EA028643B1 - Переработка биомассы - Google Patents

Переработка биомассы Download PDF

Info

Publication number
EA028643B1
EA028643B1 EA201391544A EA201391544A EA028643B1 EA 028643 B1 EA028643 B1 EA 028643B1 EA 201391544 A EA201391544 A EA 201391544A EA 201391544 A EA201391544 A EA 201391544A EA 028643 B1 EA028643 B1 EA 028643B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
biomass
stator
wet
rotor
jet
Prior art date
Application number
EA201391544A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201391544A1 (ru
Inventor
Маршалл Медофф
Сеул-а Бае
Рэнди Вальдес
Томас Крейг Мастерман
Томас Крейг МАСТЕРМАН
Original Assignee
Ксилеко, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ксилеко, Инк. filed Critical Ксилеко, Инк.
Publication of EA201391544A1 publication Critical patent/EA201391544A1/ru
Publication of EA028643B1 publication Critical patent/EA028643B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/02—Means for pre-treatment of biological substances by mechanical forces; Stirring; Trituration; Comminuting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
    • B01F23/59—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • B01F25/21—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams with submerged injectors, e.g. nozzles, for injecting high-pressure jets into a large volume or into mixing chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • B01F25/21—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams with submerged injectors, e.g. nozzles, for injecting high-pressure jets into a large volume or into mixing chambers
    • B01F25/211—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams with submerged injectors, e.g. nozzles, for injecting high-pressure jets into a large volume or into mixing chambers the injectors being surrounded by guiding tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • B01F25/27—Mixing by jetting components into a conduit for agitating its contents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/50—Circulation mixers, e.g. wherein at least part of the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle
    • B01F25/53—Circulation mixers, e.g. wherein at least part of the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle in which the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle through a recirculation tube, into which an additional component is introduced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/111—Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/111—Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow
    • B01F27/1111—Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow with a flat disc or with a disc-like element equipped with blades, e.g. Rushton turbine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/113—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller
    • B01F27/1132—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller with guiding tubes or tubular segments fixed to and surrounding the tips of the propeller blades, e.g. for supplementary mixing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/272—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces
    • B01F27/2721—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces provided with intermeshing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/81—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis the stirrers having central axial inflow and substantially radial outflow
    • B01F27/811—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis the stirrers having central axial inflow and substantially radial outflow with the inflow from one side only, e.g. stirrers placed on the bottom of the receptacle, or used as a bottom discharge pump
    • B01F27/8111—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis the stirrers having central axial inflow and substantially radial outflow with the inflow from one side only, e.g. stirrers placed on the bottom of the receptacle, or used as a bottom discharge pump the stirrers co-operating with stationary guiding elements, e.g. surrounding stators or intermeshing stators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
    • B01F35/21—Measuring
    • B01F35/2136—Viscosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/30—Driving arrangements; Transmissions; Couplings; Brakes
    • B01F35/32—Driving arrangements
    • B01F35/32005—Type of drive
    • B01F35/3204—Motor driven, i.e. by means of an electric or IC motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/75—Discharge mechanisms
    • B01F35/754—Discharge mechanisms characterised by the means for discharging the components from the mixer
    • B01F35/7544—Discharge mechanisms characterised by the means for discharging the components from the mixer using pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C18/00—Disintegrating by knives or other cutting or tearing members which chop material into fragments
    • B02C18/06—Disintegrating by knives or other cutting or tearing members which chop material into fragments with rotating knives
    • B02C18/062—Disintegrating by knives or other cutting or tearing members which chop material into fragments with rotating knives with rotor elements extending axially in close radial proximity of a concentrically arranged slotted or perforated ring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00—Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G32/00—Refining of hydrocarbon oils by electric or magnetic means, by irradiation, or by using microorganisms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/09—Means for pre-treatment of biological substances by enzymatic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/04—Polysaccharides, i.e. compounds containing more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/12—Disaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/026—Unsaturated compounds, i.e. alkenes, alkynes or allenes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/16—Butanols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/42—Hydroxy-carboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/44—Polycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/44—Polycarboxylic acids
    • C12P7/48—Tricarboxylic acids, e.g. citric acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/52—Propionic acid; Butyric acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/54—Acetic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/56—Lactic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62—Carboxylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
    • C12P7/6436—Fatty acid esters
    • C12P7/649—Biodiesel, i.e. fatty acid alkyl esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/06—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of starch or raw materials containing starch
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K13/00—Sugars not otherwise provided for in this class
    • C13K13/002—Xylose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2301/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2301/02—Cellulose; Modified cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2397/00—Characterised by the use of lignin-containing materials
    • C08J2397/02—Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/10—Feedstock materials
    • C10G2300/1011—Biomass
    • C10G2300/1014—Biomass of vegetal origin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2203/00—Fermentation products obtained from optionally pretreated or hydrolyzed cellulosic or lignocellulosic material as the carbon source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry
    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Crushing And Grinding (AREA)

Abstract

Сырье из биомассы (например, растительной биомассы, животной биомассы и биомассы городских сточных вод) перерабатывают для получения полезных продуктов, таких как топлива. Например, описаны системы, которые могут превращать исходное сырье в сахарный раствор, который потом может быть ферментирован для производства продукта, такого как биотопливо.

Description

(57) Сырье из биомассы (например, растительной биомассы, животной биомассы и биомассы городских сточных вод) перерабатывают для получения полезных продуктов, таких как топлива. Например, описаны системы, которые могут превращать исходное сырье в сахарный раствор, который потом может быть ферментирован для производства продукта, такого как биотопливо.
028643 ΒΙ
Родственные заявки
В данной заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США № 61495217, которая подана 9 июня 2011 г. Полное раскрытие этой предварительной заявки включено в настоящий документ в качестве ссылки.
Предпосылки
Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы получают, перерабатывают и используют в больших количествах, что описано в ряде заявок на изобретения. Часто такие материалы используются однократно, а затем выбрасывают в виде мусора или просто считают отработанными материалами, например сточные воды, жмых, древесные опилки и солома.
Краткое изложение
Описанные в настоящем документе процессы осахаривания или сжижения материала биомассы, например целлюлозного, лигноцеллюлозного и/или крахмального сырья, путем преобразования материала биомассы в низкомолекулярные сахара, например осахариванием сырья с использованием фермента, например одной или более целлюлазы и/или амилазы. Изобретение также относится к превращению исходного материала в продукт, например, биопроцессом, таким как ферментация. Процессы включают влажный размол сырья. Изобретатели обнаружили, что влажный размол сырья приводит к уменьшению времени, необходимого для осахаривания, и увеличению концентрации сахара, которые могут быть получены во время указанного осахаривания. Влажный размол отдельно или работая синергетически с любой обработкой, описанной в настоящей заявке, может уменьшать устойчивость к разложению материала из биомассы.
В процессах, описанных в настоящей заявке, можно использовать материалы с низкой объемной плотностью, например целлюлозное или лигноцеллюлозное исходное сырье, которое предварительно обработано физическими методами для достижения объемной плотности менее чем примерно 0,75 г/см3, например менее чем примерно 0,7; 0,65; 0,50;0,35; 0,25; 0,20; 0,15; 0,10; 0,05 или менее, например менее чем 0,025 г/см3.
Такие материалы может быть трудно диспергировать в жидкостях, например в воде или системе растворителей, с целью осахаривания, ферментации или других процессов. Вследствие их низкой объемной плотности материалы склонны всплывать на поверхность вместо того, чтобы подвергаться смачиванию или диспергироваться в жидкости. В некоторых случаях такие материалы могут быть гидрофобными, высококристаллическими или проявлять другие свойства, которые затрудняют их смачивание. В то же время желательно перерабатывать указанное сырье с получением дисперсии со сравнительно высоким содержанием твердых веществ, чтобы получить после переработки высокую конечную концентрацию сахара в осахаренном материале или высокую концентрацию требуемого продукта (например, этанола или другого спирта (спиртов) после ферментации). В некоторых случаях при применении способов, описанных в настоящей заявке, содержание твердых веществ в дисперсии при переработке может составлять, например, по меньшей мере 10;15; 20; 22,5; 25; 27,5; 30; 35; 40; 45 или даже по меньшей мере 50 мас.% растворенных твердых веществ. Например, содержание твердых веществ может составлять от примерно 10 до 50%, например примерно от 10 до 40%, от 10 до 30% или от 10 до 20%.
В одном из аспектов настоящее изобретение представляет обработку частиц лигноцеллюлозного материала размером меньше чем 3000 мкм, например меньше чем 2000 мкм, меньше чем 1000 мкм или по крайней мере меньше чем 500 мкм, например меньше чем 250 мкм или меньше чем 100 мкм. Размер частиц может быть выбран между 100-3000 мкм, например 200-2000 мкм, 200-1000 мкм, 500-1000 мкм.
В одном из аспектов настоящее изобретение описывает снижение устойчивости к разложению лигноцеллюлозного материала и влажный размол лигноцеллюлозного материала. В некоторых случаях устойчивость к разложению снижается при влажном размоле. Материал может быть уплотнен до снижения устойчивости или после снижения устойчивости к разложению и до влажного размола материала.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему влажный размол лигноцеллюлозного материала, например лигноцеллюлозного материала, имеющего пониженную устойчивость к разложению.
В любом из аспектов настоящее изобретение может включать в некоторых вариантах реализации любой из следующих признаков.
Материал из биомассы, устойчивый к разложению, например лигноцеллюлозный материал, может быть обработан, например, облучением лигноцеллюлозного материала, например, путем воздействия на материал электронным пучком. В некоторых случаях облучение включает в себя доставку дозы по меньшей мере 5 Мрад к лигноцеллюлозному материалу, например по меньшей мере 10, 20, 30, 50, 100, 150 или даже 200 Мрад. Например, дозы могут быть в диапазоне 5-200 Мрад, например 5-100 Мрад, 5-50 Мрад, 5-10 Мрад, 10-100 Мрад или 10-50 Мрад.
Лигноцеллюлозный материал может быть, например, материалом, выбранным из группы, состоящей из древесины, ДСП, опилок, сельскохозяйственных отходов, сточных вод, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, хлопка, джута, пеньки, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, пшеничной соломы, початков кукурузы, стеблей кукурузы, проса, люцерна, сена, кокосовых волос, морских водорослей и их смесей.
Биомасса может быть также комбинацией крахмала, лигноцеллюлозных и/или целлюлозных мате- 1 028643 риалов. Например, биомасса может быть всем растением или частью (частями) растения, например растения пшеницы, хлопчатника, кукурузы, риса или дерева.
В некоторых вариантах реализации влажный размол осуществляют с использованием головки ротора/статора. Ротор и статор могут включать вложение колец зубьев. В некоторых случаях статор содержит два или более концентрических кольца зубьев, а ротор содержит кольцо зубьев, выполненное с возможностью установки между соседними кольцами зубьев статора. Зазор между ротором и статором обычно мал, чтобы создавать высокий сдвиг, и может быть, например, от около 0,01 до 0,25 дюйма (от 0,25 до 6,4 мм). Промежутки между зубьями в каждом кольце зубьев также обычно небольшие, например приблизительно от 0,1 до 0,3 дюйма (от 2,5 до 7,6 мм).
Влажный размол может быть выполнен с использованием множества головок ротора/статора, например, когда процесс выполняется в большом резервуаре или сосуде.
Влажный размол обычно проводят при относительно высокой скорости сдвига. Скорость сдвига может быть, например, по крайней мере 20000 с-1 (например, по крайней мере 25000 с-1, по крайней мере 30000 с-1, по крайней мере 40000 с-1 или по крайней мере 50000 с-1). Скорость сдвига может быть, например, от примерно 30000 до примерно 50000 с-1 (например, от примерно 25000 до примерно 50000 с-1, от примерно 30000 до примерно 50000 с-1, от около 35000 до 50000 с-1, от 40000 до 50000 с-1, от 20000 до 45000 с-1, от 20000 до 40000 с-1, от около 20000 до 30000 с-1, от 30000 до 40000 с-1).
В некоторых вариантах реализации влажный размол осуществляют поточно. При влажном размоле может использоваться струйный смеситель. Струйный смеситель также может использоваться в процессе последующей обработки, например, во время ферментации. Способ может дополнительно включать добавление фермента в материал из биомассы, например из лигноцеллюлозного материала, до, во время или после влажного размола и/или добавления микроорганизма к материалу из биомассы или сахару, полученному из материалы из биомассы. В некоторых случаях микроорганизм добавляется после завершения влажного размола, например, чтобы избежать повреждения микроорганизма при влажном размоле. В некоторых вариантах реализации микроорганизм преобразует исходное сырье из биомассы или сахар в продукт, выбранный из группы, состоящей из спиртов, органических кислот, сахара, углеводороды и их смеси.
Способы, описанные здесь, обычно обеспечивают относительно быструю и эффективную обработку сырья с высоким содержанием твердых веществ. Путем повышения начального содержания твердых веществ сырья в смеси процесс может протекать более быстро, более эффективно и с минимальными затратами и высокой полученной концентрацией в конечном продукте. В некоторых случаях твердые вещества могут быть удалены в процессе осахаривания, например, с помощью центрифуги, после чего может быть добавлено сырье. Удаленные твердые вещества могут быть использованы в качестве продукта, например в качестве горючего топлива для комбинированного производства электроэнергии и/или в качестве корма для животных.
