生物質(zhì)的處理的制作方法
【專利說(shuō)明】生物質(zhì)的處理
[0001] 本申請(qǐng)要求2012年10月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/711，807和2012 年10月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/711，801的優(yōu)先權(quán)。這些申請(qǐng)的全部公開內(nèi) 容以引用的方式并入本文。
[0002] 背景
[0003] 隨著對(duì)石油的需求增加，對(duì)用于制造生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)的可再生原料的興 趣也在增加。自20世紀(jì)70年代以來(lái)已對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為用于所述制造方法的原料 的用途進(jìn)行了研宄。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)因其豐富、可再生、在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，并且不與食品工業(yè) 用途競(jìng)爭(zhēng)而具有吸引力。
[0004] 現(xiàn)今可獲得許多潛在的木質(zhì)纖維素原料，包括例如農(nóng)業(yè)殘余物、木質(zhì)生物質(zhì)、城市 廢物、油籽/油餅以及海草，僅舉幾例。目前這些材料用作動(dòng)物飼料、生物堆肥材料、在聯(lián)產(chǎn) 設(shè)施中燃燒抑或被填埋。
[0005] 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包括嵌入半纖維素基質(zhì)中由木質(zhì)素圍繞著的晶體纖維素原纖 維。這樣產(chǎn)生緊湊基質(zhì)，所述緊湊基質(zhì)難以由酶以及其它化學(xué)、生物化學(xué)和生物方法接近。 纖維素生物質(zhì)材料（即，已基本上除去所有木質(zhì)素的生物質(zhì)材料）可以更易于由酶和其它 轉(zhuǎn)化方法接近，但是即便如此，天然存在的纖維素材料當(dāng)與水解酶接觸時(shí)通常具有低產(chǎn)率 (相對(duì)于理論產(chǎn)率）。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)甚至更難以受酶攻擊。此外，每種類型的木質(zhì)纖維 素生物質(zhì)具有其自身特定的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。
[0006] 雖然多種方法已試圖從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中提取結(jié)構(gòu)性碳水化合物，但其不是過(guò) 于昂貴、生產(chǎn)產(chǎn)率過(guò)低、在所得產(chǎn)物中留有不期望的化學(xué)物質(zhì)，就是僅降解糖類。
[0007] 來(lái)自可再生生物質(zhì)源的單糖可以通過(guò)代替、補(bǔ)充或取代石油和其它化石原料而成 為化學(xué)和燃料工業(yè)的基礎(chǔ)。然而，需要開發(fā)將使得可大量并且以可接受的純度和價(jià)格獲得 這些單糖的技術(shù)。
[0008] 概述
[0009] 本文描述處理生物質(zhì)材料的方法，其中所述方法包括使電子束穿過(guò)多個(gè)窗口箔并 進(jìn)入所述生物質(zhì)材料中。所述多個(gè)窗口箔可包括冷卻的窗口箔的系統(tǒng)。
[0010] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于冷卻掃描式電子束加速器的主要和次要箔 窗口的方法和系統(tǒng)。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及用于冷卻掃描式電子束加速器的主要和次要箔窗 口并且照射材料（例如生物質(zhì)材料）的方法和系統(tǒng)。
