] 测量悬浮固体含量的方法对本领域技术人员来说是公知的。与如果使用外部生产用水相比，使用用于从得自纤维素的浆料中提取能发酵的糖类的发酵的得自纤维素的水解产物可带来对能发酵的糖类的较小稀释。附图说明

[0198] 图1显示了根据本发明实施方式的系统的示意图，其中通过两步酸性水解而获得得自纤维素的浆料。

[0199] 图2显示了根据本发明实施方式的系统的示意图，其中通过酶水解而获得得自纤维素的浆料。

[0200] 图3显示了作为本发明构思证明的、用来制备乙醇的试验装置的示意图。

[0201] 图4显示了实施例4的结果。水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖浓度绘制成时间的函数。x-轴表示为小时的时间，y-轴表示为g/l的浓度。实心菱形表示乙醇，空心三角表示葡萄糖和实心三角表示甘露糖。

[0202] 图5表示实施例5的结果。水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖浓度绘制成时间的函数。x-轴表示为小时的时间，和y-轴表示为g/l的浓度。实心菱形表示乙醇，空心三角表示葡萄糖和实心三角表示甘露糖。

[0203] 图6显示了用于从发酵罐中排出包含目标化学品的液体，同时将发酵剂保留在发酵罐内部的系统的实例。

[0204] 实例性实施方式详述

[0205] 下面更详细地描述了本发明方法和系统的非限定性实施方式。

[0206] 实施例1.用于提供目标化学品的方法和系统，其中通过纤维素生物质的两步酸性水解获得得自纤维素的浆料

[0207] 图1说明了公开的方法和系统的实施方式，其中通过两步酸性水解获得得自纤维素的浆料。用于提供目标化学品的系统包含用于容纳得自纤维素的浆料的容器(1)。通过在两个水解单元(18a和18b)中进行的两步酸性水解，获得具有悬浮固体含量约15％的得自纤维素的浆料。在第一水解单元(18a)中提供了例如通过气蒸而预处理的的纤维素生物质，其中所述纤维素生物质处于例如170-190℃和pH1.5-2.5的条件。在两步酸性水解的第二步骤中，在第二水解单元(18b)中纤维素生物质处于如190-210℃和pH1.5-2.5的条件以获得得自纤维素的浆料，所述得自纤维素的浆料经由容器(14)的入口输送到容器(1)。每个步骤的典型保留时间为5-10分钟。在浆料进入容器(1)之前，通过加入碱如NaOH或氨水进行中和。容器(1)连接到分离器(2)，将部分得自纤维素的浆料通过第三输送装置(6)如管道经由分离器(2)的浆料进口(2a)输送到分离器(2)。分离器例如可为带式过滤器。通过布置在第三输送装置(6)上的第三泵(10)来辅助浆料向分离器(2)的输送。分离器(2)具有用于从浆料中分离液体级分的至少一个过滤器。将剩余的悬浮固体级分经由所述分离器的悬浮固体级分出口(2c)和第四输送装置(7)而返回到容器(1)，同时将液体级分经由分离器(2)的液体级分出口(2b)、通过第一输送装置(4)如管道而经由发酵罐(3)的发酵罐入口(3a)输送到发酵罐(3)。通过布置在第一输送装置(4)上的第一泵(8)来辅助通过第一输送装置(4)的液体级分输送。发酵罐(3)包含发酵生物体如絮凝酿酒酵母，该酵母将液体级分中的能发酵的糖类发酵成目标化学品如乙醇。例如用冷却器(13)将发酵罐(3)的温度调节成约35℃的温度，这通常接近于当使用酵母时的发酵反应的最佳温度。
将由此包含目标化学品的所获发酵液以允许发酵生物体在发酵罐(3)中沉淀的速率从布置在发酵罐(3)顶部的发酵罐出口(3b)排出。因此，发酵生物体最大程度地保留在发酵罐(3)中。将发酵液通过第二输送装置(5)如管道从发酵罐出口(3b)返回到容器(1)。通过布置在第二输送装置(5)上的第二泵(9)来辅助通过第二输送装置(5)的发酵液的输送。
使部分得自纤维素的浆料从容器(1)到分离器(2)的输送过程、分离液体级分并将液体级分输送到发酵罐(3)同时将悬浮固体级分返回到容器(1)的过程、以及将发酵液返回到容器(1)的过程连续重复。因为将包含目标化学品的发酵液返回到容器(1)，在系统中目标化学品的浓度逐渐增大。上述各过程连续地重复直至在容器(1)中达到目标化学品的期望浓度。然后，将容器(1)的全部内容物输送到可包含蒸馏塔的目标物收取单元(16)。容器(1)的内容物流可在被输送至目标物收取单元(16)的同时经过少一个过滤器(17)以降低悬浮固体含量。然后通过例如在蒸馏塔中的蒸馏而在目标物收取单元(16)中收取目标化学品如乙醇。此外，上述公开的系统还可装备有促进第一输送装置(4)和第二输送装置(5)之间热量交换的换热器，以进一步最优化系统中的能量利用。

