生物質加工的制作方法
【專利說明】生物質加工
[00011 本申請為國際申請號為PCT/US2011/024470，國際申請日為2011年2月11日，發明 名稱為"生物質加工"的PCT申請于20 12年8月3日進入中國國家階段后申請號為 201180007938.0的中國國家階段專利申請的分案申請。
[0002]相關申請
[0003] 本申請要求2010年2月17日提交的美國臨時申請第61/305,281號的優先權。該臨 時申請的全部公開內容通過引用結合在此。
[0004] 背景
[0005] 纖維素和木質纖維材料在許多應用中大量地生產、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] 各種纖維素和木質纖維材料、其用途以及應用已經在美國專利第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，本發明涉及含糖材料(例如生物質材料或生物質衍生材料）、加工這些 材料以改變其結構的方法和由所述結構上改變的材料制成的產品。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有用中間體和產品（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械處理的結構改性處理(例如選自由輻射、超聲、 熱解、氧化、蒸汽爆破、化學處理和其組合組成的組的處理)來處理生物質材料以改變所述 材料的結構，并且隨后機械處理所述結構上改變的材料。在一些實施方式中，重復一個或多 個這些步驟。例如，所述材料可以經受兩次或兩次以上結構改性處理(例如照射），在結構改 性處理之間進行機械處理。在一些實施方式中，所述生物質材料在結構改性之前進行初步 機械處理(例如）以縮減尺寸。所述初步和隨后的機械處理可以是相同（例如，剪切，接著在 照射之后再進行剪切)或不同（例如，剪切，接著在照射之后進行粉碎)的。
[0010] 不希望受理論限制，人們認為結構改性處理減弱或部分破壞(例如微裂縫)材料的 內部晶體結構，隨后的機械處理打碎或此外進一步破壞所述被削弱的結構。這些連續事件 降低原料的抗性，使處理的原料更容易地被轉化成產品，例如燃料。所述任選的初步機械處 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構改性的原料材料。
[0011] 已經發現使用本文中描述的方法生產產品的總能量需求往往比僅包括結構改性 處理或初步機械處理接著進行結構改性處理的類似方法的總能量需求低。例如，在結構改 性處理之后進行一種或多種機械處理時，所述結構改性處理可以以更低的能量水平進行而 對抗性具有相同或更好的凈效應。在照射的情況下，在一些實施方式中，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，本發明的特征為一種包括機械處理已經經受結構改性處理的結構上改性 的生物質原料的方法，所述結構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、化學處理和其組合組成的組。
[0014] 一些實施方式可以包括一種或多種以下特征。機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、球磨機、膠體 磨、圓錐或錐形磨、盤磨機、輪碾機、Wiley粉碎機或碧谷機。在一些實施方式中，結構上改性 包括例如用電子束照射，單獨使用或與本文中描述的一種或多種其它結構改性處理組合使 用。機械處理可以在環境溫度下或在減溫下進行，例如如在美國專利第12/502,629號中公 開的，其全部公開內容通過引用結合在此。所述方法可以進一步包括重復所述結構改性和 機械處理步驟一次或多次。例如，所述方法可以包括在機械處理之后進行額外的結構改性 處理。
[0015] 在一些情況下，所述生物質原料包含纖維素或木質纖維材料。原料可以包括例如 紙、紙制品、木材、木材相關材料、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] 一些方法進一步包括將結構上改性、機械處理的原料與微生物混合，所述微生物 利用所述原料生產中間體或產品，例如能量、燃料例如醇、食品或材料。所述微生物可以是 例如細菌和/或酶。所述方法可以包括糖化所述結構上改性、機械處理的原料，并且在一些 情況下發酵所述糖化產物。
[0017] 所述結構上改性、機械處理的原料具有可以例如通過糖化允許其被容易地轉化成 產物的特性。例如，在一些情況下，所述結構上改性、機械處理的原料具有至少80%的孔隙 度。
