玉米秸秆生产燃料乙醇的过程设计及技术经济评价

/57目录、简介背景和动机过程综述技术方法分析关于第n个工厂的假设相关技术经济研究的回顾关于 NRELAspen模型设计的基础和惯例工厂规模原料组成设计报告惯例过程设计及成本估算工段 100：原料储存和处理工段 200：预处理及其条件工段 300：酶水解和发酵工段 400：纤维素酶的生产工段 500：产品，固体和水回收工段 600：废水处理（WWT）工段 700：产品和原料化学品的储存工段 800：燃烧室，锅炉和涡轮发电机工段 900：公用设施过程的经济性年成本指标总资本投入可变运营成本固定运营成本现金流分析和乙醇的最低售卖价格分析和讨论碳和能量平衡水平衡糖消耗成本敏感性分析技术改进声明结果语总结与2002年设计的不同展望未来简介背景及动机美国能源部（DOE）的生物质项目办公室（OBP）赞助那些目的是提高生物质转化技术的基础和应用研究的项目，大力提倡由木质纤维素原料生产乙醇及其他液体燃料。这些项目包括开发出更好的纤维素酶和发酵微生物的实验室运动，潜在过程的详细工程学研究，以及中试和生产设施的构建。这项研究由国家实验室，大学以及私人的工程，建筑公司主导。作为这个项目的所包含的一部分，美国可再生能源实验室（NREL）为了开发出一种基于过程和工厂设计假设得到的完全工业级别价格的酒精，研究了纤维素酒精生产的全过程设计和经济性，这些假设是和工程学，结构及操作上最合适的实例相联系的。工业级别的价格是指酒精的最低售价或者叫MESP。MESP能被政策制定者和 DOE用来评估纤维素乙醇与石油和淀粉或蔗糖来源的乙醇相比其的价格竞争力以及其市场渗入的潜力。在NREL的技术经济分析结果也可以通过检查 MESP处理备选方案和研究进展的敏感性来帮助指导我们的生物质转化的研究。被提议的研究和它的预期结果可以被转化为能和这个报告记录的基准案例相当的新的MESP。这些比较能帮助在 NREL或其他地方的核心研究目标的经济影响，以及追踪达到满足竞争性成本目标的过程。这也允许 DOE对要求减少 MESP相关研究计划作出更多明智决定。这个报告建立在由NREL的工程师和 Delta-T，Merrick工程，Reaction工程以及Harris集团在1999年和2002年发行的报告。对于现在这个报告，NREL再次和Harris集团订立合同，由其对过程设计中设备和原材料成本的评估和审查提供工程支持。这次更新反应了NREL对生物化学乙醇过程的最新预想，包括了在转化领域（预处理，条件，酶解和发酵），产品的最大回收率以及我们对乙醇工厂后续处理（分离，废水和工具）的最新理解的近期的研究进展。NREL和Harris集团合作确定实际配置和关键设备的成本，特别是预处理反应器系统。为了使酶成本比之前的设计报告假定的固定成本更加透明，这次更新包括了现场纤维素酶的部分。在设计中使用的生物质转化效率是基于 NREL和DOE决心于2012年末在一个完整的中试试验中确定的研究目标。这些 2012性能目标在这个报告中被详细讨论。这个概念性过程的经济状况使用了最有效的设备和原材料成本以及第n个工厂的项目成本结构和融资。在这个报告中这个计划的2012年第n个工程的MESP为每加仑2.15美元。对这里呈现的概念过程设计的改进将会在 NREL的科技报告陈述中有所反应。那样就确保了过程设计和它的成本基准是来源于 NREL和其他DOE资助的研究以及一直更新的设备成本的最新数据。我们强调这个设计报告可以被描述为单一的，有效的纤维素乙醇转化过程，简明的假设证明以及详细的过程设计。这个报告并不是为了提供一个工程备选方案或者是成本敏感性分析的详细的调查。这些在防粘纸中将会被研究的内容扩增和参照了目前的报告。此外，因这个报告而产生的过程模型和经济学工具对于公众是可用的，NREL的生物化学平台分析任务的作者和成员将会为那些想在自己的研究中使用这些的研究人员提供支持。过程概述这里所描述的过程使用平行的木质纤维素物质（玉米秸秆）稀酸前处理，之后是剩下的纤维素的酶水解（糖化），最后是生成的葡萄糖和木糖发酵产乙醇。这个过程设计也包括原料的处理和储存，产品的纯化，废水的处理，木质素的燃烧，产品的储存以及需要的设备。这个过程可以分为9个工段（图-1）。工段100：原料前处理。原料（这里是粉碎的玉米秸秆）被统一结构的原料输送系统运送到原料前处理区域。仅仅需要最小的仓库和低限度的原料处理。在这里，生物质原料被送到前处理反应器（工段 200）工段 200：预处理及其条件。这在个工段，生物质原料在稀酸催化剂和高温的条件下处理较短的时间后释放半纤维糖类并破坏原料的结果，使酶易水解。然后向其中加入氨水使它的pH从1上升到酶水解所需要的5。工段 300：酶水解和发酵。酶水解首先在高固含量的连续发酵罐中使用现场准备好的纤维素酶进行。部分水解后的浆液放入其他几个平行生物反应器中进行下一批次反应。 在分批反应器中水解完全后降温，然后接入发酵微生物发酵单胞菌。酶水解和发酵5天后，大部分的纤维素和木糖被转化为酒精。 产生的液体部分被送到产品回收链 （工段500）。工段400:纤维素酶的生产。在这个设计中现场的酶生产被包含其中。 已经购买的葡萄糖（玉米糖浆）作为酶生产的碳源。这个过程中包含部分葡萄糖被转化为诱导纤维素生产的槐糖这一步。产酶菌类（类似于木霉菌） 在补料分批反应器中有氧培养。包含有分泌的酶的整个发酵培养液被放入工段 300进行酶水解反应。工段500:产品回收。发酵液通过蒸储和固液分离产生乙醇， 水和残留的固体。乙醇和水的混合物被蒸储到接近共沸点，然后通过气相分子筛吸附得到 99.5%的乙醇。蒸储后得到的底部的固体物质被送到燃烧室（工段 800）,而液体则被送到废水处理站（工段600）.工段600:废水处理。工厂的废水通过厌氧和有氧的消化处理。厌氧消化处理产生的富含甲烷的沼气被送到燃烧室，在那里消化处理产生的沉淀物也被燃烧。 处理后的水因能够循环使用被送回生产过程。工段700:储存。这个工段为生产过程中使用和生产的化学品提供了很大的储存仓库，这些化学物质包括玉米浆，氨水，硫酸，蛋白质，水和酒精。工段800:燃烧室，锅炉和涡轮式发电机：蒸储及废水处理产生的固体物质和厌氧消化处理产生的沼气燃烧产生高压蒸汽通过电力和热。 预处理反应器和蒸储塔使用了大部分的蒸汽。锅炉产生的过量蒸汽被转化为工厂需要的电力和卖给输电网。工段900:设备。这个部分包含冷却水系统，冷冻水系统，输水管路和动力系统。Figure1.百斯"modnowdljgranicrthgovorJlproeess.PFD-PIMaodo4技术分析方法图2描述了这里使用的模拟生物质转化为乙醇的工程学方法， 包括过程设计，过程模拟和经济性分析。

