玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

1、目錄1. 簡(jiǎn)介 1.1 背景和動(dòng)機(jī)1.2 過(guò)程綜述1.3 技術(shù)方法分析1.4 關(guān)于第n個(gè)工廠的假設(shè)1.5 相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究的回顧1.6 關(guān)于NREL Aspen模型2. 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和慣例2.1 工廠規(guī)模2.2 原料組成2.3 設(shè)計(jì)報(bào)告慣例3. 過(guò)程設(shè)計(jì)及成本估算3.1 工段100：原料儲(chǔ)存和處理3.2 工段200：預(yù)處理及其條件3.3 工段300：酶水解和發(fā)酵3.4 工段400：纖維素酶的生產(chǎn)3.5 工段500：產(chǎn)品，固體和水回收3.6 工段600：廢水處理（WWT）3.7 工段700：產(chǎn)品和原料化學(xué)品的儲(chǔ)存3.8 工段800：燃燒室，鍋爐和渦輪發(fā)電機(jī)3.9 工段900：公用設(shè)施4. 過(guò)程的經(jīng)

2、濟(jì)性4.1 年成本指標(biāo)4.2 總資本投入4.3 可變運(yùn)營(yíng)成本4.4 固定運(yùn)營(yíng)成本4.5 現(xiàn)金流分析和乙醇的最低售賣價(jià)格5. 分析和討論5.1 碳和能量平衡5.2 水平衡5.3 糖消耗5.4 成本敏感性分析5.5 技術(shù)改進(jìn)聲明6. 結(jié)果語(yǔ)6.1 總結(jié)6.2 與2002年設(shè)計(jì)的不同6.3 展望未來(lái)1 簡(jiǎn)介1.1 背景及動(dòng)機(jī)美國(guó)能源部(DOE)的生物質(zhì)項(xiàng)目辦公室(OBP)贊助那些目的是提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的項(xiàng)目，大力提倡由木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇及其他液體燃料。這些項(xiàng)目包括開發(fā)出更好的纖維素酶和發(fā)酵微生物的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)，潛在過(guò)程的詳細(xì)工程學(xué)研究，以及中試和生產(chǎn)設(shè)施的構(gòu)建。這項(xiàng)研究由國(guó)家實(shí)驗(yàn)

3、室，大學(xué)以及私人的工程，建筑公司主導(dǎo)。作為這個(gè)項(xiàng)目的所包含的一部分，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)為了開發(fā)出一種基于過(guò)程和工廠設(shè)計(jì)假設(shè)得到的完全工業(yè)級(jí)別價(jià)格的酒精，研究了纖維素酒精生產(chǎn)的全過(guò)程設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性，這些假設(shè)是和工程學(xué)，結(jié)構(gòu)及操作上最合適的實(shí)例相聯(lián)系的。工業(yè)級(jí)別的價(jià)格是指酒精的最低售價(jià)或者叫MESP。MESP能被政策制定者和DOE用來(lái)評(píng)估纖維素乙醇與石油和淀粉或蔗糖來(lái)源的乙醇相比其的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力以及其市場(chǎng)滲入的潛力。在NREL的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果也可以通過(guò)檢查MESP處理備選方案和研究進(jìn)展的敏感性來(lái)幫助指導(dǎo)我們的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究。被提議的研究和它的預(yù)期結(jié)果可以被轉(zhuǎn)化為能和這個(gè)報(bào)告記錄的基準(zhǔn)

4、案例相當(dāng)?shù)男碌腗ESP。這些比較能幫助在NREL或其他地方的核心研究目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)影響，以及追蹤達(dá)到滿足競(jìng)爭(zhēng)性成本目標(biāo)的過(guò)程。這也允許DOE對(duì)要求減少M(fèi)ESP相關(guān)研究計(jì)劃作出更多明智決定。 這個(gè)報(bào)告建立在由NREL的工程師和Delta-T，Merrick工程，Reaction工程以及Harris集團(tuán)在1999年和2002年發(fā)行的報(bào)告。對(duì)于現(xiàn)在這個(gè)報(bào)告，NREL再次和Harris集團(tuán)訂立合同，由其對(duì)過(guò)程設(shè)計(jì)中設(shè)備和原材料成本的評(píng)估和審查提供工程支持。這次更新反應(yīng)了NREL對(duì)生物化學(xué)乙醇過(guò)程的最新預(yù)想，包括了在轉(zhuǎn)化領(lǐng)域（預(yù)處理，條件，酶解和發(fā)酵），產(chǎn)品的最大回收率以及我們對(duì)乙醇工廠后續(xù)處理（分離，廢水

5、和工具）的最新理解的近期的研究進(jìn)展。NREL和Harris集團(tuán)合作確定實(shí)際配置和關(guān)鍵設(shè)備的成本，特別是預(yù)處理反應(yīng)器系統(tǒng)。為了使酶成本比之前的設(shè)計(jì)報(bào)告假定的固定成本更加透明，這次更新包括了現(xiàn)場(chǎng)纖維素酶的部分。在設(shè)計(jì)中使用的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率是基于NREL和DOE決心于2012年末在一個(gè)完整的中試試驗(yàn)中確定的研究目標(biāo)。這些2012性能目標(biāo)在這個(gè)報(bào)告中被詳細(xì)討論。這個(gè)概念性過(guò)程的經(jīng)濟(jì)狀況使用了最有效的設(shè)備和原材料成本以及第n個(gè)工廠的項(xiàng)目成本結(jié)構(gòu)和融資。在這個(gè)報(bào)告中這個(gè)計(jì)劃的2012年第n個(gè)工程的MESP為每加侖2.15美元。對(duì)這里呈現(xiàn)的概念過(guò)程設(shè)計(jì)的改進(jìn)將會(huì)在NREL的科技報(bào)告陳述中有所反應(yīng)。那樣就確保

6、了過(guò)程設(shè)計(jì)和它的成本基準(zhǔn)是來(lái)源于NREL和其他DOE資助的研究以及一直更新的設(shè)備成本的最新數(shù)據(jù)。我們強(qiáng)調(diào)這個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告可以被描述為單一的，有效的纖維素乙醇轉(zhuǎn)化過(guò)程，簡(jiǎn)明的假設(shè)證明以及詳細(xì)的過(guò)程設(shè)計(jì)。這個(gè)報(bào)告并不是為了提供一個(gè)工程備選方案或者是成本敏感性分析的詳細(xì)的調(diào)查。這些在防粘紙中將會(huì)被研究的內(nèi)容擴(kuò)增和參照了目前的報(bào)告。此外，因這個(gè)報(bào)告而產(chǎn)生的過(guò)程模型和經(jīng)濟(jì)學(xué)工具對(duì)于公眾是可用的，NREL的生物化學(xué)平臺(tái)分析任務(wù)的作者和成員將會(huì)為那些想在自己的研究中使用這些的研究人員提供支持。1.2 過(guò)程概述這里所描述的過(guò)程使用平行的木質(zhì)纖維素物質(zhì)（玉米秸稈）稀酸前處理，之后是剩下的纖維素的酶水解（糖化），最后

7、是生成的葡萄糖和木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇。這個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)也包括原料的處理和儲(chǔ)存，產(chǎn)品的純化，廢水的處理，木質(zhì)素的燃燒，產(chǎn)品的儲(chǔ)存以及需要的設(shè)備。這個(gè)過(guò)程可以分為9個(gè)工段（圖-1）。l 工段 100：原料前處理。原料（這里是粉碎的玉米秸稈）被統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的原料輸送系統(tǒng)運(yùn)送到原料前處理區(qū)域。僅僅需要最小的倉(cāng)庫(kù)和低限度的原料處理。在這里，生物質(zhì)原料被送到前處理反應(yīng)器（工段 200）l 工段 200：預(yù)處理及其條件。這在個(gè)工段，生物質(zhì)原料在稀酸催化劑和高溫的條件下處理較短的時(shí)間后釋放半纖維糖類并破壞原料的結(jié)果，使酶易水解。然后向其中加入氨水使它的pH從1上升到酶水解所需要的5。l 工段300：酶水解和發(fā)酵。酶水解首先

