生物量加工制造技術(shù)

提供了用于改變生物量原料的分子結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括螺桿擠壓加工過程。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
生物量加工本申請是申請日為2009年11月13日、申請?zhí)枮?00980145586.8、專利技術(shù)名稱為“生物量加工”的專利技術(shù)專利申請的分案申請。
本專利技術(shù)涉及加工生物量和由其制備的產(chǎn)物。背景例如以纖維形式的纖維素和木質(zhì)纖維素材料在許多應(yīng)用中以大量產(chǎn)生、加工且使用。通常此類材料使用一次，并且隨后作為廢物拋棄，或僅視為廢物材料，例如污水、甘蔗渣、鋸屑和秸稈。各種纖維素和木質(zhì)纖維素材料、其用途和應(yīng)用已在美國專利號7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中；以及在各種專利應(yīng)用中描述，包括于2006年3月23日提交的“FIBROUSMATERIALSANDCOMPOSITES”，PCT/US2006/010648，和“FIBROUSMATERIALSANDCOMPOSITES”，美國專利申請?zhí)?007/0045456。概述一般地，本專利技術(shù)涉及含碳水化合物的材料(例如，生物量材料或生物素衍生的材料)、制備和加工此類材料的方法(例如，改變其結(jié)構(gòu))、以及由材料制備的產(chǎn)物。例如，本文描述的方法中的許多可以提供相對于天然材料，具有較低不順應(yīng)水平、較低分子量和/或結(jié)晶度的纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料。本文公開的方法中的許多提供了例如與酸、堿或酶更快速反應(yīng)的材料，和/或可以由各種微生物更容易地利用以產(chǎn)生有用產(chǎn)物的材料，所述有用產(chǎn)物例如氫、醇(例如，乙醇或丁醇)、有機(jī)酸(例如，乙酸)、烴、共同產(chǎn)物(例如，蛋白質(zhì))或這些中的任何的混合物。在一個方面，本專利技術(shù)的特征在于這樣的方法，其包括減少生物量的單個小片的一個或多個維度；使用改變生物量的分子結(jié)構(gòu)的處理方法處理生物量，例如粉碎的生物量；和任選地，對生物量實施初級加工加工過程以形成產(chǎn)物。粉碎和處理步驟中的至少一個包括用螺桿擠壓加工加工過程處理生物量原料。處理方法可以包括或進(jìn)一步包括例如照射、超聲處理、熱解和氧化。螺桿擠壓加工加工過程可以例如用于減少原料的維度、使原料變成漿，或螺桿擠壓機(jī)可以用作在其中原料經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器皿，例如沿著其長度傳送原料。螺桿擠壓步驟可以包括使生物量與生物量的分開部分和/或一種或多種其他材料共擠壓，所述其他材料可以是有機(jī)、無機(jī)或兩者的混合物。一種或多種其他材料可以是例如固體或液體，并且在某些情況下可以包括氣態(tài)材料。初級加工加工過程可以是例如發(fā)酵。初級加工加工過程優(yōu)選在螺桿擠壓加工加工過程后和在任何必需解毒步驟后執(zhí)行，例如以去除產(chǎn)生的任何呋喃化合物。例如，在擠壓后，材料可以加入發(fā)酵器皿中，所述發(fā)酵器皿具有例如50,000L、100,000L、500,000L或更多的體積。在某些實現(xiàn)中，處理方法可以包括組合使用的照射和超聲處理。輻射可以是電離輻射，例如以電子束或γ射線的形式。在某些實施方案中，照射包括應(yīng)用2種或更多種輻射源，例如γ射線或x射線(例如，軔致輻射(bremssthrahlungradiation)和電子束，例如其中每個電子已加速至1、2、3、5或甚至10MeV的加速電子束。