Figure-2™tlREUs;approachtoprocessdesignandecoficmhcanalysis从如图1所示的总生产流程图（PFD）和使用Aspenplus软件模拟得到白^更详细的 PFD#始,使这个概念生物炼制过程中每个单元操作进行严格的物料和能量平衡模拟计算。物质和能量平衡数据接下来被用于决定生产设备的数量和尺寸。当过程条件和流量改变时，设备成本基线会根据使用标度指数的 Excel表格自动调整。这些成本基线来自于供应商或者Harris集团的专利成本数据库。这个报告的最终成本见附录 A当设备成本被决定后，直接或间接的日常消耗成本决定总的资本投入（ TCI）。TCI,连同工厂的操作费用（可由Aspen模拟得到）被用于现金回报率分析， 去决定能够盈利的乙醇工业级别价格。这个工业级别的价格也叫最低乙醇售价（MESP$/加仑），要求税后10%勺盈利率（IRR）。上面所分析描述的结果是对于一个工业化生产过程之前产品价格合理估计的经济技术模型。产生的MESP寸于过程条件模拟的设置是独一无二的，应该强调的是这些选择的条件和对资本与原材料成本作出的估计存在某种程度的不确定性。 如果对于这背后所的根据没有详细的理解的话，纯粹计算的MES次有有限的相关性。而且MES也能被用来评价设计的过程的市场竞争力，最适用于和其他过程比较技术变更或者用于能指示哪些地方需要进行经济或过程性能改进的敏感性分析。关于第n个工厂的假设这里的技术经济分析报告使用的是上面提到过的第 n个工厂的经济状况。对于第n个工厂包含的主要假设是我们分析的工厂不是第一个开设的工厂， 而是使用同一技术的几个已经建成并且运行的工厂。换句话说，它反映的是n个已经被建立的工厂形成的成功工业的成熟未来。因为经济技术模型对于研究评价他们经济影响力竞争力的完整方案和新的技术过程是一个很重要的工具，我们感觉到忽视和财务风险，较长的启动时间，设施保险设计以及那些和第一个工厂成立有关的其他成本是明智的，以免这些遮掩了转化或者整个过程中研究进展真实的经济影响力。至少，这些第n个工厂的经济性应该能为早期技术成立的工厂提供理由和支撑。在之前的设计报告中，2012年技术目标--很多也应用于2012年关键的研究目标中，如木聚糖到木糖的90%专化率，在2012年没有被实验证明。本次报告将会展示通过研究进展，目前的转化性能被用于2012年的目标设定，2012年的性能目标将不会再被认为是推测的。在之前模型中的假设也被扩充到酶成本和一些设备的成本， 特别是那些当时还没有商业应用的设备（例如预处理反应器），在现在的设计报告中，酶和设备成本被认为是定义明确的。在现在的模型中，第n个工厂剩下的假设主要是生产要素成本模型去决定从设备购买到工厂财务的总资金投入。这个假设也适用于一些操作参数，如过程正常运行时间的 96%这些假设被NREL和DOEW意，因为这次报告在出版时间反映了我们的最佳估计。但是，应该强调的是这些假设存在很多不确定性，还可以被进一步修改。相关技术经济研究的回顾Tao和Aden从文学中对现存的生物能源（玉米乙醇，蔗糖乙醇和传统的大豆生物柴油）的技术经济模型做了一个调查。这些研究被标准化与年 -美元和原料成本（在适用的时候）一致，并和已出版的市场调研相比较。这些比较（表1）表现了技术经济分析在模型预计的精确度范围内能够预测这些生物燃料生产的实际成本。Table1.ComparisonofTechnoeconomicAnalysesandMarketStudiesforExistingBiofuelsFuetMarketStudyIEModelCornetharal$1.53.gal3$1.54'gal"Sugarcaneethanol$114时<129b81€Soyhind旧s国$215,qa!a$2.55^ale午QLidl及2州45]一“KwiatkowskietaL,2006[6].cR«ingw52007p]；Senbn.200/[Sj.匚Graboski&McCormick,1S>9B[9].邳四疝上口帐口0]表1中数量的一致并不意外，因为这些模型的开发者在需要的时候能够将他们的结果和真正的经济相比较并且做出调整。 （另外，对于这些特殊的燃料，原料占了生产成本的大部分，所以剩下的没有原料的转化成本的不确定性并不是那么明显） 。为如本次报告中描述的玉米秸秆转化为乙醇的商业应用前的技术开发技术经济模型要求很多从头开始的工作， 这些源于在分析时对技术状况的完整掌握以及很好的工程实践。从2002年NRELM早的设计报告开始，一些生物化学纤维素乙醇生产的更新的技术经济模型也已经出版。其中很多是基于NREL先前的设计报告，借鉴它的过程假设，成本信息或者全部。事实上，这就是当初NREL设计报告的重要目标：建立一个能被公众评价的过程选择和改进的基线。目前报告现在的目的是建立一个新的基点，从而可以使其前进。表2展示了对生物化学纤维素乙醇的最近技术经济研究的 MESP勺简单调查，可以看出这些研究没有和成本-年一致标准化，但是这些研究都在在2008年到2010年间出版的，所以成本-年的差别应该很小。很明显，在这片纸中出版的MESP直变化很大。对于大部分而言，这是因为原材料成本，过程假设和副产品值的不同，整个研究中，这些值的变化很大。例如，通过Laseretal分析假定相对低的原材料成本和非常高的产值 （表现力有前途的过程假设）以及改良的规模经济（如果这样高的进料速率能够维持） ，同时从如蛋白质和氢气等高价值的副产物中得到积极的收益。更进一步， 这次研究假定了一种统一的生物工艺（CBB方法,这个方法虽然不能像单独的糖化和发酵一样发展， 但是能够通过减少酶成本来提升过程的经

济性。相反的是对较高的原料成本同时非常低的乙醇产量导致的高的 MESP勺研究。与年的设计报告相比，Klein-Marcuschamer的研究呈现了糖化和发酵较长的分批培养时间（需要较高的资金成本），较高的酶成本以及原料中较低的碳水化合物成分（低产量） 。Title-2Surreyo!RecentlecfinceconomioSEdl关onBlochyntaa!CflftUMicEthanolftoiroe 1।WE*P海睥）FMdatflok£二趾二日打pncfl皿：«T[Eth-^notYIMtCTl；Hob»sNREL3K2''二c「，RepM:即营口]厢EL2CH1 ；二esigndeport,Tiswon:]1.JSZ.lf图■2t2£C2JDC■5159'5079■3PJ1ESKW比rea&nenl口二£FDruces^efecncryx-pnadua>打叼曲MS孝B3ir-L厅MG85S.e*eci1or>oo-pTxlJcn3|ir1Must当口同32二-iiJ14Ke幺匚eirF中芈工2EC22M7553-1X日二72B3-111VarnlpgpiEK^Eeit双ixisancJtwnsji&airppc》映Jftptg税krtz.CercfcnjiqWi.oysonEiE^er2.2£€40TODPereGtr^itMMRtnerL1SDCfpfMM,pnxefisoontuttocc口即 D3C-D.35D,«-033□□rrm总2.2D0eax叨4470三丽夕才要后HEWF.uar)E虾寸。但公二nertCEPp-o>i!,niyianarwyt3nd斗-rHDdbcsSrmanttj 2.T2-口7 2gl如网 1册22ZPICCOOj15| 344J(BEttia*aLcaiynuaP«HJ5用tbXEerarrrjyoc门1.TM-2JOO55C22M£7-12745657Md7B75nnjiMra□pereaiineTlAFEXn京rwtmeE,q丁ngpkikerMcm&csdo330a/aryrg-narciaSirmlEKMi- ：VaraKCMTnsr■I珂向caoe宙orSE8《阳上法L5E12：-2,7E二2Zoe先自呼丁切石限t?r<]txttecc63国纪£2-7467-1C6XjtzEinEXstrM,aiyng'=RTf谢kganatuc&ssmci盟中也apereotr^二2cfC2/A为了进一步确定这些假设的影响性，我们转向了 Kazi等的研究，这些是爱荷华州立大学，康菲石油公司和NRE5同努力的结果。而本报告检查了不同的前处理和下游过程， 它们的基线本质上都是NREU^J2008SOT模型（稀酸前处理，购买纤维素酶和C5/C6同步发酵）。Kazi等人的研究将2008SOT莫型中的几个关键因素调整以整合外部公开的数据。 原料成本,酶成本，直接的资金投入以及反应转化率等每个数据进行改进来进行 NREL的分析。

