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用于燃料生产的集成生物加工的制作方法
本发明提供用于增强从藻源生物质回收产物的工艺集成的系统和方法。所述增强的工艺集成允许增加来源于可再生来源的输入料流及其它试剂的使用。这增加了从所述藻源生物质中提取的产物的总体可再生特性。所述工艺集成可以包括在藻类加工系统和用于加工非藻类生物质的系统之间交换输入料流或能量。改善工艺集成的一个实例是使用以可再生方式产生的含氧物质作为用于增强所述藻类加工系统的试剂。
【专利说明】用于燃料生产的集成生物加工
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成加工藻类以形成燃料、润滑剂、化学产物和/或具有可再生特性的其它产物。
【背景技术】
[0002]燃料和润滑剂的常规生产仍然受矿物石油进料向所期望产物的转化所主导。为了用可再生形式的能量补充和/或替代常规来源,必须克服多种问题。
[0003]对于常规燃料和润滑剂的一种可选方案是生产基于生物质的相当的燃料和润滑剂。基于生物质的燃料和润滑剂的一个潜在优势在于,所得产物可以与现有基础设施和技术相容。理想地,基于生物质的燃料和润滑剂将代替常规产物以
“无需事先调整的”方式使用,允许使用可再生的产物,而不必改进现有设备。另一潜在用途将是生产与常规燃料和润滑剂相容的共混料。
[0004]公开的美国专利申请2009/0081748描述了使用藻类生产生物燃料的集成方法和系统。描述了用于生产包括生物柴油产物和乙醇产物的多种产物的方法。
【发明内容】
[0005]在本发明中,提供用于增强从藻源生物质回收产物的工艺集成的系统和方法。所述增强的工艺集成允许增加来源于可再生来源的输入料流及其它试剂的使用。这又增加了从藻源生物质提取的产物的总体可再生特性。所述工艺集成可以包括在藻类生物质加工系统和用于加工非藻类生物质的系统之间交换输入料流或能量。
[0006]首先,提供用于由藻源生物质产生燃料或燃料共混产物的集成方法,其集成了气化工艺。所述方法包括提供包含来自藻类生长环境的藻源生物质的进料。从所述藻源生物质回收燃料或燃料共混产物及残留产物。任选地,可以将通过另一工艺在生物质加工系统中产生的含氧物质用作用于回收所述燃料或燃料共混产物的试剂。对所述残留产物的至少一部分实施气化工艺。所述气化工艺至少产生气相输出料流和气化残留料流。所述气相输出料流包含H2和CO。然后通过除去不同于H2和CO的一种或多种污染化合物的至少一部分来纯化所述气相输出料流。例如,可以将
NH3从所述气相输出料流中除去,或可以将NH3和CO2都除去,以形成第二气相输出料流。任选地,可以使所述除去的污染化合物再循环以用作用于藻类和/或其它生物质生长的营养素。将所述纯化的气相输出料流的至少一部分转化成一种或多种有机分子。所述转化可以对应于甲醇合成反应、直接发酵以形成乙醇、费-托合成反应或受益于含有H2和CO的输入料流的另一反应。
[0007]其次,可选地或另外地,提供用于产生生物燃料的另一方法。所述方法包括使藻类在藻类生长环境中生长。从来自所述藻类生长环境的藻源生物质进料回收第一燃料或燃料共混产物和残留产物。从第二生物质进料回收第二燃料或燃料共混产物和第二残留产物。对所述第二残留产物的至少一部分实施气化工艺。所述气化工艺至少生成第一气相输出料流和气化残留物,所述第一气相输出料流包含NH3XO2或其组合。使所述第一气相输出料流或所述气化残留物的至少一部分再循环到所述藻类生长环境中。
[0008]上述方法中的任一种都可以通过生物燃料生产系统进行实施。此外,上述方法中的任一种都可以单独或组合地进行实施。因此,本发明的另一方面为实施上述方法中的一种或两种的生物燃料生产系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1描绘适合实施根据本发明的一方面的方法的反应系统。
[0010]图2描绘适合实施根据本发明的另一方面的方法的反应系统。
[0011]图3描绘适合实施根据本发明的另一方面的方法的反应系统。
[0012]图4描绘适合实施根据本发明的另一方面的方法的反应系统。
[0013]图5描绘适合实施根据本发明的另一方面的方法的反应系统。
【具体实施方式】[0014]鐘述