[0012] 提供一種用于產(chǎn)生處理的生物質(zhì)材料的方法，其中所述方法包括：提供起始生物 質(zhì)材料；以及使電子束穿過(guò)多個(gè)窗口箔進(jìn)入起始生物質(zhì)材料中；從而產(chǎn)生處理的生物質(zhì)材 料。處理的生物質(zhì)材料可具有相對(duì)于起始生物質(zhì)材料更低的不順應(yīng)性水平。所述多個(gè)窗口 箔可包括氣體冷卻的窗口箔的系統(tǒng)。
[0013] 還提供一種用于冷卻電子束加速器的多個(gè)單型窗口箔的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包 括：用于提供經(jīng)過(guò)主要單型窗口箔的第一冷卻氣體的第一流動(dòng)路徑和用于提供經(jīng)過(guò)次要單 型窗口箔的第二冷卻氣體的第二流動(dòng)路徑，其中主要和次要單型窗口箔定位成在它們之間 具有小于約9cm的間隙?；蛘撸绻娮邮铀倨鞯哪芰枯^高，那么可使用更大的間隙?？?使用大至75cm的間隙。
[0014] 還提供一種用于冷卻電子束加速器的多個(gè)單型窗口箔的方法，其中所述方法包 括：使第一冷卻氣體經(jīng)過(guò)主要單型窗口箔以及使第二冷卻氣體經(jīng)過(guò)次要單型窗口箔，其中 主要和次要單型窗口箔被面向彼此定位成在它們之間具有小于約9cm的間隙。
[0015] 氣體冷卻的窗口箔的系統(tǒng)可包括：附接至電子束加速器的掃描盒的主要單型窗口 箔；定位在掃描盒的大氣側(cè)上的次要單型窗口箔；提供經(jīng)過(guò)主要單型窗口箔的第一冷卻氣 體的第一流動(dòng)路徑；提供經(jīng)過(guò)次要單型窗口箔的第二冷卻氣體的第二流動(dòng)路徑；以及在主 要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間隙。氣體冷卻的窗口箔的系統(tǒng)可還包括：具有由 一個(gè)或多個(gè)壁、主要單型窗口箔和次要單型窗口箔限定的內(nèi)部體積的冷卻腔室，其中所述 冷卻腔室包括：第一入口，其允許第一冷卻氣體進(jìn)入所述內(nèi)部體積；任選的第二入口，其允 許任選使用的第二冷卻氣體進(jìn)入所述內(nèi)部體積；以及至少一個(gè)出口，其允許第一冷卻氣體 和第二冷卻氣體離開所述內(nèi)部體積。冷卻腔室可包括四個(gè)壁并且內(nèi)部體積可為近似矩形棱 柱的形狀。氣體冷卻的窗口箔的系統(tǒng)可還包括具有蓋表面的處理外殼，其中所述外殼定位 在次要單型窗口箔的與電子束加速器相反的一側(cè)上。次要單型窗口箔可安裝在蓋表面上。 蓋表面可垂直于電子束加速器。處理外殼可具有第一開口。
[0016] 所述方法和系統(tǒng)還可包括以下步驟：通過(guò)第一開口輸送生物質(zhì)材料；將生物質(zhì)材 料定位在次要單型窗口箔的下方；以及照射生物質(zhì)材料；從而產(chǎn)生處理的生物質(zhì)材料。處 理外殼可包括第二開口。所述方法可包括通過(guò)第二開口將處理的生物質(zhì)材料輸送出處理外 殼的步驟。定位所述生物質(zhì)可以是瞬時(shí)的，即，定位步驟可包括在連續(xù)移動(dòng)的輸送帶上輸送 所述材料。
[0017] 所述方法還可包括用惰性氣體或反應(yīng)性氣體吹掃處理外殼。
[0018] 主要單型窗口箔可由選自由以下組成的組的元素制成：鈦、鈧、釩、鉻、鎳、鋯、鈮、 鉬、釕、銠、鈀、鉿、鉭、鎢、錸、鉑、銥，和任何這些的合金或混合物。
[0019] 或者，次要單型窗口箔可由選自由以下組成的組的元素制成：鈦、鈧、釩、鉻、鎳、 錯(cuò)、銀、鉬、釕、銘、鈕、鉿、鉭、鶴、錸、鉬、銥、鈹、錯(cuò)、娃，和任何這些的合金或混合物。
[0020] 主要單型窗口箔和次要單型窗口箔可由相同的元素、合金或混合物制成，或者它 們可由不同的元素、合金或混合物制成。主要單型窗口箔或次要單型窗口箔或兩者可由低 Z元素制成。主要單型窗口箔可由高Z元素制成，而次要單型窗口箔可由低Z元素制成。
[0021] 主要單型窗口箔可為10至50微米厚、15至40微米厚、20至30微米厚、5至30微 米厚、8至25微米厚或10至20微米厚。單型窗口箔可為相同厚度或不同厚度。
[0022] 起始生物質(zhì)材料選自由以下組成的組：纖維素材料、木質(zhì)纖維素材料和淀粉質(zhì)材 料。生物質(zhì)可為紙、紙制品、廢紙、木材、刨花板、鋸末、農(nóng)業(yè)廢棄物、污水、青貯飼料、草、小麥 秸桿、稻殼、甘蔗渣、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、秸桿、玉米穗軸、玉米秸桿、苜 蓿、干草、椰子毛、海草、海藻以及它們的混合物。
