BRPI0914292B1 - METHOD OF CHANGING MOLECULAR STRUCTURE OF A CELLULOSIC OR LIGNOCELLULOSE MATERIAL - Google Patents

METHOD OF CHANGING MOLECULAR STRUCTURE OF A CELLULOSIC OR LIGNOCELLULOSE MATERIAL Download PDF

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE MUDAR UMA ESTRUTURA MOLECULAR DE UM MATERIAL CELULÓ-SICO OU LIGNOCELULÓSICO".Report of the Invention Patent for "METHOD OF CHANGING A MOLECULAR STRUCTURE OF A CELLULOSIC OR LIGNOCELLULOSTIC MATERIAL".

Antecedentes A presente invenção refere-se à biomassa, particularmente resíduos de biomassa, e materiais contendo hidrocarboneto, tais como areias oleosas, xisto oleígeno, areias betuminosas, betume e carvão, são amplamente disponíveis. Seria útil derivar materiais e combustível, tal como etanol, de biomassa e de material contendo hidrocarboneto.Background The present invention relates to biomass, particularly biomass residues, and hydrocarbon-containing materials, such as oil sands, oil shale, oil sands, bitumen and coal, are widely available. It would be useful to derive materials and fuel, such as ethanol, from biomass and hydrocarbon-containing material.

Sumário Biomassa e material contendo hidrocarboneto podem ser processados para alterar sua estrutura em um ou mais níveis. Os materiais processados podem então ser usados como uma fonte de materiais alterados e/ou combustível.Summary Biomass and hydrocarbon-containing material can be processed to alter its structure on one or more levels. Processed materials can then be used as a source of altered and / or combustible materials.

Muitas modalidades desta aplicação usam Natural Force® Che-mistry (NFC). Métodos de Natural Force® Chemistry usam a aplicação e manipulação controlada de forças físicas, tais como feixes de partículas, gravidade, luz, etc., para criar mudança molecular estrutural e química pretendida. Métodos para mudar uma estrutura molecular e/ou uma supra-molecular de um material, por exemplo, qualquer material de biomassa, podem incluir tratar o material com radiação. Em particular, a radiação pode incluir partículas, particularmente partículas carregadas (por exemplo, partículas carregadas aceleradas). Partículas carregadas incluem íons, tais como íons carregados positivamente, tais como prótons, íons de carbono ou de oxigênio. A radiação pode ser aplicada em uma quantidade suficiente para mudar a estrutura molecular e/ou estrutura supramolecular do material. A radiação também pode ser aplicada para produzir um ou mais produtos a partir do material. O material em alguns casos pode incluir carboidratos ou materiais que incluam carboidratos, por exemplo, materiais celulósicos, materiais lignocelulósicos, materiais ricos em amido, ou misturas de quaisquer materiais de biomassa.Many modalities of this application use Natural Force® Che-mistry (NFC). Natural Force® Chemistry methods use the controlled application and manipulation of physical forces, such as particle beams, gravity, light, etc., to create the intended structural and chemical molecular change. Methods for changing a molecular and / or supramolecular structure of a material, for example, any biomass material, may include treating the material with radiation. In particular, radiation may include particles, particularly charged particles (e.g., accelerated charged particles). Charged particles include ions, such as positively charged ions, such as protons, carbon or oxygen ions. Radiation may be applied in an amount sufficient to change the molecular structure and / or supramolecular structure of the material. Radiation may also be applied to produce one or more products from the material. The material in some cases may include carbohydrates or materials including carbohydrates, for example cellulosic materials, lignocellulosic materials, starch rich materials, or mixtures of any biomass materials.

Partículas tendo uma carga diferente de elétrons e/ou partículas mais pesadas que elétrons podem ser utilizadas para a irradiação. Por e-xemplo, prótons, núcleos de hélio, íons de argônio, íons de silício, íons de neônio, íons de carbono, íons de fósforo, íons de oxigênio ou íons de nitrogênio podem ser utilizados para modificar a estrutura da biomassa, por e-xemplo, para ruptura do peso molecular ou aumento do peso molecular da biomassa. Em algumas modalidades, partículas mais pesadas podem induzir maiores quantidades de cisão de cadeia em comparação com elétrons ou fótons. Além do mais, em alguns casos, partículas carregadas positivamente podem induzir quantidades relativamente grandes de cisão de cadeia por causa de sua acidez. Em certas ocasiões, partículas carregadas negativamente podem induzir quantidades relativamente grandes de cisão de cadeia por causa de sua alcalinidade.Particles having a different charge of electrons and / or particles heavier than electrons may be used for irradiation. For example, protons, helium nuclei, argon ions, silicon ions, neon ions, carbon ions, phosphorus ions, oxygen ions, or nitrogen ions can be used to modify the structure of biomass, for example. -example for breaking molecular weight or increasing molecular weight of biomass. In some embodiments, heavier particles may induce greater amounts of chain fission compared to electrons or photons. Moreover, in some cases positively charged particles can induce relatively large amounts of chain fission because of their acidity. On occasion, negatively charged particles can induce relatively large amounts of chain fission because of their alkalinity.

Desta maneira, em um aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material, por exemplo, um material de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, ao produzir um feixe de íons compreendendo uma primeira distribuição de energias de íons tendo uma largura total a meia altura de w; ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons para produzir uma segunda distribuição de energias de íons no feixe de íons tendo uma largura total a meia altura de mais que w; e expor o material ao feixe de íons ajustados. As energias de pelo menos alguns dos íons podem ser ajustadas com base, por exemplo, em uma espessura do material.Thus, in one aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material, for example a biomass material or a hydrocarbon-containing material, by producing an ion beam comprising a first ion energy distribution having a full width at half height of w; adjusting the energies of at least some of the ions to produce a second ion energy distribution in the ion beam having a full width at half height of more than w; and expose the material to the adjusted ion beam. The energies of at least some of the ions can be adjusted based on, for example, a thickness of the material.

Em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material, por exemplo, um material de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, ao produzir um feixe de íons compreendendo uma distribuição de energias de íons tendo uma largura total a meia altura de w; direcionar o feixe de íons para atravessar um e-lemento de espalhamento configurado para aumentar a largura total a meia altura da distribuição de energias de íons para um valor maior que w; e expor o material ao feixe de íons após o feixe de íons ter atravessado o elemento de espalhamento.In another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material, for example a biomass material or a hydrocarbon-containing material, by producing an ion beam comprising an ion energy distribution having a full width at half height of w; directing the ion beam to traverse a scattering element configured to increase the full width at half height of the ion energy distribution to a value greater than w; and exposing the material to the ion beam after the ion beam has passed through the scattering element.

Também em um outro aspecto, a invenção caracteriza um méto- do de mudar uma estrutura molecular de um material, por exemplo, um material de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, ao produzir um feixe de íons tendo uma distribuição de energias de íons, a distribuição tendo uma energia mais provável E; filtrar o feixe de íons para remover pelo menos alguns íons tendo uma energia menor que E do feixe de íons; e expor o material ao feixe de íons filtrado.Also in another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material, for example a biomass material or a hydrocarbon-containing material, by producing an ion beam having an ion energy distribution at distribution having a more likely energy E; filter the ion beam to remove at least some ions having an energy less than E from the ion beam; and expose the material to the filtered ion beam.

Em um aspecto adicional, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material, por exemplo, um material de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, ao produzir um feixe de íons tendo uma distribuição de energias de íons; ajustar a distribuição de energias de íons com base em um perfil de dose de íons esperado no material; e expor o material ao feixe de íons ajustados. A invenção também caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material, por exemplo, um material de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, ao produzir um feixe de íons tendo uma distribuição de energias de íons; ajustar a distribuição de energias de íons com base em uma largura total a meia altura (FWHM) de um pico de Bragg de um perfil de dose de íons esperado no material; e expor o material ao feixe de íons ajustados, em que o ajuste compreende aumentar a FWHM para reduzir uma diferença entre uma espessura do material de biomassa e a FWHM.In a further aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material, for example a biomass material or a hydrocarbon-containing material, by producing an ion beam having an ion energy distribution; adjust the ion energy distribution based on an expected ion dose profile in the material; and expose the material to the adjusted ion beam. The invention also features a method of changing a molecular structure of a material, for example a biomass material or a hydrocarbon-containing material, by producing an ion beam having an ion energy distribution; adjusting the ion energy distribution based on a full width at half height (FWHM) of a Bragg peak of an expected ion dose profile in the material; and exposing the material to the adjusted ion beam, wherein the adjustment comprises increasing the FWHM to reduce a difference between a biomass material thickness and the FWHM.

Em alguns casos, seguinte ao ajuste, a diferença entre a espessura do material e a FWHM é de 0,01 cm ou menos.In some cases, following adjustment, the difference between material thickness and FWHM is 0.01 cm or less.

Também em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material ao produzir um primeiro feixe de íons a partir de uma fonte de íons, o primeiro feixe de íons tendo uma primeira energia de íons média; expor o material ao primeiro feixe de íons; ajustar a fonte de íons para produzir um segundo feixe de íons tendo uma segunda energia de íons média diferente da primeira energia de íons média; e expor o material ao segundo feixe de íons.Also in another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material by producing a first ion beam from an ion source, the first ion beam having a first average ion energy; expose the material to the first beam of ions; adjusting the ion source to produce a second ion beam having a second average ion energy different from the first average ion energy; and exposing the material to the second beam of ions.

Em alguns casos, o método inclui adicionalmente repetir o ajuste e exposição para expor o material a uma pluralidade de feixes de íons tendo diferentes energias de íons médias. A composição dos primeiro e segundo feixes de íons pode ser a mesma.In some cases, the method further includes repeat adjustment and exposure to expose the material to a plurality of ion beams having different average ion energies. The composition of the first and second ion beams may be the same.

Em um aspecto adicional, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material ao: produzir um primeiro feixe de íons a partir de uma fonte de íons, o primeiro feixe de íons tendo uma primeira energia de íons média correspondendo a uma primeira posição de um pico de Bragg em um perfil de dose de íons esperado do material; expor o material ao primeiro feixe de íons; ajustar a fonte de íons para produzir um segundo feixe de íons tendo uma segunda energia de íons média correspondendo a uma segunda posição do pico de Bragg diferente da primeira posição; e expor o material ao segundo feixe de íons.In a further aspect, the invention features a method of changing the molecular structure of a material by producing a first ion beam from an ion source, the first ion beam having a first average ion energy corresponding to a first position of a Bragg peak in an expected ion dose profile of the material; expose the material to the first beam of ions; adjusting the ion source to produce a second ion beam having a second average ion energy corresponding to a second Bragg peak position different from the first position; and exposing the material to the second beam of ions.

Em alguns casos, o método inclui adicionalmente repetir o ajuste e exposição para expor o material a uma pluralidade de feixes de íons correspondendo a posições diferentes do pico de Bragg. A composição dos primeiro e segundo feixes de íons pode ser a mesma.In some cases, the method further includes repeat adjustment and exposure to expose the material to a plurality of ion beams corresponding to different positions of the Bragg peak. The composition of the first and second ion beams may be the same.

Também em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material ao produzir um feixe de íons a partir de uma fonte de íons, o feixe de íons compreendendo um primeiro tipo de íons e um segundo tipo de íons diferente do primeiro tipo de íons; e expor o material ao feixe de íons.Also in another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material by producing an ion beam from an ion source, the ion beam comprising a first type of ion and a second type of different ion. of the first type of ions; and expose the material to the ion beam.

Por exemplo, o primeiro tipo de íons pode compreender íons de hidrogênio e o segundo tipo de íons pode compreender íons de carbono, ou o primeiro tipo de íons pode compreender íons de hidrogênio e o segundo tipo de íons pode compreender íons de oxigênio, ou os primeiro e segundo tipos de íons podem compreender pelo menos um de íons de prótons e de hidreto. Em alguns casos cada um dos primeiro e segundo tipos de íons tem energias de íons entre 0,01 MeV e 10 MeV.For example, the first type of ions may comprise hydrogen ions and the second type of ions may comprise carbon ions, or the first type of ions may comprise hydrogen ions, and the second type of ions may comprise oxygen ions, or The first and second types of ions may comprise at least one of proton and hydride ions. In some cases each of the first and second ion types has ion energies between 0.01 MeV and 10 MeV.

Em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material ao produzir um feixe de íons tendo um ângulo de divergência de 10 graus ou mais, por exemplo, 20 graus ou mais, em uma superfície do material; e expor o material de biomassa ao feixe de íons.In another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material by producing an ion beam having a divergence angle of 10 degrees or more, for example 20 degrees or more, on a surface of the material; and exposing the biomass material to the ion beam.

Também em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método de mudar uma estrutura molecular de um material ao ajustar uma fonte de íons para produzir um feixe de íons tendo uma corrente de íons média e uma energia de íons média; e expor o material ao feixe de íons, em que a fonte de íons é ajustada com base em um perfil de dose de íons esperado no material e em que cada parte do material recebe uma dose de radiação entre 0,01 Mrad e 50 Mrad, por exemplo, entre 0,1 Mrad e 20 Mrad, como resultado de exposição ao feixe de íons.Also in another aspect, the invention features a method of changing a molecular structure of a material by adjusting an ion source to produce an ion beam having an average ion current and an average ion energy; and exposing the material to the ion beam, wherein the ion source is adjusted based on an expected ion dose profile in the material and each part of the material receives a radiation dose between 0.01 Mrad and 50 Mrad, for example, between 0.1 Mrad and 20 Mrad as a result of ion beam exposure.

Em um outro aspecto, mudar uma estrutura molecular de um material inclui produzir um feixe de íons incluindo uma primeira distribuição de energias de íons tendo uma largura total a meia altura de W, ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons com base em uma espessura de um material contendo hidrocarboneto para produzir uma segunda distribuição de energias de íons no feixe de íons tendo uma largura total a meia altura de mais que w, e expor o material contendo hidrocarboneto ao feixe de íons ajustados. O material contendo hidrocarboneto pode ser selecionado do grupo consistindo em areias oleosas, xisto oleígeno, areias betuminosas, betume e carvão.In another aspect, changing a molecular structure of a material includes producing an ion beam including a first ion energy distribution having a full width at half height of W, adjusting the energies of at least some of the ions based on a thickness. of a hydrocarbon-containing material to produce a second ion energy distribution in the ion beam having a full width at half height of more than w, and exposing the hydrocarbon-containing material to the adjusted ion beam. The hydrocarbon-containing material may be selected from the group consisting of oil sands, oil shale, oil sands, bitumen and coal.

Em um outro aspecto, mudar uma estrutura molecular de um material inclui produzir um feixe de íons incluindo uma primeira distribuição de energias de íons tendo uma largura total a meia altura de W, ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons para produzir uma segunda distribuição de energias de íons no feixe de íons tendo uma largura total a meia altura de mais que w, e expor o material ao feixe de íons ajustados.In another aspect, changing a molecular structure of a material includes producing an ion beam including a first ion energy distribution having a full width at half height of W, adjusting the energies of at least some of the ions to produce a second distribution. of ion energies in the ion beam having a full width at half height of more than w, and exposing the material to the adjusted ion beam.

Em alguns casos, o material é um material de biomassa, um material não de biomassa, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, o material pode ser um material contendo hidrocarboneto tal como areias oleosas, xisto oleígeno, areias betuminosas, betume, carvão e outras misturas de hidrocarbonetos e material não de hidrocarboneto.In some cases, the material is a biomass material, a non-biomass material, or any combination thereof. For example, the material may be a hydrocarbon-containing material such as oil sands, oil shale, oil sands, bitumen, coal and other mixtures of hydrocarbons and non-hydrocarbon material.

Em alguns casos, o método inclui adicionalmente expor o mate- rial a uma pluralidade de elétrons ou à energia ultrassônica seguinte à exposição ao feixe de íons.In some cases, the method further includes exposing the material to a plurality of electrons or to ultrasonic energy following exposure to the ion beam.

Algumas implementações de qualquer um dos aspectos mencionados anteriormente da invenção podem incluir um ou mais dos recursos seguintes. Ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons pode incluir ajustar com base em uma espessura do material exposto ao feixe de íons. Em alguns casos, ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons pode incluir ajustar com base em um perfil de dose de íons esperado no material. Ajustar também pode incluir aumentar uma largura total a meia altura de um pico de Bragg de um perfil de dose de íons esperado no material o suficiente para reduzir uma diferença entre uma espessura do material e a largura total a meia altura do pico de Bragg. Seguinte ao ajuste, a diferença entre a espessura do material e a largura total a meia altura do pico de Bragg pode ser de 0,01 centímetro ou menos. A largura total a meia altura da segunda distribuição pode ser maior que w por um fator de 2,0 ou mais, por exemplo, por um fator de 4,0 ou mais. Ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons pode incluir direcionar os íons para atravessar um elemento de espalhamento, por exemplo, um analisador hemisférico. Em alguns casos, o feixe de íons ajustados atravessa um fluido antes de ser incidente no material, por exemplo, através do ar em uma pressão de 0,5 atmosfera ou mais. O feixe de íons pode incluir dois ou mais tipos diferentes de íons, por exemplo, íons de hidrogênio e íons de carbono ou íons de hidrogênio e íons de oxigênio. O feixe de íons pode incluir pelo menos um de íons de prótons e de hidreto. A energia média dos íons no feixe de íons pode estar entre 0,01 MeV e 10 MeV.Some implementations of any of the aforementioned aspects of the invention may include one or more of the following features. Adjusting the energies of at least some of the ions may include adjusting based on a thickness of the material exposed to the ion beam. In some cases, adjusting the energies of at least some of the ions may include adjusting based on an expected ion dose profile in the material. Adjusting may also include increasing a full width at half height of a Bragg peak from an expected ion dose profile in the material sufficiently to reduce a difference between a material thickness and the full width at half height of the Bragg peak. Following adjustment, the difference between the material thickness and the total width at half height of the Bragg peak may be 0.01 cm or less. The total width at half height of the second distribution may be greater than w by a factor of 2.0 or more, for example by a factor of 4.0 or more. Adjusting the energies of at least some of the ions may include directing the ions to traverse a scattering element, for example a hemispheric analyzer. In some cases, the adjusted ion beam passes through a fluid before it is incident on the material, for example through air at a pressure of 0.5 atmosphere or more. The ion beam may include two or more different types of ions, for example hydrogen ions and carbon ions or hydrogen ions and oxygen ions. The ion beam may include at least one of proton and hydride ions. The average ion energy in the ion beam can be between 0.01 MeV and 10 MeV.

Mudar uma estrutura molecular de um material, tal como uma matéria-prima de biomassa ou um material contendo hidrocarboneto, tal como usado neste documento, significa mudar o arranjo de ligação química, tal como o tipo e quantidade de grupos funcionais ou conformação da estrutura. Por exemplo, a mudança na estrutura molecular pode incluir mudar a estrutura supramolecular do material, oxidação do material, mudar um peso molecular médio, mudar uma cristalinidade média, mudar uma área de superfí- cie, mudar um grau de polimerização, mudar uma porosidade, mudar um grau de derivação, enxerto em outros materiais, mudar um tamanho de domínio cristalino, ou mudar um tamanho de domínio total.Changing a molecular structure of a material such as a biomass feedstock or a hydrocarbon-containing material as used herein means changing the chemical bonding arrangement, such as the type and amount of functional groups or conformation of the structure. For example, the change in molecular structure may include changing the supramolecular structure of the material, oxidizing the material, changing an average molecular weight, changing an average crystallinity, changing a surface area, changing a degree of polymerization, changing a porosity, change a degree of shunt, graft into other materials, change a crystalline domain size, or change a total domain size.

Biomassa ou material contendo hidrocarboneto pode ser exposto à radiação, por exemplo, um feixe de íons, por exemplo, um feixe de acordo com uma ou mais das configurações descritas neste documento. O feixe e duração de exposição podem ser escolhidos de tal maneira que a estrutura molecular do material seja alterada. O material pode ser tratado antes e/ou após a exposição. O material exposto pode ser usado em uma variedade de aplicações, incluindo fermentação e a produção de materiais compostos.Biomass or hydrocarbon-containing material may be exposed to radiation, for example an ion beam, for example a beam according to one or more of the embodiments described herein. The beam and duration of exposure may be chosen such that the molecular structure of the material is altered. Material may be treated before and / or after exposure. The exposed material may be used in a variety of applications including fermentation and the production of composite materials.

Também estão caracterizados sistemas e dispositivos para tratar materiais com radiação tal como revelado neste documento. Um sistema exemplar inclui um reservatório para biomassa, um dispositivo que produz um feixe de partículas, por exemplo, tal como descrito neste documento, e um dispositivo de transporte para deslocar biomassa do reservatório para o dispositivo que produz um feixe de partículas.Systems and devices for treating radiation materials as disclosed herein are also characterized. An exemplary system includes a biomass reservoir, a particle beam producing device, for example as described herein, and a transport device for moving biomass from the reservoir to the particle beam producing device.

Implementações podem incluir um ou mais de qualquer um dos recursos descritos neste documento. A não ser que definido de outro modo, todos os termos técnicos e científicos usados neste documento têm o mesmo significado tal como comumente entendido por uma pessoa versada na técnica à qual esta invenção pertence. Embora métodos e materiais similares ou equivalentes a esses descritos neste documento possam ser usados na prática ou teste da presente invenção, métodos e materiais adequados são descritos a seguir. Todas as publicações, pedidos de patente, patentes e outras referências mencionadas neste documento estão incorporados pela referência na suas totalidade. No caso de conflito, o presente relatório descritivo, incluindo definições, controlará. Além do mais, os materiais, métodos e exemplos são somente ilustrativos e não pretendidos para serem limitantes.Implementations may include one or more of any of the features described in this document. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. While methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in the practice or testing of the present invention, suitable methods and materials are described below. All publications, patent applications, patents and other references mentioned herein are incorporated by reference in their entirety. In case of conflict, this descriptive report, including definitions, will control. Furthermore, the materials, methods and examples are illustrative only and not intended to be limiting.