Способы осахаривания, описанные в настоящем изобретении, позволяют материал из биомассы, например целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, преобразовать в удобную и концентрированную форму, которую можно легко транспортировать и использовать в других производственных установках, например установках, сконфигурированных для ферментации сахарных растворов в спирты, для производства продукта, например топлива, такого как этанол, бутанол или углеводород. Такие концентраты могут использовать меньшее количество воды, что может привести к существенной экономии стоимости производства и транспортировки.
Некоторые способы, описанные в настоящем изобретении, включают осахаривание сырья и транспортировку сырья из удаленного местоположения, например, когда исходное сырье производится или хранится на производственном объекте. В некоторых случаях осахаривание может происходить частично или полностью во время транспортировки.
В некоторых случаях системы, описанные в настоящей заявке, или их компоненты могут быть передвижными, так что систему можно перевозить (например, железнодорожным, грузовым или морским транспортом) из одного места в другое. Такая мобильная переработка описана в патенте США № 12374549, 21 января 2009 г. и международной заявке № АО 2008/011598, полное содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Типичные продукты, которые можно получить, применяя способы, описанные в настоящей заявке, включают углеводороды, белки, спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты), такие как этанол, н-пропанол или н-бутанол, карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота или масляная кислота, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны, альдегиды, α, β-ненасыщенные кислоты, такие как акриловая кислота, олефины, такие как этилен, и смеси любых из указанных соединений. Некоторые примеры включают этанол, пропанол, пропиленгликоль, бутанол, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, метиловые или этиловые сложные эфиры любого из перечисленных спиртов, метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, соль любой из указанных кислот и смесь любых из указанных кислот и соответствующие соли. Эти и другие продукты рассмотрены в предвари- 2 028643 тельной заявке на патент США δΝ 12417900, поданной 3 апреля 2009 г., полное описание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к системе влажного размола, содержащей влажную мельницу, с жидкостью, в которой диспергирован материал из биомассы. Система может, например, быть использована для обработки лигноцеллюлозного материала, который может быть облучен (например, электронным пучком). Система может включать в струйный смеситель, расположенный в жидкости. Системы влажного размола могут включать в себя головки ротора/статора, например ротор и статор с вложениями колец с зубьями. Кроме того, статор может иметь два или более концентрических зубчатых колец. Другие аспекты изобретения включают в себя резервуар с одной или несколькими струйными головками и одной или более влажной мельницей, расположенной в баке.
Объемную плотность определяют с применением стандарта ΑδΤΜ Ό1895Β. В общем, такой способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема пробой и измерение массы пробы. Объемную плотность рассчитывают путем деления массы пробы в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.
Все публикации, заявки на патент, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящей заявке или приложенные к ней, включены в полном объеме посредством ссылки, независимо от того, что они содержат.
Описание чертежей
Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей ферментативный гидролиз целлюлозы с получением глюкозы.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую превращение исходного материала в сахара и другие продукты.
Фиг. 2А представляет собой схематическую иллюстрацию системы осахаривания в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фиг. 2В представляет собой схематическую иллюстрацию системы осахаривания в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение системы производства этанола, которая была модифицирована, чтобы использовать растворы и суспензии, описанные в настоящем изобретении.
Фиг. 4 представляет собой вид сверху собранного ротора и статора головки влажного размола в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фиг. 4А изображает увеличенный вид части фиг. 4, показывает зазор между ротором и статором.
Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе ротора и статора вместе.
Фиг. 6 представляет собой вид ротора и статора в перспективе.
Фиг. 7 представляет собой вид снизу в плане ротора, выполненного по линии 7-7 вида по фиг. 6.
Фиг. 8 представляет собой вид сверху статора, выполненного по линии 8-8 вида по фиг. 6.
Фиг. 9 изображает увеличенный вид области ротора, показанной на фиг. 7.
Фиг. 10 представляет собой увеличенный вид области статора показанной на фиг. 8.
Фиг. 11 изображает вид сверху собранного ротора и статора головки влажного размола в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Фиг. 11А представляет собой увеличенный вид части фиг. 11 и показывает один зазор между ротором и статором.
Фиг. 12 представляет собой вид в перспективе ротора и статора вместе.
Фиг. 13 представляет собой вид в перспективе ротора и статора.
Фиг. 14 представляет собой вид снизу ротора, выполненного по линии 14-14 видом на фиг. 13.
Фиг. 15 представляет собой вид сверху статора, выполненного по линии 15-15 видом на фиг. 13.
Фиг. 16 представляет собой увеличенный вид области ротора показанного на фиг. 14.
Фиг. 17 представляет собой увеличенный вид области статора показанного на фиг. 15.
Фиг. 18 и 18А являются схемами, иллюстрирующими струйный поток, выходящий из сопла струйного смесителя.
Фиг. 19 представляет собой схематический вид в перспективе струи потока мешалки согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 19А представляет увеличенный вид в перспективе лопастного колеса и реактивных трубок струйной мешалки согласно фиг. 19.
Фиг. 19В представляет собой увеличенный вид в перспективе альтернативного лопастного колеса.
Фиг. 20 представляет поперечное сечение блока влажного размола.
Подробное описание изобретения
Используя способы, описанные в настоящей заявке, биомассу (например, растительную биомассу, биомассу из животных, бумагу и биомассу из городских сточных вод) можно превратить в переработанное сырье для производства полезных промежуточных соединений и продуктов, таких как органические кислоты, соли органических кислот, ангидриды, сложные эфиры органических кислот и топлива, например топлива для двигателей внутреннего сгорания или для топливных ячеек, описанных в настоящей заявке. В настоящей заявке описаны системы и процессы, в которых в качестве сырьевых материалов
- 3 028643 можно использовать целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, доступные в изобилии, но с помощью которых часто трудно осуществить обработку указанных целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, например потоков городских сточных вод и потоков макулатуры, например потоков, включающих газетную бумагу, крафт-бумагу, гофрированную бумагу или их смеси.
В целом, возможно материалы обработать физическими методами для дальнейшей переработки и/или после нее часто путем измельчения. Многие способы, описанные в настоящей заявке, могут эффективно понизить уровень устойчивости исходного сырья к разложению, что облегчает его переработку, например, такую как биопереработка (например, с помощью любого микроорганизма, описанного в настоящей заявке, такого как гомоацетогенная или гетероацетогенная бактерия и/или любого фермента, описанного в настоящей заявке), термическая переработка (например, газификация или пиролиз) или химические методы (например, кислотный гидролиз или окисление). Сырье из биомассы можно обработать или переработать, применяя один или более из любых способов, описанных в настоящей заявке, таких как механическая обработка, химическая обработка, излучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Различные системы и способы обработки можно применять в комбинациях из двух, трех или даже четырех или более из указанных технологий или других способов, описанных в настоящем описании и в других описаниях. В некоторых случаях влажный размол может уменьшить устойчивость к разложению или действовать синергетически или действовать с другими способами обработки, описанными в настоящей заявке.
Способы, описанные в настоящей заявке, позволяют использовать материалы с низкой объемной плотностью, например целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, которое предварительно было обработано физическими методами для достижения объемной плотности менее чем примерно 0,75 г/см3, например менее чем примерно 0,7; 0,65; 0,60; 0,50; 0,35; 0,25; 0,20; 0,15; 0,10; 0,05 или менее, например менее чем 0,025 г/см3. Объемную плотность определяют с применением стандарта ΑδΤΜ Ό1895Β. Вкратце, такой способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема пробы и измерение массы пробы. Объемную плотность рассчитывают путем деления массы пробы в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах. При необходимости материалы с низкой объемной плотностью могут быть уплотнены, например, способом, описанным в предварительной заявке США δΝ 7971809, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Осахаривание.
Для превращения исходного сырья в форму, которую можно легко переработать, глюкан- или ксилансодержащую целлюлозу в исходном сырье гидролизуют с образованием низкомолекулярных углеводов, таких как сахара, с помощью осахаривающего агента, например фермента или кислоты, при этом указанный процесс называют осахариванием. Далее низкомолекулярные углеводы можно применять, например, на существующем промышленном предприятии, например на заводе по производству одноклеточного белка, заводе по производству ферментов или заводе по производству топлива, например предприятии по производству этанола.
Исходные материалы смешивают в осахаривающим агентом в жидкой среде, например растворителе, таком как водный раствор, и смесь поддают влажному размолу. Способы влажного размола материала в жидкой среде подробно обсуждаются ниже. В некоторых вариантах реализации во время и/или после влажного размола осахаривающий агент, материал и жидкая среда перемешиваются струйным смесителем. В некоторых случаях струйное перемешивание продолжается в течение всего процесса осахаривания.
В некоторых вариантах реализации материал и/или осахаривающий агент добавляют постепенно, а не весь за раз. Например, часть материала можно добавить в жидкую среду, диспергировать в ней и смешивать с осахаривающим агентом до тех пор, пока материал, по меньшей мере частично, не превратится в сахар, в этот момент в среде диспергируют вторую часть материала и добавляют к смеси. Указанный процесс можно продолжать до получения необходимой концентрации сахара.
Исходное сырье может быть гидролизовано с использованием фермента, такого как целлюлаза или амилаза или смесей этих ферментов. Например, материал из биомассы смешивают с ферментом в растворе, например в водном растворе.
Ферменты и разрушающие биомассу организмы, которые разлагают биомассу, такую как целлюлозная и/или лигниновая части биомассы, содержат или вырабатывают различные разлагающие клетчатку ферменты (целлулазы), лигниназы или различные разрушающие биомассу метаболиты с маленькими молекулами. Такие ферменты могут представлять собой совокупность ферментов, действующих синергически и разлагающих кристаллическую целлюлозу или лигниновые части биомассы. Примеры ферментов, разлагающих клетчатку, включают эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (βглюкозидазы). На фиг. 1 целлюлозный субстрат вначале гидролизуют с помощью эндоглюканаз в случайных положениях, получая олигомерные промежуточные соединения.
Указанные промежуточные соединения представляют собой субстраты для экзо-расщепляющих глюканаз, таких как целлобиогидролаза, используемых для получения целлобиозы из концевых групп целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водорастворимый 1,4-связанный димер глюкозы. В конечном счете целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы. Подходящие целлу- 4 028643 лазы будут рассмотрены в настоящей заявке в последующем разделе.
Время, необходимое для выполнения осахаривания будет зависеть от условий обработки и применяемых исходного сырья и фермента. Если осахаривание осуществляют в производственной установке при контролируемых условиях, целлюлозу можно, по существу, полностью превратить в глюкозу в течение примерно от 12 до 96 ч, например меньше чем 48 ч, меньше чем 36 ч, меньше чем 24 ч, меньше чем 18 ч, меньше чем 12 ч или меньше чем 8 ч. Если осахаривание частично или полностью осуществляют при перевозке, этот процесс может занять больше времени.
В некоторых случаях осахаривание осуществляют при рН от примерно 4 до 7, например от примерно 4,5 до 6 или от примерно 5 до 6.
В целом предпочтительно, чтобы конечная концентрация глюкозы в сахарном растворе была сравнительно высока, например больше чем 10% или больше чем 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или даже больше чем 95 мас.%. Такие высокие концентрации позволяют уменьшить объем при транспортировке и также подавляют рост микроорганизмов в растворе. После осахаривания объем воды можно уменьшить, например, за счет испарения или перегонки.
Сравнительно высокую концентрацию раствора можно получить путем ограничения количества среды, например воды, добавляемой к исходному сырью с ферментом. Концентрацию можно контролировать, например, регулируя интенсивность процесса осахаривания. Например, концентрацию можно увеличить при добавлении в раствор большего количества исходного сырья. В некоторых случаях твердые вещества удаляются в процессе осахаривания, например, с помощью центрифуги, что позволяет добавлять большее количество сырья. Растворимость исходного сырья в среде можно увеличить, например, путем повышения температуры раствора и/или добавления поверхностно-активного вещества, как будет описано ниже. Например, температуру раствора можно поддерживать в диапазоне от 40 до 50°С, от 50 до 60°С, от 60 до 80°С или даже выше.
Ферментация.
Микроорганизмы могут производить ряд полезных промежуточных продуктов и продуктов путем ферментации сахара с низкой молекулярной массой, полученного в результате осахаривания обработанного сырья. Например, ферментация или другие биологические процессы позволяют производить спирты (например, н-бутанол, изобутанол, этанол или эритрит), органические кислоты (например, уксусную, масляную, лимонную, молочную кислоту), углеводороды, водород, белки или смеси любых из этих материалов.
Дрожжи и бактерия 2утошоиа8, например, могут быть использованы для ферментации или превращения. Другие микроорганизмы описаны в настоящей заявке далее, в разделе Материалы. Оптимальный рН для ферментации составляет от примерно 4 до 7. Оптимальный рН для дрожжей составляет от примерно 4 до 5, при этом оптимальное рН для Ζ\τηοιηοη;·ΐ5 составляет от примерно 5 до 6. Обычное время ферментации составляет от примерно 24 до 168 (например, 24-96 ч) при температурах в диапазоне от 20 до 40°С (например, от 26 до 40°С), однако термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, когда используются анаэробные организмы, по крайней мере часть ферментации проводят при отсутствии кислорода, например в среде инертного газа, например Ν2, Аг, Не, СО2 или их смеси. Кроме того, смесь может постоянно продуваться инертным газом, протекающим через бак при частичной или полной ферментации. В некоторых случаях анаэробные условия могут быть достигнуты или поддерживаться получением диоксида углерода в процессе ферментации, что не требует дополнительного инертного газа.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения весь процесс ферментации или его часть можно прервать до того, как низкомолекулярный сахар полностью превратится в этанол. Промежуточные продукты ферментации содержат высокие концентрации сахара и углеводов. Сахара и углеводы могут быть отделены, как это будет описано далее. Такие промежуточные продукты ферментации можно применять при приготовлении пищи для потребления людьми или животными. В дополнении или в качестве альтернативы промежуточные продукты ферментации можно размолоть до размера мелкодисперсных частиц в лабораторной мельнице из нержавеющей стали с получением мукообразного вещества.