8、在高固含量的連續(xù)發(fā)酵罐中使用現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好的纖維素酶進(jìn)行。部分水解后的漿液放入其他幾個(gè)平行生物反應(yīng)器中進(jìn)行下一批次反應(yīng)。在分批反應(yīng)器中水解完全后降溫，然后接入發(fā)酵微生物發(fā)酵單胞菌。酶水解和發(fā)酵5天后，大部分的纖維素和木糖被轉(zhuǎn)化為酒精。產(chǎn)生的液體部分被送到產(chǎn)品回收鏈（工段 500）。l 工段 400：纖維素酶的生產(chǎn)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)的酶生產(chǎn)被包含其中。已經(jīng)購(gòu)買的葡萄糖（玉米糖漿）作為酶生產(chǎn)的碳源。這個(gè)過(guò)程中包含部分葡萄糖被轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)纖維素生產(chǎn)的槐糖這一步。產(chǎn)酶菌類（類似于木霉菌）在補(bǔ)料分批反應(yīng)器中有氧培養(yǎng)。包含有分泌的酶的整個(gè)發(fā)酵培養(yǎng)液被放入工段 300進(jìn)行酶水解反應(yīng)。l 工段 500：產(chǎn)品回收。發(fā)

9、酵液通過(guò)蒸餾和固液分離產(chǎn)生乙醇，水和殘留的固體。乙醇和水的混合物被蒸餾到接近共沸點(diǎn)，然后通過(guò)氣相分子篩吸附得到99.5%的乙醇。蒸餾后得到的底部的固體物質(zhì)被送到燃燒室（工段800），而液體則被送到廢水處理站（工段600）.l 工段600：廢水處理。工廠的廢水通過(guò)厭氧和有氧的消化處理。厭氧消化處理產(chǎn)生的富含甲烷的沼氣被送到燃燒室，在那里消化處理產(chǎn)生的沉淀物也被燃燒。處理后的水因能夠循環(huán)使用被送回生產(chǎn)過(guò)程。l 工段700：儲(chǔ)存。這個(gè)工段為生產(chǎn)過(guò)程中使用和生產(chǎn)的化學(xué)品提供了很大的儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)，這些化學(xué)物質(zhì)包括玉米漿，氨水，硫酸，蛋白質(zhì)，水和酒精。l 工段800：燃燒室，鍋爐和渦輪式發(fā)電機(jī)：蒸餾及廢水處理

10、產(chǎn)生的固體物質(zhì)和厭氧消化處理產(chǎn)生的沼氣燃燒產(chǎn)生高壓蒸汽通過(guò)電力和熱。預(yù)處理反應(yīng)器和蒸餾塔使用了大部分的蒸汽。鍋爐產(chǎn)生的過(guò)量蒸汽被轉(zhuǎn)化為工廠需要的電力和賣給輸電網(wǎng)。l 工段900：設(shè)備。這個(gè)部分包含冷卻水系統(tǒng)，冷凍水系統(tǒng)，輸水管路和動(dòng)力系統(tǒng)。1.3 技術(shù)分析方法圖2描述了這里使用的模擬生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的工程學(xué)方法，包括過(guò)程設(shè)計(jì)，過(guò)程模擬和經(jīng)濟(jì)性分析。從如圖1所示的總生產(chǎn)流程圖(PFD) 和使用Aspen plus軟件模擬得到的更詳細(xì)的PFD開始，使這個(gè)概念生物煉制過(guò)程中每個(gè)單元操作進(jìn)行嚴(yán)格的物料和能量平衡模擬計(jì)算。物質(zhì)和能量平衡數(shù)據(jù)接下來(lái)被用于決定生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)量和尺寸。當(dāng)過(guò)程條件和流量改變時(shí)，設(shè)

11、備成本基線會(huì)根據(jù)使用標(biāo)度指數(shù)的Excel表格自動(dòng)調(diào)整。這些成本基線來(lái)自于供應(yīng)商或者Harris集團(tuán)的專利成本數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)報(bào)告的最終成本見附錄A。當(dāng)設(shè)備成本被決定后，直接或間接的日常消耗成本決定總的資本投入（TCI）。TCI，連同工廠的操作費(fèi)用（可由Aspen模擬得到）被用于現(xiàn)金回報(bào)率分析，去決定能夠盈利的乙醇工業(yè)級(jí)別價(jià)格。這個(gè)工業(yè)級(jí)別的價(jià)格也叫最低乙醇售價(jià)（MESP，/加侖），要求稅后10%的盈利率（IRR）。上面所分析描述的結(jié)果是對(duì)于一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程之前產(chǎn)品價(jià)格合理估計(jì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)模型。產(chǎn)生的MESP對(duì)于過(guò)程條件模擬的設(shè)置是獨(dú)一無(wú)二的，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是這些選擇的條件和對(duì)資本與原材料成本作出的估計(jì)

12、存在某種程度的不確定性。如果對(duì)于這背后所的根據(jù)沒(méi)有詳細(xì)的理解的話，純粹計(jì)算的MESP只有有限的相關(guān)性。而且MESP也能被用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的過(guò)程的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，最適用于和其他過(guò)程比較技術(shù)變更或者用于能指示哪些地方需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)或過(guò)程性能改進(jìn)的敏感性分析。1.4 關(guān)于第n個(gè)工廠的假設(shè)這里的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告使用的是上面提到過(guò)的第n個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)狀況。對(duì)于第n個(gè)工廠包含的主要假設(shè)是我們分析的工廠不是第一個(gè)開設(shè)的工廠，而是使用同一技術(shù)的幾個(gè)已經(jīng)建成并且運(yùn)行的工廠。換句話說(shuō)，它反映的是n個(gè)已經(jīng)被建立的工廠形成的成功工業(yè)的成熟未來(lái)。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)技術(shù)模型對(duì)于研究評(píng)價(jià)他們經(jīng)濟(jì)影響力競(jìng)爭(zhēng)力的完整方案和新的技術(shù)過(guò)程是一個(gè)很重要的

13、工具，我們感覺(jué)到忽視和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間，設(shè)施保險(xiǎn)設(shè)計(jì)以及那些和第一個(gè)工廠成立有關(guān)的其他成本是明智的，以免這些遮掩了轉(zhuǎn)化或者整個(gè)過(guò)程中研究進(jìn)展真實(shí)的經(jīng)濟(jì)影響力。至少，這些第n個(gè)工廠的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)該能為早期技術(shù)成立的工廠提供理由和支撐。在之前的設(shè)計(jì)報(bào)告中，2012年技術(shù)目標(biāo)-很多也應(yīng)用于2012年關(guān)鍵的研究目標(biāo)中，如木聚糖到木糖的90%轉(zhuǎn)化率，在2012年沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)證明。本次報(bào)告將會(huì)展示通過(guò)研究進(jìn)展，目前的轉(zhuǎn)化性能被用于2012年的目標(biāo)設(shè)定，2012年的性能目標(biāo)將不會(huì)再被認(rèn)為是推測(cè)的。在之前模型中的假設(shè)也被擴(kuò)充到酶成本和一些設(shè)備的成本，特別是那些當(dāng)時(shí)還沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用的設(shè)備（例如預(yù)處理反應(yīng)器），在

14、現(xiàn)在的設(shè)計(jì)報(bào)告中，酶和設(shè)備成本被認(rèn)為是定義明確的。在現(xiàn)在的模型中，第n個(gè)工廠剩下的假設(shè)主要是生產(chǎn)要素成本模型去決定從設(shè)備購(gòu)買到工廠財(cái)務(wù)的總資金投入。這個(gè)假設(shè)也適用于一些操作參數(shù)，如過(guò)程正常運(yùn)行時(shí)間的96%。這些假設(shè)被NREL和DOE同意，因?yàn)檫@次報(bào)告在出版時(shí)間反映了我們的最佳估計(jì)。但是，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是這些假設(shè)存在很多不確定性，還可以被進(jìn)一步修改。1.5 相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究的回顧Tao和Aden從文學(xué)中對(duì)現(xiàn)存的生物能源（玉米乙醇，蔗糖乙醇和傳統(tǒng)的大豆生物柴油）的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型做了一個(gè)調(diào)查。這些研究被標(biāo)準(zhǔn)化與年-美元和原料成本（在適用的時(shí)候）一致，并和已出版的市場(chǎng)調(diào)研相比較。這些比較（表1）表現(xiàn)了技術(shù)經(jīng)

