CN101969787A - 真核细胞生物质的处理 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于处理含有源于真核细胞的生物质的流的方法，包括：(1)使所述流通过一个室；(2)对所述流加压；(3)在所述加压的流中引入气体，该气体可溶于所述源于真核细胞的生物质中；以及(4)对所述流减压使得所述可溶的气体膨胀并使所述源于真核细胞的生物质破裂。所述生物质可源于植物或动物材料。

Description

真核细胞生物质的处理
本发明涉及用于处理真核细胞生物质及衍生物如源自木材和动物的材料的方法和装置，以及此方法在可再生产品如乙醇和甲烷的生产中的用途。
对于从废物材料如木屑或纸或其他废物材料中生产燃料或其他产物的兴趣是在不断增长的。对于此类材料的一个问题在于需要将其分解以有效释放如糖等的化合物，所述化合物从而可用于其它方法中，如发酵方法。这些可继而用于生产有用的产物如甲烷、氢或乙醇、或其他发酵产物如乳酸、丁酸或丙酮。所述生物质，一旦被分解，也可用作生长生物体如食用真菌的营养来源。
WO 2007/059487公开了一种处理含微生物的流(stream)的方法，其通过对所述流加压，引入在所述微生物内可溶的原料气(feed gas)，再减压使所述溶解的原料气在该微生物内膨胀并使其破裂。可任选地在微生物中加入酸来使pH值降到低于6.5，所述酸如氨基磺酸、硝酸、磷酸、草酸、盐酸或硫酸。此方法的目的是对污泥(sewage sludge)灭菌并使其脱水。
US 5,635,069公开了将废污泥和氧化物以及氨基磺酸混合，对所述污泥加压并将该加压的泥排出。所述氧化物与酸反应使得所述污泥温度升高至50℃至450℃之间。
将pH值升高到至少9.8也被用于处理含病原体的污泥(见US5,868,942)。其利用了氧化钙、氨和二氧化碳并且也使用了压力。类似地，US 6,056,880利用了酸、氧化物和压力来处理生物学固体的废污泥。
所述废污泥被指明为污泥和动物排泄物并因而含有病原体，所述病原体由这些文件所示的方法来进行灭菌。
燃料产物已通过使用与酸及氧化物混合并加压的污泥来生产。其继而与煤粉混合并经固化来生产燃料材料。
本发明人认识到现有技术所示的破碎开放微生物细胞的原理也可用于辅助分解多细胞结构如木材或动物细胞。其也可用于分解源自此类产物如纸或棉的材料。
因此，本发明的第一个方面提供了用于处理源于真核细胞的含生物质的流的方法，其包含：
(1)使所述流通过一个室(chamber)；
(2)对所述流加压；
(3)在所述加压的流中引入气体，该气体可溶于所述源于真核细胞的生物质中；以及
(4)将所述流减压使得所述溶解的气体膨胀并使所述源于真核细胞的生物质破裂。
优选地，所述流与气体被保留在所述室或随后的停留室中足够长的时间以使得该气体与流达到平衡。典型地，这介于1至60分钟、或1至30分钟之间。
源于真核细胞的生物质可以是仍含有真核细胞的材料，如木材、草本植物材料、草屑(grass clippings)或者动物如牛、猪、绵羊、山羊、马或鱼、组织以及另外包括源于此类细胞的材料，如棉、纤维素和胶原。此类生物质可包含各种既有植物又有动物来源的材料的混合物，如食物废物。
优选地，所述源于真核细胞的生物质包含源于植物的材料。此植物材料优选包含纤维素、木质素和/或半纤维素。所述源于植物的材料优选包含木屑、锯末(sawdust)、纸、草本植物材料如杂草或其它来自食物和非食物植物作物的植物材料、草屑、棉、麻和/或亚麻。所述棉、麻和/或亚麻可以是回收的衣物的形式，如含有棉的衣物或亚麻制品。