Ферментация включает способы и продукты, которые описаны в предварительной заявке США № 61579559, поданной 22 декабря 2011 г. и предварительной заявке США № 61579576, поданной 22 декабря 2011 г., раскрытие которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
Мобильные ферментаторы могут быть использованы, как описано в предварительной заявке США № 60832735, в настоящее время опубликованной международной заявке \УО 2008/011598. Аналогично, оборудование осахаривания может быть мобильным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация могут происходить частично или полностью во время транспортировки.
Топливные элементы.
Растворы сахара или суспензии, полученные способами, описанными в настоящей заявке, могут быть впоследствии использованы в качестве топливных элементов. Например, использование сахаров, полученных из целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов для топливных элементов, описаны в предварительной заявке США серийный номер 61579568, поданной 22 декабря 2011 г., полное раскрытие
- 5 028643 которой включено в настоящую заявку путем ссылки.
Термохимическое превращение.
Термохимическое превращение может быть выполнено на обработанном сырье с получением одного или более промежуточных продуктов и/или продуктов. Процесс термохимического превращения включает изменение молекулярных структур углеродсодержащего материала при повышенных температурах. Конкретные примеры включают газообразование, пиролиз, риформинг, частичное окисление и их смеси (в любом порядке).
Газообразованием превращают углеродсодержащие материалы в синтез-газ (синтетический газ), который может содержать метанол, монооксид углерода, диоксид углерода и водород. Многие микроорганизмы, такие как ацетогены или гомоацетогены, способны использовать синтетический газ из термохимического превращения биомассы для получения продукта, который содержит спирт, карбоновую кислоту, соль карбоновой кислоты, сложный эфир карбоновой кислоты или смесь любых этих веществ. Газообразование в биомассе (например, целлюлозных или лигноцеллюлозных материалах) можно выполнять различными способами. Например, газообразование можно выполнить, используя поэтапный паровой риформинг с использованием реактора с псевдоожиженным слоем, в котором углеродистый материал сначала пиролизуют в отсутствие кислорода, а затем пары пиролиза риформируют в синтез-газ с использованием пара, который предоставляет дополнительный водород и кислород. В таком способе технологическое тепло поступает от горящего угля. В другом способе используют реактор со шнековым буром, в который влагу и кислород вводят на этапе пиролиза, а технологическое тепло образуется при сгорании некоторой части газа, полученного на последнем этапе. В другом способе используют риформинг с газификацией в потоке, в котором как внешний пар, так и воздух вводят в одноэтапном газообразовательном реакторе. В частичном окислительном газообразовании чистый кислород используют без пара.
Системы для обработки исходного сырья.
На фиг. 2 процесс переработки исходного сырья в сахар и др. продукты, например этанол, может включать, например, возможно, предварительную обработку исходного сырья физическими методами, например измельчение исходного сырья (стадия 110), перед и/или после указанной обработки, обработку исходного сырья для уменьшения его устойчивости к разложению (стадия 112) и осахаривание исходного сырья для получения сахарного раствора (стадия 114). Осахаривание можно осуществить путем смешивания дисперсии исходного сырья в жидкой среде, например в воде, с ферментом (стадия 111), как будет подробно рассмотрено ниже. Во время или после осахаривания смесь (если осахаривание частично или полностью осуществляется по пути) или раствор может быть транспортирован к промышленному предприятию, например, в трубопроводе, вагоне, грузовике или барже (стадия 116). На предприятии раствор далее подвергают биообработке с получением требуемого продукта, например этанола (стадия 118), который затем дополнительно перерабатывают, например, путем перегонки (стадия 120). Перегонку предпочтительно выполняют в том же баке, что и осахаривание и ферментация, например, с помощью вакуумной перегонки. Отдельные стадии этого процесса будут подробно описаны ниже. При необходимости, стадии измерения содержания лигнина (стадия 122) и установки или регулировки технологических параметров (стадия 124) можно осуществить на различных этапах процесса, например, непосредственно перед технологической стадией (стадиями), применяемой для изменения структуры исходного сырья, как показано. Если указанные стадии включены, технологические параметры регулируют таким образом, чтобы компенсировать изменчивость содержания лигнина в исходном сырье, как описано в предварительной заявке на патент США № 12704519, поданной 11 февраля 2010 г., полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Стадию смешивания 111 и стадию осахаривания 114 можно провести с применением, например, систем, показанных на фиг. 2А и 2В. Такие системы содержат бак 136, который первоначально содержит жидкую среду, а позже содержит смесь 138 жидкой среды, исходного сырья и осахаривающего агента. Жидкую среду подают в бак через систему труб, оснащенную клапанами (не показано). Указанные системы также содержат загрузочный бункер 130, связанный с диспергирующим блоком 134. В варианте, показанном на фиг. 2В, загрузочный бункер 130 принимает исходное сырье, которое было обработано с целью уменьшения его размера и, при необходимости, уменьшения устойчивости к разложению (стадия 110 и 112 выше) в модуле предварительной обработки исходного сырья. В другом варианте загрузочный бак может быть загружен другими сухими ингредиентами, такими как дрожжи и питательные вещества, например, из блока питания 30. При необходимости, вибрационное устройство 36 можно соединить с бункером для облегчения подачи материала из загрузочного бункера. Предложенная система может также при необходимости включать диспергирующий блок 134, например, если исходное сырье вначале сложно увлажнить жидкостью. Жидкую среду захватывают из бака в диспергирующий блок 134 и возвращают в бак с помощью диспергирующего блока через выпускную трубу 137. Отверстие выпускной трубы 137 может находиться выше уровня жидкости, как показано, или в некоторых случаях может быть погружено в жидкость в баке. В некоторых случаях в зависимости от вида используемого блока размола и диспергирующего блока предложенная система может содержать насос 139, например поршневой насос прямого вытеснения, выполненный с возможностью циркулирования жидкой среды через дисперги- 6 028643 рующую систему, и/или вискозиметр 141 для контроля вязкости дисперсии и приведения в действие насоса, когда измеренная вязкость достигнет заранее установленного значения.
Согласно этому варианту реализации изобретения, показанному на фиг. 2А, исходное сырье подают к поверхности жидкой среды в баке, например, через устройство для подачи 32, содержащее загрузочный трубопровод 34 (например, шланг или трубку). Устройство для подачи 32 можно также соединить с вибрационным устройством 36, чтобы способствовать поступлению материала в устройство. Устройство для подачи 32 может представлять собой, например, нагнетатель, выполненный с возможностью нагнетания через шланг волокнистого и/или зернистого материала из источника в место, удаленное от источника, например изоляционный нагнетатель, такой как нагнетатель РОКСЕ 3, доступный в компании 1и1ее, Фредерик, Колорадо. В качестве альтернативы материал можно доставить к поверхности жидкости, применяя другие методы, такие как гравитационная подача или шнековый конвейер.
В некоторых вариантах реализации бак оборудован гибкой, проницаемой для воздуха крышкой или другим устройством, выполненным с возможностью удаления воздуха из бака при подаче исходного сырья, при предотвращении выдувания исходного сырья из бака и/или попадания в бак загрязняющих веществ.
Когда частицы, как правило, сферические, например, как в случае со смолотыми кукурузными початками, или в противном случае имеют морфологию, которая позволяет их легко загружать, исходное сырье может быть гравитационно загружено. Например, исходный материал может быть доставлен конвейером над баком.
Когда сырьевой материал подают через загрузочный трубопровод 34 на поверхность жидкости в баке, на указанный материал через выпускную трубу 137 диспергирующего блока 134 выливают жидкость. Вылитая жидкость увлажняет сырьевой материал, заставляя его погружаться в жидкость, где его можно диспергировать с помощью диспергирующего блока 134 (если он предусмотрен), при необходимости, в комбинации с перемешиванием с помощью струйного смесителя 144, описанного ниже.
Сырье было доставлено в бак и влажно измельчено, используя блок влажного размола 160, который обычно включает в себя высокий сдвиг головки ротора/статора. Примеры подходящих блоков подробно описаны ниже. Влажный блок измельчения может быть установлен в любом желаемом месте в баке. Это может быть боковой, как показано, или верхний и нижний монтаж. В некоторых вариантах реализации блок влажного размола может быть снаружи по отношению к резервуару и содержимое резервуара можно прокачивать через устройство влажного измельчения и вернуть в бак. В некоторых случаях блок влажного размола установлен рядом со струйным смесителем 144, описанным ниже. В некоторых случаях было выполнено множество головок влажного размола. Например, в большом баке множество головок влажного размола могут быть установлены на расстоянии друг от друга внутри бака. Влажный размол может быть выполнен поточно или как периодический процесс.
Влажный размол обычно проводят при высокой скорости сдвига, например от приблизительно 20000 до 60000 с-1 или от примерно 30000 до 50000 с-1.
Блок влажного размола может работать в любом необходимом промежутке времени. Блок влажного размола может работать в импульсном режиме (например, при пульсирующей мощности движения двигателя влажного размола), например, скорость сдвига можно изменять периодически или не периодически, или, как еще один пример блока влажного размола, можно часто выключать. Как правило, мокрое измельчение прекращается, когда либо эффективность осахаривания перестает быть улучшена путем влажного размола (это может быть определено экспериментальным путем для данного набора параметров процесса) или в случае, когда сдвиг, созданный в блоке влажного размола, вызывает температуру содержимого бака, превышающую заданное максимальное значение. Заданное максимальное значение может быть установлено, например, на основе температуры, при которой агент осахаривания будет денатурирован в течение короткого периода времени.
Сдвиг может вызвать средний размер частиц материала из биомассы, который следует уменьшить. Например, размер может быть уменьшен на примерно более 1 мм (например, более чем на 5 мм или более 10 мм) до менее чем 1 мм (например, менее 0,5 мм, менее 0,1 мм или даже меньше чем 0,01 мм).
В некоторых вариантах реализации блок влажного измельчения может использовать нагревание или частичное нагревание содержимого резервуара до желаемой температуры обработки. Например, в одном варианте осуществления содержимое резервуара нагревают другим способом до приблизительно 40°С и затем блок влажного размола работает в течение времени, достаточного для повышения температуры до примерно 50°С, температуры, которая является выгодной для осахаривания. В некоторых случаях влажный размол осуществляют в течение менее 8 ч, например от 1 до 4 ч или от 1 до 2 ч. Влажный размол может быть выполнен за время менее чем, например, 30 мин или меньше. Как только достигают заданной температуры влажного размола, устройство выключают, чтобы предотвратить дальнейшее увеличение температуры. В некоторых случаях содержимое емкости может быть охлаждено во время или после влажного размола для предотвращения перегрева. Для предотвращения денатурации ферментов, используемых при осахаривании, как правило, предпочтительно, чтобы содержимое бака поддерживалось на уровне или ниже 50°С или, по крайней мере, изменение температуры выше 50°С должно быть достаточно короткой продолжительности, чтобы не произошла денатурация ферментов.
- 7 028643
До, во время или после влажного размола осахаривающий агент подают в бак из загрузочного бункера 140, который содержит дозирующее устройство 142. Во время осахаривания содержимое бака перемешивается, например, в одном или более струйных смесителях. В некоторых случаях струйные смесители работают при влажном размоле. Струйный смеситель 144 схематически изображен на фиг. 2А и 2В; примеры подходящих струйных смесителей будут подробно рассмотрены ниже и также описаны в предварительной заявке на патент США № 12782694, поданной 18 мая 2010 г., 13293985, поданной 10 ноября 2011 г., и 13293977, поданнной 10 ноября 2011 г., полное содержание которых тем самым включено в настоящую заявку посредством ссылки. Струйный смеситель создает струю с помощью двигателя 146, который приводит в действие насос и/или ротор (не показано). Крутящий момент, вызванный двигателем 146, коррелирует с содержанием твердых веществ в смеси, содержащейся в баке, который в свою очередь отражает степень, до которой произошло осахаривание смеси. Крутящий момент измеряют с помощью устройства для контроля крутящего момента 148, который посылает сигнал двигателю 150, приводящему в действие конвейер 130, и также к дозирующему устройству 142 загрузочного бункера 140. Таким образом, подачу обработанного исходного сырья и фермента можно прерывать и возобновлять как функцию осахаривания содержимого бака. Данные, измеренные с помощью устройства для контроля крутящего момента, можно также применять для регулирования параметров струйного смесителя, например установления более низких оборотов в минуту в случае смесителя, в котором используют ротор, или установления более низкой скорости струи в случае смесителя, работающего от насоса. Вместо устройства для контроля крутящего момента или наряду с ним система может включать амперное контрольно-измерительное устройство (не показано), которое измеряет силу тока в амперах при полной нагрузке двигателя. В некоторых случаях струйный смеситель может включать частотно- регулируемый электропривод (УРО), который позволяет регулировать скорость двигателя.
Система может также содержать тепловизионное контрольно-измерительное устройство (не показано), которое контролирует температуру жидкой среды и регулирует скорость подачи исходного сырья и/или условия смешивания в ответ на повышение температуры. Такой контур температурной обратной связи можно применять для предотвращения повышения температуры жидкой среды до уровня, при котором произойдет денатурирование фермента. Тепловизионное контрольно-измерительное устройство может быть также использовано для определения момента, когда нужно останавливать влажное измельчение во избежание перегрева содержимого бака.