15、濟(jì)分析在模型預(yù)計(jì)的精確度范圍內(nèi)能夠預(yù)測(cè)這些生物燃料生產(chǎn)的實(shí)際成本。表1中數(shù)量的一致并不意外，因?yàn)檫@些模型的開發(fā)者在需要的時(shí)候能夠?qū)⑺麄兊慕Y(jié)果和真正的經(jīng)濟(jì)相比較并且做出調(diào)整。（另外，對(duì)于這些特殊的燃料，原料占了生產(chǎn)成本的大部分，所以剩下的沒(méi)有原料的轉(zhuǎn)化成本的不確定性并不是那么明顯）。為如本次報(bào)告中描述的玉米秸稈轉(zhuǎn)化為乙醇的商業(yè)應(yīng)用前的技術(shù)開發(fā)技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型要求很多從頭開始的工作，這些源于在分析時(shí)對(duì)技術(shù)狀況的完整掌握以及很好的工程實(shí)踐。從2002年NREL最早的設(shè)計(jì)報(bào)告開始，一些生物化學(xué)纖維素乙醇生產(chǎn)的更新的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型也已經(jīng)出版。其中很多是基于NREL先前的設(shè)計(jì)報(bào)告，借鑒它的過(guò)程假設(shè)，成本信息或者

16、全部。事實(shí)上，這就是當(dāng)初NREL設(shè)計(jì)報(bào)告的重要目標(biāo)：建立一個(gè)能被公眾評(píng)價(jià)的過(guò)程選擇和改進(jìn)的基線。目前報(bào)告現(xiàn)在的目的是建立一個(gè)新的基點(diǎn)，從而可以使其前進(jìn)。表2展示了對(duì)生物化學(xué)纖維素乙醇的最近技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究的MESP的簡(jiǎn)單調(diào)查，可以看出這些研究沒(méi)有和成本-年一致標(biāo)準(zhǔn)化，但是這些研究都在在2008年到2010年間出版的，所以成本-年的差別應(yīng)該很小。很明顯，在這片紙中出版的MESP值變化很大。對(duì)于大部分而言，這是因?yàn)樵牧铣杀?，過(guò)程假設(shè)和副產(chǎn)品值的不同，整個(gè)研究中，這些值的變化很大。例如，通過(guò)Laser et al分析假定相對(duì)低的原材料成本和非常高的產(chǎn)值（表現(xiàn)力有前途的過(guò)程假設(shè)）以及改良的規(guī)模經(jīng)濟(jì)（如果

17、這樣高的進(jìn)料速率能夠維持），同時(shí)從如蛋白質(zhì)和氫氣等高價(jià)值的副產(chǎn)物中得到積極的收益。更進(jìn)一步，這次研究假定了一種統(tǒng)一的生物工藝（CBP）方法，這個(gè)方法雖然不能像單獨(dú)的糖化和發(fā)酵一樣發(fā)展，但是能夠通過(guò)減少酶成本來(lái)提升過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。相反的是對(duì)較高的原料成本同時(shí)非常低的乙醇產(chǎn)量導(dǎo)致的高的MESP的研究。與年的設(shè)計(jì)報(bào)告相比，Klein-Marcuschamer的研究呈現(xiàn)了糖化和發(fā)酵較長(zhǎng)的分批培養(yǎng)時(shí)間（需要較高的資金成本），較高的酶成本以及原料中較低的碳水化合物成分（低產(chǎn)量）。為了進(jìn)一步確定這些假設(shè)的影響性，我們轉(zhuǎn)向了Kazi等的研究，這些是愛(ài)荷華州立大學(xué)，康菲石油公司和NREL共同努力的結(jié)果。 而本報(bào)告

18、檢查了不同的前處理和下游過(guò)程，它們的基線本質(zhì)上都是NREL的2008 SOT模型（稀酸前處理，購(gòu)買纖維素酶和C5/C6同步發(fā)酵）。Kazi等人的研究將2008 SOT模型中的幾個(gè)關(guān)鍵因素調(diào)整以整合外部公開的數(shù)據(jù)。原料成本，酶成本，直接的資金投入以及反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)來(lái)進(jìn)行NREL的分析。 1.6關(guān)于NREL Aspen模型 得到這個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告的最終Aspen模型版本被命名為DW1102A；公眾可以使用這個(gè)版本以及這個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告。我們聲明這點(diǎn)即因?yàn)锳spen版本和補(bǔ)丁的不同而得到的結(jié)果細(xì)微的差別是很正常的。這個(gè)所展現(xiàn)的結(jié)果是在DW1102A模型，Aspen Plus V7.2,補(bǔ)丁0得到的

19、。 即使Aspen運(yùn)算非常嚴(yán)格，但是在我們的模擬中這樣的細(xì)節(jié)并不能總是被保證。一些單元操作，特別是固液分離是使用通過(guò)管道測(cè)試的固定性能而被模型化的。生物反應(yīng)器使用實(shí)驗(yàn)中特殊反應(yīng)轉(zhuǎn)化（例如纖維素到葡萄糖）的結(jié)果而不是使用嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)公式被模型化的。這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)計(jì)量模型依然滿足物質(zhì)和能量平衡。 Aspen Plus模擬中使用軟件自帶的組分的物性參數(shù)以及在NREL或者文學(xué)中得到的參數(shù)。自從2002模型被設(shè)計(jì)出來(lái)，我們采取措施減少自定義組分消除外部物性數(shù)據(jù)庫(kù)。組分和物性的討論見附錄D。2. 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和慣例2.1 工廠的規(guī)模目前工廠的規(guī)模和2002年設(shè)計(jì)的一樣：干物料2202美制噸/天（2000公噸

20、/天），對(duì)于每年的8410小時(shí)的操作時(shí)間（正常運(yùn)行時(shí)間的96%）的預(yù)期，每年的原料要求是干燥的美制噸/年。2002年的研究假設(shè)乙醇工廠每年將會(huì)負(fù)責(zé)收集和儲(chǔ)存玉米秸稈。在50公里的玉米秸稈收集半徑內(nèi)的干燥的2205噸/天，半徑內(nèi)的10%的生物質(zhì)可以被工廠利用。 在現(xiàn)在的這個(gè)設(shè)計(jì)中，原料從周圍的衛(wèi)星儲(chǔ)藏室被運(yùn)送到工廠，然后被如愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）所描述的統(tǒng)一格式的處理設(shè)施進(jìn)行處理。這設(shè)施被設(shè)計(jì)為能每年提供干生物質(zhì)美制噸；這足以供應(yīng)這里描述的或并聯(lián)的小型工廠中的一個(gè)。我們這里沒(méi)有重復(fù)2002年報(bào)告中的工廠尺寸的敏感性研究，就是說(shuō)只要經(jīng)濟(jì)規(guī)模能超過(guò)每天2205噸，成本就會(huì)適度的減少。雖然這里的絕

21、對(duì)MESP不同了，但是我們希望2002年報(bào)告中描述的工廠規(guī)模仍然是可行的。2.2 原料組成 原料類型和組成對(duì)整個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。原料類型可能會(huì)影響在轉(zhuǎn)化過(guò)程（如前處理反應(yīng)）中關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)。從潛在的糖成分來(lái)說(shuō)，原料組分會(huì)明顯影響乙醇的產(chǎn)量。在這個(gè)分析中原料是玉米秸稈。玉米秸稈一般認(rèn)為是玉米植株的殘余部分，也就說(shuō)是除去玉米粒后剩下的地上部分：葉子，莖稈，外皮，玉米芯等。NREL的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化研究主要集中在玉米秸稈，因?yàn)樗敲绹?guó)最多的農(nóng)業(yè)殘余并且很容易得到。但是一些專用能源作物像軟枝草在最后可能能持續(xù)利用并且產(chǎn)量上比玉米秸稈等農(nóng)業(yè)殘余有優(yōu)勢(shì)，這些作物目前不能滿足中試研究中的大量需求。

22、 玉米秸稈的組分和水含量會(huì)因?yàn)橛衩追N類，地域，天氣，土壤類型，施肥措施，收獲和儲(chǔ)存方法，儲(chǔ)存時(shí)間等的不同而不同。一份最近NREL的研究評(píng)估中使用快速組成方法即近紅外光譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模（NIR/PLS）對(duì)很多雜交玉米種類進(jìn)行組分分析。這些研究評(píng)估了在8個(gè)玉米主產(chǎn)區(qū)47個(gè)地點(diǎn)2001年，2002年和2003年收獲的508個(gè)玉米秸稈樣品的組分。在這項(xiàng)研究中，玉米秸稈的葡聚糖，木聚糖，可溶物和除去蛋白質(zhì)的木質(zhì)素的平均含量（干重WT%）為32%，19%，18%和13%。這些組成的組分以及每種組分的變化特點(diǎn)見表3。圖4是樣品中總糖水化合物的分布圖。表4比較了2002年設(shè)計(jì)中使用的組成和現(xiàn)在設(shè)計(jì)使用的組成。在

