生物質(zhì)加工的制作方法
【專利說明】生物質(zhì)加工
[00011 本申請為國際申請?zhí)枮镻CT/US2011/024470，國際申請日為2011年2月11日，發(fā)明 名稱為"生物質(zhì)加工"的PCT申請于20 12年8月3日進(jìn)入中國國家階段后申請?zhí)枮?201180007938.0的中國國家階段專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請
[0003] 本申請要求2010年2月17日提交的美國臨時(shí)申請第61/305,281號的優(yōu)先權(quán)。該臨 時(shí)申請的全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
[0004] 背景
[0005] 纖維素和木質(zhì)纖維材料在許多應(yīng)用中大量地生產(chǎn)、加工和使用。這些材料往往使 用一次，然后就作為廢物丟棄，或直接就被當(dāng)做廢棄材料，例如污水、甘蔗渣、鋸肩和秸桿。
[0006] 各種纖維素和木質(zhì)纖維材料、其用途以及應(yīng)用已經(jīng)在美國專利第7,074,918號、第 6,448,307 號、第6,258,876 號、第6,207,729 號、第 5,973,035 號和第 5,952,105 號以及各種 專利申請中描述，這些專利申請包括"FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES"PCT/US2006/ 010648(2006年3月23日提交）和"FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES"美國專利申請公布 第 2007/0045456 號。
[0007] 概述
[0008] -般來講，本發(fā)明涉及含糖材料(例如生物質(zhì)材料或生物質(zhì)衍生材料）、加工這些 材料以改變其結(jié)構(gòu)的方法和由所述結(jié)構(gòu)上改變的材料制成的產(chǎn)品。許多所述方法提供可以 更容易地被各種微生物利用以生產(chǎn)有用中間體和產(chǎn)品（例如，能量、燃料如乙醇、食品或材 料)的材料。
[0009] 本文中公開的方法包括通過非機(jī)械處理的結(jié)構(gòu)改性處理(例如選自由輻射、超聲、 熱解、氧化、蒸汽爆破、化學(xué)處理和其組合組成的組的處理)來處理生物質(zhì)材料以改變所述 材料的結(jié)構(gòu)，并且隨后機(jī)械處理所述結(jié)構(gòu)上改變的材料。在一些實(shí)施方式中，重復(fù)一個(gè)或多 個(gè)這些步驟。例如，所述材料可以經(jīng)受兩次或兩次以上結(jié)構(gòu)改性處理(例如照射），在結(jié)構(gòu)改 性處理之間進(jìn)行機(jī)械處理。在一些實(shí)施方式中，所述生物質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)改性之前進(jìn)行初步 機(jī)械處理(例如）以縮減尺寸。所述初步和隨后的機(jī)械處理可以是相同（例如，剪切，接著在 照射之后再進(jìn)行剪切)或不同（例如，剪切，接著在照射之后進(jìn)行粉碎)的。
[0010] 不希望受理論限制，人們認(rèn)為結(jié)構(gòu)改性處理減弱或部分破壞(例如微裂縫)材料的 內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，隨后的機(jī)械處理打碎或此外進(jìn)一步破壞所述被削弱的結(jié)構(gòu)。這些連續(xù)事件 降低原料的抗性，使處理的原料更容易地被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，例如燃料。所述任選的初步機(jī)械處 理步驟可以例如通過降低材料尺寸或"打開"所述材料用于制備結(jié)構(gòu)改性的原料材料。
[0011] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用本文中描述的方法生產(chǎn)產(chǎn)品的總能量需求往往比僅包括結(jié)構(gòu)改性 處理或初步機(jī)械處理接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性處理的類似方法的總能量需求低。例如，在結(jié)構(gòu)改 性處理之后進(jìn)行一種或多種機(jī)械處理時(shí)，所述結(jié)構(gòu)改性處理可以以更低的能量水平進(jìn)行而 對抗性具有相同或更好的凈效應(yīng)。在照射的情況下，在一些實(shí)施方式中，可以向原料輸送相 對低的劑量，例如小于60Mrad，例如約IMrad至約60Mrad，或約5Mrad至約50Mrad。因此，本文 中描述的方法可以允許以相對低的成本使用通常加工難和能量密集的原料制造中間體或 廣品。
[0012] 然而，可以使用大范圍的輻射劑量。例如，照射的劑量可以是約0.1Mrad至約 500Mrad，約0.5Mrad 至約 200Mrad，約 IMrad 至約 1 OOMrad，或約 5Mrad 至約60Mrad。