或者，或额外地，所述源于真核细胞的生物质可从动物材料获得并包括蛋白质动物材料，如胶原、肉类和/或脊髓组织。
所述含有源于真核细胞的生物质的流可以是源自城市废物。此类城市废物可以有其它材料如塑料或金属，其在通过所述室之前由本领域所知技术去除，所述技术如筛滤、手工拣选，或例如通过流体力学分离法分离。所述源于真核细胞的生物质也可包含食物废物。
优选所述生物质可通过例如砍切、粉碎(shredding)或浸渍(macerating)来破碎成颗粒。所述材料的物理性分解可辅助提高对周围介质开放的表面积。
所述生物质流可具有受调节的含湿量，例如通过加入蒸汽或水或其它水成液如下游过程液体来进行。典型地，所述生物质的固体含量被调节为在2-50％重量范围内的干固体。这可以通过处理来实现，例如经蒸汽1分钟或者例如在水中浸泡，典型来说最多4小时进行。所述水成液可以是新鲜的或者循环水，并且在通过所述室前，可在物理性分解所述生物质之前或之后加入。
优选地，所述生物质流不是污水、污泥或排泄物材料。
优选地，所述生物质材料具有加入水分从而含有至少2％，优选至少5％重量的干固体，或至少10％重量的干固体。
将所述生物质流通过一个室。该室被加压至超过大气压。典型地，该室内的气压高至25barg(表压(bar gauge))，但典型在0.5barg到12barg之间，或高至10barg或高至6barg。所述方法可在压力逐渐提高或迅速提高的分批或连续性的基础上进行操作。
将所述气体加入到所述加压的流中。在压力下，该气体溶解于所述源于真核细胞的生物质的水分中。
将所述流迅速减压来使溶解的气体膨胀。这一快速膨胀导致该溶解的气体膨胀成气泡。该气体可在减压的情况下膨胀至多达1800％。减压例如可在具有比所述室的压力低的闪发室(flash chamber)中进行。
所述溶解的气体的膨胀使所述源于真核细胞的生物质破裂并且提高了用于下游方法的所述材料的表面积，也提高了例如所述流中糖或蛋白的可用性。
所述用于加压的气体优选二氧化碳。这有助于为所述的流提供酸化，其可辅助水解所述生物质。这可以以1-100％体积的CO2的形式存在，最优选25-100％体积。可供选择的气体包括空气、氮气、甲烷以及气体混合物。例如，所述气体可以是由所述经减压的流在生物反应器中的厌氧消化所形成的甲烷-二氧化碳混合物。
从所述减压步骤释放的气体可回收以及再次使用。
可通过在加压步骤之前和/或期间用一种或多种物理、化学或生物学处理方式来处理所述流从而可进一步提高所述生物质的分解。
例如，化学处理方式可包含用湿润剂(wetting agent)来处理所述生物质，所述湿润剂如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铵、苄基三甲基硫酸铵、氯化锌、碳酸钙、碳酸钠、二氧化硫、硫酸或磷酸。其他化学物包括过氧化氢或氧化钙。也可掺入有机溶剂如甲醇。另外也可掺入去污剂。
US 4,304,649在木质纤维素材料的增溶作用中公开了许多上述试剂。
对材料如木质纤维素材料的处理也可使用碱或酸(见US 5,515,816)。优选使用碱如氢氧化钠。可使用无机酸如硫酸和金属碱氢氧化物。
特别优选的气体二氧化碳在酸性环境下溶解较好。另外，二氧化碳本身在水中形成酸，有助于所述方法。
典型地，包括碱和酸处理方式的所述化学物与所述流接触1到60分钟。它们典型地作为溶解的盐在适当的情况下被加入到原料(feed stock)生物质材料中。
酸处理可应用更长时间，如US 4,515,816所述，其显示木质纤维素材料可在pH 2-3的稀释水成酸(aqueous acid)中处理5-21天来诱导温和水解。