23、2002年設(shè)計(jì)中使用的組成是基于兩批次中的9個(gè)樣品的平均值。和表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，它的葡聚糖，木聚糖和木質(zhì)素含量都要比現(xiàn)在研究中個(gè)組分的平均值要高（早期玉米秸稈在農(nóng)田和實(shí)驗(yàn)室中處理的非常仔細(xì)，而最近的研究是收割后直接從農(nóng)田中收集）?，F(xiàn)在的研究中組分的選擇是基于總體分布中得到單個(gè)樣品。如表4中表現(xiàn)的那樣，這些組分和最近研究中的糖水化合物內(nèi)部分布非常吻合，這樣就提供了一個(gè)更加負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?；谟蒊NL得到的原料運(yùn)輸特征表和OBP年度項(xiàng)目計(jì)劃（MYPP），玉米秸稈中的含水量也更新到20%。 當(dāng)分析的組分想Aspen模型使用的組分轉(zhuǎn)化時(shí)，組分分析中溶于水和乙醇的部分歸于提取物。提取物成分被認(rèn)為是有

24、機(jī)物，使用分子式CH2O表示，主要包括糖類，糖醇和有機(jī)酸類。秸稈中提取物的含量依賴于收獲時(shí)間，部分因?yàn)槭斋@了材料的為生物降解；在給定樣品中提取物的含量可以表示它收獲的時(shí)間。另外，總物質(zhì)含量不是100%，提取物的含量就用來(lái)消除這種差異（在2002年的設(shè)計(jì)中，unknown component不明可溶物起到這種作用）。蔗糖也是一種提取物成分，但是在這個(gè)設(shè)計(jì)中它在實(shí)驗(yàn)室里單獨(dú)測(cè)定并且被加入到原料組成中。這樣它就被從提取物組分中排除。蔗糖在秸稈中的總量高低依賴于收獲和處理的方法。在預(yù)處理中，蔗糖被這算為葡萄糖和果糖。在預(yù)處理中，果糖進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成降解產(chǎn)物，而葡萄糖則會(huì)抑制降解。因此發(fā)酵過(guò)程中可以利用。

25、 在2002年設(shè)計(jì)和目前設(shè)計(jì)在組成上的不同有顯著的經(jīng)濟(jì)性影響。因?yàn)樵现心揪厶牵ɡw維素）越低，目前的設(shè)計(jì)每噸原料乙醇的產(chǎn)量就越低?？傮w上說(shuō)，總的碳水化合物（木聚糖和半纖維素）的含量比2002年的要低5%，相反地，在目前的設(shè)計(jì)中，原料中有更多的非碳水化合物有機(jī)物成分。這些物質(zhì)最后變成殘留物而被燃燒來(lái)提供熱和電。過(guò)程中每噸原料產(chǎn)生電力的數(shù)量比2002年設(shè)計(jì)的要高（由于目前設(shè)計(jì)中需要更多的內(nèi)部電耗，輸出的電能會(huì)較少）。2.3 設(shè)計(jì)報(bào)告慣例2.3.1 單位 依據(jù)習(xí)慣，我們開發(fā)的Aspen模型使用了Aspen對(duì)于指定組分物性的單位要求，即對(duì)于物質(zhì)使用Kg，Kmol，atm和，能量使用MMKcal(Gca

26、l)。在這個(gè)報(bào)告中，由Aspen模型得到的結(jié)果將使用這些單位發(fā)表。Harris集團(tuán)使用美制單位（1b，Btu,，gal等）與設(shè)備供應(yīng)商交流。這樣，設(shè)備的規(guī)格將使用這些美制單位。在這份報(bào)告中，我們努力使用兩種單位而避免討論的分散。 值得注意的是，在目前的報(bào)告中，一些定量（如產(chǎn)量和成本）使用“噸”進(jìn)行計(jì)算和報(bào)道。為了避免歧義，公噸表示公制的噸（1000Kg），而噸表示美制噸（2，000Ib）。一般的，這些文件的標(biāo)準(zhǔn)是美制噸。噸也在3.9的制冷部分出現(xiàn)，但是這里的使用應(yīng)該討論清楚。2.3.2 總固形物含量 這個(gè)過(guò)程描述了固體原料（玉米秸稈）向液態(tài)產(chǎn)品（乙醇）的轉(zhuǎn)化。在這個(gè)過(guò)程中，很多物流都有固體部分

27、和液體部分。在一個(gè)給定的物流中固體的相對(duì)含量稱為固含量?？偣毯勘欢x為在給定物流中可溶性固體（如糖類和鹽類）和不溶性固體（如纖維素和木質(zhì)素）質(zhì)量的百分比?？偣毯亢筒蝗苄怨腆w含量將會(huì)一起被報(bào)告。應(yīng)該注意的是，在我們的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，硫酸，醋酸和氨水并不被認(rèn)為是可溶性固體，但是乙酸銨和硫酸銨是可溶性固體。這樣，在一些單元操作如如水解物調(diào)節(jié)，中總固含量并不是一個(gè)守恒的值。2.3.3 乙醇濃度 這項(xiàng)分析中最重要的結(jié)果即產(chǎn)生乙醇的體積使用：$/gal，gal/yr，gal/ton等。為了避免使用Aspen Plus中的乙醇密度計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤，這里使用可接受的20（68）無(wú)水乙醇密度：0.789Kg/L。2

28、.3.4 理論產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率 這個(gè)報(bào)告中使用 “產(chǎn)率”和“轉(zhuǎn)化率”來(lái)描述各種化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)程度。應(yīng)該這樣理解：這些數(shù)值是理論值的百分比。例如，“95%葡萄糖到乙醇的轉(zhuǎn)化率”的意思是系統(tǒng)中95%的葡萄糖參加了下面的反應(yīng)：葡萄糖2乙醇+2CO2，而理論產(chǎn)率是每g葡萄糖產(chǎn)生0.51g乙醇。3 過(guò)程設(shè)計(jì)及成本估算這里所描述的設(shè)計(jì)過(guò)程是基于示范和計(jì)劃性能，這是DOE的核心R&D在生物化學(xué)轉(zhuǎn)化方面的努力得到的。這部分描述了過(guò)程中的細(xì)節(jié)，討論了R&D目的對(duì)決策過(guò)程的影響。3.1 工段100原料儲(chǔ)存和處理3.1.1 概述工段100是處理運(yùn)進(jìn)來(lái)的生物質(zhì)原料。玉米秸稈的打包運(yùn)輸，庭院儲(chǔ)存，然后磨碎，清洗與200

29、2年設(shè)計(jì)不同，目前設(shè)計(jì)的假設(shè)是玉米秸稈的運(yùn)輸是使用INL設(shè)計(jì)報(bào)告中統(tǒng)一規(guī)格的原料供應(yīng)系統(tǒng)。在這個(gè)概念設(shè)計(jì)中，生物質(zhì)儲(chǔ)存在一個(gè)中心倉(cāng)庫(kù)，在運(yùn)輸之前進(jìn)行前處理并粉碎到一定程度，這樣生物煉制通過(guò)包括粒徑分布器，濕含量測(cè)定和密度測(cè)定的在內(nèi)統(tǒng)一規(guī)格的設(shè)備得到所需的原料。Harris根據(jù)INL的設(shè)計(jì)報(bào)告和自己的設(shè)備經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了工段100的接收和處理系統(tǒng)。工段100的設(shè)備位于乙醇工廠內(nèi)，由稱重、卸貨，生物質(zhì)供應(yīng)卡車，短期儲(chǔ)存，傳送帶，短期倉(cāng)庫(kù)和使原料進(jìn)入預(yù)處理反應(yīng)器的輸送帶組成。圖5是這個(gè)工段的簡(jiǎn)單過(guò)程流程圖，詳見附錄E的PFD-P120-A101。3.1.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 在統(tǒng)一規(guī)格的原料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，原料存