При применении в системах, описанных в настоящей заявке, одного или более насосов в целом предпочтительно применять поршневые насосы прямого вытеснения (ПВ), например винтовые насосы кавитационного типа или шнековые насосы ПВ.
В некоторых случаях на промышленном производстве может быть, например, производство на основе зерна или сахара на основе этанола или то, которое был модифицировано путем удаления или вывода из эксплуатации оборудования вверх по течению системы биообработки (которая в типичном производстве этанола обычно включает в себя приемное оборудование, молотковое измельчение, смеситель суспензии, оборудование подготовки и оборудование сжижения). Таким образом, исходный материал, полученный в производстве, вводят непосредственно в ферментационное оборудование. Модернизированное производство схематически показано на фиг. 3. Применение существующих производств на основе зерна или сахара на основе этанола таким способом, описанным в заявке США № 12/704521, поданной 11 февраля 2010, полное раскрытие которой включено в настоящее изобретение путем ссылки.
В некоторых вариантах осуществления вместо транспортировки сырья патоки (раствора сахара) в отдельный завод или даже отдельную емкость сахарный раствор вводят и ферментируют в том же резервуаре или другом сосуде, используемом для осахаривания.
Ферментация может быть завершена в том же сосуде или может быть запущена таким образом и затем завершена во время транспортировки, как обсуждалось выше. Осахаривание и ферментация в одном резервуаре описаны в патентной заявке США серийный № 12949044, поданной 18 ноября 2011 г., полное раскрытие которой включено в настоящую заявку путем ссылки.
Как правило, в ферментационном резервуаре должен осуществляться контроль содержания кислорода, например контроль уровня кислорода и удаление воздуха из бака, аэрации (например, путем перемешивания или барботированием кислорода или смесей газов, содержащих кислород) или деаэрации (например, путем перемешивания или барботирования инертных газов, таких как азот, диоксид углерода, гелий и/или аргон) смеси по мере необходимости. В некоторых случаях, например, когда анаэробные условия являются желательными, как обсуждалось ранее, скорость перемешивания является критической. Например, время от времени в ходе процесса перемешивание не может быть желательным, так как газы, полученные в процессе ферментации (например, СО2, Н2 и/или метан), могут более эффективно вытеснять кислород из ферментационного резервуара. Также желательно контролировать уровень этанола в резервуаре, так что, когда начинают образовываться капли этанола, процесс ферментации может быть остановлен, например, путем нагревания или добавлением бисульфита натрия. Другие методы остановки ферментации включают добавление перекиси (например, пероксидной уксусной кислоты или перекиси водорода), добавление янтарной кислоты или ее соли, охлаждение содержимого резервуара или снижение скорости барботированием кислорода. Может быть использована комбинации любых двух или
- 8 028643 более из этих способов. Если ферментация будет проводиться или будет завершена во время перевозки, транспортировка судна (например, бак вагона или автоцистерны) может быть оснащена блоком управления, который включает в себя контроль кислорода и этанола, и системой доставки для доставки бисульфита натрия (или другой добавки для прекращения ферментации) в бак и/или системы для настройки параметров в баке для прекращения ферментации.
При желании струйное смешивание может быть использовано в процессе ферментации, а если ферментацию проводили в том же резервуаре, то струйное смешивание может быть использовано и для осахаривания. Однако в некоторых вариантах струйное перемешивание не является необходимым. Например, если ферментацию проводили при транспортировке движением вагона или автоцистерны может быть обеспечено достаточное перемешивание.
Диспергирование, влажный размол и смешивание.
Система, описанная в настоящем документе, включает один и более баков, одну и более мешалок, например одну или более струйную мешалку, одну или более влажную мельницу. В некоторых случаях все мешалки и мельницы были без резервуаров.
Диспергирование.
Дополнительный диспергирующий блок 134 может содержать любой вид диспергирующего оборудования, которое увлажняет исходное сырье с помощью жидкой среды. Многие диспергирующие блоки содержат камеру и ротор, установленный в камере таким образом, чтобы исходное сырье и жидкая среда всасывались по направлению к ротору в осевом направлении и вынуждено перемещались наружу в радиальном направлении к периферии ротора и, тем самым, через выпускное отверстие блока, на подобие центробежного насоса. В зависимости от конструкции диспергирующего блока, может быть необходим резервный насос (насос 139, рассмотренный выше) для засасывания текучей среды через диспергирующий блок при высоких вязкостях. Некоторые диспергирующие блоки сконструированы таким образом, чтобы создавать очень высокое статическое давление текучей среды внутри блока; при применении таких блоков, резервный насос, в целом, не требуется.
Примеры подходящих диспергирующих блоков раскрыты в патенте США серийный № 12949004, поданном 18 ноября 2010 г., полное описание которого включено в настоящую заявку путем ссылки.
Влажный размол.
Два примера головок влажного размола для использования в устройстве влажного размола 160, показаны на фиг. 4-10 и 11-17. Каждая головка включает ротор и статор и установлена на валу (не показан), как это хорошо известно в роторе/статоре смесителей данной области. В обоих случаях, когда ротор и статор собраны, зазоры между зубьями ротора не выровнены с зазорами между зубцами статора. Это создает зазор сдвига, через который жидкость течет под высоким усилием сдвига при вращении ротора.
Устройство влажного размола является коммерчески доступными, например, от Онабго Епдшссгшд (Аа1сг1оо Ойапо), ΙΚΑ Аогкз 1пс., (Αίΐιηίηβίοη. Эс1а\уагс). Абш1х 1пс. (МапексПсг. ΝΗ) апб δίΙνβΓδοη, (ОаПшойк МаккасЬиксйк).
В реализации, показанной на фиг. 4-10, статор содержит два концентрических кольца зубьев (см. фиг. 6). В данном наборе условий, эта конфигурация статора обычно дает более высокий сдвиг, чем одна конфигурация статорного кольца, показанного на фиг. 11-17. С другой стороны, ротор головки, показанной на фиг. 11-17 содержит лопастное колесо, как часть, которая будет показано ниже, которое обеспечивает насосное действие, что может быть желательным в некоторых случаях.
Ссылаясь на фиг. 4-10, глава 162 включает в себя ротор 164 и статор 166. Ротор и статор включает центральную ступицу 158 и 159 соответственно, которые определяют размеры отверстия вала (не показан). Вал соединен с электродвигателем для вращения ротора внутри статора, при этом отверстие в роторе соединено с валом и валом свободно вращается в отверстии статора, что хорошо известно в данной области.
Плечи 161 и 163, соответственно, проходят от центров для оказания поддержки зубчатых колец ротора и статора. Как показано на фиг. 6 и 8, статор 166 включает в себя два кольца зубьев - внешнее кольцо зубьев 170 и внутреннее кольцо зубьев 171. Ротор 164 включает в себя одно кольцо зубьев 169 с возможностью установки между кольцами статора при взаимном расположении. Верхняя поверхность 165 ротора 164 включает в себя три проекции 167, которые создают турбулентность вокруг головки.
Как показано на фиг. 4А, предусмотрен зазор между внешней поверхностью 168 зуба 169 ротора (диаметр ротора) и прилегающей внутренней поверхностью 172 внешнего кольца зубьев 170 статора. Зазор а предпочтительно мал для получения высокого сдвига и может быть, например, приблизительно от 0,01 до 0,250 дюйма (от 0,25 до 0,64 мм), например приблизительно от 0,03 до 0,10 дюйма (от 0,76 до 2,5 мм). Расстояние между внутренним и наружным кольцами статора равно этому зазору плюс радиальная толщина зубьев ротора, что обсуждается ниже.
Наружный диаметр ротора и статора (ОЭ1 и ОЭ2, фиг. 7 и 8), будет зависеть от объема бака, в котором используется головка измельчителя, и от того, как много головок измельчителя расположено в баке. Наружный диаметр статора, ОЭ2, может быть, например, примерно от 3 до 50, например приблизительно от 5 до 25 дюймов, при использовании больших головок в больших резервуарах. В качестве примера 4 статор может быть использован для бака вместимостью 300 галлонов.
- 9 028643
Как показано на фиг. 5, каждый зуб 170 на наружном кольце статора включает выемку 174 между верхней поверхностью 176 и внешней боковой стенкой 178.
Окружное расстояние между соседними зубьями, как правило, одинаково для ротора (81, на фиг. 9) и обоих колец статора (82 и 83, на фиг. 10). Подобно зазору α, это расстояние будет также влиять на количество сдвигов, созданных головкой во время вращения статора, большое расстояние будет приводить к снижению сдвига. В некоторых вариантах осуществления расстояние 81, 82 и 83 составляет приблизительно от 0,1 до 0,5 дюйма (от 2,5 до 12,5 мм).
Размер зуба может изменяться до некоторой степени на основании желаемого диаметра головки для прочности, причем большие головки в некоторых случаях имеют больше зубьев. Однако, как правило, размер зубьев и расстояние между зубьями будут оставаться относительно постоянными по мере увеличения диаметра головки, при этом количество зубьев возрастает с увеличением диаметра головки. Ссылаясь на фиг. 9 и 10, в некоторых вариантах реализации зуба размеры могут иметь, например, следующие значения:
Т1: 0.10,
Т2: 0.35,
Т3:0.10,
Т4: 0.30,
Т5:0.10,
Т6: 0.30, где Т1 является радиальной толщиной зубьев ротора, Т2 - окружная толщина зубьев ротора, Т3 радиальная толщина наружных зубьев статора, Т4 - окружная толщина наружных зубьев статора и Т5 и Т6 соответственно равен, радиальной и окружной толщине внутренних зубьев статора.
Как отмечалось выше, альтернативный вариант показан на фиг. 11-17, в котором статор имеет только один ряд зубьев. Этот вариант осуществления также отличается от показанного на фиг. 4-10 в других отношениях.
Во-первых, плечи 1161 ротора изогнуты в двух плоскостях, как показано на фиг. 11-13, в результате чего ротор в качестве рабочего колеса в дополнение к его сдвигу действия в ротор/статор расположение. Функциональность ротора повышается за счет наличия трех больших зубьев 1180 (см. фиг. 13 и 14) в ободе ротора, которые действуют в качестве расширения плечей ротора.
Во-вторых, прилегающие боковые стенки 1182 зубьев 1169 ротора расположены под углом К по отношению к радиусу кольца, как лучше всего видно на фиг. 14 и 16. Этот угол может составлять, например, приблизительно от 0 до 30°. Угол наклона зубьев позволяет перекачивать материала сквозь зазор.
Размеры ротора и статора в этом варианте осуществления, как правило, те же, что и в описанном выше варианте, показанном на фиг. 11-17.
Ротор или статор могут быть выполнены из различных материалов. Например, керамики (например, оксиды, карбиды или нитриды), нержавеющей стали или жаропрочных сплавов (например, На81е11оу, 1псопе1, \Уа5ра1оу. сплавов Кеи, сплавов Науиек, сплавов ТМ8 и монокристаллических сплавов СМ8Х).
Головка ротора/статора является в некоторых случаях взаимозаменяемой с головками струйных смесителелей, описанных ниже, в частности, как показано на фиг. 19-19В. Например, в случае преобразования ротора/статора струйного смесителя, кожух 208 (фиг. 19) и перемешивающий элемент 206 (фиг. 19А), удаляются и головка ротора/статора установлена на валу 204.
На фиг. 20 показано поперечное сечение системы влажного размола, что включает в себя бак (252), два двигателя (250) два вала (254), головку влажной мельницы (256) и головку струйного смесителя (258). Как показано, один из валов соединен с одним из двигателей на одном конце и головкой влажной мельницы, как описано выше. Кроме того, как показано, другой вал соединен с другим двигателем на одном конце и головку струйной мельницы на другом конце.
Струйное перемешивание.
Особенно выгодные смесители для использования во время осахаривания и ферментации известны как струйные смесители. В целом, подходящие смесители отличаются тем, что они создают высокоскоростной циркуляционный поток, например поток в тороидальной или эллиптической форме. В целом, предпочтительные смесители демонстрируют высокую скорость объемного потока. Предпочтительные смесители обеспечивают эффективное перемешивание при сравнительно низком потреблении энергии. Также, в целом, предпочтительно, когда смеситель характеризуется сравнительно низким сдвигом и не приводит к нагреванию жидкой среды, поскольку сдвиг и/или тепло могут пагубно влиять на осахаривающий агент (или микроорганизм, например, в случае ферментации). Как будет подробно рассмотрено ниже, некоторые предпочтительные смесители засасывают смесь через впускное отверстие в перемешивающий элемент, который может содержать ротор или лопастное колесо, а затем выталкивают смесь из перемешивающего элемента через выходное сопло. Такое циркулирующее воздействие и высокая скорость струи, выходящей из сопла, способствуют диспергированию материала, плавающего на поверхности жидкости или материала, осевшего на дно бака, в зависимости от ориентации перемешивающего
- 10 028643 элемента. Перемешивающие элементы можно установить в различных ориентациях для диспергирования как плавающего на поверхности, так и оседающего материала, и ориентацию перемешивающих элементов в некоторых случаях можно регулировать.
Например, в некоторых предпочтительных системах для смешивания скорость ν0 струи, которая вступает в контакт с внешней текучей средой, составляет от примерно 2 до 300 м/с, например примерно от 5 до 150 м/с или примерно от 10 до 100 м/с. Потребляемая мощность системы для перемешивания может составлять от примерно 20 до 1000 кВт, например от 30 до 570 кВт или от 50 до 500 кВт для 100000 л бака.
