生物量加工制造技術

加工生物量(例如，植物生物量、動物生物量、微生物和城市廢物生物量)以產生有用產物，例如燃料。例如，系統可以使用原料材料例如纖維素和/或木質纖維素材料和/或淀粉質或含糖材料，以通過發酵產生乙醇和/或丁醇。

【技術實現步驟摘要】
本申請為國際申請號為PCT/US2009/041942，國際申請日為2009年4月28日，專利技術名稱為“生物量加工”的PCT申請于2010年12月28日進入中國國家階段后申請號為200980124452.8的中國國家階段專利申請的分案申請。
本專利技術涉及加工生物量，例如用于加工生物量的方法和系統。背景例如以纖維形式的各種碳水化合物，例如纖維素和木質纖維素材料在許多應用中以大量產生、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。概述生物量可以進行加工，以在一個或多個水平下改變其結構。經加工的生物量可以例如用作材料和/或燃料來源。一般而言，本專利技術涉及改變生物量原料的分子和/或超分子結構的方法。如下所述，在某些實現中，該方法包括照射和淬滅生物量原料。在其他實現中，該方法包括照射原料、冷卻原料且再次照射原料。可以加工含碳水化合物材料(例如，生物量材料或生物量衍生的材料，例如淀粉質材料、纖維素材料、木質纖維素材料、或者其是或包括顯著量低分子量糖(例如，單糖、二糖或三糖)的生物量材料，以改變其結構，并且可以由結構上改變的材料制備產物。例如，本文公開的方法中的許多可以提供了相對于天然材料，具有低分子量和/或結晶度的纖維素和/或木質纖維素材料。本文公開的方法中的許多提供了可以由多種微生物更容易地利用以產生有用產物的材料，所述有用 產物例如氫、醇(例如，乙醇或丁醇)、有機酸(例如，乙酸)、烴、共同產物(例如，蛋白質)或這些中的任何的混合物。所獲得的產物中的許多例如乙醇或正丁醇可以用作燃料用于給小汽車、貨車、牽引機、船只或列車提供動力，例如作為內部燃料材料或作為燃料電池原料。所獲得的產物中的許多還可以用于給飛行器例如具有噴氣發動機的例如飛機或直升機提供動力。此外，本文描述的產物可以用于電力產生，例如在常規蒸汽發電廠或燃料電池工廠中。在一個方面，本專利技術的特征在于這樣的方法，其包括使生物量原料淬滅，所述生物量原料已進行照射，以使生物量原料電離，從而使得原料具有用電子自旋共振光譜儀可檢測的第一個原子團水平，所述淬滅至原子團處于低于第一個水平的第二個水平的程度。在另一個方面，本專利技術的特征在于這樣的方法，其包括照射生物量原料，以使生物量原料電離，從而使得原料具有用電子自旋共振光譜儀可檢測的第一個原子團水平，并且使經照射的生物量原料淬滅至經淬滅的生物量原料中的原子團處于低于第一個水平的第二個水平的程度。某些方法進一步包括加工經照射且經淬滅的生物量原料以產生產物。某些實現包括下述特征中的一種或多種。淬滅可以包括使原子團淬滅至用電子自旋共振光譜儀無法檢測的水平，例如小于約1014自旋。淬滅可以包括對生物量應用壓力，例如超過約1000psi的壓力。壓力可以連同熱的應用一起應用。淬滅可以包括使生物量和能夠與原子團反應的氣體相接觸，例如使生物量和能夠穿透到生物量內且與原子團反應的流體相接觸。淬滅還可以或備選地包括使生物量與抗氧化試劑相接觸。在某些情況下，生物量原料包括在其中分散的抗氧化試劑，并且淬滅可以包括使生物量原料中分散的抗氧化試劑與原子團相接觸。在另一個方面，本專利技術的特征在于包括使用儀器照射生物量原料的方法，所述儀器包括配置為加速粒子例如電子或離子的加速器，所 述生物量原料已通過減少生物量原料的單個小片的一個或多個尺度進行制備，其中所述儀器能夠加工超過1,000噸生物量材料/年，例如超過10,000、25,000、50,000、100,000、或甚至超過1,000,000噸生物量/年。在一個進一步的方面，本專利技術的特征在于例如用電子或離子的電離輻射照射生物量原料，以改變生物量原料的分子和/或超分子結構，使生物量原料冷卻，并且隨后再次照射生物量原料。輻射的2次應用可以是相同或不同的，例如相同種類，例如以相同水平的電子。本專利技術的特征還在于通過這些方法產生的產物和用于執行方法的系統。這些方法的某些實現包括下述特征中的一種或多種。生物量原料可以冷卻至這樣的程度，在冷卻后，生物量處于低于其在照射前的起始溫度的溫度。