[0015]由生物源产生燃料是补充和/或替代常规化石燃料的日益受关注的领域。目前,由生物源产生的大多数燃料是含氧燃料例如乙醇,它们旨在补充用于汽油动力发动机的燃料池。还产生了量日益增加的基于生物源的柴油。来自生物源的燃料、润滑剂及其它产物部分地基于从环境中捕集的碳和能量(日光)。这样的燃料、润滑剂及其它产物有时被称作“可再生”产物。
[0016]遗憾的是,由生物源产生可再生产物的常规方法仍然受到多个缺点的困扰。一个困难在于常规可再生产物通常在特性上并不可以完全再生。由玉米生产乙醇提供一个实例。常将基于玉米的乙醇视为可再生燃料,因为玉米合并来自周围环境的碳。因此,
由燃烧基于玉米的乙醇排放的二氧化碳代表最初从环境中提取的碳。玉米的能量含量也基于日光。然而,由玉米产生乙醇需要多个工艺步骤。首先,必须种植玉米种子。这通常包括操作由以常规、不可再生柴油或汽油燃料运转的发动机提供动力的大型农业设备。以不可再生燃料运转的此类农业设备还在玉米的生长和收获期间进行使用。然后将收获的玉米在能够从玉米中提取糖/淀粉并使所提取的糖/淀粉发酵以制得乙醇的蒸馏室或其它设备中加工。所述发酵在高温下进行,且通常通过燃烧不可再生的化石燃料来为其提供动力。蒸馏以浓缩乙醇通常也由通过燃烧化石燃料提供动力。另外,所述提取工艺可以包括操作由不可再生的燃料来源提供动力的机械设备。
[0017]基于上述实例,确定产物的可再生特性不仅仅包括考虑产物本身的碳和能量来源。通过燃烷基于玉米的乙醇产生的CO2对应于在玉米生长期间从环境中提取的碳原子。然而,制得基于玉米的乙醇包括多种其它CO2排放源。除了动力耕作和加工设备之外,所述发酵工艺通常还包括燃烧显著量的燃料。所有这种另外燃料燃烧都由不可再生来源产生C02。结果,即使通过燃烷基于玉米的乙醇产生的CO2具有可再生特性,但在所述乙醇燃烧之前产生显著量的不可再生的co2。如果考虑该另外的不可再生的CO2,则所述基于玉米的乙醇的表观可再生
特性降低。类似地,显然由玉米常规产生乙醇包括来自不可再生能量来源的大量输入。这降低来源于基于玉米的乙醇的能量的可再生特性。
[0018]在由生物源产生可再生产物的道路上仍然有多种障碍。解决的每个问题沿该道路提供另一步骤。针对与增加来源于藻类(或其它生物质)来源的燃料、润滑剂或其它产物的可再生特性有关的一个或多个问题,提供了解决方案。所述解决方案基于在增加的工艺集成下用于藻类生长和加工以提取产物的多种方法。所述增加的工艺集成可以包括增加在藻类加工期间使用的可再生输入的数量,改善在藻类加工期间产生的副产物的使用,将进料和/或工艺合并到基于另外形式的生物质的藻类加工中,或其组合。例如,在如此处所述的生物燃料生产工艺之中,集成能够提供如下的协同作用,其改善总体能量效率、降低从非生物(即,不可再生)来源排放CO2到大气中、改善能量输出与能量输入的比率和/或降低温室气体总生产量。
[0019]在本发明的特定方面,通过使用来源于生物源的试剂加工藻类或藻类产物来提供增强的工艺集成。在藻类生长期间,所述藻类将产生代表对于收获和分离所期望产物的一种或多种有机产物。通常,虽然由一些形式的藻类也可能生成更轻或更重的分子,但所述一种或多种所期望有机产物将基于馏出物沸程的分子。所期望有机产物分子可以适合直接使用,或者所期望产物分子可以经历另外的加工以制得燃料、润滑剂或其它产物。期望的产物分子的任何其它加工都可能产生具有较低沸点或较高沸点的产物。例如,来自一些类型的藻类的所期望产物为脂肪酸
(FA)或三酰基甘油酯(TAG)。可以通过组合脂肪酸与含有一个或多个醇基团的分子而将所述脂肪酸转化成较高沸点的脂肪酸烷基酯。类似地,可以使来自藻类来源的馏出物沸程的分子异构化或裂化以形成较低沸程的产物。
[0020]在从藻类样品提取所期望产物之后,残留生物质的一部分将被留下。该残留生物质通常将包括可发酵材料或潜在可发酵的材料。该残留生物质还可以含有如下的材料,其可以在需氧或厌氧消化中加工以形成例如甲烷或氢气的其它产物。可发酵材料的量可以根据提取所期望产物的条件而变化。在一些情况下,在所述残留生物质中(潜在)可发酵材料的量或重量%可能太低,以致于对于发酵工艺在经济上并不可行。[0021]当在所述残留生物质中存在足够的可发酵材料时,使所述残留生物质的至少一部分发酵可以产生一种或多种类型的含氧物质。可选地,可以使用其它类型的生物质来产生含氧物质。可以使用例如醇或有机酸的这些含氧物质来辅助所述藻类加工的各部分。使用所述含氧物质的实例包括用作从藻类中提取产物的试剂、用作将潜在可发酵的残留产物材料转化成可发酵材料的试剂或用作使馏出物沸程分子转化成另一形式的试剂。由可再生材料产生另外的试剂,增加了最终产物的总体可再生特性。
