[发明专利]由生物质材料生产挥发性有机化合物的方法

说明书

发明领域

本发明的实施方案一般地涉及由生物质材料生产挥发性有机化合物，例如乙醇的方法，和更特别地涉及由生物质材料发酵并回收这种挥发性有机化合物。

发明背景

这一部分拟引入现有技术的各个方面，这些方面可与本发明的例举实施方案有关。这一讨论被认为辅助提供有助于更好地理解本发明特定方面的框架。因此，应当理解，这一部分应当从这一角度阅读，且不必然视为承认任何现有技术。

随着全世界的石油供应持续减少，对可替代各种石油产品，尤其运输燃料的备选材料存在增长的需求。在美国环境法规，例如1990年的清洁空气法案中，提供了在机动车中使用氧化燃料的动机。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释放。使用乙醇的一个主要优点是由可再生资源生产燃料。通过用可再生燃料替代化石燃料，可降低二氧化碳(一种温室气体)的大气水平。

目前进行了许多的努力来生产生物乙醇，所述生物乙醇衍生于可再生的生物质材料，例如玉米，糖类作物，能量作物，和固体废物。常规的由玉米生产乙醇典型地与有价值的食品资源存在竞争，这可通过负面影响每年收割的农作物产量的愈加苛刻的气候条件，例如干旱和洪水而进一步放大。与常规乙醇生产的竞争可抬高食品价格，尽管其他农作物已经充当乙醇生产用生物质材料，但它们通常不适合于全球实施，因为这些农作物具有气候要求。例如，也可有效地由甘蔗生产乙醇，但仅仅在气候可能支持几乎终年收割的世界的某些区域，例如巴西进行。

尽管不使用玉米的其他生产乙醇的方法可获得，但它们仍然是不足的。例如，Henk和Linden在科罗拉多州大学研究了由高粱固态生产乙醇(参见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页)。他们注意到甜高粱成功地用于生产乙醇，但需要解决三个问题：

·碳水化合物的储存

·木质纤维素部分的可获得性(Accessibility)，以酶解半纤维素和纤维素；和

·从甜高粱中回收乙醇的更加经济的方式。

在他们的方法中，他们指出在使用这种可再生生物质中，季节的有效性(availability)和甜高粱的储存性是重要的因素。糖的提取与储存是限制使用甜高粱作为乙醇生产用底物的两个严重的问题。常规的应用预见使用从甜高粱浆液中提取或压榨的含有约10-15％糖的汁液(juice)。该汁液然后或者直接发酵成醇，或者蒸发成糖蜜以供储存。直接发酵汁液成乙醇是一种季节性方法，仅仅在收割之后的短时间内实现。这呈现出从实验阶段规模放大到较大实践阶段的固态发酵，例如工业规模的挑战。例如，短的收割窗要求储存空间和回收设施的显著的资金投资，在短时间段内处理峰值量，同时对于停机时间来说，空间与设备将处于睡眠状态或者未充分使用。

对甜高粱制造乙醇的一些问题，Henk和Linden的策略是研究使用湿法储存的固态发酵，它被一体化到在甜高粱内长期储存乙醇的经济方法内。尽管Henk和Linden确实显示出总体工艺的一些改进，但仍存在许多缺点，其中包括它们能生产的乙醇量。通过典型地要求昂贵的设备(该设备需要昂贵的维护)，这一提出的系统倾向于使生物乙醇的生产甚至更加昂贵。此外，Henk和Linden显示出在实验规模上过量固态发酵的可行性，但没有提供按比例放大操作的细节。

例如，Henk和Linden没有提供从生物质固体材料中经济地回收乙醇和其他挥发性有机化合物的任何方式。Henk和Linden以及其他人没有解决使得由固态发酵高粱生产乙醇在经济上可行的障碍，当它在较大规模，尤其工业规模上操作时。