CN103261122A

CN103261122A - 用生物材料产生保水性聚合物复合物的加工方法

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Publication number: CN103261122A
Application number: CN2011800551600A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·莫里斯-沃森; 阿尔佐曼·穆罕默迪·戈哈瑞哈尼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: BR112013012131B1; US20130247629A1; CA2851016A1; EP2640679B1; AU2011330908A1; MX2013005634A; ES2686923T3; MA34728B1; PT2640679T; EA024571B1; EP2640679A1; WO2012066333A1; BR112013012131A2; IL226325A0; ZA201303588B; EA201390567A1; GB201019417D0; CN103261122B; MX338173B; AU2011330908B2

Abstract

发明人提供了一种把生物材料加工成保水性聚合物复合物的方法、从所述方法获得的保水性聚合物复合物以及所述保水性聚合物复合物改进土壤的保水性和/或增加营养物含量的用途。该方法包括提供所述生物材料、碱性溶液和单体，然后加入聚合剂以形成保水性聚合物复合物的步骤。

Description

用生物材料产生保水性聚合物复合物的加工方法

发明领域

本发明涉及生物材料的加工。

发明背景

在20世纪80年代爆发牛海绵状脑病(BSE)以及随后在动物饲料中禁止使用肉骨粉(MBM)之后，已经多次尝试由死牲畜来制造有用的最终产品。在欧洲，某些MBM被用作宠物食品中的成分。此外，MBM越来越多地被用作用于生产可再生能源的环境可持续的煤替代物或用作水泥窑中的燃料。然而，MBM仅具有化石燃料例如煤的能量值的约三分之二。因此，遗憾的是，大部分的MBM被简单地放置在填埋场中或被焚化。

本发明的发明人已经注意到连接MBM处置/使用和土壤调节/施肥的领域。常规的无机肥料具有高度水溶性的大的缺点。这可以导致这样的肥料沥滤至地下水并且其可以导致显著的环境破坏，例如富营养化。有机肥料具有它们的自己的问题，例如可变的一致性。很多的有机物，尤其是肉，不适合作为肥料，因为其例如释放恶臭(有时是不可忍受的)。

本发明的一个目的是提供这些问题的解决方案。

发明概述

发明人提供了一种把生物材料加工成保水性聚合物复合物的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供包含所述生物材料、碱性溶液和合适的单体的组合物；以及

(b)加入聚合剂以形成保水性聚合物复合物。

在优选的实施方案中，生物材料来源于动物和/或所述碱性溶液在50℃或更高的温度下被提供。

在优选的实施方案中，该方法还包括干燥所得到的保水性聚合物复合物的步骤和粉碎所得到的保水性聚合物复合物(优选地使用低温研磨)的步骤中的一个或两个。

在优选的实施方案中，组合物还包含交联剂和/或另外的营养物和/或兽用驱虫剂(animal repellent)。

在优选的实施方案中，组合物还包含已粉碎的一次性尿布，并且优选被弄脏的尿布。一次性尿布(或“尿片”)包括含有纤维素材料的组件并且经常结合有吸水凝胶，其被称为“超吸收体”或超吸收性凝胶。含有这样的超吸收剂的尿布是特别优选的。处置这样的尿布，并且尤其如果它们被粪便物质弄脏的话，是有问题的。发明人已经发现它们可以在聚合之前以粉碎状态加入到组合物中。组合物的碱性性质起到破坏纤维素材料的结构的作用，并且还导致减少或消除了可能与尿布材料相关的病原生物。如果超吸收性聚合物材料已经存在于尿布中，那么这赋予保水性聚合物复合物另外的持水能力。

优选地，上文方法的任何一种还包括在步骤(a)之前粉碎生物材料的步骤，优选地其中方法还包括在所述粉碎步骤之前冻结所述生物材料(优选地使用低温冻结)的步骤。

发明人还提供从上文方法的任何一种中获得的保水性聚合物复合物，以及所述保水性聚合物复合物改进土壤的保水性和/或增加营养物含量的用途。

附图简述

本发明将参照附图被描述，在附图中：

图1示出了在本发明的过程期间在三个不同的时间点，有机废物(切碎的肉)中的四种环境重要的细菌的CFU/g以及总活菌数(TVC)：在KOH加入之前(T₀，以黑色填充示出)和之后(T_KOH，以白色填充示出)以及在丙烯酸加入之后(T_aa，以阴影线填充示出)。(CFU＝菌落形成单位)；以及