Este pedido incorpora neste documento pela referência os conteúdos totais do Pedido Internacional N° PCT/US2007/022719, depositado em 26 de outubro de 2007, e do Pedido Provisório U.S. N° 61/049.406, de- positado em 30 de abril de 2008.This application incorporates herein by reference the total contents of International Application No. PCT / US2007 / 022719, filed October 26, 2007, and U.S. Provisional Application No. 61 / 049,406, filed April 30, 2008.

Outros recursos e vantagens estarão aparentes a partir da descrição detalhada a seguir e das reivindicações.Other features and advantages will be apparent from the following detailed description and claims.

Descrição dos Desenhos A figura 1 é um diagrama de blocos ilustrando conversão de bi-omassa em produtos e coprodutos. A figura 2 é um diagrama esquemático mostrando perfis de dose para íons, elétrons e fótons em um material de fase condensada. A figura 3 é um diagrama esquemático de um sistema de exposição a feixe de íons.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a block diagram illustrating conversion of bi-mass into products and co-products. Figure 2 is a schematic diagram showing dose profiles for ions, electrons and photons in a condensed phase material. Figure 3 is a schematic diagram of an ion beam exposure system.

As figuras 4A e 4B são diagramas esquemáticos mostrando distribuições de energia de feixe de íons. A figura 4C é um diagrama esquemático mostrando perfis de dose de íons em uma amostra exposta. A figura 5 é um diagrama esquemático de um elemento de espa-Ihamento que inclui múltiplas sub-regiões. A figura 6 é um diagrama esquemático de um sistema de exposição a feixe de íons que inclui um filtro de íons.Figures 4A and 4B are schematic diagrams showing ion beam energy distributions. Figure 4C is a schematic diagram showing ion dose profiles in an exposed sample. Figure 5 is a schematic diagram of a spacer element including multiple subregions. Figure 6 is a schematic diagram of an ion beam exposure system including an ion filter.

As figuras 7A-7C são diagramas esquemáticos mostrando distribuições de energia para feixes de íons não filtrados e filtrados. A figura 8 é um diagrama esquemático mostrando três perfis de dose de íons correspondendo à exposição de uma amostra aos feixes de íons tendo diferentes energias médias. A figura 9A é um diagrama esquemático mostrando um perfil de dose de íons líquido para uma amostra exposta com base nos três perfis de dose de íons da figura 8. A figura 9B é um diagrama esquemático mostrando três diferentes perfis de dose de íons correspondendo aos feixes de íons de energia média e corrente de íons diferentes. A figura 9C é um diagrama esquemático mostrando um perfil de dose de íons líquido baseado nos três perfis de dose de íons da figura 9B. A figura 10A é um diagrama esquemático mostrando três dife- rentes perfis de dose de íons correspondendo à exposição de uma amostra aos feixes de três tipos diferentes de íons. A figura 10B é um diagrama esquemático mostrando um perfil de dose de íons líquido baseado nos três perfis de dose de íons da figura 10A. Números de referência iguais nos vários desenhos indicam elementos iguais.Figures 7A-7C are schematic diagrams showing energy distributions for unfiltered and filtered ion beams. Figure 8 is a schematic diagram showing three ion dose profiles corresponding to exposure of a sample to ion beams having different mean energies. Figure 9A is a schematic diagram showing a liquid ion dose profile for an exposed sample based on the three ion dose profiles of Figure 8. Figure 9B is a schematic diagram showing three different ion dose profiles corresponding to the beams. of average energy ions and current of different ions. Figure 9C is a schematic diagram showing a liquid ion dose profile based on the three ion dose profiles of Figure 9B. Figure 10A is a schematic diagram showing three different ion dose profiles corresponding to exposure of a sample to beams of three different types of ions. Figure 10B is a schematic diagram showing a liquid ion dose profile based on the three ion dose profiles of Figure 10A. Equal reference numbers in the various drawings indicate like elements.

Descrição Detalhada Tratar biomassa com radiação é útil para produzir combustível e produtos. De uma maneira geral material de biomassa é preparado fisicamente antes de tratamento com radiação. O material pode ser preparado a fim de se tornar mais uniforme, por exemplo, para reduzir tamanho de partícula, para alterar teor de água, para controlar viscosidade e assim por diante. O material é tratado com radiação para alterar a estrutura molecular e/ou supramolecular. Além do mais, o material pode ser tratado em outros modos, por exemplo, com sonicação, oxidação, pirólise e explosão com vapor. O material resultante pode ser armazenado ou usado em uma variedade de modos.Detailed Description Treating biomass with radiation is useful for producing fuel and products. Generally biomass material is physically prepared prior to radiation treatment. The material may be prepared to become more uniform, for example to reduce particle size, to change water content, to control viscosity and so on. The material is treated with radiation to alter the molecular and / or supramolecular structure. Furthermore, the material may be treated in other ways, for example with sonication, oxidation, pyrolysis and vapor explosion. The resulting material may be stored or used in a variety of ways.

Uma aplicação é fermentação para produzir um produto combustível, tal como um álcool. Micro-organismos podem ser combinados com o material resultante e, opcionalmente, com outros ingredientes. A combinação é fermentada e produto é recuperado. Por exemplo, álcoois podem ser recuperados por meio de destilação.One application is fermentation to produce a combustible product such as an alcohol. Microorganisms may be combined with the resulting material and optionally with other ingredients. The combination is fermented and product is recovered. For example, alcohols may be recovered by distillation.

Em algumas modalidades, a radiação é aplicada em uma grande escala, por exemplo, a um lote de pelo menos 50 kg, 100 kg ou 500 kg. O tratamento também pode ser aplicado em um modo contínuo ou semicontí-nuo, por exemplo, ao material que se desloca sob um feixe de radiação, por exemplo, a fim de processar pelo menos 100, 500, 1.000, 5.000 ou 20.000 kg/h.In some embodiments, radiation is applied on a large scale, for example to a batch of at least 50 kg, 100 kg or 500 kg. The treatment may also be applied in a continuous or semi-continuous mode, for example to material moving under a beam of radiation, for example to process at least 100, 500, 1,000, 5,000 or 20,000 kg / hr. .

Uma variedade de materiais de biomassa pode ser usada como um material de partida. Exemplos de biomassa incluem biomassa vegetal, biomassa animal e biomassa de resíduo urbano. Biomassa também inclui matérias-primas tais como materiais celulósicos e/ou lignocelulósicos.A variety of biomass materials can be used as a starting material. Examples of biomass include plant biomass, animal biomass and urban waste biomass. Biomass also includes raw materials such as cellulosic and / or lignocellulosic materials.

Frequentemente, biomassa é material que inclui um carboidrato, tal como celulose. De uma maneira geral, qualquer material de biomassa que seja ou inclua carboidratos compostos totalmente de uma ou mais unidades sacarídeas ou que inclua uma ou mais unidades sacarídeas pode ser processado por qualquer um dos métodos descritos neste documento. Por exemplo, os materiais de biomassa podem ser materiais celulósicos ou lig-nocelulósicos, ou materiais ricos em amido, tais como grãos de milho, grãos de arroz ou outros alimentos.Often, biomass is material that includes a carbohydrate, such as cellulose. Generally, any biomass material that is or includes carbohydrates composed entirely of one or more saccharide units or including one or more saccharide units may be processed by any of the methods described herein. For example, biomass materials may be cellulosic or ligocellulosic materials, or starch-rich materials such as corn kernels, rice kernels or other foods.

Exemplos adicionais de materiais de biomassa incluem papel, produtos de papel, madeira, materiais relacionados com madeira, placa de partículas, capins, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, bananeira das Filipinas, canudo, sabugos de milho, cascas de arroz, cabelo de coco, algas, erva marinha, algodão, celuloses sintéticas, ou misturas de qualquer um destes. Ainda outros exemplos são descritos na WO 2008/073186, depositada em 26 de outubro de 2007 e na U.S. N°. Série 12/429.045, depositada em 23 de abril de 2009. Vários materiais de biomassa são de forma frequente e prontamente disponíveis, mas, a não ser que pré-tratados, algumas vezes podem ser difíceis de processar, por exemplo, por fermentação, ou podem dar subprodutos ideais em uma taxa lenta. Nos métodos descritos neste documento, matérias-primas podem ser primeiro preparadas fisicamente para processamento, frequentemente por redução de tamanho de matérias-primas brutas. Matéria-prima preparada fisicamente pode ser pré-tratada ou processada usando um ou mais de radiação, sonicação, oxidação, pirólise e explosão com vapor. Os vários sistemas e métodos de pré-tratamento podem ser usados em combinações de duas, três ou mesmo de quatro destas tecnologias. Combinações de vários métodos de pré-tratamento de uma maneira geral são descritas na WO 2008/073186, por exemplo.Additional examples of biomass materials include paper, paper products, wood, wood related materials, particle board, grass, rice husks, bagasse, cotton, jute, hemp, flax, bamboo, sisal, Philippine banana, straw, corn cobs, rice husks, coconut hair, seaweed, seagrass, cotton, synthetic celluloses, or mixtures of any of these. Still other examples are described in WO 2008/073186, filed October 26, 2007 and U.S. Series 12 / 429,045, filed April 23, 2009. Various biomass materials are frequently and readily available, but, unless pretreated, can sometimes be difficult to process, for example by fermentation, or can give ideal byproducts at a slow rate. In the methods described herein, raw materials may first be physically prepared for processing, often by downsizing raw materials. Physically prepared raw material may be pretreated or processed using one or more of radiation, sonication, oxidation, pyrolysis and vapor explosion. The various pretreatment systems and methods can be used in combinations of two, three or even four of these technologies. Combinations of various pretreatment methods generally are described in WO 2008/073186, for example.

Em alguns casos, para fornecer materiais que incluem um carboidrato, tal como celulose, que pode ser convertido por um microorganismo em diversos produtos desejáveis, tais como combustíveis (por exemplo, etanol, butanol ou hidrogênio), matérias-primas que incluem uma ou mais unidades sacarídeas podem ser tratadas por qualquer um ou mais dos múltiplos processos. Outros produtos e coprodutos que podem ser produzidos incluem, por exemplo, alimento humano, alimento animal, produtos farmacêuticos e de nutracêutica. Exemplos de outros produtos são descritos nas U.S. N05 de Série 12/417.900, 12/417.707, 12/417.720 e 12/417.731, todas as quais foram depositadas em 3 de abril de 2009.In some cases, to provide materials that include a carbohydrate, such as cellulose, which can be converted by a microorganism into several desirable products, such as fuels (eg, ethanol, butanol or hydrogen), raw materials that include one or more. saccharide units may be treated by any or more of the multiple processes. Other products and co-products that may be produced include, for example, human food, animal food, pharmaceutical and nutraceutical products. Examples of other products are described in U.S. Series No. 12 / 417,900, 12 / 417,707, 12 / 417,720 and 12 / 417,731, all of which were filed on April 3, 2009.

Onde a biomassa é ou inclui um carboidrato ela pode incluir, por exemplo, um material tendo uma ou mais β-1,4-ligações e tendo um peso molecular médio numérico entre cerca de 3.000 e 50.000. Um carboidrato como este é ou inclui celulose (I), a qual é derivada de (β-glicose 1) por meio de condensação de β(1 ->-4)-ligações glicosídicas. Esta ligação contrasta por si mesma com aquela para a(1->4)-ligações glicosídicas presentes em amido e outros carboidratos.Where biomass is or includes a carbohydrate it may include, for example, a material having one or more β-1,4-bonds and having a number average molecular weight of between about 3,000 and 50,000. A carbohydrate such as this is or includes cellulose (I), which is derived from (β-glucose 1) by condensation of β (1 -> - 4) -glycoside bonds. This bond in itself contrasts with that for the (1-> 4) glycosidic bonds present in starch and other carbohydrates.

Materiais ricos em amido incluem amido propriamente dito, por exemplo, amido de milho, amido de trigo, amido de batata ou amido de arroz, um derivado de amido, ou um material que inclui amido, tal como um produto alimentício comestível ou uma cultura agrícola. Por exemplo, o material rico em amido pode ser batata baroa, trigo mourisco, banana, cevada, mandioca, uva, sagu, sorgo, batatas de vida doméstica regular, batata doce, cará, inhames, ou um ou mais feijões, tais como favas, lentilhas ou ervilhas. Misturas de qualquer um ou mais materiais ricos em amido também são materiais ricos em amido. Em modalidades particulares, o material rico em amido é derivado de milho. Vários amidos e derivados de milho são descritos em "Com Starch", Com Refiners Association (décima primeira edição, 2006).Starch-rich materials include starch itself, for example corn starch, wheat starch, potato starch or rice starch, a starch derivative, or a material that includes starch, such as an edible food product or an agricultural crop. . For example, the starch-rich material may be baroa potatoes, buckwheat, bananas, barley, cassava, grapes, sago, sorghum, potatoes of regular domestic life, sweet potatoes, yams, or one or more beans, such as broad beans. , lentils or peas. Mixtures of any one or more starch rich materials are also starch rich materials. In particular embodiments, the starch rich material is derived from corn. Various starches and corn derivatives are described in "With Starch", With Refiners Association (Eleventh Edition, 2006).

Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular, por exemplo, podem incluir pelo menos cerca de 0,5% em peso do açúcar de baixo peso molecular, por exemplo, pelo menos cerca de 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 ou mesmo pelo menos cerca de 95% em peso do açúcar de baixo peso molecular. Em alguns casos, a biomassa é composta substancialmente do açúcar de baixo peso molecular, por exemplo, mais que 95% em peso, tal como 96, 97, 98, 99 ou substancialmente 100% em peso do açúcar de baixo peso molecular.Biomass materials that include low molecular weight sugars, for example, may include at least about 0.5% by weight of low molecular weight sugar, for example at least about 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12.5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 or even at least about 95% by weight of low molecular weight sugar. In some cases, biomass is composed substantially of low molecular weight sugar, for example, more than 95 wt%, such as 96, 97, 98, 99 or substantially 100 wt% of low molecular weight sugar.

Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular podem ser produtos agrícolas ou produtos alimentícios, tais como cana -de- açúcar e beterrabas de açúcar ou uma extração disto, por exemplo, suco de cana -de -açúcar, ou suco de beterrabas de açúcar. Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular podem ser extrações substancialmente puras, tais como açúcar de mesa bruto ou cristalizado (sacarose). Açúcares de baixo peso molecular incluem derivados de açúcar. Por exemplo, os açúcares de baixo peso molecular podem ser oli-goméricos (por exemplo, iguais ou maiores que um 4-mero, 5-mero, 6-mero, 7-mero, 8-mero, 9-mero ou 10-mero), trimérico, dimérico ou monomérico. Quando os carboidratos são formados de mais que uma única unidade de repetição, cada unidade de repetição pode ser a mesma ou diferente.Biomass materials that include low molecular weight sugars may be agricultural products or food products such as sugar cane and sugar beets or an extraction thereof, for example sugar cane juice or sugar beet juice. sugar. Biomass materials that include low molecular weight sugars may be substantially pure extractions, such as raw or crystallized table sugar (sucrose). Low molecular weight sugars include sugar derivatives. For example, low molecular weight sugars may be oligomeric (e.g., equal to or greater than 4-mer, 5-mer, 6-mer, 7-mer, 8-mer, 9-mer or 10-mer ), trimeric, dimeric or monomeric. When carbohydrates are formed from more than one repeating unit, each repeating unit may be the same or different.

Exemplos específicos de açúcares de baixo peso molecular incluem celobiose, lactose, sacarose, glicose e xilose, juntamente com seus derivados. Em alguns casos, derivados de açúcar são dissolvidos mais rapidamente em solução ou utilizados por micróbios para fornecer um material útil, tal como etanol ou butanol.Specific examples of low molecular weight sugars include cellobiose, lactose, sucrose, glucose and xylose, together with their derivatives. In some cases, sugar derivatives are dissolved faster in solution or used by microbes to provide useful material such as ethanol or butanol.

Combinações de quaisquer materiais de biomassa descritos neste documento (por exemplo, combinações de quaisquer materiais de biomassa, componentes, produtos, e/ou coprodutos gerados usando os métodos descritos neste documento) podem ser utilizadas para fabricar qualquer um dos produtos descritos neste documento, tal como etanol. Por exemplo, misturas de materiais celulósicos e de materiais ricos em amido podem ser utilizadas para fabricar produtos.Combinations of any biomass materials described herein (for example, combinations of any biomass materials, components, products, and / or co-products generated using the methods described herein) may be used to manufacture any of the products described herein, such as as ethanol. For example, mixtures of cellulosic and starch-rich materials may be used to make products.

Combustíveis e outros produtos (por exemplo, etanol, bioetanol, outros álcoois e outros hidrocarbonetos combustíveis) produzidos por meio dos métodos revelados neste documento podem ser misturados com outra espécie contendo hidrocarboneto. Por exemplo, etanol produzido usando qualquer um dos métodos revelados neste documento pode ser misturado com gasolina para produzir "alconafta", o qual pode ser usado como combustível em uma ampla variedade de aplicações, incluindo motores de automóveis.Fuels and other products (eg, ethanol, bioethanol, other alcohols and other combustible hydrocarbons) produced by the methods disclosed herein may be mixed with another hydrocarbon-containing species. For example, ethanol produced using any of the methods disclosed herein may be mixed with gasoline to produce "alconafta", which may be used as fuel in a wide variety of applications, including car engines.

Processos de Tratamento de Biomassa A figura 1 mostra um sistema 100 para converter biomassa, particularmente biomassa com significativos componentes celulósicos e lignoce-lulósicos e/ou componentes ricos em amido, em produtos e coprodutos úteis. O sistema 100 inclui um subsistema de preparação de alimentação 110, um subsistema de pré-tratamento 114, um subsistema de processo primário 118 e um subsistema de pós-processamento 122. O subsistema de preparação de alimentação 110 recebe biomassa na sua forma bruta, prepara fisicamente a biomassa para uso como matéria-prima por meio de processos a jusante (por exemplo, reduz o tamanho e homogeneiza a biomassa), e armazena a biomassa em ambas as suas formas brutas e de matéria-prima.Biomass Treatment Processes Figure 1 shows a system 100 for converting biomass, particularly biomass with significant cellulosic and lignocellulosic components and / or starch-rich components, into useful products and co-products. System 100 includes a feed preparation subsystem 110, a pretreatment subsystem 114, a primary process subsystem 118, and a postprocessing subsystem 122. Feed preparation subsystem 110 receives raw biomass, prepares physically biomass for use as raw material through downstream processes (eg, reduces size and homogenizes biomass), and stores biomass in both its raw and raw material forms.

Biomassa com significativos componentes celulósicos e/ou lig-nocelulósicos, ou componentes ricos em amido, pode ter um alto peso molecular médio e cristalinidade que pode ser modificada por um ou mais pré-tratamentos para facilitar uso do material. O subsistema de pré-tratamento 114 recebe matéria-prima do subsistema de preparação de alimentação 110 e prepara a matéria-prima para uso em processos primários de produção, por exemplo, ao reduzir o peso molecular médio e cristalinidade da matéria-prima e/ou aumentar a área de superfície e/ou porosidade da matéria-prima. Em alguns casos, o material de biomassa pré-tratado tem um baixo teor de umidade, por exemplo, menor que cerca de 7,5, 5, 3, 2,5, 2, 1,5, 1, ou 0,5% de água em peso. Redução de umidade pode ser alcançada, por exemplo, ao secar material de biomassa. Processos de pré-tratamento podem evitar o uso de produtos químicos adversos tais como ácidos e bases fortes. O subsistema de processo primário 118 recebe matéria-prima pré-tratada do subsistema de pré-tratamento 114 e produz produtos úteis (por exemplo, etanol, outros álcoois, produtos farmacêuticos e/ou produtos alimentícios). Processos primários de produção tipicamente incluem processos tais como fermentação (por exemplo, usando micro-organismos tais como levedura e/ou bactérias), tratamento químico (por exemplo, hidrólise) e gaseificação.Biomass with significant cellulosic and / or ligocellulosic components, or starch rich components, may have a high average molecular weight and crystallinity that may be modified by one or more pretreatments to facilitate use of the material. Pretreatment subsystem 114 receives feedstock from feed preparation subsystem 110 and prepares feedstock for use in primary production processes, for example by reducing the average molecular weight and crystallinity of feedstock and / or increase the surface area and / or porosity of the raw material. In some cases, the pretreated biomass material has a low moisture content, for example, less than about 7.5, 5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, or 0.5%. of water by weight. Moisture reduction can be achieved, for example, by drying biomass material. Pretreatment processes can avoid the use of adverse chemicals such as acids and strong bases. Primary process subsystem 118 receives pre-treated raw material from pretreatment subsystem 114 and produces useful products (e.g., ethanol, other alcohols, pharmaceuticals and / or food products). Primary production processes typically include processes such as fermentation (e.g. using microorganisms such as yeast and / or bacteria), chemical treatment (e.g. hydrolysis) and gasification.