S4.00S3.5QS3.00$230$2.00SlogS4.00S3.5QS3.00$230$2.00Slog$023Kazietal.IrdtnectEnrymec«tFeedstockKazietal.(published)capitale他(/O-)JJC/gil}price (adjuskd)|adjustto $S(V^Dfi)imSOTFigure3.AdjustingtheKazietal.basecase($3.40/ga1)toNREL2008SOTassumptions关于NRELAspen模型得到这个设计报告的最终Aspen模型版本被命名为DW1102A;公众可以使用这个版本以及这个设计报告。我们声明这点即因为 Aspen版本和补丁的不同而得到的结果细微的差别是很正常的。这个所展现的结果是在 DW1102A模型，AspenPlusV7.2,补丁0得到的。即使Aspen运算非常严格，但是在我们的模拟中这样的细节并不能总是被保证。一些单元操作，特别是固液分离是使用通过管道测试的固定性能而被模型化的。 生物反应器使用实验中特殊反应转化（例如纤维素到葡萄糖）的结果而不是使用严格的动力学公式被模型化的。这个简单的化学计量模型依然满足物质和能量平衡。AspenPlus模拟中使用软件自带的组分的物性参数以及在 NREL或者文学中得到的参数。自从2002模型被设计出来，我们采取措施减少自定义组分消除外部物性数据库。组分和物性的讨论见附录D。.设计的基础和惯例工厂的规模目前工厂的规模和2002年设计的一样：干物料2202美制吨/天（2000公吨/天），对于每年的8410小时的操作时间（正常运行时间的 96%）的预期，每年的原料要求是干燥的773000美制吨/年。2002年的研究假设乙醇工厂每年将会负责收集和储存玉米秸秆。在50公里的玉米秸秆收集半径内的干燥的 2205吨/天，半彳5内的10%的生物质可以被工厂利用。在现在的这个设计中，原料从周围的卫星储藏室被运送到工厂，然后被如爱达荷国家实验室（INL）所描述的统一格式的处理设施进行处理。这设施被设计为能每年提供干生物质882000美制吨；这足以供应这里描述的或并联的小型工厂中的一个。我们这里没有重复2002年报告中的工厂尺寸的敏感性研究，就是说只要经济规模能超过每天 2205吨，成本就会适度的减少。虽然这里的绝对 MESP不同了，但是我们希望2002年报告中描述的工厂规模仍然是可行的。原料组成原料类型和组成对整个过程设计和经济性有很大的影响。 原料类型可能会影响在转化过程（如前处理反应）中关键部分的设计。从潜在的糖成分来说，原料组分会明显影响乙醇的产量。在这个分析中原料是玉米秸秆。 玉米秸秆一般认为是玉米植株的残余部分， 也就说是除去玉米粒后剩下的地上部分：叶子，茎秆，外皮，玉米芯等。NREL的生物化学转化研究主要集中在玉米秸秆，因为它是美国最多的农业残余并且很容易得到。 但是一些专用能源作物像软枝草在最后可能能持续利用并且产量上比玉米秸秆等农业残余有优势， 这些作物目前不能满足中试研究中的大量需求。玉米秸秆的组分和水含量会因为玉米种类，地域，天气，土壤类型，施肥措施，收获和储存方法，储存时间等的不同而不同。一份最近 NREL的研究评估中使用快速组成方法即近红外光谱内部结构建模（NIR/PLS）对很多杂交玉米种类进行组分分析。这些研究评估了在8个玉米主产区47个地点2001年，2002年和2003年收获的508个玉米秸秆样品的组分。在这项研究中，玉米秸秆的葡聚糖，木聚糖，可溶物和除去蛋白质的木质素的平均含量 （下重WT%）为32%,19%,18%和13%。这些组成的组分以及每种组分的变化特点见表 3。图4是样品中总糖水化合物的分布图。TableSurnmaryofWholeStoverCompositionDataComponentAverage(dryMinMaxRangeExanolsolubles3.3174.12ASucrose3.601010ExtractableInorganicss。出2504.84.8Other%aterextractable;8.61.4157142Totalsotubl&s17.95730.825Glucan31.925.537.611Xylan16.914.82277,9Galactan1.1Aratainan•工Mannan0.300.70.7Ligninicorrectedforprotein)13.311.217.3s.eStructuralinorganics3908€,65.8Protein371.15.44,3Acetyl2.209292Estimateduronic己cids1.2Totalstructural387.670490820.4Componentclosure99.593.8104.911.1

Az当52 54 56 58 60 62 64TotalStructuralCarbohydrates+SucroseAz当52 54 56 58 60 62 64TotalStructuralCarbohydrates+Sucrose(drywt%)Figure4.Structuralcarbohydratedistributionofthefeedstockvariabilitystudy[25]表4比较了2002年设计中使用的组成和现在设计使用的组成。 在2002年设计中使用的组成是基于两批次中的9个样品的平均值。和表3中的数据进行比较，它的葡聚糖，木聚糖和木质素含量都要比现在研究中个组分的平均值要高 （早期玉米秸秆在农田和实验室中处理的非常仔细，而最近的研究是收割后直接从农田中收集） 。现在的研究中组分的选择是基于总体分布中得到单个样品。如表4中表现的那样，这些组分和最近研究中的糖水化合物内部分布非常吻合，这样就提供了一个更加负责的设计基础。基于由INL得到的原料运输特征表和OBN度项目计划（MYPP,玉米秸秆中的含水量也更新到 20%Table4,CornStoverCompositionfromthe2002Design[2]andthePresentDesignComponent2002Design(drywt%)PresentDesign(drywt%)Gluean37.4035.05Xylan21.0719.53Lignin17.9915.76Ash5.234,93Acetate1N931.81Protein3.103.10Extractives4.6814.65Arabinan2s22.38Galactan1941.43Mannan1,560.50Sucrose■,Q.77Unknownsotubesolids"1.18,structuralcarbohydrate64工g58.为To⑻structuralcarbohydrate+sucrose64.8959.76Agi茕uy 我v/t%,1502。,。 'RepresentsncetMegroinspresentintfiehenikelhilosepofyiiief；convertedtonoeticacidinpratreAUnent."hithe2002desigiLunknownsohibksolidswerecalculatedbydififerencetoclosethemassbahnce.Thisisnowincludedjutheexti'activeBcoinpouenl.当分析的组分想Aspen模型使用的组分转化时，组分分析中溶于水和乙醇的部分归于提取物。提取物成分被认为是有机物， 使用分子式CH2O表示，主要包括糖类，糖醇和有机酸类。秸秆中提取物的含量依赖于收获时间， 部分因为收获了材料的为生物降解； 在给定样品中提