Струйное перемешивание включает нагнетание с высокой скоростью затопленной струи или нескольких затопленных струй жидкости в текучую среду, в данном случае, в смесь сырья из биомассы, жидкой среды и осахаривающего агента. Струя жидкости пронизывает текучую среду, при этом ее энергия рассеивается за счет турбулентности и небольшого предварительного нагрева. Указанная турбулентность связана с градиентами скорости (сдвигом текучей среды). Движение окружающей текучей среды ускоряется и она вовлекается в струйный поток, при этом указанный вторичный увлеченный поток расширяется по мере увеличения расстояния от струйного сопла. Кинетическая энергия вторичного потока, в целом, остается постоянной при расширении струи, если только поток не ударяется о стенку, пол или другое препятствие. Чем дольше продолжается движение потока перед его столкновением с каким-либо препятствием, тем больше жидкости вовлекается во вторичный поток, что увеличивает объемный поток в баке или сосуде. Когда вторичный поток натолкнется на препятствие, он потеряет кинетическую энергию, более или менее в зависимости от геометрии бака, например угла, под которым поток ударяется об препятствие. В целом, желательно ориентировать струи и/или проектировать бак таким образом, чтобы гидравлические потери при столкновении со стенками бака были минимальными. Например, может быть желательным, чтобы бак имел дугообразное дно (например, куполообразный днищевый лист), а струйные смесители были ориентированы сравнительно близко к боковым стенкам. Дно бака (нижний днищевый лист) может иметь любую требуемую куполообразную конфигурацию или может иметь эллиптическую или коническую геометрию.
Струйное перемешивание отличается от большинства видов перемешивания жидкость/жидкость и жидкость/твердое вещество тем, что движущая сила является гидравлической, а не механической. Вместо сдвига текучей среды и вынужденного ее движения по всему смесителю, как действует механическая мешалка, струйный смеситель заставляет текучую среду двигаться через одно или более сопел внутри бака, создавая высокоскоростные струи, которые увлекают другую текучую среду. Результатом является сдвиг (текучей среды относительно текучей среды) и циркуляция, которые позволяют эффективно перемешивать содержимое бака.
На фиг. 18 высокий градиент скорости между потоком центральной части из затопленной струи и окружающей текучей средой вызывают завихрения. На фиг. 18А показаны общие характеристики затопленной струи. Когда затопленная струя расширяется в окружающую внешнюю среду, профиль скоростей выравнивается по мере увеличения расстояния (х) от сопла. Кроме того, градиент скорости άν/άτ изменяется с г (расстоянием от осевой линии струи) при данном расстоянии х так, что образуются завихрения, которые создают зону смешивания (коническое расширение, проходящее от сопла).
При экспериментальном изучении затопленной струи в воздухе (результаты которого применимы к любой текучей среде, в том числе воде), А1Ьег1§оп с соавт. (ОйРизюп 8иЬтег§еб ЛеЕз, Рарег 2409, Атег. 8ое. о£ ϋίνίΐ Еп§1пеег§ Тгапзаебопз, Уо1. 115:639-697, 1950, а! р. 657) вывел безразмерные зависимости для ν^)^^ (скорость по оси), ν(τ)χ/ν(χ)Γ=0 (профиль скоростей при заданном х), Сх/Со (вовлечение потока) и Ех/Ео (изменение энергии с х) (1) скорость по оси, ν^)^^
= 0.79-33^х (2) профиль скоростей при любом х, ν(τ)χ/ν(χ)Ι=0 (3) поток и энергия при любом х
ν„ о
(10.21) — = 4.1 — Е„ х (10.22) где ν(τ = 0) = скорость по оси затопленной струи, м/с, ν0 = скорости струи на выходе из сопла, м/с, х = расстояние от сопла, м,
- 11 028643 г = расстояние от осевой линии струи, м,
Ό0 = диаметр сопла, м,
Ох = поток текучей среды через любую заданную плоскость на расстоянии х от сопла, м3/с,
О = поток текучей среды, выходящий из сопла, м3/с,
Е = поток энергии текучей среды через любую заданную плоскость на расстоянии х от сопла, м3/с,
Е0 = поток энергии текучей среды, выходящий из сопла, м3/с.
(\Уа1ег ТгеаПпеШ υηίΐ Ргосеккек: РНу8юа1 апб СНешюа1, Ωανί6 и. Непбпскк, СКС Рге§8 2 0 06, р.
411).
Струйное перемешивание особенно рентабельно при применении большого объема (свыше 1000 галлон) и низкой вязкости (до 1000 сП). Кроме того, в целом, предпочтительно в большинстве случаев насос или двигатель струйного смесителя не погружен под воду, например, при применении насоса, как правило, расположенного вне сосуда.
Одно преимущество струйного перемешивания состоит в том, что температура внешней текучей среды (кроме среды, непосредственно прилегающей к выходу из сопла, где может иметь место некоторое локализованное нагревание) возрастает только незначительно, если вообще возрастает. Например, температура может возрасти не более чем на 5°С, не более чем на 1°С или на не поддающуюся измерению величину.
Струйные смесители.
Один тип струйного смесителя показан на фиг. 19-19А. Этот тип смесителя является коммерчески доступным, например, от компании ΙΚΑ под торговым наименованием ΚΘΤΘΤΚΘΝ™. Обращаясь к фиг. 19, смеситель 200 содержит двигатель 202, который вращает приводной вал 204. Перемешивающий элемент 206 установлен в конце приводного вала 204. Как показано на фиг. 19А, перемешивающий элемент 206 включает кожух 208 и внутри кожуха лопастное колесо 210. Как указано стрелками, при вращении лопастного колеса в его переднем направлении, лопастное колесо 210 захватывает жидкость через открытый верхний конец 212 кожуха и заставляет жидкость перемещаться через открытый нижний конец 214. Жидкость, выходящая из конца 214, находится в виде высокоскоростного потока или струи. Если направление вращения лопастного колеса 210 изменяют на противоположное, жидкость можно засосать через нижний конец 214 и вытолкнуть через верхний конец 212. Такую процедуру можно применять, например, для захватывания твердых веществ, плавающих около или на поверхности жидкости в баке или сосуде. (Отметим, что верхний и нижний относятся к ориентации смесителя, изображенного на фиг. 19; смеситель можно ориентировать в баке таким образом, что верхний конец будет ниже нижнего конца).
Кожух 208 содержит расширенные участки 216 и 218, прилегающие к его концам. Как полагают, такие расширенные участки, в целом, способствуют образованию тороидального потока, который наблюдают при применении указанного типа смесителя. Геометрия кожуха и лопастное колесо также позволяют концентрировать поток с образованием высокоскоростного потока при сравнительно низкой потребляемой мощности.
Предпочтительно, когда зазор между кожухом 208 и лопастным колесом 210 достаточен, чтобы избежать чрезмерного дробления материала при прохождении его через кожух.
Например, зазор может по меньшей мере в 10 раз превышать средний размер частиц твердых веществ в смеси, предпочтительно, по меньшей мере в 100 раз.
В некоторых вариантах реализации, вал 204 выполнен таким образом, чтобы иметь возможность подавать газ через вал. Например, вал 204 может включать канал (не показано), через который подают газ, и одно или более отверстий, через которые газ поступает в смесь. Указанные отверстия могут располагаться внутри кожуха 208 для усиления перемешивания и/или в других местах по всей длине вала 204.
Лопастное колесо 210 может иметь любую необходимую геометрию, которая позволит засосать жидкость через кожух при высокой скорости. Лопастное колесо предпочтительно представляет собой морское лопастное колесо, показанное на фиг. 19А, но может иметь другую конструкцию, например представлять собой лопастное колесо Рустона, показанное на фиг. 19Б, или модифицированное лопастное колесо Рустона, например, наклоненное таким образом, чтобы обеспечить небольшой поток в осевом направлении.
Чтобы создать высокоскоростной поток через кожух, двигатель 202 предпочтительно представляет собой высокоскоростной двигатель с высоким крутящим моментом, например, способный работать при скоростях от 500 до 20000 об/мин, например от 3000 до 10000 об/мин. Однако чем больше смеситель (например, чем больше кожух и/или чем больше двигатель), тем ниже может быть скорость вращения. Соответственно, при применении большого смесителя, например, с мощностью 5 л.с, 10 л.с, 20 л.с. или 30 л.с. или больше двигатель можно выполнить таким образом, чтобы он работал при более низких скоростях вращения, например менее чем 2000 об/мин, менее чем 1500 об/мин или даже 500 об/мин или еще менее. Например, смеситель с размером, позволяющим перемешать содержимое 10000-20000-литрового бака, может работать при скоростях от 900 до 1200 об/мин. Крутящий момент двигателя предпочтительно является саморегулирующимся, что позволяет поддерживать сравнительно постоянную скорость лопастных колес при изменении условий перемешивания со временем, например, вследствие осахаривания
- 12 028643 твердых веществ.
Предпочтительно смеситель можно ориентировать под любым необходимым углом или устанавливать в любом положении в баке для направления струйного потока в требуемом направлении. Кроме того, как описано выше, в зависимости от направления вращения лопастного колеса смеситель можно применять для захвата текучей среды из одного или другого конца кожуха.
В некоторых вариантах реализации в сосуде устанавливают два или более струйных смесителей, при этом один или более смеситель, который выполнен с возможностью выброса струи текучей среды по направлению вверх (насос для нагнетания вверх) и один или более смеситель, который выполнен с возможностью выброса струи текучей среды по направлению вниз (насос для нагнетания вниз). В некоторых случаях смеситель с насосом для нагнетания вверх установят таким образом, чтобы он примыкал к смесителю с насосом для нагнетания вниз, для усиления турбулентного потока, создаваемого смесителями. При необходимости, во время переработки один или более смесителей можно переключать, нагнетая то восходящий, то нисходящий потоки. Может быть выгодным во время начального диспергирования исходного сырья в жидкой среде переключать все или большинство смесителей в режим нагнетания вверх, в частности, если исходное сырье выгружают или выдувают на поверхность жидкости, поскольку нагнетание вверх создает значительную турбулентность у поверхности. Нагнетание вверх также можно использовать в процессе ферментации, чтобы содействовать удалению СО2 из жидкости, вызывая барботирование этого газа к поверхности, откуда он может быть удален путем вентилирования.
Другие подходящие струйные смесители описаны в предварительных заявках США № 12782694, поданной 18 мая 2011 г., 13293985, поданной 10 ноября 2011 г., 13293977, поданной 10 ноября 2011 г., и 12782694, поданной 18 мая 2010 г., полное содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Материалы.
Материалы биомассы.
Биомасса может представлять собой, например, целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Такие материалы включают бумагу и бумажные изделия (например, бумага с полимерным покрытием и крафт-бумага), древесину, сопутствующие материалы древесины, например древесно-стружечные плиты, траву, рисовую шелуху, жмых, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, стержни кукурузных початков, кокосовые волокна; и материалы с высоким содержанием α-целлюлозы, например хлопок. Исходные материалы можно получить из обрезков необработанных текстильных материалов, например из остатков, отходов после использования продуктов и изделий, например тряпок. Если используются продукты из бумаги, то они могут быть необработанным материалом, например обрезками необработанных материалов, или они могут быть отходами после бытового использования.
Помимо неиспользованных сырьевых материалов в качестве источников волокна также можно использовать отходы после использования продуктов и изделий, промышленные отходы (например, потроха) и отходы переработки (например, сточные воды после переработки бумаги). Исходные материалы, полученные из биомассы, также можно получить или добыть из человеческих (например, сточные воды), животных или растительных отходов. Дополнительные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы описаны в патентах США №№ 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105.
В некоторых вариантах осуществления материал из биомассы включает углевод, который представляет собой или содержит материал, содержащий одну или несколько в-1,4-связей и обладающий среднечисловой молекулярной массой между приблизительно 3000 и 50000. Такой углевод представляет собой или содержит целлюлозу (I), которую получают из (β-глюкозы 1) конденсацией β(1,4)гликозидных связей. Эта связь отличается тем, что а(1,4)-гликозидные связи присутствуют в крахмале и других углеводах.
В некоторых вариантах осуществления материал из биомассы включает крахмалистые материалы, например кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, про- 13 028643 изводные крахмала или материал, который содержит крахмал, такой как съедобный пищевой продукт или сельскохозяйственная культура. Например, крахмалистым материалом может являться аракача, гречиха, бананы, ячмень, маниока, кудзу, ока, саго, сорго, обыкновенный домашний картофель, сладкий картофель, таро, батат или одно или несколько бобовых, такие как бобы, чечевица или горох. Смеси любых двух или более крахмалистых материалов также являются крахмалистыми материалами. В конкретных вариантах осуществления крахмалистый материал получен из кукурузы. Смеси крахмала, целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов также могут использоваться. Например, биомасса может быть растением, частью растения или различными частями растения, например пшеницы, хлопка, кукурузы, риса или дерева. Крахмалистые материалы могу быть обработаны любым из описанных здесь способов.