30、儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中，每周6天將其用卡車或者鐵軌運(yùn)輸?shù)缴餆捴频攸c(diǎn)。在每個(gè)倉(cāng)庫(kù)中，原材料將會(huì)被粉碎到0.16-0.23英寸（含有較多粉末），這樣可以達(dá)到平均體積密度為9-11lb/ft3，使拖車實(shí)現(xiàn)了最大的物料裝載量。送入的物料在進(jìn)行生物煉制時(shí)其含水量假設(shè)為20%；這是考慮農(nóng)田干燥后含水量小于15%和收割后干燥物料含水量大于20%后的典型代表。由于前處理操作過(guò)程中丟失很少的干物料并且不包括對(duì)物料的水洗，所以假設(shè)2.2部分對(duì)玉米秸稈組分的討論對(duì)于被運(yùn)輸?shù)奈锪鲜强尚械摹Ｎ覀円沧⒁獾綄?shí)際尺寸小于0.25英寸和NREL預(yù)處理研究中使用的物料是相一致的。對(duì)于一個(gè)工廠含水分的玉米秸稈需求為每天2756美制噸（Kg/

31、h；Ib/h）。在工程設(shè)計(jì)中，生物煉制接受操作時(shí)間為與生物質(zhì)倉(cāng)庫(kù)的時(shí)間一致：每天24h，一周六天。每輛卡車運(yùn)輸10美制噸生物質(zhì)。為了滿足生產(chǎn)和儲(chǔ)存需要，工廠每小時(shí)必須接收12輛卡車。進(jìn)入的卡車在電子秤（M-101）上稱重，然后在7-10分鐘內(nèi)自動(dòng)卸貨（M-102）。自卸車將物料倒入專用的漏斗中（M-103），將生物質(zhì)傳送到一系列傳送帶上（C-101 C102 c-103），這些傳送帶將物料從自動(dòng)卸貨車中送入到短期儲(chǔ)藏室中。最小的接收速度是244ton/h,以維持每小時(shí)114噸的連續(xù)過(guò)程。因?yàn)榭ㄜ嚥⒉荒苓B續(xù)卸貨，所以在必須多余的量使得運(yùn)輸帶能夠?qū)⑽锪蠌目ㄜ囁偷絺}(cāng)庫(kù)（推薦是330-440 噸每小時(shí)

32、）。為了每小時(shí)處理244噸，假設(shè)一個(gè)相對(duì)恒定的卡車物流，一對(duì)天枰（一個(gè)進(jìn)站一個(gè)出站），兩個(gè)卸貨機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存最少保存72小時(shí)從而允許一個(gè)星期的緩存。因?yàn)橐紤]煙火，動(dòng)物的啃噬以及潮解，露天的儲(chǔ)存是不合適的。相反，原料應(yīng)該被集中儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)中。需要兩個(gè)倉(cāng)庫(kù)（每個(gè)有36小時(shí)的容量）從而在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中可以一個(gè)裝物料一個(gè)空著。運(yùn)輸帶（C-106，C-107，C-108）連接倉(cāng)庫(kù)和工段200預(yù)處理器上面的原料接收箱。傳送帶上面有一個(gè)除塵系統(tǒng)（M-106），在運(yùn)輸過(guò)程中除去倉(cāng)庫(kù)中的灰塵。在工段100沒(méi)有干物料的損失。和2002年的設(shè)計(jì)相比較，原料沒(méi)有水洗，這樣消除了這個(gè)工段中水蒸氣的損失。一些現(xiàn)象表明原料水洗

33、仍然被期望來(lái)減少如玉米秸稈施肥后得到原料上面的無(wú)機(jī)物，這方面在將來(lái)會(huì)再進(jìn)行討論。3.1.3 成本估算 這個(gè)報(bào)告中原料成本是每噸干物料58.5美元。這個(gè)成本來(lái)自于生物質(zhì)工程的DOE辦公室出版的MYPP。總成本每噸58.5美元包括生長(zhǎng)成本（MYPP的表B-1）每噸23.5美元和所有的收集，處理，儲(chǔ)存和田里到預(yù)處理反應(yīng)器的接受器的運(yùn)輸成本（見MYPP表B-2）.應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是這些成本是包括ASPEN模型的轉(zhuǎn)化性能的2012年研究的目標(biāo)。Harris公司對(duì)卡車自動(dòng)卸貨裝置，儲(chǔ)存器，運(yùn)輸帶和灰塵收集器等做了商品報(bào)價(jià)和其他估算。雖然Harris公司組裝的最終設(shè)備列表和INL的設(shè)計(jì)報(bào)告不能完全匹配，工段100

34、的資金和操作成本被含在MYPP原料成本里，而不是總投資成本的計(jì)算里（TCL），因此它們并不影響MESP。車稱由St. Louis Scale報(bào)價(jià)，自動(dòng)卸貨車和漏斗由Jeffrey Rader報(bào)價(jià)。每個(gè)有4400噸容量的儲(chǔ)料倉(cāng)有Domtec報(bào)價(jià)。內(nèi)部的回收系統(tǒng)有Cambelt報(bào)價(jià)。所有相關(guān)的運(yùn)輸帶有Dearborn Midwest Conveyor Co報(bào)價(jià).Sly,Inc提供在除塵系統(tǒng)中所有部件的報(bào)價(jià)。生物質(zhì)離開儲(chǔ)存?zhèn)}的皮帶秤由Tecweigh報(bào)價(jià)。.3.2 工段200預(yù)處理和調(diào)節(jié)3.2.1 概述在預(yù)處理的過(guò)程中，通過(guò)水解反應(yīng)將原料中大部分半纖維素轉(zhuǎn)化為可溶性糖類(如木糖，甘露糖，阿拉伯糖和葡

35、萄糖)。半纖維素中乙?；鶊F(tuán)被水解為乙酸。在預(yù)處理反應(yīng)器中，由于細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)被酶水解，生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)被破壞，使得一些木質(zhì)素變成可溶性糖，減少了纖維素的結(jié)晶度和其鏈的長(zhǎng)度。這些改變的性質(zhì)和程度取決于預(yù)處理反應(yīng)的強(qiáng)度（保留時(shí)間，溫度和催化劑的量）。預(yù)處理過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生糠醛，5羥甲基糠醛等的副產(chǎn)物。這些成分達(dá)到一定濃度會(huì)對(duì)發(fā)酵微生物產(chǎn)生不利影響。目前的設(shè)計(jì)中，水解反應(yīng)使用稀硫酸催化，蒸汽加熱。在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中，預(yù)處理分為兩步，和以前的設(shè)計(jì)相比反應(yīng)相對(duì)溫和。這個(gè)相對(duì)溫和的預(yù)處理容易產(chǎn)生可溶性的木糖低聚物。相對(duì)溫和的預(yù)處理有利于可溶性木糖低聚物的產(chǎn)生。劇烈的預(yù)處理反應(yīng)往往產(chǎn)生更多的木糖單糖，但是如果反應(yīng)條件控

36、制的不好的話就有形成大量的降解產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)處理反應(yīng)的第一階段是在水平的螺旋進(jìn)料反應(yīng)器中保留較短的時(shí)間（5-10分鐘）。第二階段是一個(gè)低溫長(zhǎng)時(shí)的低聚物轉(zhuǎn)化步驟，這里，第一步中產(chǎn)生的絕大部分的木糖低聚物被轉(zhuǎn)化為木糖單體而不會(huì)產(chǎn)生很多附加降解產(chǎn)物。預(yù)處理結(jié)束后，水解液被閃蒸冷卻，蒸發(fā)掉大量的水以及一些乙酸和糠醛。閃蒸蒸汽被濃縮并被送到廢水處理工段。水解液被稀釋水冷卻然后被送到調(diào)節(jié)反應(yīng)器，在這里使用氨水將其pH從1調(diào)節(jié)到5-6。圖6是預(yù)處理工段的簡(jiǎn)單流程圖。在之前的設(shè)計(jì)中，預(yù)處理后的生物質(zhì)被分為水洗后的固體和液體部分，在液體部分上面撒石灰將其pH由1增加到10左右，然后通過(guò)加硫酸使其pH在5左右。石

37、灰和硫酸沉淀后成為石膏，之后這部分被送到另外的固液分離步驟中。在酶水解之前，處理后的液體和纖維素固體再次制成懸浮液。堿處理過(guò)程，液體中大量的糖（多達(dá)13%）在高pH環(huán)境條件的副反應(yīng)中或者和濕石膏一起壓濾損失掉。目前的設(shè)計(jì)中使用氨水代替石灰以避免這些糖的損失。氨的高溶解性可以同時(shí)調(diào)節(jié)整個(gè)懸浮液，并省去了固液分離的步驟。發(fā)酵研究表明使用氨水在高PH過(guò)量調(diào)節(jié)沒(méi)有益處，所以水解液一步調(diào)成酶水解所需的PH。但是氨水比石灰價(jià)格更高，減少糖損失和投資成本的經(jīng)濟(jì)利益使得更加經(jīng)濟(jì)可行。也有可能是氨水能夠減少發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氮源的需求，但是這個(gè)目前沒(méi)有被驗(yàn)證。3.2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)預(yù)處理反應(yīng)系統(tǒng)包括原料接收系統(tǒng)，然后是