[0013] 一方面，本發(fā)明的特征為一種包括機(jī)械處理已經(jīng)經(jīng)受結(jié)構(gòu)改性處理的結(jié)構(gòu)上改性 的生物質(zhì)原料的方法，所述結(jié)構(gòu)改性處理選自由輻射(例如電子束輻射）、超聲、熱解、氧化、 蒸汽爆破、化學(xué)處理和其組合組成的組。
[0014] 一些實(shí)施方式可以包括一種或多種以下特征。機(jī)械處理可以包括選自由切割、碾 磨、按壓、粉碎、剪切和切削組成的組的加工。碾磨可以包括例如使用錘磨機(jī)、球磨機(jī)、膠體 磨、圓錐或錐形磨、盤磨機(jī)、輪碾機(jī)、Wiley粉碎機(jī)或碧谷機(jī)。在一些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)上改性 包括例如用電子束照射，單獨(dú)使用或與本文中描述的一種或多種其它結(jié)構(gòu)改性處理組合使 用。機(jī)械處理可以在環(huán)境溫度下或在減溫下進(jìn)行，例如如在美國專利第12/502,629號中公 開的，其全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。所述方法可以進(jìn)一步包括重復(fù)所述結(jié)構(gòu)改性和 機(jī)械處理步驟一次或多次。例如，所述方法可以包括在機(jī)械處理之后進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)改性 處理。
[0015] 在一些情況下，所述生物質(zhì)原料包含纖維素或木質(zhì)纖維材料。原料可以包括例如 紙、紙制品、木材、木材相關(guān)材料、刨花板、草、稻殼、甘鹿渣、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍 麻、蕉麻、稻草、玉米芯、椰子毛、海藻、海草、微生物材料、改變的纖維素例如醋酸纖維素、再 生纖維素等，或任何這些的混合物。
[0016] 一些方法進(jìn)一步包括將結(jié)構(gòu)上改性、機(jī)械處理的原料與微生物混合，所述微生物 利用所述原料生產(chǎn)中間體或產(chǎn)品，例如能量、燃料例如醇、食品或材料。所述微生物可以是 例如細(xì)菌和/或酶。所述方法可以包括糖化所述結(jié)構(gòu)上改性、機(jī)械處理的原料，并且在一些 情況下發(fā)酵所述糖化產(chǎn)物。
[0017] 所述結(jié)構(gòu)上改性、機(jī)械處理的原料具有可以例如通過糖化允許其被容易地轉(zhuǎn)化成 產(chǎn)物的特性。例如，在一些情況下，所述結(jié)構(gòu)上改性、機(jī)械處理的原料具有至少80%的孔隙 度。
[0018] 本文中使用的短語"結(jié)構(gòu)上改性"生物質(zhì)原料表示以任何方式改變所述原料的分 子結(jié)構(gòu)，包括所述原料的化學(xué)鍵排列、晶體結(jié)構(gòu)或構(gòu)象。所述改變可以是例如晶體結(jié)構(gòu)完整 性的改變(例如通過結(jié)構(gòu)內(nèi)的微裂縫），這可能不通過所述材料結(jié)晶度的衍射測量所體現(xiàn)。 在所述材料結(jié)構(gòu)完整性中的這些改變可以通過測量在不同結(jié)構(gòu)改性處理水平的產(chǎn)物產(chǎn)率 間接測量。此外或或者，在分子結(jié)構(gòu)中的改變可以包括改變材料的超分子結(jié)構(gòu)、材料的氧 化、改變平均分子量、改變平均結(jié)晶度、改變表面積、改變聚合度、改變孔隙度、改變支化度、 接合其它材料、改變結(jié)晶晶疇尺寸或改變總體晶疇尺寸。應(yīng)該注意的是，本文中引用的"結(jié) 構(gòu)改性處理"和機(jī)械處理均用來結(jié)構(gòu)上改性生物質(zhì)原料。機(jī)械處理通過使用機(jī)械手段進(jìn)行， 而結(jié)構(gòu)改性手段使用其它類型的能量(例如輻射、超聲能量或加熱)或化學(xué)手段進(jìn)行。
[0019] 除非另外定義，否則本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語均具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域 一般技術(shù)人員通常理解的相同含義。雖然在本發(fā)明的實(shí)踐或檢測中可以使用與本文中描述 的那些類似或等價(jià)的方法和材料，但是合適的方法和材料如下所述。本文中提到的所有公 布、專利申請、專利和其它參考文獻(xiàn)均全部通過引用結(jié)合在此。如果有沖突，則以本說明書 (包括定義)為準(zhǔn)。此外，所述材料、方法和實(shí)例僅是說明性的并且不希望限制。
[0020] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述和權(quán)利要求書變得顯而易見。
【附圖說明】
[0021] 圖1是說明生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品和副產(chǎn)品的方框圖。
[0022]圖2是說明生物質(zhì)處理和在發(fā)酵過程中使用所述處理的生物質(zhì)的方框圖。
[0023] 詳細(xì)描述