图2示出了多个红外(IR)光谱以提供在肉和聚丙烯酸酯之间进行交联的证据。

优选实施方案的详细描述

本发明涉及生物材料的加工，生物材料是来源于生物体或形成生物体的一部分的任何材料。例如，所述生物材料是植物材料或(死的)动物或人类材料，或这些材料的混合物。优选地，生物材料是蛋白质的(即包含蛋白质或基本上由蛋白质组成)，优选地包含纤维状蛋白质(例如肉)。在特别地优选的实施方案中，生物材料来源于动物，优选地是动物组织，并且优选地包含纤维状蛋白质(优选地包含动物肉或基本上由动物肉组成)。

要求保护的加工方法把生物材料转化为保水性聚合物复合物，保水性聚合物复合物，例如，辅助这样的材料(例如生物废物)的处理、运输和处置。在优选的实施方案中，该方法实质上减少或实质上根除来自生物材料内的病原体。该方法因此提供死的人类或动物(或其一部分)可以通过其被处置的安全的手段，尤其是在其中所述人类或动物被病原体(例如朊病毒、病毒、细菌或真菌)感染的情况下。该方法是在农业和食品加工的装置中特别有用的，其中死牲畜(由于例如受伤或感染不适合于人类消费的挑剩的牲畜)或不想要的动物身体部分(例如来自屠宰场、屠杀场、屠夫或饭店)需要被迅速地和安全地处置。所设想的具体的牲畜动物包括鸡、火鸡、鹅、鸭、野鸡、猪、奶牛、绵羊、山羊和马。

此外，要求保护的方法可以被用于加工被包括在家用废物内的生物材料，尤其是来源于肉、蔬菜和水果。

要求保护的方法是自加热的并且因此是环境友好的。此外，根据要求保护的方法生产的复合物可以被用于改进土壤的性质，例如作为调节剂和/或肥料(但是这种用途可以被限于其中生物材料已经不来源于人类的情况)。以这种方式，例如来自死牲畜的废材料可以被用于建设性的用途。实际上，本发明的保水性聚合物复合物提供相对于常规的用于土壤改良的材料的多种特别的优点，如在下文详细地讨论的。

本发明的方法

要求保护的方法涉及提供包含待被加工的生物材料、碱性溶液和合适的单体的组合物。碱性溶液可以是例如基于氢氧化物的溶液(例如KOH、NaOH或NH₄OH)。典型的浓度将是例如约30％，但是也被设想的浓度是在5-95％、优选地5-75％、更优选地10-50％并且最优选地20-40％的范围内的那些。如果增加聚合物复合物的氮含量是重要的，那么包含NH₄OH的溶液是优选的。如果增加聚合物复合物的钾含量是重要的，那么包含KOH的溶液是优选的。这样的增加对于提供期望的用于肥料的N∶P∶K比来说可能是重要的。以其他的方式，KOH和NaOH的组合提供特别良好的保水性(尤其是以约5∶1的比)。

生物材料被以约1∶1(生物材料：其他的组分的w/v)包含在组合物中，尽管也被设想的比包括在1∶100至5∶1之间，优选地在1∶50至5∶1之间，更优选地在1∶20至2∶1之间，更优选地在1∶10至2∶1之间，更优选地在1∶2至2∶1之间。

合适的单体是聚合形成保水聚合物的任何单体，并且选项包括酸性单体，例如基于烯烃的那些，例如丙烯酸、丙烯酰胺或乙烯醇，但是技术人员可以提出其他的替代形式，例如环氧乙烷。在优选的实施方案中，仅单一种类的单体被使用，以简化程序。单体与生物材料的比可以根据二者的类型被选择，但是为了引导，对于例如切碎的肉与丙烯酸的合适的比(w/v)是100∶1至1∶2，更优选地50∶1至2∶3，更优选地10∶1至1∶1，更优选地10∶1至2∶1，最优选地约10∶3。