38、長(zhǎng)保留時(shí)間的蒸汽加熱和可能需要預(yù)浸生物質(zhì)的酸液的垂直容器，然后是高壓短時(shí)操作的水平預(yù)處理反應(yīng)器。PFD-P120-A201（附錄E）詳細(xì)敘述了個(gè)部分，PFD-P120-A202是低聚物的轉(zhuǎn)化和調(diào)節(jié)裝置。選擇水平的反應(yīng)器裝置是因?yàn)楹痛怪狈磻?yīng)器相比，它允許更嚴(yán)格的保留時(shí)間控制。這對(duì)單步驟，高強(qiáng)度的預(yù)處理以最小化生物質(zhì)的過(guò)渡處理和處理不完全來(lái)說(shuō)很重要，這兩種情況都會(huì)降低總產(chǎn)量。經(jīng)研磨的玉米秸稈被送到預(yù)處理反應(yīng)器入口處的接收箱（M-201）。接收箱是一個(gè)帶底的矩形輸送機(jī)，它可以箱內(nèi)的原料進(jìn)入滾筒（帶徑向針的刮片能將物料平鋪在輸送帶上面）。在接收箱的底部安裝了耙子能將進(jìn)入的物料推到箱子的底部，確保原料的

39、先入先出。當(dāng)接收箱卸下物料時(shí)，傳遞輸送帶將物料送至分布螺旋輸送機(jī)（C-202），它提供比每個(gè)接收箱需求多一些（大概10%）的原料。稍過(guò)量的物料可以控制物料的流速。這樣也確保了螺旋送料機(jī)維持最大容量。多余的物料通過(guò)一系列的螺旋輸送帶被送回儲(chǔ)存?zhèn)}（C-203）。每個(gè)滾筒給料器將原料送至螺旋給料器（M-203）。26英寸螺旋送料機(jī)是一個(gè)粗糙的，高度螺旋的裝置，它通過(guò)軸向壓力使物料形成一個(gè)壓緊的plug。在每個(gè)螺旋送料機(jī)中，擠壓可能會(huì)榨出水和一些水溶物。這個(gè)“pressate”可以用來(lái)分離和濃縮廢液，但是在目前的模型中，pressate和反應(yīng)器出口的水解液組合使用。稀硫酸從螺旋送料機(jī)的軸處注入。從螺旋

40、送料機(jī)出來(lái)的物料進(jìn)入一個(gè)混合加熱的螺旋機(jī)中（C-204）。加熱的螺旋機(jī)將物料送入預(yù)處理反應(yīng)器的頂部（M-204）。熱水從這里加入來(lái)控制含水量為30wt%的總固體含量。垂直的生物預(yù)熱presteamer反應(yīng)器被設(shè)計(jì)在165保留10分鐘，雖然在目前的模型中操作溫度僅僅為100，這樣在presteamer過(guò)程中水解反應(yīng)不會(huì)發(fā)生。每天2205噸的生產(chǎn)量和10分鐘的保留時(shí)間，一個(gè)垂直的vessel就已經(jīng)足夠。原料在同一溫度通過(guò)立式反應(yīng)器向下流。反應(yīng)器通過(guò)一個(gè)雙螺桿出口裝置將原料送入雙螺旋送料機(jī)。螺旋送料機(jī)將原料送入預(yù)處理反應(yīng)器，并且控制其與presteamer之間的溫度和壓力差異。預(yù)處理需要的酸液在螺旋

41、送料機(jī)discharge加入。輸送帶將（C-206，C-207）所有螺旋送料機(jī)連出來(lái)的原料結(jié)合在一起，并將其送至預(yù)處理反應(yīng)器中（M-207）。預(yù)處理反應(yīng)器是一個(gè)單獨(dú)的水平反應(yīng)容器。這個(gè)反應(yīng)器能適用相對(duì)劇烈的條件高達(dá)190和大概質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%的硫酸。在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中，反應(yīng)條件是相對(duì)溫和的158，每g干物料18mg酸。酸液加入是和原料的質(zhì)量流量成比例的。高壓的蒸汽被注入這個(gè)容器來(lái)保持溫度。反應(yīng)器的壓力正好保持在混合物的泡點(diǎn)。能量平衡計(jì)算中，反應(yīng)器熱量的損失沒(méi)有被計(jì)算在能量平衡中。在預(yù)處理反應(yīng)器中物料的保留時(shí)間通常是5分鐘。反應(yīng)條件見表5。預(yù)處理后的物料進(jìn)入閃蒸罐中（T-203）。閃蒸的壓力控制使

42、溫度保持在130。由T-203得到的懸浮液進(jìn)入二級(jí)低聚物轉(zhuǎn)化反應(yīng)容器（T-208），在這里130保持20-30分鐘。在低聚物轉(zhuǎn)化步驟中，額外的4.1mg/g的硫酸被加入。使得總酸含量為每g干物料22.1mg稀酸(注意：在ASPEN模型中，所有的酸被一次性的加入預(yù)處理反應(yīng)器模塊)。低聚物轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的物料卸入另外一個(gè)常壓閃蒸罐。這次閃蒸后，含有30wt%的總固形物，16.6%不溶性固體的水解液被送到調(diào)節(jié)罐中（T-209。在這里，水解液用水稀釋到固含量稍高于20%，確保酶水解所需的溶解性。氨氣混于水中將水解液的PH提高到5。在T-209中的保留時(shí)間為30分鐘，然后稀釋冷卻到75。從T-203得到的

43、蒸汽被用來(lái)預(yù)熱H-812中的鍋爐給水，或者是和T-204中的蒸汽結(jié)合，T-204的蒸汽在H-201和H-244被冷凝。這些冷凝物中含有預(yù)處理反應(yīng)中產(chǎn)生的具有揮發(fā)性的，潛在的有機(jī)抑制物，然后進(jìn)入廢水處理（工段600）。表6總結(jié)了預(yù)處理過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)和現(xiàn)在的轉(zhuǎn)化率。半纖維素側(cè)鏈上的葡聚糖以及小部分的纖維素被轉(zhuǎn)化為葡萄糖。假設(shè)更少的半纖維素碳水化合物（阿拉伯聚糖，甘露聚糖，半乳聚糖）與木聚糖有相同的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化率。假設(shè)木聚糖到木糖的轉(zhuǎn)化是全部水解，包括后面要討論的酶解部分。蔗糖反應(yīng)產(chǎn)生HMF和葡萄糖，這意味著100%的蔗糖被轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖，隨后果糖完全降解成HMF，和2.2部分中提到的那樣。3.

44、2.3 成本估算關(guān)于預(yù)處理反應(yīng)系統(tǒng)，Harris公司從Andritz有限公司得到了一個(gè)詳細(xì)的報(bào)價(jià)，整個(gè)系統(tǒng)大概2千萬(wàn)美元$20MM：原料接收箱，額外的尺寸減少（如果需要的話），pre-steaming蒸汽，高壓熱，反應(yīng)以及閃蒸冷凝。圖7是Andritz公司提供的反應(yīng)器原理圖。這個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)原理上和2002年設(shè)計(jì)的預(yù)處理反應(yīng)器基本相同。這個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)是碳鋼結(jié)構(gòu)，所有接觸酸液的部分都用合金825包裹。這得到了Andritz的贊同，但是更重要的是這和2002年的設(shè)計(jì)以及先前NREL關(guān)于反應(yīng)器腐蝕的研究反應(yīng)堆金屬學(xué)相一致。實(shí)際上對(duì)于這里考慮的預(yù)處理過(guò)程的條件來(lái)說(shuō)，這個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)超保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，可以處

