生物質(zhì)自動(dòng)化采樣和分析的系統(tǒng)和方法
【專利說明】生物質(zhì)自動(dòng)化采樣和分析的系統(tǒng)和方法
[0001] 優(yōu)先權(quán) 根據(jù)35use§ 119(e)，本非臨時(shí)專利申請(qǐng)要求2012年5月16日提交的系列號(hào)為 61/647598 且名稱為"SYSTEMS AND METHODS FOR AUTOMATED BIOMASS SAMPLING AND ANALYSIS"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全文以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002] 谷物原料(例如玉米、高粱/蜀黍、大麥、小麥等)、糖(例如甘蔗、甜菜)和生物質(zhì)(例 如木質(zhì)纖維素原料，如柳枝稷、玉米棒和秣草、木料、其他植物材料，或藻類）可用于生產(chǎn)乙 醇。
[0003] 生物質(zhì)包括可直接作為燃料/能源或作為原料在生物精煉廠（如乙醇工廠）加工 為其他生物產(chǎn)品(例如生物燃料，如纖維素乙醇）的植物材料。生物質(zhì)可以包括，例如，收獲 玉米粒期間或之后所得的玉米棒和秣草(例如莖桿和葉子)、來自玉米粒的纖維、柳枝稷、農(nóng) 場(chǎng)或農(nóng)業(yè)殘余物、木片或其他木質(zhì)廢棄物、藻類和其他植物材料。從田地中收獲并采集生物 質(zhì)，并運(yùn)輸至使用或加工地點(diǎn)，以便使用或加工生物質(zhì)。有效地收集和運(yùn)輸生物質(zhì)的方法的 例子之一是生物質(zhì)捆。生物質(zhì)可以在谷物收獲期間或之后進(jìn)行收集和打捆。
[0004] 在從玉米生產(chǎn)乙醇的常規(guī)乙醇工廠中，用淀粉生產(chǎn)乙醇。與之相比，生物精煉廠用 于從生物質(zhì)（例如纖維素原料）生產(chǎn)乙醇，以木質(zhì)纖維素材料(例如纖維素和/或半纖維素） 生產(chǎn)乙醇。對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)備，從而可獲得纖維素材料中的糖(例如來自纖維素的葡萄糖和 來自半纖維素的木糖）并發(fā)酵成為含有乙醇(及其他產(chǎn)物）的發(fā)酵產(chǎn)物。該發(fā)酵產(chǎn)物隨后送 往蒸餾系統(tǒng)中，通過蒸餾和脫水來回收乙醇。其他生物產(chǎn)物，例如木質(zhì)素和有機(jī)酸，同樣可 以作為副產(chǎn)品回收。需要根據(jù)生物質(zhì)的形式和種類或組成成分，來確定如何更有效地準(zhǔn)備 和處理用于生產(chǎn)乙醇的生物質(zhì)。
[0005] 例如，生物質(zhì)捆的水分含量、碳水化合物含量和灰分隨著收獲條件、收獲時(shí)機(jī)、 藏條件等而顯著變化。關(guān)于送到設(shè)施的生物質(zhì)材料的組成成分的信息，直接影響到向乙醇 生產(chǎn)流程中引入的水量、每份加工生物質(zhì)重量的乙醇產(chǎn)量以及整體系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)。因此，在購買 時(shí)知道生物質(zhì)組成成分是有利的，因?yàn)樯镔|(zhì)捆的價(jià)格通常根據(jù)干物質(zhì)而定，且可能根據(jù) 灰分和碳水化合物含量而調(diào)整，從而激勵(lì)農(nóng)民實(shí)施優(yōu)質(zhì)的采集和貯藏過程。對(duì)于農(nóng)民而言， 能夠監(jiān)控倉庫中的生物質(zhì)捆的成分，也是有利的。
[0006] 除了用于纖維素乙醇生產(chǎn)設(shè)施之外，生物質(zhì)還類似地可用于各種各樣的下游應(yīng)用 中，例如作為農(nóng)場(chǎng)牲畜飼料、肥料和堆肥材料、地表覆蓋物等等。在每種應(yīng)用中，確定生物質(zhì) 的水分、碳水化合物和灰分含量，對(duì)于評(píng)估生物質(zhì)產(chǎn)品的質(zhì)量和/或定價(jià)都尤為重要。
[0007] 目前，為了確定生物質(zhì)的水分、碳水化合物和灰分含量，必須將材料經(jīng)過非常費(fèi)力 且可能有害的濕化學(xué)分析。這些分析方法一般包括干燥生物質(zhì)（需要大量時(shí)間）以確定水 分含量。所得的干燥生物質(zhì)可以隨后通過光譜法和/或濕化學(xué)法進(jìn)行碳水化合物和灰分分 析。
[0008] 已知地，近紅外光譜法（NIR)可用于測(cè)定樣品的某些成分?jǐn)?shù)據(jù)；但是，據(jù)證實(shí)，NIR 此前不足以用于生物質(zhì)采樣，因?yàn)樯镔|(zhì)本身的不均勻性、校準(zhǔn)困難以及采集生物樣品的 后勤要求。