Em alguns casos, a saída do subsistema de processo primário 118 é diretamente útil, mas em outros casos a saída exige processamento adicional fornecido pelo subsistema de pós-processamento 122. O subsistema de pós-processamento 122 fornece processamento adicional para produzir fluxos a partir do sistema de processo primário 118 (por exemplo, destilação e desnaturação de etanol) assim como tratamento para fluxos de resíduos provenientes dos outros subsistemas. Em alguns casos, os coprodutos dos subsistemas 114, 118, 122 também podem ser úteis de forma direta ou indireta como produtos secundários e/ou em aumentar a eficiência total do sistema 100. Por exemplo, o subsistema de pós-processamento 122 pode produzir água tratada para ser reciclada para uso como água de processo em outros subsistemas e/ou pode produzir resíduo inflamável que pode ser usado como combustível para caldeiras produzindo vapor e/ou eletricidade. Em geral, etapas de pós-processamento podem incluir uma ou mais etapas tais como destilação para separar diferentes componentes, tratamento de água servida (por exemplo, filtração, equalização orgânica, conversão em lama), separação mecânica e/ou combustão de resíduo.In some cases, output from primary process subsystem 118 is directly useful, but in other cases the output requires additional processing provided by postprocessing subsystem 122. Postprocessing subsystem 122 provides additional processing to produce flows from primary process system 118 (eg ethanol distillation and denaturation) as well as treatment for waste streams from other subsystems. In some cases, co-products from subsystems 114, 118, 122 may also be directly or indirectly useful as by-products and / or in increasing the overall efficiency of system 100. For example, post-processing subsystem 122 may produce water. treated to be recycled for use as process water in other subsystems and / or may produce flammable waste that may be used as fuel for boilers producing steam and / or electricity. In general, post-processing steps may include one or more steps such as distillation to separate different components, wastewater treatment (e.g., filtration, organic equalization, sludge conversion), mechanical separation and / or residue combustion.

Sistemas de Feixes de íons Para Pré-Tratamento de Biomassa Pré-tratamento com feixe de íons (por exemplo, exposição a í-ons) de biomassa pode ser um método de tratamento particularmente eficiente, econômico e de alto rendimento. Pré-tratamento com feixe de íons de uma maneira geral inclui expor biomassa (processada mecanicamente, ou não processada) a um ou mais tipos diferentes de íons gerados em uma ou mais fontes de íons. Os íons podem ser acelerados em sistemas aceleradores que são acoplados às fontes de íons, e podem produzir íons com energias e velocidades variando. Tipicamente, em pré-tratamento baseado em í-ons, íons não são acelerados para energias suficientes para fazer com que grandes quantidades de radiação de raios X sejam produzidas. Desta maneira, exigências de arqueação e proteção para fontes de íons podem ser consideravelmente afrouxadas em relação às exigências similares para fontes de elétrons.Ion Beam Systems for Biomass Pretreatment Ion beam pretreatment (eg exposure to ions) of biomass can be a particularly efficient, economical and high throughput treatment method. Ion beam pretreatment generally includes exposing biomass (mechanically processed or unprocessed) to one or more different types of ions generated from one or more ion sources. Ions can be accelerated in accelerator systems that are coupled to ion sources, and can produce ions with varying energies and speeds. Typically, in ion-based pretreatment, ions are not accelerated to sufficient energies to cause large amounts of X-ray radiation to be produced. Thus, bending and protection requirements for ion sources can be considerably relaxed from similar requirements for electron sources.

Quando radiação de feixe de íons é utilizada, ela pode ser apli- cada a qualquer amostra que esteja seca ou molhada, ou mesmo dispersada em um líquido, tal como água. Por exemplo, irradiação de feixe de íons pode ser executada em material celulósico e/ou lignocelulósico no qual menos que cerca de 25% em peso do material celulósico e/ou lignocelulósico tem superfícies molhadas com um líquido, tal como água. Em algumas modalidades, irradiação de feixe de íons é executada em material celulósico e/ou lignocelulósico no qual substancialmente nenhum de o material celulósico e/ou lignocelulósico é molhado com um líquido, tal como água.When ion beam radiation is used, it can be applied to any sample that is dry or wet, or even dispersed in a liquid such as water. For example, ion beam irradiation may be performed on cellulosic and / or lignocellulosic material in which less than about 25% by weight of cellulosic and / or lignocellulosic material has surfaces wet with a liquid such as water. In some embodiments, ion beam irradiation is performed on cellulosic and / or lignocellulosic material in which substantially none of the cellulosic and / or lignocellulosic material is wetted with a liquid such as water.

Quando irradiação de feixe de íons é utilizada, ela pode ser aplicada enquanto o material celulósico e/ou lignocelulósico é exposto ao ar, ar enriquecido com oxigênio, ou mesmo oxigênio propriamente dito, ou coberto por um gás inerte tal como nitrogênio, argônio, ou hélio. Quando oxidação do material de biomassa é desejada, um ambiente de oxidação é utilizado, tal como ar ou oxigênio, e as propriedades da fonte de feixe de íons podem ser ajustadas para induzir formação de gás reativo, por exemplo, formação de ozônio e/ou óxidos de nitrogênio. Estes gases reativos reagem com o material de biomassa, sozinho ou juntamente com íons incidentes, para causar degradação do material. Como um exemplo, quando exposição a feixe de íons de biomassa é utilizada, a biomassa pode ser exposta a íons sob uma pressão de um ou mais gases de mais que cerca de 2,5 atmosferas, tal como mais que 5, 10, 15, 20 ou mesmo mais que cerca de 50 atmosferas. íons que são incidentes em material de biomassa tipicamente se espalham e ionizam partes da biomassa por meio do espalhamento de Coulomb. A interação entre os íons e a biomassa também pode produzir elétrons energéticos (por exemplo, elétrons secundários) que podem interagir adicionalmente com a biomassa (por exemplo, causando ionização adicional). íons podem ser carregados positivamente ou carregados negativamente, e podem suportar uma única carga positiva ou negativa, ou múltiplas cargas, por exemplo, uma, duas, três ou mesmo quatro ou mais cargas. Em casos nos quais cisão de cadeia é desejada, partículas carregadas positivamente podem ser desejáveis, em parte, por causa de sua natureza ácida.When ion beam irradiation is used, it can be applied while cellulosic and / or lignocellulosic material is exposed to air, oxygen enriched air, or even oxygen itself, or covered by an inert gas such as nitrogen, argon, or helium. When oxidation of biomass material is desired, an oxidation environment is used, such as air or oxygen, and the properties of the ion beam source can be adjusted to induce reactive gas formation, eg ozone formation and / or nitrogen oxides. These reactive gases react with biomass material, either alone or together with incident ions, to cause material degradation. As an example, when biomass ion beam exposure is used, the biomass may be exposed to ions under a pressure of one or more gases of more than about 2.5 atmospheres, such as more than 5, 10, 15, 20 or even more than about 50 atmospheres. Ions that are incident on biomass material typically scatter and ionize parts of the biomass through Coulomb scattering. The interaction between ions and biomass can also produce energetic electrons (eg secondary electrons) that can interact additionally with biomass (eg causing additional ionization). ions may be positively charged or negatively charged, and may withstand a single positive or negative charge, or multiple charges, for example, one, two, three or even four or more charges. In cases where chain splitting is desired, positively charged particles may be desirable, in part, because of their acidic nature.

Os íons aos quais o material de biomassa é exposto podem ter a massa de um elétron em repouso, ou maior, por exemplo, 500, 1.000, 1.500, ou 2.000 ou mais, por exemplo, 10.000 ou mesmo 100.000 vezes a massa de um elétron em repouso. Por exemplo, os íons podem ter uma massa de cerca de 1 unidade atômica a cerca de 150 unidades atômicas, por exemplo, de cerca de 1 unidade atômica a cerca de 50 unidades atômicas, ou de cerca de 1 a cerca de 25, por exemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 ou 15 unidades atômicas. íons e aceleradores de íons exemplares são discutidos em Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krs-to Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T, "OverView of Light-lon Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 de março de 2006, Iwata, Y. e outros, "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-lon Medicai Accelerators", procedimentos da EPAC 2006, Edimburgo, Escócia, e Leitner, C.M. e outros, "Status of the Superconducting ECR lon Source Venus", procedimentos da EPAC 2000, Viena, Áustria.Ions to which biomass material is exposed may have the mass of an electron at rest, or greater, for example, 500, 1,000, 1,500, or 2,000 or more, for example, 10,000 or even 100,000 times the mass of an electron. in rest. For example, ions may have a mass of about 1 atomic unit to about 150 atomic units, for example, from about 1 atomic unit to about 50 atomic units, or from about 1 to about 25, for example. , 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12, or 15 atomic units. Exemplary ions and ion accelerators are discussed in Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krs-to Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T , "OverView of Light-Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, March 18-20, 2006, Iwata, Y. et al., "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-lon Medical Accelerators ", EPAC 2006 Proceedings, Edinburgh, Scotland, and Leitner, CM and others," Status of the Superconducting ECR Lon Source Venus ", EPAC 2000 Proceedings, Vienna, Austria.

Uma grande variedade de tipos diferentes de íons pode ser usada para pré-tratar material de biomassa. Por exemplo, prótons, núcleos de hélio, íons de argônio, íons de silício, íons de neônio, íons de carbono, íons de fósforo, íons de oxigênio ou íons de nitrogênio podem ser utilizados. Em algumas modalidades, os íons podem induzir maiores quantidades de cisão de cadeia do que uma dose equivalente de elétrons. Em alguns casos, íons carregados positivamente podem induzir maiores quantidades de cisão de cadeia e/ou outros processos do que íons carregados negativamente por causa de sua acidez. Alternativamente, em certas modalidades, dependendo da natureza da biomassa, íons carregados negativamente podem ser mais efetivos que íons carregados positivamente em induzir cisão de cadeia e/ou outros processos, por causa de sua natureza alcalina.A wide variety of different types of ions can be used to pretreat biomass material. For example, protons, helium nuclei, argon ions, silicon ions, neon ions, carbon ions, phosphorus ions, oxygen ions, or nitrogen ions can be used. In some embodiments, ions may induce greater amounts of chain fission than an equivalent dose of electrons. In some cases, positively charged ions may induce greater amounts of chain fission and / or other processes than negatively charged ions because of their acidity. Alternatively, in certain embodiments, depending on the nature of biomass, negatively charged ions may be more effective than positively charged ions in inducing chain fission and / or other processes because of their alkaline nature.

Seguinte à geração e/ou aceleração, a energia média de íons em um feixe de íons pode ser de cerca de 1,0 MeV/unidade atômica a cerca de 6.000 MeV/unidade atômica, por exemplo, de cerca de 3 MeV/unidade atômica a cerca de 4.800 MeV/unidade atômica, ou de cerca de 10 MeV/unidade atômica a cerca de 1.000 MeV/unidade atômica.Following generation and / or acceleration, the average ion energy in an ion beam may be from about 1.0 MeV / atomic unit to about 6,000 MeV / atomic unit, for example from about 3 MeV / atomic unit. about 4,800 MeV / atomic unit, or about 10 MeV / atomic unit to about 1,000 MeV / atomic unit.

Em geral, muitos tipos diferentes de íons podem ser usados para irradiar materiais de biomassa. Por exemplo, em algumas modalidades, feixes de íons podem incluir íons relativamente leves, tais como prótons e/ou íons de hélio. Em certas modalidades, os feixes de íons podem incluir íons moderadamente mais pesados, tais como íons de carbono, íons de nitrogênio, íons de oxigênio e/ou íons de neônio. Em algumas modalidades, feixes de íons podem incluir íons ainda mais pesados, tais como íons de argônio, íons de silício, íons de fósforo, íons de sódio, íons de cálcio e/ou íons de ferro.In general, many different types of ions can be used to radiate biomass materials. For example, in some embodiments, ion beams may include relatively light ions, such as protons and / or helium ions. In certain embodiments, ion beams may include moderately heavier ions such as carbon ions, nitrogen ions, oxygen ions, and / or neon ions. In some embodiments, ion beams may include even heavier ions such as argon ions, silicon ions, phosphorus ions, sodium ions, calcium ions and / or iron ions.

Em certas modalidades, feixes de íons usados para irradiar materiais de biomassa podem incluir mais de um tipo diferente de íon. Por exemplo, feixes de íons podem incluir misturas de dois ou mais (por exemplo, três, quatro, cinco, seis ou mais) tipos diferentes de íons. Misturas exemplares podem incluir íons de carbono e prótons, íons de carbono e íons de oxigênio, íons de nitrogênio e prótons e íons de ferro e prótons. De uma maneira mais geral, misturas de qualquer um dos íons discutidos neste documento (ou quaisquer outros íons) podem ser usadas para formar feixes de íons que são usados para irradiar biomassa. Em particular, misturas de íons relativamente leves e relativamente mais pesados podem ser usadas em um único feixe de íons, onde cada um dos tipos diferentes de íons tem diferente efetividade em irradiar tipos diferentes de materiais de biomassa.In certain embodiments, ion beams used to radiate biomass materials may include more than one different type of ion. For example, ion beams may include mixtures of two or more (for example, three, four, five, six or more) different types of ions. Exemplary mixtures may include carbon and proton ions, carbon and oxygen ions, nitrogen and proton ions, and iron and proton ions. More generally, mixtures of any of the ions discussed herein (or any other ions) may be used to form ion beams that are used to radiate biomass. In particular, relatively light and relatively heavier ion mixtures may be used in a single ion beam, where each of the different ion types has different effectiveness in radiating different types of biomass materials.

Em algumas modalidades, feixes de íons para irradiar materiais de biomassa incluem íons carregados positivamente. Os íons carregados positivamente podem incluir, por exemplo, íons de hidrogênio carregados positivamente (por exemplo, prótons), íons de gás nobre (por exemplo, hélio, neônio, argônio), íons de carbono, íons de nitrogênio, íons de oxigênio, átomos de silício, íons de fósforo e íons de metal tais como íons de sódio, íons de cálcio e/ou íons de ferro. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria, acredita-se que tais íons carregados positivamente se comportam quimica-mente como componentes ácidos de Lewis quando expostos aos materiais de biomassa, iniciando e sustentando reações tais como reações de cisão de abertura de cadeia e anel catiônico em um ambiente ácido e/ou oxidativo.In some embodiments, ion beams to radiate biomass materials include positively charged ions. Positively charged ions can include, for example, positively charged hydrogen ions (eg protons), noble gas ions (eg helium, neon, argon), carbon ions, nitrogen ions, oxygen ions, atoms. silicon, phosphorus ions and metal ions such as sodium ions, calcium ions and / or iron ions. Without wishing to be bound by any theory, it is believed that such positively charged ions behave chemically as acidic Lewis components when exposed to biomass materials, initiating and sustaining reactions such as cationic ring and chain opening fission reactions in an acidic and / or oxidative environment.

Em certas modalidades, feixes de íons para irradiar materiais de biomassa incluem íons carregados negativamente. íons carregados negativamente podem incluir, por exemplo, íons de hidrogênio carregados negativamente (por exemplo, íons de hidreto), e íons carregados negativamente de vários núcleos relativamente eletronegativos (por exemplo, íons de oxigênio, íons de nitrogênio, íons de carbono, íons de silício e íons de fósforo). Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria, acredita-se que tais íons carregados negativamente se comportam quimicamente como componentes de base de Lewis quando expostos aos materiais de biomassa, causando reações de cisão de abertura de cadeia e anel catiônico em um ambiente básico e/ou de redução.In certain embodiments, ion beams to radiate biomass materials include negatively charged ions. Negatively charged ions may include, for example, negatively charged hydrogen ions (eg hydride ions), and negatively charged ions from various relatively electronegative nuclei (eg oxygen ions, nitrogen ions, carbon ions, carbon ions). silicon and phosphorus ions). Without wishing to be bound by any theory, it is believed that such negatively charged ions behave chemically as Lewis base components when exposed to biomass materials, causing cationic chain and ring opening fission reactions in a basic environment and / or of reduction.

Em algumas modalidades, feixes para irradiar materiais de biomassa podem incluir átomos neutros. Por exemplo, qualquer um ou mais de átomos de hidrogênio, átomos de hélio, átomos de carbono, átomos de nitrogênio, átomos de oxigênio, átomos de neônio, átomos de silício, átomos de fósforo, átomos de argônio e átomos de ferro podem ser incluídos em feixes que são usados para irradiação de materiais de biomassa. Em geral, misturas de quaisquer dois ou mais dos tipos de átomos indicados acima (por exemplo, três ou mais, quatro ou mais, ou ainda mais) podem estar presentes nos feixes. A discussão anterior foi focalizada em feixes de íons que incluem íons mononucleares e/ou partículas neutras (por exemplo, íons atômicos e átomos neutros). Tipicamente, tais partículas são as mais fáceis, em termos energéticos, de gerar, e partículas paternas das quais estas espécies são geradas podem estar disponíveis em fornecimento abundante. Entretanto, em algumas modalidades, feixes para irradiar materiais de biomassa podem incluir um ou mais tipos de íons ou partículas neutras que são polinu-cleares, por exemplo, incluindo múltiplos núcleos, e mesmo incluindo dois ou mais tipos diferentes de núcleos. Por exemplo, feixes de íons podem incluir íons positivos e/ou negativos e/ou partículas neutras formadas de espécies tais como N2, 02, H2, CH4, e de outras espécie moleculares. Feixes de íons também podem incluir íons e/ou partículas neutras formadas de espécies mais pesadas que incluam ainda mais núcleos, tais como várias espécies baseadas em hidrocarboneto e/ou várias espécies inorgânicas, incluindo compostos de coordenação de vários metais.In some embodiments, beams for radiating biomass materials may include neutral atoms. For example, any one or more of hydrogen atoms, helium atoms, carbon atoms, nitrogen atoms, oxygen atoms, neon atoms, silicon atoms, phosphorus atoms, argon atoms, and iron atoms may be included. in beams that are used for irradiation of biomass materials. In general, mixtures of any two or more of the types of atoms indicated above (e.g., three or more, four or more, or even more) may be present in the beams. The previous discussion has focused on ion beams that include mononuclear ions and / or neutral particles (eg, atomic ions and neutral atoms). Typically, such particles are the most energy-efficient to generate, and parent particles from which these species are generated may be available in abundant supply. However, in some embodiments, beams for radiating biomass materials may include one or more types of ions or neutral particles that are pollutants, for example including multiple nuclei, and even including two or more different types of nuclei. For example, ion beams may include positive and / or negative ions and / or neutral particles formed from species such as N2, 02, H2, CH4, and other molecular species. Ion beams may also include ions and / or neutral particles formed from heavier species that include even more nuclei, such as various hydrocarbon-based species and / or various inorganic species, including coordinating compounds of various metals.

Em certas modalidades, feixes de íons usados para irradiar materiais de biomassa incluem íons carregados separadamente tais como um ou mais de H+, H", He+, Ne+, Ar+, C+, C‘, 0+, O', N+, IST, Si+, Si’, P+, P', Na+, Ca+, Fe+, Rh+, lr+, Pt+, Re+, Ru+ e Os+. Em algumas modalidades, feixes de íons podem incluir íons carregados multiplicados tais como um ou mais de C2+, C3+, C4+, N3+, N5+, N3', 02+, O2', 022', Si2+, Si4+, Si2' e Si4‘. Em geral, os feixes de íons também podem incluir mais íons polinucleares complexos que suportam múltiplas cargas positivas ou negativas. Em certas modalidades, por causa da estrutura do íon polinuclear, as cargas positivas ou negativas podem ser efetivamente distribuídas sobre substancialmente a estrutura total do íon. Em algumas modalidades, as cargas positivas ou negativas podem estar um pouco localizadas sobre partes da estrutura dos íons, por causa das estruturas eletrônicas dos íons. De uma maneira geral, feixes de íons usados para irradiar materiais de biomassa podem incluir íons - ambos positivos e/ou negativos - de qualquer uma das espécies moleculares reveladas neste documento, e os íons de uma maneira geral podem incluir uma ou múltiplas cargas. Os feixes de íons também podem incluir outros tipos de íons, carregados positivamente e/ou negativamente, suportando uma ou múltiplas cargas. íons e feixes de íons podem ser gerados usando uma grande variedade de métodos. Por exemplo, íons de hidrogênio (por exemplo, tanto prótons quanto íons de hidreto) podem ser gerados por ionização de campo de gás de hidrogênio e/ou por meio de aquecimento térmico de gás de hidrogênio. íons de gás nobre podem ser gerados por meio de ionização de campo. íons de carbono, oxigênio e de nitrogênio podem ser gerados por meio de ionização de campo, e podem ser separados uns dos outros (quando eles são cogerados) por um analisador hemisférico. íons mais pesados tais como sódio e ferro podem ser produzidos por meio de emissão termiôni-ca a partir de um material alvo adequado. Métodos adequados para gerar feixes de íons estão revelados, por exemplo, nos Pedidos Provisórios U.S. Ν— 61/049.406 e 61/073.665 e na U.S. N° de Série 12/417.699.In certain embodiments, ion beams used to radiate biomass materials include separately charged ions such as one or more of H +, H ", He +, Ne +, Ar +, C +, C ', 0+, O', N +, IST, Si + , Si ', P +, P', Na +, Ca +, Fe +, Rh +, lr +, Pt +, Re +, Ru + and Os + In some embodiments, ion beams may include multiplied charged ions such as one or more of C2 +, C3 +, C4 + , N3 +, N5 +, N3 ', 02+, O2', 022 ', Si2 +, Si4 +, Si2' and Si4 'In general, ion beams may also include more complex polynuclear ions that support multiple positive or negative charges. In some embodiments, because of the polynuclear ion structure, the positive or negative charges can be effectively distributed over substantially the total ion structure In some embodiments, the positive or negative charges may be somewhat localized over parts of the ion structure, for example. cause of the electronic structures of ions. In general, ion beams used to irradiate Delaying biomass materials may include ions - both positive and / or negative - from any of the molecular species disclosed herein, and ions generally may include one or multiple charges. Ion beams can also include other types of positively and / or negatively charged ions supporting one or multiple charges. Ions and ion beams can be generated using a wide variety of methods. For example, hydrogen ions (eg, both protons and hydride ions) may be generated by hydrogen gas field ionization and / or by thermal heating of hydrogen gas. Noble gas ions can be generated by field ionization. Carbon, oxygen, and nitrogen ions can be generated by field ionization, and can be separated from each other (when they are cogenerated) by a hemispherical analyzer. Heavier ions such as sodium and iron may be produced by thermionic emission from a suitable target material. Suitable methods for generating ion beams are disclosed, for example, in U.S. Provisional Applications No. 61 / 049,406 and 61 / 073,665 and U.S. Serial No. 12 / 417,699.