В других вариантах осуществления материалы из биомассы, такие как целлюлоза, крахмал и лигноцеллюлозные исходные материалы, могут быть получены из растений, которые были изменены по сравнению с различными дикорастущими типами. Такие модификации могут быть, например, посредством итеративного шага отбора и разведения для получения желаемых признаков в растении. Кроме того, растения могут иметь генетический материал, удаленный, измененный, подавленный и/или добавленный по отношению к дикорастущим различным типам. Например, генетически модифицированные растения могут быть получены методами рекомбинации ДНК, где генетическая модификация включает введение или модификацию специфических генов из родительских сортов, или, например, с использованием трансгенного разведения, в котором конкретный ген или гены вводят в растение из различных видов растений и/или бактерий. Другой способ создания генетической изменчивости через мутационную селекцию, в котором новые аллели являются искусственно созданными из эндогенных генов. Искусственные гены могут быть созданы различными способами, в том числе обработкой растений или семян, например, химическими мутагенами (например, с использованием алкилирующих агентов, эпоксидов, алкалоидов, пероксидов, формальдегида), облучением (например, рентгеновскими лучами, γ-лучами, нейтронами, β-частицами, α-частицами, протонами, дейтронами, УФ-излучением) и шокирующей температурой или другими внешними стрессами, и методами последующего отбора. Другие методы, обеспечивающие модифицирование генов через склонные к ошибкам ПЦР и ДНК перетасовки последующей вставки нужной модифицированной ДНК в нужное растение или семена. Способы введения нужной генетической вариации в семенной материал или растение включают, например, использование бактериального носителя, биолистики, осаждение фосфатом кальция, электропорацию, сращивание генов, глушение генов, липофекцию, микроинъекцию и вирусных носителей. Дополнительные генетически модифицированные материалы были описаны в заявке на патент США серийный номер 13/396369, поданной 14 февраля 2012 г., полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В некоторых случаях биомасса представляет собой микробный материал. Микробные источники включают, но не ограничиваются ими, любой природный или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен обеспечить источник углеводов (например, целлюлозы), например, протесты, например животные протесты (например, простейшие организмы, такие как флагеллаты, амебоидные организмы, инфузории и споровики) и растительные протисты (например, водоросли, такие как альвеолярные, хлорарахниофитовые, криптомонадовые, эвгленидовые, глаукофитовые, гаптофитовые, красные водоросли, страминопилы и У1Г1Йаер1ап£ае). Другие примеры включают морскую водоросль, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получить из природных источников, например океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или пресной водой или на суше. В качестве альтернативы или дополнительно микробную биомассу можно получить из культуральных систем, например промышленных сухих или влажных культуральных систем.
Агенты для осахаривания.
Подходящие ферменты включают целлобиазы и целлулазы, способные разлагать биомассу.
Подходящие целлобиазы включают целлобиазу из АзрегдШиз шдег, поступающую в продажу под торговым наименованием ΝΟνΟΖΥΜΕ 188™.
Целлулазы способны разлагать биомассу и могут быть грибкового или бактериального происхождения. Подходящие ферменты включают целлулазы из родов ВасШиз, Рзеийошопаз, Ниш1ео1а, Ризапиш, Тк1е1а\ла, Асгешошиш, Сйгузозропиш и Тпсйойегша и включают виды Ниш1со1а, Сорппиз, ТЫе1ау1а, Ризапиш, МусейорйШога, Асгешошиш, Серйа1озропиш, 8су£а110шш, РешсШшш или АзрегдШиз (см., например, ЕР 458162), в частности целлулазы, полученные с помощью штамма, выбранного из видов Ниш1со1а 1пзо1епз (реклассифицированного как 8су£аН0шш Шегшорййиш, см., например, патент США № 4435307),
Сорппиз етегеиз, Ризапиш охузрогит, МусеИорЫИога 1ИегторИНа, МепрНиз ρίραηίΰΐΐ3, ΤΗίβΙανία 1еггез1пз, Асгетотит зр., Асгетотит регзгстит, Асгетотит
- 14 028643 асгетотит, Асгетотит Ъгаскуретит, Асгетотит скскготохрогит, Асгетотит ούοΐαναίιιηι,
Асгетотит рткег1отае, Асгетотит гохеоупхеит, Асгетотит тсо1огаШт и Асгетотит /игаШт; предпочтительно, из видов Нитгсо1а ίηχοΐΰηχ ϋδΜ 1800, Бизаггит охухрогит ϋδΜ 2672, МусекорЫкога 1кегторкИа ΕΒδ 117.65, Серка1охрапит хр. ΚΥΜ-202, Асгетотит хр.
ΕΒδ 478.94, Асгетотит пр. СВ8 265.95, Асгетотит регАстит СВ8 169.65, Асгетотит асгетотит АНН 9519, Серка1охрогтт хр. СВ8 535.71, Асгетотит Ьгаекуретит СВ8 866.73, Асгетотит скскготохрогит СВ8 683.73, Асгетотит оЪскмаШт СВ8 311.74,
Асгетотит рткег1отае СВ8 157.70, Асгетотит гохеоупхеит СВ8 134.56, Асгетотит тсо1огаШт СВ8 146.62 и Асгетотит βιιτιίιιιη СВ8 299.7ОН.
Ферменты, разлагающие клетчатку, можно также получить из Сйгузозрогшт, предпочтительно штамма СЬгузозрогшш 1искпо^епзе. Кроме того, можно использовать Тпсйобегта (в частности, Тпсйобегта νίπάβ, Тпсйобегта геезе1 и Тпсйобегта кошпдп), алкалофильные бациллы (см., например, патент США № 3844890 и ЕР 458162) и 81гер1ошуеез (см., например, ЕР 458162).
Можно использовать комплексы ферментов, например комплексы, доступные в компании Сепепсоге под торговым наименованием АССЕЕЕЕКА8Е®, например Аесе11егазе® 1500. Ферментный комплекс Аесе11егазе® 1500 содержит несколько видов ферментной активности, главным образом, экзоглюканазу, эндоглюканазу (2200-2800 ед. СМС/г), гемицеллулазу и β-глюкозидазу (525-775 ед. ρΝΡΟ/г) и имеет рН от 4,6 до 5,0. Эндоглюканазную активность ферментного комплекса выражают в единицах активности карбоксиметилцеллюлозы (ед. СМС), тогда как β-глюкозидазную активность приводят в единицах активности ρNΡ-глюкозида (ед. ρNΡΟ). Согласно одному варианту реализации изобретения применяют смесь ферментного комплекса Ассе11егазе® 1500 и целлобиазы ΝΟνΟΖΥΜΕ™ 188.
В некоторых вариантах реализации осахаривающий агент содержит кислоту, например минеральную кислоту. При применении кислоты могут образоваться побочные продукты, которые токсичны для микроорганизмов, в этом случае описанный процесс может также включать удаление таких побочных продуктов. Удаление можно осуществить с применением активированного угля, например активированного древесного угля, или другими подходящими методами.
Агенты для ферментации.
Микроорганизм (микроорганизмы), применяемый при ферментации, может представлять собой природные микроорганизмы и/или генно-инженерные микроорганизмы. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например бактерию, разлагающую клетчатку, гриб, например дрожжи, растение или протист, например водоросль, простейшее или грибоподобный протист, например, миксомицет. Когда организмы совместимы, можно использовать их смеси.
Подходящие ферментирующие микроорганизмы проявляют способность к превращению углеводов, таких как глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода вассйгошусез зрр., например 8ассЬготусез се^еν^з^ае (пекарские дрожжи), 8ассЬаготусез б1з1айсиз, 8ассЬаготусез иνа^ит; рода Κ1иуνе^отусез, например вид Κ1иуνе^отусез тагаапиз, Κ1иуνе^отусез ГгадШз; рода Сапб1ба, например Сапб1ба рзеибойорюаНз и Сапб1ба Ъгаззюае, РюЫа зПрШз (родственник Сапб1ба зкейа!а), рода С1а\азрога, например вид СЫазрога 1изйашае и СЫазрога орипйае, рода Расйузо1еп, например вид Расйузо1еп 1аппоркбиз, рода Вге1аппотусез, например вид Вге1аппотусез с1аизепй (РЬШрр1б1з, С. Р., 1996, Се11и1озе Ъюсопνе^з^оп 1есйпо1о§у, в НапбЪоок оп Вюе1йапо1: Ргобисйоп апб ЕиП/аПоп, ^утап, С.Е., еб., Тау1ог & Егапшз, ^азйтдфп, ОС, 179-212). Другие применимые микроорганизмы, включая, например, Ζутотопаз тоЪШз, С1оз1пбшт Шегтосе11ит (РйШрр1б1з, 1996, зирга), С1оз1пбшт зассЬагоЪи1у1асе1ошсит, С1оз1пбшт зассйагоЪШуНсит, С1оз1пбшт Ришсеит, С1оз1пбшт Ъеуегпскн, С1оз1пбшт асе1оЪи1у11сит, Мопб1е11а роШшз, З'аггоша Нро1уйса, АигеоЪаз1бшт зр., Тпсйозрогопо1без зр., Тп§опорз1з νа^^аЪ^1^з, Тпсйозрогоп 8р., МопШе11аасе1оаЪи1апз, Турйи1а νа^^аЪ^1^з, Сапб1ба МадпоНае, из1бадтотусе1ез, Рзеибо7ута 1зикиЪаепз1з, дрожжевые виды рода ΖудозассЬа^отусез, ОеЪагуотусез, Напзепи1а и РюЫа, а также грибы бетайо1б рода Тоги1а.
Коммерчески доступные дрожжи включают, например, Кеб 81аг®/Еезайге ЕШапо1 Кеб (доступные в компании Кеб 81аг/Еезайге, США), ЕАЕ1® (доступные в компании Е1е1зсйтапп'з Υеазΐ, отделение компании Витз РйШр Еооб 1пс., США), 8ИРЕК8ТАКТ® (доступные в компании АШесЬ, теперь компания Ба1етапб), СЕКТ 8ТКАХО® (доступные в компании Сей 81гапб АВ, Швеция) и ЕЕКМОБ® (доступные в компании Ι)δ\·1 8рес1а1йез).
Добавки.
Антибиотики.
Хотя, в целом, предпочтительно иметь высокую концентрацию сахара в осахаренном растворе,
- 15 028643 можно использовать более низкие концентрации, в этом случае может быть желательным добавить противомикробную добавку, например антибиотик широкого спектра действия, при низкой концентрации, например от 50 до 150 ррт. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В, канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении, при этом их подходящие концентрации могут составлять, например, от 15 до 1000 ррт по массе, например в диапазоне от 25 до 500 ррт, 5 или в диапазоне от 50 до 150 ррт. При необходимости, можно добавить антибиотик, если даже концентрация сахара сравнительно высока.
Поверхностно-активные вещества.
Добавление поверхностно-активных веществ может увеличить скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ включают неионные поверхностно-активные вещества, такие как полиэтиленгликолевые поверхностно-активные вещества Т^ееп® 20 или Т^ееп® 80, ионные поверхностноактивные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества. Другие подходящие поверхностно-активные вещества включают октилфенолэтоксилаты, такие как неионные поверхностно-активные вещества серии ΤΚΙΤΟΝ™ X, коммерчески доступные в компании Ι)ο\ν СБет1са1. Поверхностноактивное вещество можно также добавить, чтобы удержать образующийся сахар в растворе, в частности в высококонцентрированных растворах.
Среда для осахаривания.
Согласно одному варианту реализации изобретения среда содержит компоненты со следующими концентрациями:
Основа азотного агара для дрожжей 1,7 г/л
Мочевина 2,27 г/л
Пептон 6,56 г/л
Поверхностно-активное вещество Тхуееп® 10 г/л
Физическая обработка исходных материалов.
Предварительная физическая обработка.
В некоторых случаях способы могут включать физическую подготовку, например измельчение материалов, например, путем резки, перемалывания, отрезания, растирания в порошок или рубки. Например, в других случаях материал сначала предварительно обрабатывают или перерабатывают, применяя один или более из любых способов, описанных в настоящей заявке, таких как облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв, а затем измельчают или дополнительно измельчают. Сначала обработка, а затем измельчение может быть предпочтительным. Можно применять сита и/или магниты для удаления из сырьевого потока слишком больших или нежелательных объектов, таких как, например, камни или гвозди.
Системы подготовки загружаемого материала можно выполнить таким образом, чтобы получить потоки с конкретными характеристиками, такими как, например, определенные максимальные размеры, определенные отношения длины к ширине или отношения удельных поверхностей. Физическая подготовка позволяет увеличить скорость реакций или уменьшить необходимое время переработки за счет раскрытия материалов и делая их более доступными для процессов и/или реагентов, таких как реагенты в растворе. Можно контролировать объемную плотность исходного сырья (например, в сторону увеличения). В некоторых случаях может быть желательным получение материала с низкой объемной плотностью, загущение материала (например, чтобы сделать его транспортировку в другое место более удобной и менее дорогостоящей) и затем возвращение материала в состояние с более низкой объемной плотностью. Материал может быть уплотнен, например, от менее чем 0,2 до более чем 0,9 г/см3 (например, менее 0,3 до более чем 0,5 г/см3, от менее 0,3 до более чем 0,9 г/см3, менее 0,5 до более чем 0,9 г/см3, менее 0,3 до более чем 0,8 г/см3, менее 0,2 до более чем 0,5 г/см3). Например, материал может быть уплотнен с помощью методов и оборудования, описанных в предварительной заявке США 7932065 и заявке УО 2008073186, полное содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки. Уплотненный материал может быть обработан с помощью любого из способов, описанных в настоящем изобретении, или любой материал, обработанный любым из способов, описанных в настоящем изобретении, может быть впоследствии уплотнен. В некоторых случаях материал может быть уплотнен с помощью влажного размола. Влажный размол может вновь восстановить уплотненный материал.