在优选的实施方案中，生物材料在单体被加入之前被与碱性溶液组合。溶液的碱性条件提供抗微生物效果，并且这种效果在升高的温度下被加强，例如在40℃或更高，优选地在50℃或更高，更优选地在60℃或更高。这种升高的温度可以通过溶液直接加热被获得，但是更优选地其通过在即将加入生物材料之前制备碱性溶液被提供，这样的制备是放热的并且可以升高水温度，例如从23℃至60℃。如果升高的温度在与生物材料组合之后将被保持，那么外源的热可能需要被供应，这取决于与碱性溶液组合的生物材料的比和温度。随后与单体的组合也可以是放热的并且因此可以有助于方法的抗微生物效果(尤其是与酸性的单体)。

在优选的实施方案中，组合物还包含交联剂，例如二丙烯酸乙二醇酯、二乙二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、N，N′-(1，2-二羟基亚乙基)双丙烯酰胺、二乙烯基苯或N-(1-羟基-2，2-二甲氧乙基)丙烯酰胺。这些剂通常以0.01％被使用并且起到交联生物材料中的生物聚合物的作用。预期，这样的交联剂的使用将把聚合物复合物的持水容量增加10-20％。

在优选的实施方案中，组合物还包含另外的营养物，其是不由待加工的生物材料产生的对植物具有营养价值的任何物质。另外的营养物可以是有机的或无机的，后者包括氮、磷和/或钾的源(例如磷酸铵)。

在优选的实施方案中，组合物还包含兽用驱虫剂，尤其是化学驱虫剂，例如麝香葡萄(grape musk)、邻氨基苯甲酸甲酯或邻氨基苯乙酮。

要求保护的方法然后涉及把聚合剂加入上文描述的组合物中(或反之亦然)以形成保水性聚合物复合物。技术人员将能够选择合适的聚合剂(以及其量)，这取决于例如所使用的单体。例如，当使用丙烯酸作为单体时，合适的剂包括过硫酸铵和四甲基乙二胺(TEMED)(例如对于从100ml30％碱性溶液、100g切碎的肉和30ml丙烯酸形成的混合物，分别为0.5g或0.3g)。

在优选的实施方案中，本发明的方法还包括干燥所得到的保水性聚合物复合物和/或粉碎所述复合物的步骤，优选地其中所述粉碎使用低温研磨来实现，例如使用液氮。聚合物复合物的粉碎把其分解为尺寸更小的并且表面积更大的聚合物复合物颗粒。这可以辅助聚合物复合物的处理、处置或分布，并且当复合物待被分散至区域上时是特别有用的(其中增加的表面积促进保水性和最终的营养物释放)。

所得到的保水性聚合物复合物和其用途

本发明的方法可以把生物材料加工为可以基本上不含有生命力的病原体的复合物，所述病原体例如朊病毒(例如导致BSE和痒病的)、病毒、细菌(例如蜡状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌)和/或真菌。其因此使生物材料能够转化成更容易和更安全地处理、运输和处置的形式。

然而，此外，通过本发明的方法生产的复合物具有使其能够在农业中使用的性质。例如，复合物具有出人意料高的保水容量，使其适合于改进土壤的保水性(经常被称为“调节”土壤)。

此外，复合物具有高营养价值，其来源于已经被加工的生物材料的组分，并且因此适合于提高土壤的营养物含量(经常被称为“施肥”土壤)。例如，如果生物材料包含蛋白质，那么所得到的复合物可以把蛋白质和/或氨基酸沉积入土壤中。复合物的结构确保这样的沉积是缓慢释放的(提供有效的营养物供给，同时减轻沥滤的不利的环境影响)。此外，本发明的加工产生不释放明显恶臭的可降解的材料，这与在降解后释放明显恶臭的未处理的生物材料(例如肉)形成对比。

聚合物复合物的一个另外的特征是其具有7.7的pH。这使其适合于作为浸灰剂(liming agent)使用(即用于增加酸性土壤的pH)。然而，聚合物复合物的pH可以在其形成之后被调整，以使其适合于任何预期的用途。

制备用于本发明的方法的材料的方法

在优选的实施方案中，生物材料在其被结合入碱性溶液中之前被加工，从而例如增加其溶解性。例如，生物材料可以被粉碎，例如通过低温研磨、研磨、压碎、切断或其混合(例如使用碎渣机)。为了辅助这样的粉碎，生物材料优选地被事先冻结，优选地通过低温冻结(例如使用液氮)。本步骤具有另外的优点，即减轻在其结合到保水性聚合物复合物中之前生物材料的降解和/或来自生物材料的病原体的分散。