Uma grande variedade de aceleradores de feixe de partículas pode ser usada para acelerar íons antes de expor material de biomassa aos íons. Por exemplo, aceleradores de feixe de partículas adequados incluem os aceleradores Dynamitron®, os aceleradores Rhodotron®, aceleradores estáticos, aceleradores lineares dinâmicos (por exemplo, LINACs), os aceleradores de van de Graaff e os aceleradores Pelletron em tandem dobrados. Estes e outros aceleradores adequados são discutidos, por exemplo, nos Pedidos Provisórios U.S. N— 61/049.406 e 61/073.665, e na U.S. N° Série 12/417.699.A wide variety of particle beam accelerators can be used to accelerate ions before exposing biomass material to ions. For example, suitable particle beam accelerators include Dynamitron® accelerators, Rhodotron® accelerators, static accelerators, dynamic linear accelerators (eg LINACs), van de Graaff accelerators, and folded tandem Pelletron accelerators. These and other suitable accelerators are discussed, for example, in U.S. Provisional Applications No. 61 / 049,406 and 61 / 073,665, and in U.S. Serial No. 12 / 417,699.

Em algumas modalidades, combinações de dois ou mais dos vários tipos de aceleradores podem ser usadas para produzir feixes de íons que sejam adequados para tratar biomassa. Por exemplo, um acelerador em tandem dobrado pode ser usado em combinação com um acelerador linear, um acelerador Rhodotron®, um acelerador Dynamitron®, um acelerador estático, ou qualquer outro tipo de acelerador para produzir feixes de íons. Aceleradores podem ser usados em série, com o feixe de íons de saída de um tipo de acelerador direcionado para entrada em um outro tipo de acelerador para aceleração adicional. Alternativamente, múltiplos aceleradores podem ser usados em paralelo para gerar múltiplos feixes de íons para tratamento de biomassa. Em certas modalidades, múltiplos aceleradores do mesmo tipo podem ser usados em paralelo e/ou em série para gerar feixes de íons acelerados.In some embodiments, combinations of two or more of the various types of accelerators may be used to produce ion beams that are suitable for treating biomass. For example, a folded tandem accelerator may be used in combination with a linear accelerator, a Rhodotron® accelerator, a Dynamitron® accelerator, a static accelerator, or any other type of accelerator to produce ion beams. Accelerators can be used in series, with the output ion beam of one type of throttle directed into another type of throttle for additional acceleration. Alternatively, multiple accelerators may be used in parallel to generate multiple ion beams for biomass treatment. In certain embodiments, multiple accelerators of the same type may be used in parallel and / or series to generate accelerated ion beams.

Em algumas modalidades, múltiplos aceleradores similares e/ou diferentes podem ser usados para gerar feixes de íons tendo diferentes composições. Por exemplo, um primeiro acelerador pode ser usado para gerar um tipo de feixe de íons, enquanto que um segundo acelerador pode ser usado para gerar um segundo tipo de feixe de íons. Cada um dos dois feixes de íons pode então ser acelerado adicionalmente em um outro acelerador, ou pode ser usado para tratar biomassa.In some embodiments, multiple similar and / or different accelerators may be used to generate ion beams having different compositions. For example, a first accelerator can be used to generate one type of ion beam, while a second accelerator can be used to generate a second type of ion beam. Each of the two ion beams can then be further accelerated on another accelerator, or can be used to treat biomass.

Adicionalmente, em certas modalidades, um único acelerador pode ser usado para gerar múltiplos feixes de íons para tratar biomassa. Por exemplo, qualquer um dos aceleradores discutidos neste documento (e de outros tipos de aceleradores igualmente) pode ser modificado para produzir múltiplos feixes de íons de saída ao subdividir um corrente de íons inicial introduzida no acelerador proveniente de uma fonte de íons. Alternativamente, ou além disso, qualquer feixe de íons produzido por qualquer um dos aceleradores revelados neste documento pode incluir somente um único tipo de íon, ou múltiplos tipos diferentes de íons.Additionally, in certain embodiments, a single accelerator may be used to generate multiple ion beams to treat biomass. For example, any of the accelerators discussed in this document (and other types of accelerators alike) can be modified to produce multiple output ion beams by subdividing an initial ion current introduced into the accelerator from an ion source. Alternatively, or in addition, any ion beam produced by any of the accelerators disclosed herein may include only a single type of ion, or multiple different types of ions.

Em geral, onde múltiplos aceleradores diferentes são usados para produzir um ou mais feixes de íons para tratamento de biomassa, os múltiplos aceleradores diferentes podem ser posicionados em qualquer ordem uns em relação aos outros. Isto permite grande flexibilidade na produção de um ou mais feixes de íons, cada qual tendo propriedades cuidadosamente selecionadas para tratar biomassa (por exemplo, para tratar diferentes componentes na biomassa).In general, where multiple different accelerators are used to produce one or more biomass treatment ion beams, the multiple different accelerators may be positioned in any order relative to each other. This allows for great flexibility in producing one or more ion beams, each having carefully selected properties to treat biomass (for example, to treat different components in biomass).

Os aceleradores de íons revelados neste documento também podem ser usados em combinação com qualquer uma das outras etapas de tratamento de biomassa. Por exemplo, em algumas modalidades, elétrons e íons podem ser usados em combinação para tratar biomassa. Os elétrons e íons podem ser produzidos e/ou acelerados separadamente, e usados para tratar biomassa sequencialmente (em qualquer ordem) e/ou simultaneamente. Em certas modalidades, feixes de elétrons e de íons podem ser produzidos em um acelerador comum e usados para tratar biomassa. Certos aceleradores de íons podem ser configurados para produzir feixes de elétrons como uma alternativa, ou além disso, para feixes de íons. Por exemplo, aceleradores Dynamitron®, aceleradores Rhodotron® e LINACs podem ser configurados para produzir feixes de elétrons para tratamento de biomassa.The ion accelerators disclosed herein may also be used in combination with any of the other biomass treatment steps. For example, in some embodiments, electrons and ions may be used in combination to treat biomass. Electrons and ions may be produced and / or accelerated separately, and used to treat biomass sequentially (in any order) and / or simultaneously. In certain embodiments, electron and ion beams can be produced in a common accelerator and used to treat biomass. Certain ion accelerators can be configured to produce electron beams as an alternative, or in addition to ion beams. For example, Dynamitron® accelerators, Rhodotron® accelerators, and LINACs can be configured to produce electron beams for biomass treatment.

Além disso, pré-tratamento de biomassa com feixes de íons pode ser combinado com outros métodos de pré-tratamento de biomassa tais como sonicação, pirólise, oxidação, explosão com vapor e/ou irradiação com outras formas de radiação (por exemplo, elétrons, radiação gama, raios X, radiação ultravioleta). Em geral, outros métodos de pré-tratamento tais como pré-tratamento baseado em sonicação podem ocorrer antes, durante ou a- pós pré-tratamento de biomassa baseado em íons.In addition, ion-beam biomass pretreatment may be combined with other biomass pretreatment methods such as sonication, pyrolysis, oxidation, vapor explosion and / or irradiation with other forms of radiation (eg electrons, gamma radiation, X-rays, ultraviolet radiation). In general, other pretreatment methods such as sonication-based pretreatment may occur before, during or after ion-based biomass pretreatment.

Condições de Exposição e Propriedades de Feixes de íons Em geral, quando um meio condensado é exposto a um feixe de partículas carregadas, as partículas carregadas penetram no meio e se depositam dentro do meio em uma distribuição de profundidades abaixo da superfície sobre a qual as partículas são incidentes. De uma maneira geral tem sido observado (ver, por exemplo, a figura 1 em Prelec (infra, 1997)) que a distribuição de dose para íons inclui um máximo significativamente aguçado (o pico de Bragg), e que íons exibem significativamente menos espalha-mento lateral do que outras partículas tais como elétrons e nêutrons e outras formas de radiação eletromagnética tais como raios X. Desta maneira, por causa do perfil de dose relativamente bem controlado de íons acelerados, eles operam de forma relativamente eficiente para alterar a estrutura de material de biomassa. Além disso, tal como está aparente a partir da figura 6 de Prelec (infra, 1997), íons mais pesados (tais como íons de carbono) têm mesmo perfis de dose mais aguçados do que íons mais leves tais como prótons, e assim a efetividade relativo destes íons mais pesado no tratamento de material de biomassa é mesmo maior que para íons mais leves.Exposure Conditions and Properties of Ion Beams In general, when a condensed medium is exposed to a beam of charged particles, the charged particles penetrate the medium and settle within the medium at a depth distribution below the surface over which the particles They are incidents. It has generally been observed (see, for example, Figure 1 in Prelec (infra, 1997)) that the dose distribution for ions includes a significantly sharp maximum (Bragg peak), and that ions exhibit significantly less scatter. laterally than other particles such as electrons and neutrons and other forms of electromagnetic radiation such as X-rays. In this way, because of the relatively well controlled dose profile of accelerated ions, they operate relatively efficiently to alter the structure of biomass material. Furthermore, as is apparent from Prelec's Figure 6 (infra, 1997), heavier ions (such as carbon ions) even have sharper dose profiles than lighter ions such as protons, and thus the effectiveness The relative relative weight of these ions in the treatment of biomass material is even higher than for lighter ions.

Em algumas modalidades, a energia média dos íons acelerados que são incidentes em material de biomassa é de 1 MeV/u ou mais (por exemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 30, 50, 100, 300, 500, 600, 800, ou mesmo 1.000 MeV/u ou mais).In some embodiments, the average energy of the accelerated ions that are incident on biomass material is 1 MeV / u or more (e.g. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15 , 20, 30, 50, 100, 300, 500, 600, 800, or even 1,000 MeV / u or more).

Em certas modalidades, a energia média dos íons acelerados é de 10 MeV ou mais (por exemplo, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, ou mesmo 5.000 MeV ou mais).In certain embodiments, the average energy of accelerated ions is 10 MeV or more (e.g., 20, 30, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, or even 5,000 MeV or more).

Em certas modalidades, uma velocidade média dos íons acelerados é de 0,0005 c ou mais (por exemplo, 0,005 c ou mais, 0,05 c ou mais, 0,1 c ou mais, 0,2 c ou mais, 0,3 c ou mais, 0,4 c ou mais, 0,5 c ou mais, 0,6 c ou mais, 0,7 c ou mais, 0,8 c ou mais, 0,9 c ou mais), onde c representa a velocidade da luz no vácuo. Em geral, para um dado potencial de aceleração, íons mais leves são acelerados para maiores velocidades do que íons mais pesados. Por exemplo, para um dado potencial de aceleração, uma velocidade máxima de um íon de hidrogênio pode ser de aproximadamente 0,05 c, enquanto que uma velocidade máxima de um íon de carbono pode ser de aproximadamente 0,0005 c. Estes valores são somente exemplares; a velocidade dos íons acelerados depende do potencial de aceleração aplicado, do modo de operação do acelerador, do número de passagens através do campo de aceleração e de outros tais parâmetros.In certain embodiments, an average rate of accelerated ions is 0.0005 c or more (e.g. 0.005 c or more, 0.05 c or more, 0.1 c or more, 0.2 c or more, 0, 3 c or more, 0.4 c or more, 0.5 c or more, 0.6 c or more, 0.7 c or more, 0.8 c or more, 0.9 c or more), where c represents the speed of light in a vacuum. In general, for a given acceleration potential, lighter ions are accelerated to higher speeds than heavier ions. For example, for a given acceleration potential, a maximum velocity of a hydrogen ion may be approximately 0.05 c, while a maximum velocity of a carbon ion may be approximately 0.0005 c. These values are exemplary only; The velocity of accelerated ions depends on the applied acceleration potential, the mode of operation of the accelerator, the number of passes through the acceleration field, and other such parameters.

Em algumas modalidades, uma corrente de íons média dos íons acelerados é de 105 partículas/s ou mais (por exemplo, 106, 107, 108, 109, 101°, 1011, 1012, 1013, 1014, 1015, ou mesmo 1016 partículas/s ou mais).In some embodiments, an average ion stream of accelerated ions is 105 particles / s or more (e.g., 106, 107, 108, 109, 101 °, 1011, 1012, 1013, 1014, 1015, or even 1016 particles / s). I'm more).

Em algumas modalidades, uma dose de radiação entregue para material de biomassa proveniente de um feixe de íons é de 5 Mrad ou mais (por exemplo, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, ou mesmo 100 Mrad ou mais).In some embodiments, a radiation dose delivered to biomass material from an ion beam is 5 Mrad or more (e.g. 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, or even 100 Mrad or more).

Quando uma amostra é exposta a um feixe de íons, energia é depositada na amostra de acordo com um perfil de dose de íons (também algumas vezes referido como uma distribuição de dose em profundidade). A figura 2 mostra um diagrama esquemático de um perfil de dose de íons representativo 2010 para uma amostra de biomassa de fase condensada. O eixo vertical de perfil de dose de íons 2010 na figura 2 mostra a dose de íons relativa, representada graficamente como uma função da profundidade abaixo de uma superfície da amostra que é exposta ao feixe de íons, no eixo horizontal. A figura 2 também inclui, para propósitos comparativos, um perfil de dose de elétrons 2020, um perfil de dose de radiação gama 2030 e um perfil de dose de raios X 2040.When a sample is exposed to an ion beam, energy is deposited into the sample according to an ion dose profile (also sometimes referred to as a depth dose distribution). Figure 2 shows a schematic diagram of a representative ion dose profile 2010 for a condensed phase biomass sample. The vertical axis of the ion dose profile 2010 in figure 2 shows the relative ion dose, plotted as a function of depth below a sample surface that is exposed to the ion beam on the horizontal axis. Figure 2 also includes, for comparative purposes, a 2020 electron dose profile, a gamma radiation dose profile 2030 and an x-ray dose profile 2040.

Tal como mostrado na figura 2, tanto radiação gama quanto radiação de raios X (e adicionalmente, outros tipos de radiação eletromagnética) são absorvidas fortemente em uma região adjacente à superfície da amostra, resultando nas doses de energia mais altas sendo depositadas perto da superfície de amostra. Os perfis de dose de radiação gama e de raios X 2030 e 2040 diminuem de forma aproximadamente exponencial a partir da superfície da amostra, já que progressivamente menos fótons são capazes de penetrar mais profundo na amostra para serem absorvidos. O perfil de dose de elétrons 2020 mostra um efeito de desenvol- vimento pelo qual, por causa da capacidade de penetração de elétrons de Compton, a dose de energia depositada aumenta nas proximidades da superfície exposta da amostra para uma dose depositada máxima em uma profundidade de penetração, tipicamente, de cerca de 3-4 cm em meios condensados. Em seguida, a dose relativa de energia depositada diminui relativamente de forma rápida com distância aumentando abaixo da superfície de amostra.As shown in Figure 2, both gamma radiation and X-ray radiation (and in addition, other types of electromagnetic radiation) are strongly absorbed in a region adjacent to the sample surface, resulting in the highest energy doses being deposited near the surface of the sample. sample. Gamma radiation and X-ray dose profiles 2030 and 2040 decrease approximately exponentially from the sample surface as progressively fewer photons are able to penetrate deeper into the sample to be absorbed. The 2020 electron dose profile shows a developmental effect whereby, because of Compton's electron penetration capacity, the deposited energy dose increases near the exposed surface of the sample to a maximum deposited dose at a depth of penetration typically about 3-4 cm in condensed media. Then the relative dose of deposited energy decreases relatively rapidly with distance increasing below the sample surface.

Feixes de íons, ao contrário, tipicamente têm perfis de dose que algumas vezes são descritos como sendo inversos com relação aos perfis de dose de elétrons e de fótons. Tal como mostrado na figura 2, o perfil de dose de íons 2010 inclui uma região 2012 na qual uma dose de energia relativamente constante é aplicada à amostra. Em seguida, o perfil de dose de íons 2010 inclui uma região 2014 referida como o pico de Bragg, a qual corresponde a uma parte da amostra na qual uma fração comparativamente maior da energia do feixe de íons é depositada, seguida por uma região 2016 na qual uma dose de energia muito menor é depositada. O pico de Bragg, o qual tem uma largura total a meia altura (FWHM) de δ, assegura que o perfil de dose para íons difere significativamente dos perfis de dose para elétrons e fótons de vários comprimentos de onda. Como resultado, expor materiais tais como materiais de biomassa a feixes de íons pode produzir efeitos que são diferentes dos efeitos produzidos por feixes de fótons e de elétrons.Ion beams, by contrast, typically have dose profiles that are sometimes described as inverse with respect to electron and photon dose profiles. As shown in Figure 2, the ion dose profile 2010 includes a region 2012 in which a relatively constant energy dose is applied to the sample. Next, the 2010 ion dose profile includes a region 2014 referred to as the Bragg peak, which corresponds to a portion of the sample in which a comparatively larger fraction of the ion beam energy is deposited, followed by a region 2016 in the region. which a much smaller energy dose is deposited. The Bragg peak, which has a full width at half height (FWHM) of δ, ensures that the ion dose profile differs significantly from the electron and photon dose profiles of various wavelengths. As a result, exposing materials such as biomass materials to ion beams can produce effects that are different from the effects produced by photon and electron beams.

Tipicamente, a largura δ de pico de Bragg 2014 depende de diversos fatores, incluindo a natureza da amostra, o tipo de íons e a energia de íons média. Um fator importante que influi na largura δ do pico de Bragg 2014 é a distribuição de energias no feixe de íons incidente. Em geral, quanto mais estreita a distribuição de energias no feixe de íons incidente tanto mais estreita a largura δ do pico de Bragg 2014. Como um exemplo, o pico de Bragg 2014 tipicamente tem uma largura de cerca de 3 mm ou menos para uma distribuição de energias de íons que tenha uma FWHM de 1 keV ou menos. A largura δ do pico de Bragg 2014 igualmente pode ser muito menor que 3 mm sob estas condições, por exemplo, 2,5 mm ou menos, 2,0 mm ou menos, 1,5 mm ou menos, 1,0 mm ou menos. A posição do pico de Bragg 2014, indicada por γ na figura 2, depende de diversos fatores incluindo a energia média do feixe de íons incidente. Em geral, para maiores energias de feixe de íons médias, o pico de Bragg 2014 se deslocará para maiores profundidades na figura 2, porque íons de maior energia têm a capacidade para penetrar mais profundamente em um material antes de a maior parte da energia cinética dos íons ser perdida por meio de eventos de espalhamento. Várias propriedades de um ou mais feixes de íons incidentes podem ser ajustadas para expor amostras (por exemplo, materiais de bio-massa) à radiação de feixe de íons, o que pode resultar em despolimeriza-ção e outras reações de cisão de cadeia nas amostras, reduzindo o peso molecular das amostras em uma maneira previsível e controlada. A figura 3 mostra um diagrama esquemático de um sistema de exposição a feixe de íons 2100. O sistema 2100 inclui uma fonte de íons 2110 que gera um feixe de íons 2150. Os elementos óticos 2120 (incluindo, por exemplo, lentes, aberturas, defletores e/ou outros elementos eletrostáticos e/ou magnéticos para ajustar o feixe de íons 2150) direcionam o feixe de íons 2150 para ser incidente na amostra 2130, a qual tem uma espessura h em uma direção normal à superfície 2135 da amostra 2130. Além de direcionar o feixe de íons 2150, os elementos óticos 2120 podem ser usados para controlar várias propriedades do feixe de íons 2150, incluindo colimação e focalização do feixe de íons 2150. A amostra 2130 inclui tipicamente, por exemplo, um ou mais dos vários tipos de materiais de biomassa que são discutidos neste documento. O sistema 2100 também inclui um controlador eletrônico 2190 em comunicação elétrica com os vários componentes do sistema (e com outros componentes não mostrados na figura 3). O controlador eletrônico 2190 pode controlar e/ou ajustar qualquer um dos parâmetros de sistema descritos neste documento, inteiramente de forma automática ou em resposta à entrada de um operador humano. A figura 3 também mostra o perfil de dose de íons que resulta da exposição da amostra 2130 ao feixe de íons 2150. A posição 2160 do pico de Bragg dentro da amostra 2130 depende da energia média do feixe de íons 2150, da natureza dos íons no feixe de íons 2150, do material do qual a amostra 2130 é formada e de outros fatores.Typically, the Bragg 2014 peak width δ depends on a number of factors, including the nature of the sample, the type of ions, and the average ion energy. An important factor influencing the width δ of the Bragg 2014 peak is the energy distribution in the incident ion beam. In general, the narrower the energy distribution in the incident ion beam, the narrower the width δ of the Bragg 2014 peak. As an example, the Bragg 2014 peak typically has a width of about 3 mm or less for a distribution. ion energies that have an FWHM of 1 keV or less. The width δ of the Bragg 2014 peak can also be much smaller than 3 mm under these conditions, for example 2.5 mm or less, 2.0 mm or less, 1.5 mm or less, 1.0 mm or less. . The position of the Bragg 2014 peak, indicated by γ in figure 2, depends on several factors including the average incident beam energy. In general, for higher average ion beam energies, the Bragg 2014 peak will shift to greater depths in Figure 2, because higher energy ions have the ability to penetrate deeper into a material before most of the kinetic energy of ions be lost through scattering events. Various properties of one or more incident ion beams can be adjusted to expose samples (eg biomass materials) to ion beam radiation, which may result in depolymerization and other chain fission reactions in the samples. by reducing the molecular weight of the samples in a predictable and controlled manner. Figure 3 shows a schematic diagram of a 2100 ion beam exposure system. The 2100 system includes a 2110 ion source that generates a 2150 ion beam. The 2120 optics (including, for example, lenses, apertures, baffles) and / or other electrostatic and / or magnetic elements to adjust the ion beam 2150) direct the ion beam 2150 to be incident on sample 2130, which has a thickness h in a direction normal to the surface 2135 of sample 2130. In addition to directing the 2150 ion beam, the 2120 optics may be used to control various properties of the 2150 ion beam, including collimation and focusing of the 2150 ion beam. The 2130 sample typically includes, for example, one or more of several types of ion beam. biomass materials that are discussed in this document. The 2100 system also includes a 2190 electronic controller in electrical communication with the various system components (and with other components not shown in figure 3). The 2190 electronic controller can control and / or adjust any of the system parameters described herein, either entirely automatically or in response to input from a human operator. Figure 3 also shows the ion dose profile resulting from exposure of sample 2130 to the 2150 ion beam. The 2160 position of the Bragg peak within sample 2130 depends on the average energy of the 2150 ion beam, the nature of the ions in the ion beam 2150, the material from which the 2130 sample is formed, and other factors.