Измельчение.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал, подвергаемый переработке, на- 16 028643 ходится в виде волокнистого материала, содержащего волокна, полученные путем разрезания источника волокон. Например, разрезание можно осуществить с помощью режущего инструмента с дисковым ножом.
Например, источник волокон, например, не поддающийся обработке или с пониженным уровнем устойчивости к разложению, можно разрезать, например, в режущем инструменте с дисковым ножом, с получением первого волокнистого материала. Первый волокнистый материал проходит через первое сито, например, со средним размером отверстия, составляющим 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), с получением второго волокнистого материала. При необходимости, источник волокна можно разрезать на части перед измельчением, например, с помощью шредера. Например, при применении бумаги в качестве источника волокна бумагу можно сначала разрезать на полоски шириной, например, от 1/4 до 1/2 дюйма, применяя шредер, например шредер с винтом противоположного вращения, такой как машины, производимые компанией Мипзоп (Ютика, Нью-Йорк). В качестве альтернативы разрезанию на полоски бумагу можно измельчить путем разрезания до необходимого размера в гильотинной резальной машине. Например, гильотинную резальную машину можно применять для разрезания бумаги на листы, например, шириной 10 дюймов и длиной 12 дюймов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения разрезание источника волокна и прохождение образовавшегося первого волокнистого материала через первое сито осуществляют одновременно. Разрезание и прохождение можно также осуществить в периодическом процессе.
Например, режущий инструмент с дисковым ножом можно применять для одновременного разрезания источника волокна и просеивания первого волокнистого материала. Режущий инструмент с дисковым ножом содержит загрузочный бункер, который можно загрузить измельченным источником волокна, полученным в результате его измельчения. В некоторых вариантах реализации измельченный источник волокна перед осахариванием и/или ферментацией обрабатывают физическими методами. Способы физической обработки могут включать один или более из любых способов, описанных в настоящей заявке, такие как механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Способы обработки можно применять в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех из указанных технологий (в любом порядке). При применении более чем одного способа обработки указанные способы можно использовать одновременно или в различное время. Можно также применять другие способы, которые изменяют молекулярную структуру сырья из биомассы, в отдельности или в комбинации со способами, описанными в настоящей заявке.
Механическая обработка.
В некоторых случаях способы могут включать механическую обработку сырья из биомассы. Механическая обработка включает, например, резку, размол, прессование, дробление, разрезание и рубку. Размол может включать, например, размол на шаровой мельнице, размол на молотковой дробилке, сухой или влажный размол на роторе-статоре или другие виды размола. Другие виды механической обработки включают, например, жерновой размол, раскалывание, механический разрыв или вытягивание, стержневое дробление или размол воздушным трением.
Механическая обработка может быть полезна для того, чтобы открывать, создавать напряжение, разрушать и разрыхлять целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, делая целлюлозу в материалах более подверженной расщеплению цепи и/или понижению кристалличности. При облучении открытые материалы также могут быть более подверженными окислению.
В некоторых случаях механическая обработка может включать исходное получение исходного материала, как получено, например, уменьшение размера материала, например, посредством нарезки, дробления, срезания, измельчения или рубки. Например, в некоторых случаях сыпучий исходный материал (например, переработанная бумага, крахмалистые материалы или просо прутьевидное) получают срезанием или шинковкой.
Альтернативно или кроме того, исходный материал можно подвергнуть физической обработке посредством одного или нескольких других физических способов обработки, например химической обработке, излучения, обработки звуком, окисления, пиролиза или парового взрыва, и затем подвергнуть механической обработке. Эта последовательность может быть полезной, поскольку материалы, обработанные посредством одного или нескольких других способов обработки, например посредством облучения или пиролиза, обычно бывают более хрупкими и, следовательно, они могут легче поддаваться дальнейшему изменению молекулярной структуры материала посредством механической обработки.
В некоторых вариантах осуществления исходный материал находится в форме волокнистого материала и механическая обработка включает срезание, чтобы сделать доступными волокна волокнистого материала. Срезание можно выполнять, например, используя устройство для резки с вращающимся ножом. Другие способы механической обработки исходного материала включают, например, размол или дробление. Размол можно выполнять с использованием, например, молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, дробильных валков, мельницы Вили или мукомольной мельницы. Дробление можно выполнять, например, с использованием каменной дробилки, стержневой дробилки, кофейной дробилки или граноснимателя. Дробление можно обеспечить, например, посредством возвратно-поступательного движения стержня
- 17 028643 или другого элемента, как в случае со стержневой мельницей. Другие способы механической обработки включают механический разрыв или вытягивание, другие способы, в которых к волокнам прикладывают давление, и размол воздушным трением. Подходящие способы механической обработки дополнительно включают любые другие способы, которые меняют молекулярную структуру исходного материала.
При необходимости, механически обработанный материал можно пропустить через сито, например, со средним размером отверстия 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма). В некоторых вариантах осуществления срезание или другой способ механической обработки и просеивание выполняют одновременно. Например, устройство для резки с вращающимся ножом можно использовать для одновременной нарезки и просеивания исходного материала. Исходный материал режут между стационарными лезвиями и вращающимися лопастями, чтобы предоставить резаный материал, который пропускают через сито, и собирают в приемник.
Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно подвергать механической обработке в сухом состоянии (например, когда на его поверхности содержится небольшое количество свободной воды или вода не содержится вовсе) гидратированном состоянии (например, когда он содержит до 10 мас.% абсорбированной воды), или во влажном состоянии, например, когда он содержит приблизительно от 10 приблизительно до 75 мас.% воды. Источник волокна даже можно механически обрабатывать при частичном или полном погружении в жидкость, такую как вода, этанол или изопропанол.
Источник волокнистого целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно также механически обработать в газовой среде (например, в потоке или атмосфере газа, отличного от воздуха), например, кислорода или азота или пара.
При необходимости, лигнин можно удалить из любого волокнистого материала, содержащего лигнин. Также для содействия дроблению материалов, которые содержат целлюлозу, материал можно обработать перед или во время механической обработки или облучения с использованием тепла, химического вещества (например, неорганической кислоты, основания или сильного окислителя, такого как гипохлорит натрия) и/или фермента. Например, дробление можно выполнять в присутствие кислоты.
Системы механической обработки можно выполнить таким образом, чтобы получать потоки с определенными морфологическими свойствами, такими как, например, площадь поверхности, пористость, объемная плотность, и, в случае волокнистого сырья, с такими характеристиками волокна, как отношение длины к ширине.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения площадь поверхности по методу БЭТ механически обработанного материала составляет больше чем 0,1 м2/г, например больше чем 0,25 м2/г,
2 2 2 2 больше чем 0,5 м2/г, больше чем 1,0 м2/г, больше чем 1,5 м2/г, больше чем 1,75 м2/г, больше чем 5,0 м2/г,
22222 больше чем 10 м2/г, больше чем 25 м2/г, больше чем 35 м2/г, больше чем 50 м2/г, больше чем 60 м2/г, больше чем 75 м2/г, больше чем 100 м2/г, больше чем 150 м2/г, больше чем 200 м2/г или даже больше чем 250 м2/г.
Пористость механически обработанного материала может составлять, например, больше чем 20 процентов, больше чем 25 процентов, больше чем 35 процентов, больше чем 50 процентов, больше чем 60 процентов, больше чем 70 процентов, больше чем 80 процентов, больше чем 85 процентов, больше чем 90 процентов, больше чем 92 процентов, больше чем 94 процентов, больше чем 95 процентов, больше чем 97,5 процентов, больше чем 99 процентов или даже больше чем 99,5 процентов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, после механической обработки объемная плотность материала составляет менее чем 0,25 г/см3, например, 0,20 г/см3, 0,15 г/см3, 0,10 г/см3, 0,05 г/см3 или менее, например, 0,025 г/см3. Объемную плотность определяют с применением стандарта ΑδΤΜ Ό1895Β. Вкратце, такой способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема пробой и измерение массы пробы. Объемную плотность рассчитывают путем деления массы пробы в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.
Если исходное сырье представляет собой волокнистый материал, волокна механически обработанных волокнистых материалов могут иметь сравнительно большое среднее отношение длины к диаметру (например, больше чем 20 к 1),даже если они неоднократно подвергались разрезанию. Кроме того, волокна волокнистых материалов, описанных в настоящей заявке, могут иметь сравнительно небольшую длину и/или узкий диапазон отношений длины к диаметру.
В настоящей заявке, средние величины ширины волокон (например, диаметр) представляют собой величины, определенные оптическими методами путем случайного выбора приблизительно 5000 волокон. Средние величины длины волокон представляют собой скорректированные значения длина - взвешенная длина. Площади поверхности по методу БЕТ (Брунауэра, Эммета и Теллера) представляют собой площади многоточечной поверхности, и пористость представляет собой пористость, определенную способом ртутной порометрии.
Если второе исходное сырье представляет собой волокнистый материал 14, среднее отношение длины к диаметру волокон механически обработанного материала может составлять, например, больше чем 8/1, например, больше чем 10/1, больше чем 15/1, больше чем 20/1, больше чем 25/1 или больше чем 50/1. Средняя длина волокна механически обработанного материала может составлять, например, от примерно 0,5 до 2,5 мм, например, от примерно 0,75 до 1,0 мм, и средняя ширина (например, диаметр)
- 18 028643 второго волокнистого материала 14 может составлять, например, от примерно 5 до 50 мкм, например от примерно 10 до 30 мкм.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, если исходное сырье представляет собой волокнистый материал, стандартное отклонение длины волокна механически обработанного материала может составлять менее чем 60% относительно средней длины волокна механически обработанного материала, например менее чем 50%, менее чем 40% относительно средней длины.
Обработка для повышения растворимости, снижения устойчивости к разложению или функционализированию.
Материалы, которые были или не были подготовлены физическими способами, можно обработать с целью применения в любом производственном процессе, описанном в настоящей заявке. Один или более из производственных процессов, описанных ниже, может быть включен в функциональный блок по снижению устойчивости к разложению материала, описанный выше. В качестве альтернативы или в дополнение, для уменьшения устойчивости к разложению материала можно использовать и другие процессы.
Способы обработки, используемые в функциональном блоке по снижению устойчивости к разложению материала, могут включать один или более способов, выбранных из облучения, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза или парового взрыва. Способы обработки можно применять в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех из указанных технологий (в любом порядке).
Обработка излучением.
Один или более циклов радиационной обработки можно применять для обработки материалов из исходного сырья и обеспечения широкого выбора различных источников с целью извлечения полезных веществ из сырья и получения частично разрушенного органического структурно модифицированного материала, который служит в качестве загрузки для дальнейших технологических операций и/или циклов обработки. Облучение позволяет, например, уменьшить молекулярную массу и/или кристалличность исходного сырья. Излучение позволяет также стерилизовать материалы или любые среды, необходимые для биообработки материала.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения для облучения описанных материалов применяют энергию, находящуюся в материале, который испускает электрон из его атомной орбитали. Такое излучение можно обеспечить с помощью 1) тяжелых заряженных частиц, таких как α-частицы или протоны, 2) электронов, полученных, например, при β-распаде или с помощью электронно-лучевых ускорителей, или 3) электромагнитного излучения, например γ-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. В одном подходе для облучения исходного сырья можно применять излучение, вызванное радиоактивными веществами. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения можно использовать в любом порядке или одновременно любую комбинацию от (1) до (3) способа. В еще одном подходе для облучения исходного сырья можно применять электромагнитное излучение (например, вызванное применением электронно-лучевых эмиттеров). Применяемые дозы зависят от требуемого результата и конкретного исходного сырья.
В некоторых случаях, когда желателен разрыв цепи и/или требуется функционализация полимерной цепи, можно использовать частицы, более тяжелые, чем электроны, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. При необходимости разрыва цепи с раскрытием цикла для стимулирования этого процесса можно использовать положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислот Льюиса. Например, когда требуется максимальное окисление, можно использовать ионы кислорода, когда требуется максимальное нитрование, можно использовать ионы азота. Применение тяжелых частиц и положительно заряженных частиц описано в патенте США № 7931784, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В одном способе первый материал, который представляет собой целлюлозу или содержит ее и имеет первую среднечисленную молекулярную массу (Мп1), облучают, например, с помощью ионизирующего излучения (например, в форме γ-излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового (УФ) света в диапазоне от 100 до 280 нм, электронного луча или других заряженных частиц) с получением второго материала, содержащего целлюлозу и имеющего вторую среднечисленную молекулярную массу (Мп2), более низкую, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Второй материал (или первый и второй материал) можно комбинировать с микроорганизмом (с ферментной обработкой или без нее), который может утилизировать второй и/или первый материал или входящие в его состав сахара или лигнин с получением промежуточного соединения или продукта, такого как соединения или продукты, описанные в настоящей заявке.
Поскольку второй материал содержит целлюлозу с пониженной молекулярной массой по сравнению с первым материалом и в некоторых случаях также с пониженной кристалличностью, второй материал, в целом, является более диспергируемым, поддающимся разбуханию и/или растворимым, например, в растворе, содержащем микроорганизм и/или фермент. Такие свойства делают обработку второго материала более легкой, а сам материал более подверженным к химическому, ферментативному и/или биологическому воздействию по сравнению с первым материалом, что может значительно улучшить
- 19 028643 производительность и/или объем выпуска требуемого продукта, например этанола. С помощью излучения можно также стерилизовать материалы или любые среды, необходимые для биообработки материала.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, уровень окисления (О2) второго материала выше, чем уровень окисления (Οι) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его диспергируемости, способности к набуханию и/или растворимости, а также усилению подверженности материала химическому, ферментативному или биологическому воздействию. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, для увеличения уровня окисления второго материала относительно первого материала, облучение осуществляют в кислородно-окислительной среде, например, в защитной среде из воздуха или кислорода, с получением второго материала, более окисленного, чем первый материал. Например, второй материал может иметь больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетоновых групп, эфирных групп или карбоксильных групп, которые могут повысить его гидрофильность.