取物的含量可以表示它收获的时间。另外，总物质含量不是 100%,提取物的含量就用来消除这种差异（在2002年的设计中，unknowncomponent不明可溶物起到这种作用）。蔗糖也是一种提取物成分，但是在这个设计中它在实验室里单独测定并且被加入到原料组成中。这样它就被从提取物组分中排除。蔗糖在秸秆中的总量高低依赖于收获和处理的方法。 在预处理中，蔗糖被这算为葡萄糖和果糖。在预处理中，果糖进一步被转化成降解产物，而葡萄糖则会抑制降解。因此发酵过程中可以利用。在2002年设计和目前设计在组成上的不同有显著的经济性影响。因为原料中木聚糖（纤维素）越低，目前的设计每吨原料乙醇的产量就越低。总体上说，总的碳水化合物（木聚糖和半纤维素）的含量比2002年的要低5%,相反地，在目前的设计中，原料中有更多的非碳水化合物有机物成分。这些物质最后变成残留物而被燃烧来提供热和电。 过程中每吨原料产生电力的数量比2002年设计的要高（由于目前设计中需要更多的内部电耗，输出的电能会较少）。设计报告惯例单位依据习惯，我们开发的Aspen模型使用了Aspen对于指定组分物性的单位要求，即对于物质使用Kg,Kmol,atm和C,能量使用MMKcal（Gcal）。在这个报告中，由Aspen模型得到的结果将使用这些单位发表。 Harris集团使用美制单位（1b,Btu,7，gal等）与设备供值得注意的是，在目前的报告中,为了避免歧义，公吨表示公制的吨（这些文件的标准是美制吨。吨也在应商交流。这样，设备的规格将使用这些美制单位。在这份报告中，我们努力使用两种单位而避免讨论的分散。值得注意的是，在目前的报告中,为了避免歧义，公吨表示公制的吨（这些文件的标准是美制吨。吨也在一些定量（如产量和成本）使用“吨”进行计算和报道。1000Kg）,而吨表示美制吨（2,000Ib）。一般的，3.9的制冷部分出现，但是这里的使用应该讨论清楚。总固形物含量这个过程描述了固体原料（玉米秸秆）向液态产品（乙醇）的转化。在这个过程中，很多物流都有固体部分和液体部分。在一个给定的物流中固体的相对含量称为固含量。 总固含量被定义为在给定物流中可溶性固体（如糖类和盐类）和不溶性固体 （如纤维素和木质素）质量的百分比。总固含量和不溶性固体含量将会一起被报告。 应该注意的是，在我们的转化过程中，硫酸，醋酸和氨水并不被认为是可溶性固体，但是乙酸俊和硫酸钱是可溶性固体。这样，在一些单元操作如如水解物调节，中总固含量并不是一个守恒的值。乙醇浓度这项分析中最重要的结果即产生乙醇的体积使用： $/gal,gal/yr,gal/ton等。为了避免使用AspenPlus中的乙醇密度计算出现错误，这里使用可接受的 20C（687）无水乙醇密度：0.789Kg/L。理论产量和转化率这个报告中使用 “产率”和“转化率”来描述各种化学和生物化学反应程度。应该这样理解：这些数值是理论值的百分比。例如，“ 95%葡萄糖到乙醇的转化率”的意思是系统中95%的葡萄糖参加了下面的反应： 葡萄糖一2乙醇+2CO2,而理论产率是每g葡萄糖产生0.51g乙醇。3过程设计及成本估算这里所描述的设计过程是基于示范和计划性能，这是 DOE的核心R&D在生物化学转化方面的努力得到的。这部分描述了过程中的细节，讨论了R&D目的对决策过程的影响。3.1工段100原料储存和处理3.1.1概述