生物量的冷卻可以包括使生物量與在低于生物量的起始溫度或低于照射后的生物量溫度的溫度的流體相接觸。在生物量原料在流體中由空氣作用傳送時，可以執行生物量原料的每次照射。輻射可以在生物量原料在重力的影響下落下時應用。例如，生物量可以由在第一個高度上的第一條帶傳送，并且通過在低于第一個水平的第二個水平上的第二條帶捕獲，第一條帶的后緣和第二條帶的前緣限定缺口，并且電離輻射可以在限定缺口中應用于生物量原料。在照射過程中，生物量可以傳送經過粒子槍且通過帶電粒子束。生物量原料在束下和/或上的區域中可以具有小于約0.25g/cm3的堆密度。在另一個方面，本專利技術的特征在于改變在包括至少約10重量％的低分子量糖的生物量原料中的淀粉質材料或低分子量糖例如蔗糖的分子結構和/或超分子結構的方法。該方法包括加工經處理的生物量原料以產生產物，所述經處理的生物量原料已通過使用預處理方法預處理生物量原料進行制備，所述預處理方法改變淀粉質材料或低分子量糖部分的分子結構和/或超分子結構，選自輻射、超聲處理、熱解和氧化。在另一個方面，本專利技術的特征在于用選自輻射、超聲處理、熱解和氧化的至少一種方法處理包括淀粉質材料的生物量原料的方法，以改變淀粉質材料的分子結構和/或超分子結構。在某些實現中，本專利技術的上述方面中的任何包括下述特征中的一種或多種。該方法可以進一步包括用一種或多種其他預處理方法處理生物量原料，其中所述其他預處理方法選自超聲處理、熱解和氧化。輻射可以以電子束的形式，其可以例如以約10MRad-約50Mrad的總劑量應用。輻射可以是電離輻射。加工可以包括制備易燃燃料。在某些情況下，加工包括利用微生物轉變經照射的材料，所述微生物具有使至少約1重量％的生物量轉變成燃料的能力。在某些實現中，加工包括使原料需氧或厭氧發酵，以產生產物例如燃料，例如乙醇。例如，加工可以包括使原料與微生物相接觸，所述微生物具有使至少部分例如至少約1重量％的原料轉變成產物的能力。微生物可以是天然微生物或經改造的微生物。例如，微生物可以是細菌例如分解纖維素的細菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻類，原生動物或真菌樣原生生物例如粘菌。當生物相容時，可以利用混合物。產物可以包括氫、有機酸、蛋白質、烴和醇(例如乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇)及其混合物中的一種或多種。通過本文公開的方法可以產生的產物的其他例子包括單和多功能C1-C6烷基醇、單和多功能羧酸、C1-C6烴及其組合。醇的其他例子包括甲醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油及其組合。羧酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕櫚酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亞油酸、羥乙酸、乳酸、γ-羥丁酸及其組合。烴包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其組合。這些產物中的許多可以用作燃料。該方法可以進一步包括通過減少生物量原料的單個小片的一個或多個尺度制備生物量原料。在某些情況下，生物量具有內部纖維，并且生物量已剪切至其內部纖維基本上暴露的程度。在某些情況下，生物量原料可以包括不連續纖維和/或粒子，或可以由不連續纖維和/或粒子組成，所述不連續纖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種方法，其包括：向流動的生物量施加第一劑量的電離輻射，利用冷卻流體冷卻所述生物量，以及向所述流動的生物量施加第二劑量的電離輻射。

【技術特征摘要】