Em muitas aplicações de feixes de íons, tais como terapia com íons para erradicação de tumor, a largura relativamente pequena δ do pico de Bragg 2014 é vantajosa, porque ela permite direcionamento razoavelmente fino para tecidos particulares dentro de um paciente passando por terapia, e ajuda a reduzir danos por causa da exposição de tecidos benignos próximos.In many ion beam applications, such as ion therapy for tumor eradication, the relatively small width δ of the Bragg 2014 peak is advantageous because it allows reasonably thin targeting to particular tissues within a patient undergoing therapy, and helps reduce damage because of exposure to nearby benign tissues.

Entretanto, quando expondo materiais de biomassa tal como a amostra 2130 ao feixe de íons 2150, a largura relativamente pequena δ do pico de Bragg 2014 pode restringir rendimento. Tipicamente, por exemplo, a espessura h da amostra 2130 é maior que a largura δ do pico de Bragg 2014. Em algumas modalidades, h pode ser substancialmente maior que δ (por exemplo, maior por um fator de 5 ou mais, ou 10 ou mais, ou 20 ou mais, ou 50 ou mais, ou 100 ou mais, ou ainda mais).However, when exposing biomass materials such as sample 2130 to the 2150 ion beam, the relatively small width δ of the Bragg 2014 peak may restrict yield. Typically, for example, the thickness h of sample 2130 is larger than the width δ of the Bragg 2014 peak. In some embodiments, h may be substantially greater than δ (for example, larger by a factor of 5 or more, or 10 or more, or 20 or more, or 50 or more, or 100 or more, or even more).

Para aumentar uma espessura da amostra 2130 no qual uma dose selecionada pode ser entregue em um intervalo de tempo particular, a distribuição de energia do feixe de íons 2150 pode ser ajustada. Vários métodos podem ser usados para ajustar a distribuição de energia do feixe de íons 2150. Um método como este é empregar um ou mais elementos de es-palhamento removíveis 2170 posicionados no caminho do feixe de íons 2150, tal como mostrado na figura 3. O elemento de espalhamento 2170 pode ser, por exemplo, uma membrana fina formada de um material de metal tal como tungstênio, tântalo, cobre e/ou um material baseado em polímero tal como o polímero Lucite®.To increase a sample thickness 2130 at which a selected dose can be delivered over a particular time interval, the energy distribution of the 2150 ion beam can be adjusted. Various methods can be used to adjust the energy distribution of the 2150 ion beam. A method such as this is to employ one or more 2170 removable scattering elements positioned in the path of the 2150 ion beam as shown in Figure 3. spreading element 2170 may be, for example, a thin membrane formed of a metal material such as tungsten, tantalum, copper and / or a polymer based material such as Lucite® polymer.

Antes de atravessar o elemento de espalhamento 2170 o feixe de íons 2150 tem uma distribuição de energia de largura w, mostrada na figura 4A. Quando o feixe de íons 2150 atravessa o(s) elemento(s) 2170, pelo menos alguns dos íons no feixe de íons 2150 passam por eventos de espalhamento com átomos no(s) elemento(s) 2170 transferindo uma parte de sua energia cinética para os átomos do(s) elemento(s) 2170. Como resultado, a distribuição de energia do feixe de íons 2150 é ampliada para uma largura b maior que w, tal como mostrado na figura 4B. Em particular, a distribuição de energia do feixe de íons 2150 obtém uma parte traseira de baixa energia mais ampla como resultado do espalhamento no(s) elemento(s) 2170. A figura 4C mostra o efeito de alargamento da distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 nos perfis de dose de íons na amostra 2130. O perfil de dose de íons 2140a é produzido ao expor a amostra 2130 ao feixe de íons 2150 tendo a distribuição de energia de íons mostrada na figura 4A. O perfil de dose de íons 2140a inclui um pico de Bragg relativamente estreito. Como resultado, a região da amostra 2130 na qual uma dose relativamente alta é depositada é pequena. Em contraste, ao alargar a distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 para produzir a distribuição mostrada na figura 4B, o perfil de dose de íons 2140b é obtido na amostra 2130 após expor a amostra à distribuição ampliada de energias de íons. Tal como o perfil de dose 2140b mostra, ao alargar a distribuição de energia de íons, a região da amostra 2130 na qual uma dose relativamente alta é depositada é aumentada em relação ao perfil de dose de íons 2140a. Ao aumentar a região da amostra 2130 exposta a uma dose relativamente alta, o rendimento do processo de exposição pode ser melhorado.Prior to traversing the spreading element 2170 the ion beam 2150 has a power distribution of width w shown in Figure 4A. When the 2150 ion beam crosses the 2170 element (s), at least some of the ions in the 2150 ion beam undergo scattering events with atoms in the 2170 element (s) transferring a portion of their kinetic energy. to the atoms of element (s) 2170. As a result, the energy distribution of ion beam 2150 is enlarged to a width b greater than w, as shown in Figure 4B. In particular, the energy distribution of the 2150 ion beam achieves a broader low-energy rear as a result of scattering in the element (s) 2170. Figure 4C shows the widening effect of the ion energy distribution of the 2150 ion beam in the ion dose profiles in the 2130 sample. The 2140a ion dose profile is produced by exposing the 2130 sample to the 2150 ion beam having the ion energy distribution shown in Figure 4A. The 2140a ion dose profile includes a relatively narrow Bragg peak. As a result, the region of sample 2130 in which a relatively high dose is deposited is small. In contrast, by widening the ion energy distribution of the 2150 ion beam to produce the distribution shown in Figure 4B, the ion dose profile 2140b is obtained in sample 2130 after exposing the sample to the extended ion energy distribution. As the dose profile 2140b shows, by widening the ion energy distribution, the region of sample 2130 in which a relatively high dose is deposited is increased relative to the ion dose profile 2140a. By increasing the region of sample 2130 exposed to a relatively high dose, the efficiency of the exposure process can be improved.

Em certas modalidades, a largura b da distribuição de energia ampliada pode ser maior que w por um fator de 1,1 ou mais (por exemplo, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,7, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, ou mesmo 10,0 ou mais).In certain embodiments, the width b of the extended power distribution may be greater than w by a factor of 1.1 or more (e.g. 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.7, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 5.0, or even 10.0 or more).

Tipicamente, o perfil de dose de íons na amostra 2130 produzido por exposição da amostra à distribuição de energia de íons ampliada mostrada na figura 4B tem um pico de Bragg tendo uma largura total à meia altura (FWHM) de ε. Como resultado de alargamento da distribuição de energia de íons, ε pode ser maior que δ por um fator de 1,1 ou mais (por exemplo, 1,2 ou mais, 1,3 ou mais, 1,5 ou mais, 1,7 ou mais, 2,0 ou mais, 2,5 ou mais, 3,0 ou mais, 4,0 ou mais, 5,0 ou mais, 6,0 ou mais, 7,0 ou mais, 10,0 ou mais).Typically, the ion dose profile in sample 2130 produced by exposing the sample to the extended ion energy distribution shown in Figure 4B has a Bragg peak having a full width at half height (FWHM) of ε. As a result of widening the ion energy distribution, ε may be greater than δ by a factor of 1.1 or more (for example, 1.2 or more, 1.3 or more, 1.5 or more, 1, 7 or more, 2.0 or more, 2.5 or more, 3.0 or more, 4.0 or more, 5.0 or more, 6.0 or more, 7.0 or more, 10.0 or more more).

Para a amostra 2130 de espessura h, após alargar a distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 e expor a amostra ao feixe de íons, uma razão de ε/h pode ser de 1 x 10"6 ou mais (por exemplo, 1 x 10"5, 5 x 10" 5, 1 x 10"*, 5 x 10"*, 1 x 10'3, 5 x 10'3, 0,01, 0,05, 0,08, 0,1, ou mesmo 0,5 ou mais).For the 2130 thickness h sample, after extending the ion energy distribution of the 2150 ion beam and exposing the sample to the ion beam, a ratio of ε / h may be 1 x 10 "6 or more (for example, 1 x 10 "5.5 x 10" 5, 1 x 10 "*, 5 x 10" *, 1 x 10'3, 5 x 10'3, 0.01, 0.05, 0.08, 0, 1, or even 0.5 or more).

Em certas modalidades, a amostra 2130 inclui uma pluralidade de partículas (por exemplo, partículas aproximadamente esféricas, e/ou fibras, e/ou filamentos, e/ou outros tipos de partículas). Em geral, as partículas têm uma distribuição de diferentes tamanhos, com um tamanho de partícula médio r. A distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 pode ser ajustada (por exemplo, por meio de alargamento) com base no tamanho de partícula médio r da amostra 2130 para melhorar a eficiência do tratamento baseado em íons da amostra 2130. Por exemplo, o feixe de íons 2150 pode ser ajustado de maneira que uma razão de ε/r seja 0,001 ou mais (por exemplo, 0,005 ou mais, 0,01 ou mais, 0,05 ou mais, 0,1 ou mais, 0,5 ou mais, 1,0 ou mais, 1,5 ou mais, 2,0 ou mais, 2,5 ou mais, 3,0 ou mais, 3,5 ou mais, 4,0 ou mais, 5,0 ou mais, 6,0 ou mais, 8,0 ou mais, 10 ou mais, 50 ou mais, 100 ou mais, 500 ou mais, 1.000 ou mais, ou ainda mais).In certain embodiments, sample 2130 includes a plurality of particles (e.g., approximately spherical particles, and / or fibers, and / or filaments, and / or other particle types). In general, the particles have a different size distribution with an average particle size r. The ion energy distribution of the 2150 ion beam can be adjusted (eg by flaring) based on the average particle size r of sample 2130 to improve the efficiency of sample-based treatment of sample 2130. For example, the ion beam 2150 may be adjusted such that a ratio of ε / r is 0.001 or more (e.g. 0.005 or more, 0.01 or more, 0.05 or more, 0.1 or more, 0.5 or more, 1.0 or more, 1.5 or more, 2.0 or more, 2.5 or more, 3.0 or more, 3.5 or more, 4.0 or more, 5.0 or more , 6.0 or more, 8.0 or more, 10 or more, 50 or more, 100 or more, 500 or more, 1,000 or more, or more).

Em algumas modalidades, um elemento de espalhamento 2170 pode incluir múltiplos subelementos de espalhamento diferentes que são configurados para estender a distribuição de energias de íons no feixe de íons 2150 por diferentes quantidades. Por exemplo, a figura 5 mostra um elemento de espalhamento de múltiplos subelementos 2170 que inclui os subelementos 2170a-e. Cada um dos subelementos 2170a-e estende a distribuição de energias de íons no feixe de íons 2150 por uma extensão diferente. Durante operação do sistema 2100, o controlador eletrônico 2190 pode ser configurado para selecionar um subelemento apropriado do elemento de espalhamento 2170 com base em informação tal como a espessura h da amostra 2130, o tipo de íons no feixe de íons 2150 e a energia de íons média no feixe de íons 2150. A seleção de um subelemento apropriado pode ser feita em modo inteiramente automatizado, ou com base pelo menos em parte em entrada de um operador humano. Seleção de um subelemento apropriado é feita ao transladar o elemento de espalhamento 2170 na direção mostrada pela seta 2175 para posicionar um subelemento selecionado no caminho do feixe de íons 2150.In some embodiments, a scattering element 2170 may include multiple different scattering subelements that are configured to extend the distribution of ion energies in the 2150 ion beam by different amounts. For example, Figure 5 shows a multiple sub-element spreading element 2170 including sub-elements 2170a-e. Each of the 2170a-e subelements extends the distribution of ion energies in the 2150 ion beam to a different extent. During operation of the 2100 system, the electronic controller 2190 may be configured to select an appropriate subelement of the scattering element 2170 based on information such as sample thickness h, 2130, ion type in the 2150 ion beam, and ion energy. average on the 2150 ion beam. Selection of an appropriate subelement can be done in fully automated mode, or based at least in part on input from a human operator. Selecting an appropriate subelement is done by translating the scattering element 2170 in the direction shown by arrow 2175 to position a selected subelement in the path of the 2150 ion beam.

Em certas modalidades, outros dispositivos podem ser usados além do(s) elemento(s) de espalhamento 2170 ou como uma alternativa para ele(s). Por exemplo, em algumas modalidades, combinações de campos elétricos e ou magnéticos, produzidos por elementos óticos de íons, podem ser usadas para estender a distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150. O feixe de íons 2150 pode atravessar um primeiro campo configurado para dispersar espacialmente íons no feixe de íons. Então os íons dispersados espacialmente podem atravessar um segundo campo que é bem localizado espacialmente, e que retarda seletivamente somente uma parte dos íons dispersados espacialmente. Os íons atravessam então um terceiro campo que remonta espacialmente todos os íons em um feixe colimado, o qual é então direcionado para a superfície da amostra 2130. Tipicamente, os elementos óticos de íons usados para gerar os campos que ajustam a distribuição de energia de íons são controlados pelo controlador eletrônico 2190. Ao aplicar campos localizados espacialmente de forma seletiva, um alto grau de controle sobre a distribuição de energia de íons modificada é possível, incluindo a geração de distribuições de energia de íons tendo perfis complicados (por exemplo, múltiplos lóbulos). Por exemplo, em algumas modalidades, ao aplicar um campo localizado que acelera uma parte da distribuição de íons dispersados espacialmente, a distribuição de energia de íons mostrada na figura 4A pode ser ampliada no lado de energia alta da distribuição máxima. A informação usada pelo controlador eletrônico 2190 para ajustar a distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 pode incluir a espessura h da amostra 2130, tal como discutido anteriormente. Em algumas modalidades, o controlador eletrônico 2190 pode usar informação a respeito do perfil de dose de íons esperado na amostra 2130 para ajustar a distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150. Informação a respeito do perfil de dose de íons esperado pode ser obtida de uma base de dados que inclui, por exemplo, medições de perfis de dose de íons obtidas de fontes de literatura e/ou de experimentos de calibração executados em amostras represen- tativas do material do qual a amostra 2130 é formada. Alternativamente, ou além disto, informação a respeito do perfil de dose de íons esperado pode ser determinada a partir de um modelo matemático de interações de íons na amostra 2130 (por exemplo, um modelo de espalhamento íons).In certain embodiments, other devices may be used in addition to or as an alternative to the spreading element (s) 2170. For example, in some embodiments, combinations of electric and or magnetic fields produced by ion optics may be used to extend the ion energy distribution of the 2150 ion beam. The 2150 ion beam may traverse a first configured field. to spatially disperse ions in the ion beam. Then spatially dispersed ions can traverse a second field that is well-located spatially, and which selectively delays only a portion of spatially dispersed ions. The ions then traverse a third field that spatially reassembles all the ions in a collimated beam, which is then directed to the surface of the 2130 sample. Typically, the optical ion elements used to generate the fields that adjust the energy distribution of ions controlled by the electronic controller 2190. By selectively applying spatially located fields, a high degree of control over the modified ion energy distribution is possible, including the generation of ion energy distributions having complicated profiles (eg multiple lobes). ). For example, in some embodiments, by applying a localized field that accelerates a portion of the spatially dispersed ion distribution, the ion energy distribution shown in Figure 4A may be enlarged on the high energy side of the maximum distribution. Information used by the electronic controller 2190 to adjust the ion energy distribution of the 2150 ion beam may include the thickness h of sample 2130 as discussed above. In some embodiments, the 2190 electronic controller may use information regarding the expected ion dose profile in the 2130 sample to adjust the ion energy distribution of the 2150 ion beam. Information regarding the expected ion dose profile may be obtained. from a database including, for example, ion dose profile measurements obtained from literature sources and / or calibration experiments performed on representative samples of the material from which the 2130 sample is formed. Alternatively, or in addition, information about the expected ion dose profile can be determined from a mathematical model of ion interactions in the 2130 sample (eg, an ion scattering model).

Em certas modalidades, a informação a respeito do perfil de dose de íons esperado pode incluir informação a respeito da FWHM do pico de Bragg no perfil de dose de íons esperado. A FWHM do pico de Bragg pode ser determinada a partir de medições de perfis de dose de íons e/ou a partir de um ou mais modelos matemáticos de espalhamento de íons na amostra. Ajustes da distribuição de energia de íons do feixe de íons 2150 podem ser executados para reduzir uma diferença entre a espessura h da amostra 2130 e a FWHM do pico de Bragg. Em algumas modalidades, por exemplo, uma diferença entre h e a largura total a meia altura do pico de Bragg é de 20 cm ou menos (por exemplo, 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6 cm, 5, 4, 3, 2, 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01, 0,001, 0,0001, ou mesmo 0,00001 cm ou menos, ou mesmo zero).In certain embodiments, information regarding the expected ion dose profile may include information regarding the Bragg peak FWHM in the expected ion dose profile. The Bragg peak FWHM can be determined from measurements of ion dose profiles and / or from one or more mathematical models of ion scattering in the sample. Adjustments of the ion energy distribution of the 2150 ion beam can be performed to reduce a difference between the 21h sample thickness h and the Bragg peak FWHM. In some embodiments, for example, a difference between h and the full width at half height of the Bragg peak is 20 cm or less (e.g. 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6 cm, 5, 4, 3 , 2, 1, 0.5, 0.1, 0.05, 0.01, 0.001, 0.0001, or even 0.00001 cm or less, or even zero).

Em algumas modalidades, o sistema de exposição a feixe de í-ons pode ajustar a distribuição de energias de íons no feixe de íons 2150 em outros modos. Por exemplo, o sistema de exposição a feixe de íons pode ser configurado para filtrar o feixe de íons ao remover íons do feixe de íons 2150 que tenham energias abaixo de um limiar de energia selecionado e/ou acima de um limiar de energia selecionado. A figura 6 mostra um sistema de exposição a feixe de íons 2200 que inclui um filtro de íons 2210 discutido com mais detalhes a seguir. Os outros componentes do sistema 2200 são similares aos componentes do sistema 2100, e não serão discutidos adicionalmente. A figura 7A mostra uma distribuição de energia de íons correspondendo ao feixe de íons 2150 produzido pela fonte de íons 2110. O feixe de íons 2150, com uma distribuição de energia tal como mostrado na figura 7A, entra no filtro de íons 2210 onde a distribuição de energia do feixe de íons 2150 é ajustada ao filtrar certos íons do feixe de íons. Por exemplo, em algumas modalidades, o filtro de íons 2210 pode ser configurado para remo- ver íons do feixe de íons 2150 que tenham uma energia menor que um limiar de energia selecionado. Na figura 7A, o limiar de energia selecionado é a posição E0 do pico na distribuição de energia de íons, embora de uma maneira mais geral qualquer limiar de energia possa ser selecionado. Ao remover todos os íons (ou mesmo exatamente uma grande fração deles) tendo uma energia menor que E0, a distribuição de energia de íons para o feixe de íons 2150 fica tal como mostrado na figura 7B.In some embodiments, the ion beam exposure system may adjust the ion energy distribution in the 2150 ion beam in other modes. For example, the ion beam exposure system can be configured to filter the ion beam by removing ions from the 2150 ion beam that have energies below a selected energy threshold and / or above a selected energy threshold. Figure 6 shows an ion beam exposure system 2200 including an ion filter 2210 discussed in more detail below. The other 2200 system components are similar to the 2100 system components, and will not be discussed further. Figure 7A shows an ion energy distribution corresponding to the 2150 ion beam produced by the 2110 ion source. The 2150 ion beam, with an energy distribution as shown in Figure 7A, enters the ion filter 2210 where the distribution The energy of the 2150 ion beam is adjusted by filtering certain ions from the ion beam. For example, in some embodiments, the 2210 ion filter may be configured to remove ions from the 2150 ion beam having an energy lower than a selected energy threshold. In Figure 7A, the selected energy threshold is the E0 position of the peak in the ion energy distribution, although more generally any energy threshold can be selected. By removing all ions (or even exactly a large fraction of them) having an energy less than E0, the ion energy distribution for ion beam 2150 is as shown in Figure 7B.

Em contraste, em algumas modalidades, o filtro de íons 2210 pode ser configurado para remover íons do feixe de íons 2150 que tenham uma energia maior que um limiar de energia selecionado (quando o filtro de íons 2210 é implementado como um analisador hemisférico, por exemplo). Por exemplo, o limiar de energia selecionado pode corresponder à posição E0 do pico na distribuição de energia de íons, embora de uma maneira mais geral qualquer limiar de energia possa ser selecionado. Ao remover todos os íons (ou mesmo uma grande fração deles) do feixe de íons 2150 tendo uma energia maior que E0, a distribuição de energia de íons para o feixe de íons 2150 fica tal como mostrado na figura 7C.In contrast, in some embodiments, the 2210 ion filter may be configured to remove ions from the 2150 ion beam that have an energy greater than a selected energy threshold (when the 2210 ion filter is implemented as a hemispherical analyzer, for example). ). For example, the selected energy threshold may correspond to the peak E0 position in the ion energy distribution, although more generally any energy threshold may be selected. By removing all ions (or even a large fraction of them) from the 2150 ion beam having an energy greater than E0, the ion energy distribution for the 2150 ion beam is as shown in Figure 7C.