这样的实施方案特别为了农业设置而设想，其中死牲畜可以在加工之前被冻结和/或粉碎(其可以在相同的地点发生)。在特别优选的实施方案中，生物材料(例如死牲畜)被放置在被纸板内衬(部分地或完全地)的钢(优选地不锈钢)容器中并且被浸没(部分地或完全地)在液氮中。一旦液氮已经蒸发，那么已冻结的生物材料可以通过任何常规的手段被粉碎(例如压碎，对于压碎来说卷筒纸包装机可以是特别有效的)。

实施例

1.基于肉的保水性聚合物复合物的生产

制备100ml的30％碱性溶液(5g KOH和25g NaOH)。在此(放热的)过程期间水温度从23℃上升至60℃。把100g的有机废物(切碎的肉)溶解在溶液中，这把溶液的温度降低至55℃。溶液的高温和高碱性条件可以导致6log总活菌数减少(见下文)。一旦溶液的温度下降至45℃，那么加入30ml丙烯酸。这把温度升高至62℃。在5分钟之后，把0.5g过硫酸铵(APS)作为聚合剂加入溶液中并且聚合在15分钟内发生。向溶液中加入APS把溶液的温度升高至70℃。所得到的复合物具有7.7的pH。

2.基于肉的保水性聚合物复合物的持水容量(WHC)

为了测量最终产品的WHC，把20g的干燥的聚合物复合物使用纯化的去离子水饱和。在漏斗中使用25cm Whatman滤纸(定量第6号)过滤聚合物。首先称重湿滤纸，并且在15分钟之后，一旦水已经停止滴落，那么再次地称重聚合物和滤纸并且减去湿滤纸的重量。然后WHC可以如下计算：

湿滤纸＝0.3254g

湿滤纸+饱和的聚合物＝529.1736g

529.1736g-0.3254＝528.8482g饱和的聚合物质量

528.8482g-20g＝在20g聚合物中508.8482g水

20g聚合物可以保持-508.8482g

因此，1g的聚合物可以保持25.4g的水

3.基于肉的保水性聚合物复合物的可腐烂性

把2g的生肉和2g的聚合物复合物放置在两个单独的培养皿中。把15ml的最大回收稀释剂加入1g的土壤中并且摇动2分钟以提取多种土壤微生物。把5ml的该提取物加入每个培养皿中并且在25℃温育5小时。容纳生肉的培养皿排放不好的臭味，但是聚合物复合物不产生非期望的气味。

4.在生产过程期间的微生物根除

使用四种代表性的细菌：蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)(生孢子的，革兰氏阳性)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)(不生孢子的，革兰氏阳性)、以及鼠伤寒沙门氏菌(Sallmonella typhimurium)和大肠杆菌(Escherichia coli)(二者都是不生孢子的，革兰氏阴性)。把上文提到的每一种细菌接种入100g的有机废物(切碎的肉)中并且在100ml蒸馏水中使用磁力搅拌器充分地混合。在25g的NaOH和5g的KOH的加入之前(T₀)以及之后(T_KOH)以及在丙烯酸(在聚合剂加入之前)之后(T_aa)再次地取得样品。在每个取样点取得四个样品并且不理会大部分无关的样品。

使用选择性的营养琼脂(37℃)分析样品的单个细菌和总活菌数(TVC)。所使用的选择性琼脂是蜡状芽孢杆菌选择性琼脂、Vogal-Johnson、XLD和紫红胆汁(全部从Oxoid，英国购买)以分别地检测蜡状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌。结果在图1中示出。

向溶液中加入碱(温度相应地急剧增加)导致微生物种群显著减少(5-6log)。革兰氏阴性菌(大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌)在该阶段被根除。虽然蜡状芽孢杆菌种群也已经显著减少，但是其显示出在该阶段的持久性。在过程结束时，由于向溶液中加入丙烯酸，完全根除了所有微生物种群。