2008.04.30 US 61/049,404;2008.04.30 US 61/049,413;1.一種方法，其包括：向流動的生物量施加第一劑量的電離輻射，利用冷卻流體冷卻所述生物量，以及向所述流動的生物量施加第二劑量的電離輻射。2.如權利要求1所述的方法，其中所述第一和第二電離輻射劑量由加速電子提供。3.如權利要求2所述的方法，其中施加所述第一和第二輻射劑量包括用所述加速電子掃描所述流動的生物量。4.如權利要求1所述的方法，其中所述生物量是顆粒材料。5.如權利要求1所述的方法，其中所述生物量是纖維材料。6.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在施加所述第一劑量的電離輻射之前機械處理所述生物量材料。7.如權利要求6所述的方法，其中機械處理選自由機械撕開、撕裂、針研磨、球磨、軋輥加工和空氣碾磨構成的組。8.如權利要求6所述的方法，其中機械處理包括利用選自由錘磨機、圓盤精研機和刨片機構成的組的裝置處理。9.如權利要求1所述的方法，其中由所述第一電離輻射劑量和第二電離輻射劑量的組合向所述材料施加的電離輻射的總劑量在約10Mrad和約50Mrad之間。10.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在施加所述第二劑量的電離輻射之后利用流體冷卻所述生物量，以及利用酶糖化所述生物量。11.如權利要求1所述的方法，其中所述生物量包括淀粉材料、纖維素材料或木質纖維素材料。12.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在施加所述第一和第二劑量的電離輻射的同時，將所述生物量與氣體接觸。13.如權利要求12所述的方法，其中所述氣體選自由空氣、富氧空氣、氮、氧、氦、氬和其混合物構成的組。14.如權利要求12所述的方法，其中在施加所述第一和第二電離輻射劑量的同時，所述生物量隨所述氣體流動，其中所述氣體流速超過約2500ft/min。15.如權利要求1所述的方法，其中在施加所述第一和第二電離輻射劑量的同時，所述生物量均勻分散。16.如權利要求1所述的方法，其中當施加所述第一和第二電離輻射劑量時，所述生物量是干燥生物量。17.如權利要求1所述的方法，其進一步包括在施加所述第二劑量的輻射之后，冷卻所述生物量；以及向所述流動的生物量施加第三劑量的電離輻射。18.如權利要求17所述的方法，其中由所述第一、第二和第三電離輻射劑量的組合向所述材料施加的電離輻射的總劑量在約10Mrad和約50Mrad之間。19.一種方法，其包括：使用電子束處理生物量原料，所述原料包括淀粉材料與另一材料的混合物，所述另一材料選自由甘蔗、甘蔗提取物、甜菜、紙、紙制品、廢紙、木材、刨花板、鋸屑、農業廢物、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、椰子毛、棉花、合成纖維素、海藻、藻類及其混合物構成的組，以改變所述淀粉材料和/或其他材料的分子結構和/或超分子結構；以及糖化經處理的原料，以產生糖。20.如權利要求19所述的方法，其進一步包括通過減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度來制備所述生物量原料。21.如權利要求20所述的方法，其中減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度包括剪切、研磨、切割、擠壓、壓縮或這些過程的組合。22.如權利要求19所述的方法，其中分子結構和/或超分子結構的改變包括平均分子量和平均結晶度中的一種或兩種中的下降，或表面積和多孔性中的一種或兩種中的增加。23.如權利要求19所述的方法，其進一步包括利用微生物將所述糖轉化成除了糖之外的產物。24.如權利要求23所述的方法，其中所述產物包括易燃燃料。25.如權利要求24所述的方法，其中所述燃料包括氫、醇和烴中的一種或多種。26.如權利要求25所述的方法，其中所述醇選自由乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇和其混合物構成的組。27.如權利要求19所述的方法，其中在所述生物量原料暴露于空氣、氮、氧、氦或氬的同時執行處理。28.如權利要求19所述的方法，其中在大于約0.25大氣壓下執行處理。29.如權利要求19所述的方法，其中處理包括氧化所述生物量原料，以及之后照射經氧化的原料。30.如權利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料選自由玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、米淀粉、其衍生物和其混合物構成的組。