Em certas modalidades, a amostra 2130 pode ser exposta diretamente a um feixe de íons filtrado 2150. Ao filtrar o feixe de íons para alcançar uma distribuição de energia de íons mais estreita, por exemplo, o perfil de dose de íons na amostra 2130 é mais aguçado seguinte à exposição de amostra do que ele teria sido de outro modo sem filtrar o feixe de í-ons 2150. Como resultado, a largura do pico de Bragg na amostra 2130 é menor em relação à largura de pico de Bragg para um feixe de íons não filtrado. Ao expor a amostra 2130 a uma distribuição mais estreita de energias de íons incidentes, controle mais refinado sobre a posição do feixe de íons 2150 pode ser alcançado; este nível de controle de exposição a íons pode ser útil quando expondo vários tipos de materiais de amostras delicadas.In certain embodiments, sample 2130 may be exposed directly to a filtered ion beam 2150. By filtering the ion beam to achieve a narrower ion energy distribution, for example, the ion dose profile in sample 2130 is more following the sample exposure than it would otherwise have been without filtering the 2150 ion beam. As a result, the Bragg peak width in the 2130 sample is smaller than the Bragg peak width for a unfiltered ions. By exposing the 2130 sample to a narrower distribution of incident ion energies, finer control over the position of the 2150 ion beam can be achieved; This level of ion exposure control can be useful when exposing various types of delicate sample materials.

Alternativamente, o feixe de íons filtrado pode ser então passado através de um ou mais elementos de espalhamento e/ou de outros dispositivos para aumentar a largura da distribuição de energias de íons. Esta abordagem de duas etapas para modificar a distribuição de energia de íons - uma primeira etapa de filtragem, seguida por uma segunda etapa de alargamento - pode ser usada para produzir distribuições de energia de íons que sejam adaptadas para aplicações específicas (por exemplo, específicas para certos tipos de íons e/ou certos materiais e/ou certas condições de pré-tratamento) que não possam ser alcançáveis usando um procedimento de alargamento de distribuição de energia de uma etapa mais simples.Alternatively, the filtered ion beam may then be passed through one or more scattering elements and / or other devices to increase the width of the ion energy distribution. This two-step approach to modifying ion energy distribution - a first filtration step followed by a second widening step - can be used to produce ion energy distributions that are tailored for specific applications (for example, specific for certain types of ions and / or certain materials and / or certain pretreatment conditions) that cannot be achieved using a simpler one-step power distribution extension procedure.

Como um exemplo, ao primeiro filtrar o feixe de íons 2150 e então passar o feixe de íons filtrado através de um ou mais elementos de espa-Ihamento 2170, a forma da distribuição de energia de íons pode ser tornada mais gaussiana do que seria possível de outro modo usando somente uma etapa de espalhamento em vez de o procedimento de duas etapas. O filtro de íons 2210 pode incluir um ou mais de uma variedade de diferentes dispositivos para remover íons do feixe de íons 2150. Por exemplo, em algumas modalidades, o filtro de íons 2210 inclui um analisador hemisférico e filtro de abertura. O analisador hemisférico inclui uma fonte de campo magnético que dispersa os íons do feixe de íons 2150 de acordo com suas energias cinéticas. O filtro de abertura é então posicionado no caminho do feixe de íons 2150 dispersado para permitir que somente íons tendo uma faixa específica de energias passem pela abertura.As an example, by first filtering the 2150 ion beam and then passing the filtered ion beam through one or more 2170 spacing elements, the shape of the ion energy distribution can be made more Gaussian than would be possible. otherwise using only one spreading step instead of the two-step procedure. The ion filter 2210 may include one or more of a variety of different devices for removing ions from the 2150 ion beam. For example, in some embodiments, the 2210 ion filter includes a hemispherical analyzer and aperture filter. The hemispherical analyzer includes a magnetic field source that disperses the ions of the 2150 ion beam according to their kinetic energies. The aperture filter is then positioned in the path of the scattered ion beam 2150 to allow only ions having a specific range of energies to pass through the aperture.

Em certas modalidades, outros dispositivos podem ser usados para filtrar o feixe de íons 2150. Por exemplo, elementos de absorção (por exemplo, elementos configurados para absorver íons incidentes tendo energias menores que um limiar de energia selecionado) podem ser usados para filtrar o feixe de íons 2150. Elementos de absorção adequados incluem lâminas delgadas de metal, por exemplo.In certain embodiments, other devices may be used to filter the 2150 ion beam. For example, absorption elements (e.g., elements configured to absorb incident ions having energies less than a selected energy threshold) may be used to filter the beam. 2150. Suitable absorption elements include thin metal blades, for example.

Em algumas modalidades, o feixe de íons 2150 (e em particular, o pico de Bragg em um perfil de dose de íons esperado produzido seguinte à exposição da amostra 2130 ao feixe de íons 2150) pode ser deslocado através da amostra 2130 para entregar doses de radiação selecionadas para várias partes da amostra. Em geral, a posição do pico de Bragg na amostra 2130 pode ser selecionada ao ajustar a energia média do feixe de íons 2150 (a energia média do feixe de íons 2150 tipicamente corresponde ao máximo na distribuição de energia de íons). A fonte de íons 2110, sob o controle do controlador eletrônico 2190, pode ajustar a energia média do feixe de íons 2150 ao mudar uma tensão de extração aplicada para acelerar íons na fonte de íons. A figura 8 é um diagrama esquemático que mostra como o pico de Bragg de um perfil de dose de íons na amostra 2130 pode ser deslocado através da amostra. Como uma primeira etapa, o sistema de exposição a íons 2100 é configurado para produzir um primeiro feixe de íons com uma energia de íons média selecionada correspondendo a uma tensão de extração particular aplicada na fonte de íons 2110. Quando a amostra 2130 é exposta ao primeiro feixe de íons, o perfil de dose de íons 2010a resulta na amostra, com o pico de Bragg na posição 2230a. Seguinte à exposição, a tensão de extração na fonte de íons 2110 é ajustada para produzir um segundo feixe de íons com uma energia de íons média diferente. Quando a amostra 2130 é exposta ao segundo feixe de íons, o perfil de dose de íons 2010b resulta na amostra. Ao repetir adicionalmente o ajuste da tensão de extração na fonte de íons 2110 para produzir feixes adicionais com diferentes energias de íons médias (e, portanto, diferentes perfis de dose de íons, por exemplo, o perfil de dose de íons 2010c), e expor a amostra 2130 aos feixes adicionais, o pico de Bragg do perfil de dose de íons pode ser deslocado através da amostra 2130 na direção mostrada pela seta 2220, por exemplo. De uma maneira mais geral, entretanto, ao mudar a tensão de extração na fonte de íons 2110, a posição do pico de Bragg na amostra 2130 pode ser selecionada tal como desejado, permitindo entrega de grandes doses para regiões selecionadas da amostra 2130 em qualquer sequência.In some embodiments, the 2150 ion beam (and in particular the Bragg peak at an expected ion dose profile produced following exposure of the 2130 sample to the 2150 ion beam) may be shifted through the 2130 sample to deliver doses of radiation selected for various parts of the sample. In general, the Bragg peak position in sample 2130 can be selected by adjusting the average energy of the 2150 ion beam (the average energy of the 2150 ion beam typically corresponds to the maximum in the ion energy distribution). The 2110 ion source, under the control of the 2190 electronic controller, can adjust the average energy of the 2150 ion beam by changing an applied extraction voltage to accelerate ions in the ion source. Figure 8 is a schematic diagram showing how the Bragg peak of an ion dose profile in sample 2130 can be shifted across the sample. As a first step, the 2100 ion exposure system is configured to produce a first ion beam with a selected average ion energy corresponding to a particular extraction voltage applied to the 2110 ion source. When the 2130 sample is exposed to the first ion beam, the 2010a ion dose profile results in the sample, with the Bragg peak at position 2230a. Following exposure, the extraction voltage at ion source 2110 is adjusted to produce a second ion beam with a different average ion energy. When the 2130 sample is exposed to the second ion beam, the 2010b ion dose profile results in the sample. By further repeating the extraction voltage adjustment at the 2110 ion source to produce additional beams with different average ion energies (and therefore different ion dose profiles, eg the 2010c ion dose profile), and expose sample 2130 to additional beams, the Bragg peak of the ion dose profile can be shifted across sample 2130 in the direction shown by arrow 2220, for example. More generally, however, by changing the extraction voltage at ion source 2110, the Bragg peak position in sample 2130 can be selected as desired, allowing large doses to be delivered to selected regions of sample 2130 in any sequence. .

Em geral, além dessa outras propriedades do feixe de íons 2150 também podem ser ajustadas, ou como uma alternativa a isto, ajustar a energia de íons média do feixe de íons. Por exemplo, em algumas modalidades, o ângulo de divergência do feixe de íons 2150 na superfície da amostra 2130 pode ser ajustado para controlar o perfil de dose de íons na amostra 2130. De uma maneira geral, ao aumentar o ângulo de divergência do feixe de íons 2150 na superfície da amostra 2130, a largura total à meia altura do pico de Bragg na amostra 2130 pode ser aumentada. Assim, em certas modalidades, a energia média do feixe de íons pode ser mantida, mas o perfil de dose de íons no material, incluindo a posição do pico de Bragg, pode ser mudado ao ajustar o ângulo de divergência do feixe de íons. O ângulo de divergência pode ser ajustado automaticamente ou por controle de operador pelo controlador eletrônico 2190. Tipicamente os elementos óticos 2120 incluem um ou mais elementos de direcionamento de feixe de íons tais como defletores quadripolares e/ou octopolares. Ao ajustar potenciais aplicados aos vários eletrodos de tais defletores, o ângulo de divergência (e o ângulo de incidência) do feixe de íons 2150 na superfície da amostra 2130 pode ser ajustado.In general, in addition to these other properties of the 2150 ion beam can also be adjusted, or as an alternative to this, adjusting the average ion energy of the ion beam. For example, in some embodiments, the divergence angle of the ion beam 2150 on the sample surface 2130 may be adjusted to control the ion dose profile in the 2130 sample. Generally, by increasing the divergence angle of the ion beam 2150 ions on the surface of sample 2130, the total width at half height of the Bragg peak in sample 2130 can be increased. Thus, in certain embodiments, the average ion beam energy may be maintained, but the ion dose profile in the material, including the Bragg peak position, may be changed by adjusting the divergence angle of the ion beam. The divergence angle may be adjusted automatically or by operator control by the electronic controller 2190. Typically 2120 optical elements include one or more ion beam steering elements such as quadripolar and / or octopolar deflectors. By adjusting potentials applied to the various electrodes of such deflectors, the divergence angle (and incidence angle) of the 2150 ion beam on the sample surface 2130 can be adjusted.

Em algumas modalidades, ao contrário de em outras aplicações de feixes de íons tais como intervenção cirúrgica, pode ser vantajoso usar feixes de íons com ângulos de divergência relativamente grandes, para assegurar que o pico de Bragg posicionado na amostra 2130 cobre uma fração adequada da espessura da amostra 2130. Por exemplo, em certas modalidades, a amostra 2130 pode ser exposta a um feixe de íons tendo um ângulo de divergência de 2 graus ou mais (por exemplo, 5, 10, 15, 20, 30, 40, ou mesmo 50 graus ou mais).In some embodiments, unlike in other ion beam applications such as surgical intervention, it may be advantageous to use ion beams with relatively large divergence angles to ensure that the Bragg peak positioned on sample 2130 covers an adequate fraction of the thickness. For example, in certain embodiments, sample 2130 may be exposed to an ion beam having a divergence angle of 2 degrees or more (e.g. 5, 10, 15, 20, 30, 40, or even 50 degrees or more).

Em algumas modalidades, tanto uma corrente de feixe de íons do feixe de íons 2150 quanto a energia de íons média do feixe de íons 2150 podem ser ajustadas para entregar uma dose relativamente constante como uma função da espessura h da amostra 2130. Por exemplo, se a amostra 2130 for exposta de acordo com os perfis de dose de íons sequenciais 2010a, 2010b e 2010c na figura 8, o perfil de dose de íons líquido na amostra 2130 corresponde à soma dos perfis 2010a-c, o qual está mostrado na figura 9A. Com base no líquido perfil de dose de íons da figura 9A fica evidente que certas regiões da amostra 2130 recebem mais doses líquidas do que outras regiões da amostra 2130.In some embodiments, both an ion beam current of the 2150 ion beam and the average ion energy of the 2150 ion beam may be adjusted to deliver a relatively constant dose as a function of the thickness h of sample 2130. For example, if sample 2130 is exposed according to sequential ion dose profiles 2010a, 2010b and 2010c in figure 8, the net ion dose profile in sample 2130 corresponds to the sum of profiles 2010a-c which is shown in figure 9A . Based on the net ion dose profile of Figure 9A, it is apparent that certain regions of sample 2130 receive more liquid doses than other regions of sample 2130.

As diferenças nas doses líquidas podem ser reduzidas ao ajustar a corrente de feixe de íons do feixe de íons 2150 juntamente com ajustes da energia de íons média. A corrente de feixe de íons pode ser ajustada na fon- te de íons 2110 sob o controle do controlador eletrônico 2190. Por exemplo, para reduzir a diferença na dose líquida entregue para a amostra 2130 quando o pico de Bragg é deslocado através da amostra 2130 na direção indicada pela seta 2220 na figura 8, a corrente de feixe de íons pode ser reduzida sucessivamente para cada redução sucessiva na energia de feixe de íons. Três perfis de dose de íons, cada um correspondendo a diminuições sucessivas tanto na energia de íons média quanto na corrente de íons no feixe de íons 2150, estão mostrados como perfis 2010d-f, respectivamente, na figura 9B. O perfil de dose de íons líquido na amostra 2130 que resulta destas três exposições sequenciais está mostrado na figura 9C. O perfil de dose de íons líquido mostra variação significativamente reduzida como uma função da posição na amostra 2130 em relação ao perfil de dose de íons líquido da figura 9A.Differences in net doses can be reduced by adjusting the ion beam current of the 2150 ion beam along with average ion energy adjustments. The ion beam current can be adjusted at the ion source 2110 under the control of the 2190 electronic controller. For example, to reduce the difference in net dose delivered to sample 2130 when the Bragg peak is displaced through sample 2130. In the direction indicated by arrow 2220 in Figure 8, the ion beam current may be reduced successively for each successive reduction in ion beam energy. Three ion dose profiles, each corresponding to successive decreases in both the average ion energy and ion current in the 2150 ion beam, are shown as 2010d-f profiles, respectively, in Figure 9B. The net ion dose profile in sample 2130 resulting from these three sequential exposures is shown in Figure 9C. The liquid ion dose profile shows significantly reduced variation as a function of position in sample 2130 relative to the liquid ion dose profile of Figure 9A.

Ao controlar cuidadosamente a energia média e corrente de íons do feixe de íons 2150, variações na dose de íons relativa líquida através da espessura da amostra 2130 seguinte à exposição da amostra ao feixe de íons 2150 podem ser relativamente pequenas. Por exemplo, uma diferença entre uma dose de íons relativa líquida máxima e uma dose de íons relativa líquida mínima na amostra 2130 seguinte a múltiplas exposições ao feixe de íons 2150 pode ser 0,2 ou menos (por exemplo, 0,15, 0,1, 0,05, 0,04, 0,03, 0,02, 0,01 ou mesmo 0,005 ou menos).By carefully controlling the average energy and ion current of the 2150 ion beam, variations in the net relative ion dose across the sample thickness 2130 following exposure of the sample to the 2150 ion beam may be relatively small. For example, a difference between a maximum net relative ion dose and a minimum net relative ion dose in sample 2130 following multiple exposures to the 2150 ion beam may be 0.2 or less (e.g. 0.15, 0, 1, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, or even 0.005 or less).

Ao controlar a energia média e corrente de íons do feixe de íons 2150, cada parte da amostra exposta pode receber uma dose líquida entre 0,001 Mrad e 100 Mrad seguinte a múltiplas exposições ao feixe de íons (por exemplo, entre 0,005 Mrad e 50 Mrad, entre 0,01 Mrad e 50 Mrad, entre 0,05 Mrad e 30 Mrad, entre 0,1 Mrad e 20 Mrad, entre 0,5 Mrad e 20 Mrad, ou entre 1 Mrad e 10 Mrad).By controlling the average energy and ion current of the 2150 ion beam, each portion of the exposed sample can receive a net dose between 0.001 Mrad and 100 Mrad following multiple ion beam exposures (for example, between 0.005 Mrad and 50 Mrad, between 0.01 Mrad and 50 Mrad, between 0.05 Mrad and 30 Mrad, between 0.1 Mrad and 20 Mrad, between 0.5 Mrad and 20 Mrad, or between 1 Mrad and 10 Mrad).

Em algumas modalidades, a amostra 2130 pode ser exposta a tipos diferentes de íons. A amostra 2130 pode ser exposta sequencialmente a somente um tipo de íon em um tempo, ou a exposição da amostra 2130 pode incluir expor a amostra 2130 a um ou mais feixes de íons que incluam dois ou mais tipos diferentes de íons. Tipos diferentes de íons produzem di- ferentes perfis de dose de íons em um material exposto e, ao expor uma amostra a tipos diferentes de íons, um perfil de dose de íons líquido particular na amostra pode ser concretizado. A figura 10A mostra um diagrama es-quemático dos três diferentes perfis de dose de íons 201 Og-i que resultam de expor uma amostra 2130 a três tipos diferentes de íons. Os perfis de dose de íons 201 Og-i podem ser produzidos por meio de exposição sequencial da amostra a cada um dos tipos diferentes de íons, ou por meio de exposição concorrente da amostra a dois ou mesmo a todos os três tipos diferentes de íons. O perfil de dose de íons líquido na amostra 2130 que resulta da exposição aos três tipos diferentes de íons está mostrado na figura 10B. Variações no perfil de dose de íons líquido como uma função da espessura da amostra são reduzidas em relação a qualquer um dos perfis de dose de íons individuais mostrados na figura 10A.In some embodiments, sample 2130 may be exposed to different types of ions. Sample 2130 may be sequentially exposed to only one type of ion at a time, or exposure of sample 2130 may include exposing sample 2130 to one or more ion beams that include two or more different types of ions. Different types of ions produce different ion dose profiles in an exposed material, and by exposing a sample to different types of ions, a particular liquid ion dose profile in the sample can be realized. Figure 10A shows a schematic diagram of the three different 201 Og-i ion dose profiles resulting from exposing a 2130 sample to three different types of ions. 201 Og-i ion dose profiles can be produced by sequential exposure of the sample to each of the different ion types, or by concurrent exposure of the sample to two or even all three different types of ions. The liquid ion dose profile in sample 2130 resulting from exposure to the three different types of ions is shown in figure 10B. Variations in the liquid ion dose profile as a function of sample thickness are reduced relative to any of the individual ion dose profiles shown in Figure 10A.

Em algumas modalidades, os tipos diferentes de íons podem incluir íons de composição atômica diferente. Por exemplo, os tipos diferentes de íons podem incluir prótons, íons de carbono, íons de oxigênio, íons de hidreto, íons de nitrogênio, íons de cloro, íons de flúor, íons de argônio, íons de neônio, íons de criptônio, e vários tipos de íons de metal tais como íons de sódio, íons de cálcio e íons de lítio. De uma maneira geral, qualquer um destes tipos diferentes de íons pode ser usado para tratar a amostra 2130, e cada um produzirá um perfil de dose de íons diferente em uma amostra. Em certas modalidades, íons podem ser gerados de gases comumente disponíveis tais como o ar. Quando ar é usado como um gás fonte, muitos tipos diferentes de íons podem ser gerados. Os vários tipos diferentes de íons podem ser separados uns dos outros antes de expor a amostra 2130, ou a amostra 2130 pode ser exposta a múltiplos tipos diferentes de íons gerados de um gás fonte tal como o ar.In some embodiments, different types of ions may include ions of different atomic composition. For example, different types of ions may include protons, carbon ions, oxygen ions, hydride ions, nitrogen ions, chlorine ions, fluorine ions, argon ions, neon ions, krypton ions, and various types of metal ions such as sodium ions, calcium ions and lithium ions. Generally, any of these different types of ions can be used to treat sample 2130, and each will produce a different ion dose profile in one sample. In certain embodiments, ions may be generated from commonly available gases such as air. When air is used as a source gas, many different types of ions can be generated. The various different types of ions may be separated from each other prior to exposing sample 2130, or sample 2130 may be exposed to multiple different types of ions generated from a source gas such as air.

Em algumas modalidades, os tipos diferentes de íons podem incluir íons tendo cargas diferentes. Por exemplo, os tipos diferentes de íons podem incluir vários íons positivos e/ou negativos. Adicionalmente, os tipos diferentes de íons podem incluir íons tendo carga única e/ou múltiplas cargas. Em geral, íons positivos e negativos da mesma espécie química podem produzir diferentes perfis de dose de íons em uma amostra particular, e íons da mesma espécie química que têm diferentes magnitudes de carga (por exemplo, carregado isoladamente, carregado duplamente, carregado triplamente, carregado quadruplamente) podem produzir diferentes perfis de dose de íons em uma amostra particular. Ao expor uma amostra a múltiplos tipos diferentes de íons, a mudança na amostra, por exemplo, ruptura de amostra (por exemplo, despolimerização, cisão de cadeia e/ou redução de peso molecular), funcionalização, ou outra mudança estrutural, pode ser controlada cuidadosamente e de forma seletiva.In some embodiments, different types of ions may include ions having different charges. For example, different types of ions may include several positive and / or negative ions. Additionally, different types of ions may include ions having a single charge and / or multiple charges. In general, positive and negative ions of the same chemical species may produce different ion dose profiles in a particular sample, and ions of the same chemical species that have different charge magnitudes (eg, single charged, double charged, triple charged, fourfold) can produce different ion dose profiles in a particular sample. By exposing a sample to multiple different types of ions, change in the sample, for example, sample disruption (eg, depolymerization, chain scission and / or molecular weight reduction), functionalization, or other structural change, can be controlled. carefully and selectively.