5.在生产过程期间的能量释放

为了测量从过程的能量释放，使用下文的式：

Q＝MCΔT

其中Q是以焦耳或卡路里计的被释放的热的量

M是正在被加热的材料的质量

C是以J/g℃或卡/g℃计的比热容

ΔT是以℃或°F计的温度的差

把100ml的水加入100g的切碎的肉中。在该阶段的温度是24℃。在30g KOH加入之后，温度上升至44℃。

因此，从第一阶段释放4600卡路里。

Q₁＝M₁CΔT Q₁＝230g*1卡/g℃*(44-24)＝4600卡路里

当温度下降至40℃时，加入30ml的丙烯酸。温度升高至56℃。因此，在该阶段释放4160卡路里：

Q₂＝M₂CΔT Q₂＝260g*1卡/g℃*(56-40)＝4160卡路里

当温度是53℃时加入0.5g的APS。因此温度上升至60℃。因此，在该阶段释放1820卡路里的能量：

Q₃＝M₃CΔT Q₃＝260g*1卡/g℃*(60-53)＝1820卡路里

Q_总＝4600+4160+1820＝10580卡路里或10.6千卡

因此释放了10.6千卡能量以生成260g的湿最终产品。

6.肉和聚丙烯酸酯之间进行交联的证据

图2示出了对于A)羟基化肉、B)生肉、C)与丙烯酸组合的羟基化肉(没有过硫酸铵加入)、D)聚丙烯酸钠(钾)和E)如上文制备的基于肉的保水性聚合物复合物(即与丙烯酸组合并且与过硫酸铵聚合的羟基化肉)的IR光谱(吸光度相对于波长)。

生肉中的在2916.7cm^-1和2850.8cm^-1的吸收(见(i)和(ii))相应于肽-NH基团。这些峰在羟基化之后消失。这是被预期的，因为-NH基团由于羟基化被-OH代替。

向羟基化肉中加入丙烯酸增加其保水容量，如被C至E示出的。虽然把样品保持在30℃一星期以保持它们干燥(在70℃的初始的过夜干燥步骤之后)，但是含有丙烯酸的样品已经在烘箱中吸收低水平的湿气并且保水性被相应于水-OH基团的在3267-3251cm^-1的峰(见(iii))显示出。

在生肉中，肽C＝O基团的吸收在1743.5cm^-1出现(见(iv))。然而，当该基团被羟基化时峰迁移至1561.1cm^-1(见(v))。当丙烯酸被加入羟基化肉中时吸收峰再次地迁移，至1558.0cm^-1(见(vi))。对于具有和不具有丙烯酸的羟基化的肉中，仅一个肽C＝O基团的峰被看到，其相似于在聚丙烯酸钠(钾)中看到的，其酯C＝O基团在1557.7cm^-1的吸收(见(vii))。在(v)至(vii)的吸收全部具有相似的0.7-0.8的强度。然而，一旦过硫酸铵作为聚合剂被加入，那么C＝O吸收和其强度分别显著减小至1552.8cm^-1和0.5(见viii))。这是肉颗粒和聚丙烯酸酯之间进行交联的有力的证据，因为对于C＝O基团的吸收和其强度是唯一的。如果仅在丙烯酸酯单体之间发生反应而肉颗粒没有化学参与，那么C＝O吸收和强度将已经相似于聚丙烯酸钠(钾)和具有丙烯酸的羟基化的肉。

Claims

1.一种把生物材料加工为保水性聚合物复合物的方法，所述方法包括以下步骤：

(b)加入聚合剂以形成保水性聚合物复合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物材料来源于动物。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述碱性溶液在50℃或更高的温度下被提供。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括干燥所得到的保水性聚合物复合物的步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括粉碎所得到的保水性聚合物复合物的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述粉碎使用低温研磨来实现。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述组合物还包含交联剂。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述组合物还包含另外的营养物。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述组合物还包含兽用驱虫剂。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在步骤(a)之前粉碎所述生物材料的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述粉碎步骤之前冻结所述生物材料的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述冻结使用低温冻结来实现。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述组合物还包含已粉碎的一次性尿布。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述尿布是被弄脏的。

15.一种保水性聚合物复合物，其从根据权利要求1至14中任一项所述的方法获得。

16.根据权利要求15所述的保水性聚合物复合物改进土壤的保水性和/或增加营养物含量的用途。

17.一种加工生物材料的方法，其基本上如本文描述的。

18.一种保水性聚合物复合物，其基本上如本文描述的。

19.保水性聚合物复合物的用途，其基本上如本文描述的。