[0024] 使用本文中描述的方法，可以將生物質(zhì)(例如植物生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)和城市廢物 生物質(zhì)）進(jìn)行加工以生產(chǎn)如本文中描述的那些有用中間體和產(chǎn)品。以下描述可以用作原料 材料的纖維素和/或木質(zhì)纖維材料的系統(tǒng)和方法，所述材料是易得的，但是可能通過如發(fā)酵 之類的方法難以進(jìn)行加工。本文中公開的方法包括使生物質(zhì)材料經(jīng)受結(jié)構(gòu)改性處理，例如 選自由輻射、超聲、熱解、氧化、蒸汽爆破、化學(xué)處理和其組合組成的組的處理，并且隨后機(jī) 械處理所述結(jié)構(gòu)上改變的材料。在一些實(shí)施方式中，重復(fù)一個(gè)或多個(gè)這些步驟。例如，如以 下將進(jìn)一步討論的，可以照射材料兩次或兩次以上，在照射步驟之間進(jìn)行機(jī)械處理。在一些 實(shí)施方式中，生物質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)改性處理之前經(jīng)受初步的機(jī)械處理。
[0025] 用于處理生物質(zhì)的系統(tǒng)
[0026]圖1展示了將生物質(zhì)(特別是含有大量纖維素和木質(zhì)纖維組分的生物質(zhì))轉(zhuǎn)化為有 用中間體和產(chǎn)品的過程10。過程10包括初步機(jī)械處理原料（12)例如用于縮減原料110的尺 寸。隨后用結(jié)構(gòu)改性處理（14)處理經(jīng)過機(jī)械處理的原料以使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)改性，例如通過使 所述材料晶體結(jié)構(gòu)中的鍵減弱和產(chǎn)生微裂縫。接下來，使結(jié)構(gòu)改性的材料經(jīng)受進(jìn)一步機(jī)械 處理（16)。該機(jī)械處理可以與初步機(jī)械處理相同或不同。例如，初步處理可以是尺寸縮減 (例如切割)步驟，接著進(jìn)行剪切步驟，而進(jìn)一步地處理可以是粉碎或碾磨步驟。
[0027]不希望受理論限制，人們認(rèn)為結(jié)構(gòu)改性處理破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如通過使材 料的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫。隨后結(jié)構(gòu)改性材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被后來的機(jī)械處理進(jìn)一步破壞， 例如破碎、破裂或斷裂。
[0028] 如果希望在進(jìn)一步加工之前有其它結(jié)構(gòu)變化(例如抗性的降低），那么就可以使所 述材料經(jīng)受其它結(jié)構(gòu)改性處理和機(jī)械處理。
[0029] 接下來，可以用初級加工步驟18(例如糖化和/或發(fā)酵)加工處理的材料以生產(chǎn)中 間體和產(chǎn)品（例如能量、燃料、食品和材料）。在一些情況下，初級加工步驟的輸出物是直接 有用的，但在其它情況下，需要后加工步驟(20)提供的進(jìn)一步加工。例如，在醇的情況下，后 加工可以包含蒸餾，并且在一些情況下還包含變性。
[0030] 圖2展示了系統(tǒng)100,其利用以上描述的步驟處理生物質(zhì)并且隨后在發(fā)酵過程中使 用處理的生物質(zhì)來生產(chǎn)醇。系統(tǒng)100包括模塊1〇2(生物質(zhì)原料在其中進(jìn)行初步機(jī)械處理（以 上步驟12))、模塊104(機(jī)械處理的原料在其中進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性(上面的步驟14)，例如通過照 射)和模塊1〇6(結(jié)構(gòu)改性的原料在其中經(jīng)受進(jìn)一步地機(jī)械處理(上面的步驟16))。如上所 述，模塊106與模塊102可以是相同類型或不同類型。在一些實(shí)施方法中，可以將結(jié)構(gòu)改性的 原料返回模塊102進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)械處理而不是在單獨(dú)的模塊106中進(jìn)一步機(jī)械處理。
[0031] 在這些處理(可以按需要重復(fù)多次以獲得希望的原料性質(zhì)）之后，將處理的原料輸 送到發(fā)酵系統(tǒng)108。混合可以在發(fā)酵期間進(jìn)行，在這種情況下，優(yōu)選相對溫和（低剪切)地進(jìn) 行混合以使對剪切敏感成分(例如酶和其它微生物）的損害最小化。在一些實(shí)施方案中，使 用噴射混合，如在USSN 61/218,832和USSN 61/179,995中描述的，其全部公開內(nèi)容均通過 引用結(jié)合在此。
[0032]再次參考圖2，發(fā)酵產(chǎn)生流入儲(chǔ)罐110的粗乙醇混合物。使用汽提塔112從粗乙醇混 合物中除去水或其它溶劑以及其它非乙醇組分，隨后使用蒸餾單元114(例如精餾器)蒸餾 乙醇。蒸餾可以通過真空蒸餾進(jìn)行。最后，可以使用分子篩116干燥乙醇和/或進(jìn)行變性(如 果有必要），并且輸出到希望的運(yùn)