Em algumas modalidades, o sistema de exposição a feixe de í-ons pode ajustar a composição do feixe de íons com base no material de amostra. Por exemplo, certos tipos de amostra, tais como biomassa celulósi-ca, incluem uma grande concentração de componentes de hidroxila. Desta maneira, a profundidade de penetração efetiva de certos tipos de íons - particularmente prótons - em tais materiais pode ser consideravelmente maior que seria esperado de outro modo com base em energia de íons sozinha. Salto de próton de local para local e outras excursões atômicas similares podem aumentar significativamente a mobilidade de tais íons na amostra, aumentando efetivamente a profundidade de penetração dos íons incidentes. Adicionalmente, a mobilidade aumentada dos íons na amostra pode resultar em um alargamento do pico de Bragg. O sistema de exposição a feixe de íons pode ser configurado para selecionar tipos particulares de íons para exposição de certas amostras, considerando os recursos químicos e estruturais da amostra. Adicionalmente, o sistema de exposição a feixe de íons pode ser configurado para considerar as interações esperadas entre o feixe de íons e o material durante a determinação de como modificar outros parâmetros do feixe de íons tais como a distribuição de energias de íons no mesmo.In some embodiments, the ion beam exposure system may adjust the composition of the ion beam based on the sample material. For example, certain sample types, such as cellulosic biomass, include a high concentration of hydroxyl components. Thus, the effective penetration depth of certain types of ions - particularly protons - in such materials may be considerably greater than would otherwise be expected based on ion energy alone. Proton jumping from location to location and other similar atomic excursions can significantly increase the mobility of such ions in the sample, effectively increasing the penetration depth of incident ions. Additionally, increased ion mobility in the sample may result in a widening of the Bragg peak. The ion beam exposure system can be configured to select particular ion types for exposure of certain samples, considering the chemical and structural features of the sample. Additionally, the ion beam exposure system can be configured to consider the expected interactions between the ion beam and the material while determining how to modify other ion beam parameters such as the distribution of ion energies in it.

Um aspecto importante dos sistemas e métodos de feixe de íons descritos neste documento é que os sistemas e métodos descritos capacitam exposição de biomassa a íons na presença de um ou mais fluidos adicionais (por exemplo, gases e/ou líquidos). Tipicamente, por exemplo, quando um material é exposto a um feixe de íons, a exposição ocorre em um am- biente de pressão reduzida tal como uma câmara de vácuo. O ambiente de pressão reduzida é usado para reduzir ou impedir contaminação do material exposto, e também para reduzir ou impedir espalhamento do feixe de íons por moléculas de gás. Entretanto, infelizmente exposição de materiais a feixe de íons em ambientes fechados tais como uma câmara de vácuo restringe muito o potencial rendimento para processamento de material de alto volume.An important aspect of the ion beam systems and methods described herein is that the systems and methods described enable exposure of biomass to ions in the presence of one or more additional fluids (e.g. gases and / or liquids). Typically, for example, when a material is exposed to an ion beam, exposure occurs in a reduced pressure environment such as a vacuum chamber. The reduced pressure environment is used to reduce or prevent contamination of the exposed material, as well as to reduce or prevent scattering of the ion beam by gas molecules. However, unfortunately exposing materials to ion beam indoors such as a vacuum chamber greatly restricts the potential throughput for high volume material processing.

Nos sistemas e métodos descritos neste documento, tem sido reconhecido que a exposição de biomassa a um feixe de íons na presença de um ou mais fluidos adicionais pode aumentar a eficiência do tratamento de biomassa. Adicionalmente, a exposição de biomassa a um feixe de íons em um ambiente aberto (por exemplo, no ar em pressão atmosférica normal) possibilita rendimento muito maior do que seria possível de outro modo em um ambiente de pressão reduzida.In the systems and methods described herein, it has been recognized that exposure of biomass to an ion beam in the presence of one or more additional fluids may increase the efficiency of biomass treatment. Additionally, exposure of biomass to an ion beam in an open environment (eg, air at normal atmospheric pressure) enables much greater yield than would otherwise be possible in a reduced pressure environment.

Tal como discutido anteriormente, em algumas modalidades, biomassa é exposta a um feixe de íons na presença de um fluido tal como o ar. íons acelerados em qualquer um ou mais dos tipos de aceleradores descritos neste documento (ou em um outro tipo de acelerador) são acoplados fora do acelerador através de uma porta de saída (por exemplo, uma membrana fina tal como uma lâmina delgada de metal), atravessam um volume de espaço ocupado pelo fluido, e são então incidentes no material de biomassa. Além de tratar diretamente a biomassa, alguns dos íons geram espécies químicas adicionais ao interagir com partículas de fluido (por exemplo, íons e/ou radicais gerados de vários constituintes do ar). Estas espécies químicas geradas também podem interagir com a biomassa, e podem agir como iniciadores para uma variedade de diferentes reações de quebra de ligação química na biomassa (por exemplo, despolimerização e outras reações de cisão de cadeia).As discussed earlier, in some embodiments, biomass is exposed to an ion beam in the presence of a fluid such as air. accelerated ions in any one or more of the accelerator types described in this document (or another accelerator type) are coupled outside the accelerator via an exit port (e.g., a thin membrane such as a thin metal blade), they pass through a volume of space occupied by the fluid, and are then incidents in the biomass material. In addition to directly treating biomass, some of the ions generate additional chemical species by interacting with fluid particles (eg ions and / or radicals generated from various air constituents). These generated chemical species can also interact with biomass, and can act as initiators for a variety of different chemical breakage reactions in biomass (eg depolymerization and other chain fission reactions).

Em certas modalidades, fluidos adicionais podem ser introduzidos seletivamente no caminho de um feixe de íons antes de o feixe de íons ser incidente na biomassa. Tal como discutido anteriormente, reações entre os íons e as partículas dos fluidos introduzidos podem gerar espécies quími- cas adicionais que reagem com a biomassa e que podem ajudar na redução do peso molecular da biomassa, e/ou alterar seletivamente de outro modo certas propriedades da biomassa. O um ou mais fluidos adicionais podem ser direcionados para o caminho do feixe de íons a partir de um tubo de fornecimento, por exemplo. A direção (isto é, vetor de fluido) e taxa de fluxo do(s) fluido(s) que são introduzidas podem ser selecionadas de acordo com uma taxa de exposição e/ou direção desejadas para controlar a eficiência do tratamento de biomassa total, incluindo tanto efeitos que resultam do tratamento baseado em íons quanto efeitos que são por causa da interação de espécies geradas dinamicamente pelo fluido introduzido com a biomassa. Além de ar, fluidos exemplares que podem ser introduzidos no feixe de íons incluem oxigênio, nitrogênio, um ou mais gases nobres, um ou mais halogê-nios e hidrogênio.In certain embodiments, additional fluids may be selectively introduced into the path of an ion beam before the ion beam is incident on the biomass. As discussed earlier, reactions between the ions and particles of the introduced fluids may generate additional chemical species that react with biomass and may assist in reducing the molecular weight of biomass, and / or selectively alter certain properties of the biomass. biomass. The one or more additional fluids may be directed to the ion beam path from a supply tube, for example. The direction (i.e. fluid vector) and flow rate of the fluid (s) being introduced may be selected according to a desired exposure rate and / or direction to control the efficiency of the total biomass treatment, including both effects that result from ion-based treatment and effects that are due to the interaction of dynamically generated species by the introduced fluid with the biomass. In addition to air, exemplary fluids that can be introduced into the ion beam include oxygen, nitrogen, one or more noble gases, one or more halogens, and hydrogen.

Em algumas modalidades, feixes de íons que incluem mais de um tipo diferente de íons podem ser usados para tratar biomassa. Feixes que incluem múltiplos tipos diferentes de íons podem ser gerados ao combinar dois ou mais feixes diferentes, cada um formado de um tipo de íon. Alternativamente, ou além disto, em certas modalidades, feixes de íons que incluem múltiplos tipos diferentes de íons podem ser gerados ao introduzir um gás de fornecimento de múltiplos componentes em uma fonte de íons e/ou acelerador. Por exemplo, um gás de múltiplos componentes tal como o ar pode ser usado para gerar um feixe de íons tendo tipos diferentes de íons, incluindo íons de nitrogênio, íons de oxigênio, íons de argônio, íons de carbono e outros tipos de íons. Outros materiais de múltiplos componentes (por exemplo, gases, líquidos e sólidos) podem ser usados para gerar feixes de íons tendo diferentes composições. Elementos de filtragem (por exemplo, filtros eletrostáticos hemisféricos) podem ser usados para filtrar certos constituintes iônicos e/ou espécies neutras para produzir seletivamente um feixe de íons tendo uma composição particular, o qual pode então ser usado para tratar biomassa. Ao usar ar como uma fonte para produzir feixes de íons para tratamento de biomassa, os custos de operação de um sistema de tratamento podem ser reduzidos em relação a sistemas que contam com materi- ais puros, por exemplo.In some embodiments, ion beams that include more than one different type of ions may be used to treat biomass. Beams that include multiple different types of ions can be generated by combining two or more different beams, each formed of one type of ion. Alternatively, or in addition, in certain embodiments, ion beams that include multiple different types of ions may be generated by introducing a multi-component supply gas into an ion source and / or accelerator. For example, a multi-component gas such as air can be used to generate an ion beam having different types of ions, including nitrogen ions, oxygen ions, argon ions, carbon ions, and other types of ions. Other multi-component materials (e.g. gases, liquids and solids) may be used to generate ion beams having different compositions. Filter elements (e.g., hemispherical electrostatic filters) may be used to filter certain ionic constituents and / or neutral species to selectively produce an ion beam having a particular composition, which may then be used to treat biomass. By using air as a source to produce ion beams for biomass treatment, the operating costs of a treatment system can be reduced compared to systems that rely on pure materials, for example.

Certos tipos de materiais de biomassa podem ser tratáveis particularmente para tratamento com múltiplos tipos diferentes de íons e/ou múltiplos métodos de processamento diferentes. Por exemplo, materiais celuló-sicos tipicamente incluem cadeias de celulose polimérica cristalina que são de ligação cruzada por meio de fração de hemicelulose amorfa. A celulose e hemicelulose são embutidas em uma matriz de lignina amorfa. Separação da fração de celulose da lignina e da hemicelulose usando métodos convencionais é difícil e pode ser intensiva em energia.Certain types of biomass materials may be treatable particularly for treatment with multiple different types of ions and / or multiple different processing methods. For example, cellulosic materials typically include crystalline polymeric cellulose chains that are crosslinked by the amorphous hemicellulose fraction. Cellulose and hemicellulose are embedded in an amorphous lignin matrix. Separation of the cellulose fraction from lignin and hemicellulose using conventional methods is difficult and can be energy intensive.

Entretanto, biomassa celulósica pode ser tratada com múltiplos tipos diferentes de íons para destruir e separar os vários componentes na mesma para processamento adicional. Em particular, as propriedades químicas de vários tipos de espécies iônicas podem ser usadas para processar biomassa celulósica (e outros tipos de biomassa) para degradar e separar seletivamente os componentes da mesma. Por exemplo, íons carregados positivamente, e em particular, prótons, agem como ácidos quando expostos ao material de biomassa. De modo oposto, íons carregados negativamente, particularmente íons de hidreto, agem como bases quando expostos ao material de biomassa. Como resultado, as propriedades químicas destas espécies podem ser usadas para visar componentes específicos de biomassa tratada.However, cellulosic biomass can be treated with multiple different types of ions to destroy and separate the various components in it for further processing. In particular, the chemical properties of various types of ionic species can be used to process cellulosic biomass (and other types of biomass) to selectively degrade and separate components from it. For example, positively charged ions, and in particular protons, act as acids when exposed to biomass material. Conversely, negatively charged ions, particularly hydride ions, act as bases when exposed to biomass material. As a result, the chemical properties of these species can be used to target specific components of treated biomass.

Quando tratando biomassa lignocelulósica, por exemplo, a matriz de lignina tipicamente se decompõe na presença de reagentes básicos. Desta maneira, por primeiro tratar biomassa celulósica com íons básicos tais como íons de hidreto (ou elétrons) de um feixe de íons (elétrons), a fração de lignina pode ser preferencialmente degradada e separada das frações de celulose e de hemicelulose. Celulose é, relativamente, não afetada por um tratamento com íons como este, já que celulose é tipicamente estável na presença de agentes básicos.When treating lignocellulosic biomass, for example, the lignin matrix typically decomposes in the presence of basic reagents. Thus, by first treating cellulosic biomass with basic ions such as hydride (or electron) ions from an ion beam (electron), the lignin fraction may preferably be degraded and separated from the cellulose and hemicellulose fractions. Cellulose is relatively unaffected by such ion treatment as cellulose is typically stable in the presence of basic agents.

Além de tratamento com íons negativos (ou como uma alternativa para tratamento com íons negativos), a biomassa lignocelulósica pode ser tratada com um ou mais agentes básicos em solução para ajudar a separar a lignina. Por exemplo, tratamento da biomassa lignocelulósica com uma solução de bicarbonato de sódio pode degradar e/ou solubilizar a lignina, capacitando separação da lignina criada e/ou suspensa das frações de celulose e de hemicelulose.In addition to negative ion treatment (or as an alternative to negative ion treatment), lignocellulosic biomass can be treated with one or more basic agents in solution to help separate lignin. For example, treating lignocellulosic biomass with a sodium bicarbonate solution may degrade and / or solubilize lignin, enabling separation of the lignin created and / or suspended from the cellulose and hemicellulose fractions.

Tratamento com íons negativos com um feixe de íons também pode ajudar a separar hemicelulose, a qual também é quimicamente sensível a reagentes básicos. Dependendo da estrutura particular da biomassa celulósica, mais de um tratamento com íons negativos podem ser usados (e/ou podem ser necessários) para separar efetivamente a fração de hemicelulose da fração de celulose. Além disto, mais de um tipo de íon podem ser usados para separar a hemicelulose. Por exemplo, um feixe de íons relativamente menos básico tal como um feixe de íons de oxigênio pode ser usado para tratar biomassa celulósica para degradar e/ou remover a fração de lignina. Então, um feixe de íons básico mais forte tal como um feixe de íons de hidreto pode ser usado para degradar e separar a hemicelulose da celulose. A fração celulósica permanece amplamente inalterada como resultado da exposição a dois tipos diferentes de íons básicos.Negative ion treatment with an ion beam can also help separate hemicellulose, which is also chemically sensitive to basic reagents. Depending on the particular structure of cellulosic biomass, more than one negative ion treatment may be used (and / or may be required) to effectively separate the hemicellulose fraction from the cellulose fraction. In addition, more than one type of ion may be used to separate hemicellulose. For example, a relatively less basic ion beam such as an oxygen ion beam may be used to treat cellulosic biomass to degrade and / or remove the lignin fraction. Then, a stronger basic ion beam such as a hydride ion beam can be used to degrade and separate hemicellulose from cellulose. The cellulosic fraction remains largely unchanged as a result of exposure to two different types of basic ions.

Entretanto, a fração de celulose se decompõe na presença de agentes ácidos. Desta maneira, uma etapa de processamento adicional pode incluir expor a fração de celulose a um ou mais íons ácidos tais como prótons de um feixe de íons, para ajudar a despolimerizar e/ou degradar a fração de celulose.However, the cellulose fraction decomposes in the presence of acidic agents. Accordingly, an additional processing step may include exposing the cellulose fraction to one or more acidic ions such as protons of an ion beam to help depolymerize and / or degrade the cellulose fraction.

Cada um dos pré-tratamentos de feixe de íons e métodos revelados neste documento pode ser usado em combinação com outras etapas de processamento. Por exemplo, etapas de separação (incluindo introduzir um solvente tal como água) podem ser usadas para limpar frações particulares da biomassa celulósica à medida que elas são degradadas. Agentes químicos adicionais podem ser adicionados para ajudar a separar os vários componentes. Por exemplo, tem sido observado que lignina que é separada das frações de celulose e de hemicelulose pode ficar suspensa em uma solução de lavagem. Entretanto, a lignina prontamente pode se depositar novamente a partir da solução nas frações de celulose e de hemicelulose. Para evitar nova deposição da lignina, a suspensão pode ser levemente aquecida para assegurar que a lignina permanece abaixo de sua temperatura de transição vítrea e, portanto, permanece fluida. Ao manter a lignina abaixo de sua temperatura de transição vítrea, a lignina pode ser mais prontamente removida de biomassa celulósica. Em geral, aquecimento da suspensão é controlado cuidadosamente para evitar degradação térmica dos açúcares na fração celulósica.Each of the ion beam pretreatments and methods disclosed in this document may be used in combination with other processing steps. For example, separation steps (including introducing a solvent such as water) may be used to clean particular fractions of cellulosic biomass as they are degraded. Additional chemical agents may be added to help separate the various components. For example, it has been observed that lignin which is separated from the cellulose and hemicellulose fractions may be suspended in a wash solution. However, lignin can readily deposit again from the solution on the cellulose and hemicellulose fractions. To prevent further deposition of lignin, the suspension may be lightly heated to ensure that lignin remains below its glass transition temperature and therefore remains fluid. By keeping lignin below its glass transition temperature, lignin can be more readily removed from cellulosic biomass. In general, heating of the suspension is carefully controlled to prevent thermal degradation of sugars in the cellulosic fraction.

Além do mais, outras etapas de tratamento podem ser usadas para remover lignina de celulose e de hemicelulose. Por exemplo, em certas modalidades, biomassa lignocelulósica pode ser primeiramente tratada com íons relativamente pesados (por exemplo, íons de carbono, íons de oxigênio) para degradar lignina, e a celulose e hemicelulose podem então ser tratadas com íons relativâmente leves (por exemplo, prótons, íons de hélio) e/ou elétrons para causar degradação da celulose e/ou da hemicelulose.In addition, other treatment steps may be used to remove cellulose and hemicellulose lignin. For example, in certain embodiments, lignocellulosic biomass may first be treated with relatively heavy ions (eg carbon ions, oxygen ions) to degrade lignin, and cellulose and hemicellulose may then be treated with relatively light ions (e.g. protons, helium ions) and / or electrons to cause degradation of cellulose and / or hemicellulose.

Em algumas modalidades, um ou mais agentes de funcionaliza-ção podem ser acrescentados à suspensão contendo a lignina para aprimorar a solubilidade de lignina em solução, impedindo assim nova deposição nas frações de celulose e de hemicelulose. Por exemplo, agentes tais como gás de amônia e/ou vários tipos de álcoois podem ser usados (para introduzir grupos aminos e de hidroxila/alcóxis, respectivamente) para funcionaliza-ção da lignina.In some embodiments, one or more functionalizing agents may be added to the lignin-containing suspension to enhance the solubility of lignin in solution, thereby preventing further deposition on the cellulose and hemicellulose fractions. For example, agents such as ammonia gas and / or various types of alcohols may be used (to introduce amino and hydroxyl / alkoxy groups, respectively) for lignin functionalization.

Em certas modalidades, agentes estruturais podem ser acrescentados à suspensão de lignina para impedir nova deposição da lignina nas frações de celulose e de hemicelulose. Tipicamente, quando lignina forma uma matriz circundando celulose e/ou hemicelulose, a lignina adota uma estrutura dobrada pesadamente que permite interações de van der Waals relativamente extensivas com celulose e hemicelulose. Em contraste, quando lignina é separada da celulose e hemicelulose, a lignina adota uma estrutura mais aberta, não dobrada. Ao adicionar um ou mais agentes que ajudam a impedir lignina de dobrar novamente para a suspensão de lignina, nova associação da lignina com celulose e hemicelulose pode ser impedida, e a lignina pode ser removida mais efetivamente por meio de lavagem, por exemplo.In certain embodiments, structural agents may be added to the lignin suspension to prevent further deposition of lignin in the cellulose and hemicellulose fractions. Typically, when lignin forms a matrix surrounding cellulose and / or hemicellulose, lignin adopts a heavily folded structure that allows relatively extensive van der Waals interactions with cellulose and hemicellulose. In contrast, when lignin is separated from cellulose and hemicellulose, lignin adopts a more open, unfolded structure. By adding one or more agents that help prevent lignin from folding back into the lignin suspension, re-association of lignin with cellulose and hemicellulose can be prevented, and lignin can be removed more effectively by washing, for example.