31.如權利要求19所述的方法，其中所述生物量原料基本由玉米淀粉構成。32.如權利要求19所述的方法，其中分子結構和/或超分子結構的改變使得可溶性相對于處理之前所述生物量原料的可溶性增強。33.如權利要求19所述的方法，其中處理包括照射所述原料以使所述生物量原料電離，從而使得所述原料具有第一原子團水平，以及之后使所述原料淬滅至經淬滅的生物量原料中的原子團處于低于所述第一水平的第二水平的程度。34.如權利要求33所述的方法，其中淬滅包括使所述生物量與能夠和所述原子團反應的氣體接觸。35.如權利要求33所述的方法，其中淬滅包括使所述生物量與能夠穿透到所述生物量內并和所述原子團反應的流體接觸。36.如權利要求19所述的方法，其中處理包括照射所述原料，冷卻經照射的原料，以及之后再次照射所述原料。37.如權利要求36所述的方法，其中所述生物量原料被冷卻至以下程度：在冷卻后，所述生物量處于的溫度低于其恰好在照射前所述生物量原料的溫度。38.如權利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料選自由秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、稻、竹芋、大麥、木薯、野葛、酢漿草、西米、高粱、馬鈴薯、甘薯、芋頭、山藥、豆、小扁豆、豌豆和其組合物構成的組。39.如權利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料包括玉米。40.如權利要求19所述的方法，其中以約10Mrad和約50Mrad之間的總劑量施加輻射。41.如權利要求23所述的方法，其中轉化包括發酵。42.一種制造蔗糖溶液的方法，所述方法包括：照射結晶蔗糖，其中照射的總劑量從30Mrad至70Mrad，并且其中以大于0.15Mrad每秒的劑量率執行照射；將經照射的蔗糖與水在允許所述蔗糖溶解的條件下結合；由此制造蔗糖溶液。43.如權利要求42所述的方法，其中照射包括將所述結晶蔗糖暴露于電子束。44.如權利要求43所述的方法，其中照射包括利用超過一個電子束裝置照射所述蔗糖。45.如權利要求42所述的方法，其中經照射的蔗糖具有比照射之前所述結晶蔗糖低至少10％的結晶度。46.如權利要求42所述的方法，其中所述結晶蔗糖在照射之前具有從約40％至約87.5％的結晶度指數，并且經照射的蔗糖具有從約10％至約50％的結晶度指數。47.一種制造非晶態蔗糖的方法，所述方法包括：照射結晶蔗糖，其中照射的總劑量從30Mrad至70Mrad，并且其中以大于0.15Mrad每秒的劑量率執行照射；由此制造非晶態蔗糖。48.如權利要求47所述的方法，其中照射包括將所述結晶蔗糖暴露于電子束。49.如權利要求48所述的方法，其中照射包括利用超過一個電子束裝置照射所述蔗糖。50.一種方法，其包括：提供生物量原料，所述生物量原料已經利用電子束輻射照射，從而使得所述生物量原料被電離并且具有第一原子團水平；以及之后通過將所述生物量與能夠和所述原子團反應的氣體接觸來淬滅所述生物量原料至如下程度：經淬滅的生物量原料具有比所述第一水平低的第二原子團水平，其中所述原子團水平以固態測量。51.如權利要求50所述的方法，其進一步包括通過減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度來制備所述生物量原料。52.如權利要求51所述的方法，其中減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度包括剪切、研磨、切割或這些方法的組合。53.如權利要求50所述的方法，其中淬滅包括淬滅所述原子團至如下程度：所述第二原子團水平用電子自旋共振光譜儀無法檢測。54.如權利要求50所述的方法，其中所述第二原子團水平小于約1014自旋。55.如權利要求50所述的方法，其中所述方法進一步包括利用一個或多個其他預處理方法處理所述生物量原料，其中所述其他與處理方法選自超聲處理、熱解和氧化。56.如權利要求50所述的方法，其中以約10Mrad和約50Mrad之間的總劑量施加所述電子束輻射。57.如權利要求50所述的方法，其進一步包括處理經淬滅的生物量原料，以制造易燃燃料。