[发明专利]生物材料的水热碳化方法和所得水在发酵中的用途

说明书

本发明涉及生物材料的水热碳化方法和所得工艺水在发酵中的用途。

大规模加工生物材料以得到各种糖和/或其通过发酵制备的次级产物如醇和有机酸目前以工业规模进行。

为由生物材料得到所需产物，将其中所含的糖化学/催化或酶转化。除这些方法的所需次级产物外，还得到副产物，所述副产物基本含有所有天然存在的物质组，所述物质还包含在各自的起始原料中。

在具有随后蒸馏或精馏的发酵方法以后得到的生物质称为釜馏物，如同例如在蒸馏醇以回收燃料或者蒸馏酒精如威士忌酒中的情况。如果谷物用作植物原料，则提及酒糟。釜馏物一方面含有蛋白质和植物原料的非含糖碳以及发酵中所用生物催化剂如酶、细菌或真菌培养物的组分。用作生物催化剂的微生物如细菌和/或真菌合成代谢产物，所述代谢产物同样保留在釜馏物中。

对于发酵方法，所用微生物需要足够量的营养素以合成细胞蛋白质，以便实现充分的细胞分裂和因此发酵方法期间的高细胞浓度，这又确保发酵桶中的高体积/时间转换率。必须将这些营养素，特别是含氮营养素主要以氨、铵盐、尿素、解蛋白酶制剂和/或氨基酸的形式供入发酵方法中。这代表额外成本因素。

由于昂贵且成本集约的干燥方法，釜馏物可用作动物饲料。可将它们以湿形式混入动物饲料中。然而，不是每种植物原料都适于该目的。一些动物例如不以黑麦釜馏物为食。湿釜馏物的另一问题是这一事实：其必须立刻利用以避免腐化过程。另外，釜馏物可用作肥料或者生物气装置的基质。

已知可通过水热碳化(HTC)将植物生物质转化成高碳产物。植物材料的水热处理首先由Friedrich Bergius描述于1913年。由于提高的对类似于煤的产品的需求，该路线这些年来进一步发展。

专利说明书DE102007012112B3例如描述了用于生物质水热碳化的设备和方法。然而，制备的生物质必须可用于该方法，且在HTC方法过程中，使该生物质达到低pH值并加压。另外，得到一定量的工艺水，其不能不经其它措施而再使用。

再使用HTC工艺水的一个可能描述于“Offenlegungsschrift”EP2206688A1中。在那里将所得工艺水热化学加工，使得随后可将它引入废水中。然而，所得工艺水的专门处理是时间-、成本-和能量消耗大的。

本发明的目的是找到在发酵方法中随着随后的蒸馏而得到的生物质的便利且便宜的使用。另外，目的是找到将降低营养素，特别是含氮材料供入发酵方法中的成本的可能性。此外，本发明的目的是减少发酵方法中淡水的供应和废水的量。

该目的通过本发明生物材料的水热碳化方法解决，其中在第一工艺阶段中，在具有随后蒸馏和/或精馏的发酵方法以后得到生物质，在第二工艺阶段中，通过水热碳化将第一工艺阶段的该生物质转化成高碳产物，其中将第二工艺阶段的所得工艺水再次供入第一工艺阶段中。

作为生物材料，可使用任何生物材料，例如植物材料、动物材料、真菌和细菌以及源自它们的任何材料。优选使用含有多糖和/或木质素的材料以得到高碳产物。为得到富含氮的工艺水，优选待加工材料含有蛋白质。

在本发明方法中，优选在发酵方法中进行至少如下工艺步骤：

-麦芽浆制备，

-发酵，

-蒸馏和/或精馏；

且将由该发酵方法得到的生物质在第二工艺步骤中水热碳化，其中：

-分离所得高碳产物，和

-将工艺水再供入麦芽浆制备中。

来自发酵方法的釜馏物用作HTC方法的原料的优点是不需要处理不能用作动物饲料的废生物质。另外，得到这一优点：不需要将釜馏物干燥以用于其它用途，这是节能的，因此更经济。节能的另一可能性产生于HTC反应热与第一工艺阶段热耦合的可能性。

仍保留在釜馏物中的碳水化合物转化成不溶于水的形式并可在HTC方法以后的分离步骤中非常容易地与HTC工艺水分离。HTC方法中釜馏物转化成高碳产物(例如HTC煤和/或腐殖质)提供这一优点：它可以以环保和CO₂中性方式抛弃，例如以改进土壤结构，或者还可作为有价值材料用于化学技术方法如气化、燃烧和/或直接氢化。

此外，本发明方法的一部分是由HTC方法得到的工艺水含有营养素如氨基酸和/或铵氮。

在水热转化期间，如HTC方法中的，蛋白质转化成水溶性低分子水解产物(氨基酸)。蛋白质的该行为是已知的(近临界和超临界水.部分I.水解和水热方法；G.Brunner;J.of supercritical fluids;47373-381，2009)。