[发明专利]生物燃料发酵过程的非线性模型预测控制

说明书

技术领域

本发明一般涉及针对生物燃料及其副产品的生产过程的模型预测控 制的领域，并且更具体地，涉及用于生物燃料(例如，燃料乙醇)发酵过 程的非线性模型预测控制的系统和方法。

背景技术

生物燃料生产工厂

生物燃料是指从生物量(即从最近活生物体或者其副产品)得到的任 何燃料。在图1中示出了生物燃料生产工厂或者过程的发酵部分的示例性 高级设计，其示出了如何通过各种过程或者阶段来处理生物量，以生产生 物燃料以及一种或者多种副产品。

如图1所表明的那样，对生物量(例如，玉米(来自玉米源，尽管可 根据需要使用任何其它类型的生物量，例如，其它谷物、甘蔗等))连同 蒸煮用水一起进行粉碎和蒸煮处理，该粉碎和蒸煮处理包括如所示出的粉 碎处理、浆槽以及蒸煮槽。在粉碎中，生物量被分解以增加表面积与体积 比。表面积的这种增加允许淡水和生物量表面的充分相互作用，以实现可 发酵糖溶在水中的溶液。然后对生物量/水浆的混合物进行蒸煮，以促进 溶液中生物量-水接触的量的增加并且加大碳水化合物生物量与非碳水化 合物生物量的分离。然后将粉碎和蒸煮单元的输出(即，发酵料或者浆) 送到发酵过程，在该发酵过程中，一个或者多个发酵单元(发酵槽)操作 用来使通过粉碎和蒸煮过程生产的生物量/水浆发酵。

发酵是生物反应，在该生物反应中，活性生物体(酵母)用于将糖(葡 萄糖或者右旋糖)转化成生物燃料(例如，乙醇)。更具体地，发酵过程 一般地利用酵母来将浆或者醪中的糖转化成生物燃料(例如，乙醇)，并 且也可利用各种酶，诸如参与将所述浆中的玉米淀粉分解成较简单的糖的 α淀粉酶(AA)以及在填充时间期间加入到发酵槽中的葡糖淀粉酶(GA)， 以将糖进一步分解成葡萄糖。

发酵通常是具有在45和60小时之间的典型发酵分批时间的补料分批 操作。一般而言，该时间的20-33％用于填充发酵槽。通常，取决于工厂 规模，以200-800GPM的速率将醪(水和粉碎玉米的混合物)注入到发 酵桶中。通常，所述醪已经用α淀粉酶(AA)进行了处理，如上所表明的 那样，该α淀粉酶用于参与将玉米淀粉分解成较简单的糖。购买呈干燥或 者液体形式的酵母，并且通过在繁殖槽中将该酵母与稀释醪进行混合来对 该酵母进行制备以用于添加到发酵桶(即发酵槽)中。在用醪填充发酵桶 时，将酵母混合物加入到该发酵桶中。也如上所表明的那样，可在填充时 间期间向发酵槽和/或向预发酵桶加入另一种酶(葡糖淀粉酶(GA))，以 将糖进一步分解成葡萄糖。也可加入对于适当的酵母生长必要的其它成 分，例如，氮源、抗感染源(例如，抗生素)等。

由于生物燃料发酵是放热过程，因此通过经由热交换机再循环醪来冷 却发酵槽，由此通过外部水源冷却该热交换机。冷却热交换机之后的再循 环醪的温度可称作再循环温度、发酵桶冷却器回流温度或者简单冷却器回 流温度，等等。

注意，系统对温度非常灵敏，酶更喜欢较高的温度而酵母则更喜欢较 低的温度。工厂实验室通常测试在整个批期间的各个时间处的发酵材料的 若干项或者组成以测量发酵过程，诸如，例如温度；pH(酸度测量)；糖： 例如，DP4(四链右旋糖聚合物)、DP3(三链右旋糖聚合物)、麦芽糖、 葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖和/或蔗糖(和/或其它)；副产品：例如，乳 酸、乙酸和甘油；以及生物燃料(例如，乙醇)。

如图1也示出的那样，酵母发酵过程可培养(生产)用于发酵槽中的 醪的初始接种的活性酵母。然后对所述醪进行发酵，以生产各种发酵产品 的混合物。注意，发酵过程可需要或者可不需要将额外的淡水添加到过程 中，以控制材料对发酵单元(这里也称作发酵桶)的一致性。在发酵单元 或者槽中，由酵母和酶将生物量转化成生物燃料以及副产品(诸如二氧化 碳、水以及不可发酵生物量(固体))。

图2和3示出了发酵过程的各个组成的典型分布曲线，包括碳水化合 物(例如，糖，诸如DP4、DP3、麦芽糖、果糖、半乳糖、乳糖和/或蔗 糖)以及生物燃料(在这些示例中，乙醇)。如这些图所表明的那样，由 于碳水化合物被转化成了乙醇，因此随着乙醇浓度上升，碳水化合物浓度 在发酵过程期间(即在批时间或者时期期间)下降。