[0023] 可用10至200Mrad的福射、10至75Mrad的福射、15至50Mrad的福射或20至 35Mrad的福射處理生物質(zhì)。
[0024] 電子束可包括具有約 0· 5-10MeV、約 0· 8_5MeV、約 0· 8_3MeV、約 l_3MeV 或約 IMeV 的能量的電子。
[0025] 電子束可具有至少約50mA、至少約60mA、至少約70mA、至少約80mA、至少約90mA、 至少約100mA、至少約125mA、至少約150mA的射束電流。
[0026] 電子束可包括具有約IMeV的能量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口 箔之間的間距可為小于約30厘米。電子束可包括具有約IMeV的能量的電子，并且主要單 型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可為小于20厘米。電子束可包括具有約IMeV的能 量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可為小于10厘米。
[0027] 或者，電子束可包括具有約5MeV的能量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單型 窗口箔之間的間距可為小于75厘米。電子束可包括具有約5MeV的能量的電子，并且主要 單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可為小于60厘米。電子束可包括具有約5MeV的 能量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可為小于50厘米。電子束 可包括具有約5MeV的能量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可 為小于40厘米。電子束可包括具有約5MeV的能量的電子，并且主要單型窗口箔與次要單 型窗口箔之間的間距可為小于30厘米。電子束包括具有約5MeV的能量的電子，并且主要 單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距可為小于20厘米。
[0028] 本文描述方法和系統(tǒng)可包括射束阻擋件。
[0029] 本發(fā)明討論的方法和系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，方法更穩(wěn)健并且產(chǎn)生更少的因箔窗口 故障所致的停機(jī)時(shí)間。具體地說(shuō)，多個(gè)窗口系統(tǒng)極大地降低了主要窗口故障/內(nèi)爆的可能 性，故障/內(nèi)爆會(huì)破壞昂貴的加速器部件。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，相對(duì)于一些常規(guī)方法，毒性副 產(chǎn)物的產(chǎn)生減少。這些優(yōu)點(diǎn)提供了更安全且更穩(wěn)健的加工，例如在生產(chǎn)有用的產(chǎn)物中更高 且更安全的流通量。所描述的一些方法和系統(tǒng)的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可用高流速的冷卻氣體 進(jìn)行箔窗口的冷卻，而不干擾用于照射的材料。一些方法和系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，窗口箔 之間的間隙允許射束阻擋件可移除地放置在窗口之間。
[0030] 本發(fā)明的實(shí)施方式可任選地包括以下總結(jié)的特征中的一個(gè)或多個(gè)。在一些實(shí)施方 式中，可以任何次序應(yīng)用或使用所選擇的特征，而在其它實(shí)施方式中應(yīng)用或使用特定選擇 的順序。可在任何順序中應(yīng)用或使用單獨(dú)特征多于一次。此外，所應(yīng)用或使用的特征的整 個(gè)順序或順序的一部分可以任何次序一次或重復(fù)地應(yīng)用或使用。在一些任選的實(shí)施方式 中，如由本領(lǐng)域的技術(shù)人員所確定，可用不同的或在適用情況下相同的、設(shè)定的或變化的定 量或定性參數(shù)來(lái)應(yīng)用或使用所述特征。例如，如由本領(lǐng)域技術(shù)人員所確定，在適用情況下可 改變或設(shè)定特征參數(shù)如大小、單獨(dú)尺寸（例如長(zhǎng)度、寬度、高度）、位置、程度（例如，到何種 程度如不順應(yīng)性程度）、持續(xù)時(shí)間、使用頻率、密度、濃度、強(qiáng)度以及速度。