在某些實施方案中，在使生物量原料暴露于空氣或富含氧或其他氧化氣體的空氣例如臭氧時，對生物量原料執(zhí)行至少一種處理方法例如照射。在具體實施方案中，電子束輻射以約10MRad的總劑量應(yīng)用，并且超聲處理以超過5MJ/m3的總能量應(yīng)用。輻射可以具有例如約100nm–約280nm的波長。輻射可以例如以約10Mrad-約150Mrad的總劑量應(yīng)用，例如以約0.5-約10Mrad/day、或1Mrad/s-約10Mrad/s的劑量率。超聲處理可以以約15kHz-約25kHz、例如約18kHz-22kHz的頻率執(zhí)行。照射可以在超聲處理前，超聲處理可以在照射前，或照射和超聲處理可以同時或大約同時執(zhí)行。在某些情況下，照射可以在螺桿擠壓加工加工過程期間執(zhí)行。生物量原料的分子結(jié)構(gòu)中的改變可以包括生物量的不順應(yīng)水平、平均分子量、平均結(jié)晶度、表面積、聚合度、多孔性、支化度、移植程度、域大小和生物量的分子構(gòu)成中的任何一種或多種中的改變。在某些實施方案中，生物量原料的分子結(jié)構(gòu)中的改變包括生物量的平均分子量和平均結(jié)晶度中的任何一種或兩種中的降低，或生物量的表面積和多孔性中的任何一種或兩種中的增加。在另一個方面，本專利技術(shù)的特征在于制備產(chǎn)物例如易燃燃料的方法，其包括提供包括通過加工過程產(chǎn)生的碳水化合物的材料，所述加工過程包括用輻射、超聲處理、熱解和/或氧化處理生物量原料；對原料實施螺桿擠壓加工過程；并且使材料與微生物接觸，所述微生物具有使至少部分例如至少約1重量％的材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物例如易燃燃料的能力。微生物可以是例如細(xì)菌或酵母。產(chǎn)生的燃料的例子包括氫、醇和烴中的一種或多種。例如，醇可以是乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇或這些的混合物。轉(zhuǎn)變可以包括使材料發(fā)酵為產(chǎn)物，例如易燃燃料。在螺桿擠壓加工過程期間，生物量可以與化學(xué)制品例如氧化劑、酸或堿接觸。在某些實施方案中，該方法不包括用酸或堿使生物量水解。例如，在某些實施方案中，至少約70重量％的生物量是未經(jīng)水解的，例如至少約95重量％的生物量未被水解。在具體實施方案中，基本上無一生物量被水解。在某些實施方案中，螺桿擠壓加工過程對這樣的生物量執(zhí)行，其中小于約25重量％的生物量由液體例如水潤濕。具體地，在某些實施方案中，基本上無生物量由液體潤濕。在25℃下和在50％相對濕度下測量，生物量可以具有例如小于約5重量％的保留水。壓力可以在該方法的一個或多個步驟中利用。例如，在大于約2.5個大氣壓的壓力下，例如大于5或10個大氣壓，可以對生物量執(zhí)行至少一種處理方法，例如輻射。在某些實現(xiàn)中，螺桿擠壓加工過程可以在大于約20個大氣壓的壓力下執(zhí)行，例如約25–約200個大氣壓，或約50–約150個大氣壓。該加工過程可以進(jìn)一步包括在處理步驟之前、之時或之后，使生物量氧化、熱解或蒸汽爆炸。在特定實施方案中，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料通過冷凍研磨得到粉碎。例如，材料可以在冷凍研磨機(jī)中共粉碎，從而使得每種材料冷卻至低于25℃的溫度，例如在0℃或之下，例如在干冰的正常大氣升華溫度或之下、或在液氮的正常大氣沸點或之下。在冷凍研磨機(jī)中研磨生物量在名稱為“CoolingandProcessingMaterials”美國臨時專利申請序列號61/081,709中描述，其通過引用整體合并入本文。生物量原料的例子包括紙、紙制品、紙廢物、木材、刨花板、鋸屑、農(nóng)業(yè)廢物、污水、青貯飼料、草、稻殼、甘蔗渣、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹、劍麻、馬尼拉麻、稻草、玉米軸、玉米秸稈、柳枝稷、苜蓿、干草、稻殼、椰子毛、棉花、合成纖維素、海藻、藻類或這些的混合物。