也可以以整个微生物或微生物提取物的形式使用生物材料以将含碳原材料分解和释放至生产过程中。此类处理使用胞内和胞外酶如过氧化物酶和壳多糖酶，或者在活微生物上产生的有机酸，如在矿石的金属生物漂白(bioleaching)中所应用的那些。可使用活微生物如乳杆菌(Lactobacillus)物种，如在农业青饲料生产中所用的那些。
物理处理方式包括加热以及由例如高剪切混合器或浸渍器(macerator)进行的颗粒大小缩减。最优选所述物理性加热包括使用蒸汽。蒸汽先前曾在超过150℃的温度与物理裂解(disintegration)方法一起使用。本发明中所概述的随加压的二氧化碳的加入一起使用的加热来进行的预处理或共同处理可用于降低蒸汽处理所需的温度、压力以及停留时间。在考虑使用加热和二氧化碳的共同处理的情况下，则优选范围在40-180℃的温度。
所述经减压的流优选导向生物反应器，例如厌氧或需氧生物反应器。该流接着可使用例如适合的细菌或酶来进行消化，从而产生产物如甲烷、氢、乙醇、乳酸、丁酸或丙酮。所述材料的厌氧或需氧发酵是本领域一般已知的。所述流的残余产物也可被使用，例如作为用于如真菌、植物或微生物的生长培养基。所述流的含量是可变的，例如通过将植物废物和动物废物混合来调节最终产物中可用的碳水化合物和蛋白质的量。
优选地，从所述减压步骤释放的气体是循环利用的并被反馈入加压的流中。
在将所述减压的流继而发酵或另外在生物反应器中使用的情况下，此方法经常产生固体产物。此固体产物本身可经干燥和燃烧来产生热，从而直接或间接地加热所述流或者产生蒸汽用于在加压步骤前或期间来处理所述流。
本发明也提供一种装置：其包含用于接收含有源于真核细胞的生物质的流的入口(entrance port)；用于将水成液加入所述流的端口(port)；用于对所述流加压的室，该室包含在所述经加压的流中引入气体的端口；用于对从上述室中出来的流减压的减压室；以及用于接收所述减压流的生物反应器。
在所述室后也可提供停留室，在减压前所述流和气体可在其中平衡。
也提供了用于本发明方法中的装置。
本发明的另一方面提供了在本发明方法中使用的装置。
所述装置的优选用途和特征可以是如上所定义的。
本发明将仅参考下列图的实施例方式进行描述。
图1显示总结了本发明方法的流程图。
该图显示了含有源于真核细胞的生物质的流，其在入口处进入所述方法。所述生物质可以是例如纤维素材料如木屑、纸、锯末、草本植物材料、草屑、藻类、混合的食物材料、棉、麻和/或亚麻。也可使用蛋白质动物材料，如胶原、肉类和/或脊髓组织。对于所述后者材料，本方法的优势在于该方法将至少部分地对所述材料进行灭菌，因而可降低所述材料含有病原体的机会。将所述生物质传递至可将所述材料分解成较小组分的浸渍器。在必要的情况下，将水或者其它水成液加入到所述材料中从而提高该材料的含湿量至典型的2-50％重量干材料。也可使用蒸汽来提高所述材料的含湿量。
将所述材料继而典型性地传递到接受器(holding tank)，在其中所述材料可如上面描述的那样被加热处理和/或由酸或其他生物学处理方式进行预处理。典型地，如果所述材料是木质纤维素材料，使用湿润剂如氢氧化钠来溶解该材料。所述接收器可与将所述材料加压的室分开。或者，所述加压接收器可以是所述方法中使用的所述装置的同一组件。该室典型地被加压至0.5-25barg，特别是0.5-12barg，或0.5-10barg或0.5-6barg。典型地是含有二氧化碳气体的气体被引入所述室。该气体溶于所述流的水分中。
可提供停留室使所述流与气体平衡。
在离开所述室或停留室时，所述加压的流例如通过进入闪发室来减压。这使得所述溶解的气体膨胀并将所述流中的生物质破碎。从该生物质释放的气体可收集起来并在所述加压室中循环再利用。