工段100是处理运进来的生物质原料。玉米秸秆的打包运输， 庭院储存，然后磨碎，清洗与2002年设计不同，目前设计的假设是玉米秸秆的运输是使用 INL设计报告中统一规格的原料供应系统。在这个概念设计中，生物质储存在一个中心仓库， 在运输之前进行前处理并粉碎到一定程度，这样生物炼制通过包括粒径分布器， 湿含量测定和密度测定的在内统一规格的设备得到所需的原料。Harris根据INL的设计报告和自己的设备经验设计了工段 100的接收和处理系统。工段100的设备位于乙醇工厂内，由称重、卸货，生物质供应卡车，短期储存，传送带，短期仓库和使原料进入预处理反应器的输送带组成。图 5是这个工段的简单过程流程图，详见附录 E的PFD-P120-A101。ConcretestoragedomeFigure5.Simplifiedflowdiagramofthefsedstockreceivingsystem>Tgpr«lit!juii«filConcretestoragedomeFigure5.Simplifiedflowdiagramofthefsedstockreceivingsystem>Tgpr«lit!juii«fil设计基础在统一规格的原料供应系统设计中， 原料存储在仓库中，每周6天将其用卡车或者铁轨运输到生物炼制地点。在每个仓库中，原材料将会被粉碎到 0.16-0.23英寸（含有较多粉末），这样可以达到平均体积密度为 9-11lb/ft3,使拖车实现了最大的物料装载量。送入的物料在进行生物炼制时其含水量假设为 20%;这是考虑农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。由于前处理操作过程中丢失很少的干物料并且不包括对物料的水洗，所以假设 2.2部分对玉米秸秆组分的讨论对于被运输的物料是可行的。我们也注意到实际尺寸小于0.25英寸和NREL预处理研究中使用的物料是相一致的。对于一个工厂含水分的玉米秸秆需求为每天 2756美制吨（104200Kg/h;229700Ib/h）。在工程设计中，生物炼制接受操作时间为与生物质仓库的时间一致：每天24h,一周六天。每辆卡车运输10美制吨生物质。为了满足生产和储存需要，工厂每小时必须接收 12辆卡车。进入的卡车在电子秤（M-101）上称重，然后在7-10分钟内自动卸货（M-102）。自卸车将物料倒入专用的漏斗中（M-103）,将生物质传送到一系列传送带上（ C-101C102c-103）,这些传送带将物料从自动卸货车中送入到短期储藏室中。最小的接收速度是 244ton/h,以维持每小时114吨的连续过程。因为卡车并不能连续卸货，所以在必须多余的量使得运输带能够将物料从卡车送到仓库（推荐是 330-440吨每小时）。为了每小时处理 244吨，假设一个相对恒定的卡车物流，一对天秤（一个进站一个出站），两个卸货机。现场储存最少保存72小时从而允许一个星期的缓存。因为要考虑烟火，动物的啃噬以及潮解，露天的储存是不合适的。相反，原料应该被集中储存在仓库中。需要两个仓库（每个有36小时的容量）从而在转化的过程中可以一个装物料一个空着。运输带（ C-106,C-107,C-108）连接仓库和工段200预处理器上面的原料接收箱。传送带上面有一个除尘系统（M-106）,在运输过程中除去仓库中的灰尘。在工段100没有干物料的损失。和2002年的设计相比较，原料没有水洗,］这样消除了这个工段中水蒸气的损失。］一些现象表明原料水洗仍然被期望来减少如玉米秸秆施肥后得到原料上面的无机物，这方面在将来会再进行讨论。成本估算这个报告中原料成本是每吨干物料58.5美元。这个成本来自于生物质工程的DOE办公室出版的MYPP。总成本每吨58.5美元包括生长成本（MYPP的表B-1）每吨23.5美元和所有的收集，处理，储存和田里到预处理反应器的接受器的运输成本（见MYPP表B-2）.应该强调的是这些成本是包括ASPEN模型的转化性能的2012年研究的目标。Harris公司对卡车自动卸货装置，储存器，运输带和灰尘收集器等做了商品报价和其他估算。虽然Harris公司组装的最终设备列表和 INL的设计报告不能完全匹配，工段 100的资金和操作成本被含在MYPP原料成本里，而不是总投资成本的计算里（TCL）,因此它们并不影响MESP。车称由St.LouisScale报价，自动卸货车和漏斗由JefreyRader报价。每个有4400吨容量的储料仓有Domtec报价。内部的回收系统有Cambelt报价。所有相关的运输带有 DearbornMidwestConveyorCo报价.Sly,Inc提供在除尘系统中所有部件的报价。 生物质离开储存仓的皮带秤由Tecweigh报价。.3.2工段200预处理和调节概述在预处理的过程中，通过水解反应将原料中大部分半纤维素转化为可溶性糖类 （如木糖，甘露糖，阿拉伯糖和葡萄糖）。半纤维素中乙酰基团被水解为乙酸。在预处理反应器中，由于细胞壁的结构被酶水解，生物质的结构被破坏，使得一些木质素变成可溶性糖， 减少了纤维素的结晶度和其链的长度。 这些改变的性质和程度取决于预处理反应的强度 （保留时间，温度和催化剂的量）。预处理过程中也会产生糠醛， 5羟甲基糠醛等的副产物。这些成分达到一定浓度会对发酵微生物产生不利影响。目前的设计中，水解反应使用稀硫酸催化，蒸汽加热。在现在的设计中，预处理分为两步，和以前的设计相比反应相对温和。 这个相对温和的预处理容易产生可溶性的木糖低聚物。 相对温和的预处理有利于可溶性木糖低聚物的产生。 剧烈的预处理反应往往产生更多的木糖单糖，但是如果反应条件控制的不好的话就有形成大量的降解产物的风险。预处理反应的第一阶段是在水平的螺旋进料反应器中保留较短的时间（ 5-10分钟）。第二阶段是一个低温长时的低聚物转化步骤， 这里，第一步中产生的绝大部分的木糖低聚物被转化为木糖单体而不会产生很多附加降解产物。 预处理结束后，水解液被闪蒸冷却，蒸发掉大量的水以及一些乙酸和糠醛。闪蒸蒸汽被浓缩并被送到废水处理工段。 水解液被稀释水冷却然后被送到调节反应器，在这里使用氨水将其 pH从1调节到5-6。图6是预处理工段的简单流程图。Toenz/mdtjcMlnalyisFigure6,SimplifiedflowdigramofihepretrejtmtntandGonditioningprocessToenz/mdtjcMlnalyisFigure6,SimplifiedflowdigramofihepretrejtmtntandGonditioningprocess在之前的设计中，预处理后的生物质被分为水洗后的固体和液体部分， 在液体部分上面撒石灰将其pH由1增加到10左右，然后通过加硫酸使其 pH在5左右。石灰和硫酸沉淀后成为石膏，之后这部分被送到另外的固液分离步骤中。 在酶水解之前，处理后的液体和纤维素固体再次制成悬浮液。碱处理过程，液体中大量的糖（多达13%）在高pH环境条件的副反应中或者和湿石膏一起压滤损失掉。 目前的设计中使用氨水代替石灰以避免这些糖的损失。 氨的高溶解性可以同时调节整个悬浮液， 并省去了固液分离的步骤。发酵研究表明使用氨水在高PH过量调节没有益处，所以水解液一步调成酶水解所需的 PH。但是氨水比石灰价格更高，减少糖损失和投资成本的经济利益使得更加经济可行。 也有可能是氨水能够减少发酵过程中对氮源的需求，但是这个目前没有被验证。设计基础预处理反应系统包括原料接收系统，然后是长保留时间的蒸汽加热和可能需要预浸生物质的酸液的垂直容器，然后是高压短时操作的水平预处理反应器。 PFD-P120-A201（附录E）详细叙述了个部分，PFD-P120-A202是低聚物的转化和调节装置。选择水平的反应器装置是因为和垂直反应器相比， 它允许更严格的保留时间控制。 这对单步骤，高强度的预处理以最小化生物质的过渡处理和处理不完全来说很重要，这两种情况都会降低总产量。经研磨的玉米秸秆被送到预处理反应器入口处的接收箱（ M-201）。接收箱是一个带底的矩形输送机，它可以箱内的原料进入滚筒（带径向针的刮片能将物料平铺在输送带上面） 。在接收箱的底部安装了耙子能将进入的物料推到箱子的底部， 确保原料的先入先出。 当接收箱卸下物料时，传递输送带将物料送至分布螺旋输送机（ C-202）,它提供比每个接收箱需求多一些（大概10%）的原料。稍过量的物料可以控制物料的流速。这样也确保了螺旋送料机维持最大容量。多余的物料通过一系列的螺旋输送带被送回储存仓（ C-203）。每个滚筒给料器将原料送至螺旋给料器（ M-203）。26英寸螺旋送料机是一个粗糙的，高度螺旋的装置，它通过轴向压力使物料形成一个压紧的 plug。在每个螺旋送料机中， 挤压可能会榨出水和一些水溶物。这个" pressate”可以用来分离和浓缩废液，但是在目前的模型中，pressate和反应器出口的水解液组合使用。稀硫酸从螺旋送料机的轴处注入。从螺旋送料机出来的物料进入一个混合加热的螺旋机中（ C-204）。加热的螺旋机将物料送入预处理反应器的顶部（M-204）。热水从这里加入来控制含水量为 30wt%的总固体含量。垂直的生物预热presteamer反应器被设计在165c保留10分钟，虽然在目前的模型中操作温度仅仅为100C,这样在presteamer过程中水解反应不会发生。每天 2205吨的生产量和10分钟的保留时间，一个垂直的 vessel就已经足够。原料在同一温度通过立式反应器向下流。反应器通过一个双螺杆出口装置将原料送入双螺旋送料机。 螺旋送料机将原料送入预处理反应器，并且控制其与presteamer之间的温度和压力差异。预处理需要的酸液在螺旋送