Em algumas modalidades, nenhum produto químico, por exemplo, nenhum agente de inchamento, é adicionado à biomassa antes da irradiação. Por exemplo, substâncias alcalinas (tais como hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de lítio e hidróxidos de amônio), agentes de acidificação (tais como ácidos minerais (por exemplo, ácido sulfúrico, ácido hidroclorídrico e ácido fosfórico)), sais, tais como cloreto de zinco, carbonato de cálcio, carbonato de sódio, sulfato de benziltrimetilamônio, ou aminas orgânicas básicas, tais como diamina de etileno, podem ou não ser adicionadas antes da irradiação ou de outro processamento. Em alguns casos, nenhuma água adicional é acrescentada. Por exemplo, a biomassa antes do processamento pode ter menos que 0,5% em peso de produtos químicos adicionados, por exemplo, menos que 0,4, 0,25, 0,15 ou 0,1% em peso de produtos químicos adicionados. Em alguns casos, a biomassa não tem mais que um traço, por exemplo, menos que 0,05% em peso de produtos químicos adicionados, antes da irradiação. Em outras ocasiões, a biomassa antes da irradiação substancialmente não tem produtos químicos ou agentes de inchamentos adicionados. Evitação do uso de tais produtos químicos também pode ser estendida por todo o processamento, por exemplo, todas as vezes antes da fermentação, ou sempre.In some embodiments, no chemicals, for example no swelling agents, are added to the biomass prior to irradiation. For example, alkaline substances (such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide and ammonium hydroxides), acidifying agents (such as mineral acids (eg sulfuric acid, hydrochloric acid and phosphoric acid)), salts, such as zinc chloride, calcium carbonate, sodium carbonate, benzyltrimethylammonium sulfate, or basic organic amines such as ethylene diamine may or may not be added prior to irradiation or other processing. In some cases no additional water is added. For example, pre-processing biomass may have less than 0.5 wt% of added chemicals, for example less than 0.4, 0.25, 0.15 or 0.1 wt% of added chemicals . In some cases, biomass has no more than one trace, for example, less than 0.05% by weight of added chemicals prior to irradiation. At other times, the pre-irradiation biomass substantially has no chemicals or swelling agents added. Avoidance of the use of such chemicals can also be extended throughout the processing, for example every time before fermentation or at all times.

Os vários métodos de pré-tratamento de feixe de íons revelados neste documento podem ser usados cooperativamente com outras técnicas de pré-tratamento tais como sonicação, irradiação de feixe de elétrons, irradiação eletromagnética, explosão com vapor, métodos químicos e métodos biológicos. Técnicas de feixe de íons fornecem vantagens significativas, incluindo a capacidade para executar exposição a feixe de íons de amostras secas, para entregar grandes doses de radiação para amostras em pequenos períodos de tempo para aplicações de alto rendimento, e para exercer controle relativamente preciso sobre condições de exposição.The various ion beam pretreatment methods disclosed herein may be used cooperatively with other pretreatment techniques such as sonication, electron beam irradiation, electromagnetic irradiation, vapor explosion, chemical methods and biological methods. Ion beam techniques provide significant advantages, including the ability to perform ion beam exposure of dry samples, to deliver large doses of radiation to samples in short time periods for high throughput applications, and to exercise relatively precise control over conditions. Exposure

Extinção e Funcionalizacão Controlada Após tratamento com radiação ionizante, os materiais descritos neste documento se tornam ionizados; isto é, eles incluem radicais em níveis que são detectáveis com um espectrômetro de ressonância de spin de elétrons. O limite prático corrente de detecção dos radicais é de aproximadamente 1014 spins em temperatura ambiente. Após ionização, qualquer material que tenha sido ionizado pode ser extinto para reduzir o nível de radicais no material ionizado, por exemplo, de tal maneira que os radicais não são mais detectáveis com o espectrômetro de ressonância de spin de elétrons. Por exemplo, os radicais podem ser extintos pela aplicação de uma pressão suficiente ao material e/ou ao utilizar um fluido em contato com o material ionizado, tal como um gás ou líquido, que reage com (extingue) os radicais. O uso de um gás ou líquido para pelo menos ajudar na extinção dos radicais também permite ao operador controlar funcionalização do material ionizado com uma quantidade desejada e tipo de grupos funcionais, tais como grupos de ácido carboxílico, grupos de enóis, grupos de aldeídos, grupos nitros, grupos de nitrila, grupos aminos, grupos alquila amino, grupos alquila, grupos de cloroalquila ou grupos de clorofluoroalquila. Em alguns casos, tal extinção pode melhorar a estabilidade de alguns dos materiais ionizados. Por exemplo, extinção pode melhorar a resistência do material à oxidação. Funcionalização por meio de extinção também pode melhorar a solubilidade dos materiais descritos neste documento, pode melhorar a estabilidade térmica de um material, e pode melhorar utilização de material por vários microorganismos. Por exemplo, os grupos funcionais transmitidos para um material de biomassa por meio de extinção podem agir como locais receptores para fixação por micro-organismos, por exemplo, para aprimorar hidrólise de celulose por meio de vários micro-organismos.Extinction and Controlled Functionality After treatment with ionizing radiation, the materials described herein become ionized; that is, they include radicals at levels that are detectable with an electron spin resonance spectrometer. The practical limit for detecting radicals is approximately 1014 spins at room temperature. After ionization, any material that has been ionized can be quenched to reduce the level of radicals in the ionized material, for example, such that radicals are no longer detectable with the electron spin resonance spectrometer. For example, radicals may be quenched by applying sufficient pressure to the material and / or by using a fluid in contact with ionized material, such as a gas or liquid, which reacts with (extinguishes) the radicals. The use of a gas or liquid to at least aid in extinction of the radicals also allows the operator to control functionalization of the ionized material with a desired amount and type of functional groups such as carboxylic acid groups, enol groups, aldehyde groups, nitros, nitrile groups, amino groups, amino alkyl groups, alkyl groups, chloroalkyl groups or chlorofluoroalkyl groups. In some cases, such extinction may improve the stability of some of the ionized materials. For example, extinction may improve the material's resistance to oxidation. Extinction functionalization may also improve the solubility of the materials described herein, may improve the thermal stability of a material, and may improve material utilization by various microorganisms. For example, functional groups transmitted to an extinct biomass material may act as receptor sites for attachment by microorganisms, for example, to enhance cellulose hydrolysis by various microorganisms.

Assim, uma estrutura molecular e/ou uma supramolecular de uma matéria-prima podem ser mudadas por meio de pré-tratamento da matéria-prima com radiação ionizante, tal como com elétrons ou íons de energia suficiente para ionizar a matéria-prima, para fornecer um primeiro nível de radicais. Se uma matéria-prima ionizada permanecer na atmosfera ela será oxidada, por exemplo, fazendo com que grupos de ácido carboxílico sejam gerados ao reagir com o oxigênio atmosférico. Em alguns casos com alguns materiais tal oxidação é desejada porque ela pode ajudar na ruptura adicio- nal em peso molecular, por exemplo, de uma biomassa contendo carboidra-to, e os grupos de oxidação, por exemplo, grupos de ácido carboxílico, podem ser úteis para solubilidade e utilização de micro-organismo. Entretanto, uma vez que os radicais podem "viver" por algum tempo após irradiação, por exemplo, mais que 1 dia, 5 dias, 30 dias, 3 meses, 6 meses ou ainda mais que 1 ano, propriedades de material podem continuar a mudar ao longo do tempo, o que em alguns casos pode ser indesejável. Detecção de radicais em amostras irradiadas por meio de espectroscopia de ressonância de spin de elétrons e de tempos de vida de radical em tais amostras é discutida em Bartolotta e outros, Physics in em Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 e em Bartolotta e outros, Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). O material ionizado pode ser extinto para sua funcionali-zação e/ou para estabilização. Em qualquer ponto, por exemplo, quando o material está "com vida", "parcialmente com vida" ou inteiramente extinto, o material pode ser convertido em um produto, por exemplo, um combustível, um alimento ou um composto.Thus, a molecular and / or supramolecular structure of a feedstock may be changed by pretreatment of the feedstock with ionizing radiation, such as with electrons or ions of sufficient energy to ionize the feedstock, to provide a first level of radicals. If an ionized raw material remains in the atmosphere, it will be oxidized, for example, causing carboxylic acid groups to be generated by reacting with atmospheric oxygen. In some cases with some materials such oxidation is desired because it may assist in additional molecular weight disruption, for example of a carbohydrate-containing biomass, and oxidation groups, for example carboxylic acid groups, may be added. useful for solubility and microorganism use. However, since radicals may "live" for some time after irradiation, for example more than 1 day, 5 days, 30 days, 3 months, 6 months or even more than 1 year, material properties may continue to change. over time, which in some cases may be undesirable. Detection of radicals in irradiated samples by electron spin resonance spectroscopy and radical lifetime in such samples is discussed in Bartolotta et al., Physics in in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 and in Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). The ionized material may be extinguished for its functionality and / or for stabilization. At any point, for example, when the material is "alive", "partially alive" or entirely extinct, the material may be converted into a product, for example a fuel, food or compound.

Em algumas modalidades, a extinção inclui uma aplicação de pressão, tal como ao deformar mecanicamente o material, por exemplo, comprimindo mecanicamente de forma direta o material em uma, duas ou em três dimensões, ou aplicar pressão a um fluido no qual o material é imerso, por exemplo, pressionamento isostático. Em tais casos, a deformação do material propriamente dito resulta em radicais, os quais são frequentemente capturados em domínios cristalinos, em proximidade suficiente de maneira que os radicais podem recombinar, ou reagir com um outro grupo. Em alguns casos, a pressão é aplicada juntamente com a aplicação de calor, tal como uma quantidade suficiente de calor para elevar a temperatura do material para acima de um ponto de fusão ou ponto de amolecimento de um componente do material, tal como lignina, celulose ou hemicelulose no caso de um material de biomassa. Calor pode melhorar mobilidade molecular no material, a qual pode ajudar na extinção dos radicais. Quando pressão é utilizada para extinguir, a pressão pode ser maior que cerca de 6.894,76 kPa (1.000 psi), tal como maior que cerca de 8.618,44 kPa (1.250 psi), 9.997,40 kPa (1.450 psi), 24.993,94 kPa (3.625 psi), 34.990,89 kPa (5.075 psi), 49.986,99 kPa (7.250 psi), 68.947,57 kPa (10.000 psi) ou mesmo maior que 103.421,36 kPa (15.000 psi).In some embodiments, quenching includes applying pressure such as mechanically deforming the material, for example by directly compressing the material in one, two or three dimensions, or applying pressure to a fluid in which the material is immersed, for example, isostatic pressing. In such cases, the deformation of the material itself results in radicals, which are often captured in crystalline domains, in sufficient proximity so that the radicals can recombine, or react with another group. In some cases, pressure is applied together with the application of heat, such as a sufficient amount of heat to raise the material temperature above a melting point or softening point of a material component such as lignin, cellulose. or hemicellulose in the case of a biomass material. Heat can improve molecular mobility in the material, which can aid in extinction of radicals. When pressure is used to extinguish, the pressure may be greater than about 6,894.76 kPa (1,000 psi), such as greater than about 8,618.44 kPa (1,250 psi), 9,997.40 kPa (1,450 psi), 24,993, 94 kPa (3,625 psi), 34,990.89 kPa (5,075 psi), 49,986.99 kPa (7,250 psi), 68,947.57 kPa (10,000 psi) or even greater than 103,421.36 kPa (15,000 psi).

Em algumas modalidades, extinção inclui contactar o material com um fluido, tal como um líquido ou gás, por exemplo, um gás capaz de reagir com os radicais, tal como acetileno ou uma mistura de acetileno em nitrogênio, etileno, etilenos clorados ou clorofluoroetilenos, propileno ou misturas destes gases. Em outras modalidades particulares, extinção inclui contactar o material, por exemplo, biomassa, com um líquido, por exemplo, um líquido solúvel na biomassa, ou pelo menos capaz de penetrar na biomassa e reagir com os radicais, tal como um dieno, tal como 1,5-ciclo-octadieno. Em algumas modalidades específicas, a extinção inclui contactar a biomassa com um antioxidante, tal como vitamina E. Se desejado, a matéria-prima pode incluir um antioxidante dispersado na mesma, e a extinção pode surgir do contato do antioxidante dispersado na matéria-prima com os radicais.In some embodiments, extinction includes contacting the material with a fluid such as a liquid or gas, for example a gas capable of reacting with radicals, such as acetylene or a mixture of acetylene in nitrogen, ethylene, chlorinated ethylene or chlorofluoroethylene, propylene or mixtures of these gases. In other particular embodiments, extinction includes contacting the material, for example biomass, with a liquid, for example a liquid soluble in biomass, or at least capable of penetrating the biomass and reacting with radicals such as a diene such as 1,5-cyclooctadiene. In some specific embodiments, extinction includes contacting the biomass with an antioxidant such as vitamin E. If desired, the feedstock may include an antioxidant dispersed therein, and extinction may arise from contact of the dispersed antioxidant in the feedstock. the radicals.

Outros métodos para extinção são possíveis. Por exemplo, qualquer método para extinguir radicais em materiais poliméricos descrito em Muratoglu e outros, Publicação de Pedido de Patente U.S. No. 2008/0067724 e Muratoglu e outros, Patente U.S. N- 7.166.650, pode ser utilizado para extinguir qualquer material ionizado descrito neste documento. Além disso, qualquer agente de extinção (descrito como um "agente de sensibilização" nas descrições de Muratoglu indicadas anteriormente) e/ou qualquer antioxidante descrito em uma e outra referência de Muratoglu pode ser utilizado para extinguir qualquer material ionizado.Other methods for extinction are possible. For example, any method for quenching radicals in polymeric materials described in Muratoglu et al., US Patent Application Publication No. 2008/0067724 and Muratoglu et al., US Patent No. 7,166,650 may be used to quench any described ionized material. in this document. In addition, any extinguishing agent (described as a "sensitizing agent" in the Muratoglu descriptions given above) and / or any antioxidant described in either Muratoglu reference may be used to extinguish any ionized material.

Funcionalização pode ser aprimorada ao utilizar íons carregados pesados, tais como qualquer um dos íons mais pesados descritos neste documento. Por exemplo, se for desejado aprimorar oxidação, íons de oxigênio carregados podem ser utilizados para a irradiação. Se grupos funcionais de nitrogênio forem desejados, íons de nitrogênio ou íons que incluam nitrogênio podem ser utilizados. Igualmente, se grupos de enxofre ou de fósforo forem desejados, íons de enxofre ou de fósforo podem ser usados na irradiação.Functionalization can be enhanced by using heavy charged ions such as any of the heavier ions described in this document. For example, if it is desired to enhance oxidation, charged oxygen ions may be used for irradiation. If nitrogen functional groups are desired, nitrogen ions or ions that include nitrogen may be used. Also, if sulfur or phosphorus groups are desired, sulfur or phosphorus ions may be used for irradiation.

Em algumas modalidades, após extinção qualquer um dos materiais extintos descritos neste documento pode ser tratado adicionalmente com uma ou mais de radiação, tal como radiação ionizante ou não ionizante, sonicação, pirólise e oxidação para mudança de estrutura molecular e/ou supramolecular adicional.In some embodiments, upon extinction any of the extinct materials described herein may be further treated with one or more radiation, such as ionizing or nonionizing radiation, sonication, pyrolysis and oxidation for additional molecular and / or supramolecular structure change.

Em modalidades particulares, materiais funcionalizados descritos neste documento são tratados com um ácido, base, nucleófilo ou ácido de Lewis para mudança de estrutura molecular e/ou supramolecular adicional, tal como ruptura de peso molecular adicional. Exemplos de ácidos incluem ácidos orgânicos, tais como ácido acético e ácidos minerais, tais como ácido hidroclorídrico, sulfúrico e/ou nítrico. Exemplos de bases incluem bases minerais fortes, tais como uma fonte de íons de hidróxido, íons básicos, tal como íon de fluoreto, ou bases orgânicas mais frágeis, tais como aminas. Mesmo água e bicarbonato de sódio, por exemplo, quando dissolvido em água, pode afetar mudança de estrutura molecular e/ou supramolecular, tal como ruptura de peso molecular adicional.In particular embodiments, functionalized materials described herein are treated with an acid, base, nucleophile or Lewis acid for additional molecular and / or supramolecular structure change, such as additional molecular weight disruption. Examples of acids include organic acids such as acetic acid and mineral acids such as hydrochloric, sulfuric and / or nitric acid. Examples of bases include strong mineral bases such as a source of hydroxide ions, basic ions such as fluoride ions, or more fragile organic bases such as amines. Even water and sodium bicarbonate, for example, when dissolved in water, can affect change in molecular and / or supramolecular structure, such as additional molecular weight disruption.

Os materiais funcionalizados podem ser usados como materiais de substrato para imobilizar micro-organismos e/ou enzimas durante biopro-cessamento, por exemplo, tal como descrito nos Pedidos Provisórios U.S. N— de Série 61/180.032 e 61/180.019, cujas descrições estão incorporadas neste documento pela referência.Functionalized materials may be used as substrate materials to immobilize microorganisms and / or enzymes during bioprocessing, for example as described in US Provisional Applications Serial No. 61 / 180,032 and 61 / 180,019, the disclosures of which are incorporated. in this document by reference.

Outras modalidades estão dentro do escopo das reivindicações a seguir. Por exemplo, materiais não de biomassa e misturas de materiais de biomassa e materiais não de biomassa podem ser processados usando os métodos descritos neste documento. Exemplos de materiais não de biomassa que podem ser processados incluem materiais contendo hidrocarboneto tais como areias oleosas, xisto oleígeno, areias betuminosas, betume, carvão e outras tais misturas de hidrocarbonetos e materiais de não de hidrocarboneto. Muitos outros materiais de biomassa e não de biomassa podem ser processados usando os métodos descritos neste documento, incluindo turfa, lignina, pré-carvão e materiais petrificados e/ou carbonizados.Other embodiments are within the scope of the following claims. For example, non-biomass materials and mixtures of biomass materials and non-biomass materials may be processed using the methods described herein. Examples of non-biomass materials that can be processed include hydrocarbon-containing materials such as oil sands, oil shale, oil sands, bitumen, coal and other such hydrocarbon mixtures and non-hydrocarbon materials. Many other biomass and non-biomass materials may be processed using the methods described herein including peat, lignin, pre-coal and petrified and / or carbonized materials.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Método de mudar uma estrutura molecular de um material ce-lulósico ou lignocelulósico, caracterizado pelo fato de que compreende: produzir um feixe de íons compreendendo uma primeira distribuição de energias de íons tendo uma largura total a meia altura de W; ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons para produzir uma segunda distribuição de energias de íons no feixe de íons tendo uma largura total a meia altura de mais que W; e expor o material celulósico ou lignocelulósico ao feixe de íons ajustados, em que ajuste é baseado em uma espessura do material celulósico ou lignocelulósico.Method of changing a molecular structure of a cellulosic or lignocellulosic material, characterized in that it comprises: producing an ion beam comprising a first distribution of ion energies having a full width at half height of W; adjusting the energies of at least some of the ions to produce a second ion energy distribution in the ion beam having a full width at half height of more than W; and exposing the cellulosic or lignocellulosic material to the adjusted ion beam, where adjustment is based on a thickness of the cellulosic or lignocellulosic material. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a largura total a meia altura da segunda distribuição é maior que W por um fator de 2,0 ou mais ou por um fator de 4,0 ou mais.Method according to claim 1, characterized in that the total width at half height of the second distribution is greater than W by a factor of 2.0 or more or a factor of 4.0 or more. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons compreende direcionar os íons para passar através de um elemento de espalha-mento ou através de um analisador hemisférico.Method according to claim 1 or 2, characterized in that adjusting the energies of at least some of the ions comprises directing the ions through a scattering element or through a hemispherical analyzer. 4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o feixe de íons ajustados atravessa um fluido antes de ser incidente no material celulósico ou lignocelulósico.Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the beam of adjusted ions passes through a fluid before being incident to the cellulosic or lignocellulosic material. 5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fluido é ar em uma pressão de 0,5 atmosfera ou mais.Method according to claim 4, characterized in that the fluid is air at a pressure of 0.5 atmosphere or more. 6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o feixe de íons compreende dois ou mais tipos diferentes de íons.Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the ion beam comprises two or more different types of ions. 7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os dois ou mais tipos diferentes de íons compreendem i) íons de hidrogênio e íons de carbono ou ii) íons de hidrogênio e íons de oxigênio.Method according to claim 6, characterized in that the two or more different types of ions comprise i) hydrogen ions and carbon ions or ii) hydrogen ions and oxygen ions. 8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que ajuste das energias de pelo menos alguns dos íons é baseado em um perfil de dose de íons esperado no material celu-lósico ou lignocelulósico.Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the energy adjustment of at least some of the ions is based on an expected ion dose profile in the cellulosic or lignocellulosic material. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ajustar as energias de pelo menos alguns dos íons compreende aumentar uma largura total a meia altura de um pico de Bragg do perfil de dose de íons esperado no material o suficiente para reduzir uma diferença entre uma espessura do material celulósico ou lignocelulósico e a largura total a meia altura do pico de Bragg.Method according to claim 8, characterized in that adjusting the energies of at least some of the ions comprises increasing a total width at half height of a Bragg peak of the expected ion dose profile in the material sufficient to reduce a difference between a thickness of the cellulosic or lignocellulosic material and the full width at half height of the Bragg peak. 10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que, seguinte ao ajuste das energias, a diferença entre a espessura do material celulósico ou lignocelulósico e a largura total a meia altura do pico de Bragg é de 0,01 centímetro ou menos.Method according to claim 9, characterized in that, following the adjustment of energies, the difference between the thickness of the cellulosic or lignocellulosic material and the total width at half height of the Bragg peak is 0.01 centimeter. or less. 11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o material compreende material lignocelulósico.Method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the material comprises lignocellulosic material. 12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o material recebe uma dose de radiação entre 0,1 Mrad e 20 Mrad.Method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the material receives a radiation dose between 0.1 Mrad and 20 Mrad. 13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o material lignocelulósico é primeiramente tratado com íons de carbono ou íons de oxigênio para degradar lignina, e a celulose e hemicelulose é então tratada com prótons, íons de hélio e/ou elétrons para degradar a celulose e/ou a hemicelulose.Method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the lignocellulosic material is first treated with carbon ions or oxygen ions to degrade lignin, and the cellulose and hemicellulose is then treated with protons, ions. helium and / or electrons to degrade cellulose and / or hemicellulose.

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