58.如權利要求57所述的方法，其中處理包括利用微生物轉化經照射的材料。59.如權利要求58所述的方法，其中轉化包括糖化。60.如權利要求58所述的方法，其中轉化包括發酵。61.如權利要求57所述的方法，其中所述易燃燃料包括醇。62.如權利要求50所述的方法，其中所述生物量原料選自由低分子量糖、淀粉、紙、紙制品、廢紙、木材、刨花板、鋸屑、農業廢物、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、椰子毛、合成纖維素、海藻、藻類及其混合物構成的組。63.一種方法，其包括：利用電子束輻射照射木質纖維素生物量原料以使得所述生物量原料斷鏈；通過使經照射的原料與在低于經照射的原料的溫度的溫度下的流體接觸來冷卻所述經照射的原料；利用電子束輻射再次照射所述生物量原料，以及在水性介質與微生物和/或酶的混合物中糖化經再次照射的生物量原料。64.如權利要求63所述的方法，其進一步包括處理糖化產物，以產生燃料。65.如權利要求64所述的方法，其中處理包括發酵。66.如權利要求64所述的方法，其中所述燃料包括乙醇或正丁醇。67.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料被冷卻至如下程度：在冷卻后，所述生物量處于的溫度低于其恰好在第一照射步驟之前所述生物量原料的溫度。68.如權利要求63所述的方法，其進一步包括通過減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度來制備所述生物量原料。69.如權利要求68所述的方法，其中減少所述生物量原料的單個小片的一個或多個尺度包括剪切、研磨、切割或這些方法的組合。70.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料的每次照射在所述生物量原料在流體中由氣動傳送時執行。71.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料從處于第一個水平的第一條帶傳送，并且由處于低于所述第一個水平的第二個水平的第二條帶捕獲，所述第一條帶的后緣和所述第二條帶的前緣限定缺口，其中在所限定的缺口中向所述生物量原料施加電離輻射。72.如權利要求63所述的方法，其中在照射期間，所述生物量原料被傳送經過粒子槍并通過電子束。73.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量的冷卻包括將所述生物量原料與低于恰好在第一照射步驟之前所述生物量的溫度的溫度下的氣體接觸。74.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料具有內部纖維，并且其中所述生物量已被剪切至其內部纖維基本上暴露的程度。75.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料具有小于約0.5g/cm3的體積密度。76.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料包括不連續纖維和/或顆粒，其具有不超過約0.5mm的最大限度尺度。77.如權利要求63所述的方法，其中所述生物量原料選自由木材、刨花板、鋸屑、農業廢物、污水、青貯飼料、草、稻殼、甘蔗渣、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、椰子毛、海藻、藻類及其混合物構成的組。78.如權利要求63所述的方法，其中第一照射步驟中的所述電子束輻射以至少0.15Mrad每秒的劑量率施加。79.如權利要求63所述的方法，其中所述流體包括氣體。80.一種方法，其包括：在水性介質與微生物和/或酶的混合物中糖化經照射的原料，所述經照射的原料通過以下步驟形成：利用電子束輻射照射生物量原料以使得所述生物量原料斷鏈；通過使經照射的原料與在低于經照射的原料的溫度的溫度下的流體接觸來冷卻所述經照射的原料；利用電子束輻射再次照射所述生物量原料。81.如權利要求80所述的方法，其中所述流體...

【專利技術屬性】
技術研發人員：M·梅多夫，
申請(專利權)人：希樂克公司，
類型：發明
國別省市：美國;US