料机discharge加入。输送带将（C-206,C-207）所有螺旋送料机连出来的原料结合在一起，并将其送至预处理反应器中（ M-207）。预处理反应器是一个单独的水平反应容器。 这个反应器能适用相对剧烈的条件高达 190c和大概质量分数为1.1%的硫酸。在现在的设计中，反应条件是相对温和的 158C,每g干物料18mg酸。酸液加入是和原料的质量流量成比例的。高压的蒸汽被注入这个容器来保持温度。反应器的压力正好保持在混合物的泡点。 能量平衡计算中，反应器热量的损失没有被计算在能量平衡中。在预处理反应器中物料的保留时间通常是 5分钟。反应条件见表5。Table5.PretreatmentReactorConditionsSulfuricacfdloadingResidencetimeTemperaturePressureTotalloadingSulfuricacfdloadingResidencetimeTemperaturePressureTotalloading18mg/gdrybiomass35minutes15TC5.5atm(81psia)30wt%3AdditionalacidisaddeddownstreaniofthepreiieaimrtiTce^cior.预处理后的物料进入闪蒸罐中（ T-203）。闪蒸的压力控制使温度保持在 130C。由T-203得到的悬浮液进入二级低聚物转化反应容器（ T-208）,得到的悬浮液进入二级低聚物转化反应容器（ T-208）,在这里130c保持20-30分钟。在低聚物转化步骤中，额外的4.1mg/g的硫酸被加入。使得总酸含量为每 g干物料22.1mg稀潜在的有机抑制物，然后进入废水处理（工段 600）。表6总结了预处理过程中发生的反应和现在的转化率。 半纤维素侧链上的葡聚糖以及小部分的纤维素被转化为葡萄糖。假设更少的半纤维素碳水化合物（阿拉伯聚糖， 甘露聚糖，半乳聚糖）与木聚糖有相同的反应和转化率。 假设木聚糖到木糖的转化是全部水解， 包括后面要讨论的酶解部分。蔗糖反应产生HMF和葡萄糖，这意味着100%的蔗糖被转化为果糖和葡萄糖，随后果糖完全降解成 HMF,和2.2部分中提到的那样。Table也PretreatmentHydrolysisReactionsandAssumedConversionsReactionReactant%ConvertedtoProduct(Glucan]n+nH；0-nGlucoseGlucan9.9%^Glucanjn-nHQ—nQlucoseOligomer1Glucan0.3%(Glucan)n_nHMF+2nHQGlucan0.3%Sucrose—HrJF+Glucose+2H二。Sucrose100%(Xylan十n*口一nXyloseXylon90.0%(Xylan+mH:Q-mXyloseOligomer1Xylan24%(Xylan)h一nFurfural+2nH；OXylan5.0%Acetate-AceticAcidAcetate100%(Lignin}n-nSolubleLigninLignin5.0%Sugaiohgcniets3r亡coiiiideitdsolublebmnorfeniKtitabk.3.2.3成本估算

关于预处理反应系统， Harris公司从Andritz有限公司得到了一个详细的报价，整个系统大概2千万美元$20MM：原料接收箱，额外的尺寸减少（如果需要的话），pre-steaming蒸汽，高压热，反应以及闪蒸冷凝。图7是Andritz公司提供的反应器原理图。这个反应器结构原理上和2002年设计的预处理反应器基本相同。这个反应器系统是碳钢结构，所有接触酸液的部分都用合金 825包裹。这得到了Andritz的赞同，但是更重要的是这和 2002年的设计以及先前NREL关于反应器腐蚀的研究反应堆金属学相一致。实际上对于这里考虑的预处理过程的条件来说， 这个反应器系统设计时超保险设计，可以处理更剧烈的反应。在目前的设计中，预处理系统提供了 MESP每加仑0.14美元的成本。我们不打算通过调整反应器的成本来解释较低的保留时间， 温度，压力或者酸含量。我们的分析中允许利用同一个反应器成本因为研究者在他们最优化研究中改变预处理强度。不管用何种浓度的酸，我们认为反应器成本不会出现很大变化，因为仍然需要合金层。如果预处理条件改变较大的话反应器成本将会再次研究。FlushvxatefSteamFlkishwaterAcidSteamPressate'u'elcaiPn&ssatereinjectionHydrolysatetooligomerccnversiCHniFigure7.HorizontalpretreatmentreactordesignschemelAndritz.Inc.)VertFlushvxatefSteamFlkishwaterAcidSteamPressate'u'elcaiPn&ssatereinjectionHydrolysatetooligomerccnversiCHniFigure7.HorizontalpretreatmentreactordesignschemelAndritz.Inc.)Vert其他设备的成本，如泵， 搅拌器，容器，输送带和热交换器使用 Harris公司内部数据进行估算。盛放硫酸（T-201）的容器是塑料的，其他的设备是不锈钢的一大部分 316SS在100c以下，具有一定的酸抵抗力。3.2.4设计方案的实现表7是在预处理工段中2008年-2010年小规模实验得到的结果以及2012年转化率的目标（这些在Aspen模型中使用）。在预处理中，2012年的目标是90%勺木聚糖到木糖转化率和5%产品的降解损失。2012年增加的一个目标是移去整个水解液调节过程，这样就省去了在预处理工段中固液分离这一步。Table7.ResearchStatusand2012TargetsinthePretreatrnentArea2ooeStateofTechnology2009StateofTechnogy2010ofTechnology2012T&rgtlsPietreatm«ntSolidsloading{wt%)30%30%ya%30%Xylanconverstontoxylose75%64%65%90%Xylanconversiontofurfural(%)11%6.4%8%E%ConditioningAmmonialeading(gJLofhydrolysate)13to4.a4.8Hydrolysatesolid-liquidseparatio'nyes心yesnoXylosesugarboss(%enteringconditioning)2%2%2%1%Glueo&esugark>ss(%enteringDQndrtk)ning|1%1%1%□%在NREL预处理的研究中，2007年在实验室得到了稀酸预处理木聚糖到木糖转化率的较大提高，经常达到75%或更高的转化率。在2008年将这些成果在连续中试水平上实现充满了挑战性。连续预处理比批氏预处理更困难，因为处理条件（特别是保留时间）不好控制。在NREL的每天200kg连续水平预处理反应器的实验表明： 尽管整体转化成木糖或低聚木糖的转化率在75%,但是由于反应器的构造木聚糖到木糖的转化率限制到了 60%。因此增加了条件温和的二级低聚物转化步骤将低聚糖转化为单体木糖，不产生额外的副产物，以满足2008年木糖转化率75%的目标。在2009年，卧式水平反应器的内部结构被改进以减少物料的保留时间。两步操作条件的优化符合2009年木聚糖到木糖转化率超过 79.6%和少于6.4%转化成糠醛的目标。剩下的低聚物为9%,5%的木聚糖没有反应。2010年更进一步的过程最优化表明使用有木聚糖活力的纤维素酶水解使得这些转化率有少量的提高，但是木糖产量有所提高。 更好的酶制剂使得82%未反应的木聚糖转化为木糖。总的来说，在 2010年的实验的整个热化学和酶过程中达到85.3%的单体木糖转化率。上面描述的通过酶的作用使木聚糖和低聚木糖转化很有前景。 通常，它能省去我们设计中的第二步低聚物转化过程，在低强度的预处理条件下产生更多的木糖低聚物和更少的降解产物。低强度的预处理条件放松了保留时间控制的要求并且可能可以使用低成本的垂直反应器结构（垂直预处理反应器比同样产量的水平预处理反应器便宜的多， 因为它没有那么复杂的内部结构，尽管减少反应程度并不能减少所需要的电镀层）。另外，低预处理强度将会降低能量需求，减少化学试剂的成本和废水处理清理的成本。在我们的技术经济分析中包括那些半纤维素辅酶是很复杂的， 因为对于这些高特异性，没有商用的酶来说我们只能得到很少或者没有其成本信息。但是，初步的分析表明如果木聚糖，低聚木糖和纤维素酶水解同时进行， 辅酶可能是最经济性的选项， 假设他们能和目前对纤维素酶的假设一样和每kg蛋白成本相似。使用氨水代替石灰消除了糖的损失和石膏处理成本。 因为氨气可以和水混合为含水溶液， 这样整个水解液就可以同时处理而不需要进行固液分离。 但是从表7可以看出需要注意的是知道2012年才做了不需要进行水解液固液分离的这个假设。这不是因为 conditioning过程的问题而是由于在整个水解液中终产物对转化的抑制作用，特别是上面提到的木聚糖酶酶活。不过在目前的设计中，倾向反映 2012年技术的设计中，通过条件 conditioning和酶水解来处理整个水解液。在前处理工段更进一步的研究主题包括稀酸预浸去乙酰化， 使用混合酶（铁盐等）和预处理液的精炼。这些设计减少预处理过程中硫酸的使用， 在低反应强度的条件下实现高木糖产量并且在预处理固体中保持高的纤维素酶酶活， 经济利益方面上面已经讨论过。 另外，去乙酰化和精炼可以显著提高下游的酶水解活力和减少酶需求量。 在我们的设计中酸预浸并没有明确的指出，但是希望酸预浸能在垂直蒸汽预热器中实现， 即使预处理反应系统成本将会因为需要的合金表面而提高。3.3工段300酶水解和发酵3.3.1概述在这个工段的设计中，使用纤维素酶将纤维素转化为葡萄糖。这个过程就是所谓的酶糖化或酶水解。纤维素酶是一种混合酶，它们的共同作用使纤维素结构破坏为纤维二糖和可溶性的葡糖低聚物，最后变为葡萄糖单体。产生的葡萄糖和在预处理过程中半纤维素水解产生的其他糖类发酵产生乙醇。在 NREL的很多发酵研究中已经使用了重组的共发酵菌种一一运动发酵单胞菌，因为这种微生物和它的基因组已经很明了。 共发酵的意思是微生物能将葡萄糖和木糖同时发酵产生乙醇。其它的乙醇共发酵菌种如代谢工程菌株酿酒酵母在 NREL和其他地方的研究中被考虑。这个设计中过程假设水解和发酵分开( SHF)。在预处理和conditioning之后悬浮液的温度仍然较高的时候开始酶的水解反应。 在这个温度中，酶的活力很高，所以转换速度较快，需要较少的酶。一旦纤维素向葡萄糖的转化结束后， 水解液被冷却到发酵温度并接种发酵问生物。这和2002年的设计有所偏离，它是酶水解完全前将悬浮液的温度降低并进行发酵。在SSCF中，发酵开始后酶持续水解纤维素。发酵使得糖浓度下降，这样就有利于酶水解反应产生葡萄糖。2002年的处理也说的是总保留时间是 3天。基于最近过于运动发酵单胞菌更多的实验，5天的SHF分批发酵处理对于目前的设计来说更现实一些。酶的水解在一个连续的高固含量的反应器中开始。 一旦纤维素固体被酶糖化， 混合物的粘度就会快速下降， 这样就能把混合物泵到一列平行的生物反应器。 在这些容器中水解继续直到完全， 然后冷却接种。这些含有乙醇的发酵液在被蒸储前储存起来 beerwell(storagetank)。图8是酶水解和发酵过程的简单流程图。BotchHydrolystSiFermentationFigure8Simplifiedflowdiagramoftheenzymatich/drolysisandfementationpfoc*ss3.3.2设计基础总的过程见附录E中PFD-P120-A-301和-A302。酶的水解开始于连续的高固含量的反应器(T-310)。中和，稀释后的水解液被 H-301中的冷却水冷却，然后直接被送到稍超过20%固含量T的-310中。连续水解反应器(A-308)的100马力混合器将酶混入浆液中。在纤维素酶流股混入浆液中后，总固含量是20%,温度是48c.第一阶段的保留时间是24小时，在这些物料被分批加入12个950000加仑的反应容器中的一个之后，水解连续进行60小时。移动20%固含量的预处理后的物料是个挑战，因为只有纤维素被部分水解以后物料才可以被泵送。在目前的设计中，连续高固含量水解反应器为一个空塔， 物料从塔顶进入，依靠重力而向下流动。带螺旋桨的水平混合器是最初酶解反应的另一个设计选择， NREL在它2011