所述减压的材料继而被传递至生物反应器进行进一步加工。所述材料可用于许多不同目的，包括甲烷和乙醇生产。对不同微生物和不同条件如需氧或厌氧条件的选择可使得从所述生物质中产生不同的产物。所述生物反应器本身可具有额外材料，如痕量元素、消泡剂、缓冲液如碳酸钙，或者生长因子如硫胺，加入以使得该生物反应器中用于产生终产物的生物体或酶的生长条件得到改善。其他额外材料包括例如螯合剂以避免金属离子沉淀。
所述产物如乙醇或甲烷典型地从所述生物反应器提取。这将通常留下固体废物，其可经干燥继而燃烧产生热或者蒸汽来用于在加压步骤前或期间对所述生物质进行加热。从所述生物反应器产生的二氧化碳和/或甲烷或其它气体也可用作在加压步骤中使用的气体。
本发明的所述方法通过从所述生物质流释放化合物如糖而改良了生物反应器的效率。其可用于广范范围的不同应用中，并且在利用废物材料并将其转化为有商业用途的产物时特别有用。

Claims (21)

1.一种用于处理含有源于真核细胞的生物质的流的方法，包括：
(1)使所述流通过一个室；
(2)对所述流加压；
(3)在所述加压的流中引入气体，该气体可溶于所述源于真核细胞的生物质中；以及
(4)对所述流减压使得所述溶解的气体膨胀并使所述源于真核细胞的生物质破裂。
2.权利要求1的方法，其中所述气体包括二氧化碳。
3.权利要求1或2的方法，其中源于真核细胞的生物质包括源于植物的材料。
4.权利要求3的方法，其中所述源于真核细胞的生物质包括纤维素、木质素和/或半纤维素。
5.权利要求3或4的方法，其中所述源于真核细胞的生物质包括木屑，纸、锯末、草本植物材料、草屑、藻类、混合食物材料、棉、麻和/或亚麻。
6.权利要求1或2的方法，其中所述源于真核细胞的生物质包括蛋白质动物材料。
7.权利要求6的方法，其中所述蛋白质动物材料包括胶原、肉类和/或脊髓组织。
8.前述任何权利要求的方法，其中所述源于真核细胞的生物质在城市废物中。
9.前述任何权利要求的方法，其中所述源于真核细胞的生物质包括食物废物。
10.前述任何权利要求的方法，其包括在所述加压步骤(ii)之前和/或期间用一或多种化学、物理或生物学处理方式来处理所述流。
11.权利要求10的方法，其中所述化学处理方式包含使用湿润剂、酸、碱、表面活性剂、和/或氧化剂中的至少一种来处理。
12.权利要求10的方法，其包括用蒸汽对所述流加热。
13.权利要求10的方法，其中所述生物学处理方式包使用一或多种酶和/或微生物。
14.前述任何权利要求的方法，其包括步骤(v)将所述减压的流送至厌氧或需氧生物反应器中。
15.权利要求14的方法，其中所述流用于生产甲醇、乙醇或甲烷。
16.权利要求14的方法，其中从生物反应器获得的气体被收集并引入到所述加压的流(iii)中。
17.权利要求14至16任一项的方法，其中来自生物反应器的废物材料被干燥和燃烧以直接或间接加热所述流。
18.前述任何权利要求的方法，其包括在使所述流通过所述室前将一种水成液加入到所述源于真核细胞的生物质中。
19.一种装置，其包括用于接收含有源于真核细胞的生物质的流的入口；用于将水成液加入所述流的端口；用于对所述流加压的室，该室包括在所述加压的流中引入气体的端口；用于对从上述室中出来的流减压的减压室；以及用于接收所述减压的流的生物反应器。
20.用于权利要求1至18中任一项方法中的装置。
21.用于权利要求1至18任一项方法中的权利要求19或20的装置。
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