[0018] 本文中使用的短語"結構上改性"生物質原料表示以任何方式改變所述原料的分 子結構，包括所述原料的化學鍵排列、晶體結構或構象。所述改變可以是例如晶體結構完整 性的改變(例如通過結構內的微裂縫），這可能不通過所述材料結晶度的衍射測量所體現。 在所述材料結構完整性中的這些改變可以通過測量在不同結構改性處理水平的產物產率 間接測量。此外或或者，在分子結構中的改變可以包括改變材料的超分子結構、材料的氧 化、改變平均分子量、改變平均結晶度、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、改變結晶晶疇尺寸或改變總體晶疇尺寸。應該注意的是，本文中引用的"結 構改性處理"和機械處理均用來結構上改性生物質原料。機械處理通過使用機械手段進行， 而結構改性手段使用其它類型的能量(例如輻射、超聲能量或加熱)或化學手段進行。
[0019] 除非另外定義，否則本文中使用的所有技術和科學術語均具有與本發明所屬領域 一般技術人員通常理解的相同含義。雖然在本發明的實踐或檢測中可以使用與本文中描述 的那些類似或等價的方法和材料，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均全部通過引用結合在此。如果有沖突，則以本說明書 (包括定義)為準。此外，所述材料、方法和實例僅是說明性的并且不希望限制。
[0020] 本發明的其它特征和優點將從以下詳細描述和權利要求書變得顯而易見。
【附圖說明】
[0021] 圖1是說明生物質轉化成產品和副產品的方框圖。
[0022]圖2是說明生物質處理和在發酵過程中使用所述處理的生物質的方框圖。
[0023] 詳細描述
[0024] 使用本文中描述的方法，可以將生物質(例如植物生物質、動物生物質和城市廢物 生物質）進行加工以生產如本文中描述的那些有用中間體和產品。以下描述可以用作原料 材料的纖維素和/或木質纖維材料的系統和方法，所述材料是易得的，但是可能通過如發酵 之類的方法難以進行加工。本文中公開的方法包括使生物質材料經受結構改性處理，例如 選自由輻射、超聲、熱解、氧化、蒸汽爆破、化學處理和其組合組成的組的處理，并且隨后機 械處理所述結構上改變的材料。在一些實施方式中，重復一個或多個這些步驟。例如，如以 下將進一步討論的，可以照射材料兩次或兩次以上，在照射步驟之間進行機械處理。在一些 實施方式中，生物質材料在結構改性處理之前經受初步的機械處理。
[0025] 用于處理生物質的系統
[0026]圖1展示了將生物質(特別是含有大量纖維素和木質纖維組分的生物質)轉化為有 用中間體和產品的過程10。過程10包括初步機械處理原料（12)例如用于縮減原料110的尺 寸。隨后用結構改性處理（14)處理經過機械處理的原料以使其內部結構改性，例如通過使 所述材料晶體結構中的鍵減弱和產生微裂縫。接下來，使結構改性的材料經受進一步機械 處理（16)。該機械處理可以與初步機械處理相同或不同。例如，初步處理可以是尺寸縮減 (例如切割)步驟，接著進行剪切步驟，而進一步地處理可以是粉碎或碾磨步驟。
[0027]不希望受理論限制，人們認為結構改性處理破壞材料的內部結構，例如通過使材 料的晶體結構產生微裂縫。隨后結構改性材料的內部結構被后來的機械處理進一步破壞， 例如破碎、破裂或斷裂。
[0028] 如果希望在進一步加工之前有其它結構變化(例如抗性的降低），那么就可以使所 述材料經受其它結構改性處理和機械處理。
[0029] 接下來，可以用初級加工步驟18(例如糖化和/或發酵)加工處理的材料以生產中 間體和產品（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100,其利用以上描述的步驟處理生物質并且隨后在發酵過程中使 用處理的生物質來生產醇。系統100包括模塊1〇2(生物質原料在其中進行初步機械處理（以 上步驟12))、模塊104(機械處理的原料在其中進行結構改性(上面的步驟14)，例如通過照 射)和模塊1〇6(結構改性的原料在其中經受進一步地機械處理(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。在一些實施方法中，可以將結構改性的 原料返回模塊102進行進一步機械處理而不是在單獨的模塊106中進一步機械處理。
[0031] 在這些處理(可以按需要重復多次以獲得希望的原料性質）之后，將處理的原料輸 送到發酵系統108。混合可以在發酵期間進行，在這種情況下，優選相對溫和（低剪切)地進 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，其全部公開內容均通過 引用結合在此。
[0032]再次參考圖2，發酵產生流入儲罐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行。最后，可以使用分子篩116干燥乙醇和/或進行變性(如 果有必要），并且輸出到希望的運