年的全新的完整生物炼制研究设备中测试这样的反应器。那些设备将会比这里说的平推塔贵，但不是特别贵，在整个工厂的设备规模中， 这些设备将使得高固含量的保留时间相对减少。我们相信塔的设计是很合适的。酶的用量由水解液中纤维素的量以及酶活来确定。在目前的设计中，总酶量是每 g纤维素20mg酶蛋白，实现纤维素向葡萄糖 90%的转化率。这里的蛋白质是指通过实验测的酶液中蛋白质的总含量。虽然糖的产量随着酶含量的升高而升高， 酶量的升高就意味着成本的升高。酶量对过程经济性具有明显和复杂的影响。 确定最合适酶需量需要优化一些过程参数包括温度，处理时间和总固含量。基于酶生产厂家的建议和 NREL的研究的设计总结在表8中。Table8,EnzymaticHydrclysisConditionsTemperatureIntialsolidsloadingTemperatureIntialsolidsloadingResidencetimeNumberdrid白ofcontinuousvesselsNumberandsizeofbatchvesselsC副u怕导鼻hading20E%totalsolidsinsoluble号一才"sHube)3.5daystotal(84h)S@950 (250,000gal)each12⑥3,500m'■：950,000gajeach2。mgpr•口也inf。匚ellul口话分批反应器的搅拌和温度控制使用由一个离心泵和热交换器组成的循环泵。在酶的水解中，温度使用冷却水维持。在酶的水解过程中温度白^控制是很重要的。 NREL酶的研究表明对于商用酶来说在适温度是48C.-5C的偏差将会导致反应速度的急剧降低。高于5将会导致蛋白质的降解。在同样的处理时间内这两种情况都将会降低纤维素转换产量。表9列举了在酶水解过程发生的反应和转化。 糖化后的反应液中含有11.7%的可溶性糖（包括低聚物），包括6.7%的单体葡萄糖和3.7%单体木糖。和3.2中提到的一样，一个更先进的酶制剂已经表明其也具有将木聚糖转化为木糖的能力。 这些附加的反应在预处理部分中已经提到，所以表9中没有包括。应该注意的是在Aspen中葡萄糖低聚物被模拟为低聚物形态的葡萄糖分子。低聚物的实际尺度分布没有明确。Table9,EnzymaticHydrolysisReactionsandAssumedConversionsReactionReactant%ConvertedtoProduct(Glucan)n*nGlucoseOligomer(Glucan)n4%nH20—%nCellobioseGlucan4.0%Glucan1.2%(Glucan)n+nH2O-*nGlucoseGlucan90.0%Cellobiose+H；Of2GlucoseCellobiose10。% 在F-300中60小时额外的酶水解后，糖化液被循环泵和更大热的换热器 H-310（专用于这里并与所有的发酵罐公用）冷却到 32c用于发酵。重组的运动发酵单胞菌被用作产乙醇菌。这种运动发酵单胞菌能同时将葡聚糖和木聚糖转化为乙醇。 目前的设计假设少量的半纤维素类阿拉伯糖以和木糖一样的产量发酵为乙醇，即使这是 2012年的研究目标，NREL没有提到。运动发酵单胞菌的接种是细胞的直接转移没有细胞的浓缩这一步。为了提供要求的 10%的接种量，10%的糖化液被用于种子培养。种子进行五步分批培养，每批 24小时和附加的12小时转移时间。种子罐使用工段900得到的冷冻水进行冷却，使温度保持在32c.40加仑的第一个罐接入从实验室的来的种子。它的培养基用来接种更大的反应器，以此类推。经过 5次反复，最后一个200000加仑的种子罐中种子的数量足够接种生产罐。 在2002年的设计中，确定的是2个train是最佳的。使用这些方法， TrainA中第5个反应器中将会完成180小时的发酵。TrainB将会完成之后12小时发酵。这之后的24小时中，TrainA再次完成和循环使用。关于种子菌株循环使用的讨论见在 2002年的报告。表10总结了种子菌株的设计