[0009] 因此，需要提供用于迅速而準(zhǔn)確地以光譜學(xué)測(cè)定生物質(zhì)組成成分的系統(tǒng)和方法。 此類系統(tǒng)和方法可以在使用生物質(zhì)材料前，向生物質(zhì)使用者提供更好的材料性質(zhì)測(cè)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明涉及用于測(cè)定生物質(zhì)組成成分的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法可以用于衡 量用于任何指定目的的生物質(zhì)的質(zhì)量，且可以用于合理確定生物質(zhì)交易價(jià)格。
[0011] 在一些實(shí)施例中，所述用于分析生物質(zhì)組成成分的系統(tǒng)包括位于采樣區(qū)域的取 芯探頭、將所述取芯探頭采集的芯樣轉(zhuǎn)運(yùn)至分析站點(diǎn)的氣動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)、均質(zhì)化所述芯樣的 樣品均質(zhì)器，以及已對(duì)所述生物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)并為均質(zhì)樣品生成組成成分描述的近紅外分析 儀。
[0012] 在一些實(shí)施例中，取芯探頭的直徑范圍約3英寸且長(zhǎng)度至少16英寸。它可以是螺 旋鉆裝置，或中空取芯鋸。該取芯探頭可以安裝在用于控制該取芯探頭的機(jī)械裝置(例如伸 縮臂）上。
[0013] 樣品均質(zhì)器在芯樣被移送至近紅外分析儀之前，減小芯樣的粒徑并進(jìn)行混合。近 紅外分析儀生成的組成成分描述包括樣品中的灰分、木質(zhì)素和碳水化合物含量。近紅外分 析儀針對(duì)生物質(zhì)的校準(zhǔn)，包括將近紅外掃描結(jié)果與濕化學(xué)法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從開始到結(jié)束， 所述系統(tǒng)操作從抽取芯樣到生成組成成分描述的時(shí)間低于約3-5分鐘。
[0014] 注意，本發(fā)明的上述各種特征可以單獨(dú)或組合實(shí)施。將在下文的發(fā)明詳細(xì)說明中， 結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的上述及其他特征。
[0015] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種用于分析生物質(zhì)組成成分的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：能 夠從一批生物質(zhì)中取得樣品的裝置；能夠?qū)⑺鰳悠窂乃鲅b置轉(zhuǎn)移到分析站點(diǎn)的運(yùn)輸系 統(tǒng)；能夠均質(zhì)化所述樣品以產(chǎn)生均質(zhì)樣品的均質(zhì)機(jī)；以及經(jīng)校準(zhǔn)以用于分析所述生物質(zhì)組 成成分的近紅外分析儀。所述近紅外分析儀能夠生成所述均質(zhì)樣品的組成成分描述。
[0016] 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種用于分析生物質(zhì)的方法，所述方法包括：從一批 生物質(zhì)中取得至少一個(gè)樣品；將所述至少一個(gè)樣品轉(zhuǎn)運(yùn)至分析站點(diǎn)；均質(zhì)化所述至少一個(gè) 樣品以生成均質(zhì)樣品；以及以近紅外分析儀分析所述均質(zhì)樣品以生成組成成分描述。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地確定本發(fā)明，下面將以舉例方式，通過引用以下附圖來描述一些實(shí) 施例： 圖1是包含纖維素乙醇生產(chǎn)設(shè)施的生物精煉廠的透視圖。
[0018] 圖2是用于在纖維素乙醇生產(chǎn)設(shè)施中接收和準(zhǔn)備生物質(zhì)的系統(tǒng)的原理示意圖。
[0019] 圖3是一種用于準(zhǔn)備、預(yù)處理和分離生物質(zhì)的裝置的系統(tǒng)方框圖。
[0020] 圖4是一個(gè)實(shí)施例中，用于對(duì)生物質(zhì)樣品進(jìn)行收集、處理和近紅外分析的系統(tǒng)的 系統(tǒng)方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面將引用如附圖所示的數(shù)個(gè)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。下文中列舉了許 多具體細(xì)節(jié)，用于提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。但顯然，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言， 可以在無需一些或全部所述具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施這些實(shí)施例。在其他一些實(shí)施例中，為 了避免使本發(fā)明變得不必要地含糊不明，省略了一些眾所周知的工藝步驟和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)細(xì) 節(jié)。通過附圖和以下說明，可以更好地理解實(shí)施例的特征和有益效果。