[0031] 一種通過(guò)使電子束穿過(guò)多個(gè)窗口進(jìn)入生物質(zhì)材料中來(lái)照射生物質(zhì)材料的方法。通 過(guò)所述照射減少了生物質(zhì)的不順應(yīng)性。多個(gè)窗口中的至少一個(gè)是金屬箔。主要單型窗口 箔位于電子束加速器的掃描盒的高真空側(cè)上，而次要窗口定位于掃描盒的大氣側(cè)上。在一 方面，主要單型窗口箔和次要窗口為同一電子束結(jié)構(gòu)的部分并且通過(guò)冷卻氣體來(lái)冷卻所述 箔。在一種配置中，主要窗口箔和次要窗口箔都具有冷卻氣體。在另一方面，主要窗口箔位 于電子束加速器的掃描盒的真空側(cè)上并且存在具有蓋表面的處理外殼，其中外殼定位在次 要單型窗口箔的與電子束加速器相反的一側(cè)上，并且次要單型窗口箔安裝在蓋表面上，所 述蓋表面垂直于電子束加速器并且與處理外殼機(jī)械地一體形成。
[0032] 一種加工生物質(zhì)的方法，其中將生物質(zhì)輸送到處理外殼的第一開口中，定位在次 要單型窗口箔的下方并且照射它，隨后將經(jīng)照射的生物質(zhì)從外殼的第二開口輸送出來(lái)?？?用惰性氣體、反應(yīng)性氣體或這些氣體的混合物吹掃處理外殼的氣態(tài)空間。
[0033] 窗口箔可由選自由以下組成的組的元素制成：鈦、鈧、釩、鉻、鎳、鋯、鈮、鉬、釕、銠、 鈀、鉿、鉭、鎢、錸、鉑、銥、鈹、鋁、硅，和任何這些的合金或混合物。窗口箔可由先前列出的相 同或不同的元素或合金制成。窗口箔可由低Z元素制成并且單型主要窗口可由高Z元素制 成。主要單型窗口箔為10至50微米厚，或者15微米至40微米，任選地為20至30微米厚。 次要單型窗口箔為5至30微米厚，或者8微米至25微米，任選地為10至20微米厚。窗口 箔可具有不同厚度。
[0034] 起始生物質(zhì)材料選自由以下組成的組：纖維素材料、木質(zhì)纖維素材料和淀粉質(zhì)材 料，并且可選自由以下組成的組：紙、紙制品、廢紙、木材、刨花板、鋸末、農(nóng)業(yè)廢棄物、污水、 青貯飼料、草、小麥秸桿、稻殼、甘蔗渣、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、秸桿、玉米 穗軸、玉米秸桿、苜蓿、干草、椰子毛、海草、海藻以及它們的混合物。用10至200Mrad的輻 射、任選地10至75Mrad、替代地15至50Mrad并且進(jìn)一步任選地20至35Mrad的輻射處 理生物質(zhì)。對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行處理，其中電子束具有0. 5至lOMeV、任選地0. 8至5MeV、替代地 0. 8至3MeV并且進(jìn)一步任選地1至3MeV的能量。對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行處理，其中電子束具有至少 50mA、替代地至少60mA、任選地至少70、進(jìn)一步任選地至少80mA、替代地至少90mA、替代地 至少100mA、任選地至少125mA并且進(jìn)一步任選地至少150mA的射束電流。用具有約IMeV 的電子的電子束對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行處理，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距小 于30厘米，替代地間距小于20厘米并且任選地間距小于10厘米。或者，使用具有約5MeV 的電子的電子束，并且主要單型窗口箔與次要單型窗口箔之間的間距小于75厘米，替代地 間距小于60厘米，任選地間距小于50厘米，任選地間距小于40厘米，替代地小于30厘米， 并且替代地小于20厘米。