规范。另外，在最后一个种子罐中使用 0.1%（w/v）的山梨醇来提高细胞在高糖含量环境中的生存能力。在ASPEN莫型中没有山梨醇的组分，但是可以通过和加入种子液中 0.1%的糖等价来反映其经济性，成本大约是每加仑乙醇 0.7美分。Table10,SeedTrainSpecificationsInoculumla'>el|Table10,SeedTrainSpecificationsInoculumla'>el|BatchtirrieFermenUtQrturnaroundtimeNumberoftrainsNumberoffermsritorstagesMaximumfermentarvolume(F-305)Comsteepliquor(CSL'loadingDiaEman山ephosphate(DAP)I□mding10vol%ofproductionvesselsize24h12h25200.DOOgal(7S7m3)0.50wi%0.6了旦,Lfc「meritaticnDnoth[日glurryj表11是在种子罐中描述微生物生长和糖代谢反应和转化。糖转化为细胞物质的部分很少。这是运动发酵单胞菌的特点，同时也具有经济效益，即大部分的糖进入种子培养被转化为乙醇，这样最后就增加了发酵产量和回收率。所以即使 10%勺糖化液被用于种子培养，其乙醇生产能力也没有丢失。其他的菌种（大肠杆菌或酵母）的细胞质量比运动发酵单胞菌高 2倍，这样在种子培养过程中就产生了相对较低的乙醇。Taoh•.SeedTran^ejcuonsandAssumedConversionsReactionReactont%ConvertedtoReactionProductGlucose心2E:hand+2Glucose心2E:hand+2CC3Glucose+0.047CSL*+0.018DAPt6Zmodi俯+2.4H2OGlucose+2HQ_2G^cerolO2Glucose+2CO2T2SuccinicAcid+O23Xylose5Ethanol+5CO：Xylose+0.039CSL+0.015DAP*51.mobilis+2H总3Xylose+5H:O-5Glycerol+2.50;Xylose+HQ-Xylitol+9.563Xylose+5CO?*5SuccinicAdd+25O：GlucoseGlucoseGlucoseGlucoseeeee&w

5sss5

bloblolo

xyXYxyxyxy4.0%

03轼二f05%Coinsleepjquor(CSL)anddi3iuncmumphosphate(DAP)rebothmtregensourcesrequiredforZ阴。加后groBih.The引cichioniciiysLowtiaboveisonlyu?edtobRajm近。沏明5指叫£mtunedfornonitandard・"Tltil两个高效运输泵及时的将种子液输送到储罐中（ 2.5小时）。种子储罐的尺寸比第 5个种子罐大20%另外一个泵将种子送入生产罐。除了被发酵产生乙醇外，糖也可能因为染菌而被消耗。如2002年设计报告中讨论的那样，染菌损失可以通过使部分糖转化为乳酸而被模可发酵的总糖中的3麻于染菌而损失。这在玉米乙醇工业中染菌损失的范围之内，所以它可以被认为符合好的分批发酵操作预期的值。染菌损失可以通过使部分糖转化为乳酸而被模拟。这就允许我们在模型中可以简单的的假设一部分染菌损失， 这样发酵罐中的转化就没必

要进行调整。表12只是染菌反应。Table12*Co-FermentationContaminationLossReactionsReactionReactant%ConvertedtoProductGlucose—2LacticAcidGlucose3.0%3Xylose-5LacticAcidXylose3D%3Arabinose-+5LacticAcidArabinose3.0%Galactose-2LacticAcidGalactose3.0%Mannose—*2LacticAcidMannose3.0%发酵是在950000加仑的容器的分批操作系统中进行的。 发酵的时间定为36小时。加入10%的水解液和营养玉米浆及磷酸氢二钾后接种。发酵罐使用循环泵将冷冻水和冷却水进行循环。（Area900）在2002年的设计中，主要生产罐中的搅拌需求较少了。 主要的反应器（F-300）转速为1000加仑0.03马力。假设在连续高固含量水解反应器中悬浮液会发生大部分的液化以及粘度减少，在厌氧的运动发酵单胞菌发酵中不需要较快的搅拌。表13总结了发酵容器的条件，表 14例出了发酵中发生的反应和转化。基于NREL关于同共发酵微生物最先进的知识，可以假设阿拉伯聚糖有着和木糖一样的转化为乙醇的能力。 和2002年的设计相反，没有假设半乳聚糖和甘露聚糖转化为乙醇 。阿拉伯聚糖遵循木糖化学计量关系，85%能转化为乙醇。吠喃类和乙酸类物质的抑制作用在 ASPEN模型中没有明确定义，也没有可利用的动力学数据，但是在模型中它们可以隐含在静态转化中， 因为这些转化是基于在这些抑制物存在下进行的发酵实验。 NREL对于发酵抑制物的特征和减缓作用进行了研究，但是这些项目的细节超出了这个过程设计报告的范围。Table13.Co-FflrmtntationConditionsOrganismTftmpprihjreInitialfprrripnta^inriOrganismTftmpprihjreInitialfprrripnta^inri笛1川弓.UufIResidencetme1noeuhmlevelComsleepIquor(CSL)levelDhamrrwniumphosphate(DAP)level32*0(96BF)1StotalMid，(147%etJub蚌51%msnluNpw/w)1.5days(36h)10vol%0.25M%0.33o/Lterneniaiionbroth(wholeslurry)Tabi*14.mentationReactiorissndAssumedConversionsReactionR。玳■nt%ConvertedtoProductGlucose•2Eiriand+2C03Glucose-95.L%Glucose+0.047CSL1+0.018DAP,6Zmo出海+24出。Glucose20%Glucose+2H?。t2Glycerol+O3Glucose0.4%Glucose+2CO?»2SuccinicAcid+O?Glucose0.6%3Xylose+RFThanol5CO3XyloseRF,P%Xylose+nm9CSL+0015DAP.57中心底+7H由Xylnfip13%3Xylose+5Hq-5Glycerol+2,5O5Xylose03%XyloseHP*Xylitol+0.5O2Xylo&e4.S%3Xylose*5CO±r5SuccinicAcid*2.5。之Xylose0.9%"torn¥reepliqn(x(匚5L)anddianuijonniniphcsplnte(DAP；arebothnitrogensourcesreq^tredforZ明仁加"3红X网市ThewoiHiou用Tsb(*nabove长onlyusedtobaliiKril;ecompositionssssinedfor1喇口郎叮cellNutneaTreq:niaiifiiTih^venotb找nqjunuzfdindanunimnl.Dutientfomiiibtioibuyertobedefined.含有5.4%乙醇的发酵液被收集在醪液罐中（T-306）。少部分乙醇夹杂在CO2中通过通气洗涤器回收进入醪液罐中beerwell（T-306）。醪液罐保留时间设计为4小时提供一个在发酵和蒸储中surge的能力。经济估算一般的，在这个部分所有设备的原