[0208] 实施例2.用于提供目标化学品的方法和系统，其中通过纤维素生物质的酶水解获得得自纤维素的浆料

[0209] 图2说明了公开的方法和系统的实施方式，其中通过酶水解获得得自纤维素的浆料。用于提供目标化学品的系统包含用于容纳得自纤维素的浆料的容器(1)。通过经由容器(14)的入口而向容器(1)提供经预处理的纤维素生物质，从而获得具有悬浮固体含量为10-15％，优选10-13％的得自纤维素的浆料。纤维素生物质可例如通过稀酸处理和/或蒸汽爆破而进行预处理。然后使用糖化酶在容器(1)中将经预处理的纤维素生物质进行酶水解。这些酶催化了经预处理的纤维素生物质中的多糖向能发酵的糖类如二糖和单糖的水解。经预处理的纤维素生物质的逐渐分解可带来在容器中比经预处理的纤维素生物质的进料中低的悬浮固体含量。在约65℃温度时容器(1)中使用的糖化酶的催化周转率(catalytic turnover)最高，因此在容器(1)上布置加热器(12)以加热容器(1)中得自纤维素的浆料。容器(1)连接到分离器(2)。将部分得自纤维素的浆料经由第三输送装置(6)如管道而通过分离器的浆料进口(2a)输送到分离器(2)。通过布置在第三输送装置(6)上的第三泵(10)来辅助浆料向分离器(2)的输送。分离器(2)具有用于从浆料中分离液体级分的至少一个过滤器。将剩余的悬浮固体级分经由分离器的悬浮固体级分出口(2c)和经由第四输送装置(7)而返回到容器(1)，同时将液体级分经由分离器(2)的液体级分出口(2b)、通过第一输送装置(4)如管道而经由发酵罐的发酵罐入口(3a)输送到发酵罐(3)中。通过布置在第一输送装置(4)上的第一泵(8)来辅助通过第一输送装置(4)的液体级分输送。发酵罐(3)包含发酵生物体如絮凝酿酒酵母，该酵母将液体级分中的能发酵的糖类发酵成目标化学品如乙醇。将由此包含目标化学品的所获发酵液以允许发酵生物体在发酵罐(3)中沉淀的速率从布置在发酵罐(3)顶部的发酵罐出口(3b)排出。因此，基本上所有的发酵生物体保留在发酵罐(3)中。发酵生物体的发酵速率具有约35℃的最大温度，即低于容器(1)中的浆料温度。因此，在发酵罐(3)上布置冷却器(13)以将发酵罐(3)的温度降低到期望水平。将发酵液通过第二输送装置(5)如管道从发酵罐出口(3b)返回到容器(1)。通过布置在第二输送装置(5)上的第二泵(9)来辅助通过第二输送装置(5)的发酵液的输送。此外，第一输送装置(4)和第二输送装置(5)在换热器(11)中进行热接触，这说明降低了在第一输送装置(4)中输送的液体级分的温度，和升高了在第二输送装置(5)中输送的发酵液的温度，由此有助于系统中的有效能量节约以及布置在容器(1)上的加热器(12)和布置在发酵罐(3)上的冷却器(13)的较少使用。使部分得自纤维素的浆料从容器(1)到分离器(2)的输送过程、分离液体级分并将液体级分输送到发酵罐(3)中同时将悬浮固体级分返回到容器(1)的过程、以及将发酵液返回到容器(1)的过程连续重复。因为将包含目标化学品的发酵液返回到容器(1)中，在系统中目标化学品的浓度逐渐增大。上述各过程连续地重复直至在容器(1)中达到目标化学品的期望浓度。然后，将容器(1)的全部内容物输送到可包含蒸馏塔的目标物收取单元(16)。容器(1)的全部内容物可经过酶收取装置(15)，所述收取装置包含用于糖化酶的亲合装置，从而可收取酶并在容器(1)中的进一步水解反应中重复使用。此外，容器(1)的内容物在被输送到目标物收取单元(16)的同时可经过至少一个过滤器(17)以降低悬浮固体含量。然后例如通过在蒸馏塔中的蒸馏而在目标物收取单元(16)中收取目标化学品如乙醇。