生物量可以是或包括天然或合成材料。在某些實施方案中，生物量包括具有第一個數(shù)量平均分子量的第一種纖維素，并且碳水化合物材料包括具有比第一個數(shù)量平均分子量低的第二個數(shù)量平均分子量的第二種纖維素。例如，第二個數(shù)量平均分子量比第一個數(shù)量平均分子量低超過約一倍。在某些實施方案中，第一種纖維素具有第一個結(jié)晶度，并且第二種纖維素具有比第一個結(jié)晶度低的第二個結(jié)晶度。例如，第二個結(jié)晶度可以比第一個結(jié)晶度低超過約10％。在某些實施方案中，第一種纖維素可以具有第一個氧化水平，并且第二種纖維素具有比第一個氧化水平高的第二個氧化本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
使用螺桿擠壓加工過程加工生物量材料的方法，所述方法包括：傳送一種或多種生物量材料通過螺桿擠壓機(jī)；在螺桿擠壓機(jī)中通過多個貫通螺旋面實施壓縮和剪切力，所述力有效地減少生物量材料的單個小片的一個或多個維度；在傳送生物量材料通過螺桿擠壓機(jī)期間，將所述一種或多種生物量材料暴露于多個掃描電子束發(fā)射器，所述掃描電子束發(fā)射器每個產(chǎn)生所需劑量的電子束輻射；以及產(chǎn)生包含從所述螺桿擠壓加工過程排出的材料的擠出物。

【技術(shù)特征摘要】
2008.11.17 US 61/115,3981.使用螺桿擠壓加工過程加工生物量材料的方法，所述方法包括：傳送一種或多種生物量材料通過螺桿擠壓機(jī)；在所述螺桿擠壓機(jī)中通過多個貫通螺旋面實施壓縮和剪切力，所述剪切力有效地減少所述生物量材料的單個小片的一個或多個維度；在傳送所述一種或多種生物量材料通過螺桿擠壓機(jī)期間，將所述一種或多種生物量材料暴露于多個掃描電子束發(fā)射器，每個所述掃描電子束發(fā)射器產(chǎn)生所需劑量的電子束輻射；所述電子束輻射以1Mrad/秒～10Mrad/秒的劑量率提供，以及產(chǎn)生包含從所述螺桿擠壓加工過程排出的所述一種或多種生物量材料的擠出物。2.權(quán)利要求1的方法，其中所述傳送包括在達(dá)到螺桿擠壓加工過程的所需效應(yīng)之后，將所述一種或多種生物量材料選擇性地前進(jìn)通過孔。3.權(quán)利要求2的方法，其中所述所需效應(yīng)包括以下中一種或多種的改變：生物量材料的不順應(yīng)水平、平均分子量、平均結(jié)晶度、表面積、聚合度、多孔性、支化度、移植程度、域大小、以及生物量材料的分子構(gòu)成。4.權(quán)利要求1的方法，其中所述螺桿擠壓加工過程包括借助于控制加熱或冷卻來在一個或多個區(qū)域內(nèi)控制所述一種或多種生物量材料的溫度。5.權(quán)利要求1的方法，其中所述螺桿擠壓加工過程包括以下元件中的一種或多種：混合元件、磨碎元件、和搓揉元件；以及所述元件有效提供均質(zhì)擠出物。6.權(quán)利要求1的方法，其中所述螺桿擠壓機(jī)包括具有第一筒和第二筒的共擠壓機(jī)。7.權(quán)利要求6的方法，其中傳送第一種生物量材料通過所述第一筒；傳送第二種生物量材料通過所述第二筒。8.權(quán)利要求7的方法，其中在引入所述螺桿擠壓機(jī)之前，所述第一種生物量材料不同于第二種生物量材料。9.權(quán)利要求8的方法，其中所述第一種生物量材料與所述第二種生物量材料的不同在于以下性質(zhì)中的一種或多種：生物量材料的來源、生物量材料的類型、生物量材料的不順應(yīng)水平、平均分子量、平均結(jié)晶度、表面積、聚合度、多孔性、支化度、移植程度...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M·梅多夫，
申請(專利權(quán))人：希樂克公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US