[0035] 在所述處理方法中，電子束加速器具有射束阻擋件，射束阻擋件可以是能移動(dòng)的 以吸收不同水平的電子。射束阻擋件和其配置可吸收入射電子能的10 %、20 %、40 %、60 %、 80%和 96%。
[0036] 所述方法和系統(tǒng)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下詳細(xì)描述以及根據(jù)權(quán)利要求而顯 而易知。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為示出生物質(zhì)材料到有用產(chǎn)物的示例性加工的圖。
[0038] 圖2為示出包括在惰性氣氛中的生物質(zhì)照射的示例性加工的圖。
[0039] 圖3為用于照射生物質(zhì)原料的封閉的輸送機(jī)的圖示。
[0040] 圖4A為封閉的輸送機(jī)和具有冷卻窗口的掃描盒的放大截面圖。圖4B示出包括射 束阻擋件的放大截面圖的不同配置。圖4C為封閉的輸送機(jī)的放大截面圖圖示，其中樞轉(zhuǎn)射 束阻擋件阻擋電子。
[0041] 圖5為穿過(guò)掃描盒的深度的截面圖。
[0042] 詳述
[0043] 本文描述一種用于照射生物質(zhì)材料的方法，所述方法促進(jìn)所述材料轉(zhuǎn)化成有用產(chǎn) 物并且改善從生物質(zhì)材料得到所述產(chǎn)物的產(chǎn)率。本文所述的處理方法因此適用于產(chǎn)生用于 在其它過(guò)程中使用的生物質(zhì)原料。
[0044] 本文公開的方法可有效地降低生物質(zhì)材料的不順應(yīng)性水平，從而改善其在有用中 間體和產(chǎn)物的生產(chǎn)中用作原料的效用。所要求的方法使生物質(zhì)材料更容易通過(guò)諸如生物 加工（例如，使用本文所述的任何微生物，如同型產(chǎn)乙酸菌（homoacetogen)或異型產(chǎn)乙酸 菌（heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶）、熱加工（例如，氣化或熱解）或化學(xué)加 工（例如，酸水解或氧化）的方法進(jìn)行加工。旨在用作原料的生物質(zhì)材料可使用本文所述 的任何方法中的一種或多種進(jìn)行處理或加工，諸如機(jī)械處理、化學(xué)處理、照射、聲波處理、氧 化、熱解或蒸汽爆炸。各種處理系統(tǒng)和方法可與這些技術(shù)或本文以及別處描述的其它技術(shù) 中的兩種、三種或甚至四種或更多種方法組合使用。
[0045] 然后可將糖化的生物質(zhì)制造成各種產(chǎn)物。例如，圖1示出用于制造糖和其它有用 產(chǎn)物（例如）醇的方法。所述方法可包括例如任選地對(duì)原料進(jìn)行機(jī)械處理（步驟110)，在 此處理之前和/或之后，對(duì)原料進(jìn)行另一物理處理，例如通過(guò)本文所述的方法進(jìn)行照射，以 進(jìn)一步減少其不順應(yīng)性（步驟112)，以及將原料糖化，以形成糖溶液（步驟114)。任選地， 所述方法還可包括例如通過(guò)管道、有軌車、卡車或駁船來(lái)將溶液（或原料、酶和水，如果糖 化在途中執(zhí)行）運(yùn)輸至制造廠（步驟116)。在一些情況下，可對(duì)糖化的原料進(jìn)行進(jìn)一步生 物加工（例如，發(fā)酵）以產(chǎn)生所希望的產(chǎn)物（步驟118)和副產(chǎn)物（111)。在一些實(shí)施方式 中，所得產(chǎn)物可例如通過(guò)蒸餾（步驟120)來(lái)進(jìn)一步加工。如果需要，可在所述方法的各個(gè) 階段進(jìn)行測(cè)量木質(zhì)素含量（步驟122)以及基于此測(cè)量設(shè)定或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（步驟124)的 步驟，例如，如在2010年2月11日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?010/0203495 Al中所描述，所述申 請(qǐng)的完整公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0046] 圖2示出照射方法。此方法可以是圖1中所描述的方法的一部分，或者它可以是 單獨(dú)方法的一部分。起初，可將生物質(zhì)傳送至輸送機(jī)（150)。任選地，可將