[0210] 实施例3.用于从发酵罐中排出包含乙醇的液体同时将絮凝酵母保留在发酵罐内部中的系统

[0211] 图6显示了用于从发酵罐中排出包含乙醇的液体同时将絮凝酵母保留在发酵罐内部中的系统。发酵罐(41)连接到入口管(42)和出口管(44)。在所示实例中，四个管道(43)连接到所述出口管并在发酵罐中液体表面(47)之下延伸。絮凝酵母(46)存在于发酵罐的液体中，并提供搅拌器(45)以均质化液体-酵母混合物(从而提供有效的发酵)。通过对出口管(44)施加负压而将包含由絮凝酵母(46)制得的乙醇的液体从管道(43)排出。设置管道(43)的尺寸如直径以使得包含乙醇的液体在管道(43)中上升的速率小于絮凝酵母(46)的平均沉降速率。此外，搅拌器的布置和搅拌水平使得发酵罐中液体表面(47)之下延伸的出口管(43)的开口处的湍流运动最小化。由此，包含乙醇的液体从发酵罐(41)中排出，同时絮凝酵母(46)保留在发酵罐(41)的内部。

[0212] 试验性实施方式

[0213] 下面非限定性实施例来进一步解释本发明。

[0214] 实施例4.包括酶水解的乙醇制备

[0215] 原料与方法

[0216] 在图3中展示了实施例4的试验装置的示意图。水解容器(31)用2500ml得自纤维素的浆料填充，该浆料最初具有17.2％SS(w/w)的悬浮固体含量。水解容器(31)的温度为40℃和pH为约5.0。将糖化酶(获自Novozymes的Celluclast)以7.5FPU/g的干料量加入到水解容器(31)中。此外，将过量的β-葡萄糖苷酶也加入到水解容器(31)中。在通过使用第一搅拌器(39b)的连续搅拌期间，在厌氧环境中进行水解容器(31)中的酶水解反应。液体级分通过两个过滤器(33a和33b)从水解容器(31)中分离出，并使用第一泵(34)将其从第一管道(35)输送到300ml的发酵容器(32)。向发酵容器(32)中初始加入约9g/l量的絮凝酵母。发酵容器(32)的温度为35℃和pH为约5.0。在通过使用第二搅拌器(39a)的连续搅拌期间，在厌氧环境中进行发酵容器(32)中的发酵。发酵液通过经由“内部沉降器”(36)缓慢排出-所述内部沉降器是絮凝酵母不能通过的圆筒，因为其沉降速度高于液体的向上运动。使用第二泵(38)将发酵液从第二管道(37)输送返回到水解容器(31)，同时酵母保留在发酵容器(32)中。

[0217] 结果

[0218] 在96小时内实施该试验。测量平均循环流量为约200ml/小时，即水解容器(31)的全部液体成分在12.5小时内得以再循环。在整个试验中自始至终测量了在水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖浓度，且结果示于图4中。96小时后，在水解容器中的乙醇浓度为约37.6g/l。在发酵容器中测量出稍微高的量。这说明，96小时后，在系统中残留有约12.3g/l的能发酵的糖类浓度。理论上，如果试验进行更长的时间，该量可带来另外的4-5g/l乙醇，即在水解容器中产生超过40g/l的总乙醇浓度。