[0022]本发明的另一方面,提供降低合并到产物中的非生物CO2的量的解决方案。为了实现合乎需要的生长速率,除了大气CO2以外和/或代替大气CO2,常规藻类生长系统通常包括CO2来源。遗憾的是,该另外的CO2来源常来源于化石燃料的燃烧,例如来自发电站或炼油厂的排出的CO2料流。提供降低或消除藻类生长所需要的不可再生CO2的量、同时仍然维持合乎需要的藻类生长速率的方法。
[0023]降低非生物CO2的量还可以降低在藻类生长和加工期间产生的温室气体的总量。在藻类加工期间用于制得含氧物质的发酵工艺代表CO2的来源。如果允许来自发酵的CO2逸散,则其代表损失的CO2,该CO2再次进入环境,而没有贡献作为燃料的价值。捕集该CO2并使其再循环提供了降低藻类生长所需要的不可再生CO2的量的方法。在更大的规模上,可以使用来自其它生物质加工的co2。例如,藻类加工系统可以位于用于另一类型生物质的加工系统例如酿酒厂的附近。由来自共位的设备的发酵(或其它工艺)产生的CO2可以提供藻类生长所需要的一些或全部co2。这增加了来源于藻类生长和加工的产物的可再生特性。这也降低了来自共位的工艺的CO2排放。
[0024]例如,糖(来自任何来源)通过酵母菌向乙醇的转化取一分子的化学计量的
C6H12O6并将其转化成两个C2H5OH分子(乙醇)和两个CO2分子。这两个CO2分子通常损失到环境中。结果,由糖的最初生物源(例如,玉米淀粉或藻类生物质)固定的总碳的三分之一损失到环境中。不使该碳损失到环境中,本发明允许该碳再循环以用于藻类生长,最后转化成燃料或其它产物。这增加了藻类生长工艺的总碳效率,同时降低了温室气体的生产量。
[0025]交换CO2是如何可以集成产生可再生产物的多个工艺的一个实例。同样可以使用其它类型的工艺集成。一些工艺集成选项涉及将另外的非藻类生物质引入藻类加工系统中。其它工艺集成选项可以允许在工艺之间交换热、给料或试剂。
[0026]工艺集成的又另一潜在优势在于降低在藻类生长中肥料的使用。除了碳之外,藻类还需要氮、磷和多种痕量的矿物作为生长用营养素。来自藻类生长和加工的许多期望产物为不包含氮、磷或痕量金属的烃。因为氮、磷和痕量矿物并没有合并到产物中,所以这些潜在营养素可以在生长更多藻类的过程中再次使用。
[0027]工艺集成的再另一潜在优势在于通过在工艺之间集成热和/或机械能而改善能量使用。许多生物燃料工艺需要热来实施预处理。一个实例是通常在50°C至80°C下实施的淀粉和纤维素的酶水解。在未集成的设施中,用于维持加工温度的热通常由通过燃烧化石燃料来提供。然而该工艺需要的热可由通过使用来自藻类水
热加工的低水平废热来提供。也可以将类似类型的热交换用于在低于100°C的温度下进行的蒸馏。除了改善的热交换之外,为了产生热而进行的任何燃烧都可以由在残留藻类生物质厌氧消化期间产生的废气来提供动力。此类厌氧消化还提供CO2以便再循环到藻类生长阶段。任选地,在用于加工两种不同类型的生物质的系统之间也可以使用热交换。
[0028]本发明的另一方面,另外的工艺集成可以通过使用气化加工残留生物质和/或其它类型的生物质来实现。气化通常涉及将进料暴露于如下环境中的高温,其具有比完全燃烧进料所需要的O2少的02。这产生多种产物,包括NH3、CO2,CO和h2。通常还产生固体气化残留物。NH3和CO2可以作为用于藻类生长和/或其它类型生物质生长的营养素而分离出来。CO和H2可用作例如甲醇生产或费-托合成的多种工艺的进料。可选地,可以通过各种微生物将CO和H2直接发酵成乙醇或其它小含氧物质。甲醇可用作用于合成脂肪酸甲酯(FAME)的试剂并且也可以用于生产其它化学品或汽油。除了提供烷烃之外,费-托合成工艺还产生如下的水性副产物,其包括如下组分的混合物:含氧物质,例如醇,和含有I至3个碳原子的有机酸。在所述副产物中的含氧物质可以在藻类或其它生物质水热加工期间作为试剂使用。所述气化残留物可以经历另外的加工,例如酸洗,以允许回收在所述气化残留物中存在的磷、痕量金属和任何其它营养素。虽然需要高温来对生物质进行气化,但气化可以改善再循环在生物质输入中存在的大多数或所有材料的能力。这允许降低温室气体的产生以及降低藻类生长和