45、理更劇烈的反應(yīng)。在目前的設(shè)計(jì)中，預(yù)處理系統(tǒng)提供了MESP每加侖0.14美元的成本。我們不打算通過(guò)調(diào)整反應(yīng)器的成本來(lái)解釋較低的保留時(shí)間，溫度，壓力或者酸含量。我們的分析中允許利用同一個(gè)反應(yīng)器成本因?yàn)檠芯空咴谒麄冏顑?yōu)化研究中改變預(yù)處理強(qiáng)度。不管用何種濃度的酸，我們認(rèn)為反應(yīng)器成本不會(huì)出現(xiàn)很大變化，因?yàn)槿匀恍枰辖饘印Ｈ绻A(yù)處理?xiàng)l件改變較大的話反應(yīng)器成本將會(huì)再次研究。其他設(shè)備的成本，如泵，攪拌器，容器，輸送帶和熱交換器使用Harris公司內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。盛放硫酸（T-201）的容器是塑料的，其他的設(shè)備是不銹鋼的大部分316SS在100以下，具有一定的酸抵抗力。3.2.4 設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)表7是在預(yù)處理

46、工段中2008年-2010年小規(guī)模實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果以及2012年轉(zhuǎn)化率的目標(biāo)（這些在Aspen模型中使用）。在預(yù)處理中，2012年的目標(biāo)是90%的木聚糖到木糖轉(zhuǎn)化率和5%產(chǎn)品的降解損失。2012年增加的一個(gè)目標(biāo)是移去整個(gè)水解液調(diào)節(jié)過(guò)程，這樣就省去了在預(yù)處理工段中固液分離這一步。在NREL預(yù)處理的研究中，2007年在實(shí)驗(yàn)室得到了稀酸預(yù)處理木聚糖到木糖轉(zhuǎn)化率的較大提高，經(jīng)常達(dá)到75%或更高的轉(zhuǎn)化率。在2008年將這些成果在連續(xù)中試水平上實(shí)現(xiàn)充滿了挑戰(zhàn)性。連續(xù)預(yù)處理比批氏預(yù)處理更困難，因?yàn)樘幚項(xiàng)l件（特別是保留時(shí)間）不好控制。在NREL的每天200kg連續(xù)水平預(yù)處理反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)表明：盡管整體轉(zhuǎn)化成木糖或

47、低聚木糖的轉(zhuǎn)化率在75%，但是由于反應(yīng)器的構(gòu)造木聚糖到木糖的轉(zhuǎn)化率限制到了60%。因此增加了條件溫和的二級(jí)低聚物轉(zhuǎn)化步驟將低聚糖轉(zhuǎn)化為單體木糖，不產(chǎn)生額外的副產(chǎn)物，以滿足2008年木糖轉(zhuǎn)化率75%的目標(biāo) 。在2009年，臥式水平反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被改進(jìn)以減少物料的保留時(shí)間。兩步操作條件的優(yōu)化符合2009年木聚糖到木糖轉(zhuǎn)化率超過(guò)79.6%和少于6.4%轉(zhuǎn)化成糠醛的目標(biāo)。剩下的低聚物為9%，5%的木聚糖沒(méi)有反應(yīng)。2010年更進(jìn)一步的過(guò)程最優(yōu)化表明使用有木聚糖活力的纖維素酶水解使得這些轉(zhuǎn)化率有少量的提高，但是木糖產(chǎn)量有所提高。 更好的酶制劑使得82%未反應(yīng)的木聚糖轉(zhuǎn)化為木糖?？偟膩?lái)說(shuō)，在2010年的實(shí)

48、驗(yàn)的整個(gè)熱化學(xué)和酶過(guò)程中達(dá)到85.3%的單體木糖轉(zhuǎn)化率。上面描述的通過(guò)酶的作用使木聚糖和低聚木糖轉(zhuǎn)化很有前景。通常，它能省去我們?cè)O(shè)計(jì)中的第二步低聚物轉(zhuǎn)化過(guò)程，在低強(qiáng)度的預(yù)處理?xiàng)l件下產(chǎn)生更多的木糖低聚物和更少的降解產(chǎn)物。低強(qiáng)度的預(yù)處理?xiàng)l件放松了保留時(shí)間控制的要求并且可能可以使用低成本的垂直反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（垂直預(yù)處理反應(yīng)器比同樣產(chǎn)量的水平預(yù)處理反應(yīng)器便宜的多，因?yàn)樗鼪](méi)有那么復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡管減少反應(yīng)程度并不能減少所需要的電鍍層）。另外，低預(yù)處理強(qiáng)度將會(huì)降低能量需求，減少化學(xué)試劑的成本和廢水處理清理的成本。在我們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中包括那些半纖維素輔酶是很復(fù)雜的，因?yàn)閷?duì)于這些高特異性，沒(méi)有商用的酶來(lái)說(shuō)我們

49、只能得到很少或者沒(méi)有其成本信息。但是，初步的分析表明如果木聚糖，低聚木糖和纖維素酶水解同時(shí)進(jìn)行，輔酶可能是最經(jīng)濟(jì)性的選項(xiàng)，假設(shè)他們能和目前對(duì)纖維素酶的假設(shè)一樣和每kg蛋白成本相似。使用氨水代替石灰消除了糖的損失和石膏處理成本。因?yàn)榘睔饪梢院退旌蠟楹芤?，這樣整個(gè)水解液就可以同時(shí)處理而不需要進(jìn)行固液分離。但是從表7可以看出需要注意的是知道2012年才做了不需要進(jìn)行水解液固液分離的這個(gè)假設(shè)。這不是因?yàn)閏onditioniing過(guò)程的問(wèn)題而是由于在整個(gè)水解液中終產(chǎn)物對(duì)轉(zhuǎn)化的抑制作用，特別是上面提到的木聚糖酶酶活。不過(guò)在目前的設(shè)計(jì)中，傾向反映2012年技術(shù)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)條件conditioning

50、和酶水解來(lái)處理整個(gè)水解液。在前處理工段更進(jìn)一步的研究主題包括稀酸預(yù)浸去乙?；?，使用混合酶（鐵鹽等）和預(yù)處理液的精煉。這些設(shè)計(jì)減少預(yù)處理過(guò)程中硫酸的使用，在低反應(yīng)強(qiáng)度的條件下實(shí)現(xiàn)高木糖產(chǎn)量并且在預(yù)處理固體中保持高的纖維素酶酶活，經(jīng)濟(jì)利益方面上面已經(jīng)討論過(guò)。另外，去乙?；途珶捒梢燥@著提高下游的酶水解活力和減少酶需求量。在我們的設(shè)計(jì)中酸預(yù)浸并沒(méi)有明確的指出，但是希望酸預(yù)浸能在垂直蒸汽預(yù)熱器中實(shí)現(xiàn)，即使預(yù)處理反應(yīng)系統(tǒng)成本將會(huì)因?yàn)樾枰暮辖鸨砻娑岣摺?.3 工段300酶水解和發(fā)酵3.3.1 概述 在這個(gè)工段的設(shè)計(jì)中，使用纖維素酶將纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖。這個(gè)過(guò)程就是所謂的酶糖化或酶水解。纖維素酶是一種混

51、合酶，它們的共同作用使纖維素結(jié)構(gòu)破壞為纖維二糖和可溶性的葡糖低聚物，最后變?yōu)槠咸烟菃误w。產(chǎn)生的葡萄糖和在預(yù)處理過(guò)程中半纖維素水解產(chǎn)生的其他糖類發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。在NREL的很多發(fā)酵研究中已經(jīng)使用了重組的共發(fā)酵菌種運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌，因?yàn)檫@種微生物和它的基因組已經(jīng)很明了。共發(fā)酵的意思是微生物能將葡萄糖和木糖同時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。其它的乙醇共發(fā)酵菌種如代謝工程菌株釀酒酵母在NREL和其他地方的研究中被考慮。這個(gè)設(shè)計(jì)中過(guò)程假設(shè)水解和發(fā)酵分開（SHF）。在預(yù)處理和conditioning之后懸浮液的溫度仍然較高的時(shí)候開始酶的水解反應(yīng)。在這個(gè)溫度中，酶的活力很高，所以轉(zhuǎn)換速度較快，需要較少的酶。一旦纖維素向葡萄糖的