[0219] 葡聚糖周转率估计为约70％。测量乙醇收率为最高理论水平的约73％，这可能表明，在试验期间乙醇在系统中蒸发，和产生了比可测到的浓度更高的乙醇浓度。

[0220] 因此，实施例4是本发明方法和系统的验证，并表明可制备高浓度的乙醇。

[0221] 实施例5.无酶水解的乙醇制备

[0222] 原料与方法

[0223] 使用在实施例4中描述的相同的试验装置，但未向水解容器(31)中加入酶。此外，向水解容器(31)中加入初始浓度各自为11g/l和16g/l的葡萄糖和甘露糖，且水解容器(31)的温度为50℃。

[0224] 结果

[0225] 在25小时内实施该试验。在整个试验中自始至终测量了在水解容器中的乙醇、葡萄糖和甘露糖浓度，且结果示于图5中。25小时后，与实施例4相比，糖类浓度降低地更快且所有糖类或多或少有所消耗。这可能是因为由于在水解容器中缺乏糖化酶而没有产生其它糖类。25小时后，乙醇浓度为约16g/l，这与实施例4中所得浓度相比更低。然而，这也可通过试验期间的较低的初始糖类浓度和缺乏糖化酶得以解释。乙醇收率为最大理论乙醇收率的86％。

[0226] 因此，在实施例5中获得的结果也是用于制备目标化学品的公开的方法和系统的良好验证。

[0227] 实施例6.用于提供目标化学品的方法和系统，其中使用了多个浆料容器[0228] 图7展示了使用多个浆料容器1的系统和方法。将来自每个容器1的得自纤维素的浆料在分离器2中分离成液体级分和悬浮固体级分。将得自纤维素的浆料经由第三输送装置6供应到分离器2，并将悬浮固体级分经由第四输送装置7从分离器2返回到容器1。通过第一输送装置4将来自所有分离器2的液体级分合并成进入发酵罐3的单一进料71，并将液体级分的能发酵的糖类在发酵罐3中进行发酵以生产目标化学品。发酵优选通过发酵生物体如酵母来进行，且发酵罐3可适配成保留酵母。通过第二输送装置5将来自发酵罐3的发酵液返回到容器1中。第二输送装置5可因此包含接收来自发酵罐3的发酵液的单一入口和将发酵液返回到各自容器1的多个出口。

[0229] 换热器(在图7中未显示)可布置在第一输送装置4和第二输送装置5上，以使得热量可从通向发酵罐3的液体级分输送到从发酵罐3导出的发酵液。

[0230] 将得自纤维素的物料经由容器入口14而进料到容器1。得自纤维素的物料可为水解的或刚经预处理的。如果得自纤维素的物料是刚经预处理的，则其在容器1中进行酶水解。

[0231] 例如，在预定时间内，可从容器1中的自纤维素的浆料连续地分离出液体级分，并可将发酵液连续地返回到容器1，直至在容器1中达到预定的目标化学品浓度或直至在容器1中消耗掉预定量的可用的能发酵的糖类。然后可经由容器1的出口(在图7中未显示)将来自容器的得自纤维素的浆料输送到目标物收取单元(在图7中未显示)。

[0232] 各容器1可同时填充，但优选将它们依次填充。因此，单一预处理过程或单一水解过程可提供进料到所有容器1中的得自纤维素的材料。因此，每个容器1可循环操作，且各个容器1的循环可彼此不同步。一个循环可例如包含填充、液体的连续分离和返回以及排空。例如，如果使用了四个容器1，则可填充第一容器1，而第二容器1处于分离和返回的初期阶段，第三容器1处于分离和返回的分离和返回的后期阶段，而第四容器1被排空。这允许发酵罐3的连续操作，布置在容器1上游的任何预处理和/或水解过程，以及布置在容器的下游的目标物收取单元(如蒸馏装置)。

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