[0022] 本發(fā)明涉及對(duì)生物質(zhì)樣品的收集、處理和近紅外（NIR)分析，以便可在生產(chǎn)過程中 使用該生物質(zhì)之前(例如在生物質(zhì)預(yù)處理的初始步驟之前)，測(cè)定大宗生物質(zhì)的性質(zhì)。在一 些實(shí)施例中，取樣并測(cè)試的所述大宗生物質(zhì)可以包括仍處于送達(dá)用戶設(shè)施(例如纖維素乙 醇生產(chǎn)設(shè)施)時(shí)的形式、基本尚未處理的生物質(zhì)材料。該送達(dá)的大宗生物質(zhì)的形式可以是散 裝或成捆的農(nóng)業(yè)殘余物、柳枝稷或其他生物質(zhì)農(nóng)作物或其他有機(jī)材料。
[0023] 該生物質(zhì)可在纖維素生物精煉廠中最終處理為乙醇或其他生物源化學(xué)物質(zhì)?？蛇x 地，該生物質(zhì)可用作動(dòng)物鋪墊、牲畜飼料、地表覆蓋或肥料，以及其他已知或未來可知的應(yīng) 用。本公開主要將集中在生物質(zhì)作為纖維素乙醇生產(chǎn)原材料的用途上，其中對(duì)用于乙醇生 產(chǎn)的生物質(zhì)的詳細(xì)公開的目的僅在于提供該生物質(zhì)用途的實(shí)施示例，這些示例不應(yīng)當(dāng)以任 何方式將這些實(shí)施例的范圍限制在用于任何特定目的的生物質(zhì)上。
[0024] 基于以上任一目的，生物質(zhì)成分的信息有助于獲得合理的處理?xiàng)l件、準(zhǔn)確且性價(jià) 比高的材料支付方式以及適當(dāng)?shù)呐淞?利用率。例如，在生產(chǎn)乙醇的生物精煉廠中，碳水化 合物含量高的生物質(zhì)在購買時(shí)可以獲得溢價(jià)，乙醇產(chǎn)量更高，且與碳水化合物含量較低的 材料相比，獲得預(yù)期效能所需的投放率更低。相反，對(duì)于特定的飼養(yǎng)目的，也可能同樣需要 高纖維含量。通過測(cè)定生物質(zhì)性質(zhì)，能夠最好地利用材料。
[0025] 如上所述，可以使用多種方法來測(cè)定生物質(zhì)組成和質(zhì)量。這些系統(tǒng)和方法的缺點(diǎn) 在于，長(zhǎng)期來看成本高昂（在采集過大量樣本后)，需要專門人員的操作，具有潛在危害，且 由于規(guī)模原因和材料的不均勻性質(zhì)而無法有效地應(yīng)用于大宗生物質(zhì)貨物。因此，在此公開 了用于克服這些技術(shù)和后勤困難的機(jī)構(gòu)，從而在從前認(rèn)為不實(shí)際的規(guī)模上提供生物質(zhì)性質(zhì) 測(cè)定的可靠方法。
[0026] 本方法使用光譜法，包括紅外尤其是近紅外光譜法，來進(jìn)行生物質(zhì)的化學(xué)分析或 組成成分描述(即對(duì)生物質(zhì)各種生物成分的類型和含量的描述)。
[0027] 希望在組成成分描述中標(biāo)識(shí)的生物質(zhì)樣品化學(xué)成分及其含量或相對(duì)含量的例子 包括以下的一種或多種：水(水分含量)、纖維素(葡聚糖)、木質(zhì)素、半纖維素、淀粉、灰分、木 聚糖、阿拉伯聚糖、醋酸纖維等其他所需成分。該分析(即組成成分描述)的結(jié)果對(duì)關(guān)于受試 生物質(zhì)的價(jià)值或其使用或處理方式的相關(guān)決策均是有用的，例如：對(duì)受試生物質(zhì)應(yīng)支付的 價(jià)值或價(jià)格；該生物質(zhì)的用途(例如，是否將該生物質(zhì)處理形成乙醇，用該生物質(zhì)來提取或 處理不同的化學(xué)成分，或用該生物質(zhì)當(dāng)做青貯飼料）；或確定處理?xiàng)l件，或隨后處理步驟中 向該生物質(zhì)添加的添加劑及其用量。
[0028] 優(yōu)選地，在開始生物質(zhì)處理之前測(cè)試生物質(zhì)并產(chǎn)生組成成分描述。從生物質(zhì)中采 得生物質(zhì)樣品；該樣品可以在大宗生物質(zhì)送達(dá)生產(chǎn)或處理設(shè)施時(shí)從該大宗生物質(zhì)中獲??； 該樣品可以是從該設(shè)施接收到的一批生物質(zhì)中抽取的樣品(例如芯樣)，例如當(dāng)該生物質(zhì)仍 位于運(yùn)載車輛(例如卡車、拖車、軌道車或其他運(yùn)輸或運(yùn)載車輛）上時(shí)采樣。
[0029] 該樣品可以通過樣品均質(zhì)化來處理，例如研磨該樣品，并混合研磨后的樣品以獲 得可