52、轉(zhuǎn)化結(jié)束后，水解液被冷卻到發(fā)酵溫度并接種發(fā)酵問(wèn)生物。這和2002年的設(shè)計(jì)有所偏離，它是酶水解完全前將懸浮液的溫度降低并進(jìn)行發(fā)酵。在SSCF中，發(fā)酵開始后酶持續(xù)水解纖維素。發(fā)酵使得糖濃度下降，這樣就有利于酶水解反應(yīng)產(chǎn)生葡萄糖。2002年的處理也說(shuō)的是總保留時(shí)間是3天?；谧罱^(guò)于運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌更多的實(shí)驗(yàn)，5天的SHF分批發(fā)酵處理對(duì)于目前的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)更現(xiàn)實(shí)一些。酶的水解在一個(gè)連續(xù)的高固含量的反應(yīng)器中開始。一旦纖維素固體被酶糖化，混合物的粘度就會(huì)快速下降，這樣就能把混合物泵到一列平行的生物反應(yīng)器。在這些容器中水解繼續(xù)直到完全，然后冷卻接種。這些含有乙醇的發(fā)酵液在被蒸餾前儲(chǔ)存起來(lái)beer well（st

53、orage tank）。圖8是酶水解和發(fā)酵過(guò)程的簡(jiǎn)單流程圖。3.3.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)總的過(guò)程見附錄E中PFD-P120-A-301和-A302。酶的水解開始于連續(xù)的高固含量的反應(yīng)器（T-310）。中和，稀釋后的水解液被H-301中的冷卻水冷卻，然后直接被送到稍超過(guò)20%固含量T的-310中。連續(xù)水解反應(yīng)器（A-308）的100馬力混合器將酶混入漿液中。在纖維素酶流股混入漿液中后，總固含量是20%，溫度是48 .第一階段的保留時(shí)間是24小時(shí)，在這些物料被分批加入12個(gè)加侖的反應(yīng)容器中的一個(gè)之后，水解連續(xù)進(jìn)行60小時(shí)。移動(dòng)20%固含量的預(yù)處理后的物料是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)橹挥欣w維素被部分水解以后物料才可以被泵

54、送。在目前的設(shè)計(jì)中，連續(xù)高固含量水解反應(yīng)器為一個(gè)空塔，物料從塔頂進(jìn)入，依靠重力而向下流動(dòng)。帶螺旋槳的水平混合器是最初酶解反應(yīng)的另一個(gè)設(shè)計(jì)選擇，NREL在它2011年的全新的完整生物煉制研究設(shè)備中測(cè)試這樣的反應(yīng)器。那些設(shè)備將會(huì)比這里說(shuō)的平推塔貴，但不是特別貴，在整個(gè)工廠的設(shè)備規(guī)模中，這些設(shè)備將使得高固含量的保留時(shí)間相對(duì)減少。我們相信塔的設(shè)計(jì)是很合適的。酶的用量由水解液中纖維素的量以及酶活來(lái)確定。在目前的設(shè)計(jì)中，總酶量是每g纖維素20mg酶蛋白，實(shí)現(xiàn)纖維素向葡萄糖90%的轉(zhuǎn)化率。這里的蛋白質(zhì)是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)的酶液中蛋白質(zhì)的總含量。雖然糖的產(chǎn)量隨著酶含量的升高而升高，酶量的升高就意味著成本的升高。酶量

55、對(duì)過(guò)程經(jīng)濟(jì)性具有明顯和復(fù)雜的影響。確定最合適酶需量需要優(yōu)化一些過(guò)程參數(shù)包括溫度，處理時(shí)間和總固含量。基于酶生產(chǎn)廠家的建議和NREL的研究的設(shè)計(jì)總結(jié)在表8中。分批反應(yīng)器的攪拌和溫度控制使用由一個(gè)離心泵和熱交換器組成的循環(huán)泵。在酶的水解中，溫度使用冷卻水維持。在酶的水解過(guò)程中溫度的控制是很重要的。NREL酶的研究表明對(duì)于商用酶來(lái)說(shuō)在適溫度是48.-5的偏差將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速度的急劇降低。高于5將會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的降解。在同樣的處理時(shí)間內(nèi)這兩種情況都將會(huì)降低纖維素轉(zhuǎn)換產(chǎn)量。表9列舉了在酶水解過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化。糖化后的反應(yīng)液中含有11.7%的可溶性糖（包括低聚物），包括6.7%的單體葡萄糖和3.7%單體木

56、糖。和3.2中提到的一樣，一個(gè)更先進(jìn)的酶制劑已經(jīng)表明其也具有將木聚糖轉(zhuǎn)化為木糖的能力。這些附加的反應(yīng)在預(yù)處理部分中已經(jīng)提到，所以表9中沒(méi)有包括。應(yīng)該注意的是在Aspen中葡萄糖低聚物被模擬為低聚物形態(tài)的葡萄糖分子。低聚物的實(shí)際尺度分布沒(méi)有明確。在F-300中60小時(shí)額外的酶水解后，糖化液被循環(huán)泵和更大熱的換熱器H-310（專用于這里并與所有的發(fā)酵罐公用）冷卻到32用于發(fā)酵。重組的運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌被用作產(chǎn)乙醇菌。這種運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌能同時(shí)將葡聚糖和木聚糖轉(zhuǎn)化為乙醇。目前的設(shè)計(jì)假設(shè)少量的半纖維素類阿拉伯糖以和木糖一樣的產(chǎn)量發(fā)酵為乙醇，即使這是2012年的研究目標(biāo)，NREL沒(méi)有提到。運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的接種

57、是細(xì)胞的直接轉(zhuǎn)移沒(méi)有細(xì)胞的濃縮這一步。為了提供要求的10%的接種量，10%的糖化液被用于種子培養(yǎng)。種子進(jìn)行五步分批培養(yǎng)，每批24小時(shí)和附加的12小時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)間。種子罐使用工段900得到的冷凍水進(jìn)行冷卻，使溫度保持在32.40加侖的第一個(gè)罐接入從實(shí)驗(yàn)室的來(lái)的種子。它的培養(yǎng)基用來(lái)接種更大的反應(yīng)器，以此類推。經(jīng)過(guò)5次反復(fù)，最后一個(gè)加侖的種子罐中種子的數(shù)量足夠接種生產(chǎn)罐。在2002年的設(shè)計(jì)中，確定的是2個(gè)train是最佳的。使用這些方法，Train A中第5個(gè)反應(yīng)器中將會(huì)完成180小時(shí)的發(fā)酵。Train B將會(huì)完成之后12小時(shí)發(fā)酵。這之后的24小時(shí)中，Train A再次完成和循環(huán)使用。關(guān)于種子菌株循環(huán)使

58、用的討論見在2002年的報(bào)告。表10總結(jié)了種子菌株的設(shè)計(jì)規(guī)范。另外，在最后一個(gè)種子罐中使用0.1%（w/v）的山梨醇來(lái)提高細(xì)胞在高糖含量環(huán)境中的生存能力。在ASPEN模型中沒(méi)有山梨醇的組分，但是可以通過(guò)和加入種子液中0.1%的糖等價(jià)來(lái)反映其經(jīng)濟(jì)性，成本大約是每加侖乙醇0.7美分。表11是在種子罐中描述微生物生長(zhǎng)和糖代謝反應(yīng)和轉(zhuǎn)化。糖轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)的部分很少。這是運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的特點(diǎn)，同時(shí)也具有經(jīng)濟(jì)效益，即大部分的糖進(jìn)入種子培養(yǎng)被轉(zhuǎn)化為乙醇，這樣最后就增加了發(fā)酵產(chǎn)量和回收率。所以即使10%的糖化液被用于種子培養(yǎng)，其乙醇生產(chǎn)能力也沒(méi)有丟失。其他的菌種（大腸桿菌或酵母）的細(xì)胞質(zhì)量比運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌高2倍，這樣在種子培養(yǎng)過(guò)程中就產(chǎn)生了相對(duì)較低的乙醇。兩個(gè)高效運(yùn)輸泵及時(shí)的將種子液輸送到儲(chǔ)罐中（2.5小時(shí)）。種子儲(chǔ)罐的尺寸比第5個(gè)種子罐大20%。另外一個(gè)泵將種子送入生產(chǎn)罐。除了被發(fā)酵產(chǎn)生乙醇外，糖也可能因?yàn)槿揪幌?。?002年設(shè)計(jì)報(bào)告中討論的那樣，可發(fā)酵的總糖中的3%由于染菌而損失。這在玉米乙醇工業(yè)中染菌損失的范圍之內(nèi)，所以它可以被認(rèn)為符合好的分批發(fā)酵操作預(yù)期的值。染菌損失可以通過(guò)使部分糖轉(zhuǎn)化為乳酸而被模擬。這就允許我們?cè)谀Ｐ椭锌梢院?jiǎn)單的的假設(shè)一部分染菌