Ионизирующее излучение.
Каждая форма излучения ионизирует углеродсодержащий материал за счет конкретных взаимодействий, которые определяются энергией излучения. Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют материю за счет кулоновского рассеяния; кроме того, эти взаимодействия создают быстрые электроны, которые могут дополнительно ионизировать материю. α-Частицы идентичны ядру атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актинидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
При использовании частиц, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Будучи заряженными частицы могут содержать один положительный или отрицательный заряд или несколько зарядов, например один, два, три или даже четыре или более зарядов. В примерах, в которых требуется разрыв цепи, положительно заряженные частицы могут быть предпочтительными, частично благодаря их кислотной природе. При использовании частиц их масса может быть равна массе электрона в состоянии покоя или превышать ее, например, в 500, 1000, 1500, 2000, 10000 или даже 100000 раз. Например, масса частиц может составлять от примерно 1 до примерно 150 атомных единиц, например от примерно 1 до примерно 50 атомных единиц или от примерно 1 до примерно 25, например 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими постоянного тока, электродинамическими постоянного тока, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или непрерывного излучения. Например, в компании ΙΒΑ, Бельгия, можно приобрести циклотронный тип ускорителей, такой как система КЬобойои®, при этом в компании ΚΌΙ, теперь ΙΒΑ ЬЛнЧпак можно приобрести ускорители постоянного тока, такие как ОупатЬгоп®. Ионы и ионные ускорители рассмотрены в публикациях 1п1гобис1огу Ыис1еаг РЬу81с8, Кеппе1Ь 8. Кгапе, 1оЬп \УПеу & 8оп5, 1пс. (1988), КгЧо Рге1ес, ΡΙΖΙΚΑ В 6 (1997) 4, 177206, С1ш, \νί11ί;·ιιη Т., ОуеМеи оГ ЫдЫЧоп Веат ТЬегару Со1итЬи8-ОЬго, ΙΟΚυ-ΙΑΕΑ МееЬпд, 18-20 марта 2006 г., Тиа1а, Υ. е1 а1., ЛЬетаЬпд-РЬахе-РосихеЬ ΙΗ-ОТЬ Гог НеаууЧоп МеФса1 Лссе1егаЮг5 Ргосеебшдк оГ ΕРΑС 2006, Эдинбург, Шотландия и Ьеапег, СМ. е1 а1., 81а1и5 оГ 1Ье 8ирегсопЬисЬпд ЕСК Лн 8оигсе Уепи® Ргосеебшдк оГ ΕРΑС 2000, Вена, Австрия.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения в качестве источника излучения применяют электронный луч. Электронный луч имеет преимущества, связанные с высокими мощностями дозы излучения (например, 1,5 или даже 10 Мрад/с), высокой производительностью, более слабым удержанием и меньшими ограничениями в отношении оборудования. Электроны также могут быть более эффективными в стимулировании разрыва цепи. Кроме того, глубина проникновения электронов с энергиями от 4 до 10 МэВ может составлять от 5 до 30 мм или более, например 40 мм. В некоторых случаях многолучевые электронные устройства (например, многолучевые головки, часто называемые рогами) применяют для введения в материал многократных доз электронно-лучевого излучения. Такая высокая суммарная мощность луча обычно достигается путем применения многолучевых ускоряющих головок. Например, электронно-лучевое устройство может включать две, четыре или более ускоряющих головок. В качестве одного примера электронно-лучевое устройство может включать четыре ускоряющие головки, мощность луча каждой из которых составляет 300 кВт, при суммарной мощности луча 1200 кВт. Применение многолучевых головок, мощность луча каждой из которых сравнительно низкая, препятствует чрезмерному повышению температуры материала, предотвращая, тем самым, горение материала, и также увеличивает однородность дозы, проходящей через толщу слоя материала. Облучение с применением многолучевой головки описано в предварительной заявке на патент США № 13276192, поданной 18 октября 2011 г., полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Электронные лучи можно создать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. В качестве источника ионизирующего излучения можно использовать электроны, например, для сравнительно тонких штабелей материалов, например, менее чем 0,5 дюйма, например менее
- 20 028643 чем 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,2 дюйма или менее чем 0,1 дюйма. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения энергия каждого электрона в электронном луче составляет от примерно 0,3 до примерно 2,0 МэВ (миллион электрон-вольт), например от примерно 0,5 до примерно 1,5 МэВ или от примерно 0,7 до примерно 1,25 МэВ.
Устройства для электролучевого облучения можно приобрести в компании Ιοη Веат Αρρίίοαίίοηκ. Ьоиуат-1а-№иуе, Бельгия, или в компании ΤίΙαη СогрогаБоп, Сан-Диего, Калифорния.
Типичные энергии электронов могут составлять 1, 2, 4,5, 7,5 или 10 МэВ. Мощность типичного устройства для электролучевого облучения может составлять 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250 или 500 кВт. Уровень деполяризации исходного сырья зависит от применяемой энергии электронов и применяемой дозы, тогда как продолжительность воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут принимать значения 1, 5, 10, 20, 50, 100 или 200 кГр. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения могут быть использованы энергии между 0,25-10 МэВ (например, 0,5-0,8 МэВ, 0,5-5 МэВ, 0,8-4 МэВ, 0,8-3 МэВ, 0,8-2 МэВ или 0,8-1,5 МэВ).
Электромагнитное излучение.
В вариантах осуществления, где облучение выполняют с использованием электромагнитного излучении, энергия электромагнитного излучения на фотон может составлять, например (в электронвольтах), более чем 102 эВ, например более чем 103, 104, 105, 106 или даже более 107 эВ. В некоторых вариантах осуществления энергия электромагнитного излучения имеет фотон между 104 и 107, например между 105 и 106 эВ. Частота электромагнитного излучения может составлять, например, более чем 107 Гц,
19 20 21
Гц, 10 Гц, 10 Гц или даже более чем 10 Гц. В некоторых вариантах осуществления частота элек18 22 19 21 тромагнитного излучения находится между 10 и 10 Гц, например 10 и 10 Гц.
Дозы.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение (с помощью любого источника излучения или комбинации источников) осуществляют до тех пор, пока материал принимает дозу, составляющую по меньшей мере 0,25 Мрад, например по меньшей мере 1,0, 2,5, 5,0, 8,0, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 или даже по меньшей мере 100 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение осуществляют до тех пор, пока материал принимает дозу от 1,0 до 6,0 Мрад, например от 1,5 до 4,0 Мрад, от 2 до 10 Мрад, от 5 до 20 Мрад, от 10 до 30 Мрад, от 10 до 40 Мрад или от 20 до 50 Мрад.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение осуществляют при мощности дозы облучения от 5,0 до 1500,0 крад/ч, например от 10,0 до 750,0 крад/ч или от 50,0 до 350,0 крад/ч.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения применяют два или более источников излучения, например два или более ионизирующих излучения. Например, образцы можно обработать в любом порядке с помощью электронного луча, а затем γ-излучением и УФ-светом с длинами волн от примерно 100 до примерно 280 нм. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения образцы обрабатывают с применением трех источников ионизирующего излучения, например с помощью электронного луча, γ-излучения и УФ-света высокой энергии.
Обработка звуком, пиролиз и окисление.
Наряду с облучением исходное сырье можно обработать с помощью любого одного или более способов, выбранных из обработки ультразвуком, пиролиза и окисления. Такие способы обработки рассмотрены в предварительной заявке США № 12417840, поданной 3 апреля 2009 г., описание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Другие процессы для повышения растворимости, понижения неподатливости или функционализации.
Любые способы, описанные в этом параграфе, можно применять в отдельности без использования каких-либо способов, рассмотренных в настоящей заявке, или в комбинации с любыми способами, описанными в настоящей заявке (в любом порядке): паровым взрывом, химической обработкой (например, обработкой кислотами (в том числе обработкой концентрированными и разбавленными кислотами с применением минеральных кислот, таких как серная кислота, соляная кислота, и органических кислот, таких как трифторуксусная кислота)) и/или обработкой основаниями (например, обработкой известью или гидроксидом натрия)), обработкой УФ, обработкой с применением червячного экструдера, обработкой растворителями (например, обработкой с помощью ионных жидкостей) и измельчением в замороженном состоянии. Некоторые из этих процессов, например, описаны в предварительных заявках США № 12417723, поданной 3 апреля 2009 г., 13099151, поданной 2 мая 2011 г. и 12502269, поданной 14 июля 2009 г., описания которых включены в настоящий документ в качестве ссылки.
Получение топлив, кислот, сложных эфиров и/или других продуктов.
После обработки биомассы с помощью одной или более технологических операций, описанных выше, сложные углеводы, содержащиеся в целлюлозной и гемицеллюлозной фракциях, можно переработать с получением ферментируемых сахаров посредством процесса осахаривания, как описано выше.
После транспортировки полученного сахаросодержащего раствора к производственному оборудованию, сахара можно превратить в разнообразные продукты, такие как спирты, например этанол, или органические кислоты. Вид полученного продукта зависит от используемого микроорганизма и условий,
- 21 028643 при которых происходит биопереработка. Указанные операции можно осуществить, например, применяя существующее оборудование на предприятии по производству этанола из кукурузы.
При необходимости, способы перемешивания и оборудование, рассмотренные в настоящей заявке, можно также применять при биопереработке. Выгодно, что системы для перемешивания, описанные в настоящей заявке, не придают жидкости высокое усилие сдвига и не повышают значительно температуру всей жидкости. В результате, микроорганизмы, применяемые при биопереработке, поддерживают в жизнеспособном состоянии на протяжении всего процесса. Перемешивание позволяет увеличить скорость реакции и повысить эффективность процесса.
В целом, при ферментации используют различные микроорганизмы. Сахаросодержащий раствор, полученный путем осахаривании лигноцеллюлозных материалов, будет содержать ксилозу, а также глюкозу. Может быть желательным удалить ксилозу, например, с помощью хроматографии, поскольку некоторые широко применяемые микроорганизмы (например, дрожжи) на нее не действуют. Ксилозу можно собрать и использовать при производстве других продуктов, например, кормов для животных и заменителя сахара Ху1бо1. Ксилозу можно удалить до или после подачи сахаросодержащего раствора в производственное оборудование, в котором будут осуществлять ферментацию.
Микроорганизм может представлять собой природный микроорганизм или генно-инженерный микроорганизм, например, любой из микроорганизмов, описанный в настоящей заявке в разделе Материалы.
Оптимальный рН для дрожжей составляет от примерно 4 до 5, при этом оптимальное рН для Ζ\·тотопак составляет от примерно 5 до 6. Обычное время ферментации составляет от примерно 24 до 96 ч при температурах в диапазоне от 26 до 40°С, однако термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.
Карбоксильные группы, в целом, понижают рН ферментируемого раствора, проявляя тенденцию к подавлению ферментации под действием некоторых микроорганизмов, например Исйа δΐίρίΐίδ. Соответственно, в некоторых случаях перед ферментацией или во время него желательно добавлять основание и/или буфер для повышения рН раствора. Например, в ферментируемую среду можно добавить гидроксид натрия или известь для повышения рН среды до диапазона, который оптимален для применяемого микроорганизма.
Ферментацию, в целом, осуществляют в водной питательной среде, которая может содержать источник азота или источник других питательных веществ, например мочевины, вместе с витаминами и микроэлементами и металлами. В целом, предпочтительно, когда питательная среда стерильна или, по меньшей мере, имеет низкую концентрацию микроорганизмов, например низкое количество бактерий. Стерилизацию питательной среды можно осуществлять любым необходимым способом. Однако в предпочтительных воплощениях стерилизацию проводят путем облучения питательной среды или ее отдельных компонентов перед смешиванием. В целом, применяют как можно более низкую дозу излучения, которая все еще позволяет достичь нужных результатов, чтобы минимизировать потребление энергии и конечные издержки. Например, во многих случаях саму питательную среду или ее компоненты можно обработать с помощью дозы излучения, составляющей менее чем 5 Мрад, например менее чем 4, 3, 2 или 1 Мрад. В определенных случаях питательную среду обрабатывают с помощью дозы от примерно 1 до 3 Мрад.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения весь процесс брожения или его часть можно прервать до того, как низкомолекулярный сахар полностью превратится в этанол. Промежуточные продукты ферментации включают высокие концентрации сахара и углеводов. Такие промежуточные продукты ферментации можно применять при приготовлении пищи для потребления людьми или животными. В дополнении или в качестве альтернативы промежуточные продукты ферментации можно размолоть до размера мелкодисперсных частиц в лабораторной мельнице из нержавеющей стали с получением мукообразного вещества.
Мобильные ферментаторы могут быть использованы, как это описано в патенте США серийный № 12374549, поданного 21 января 2009 г., в настоящее время опубликованная международная заявка АО 2008011598. Аналогично, оборудование для осахаривания может быть мобильным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация может быть выполнена частично или полностью во время транспортировки.
Последующая переработка.
После ферментации полученные текучие среды можно подвергать дистилляции, применяя, например, бражную колонну, для отделения этанола и других спиртов от основной массы воды и остатков твердых веществ. Пар, выходящий из бражной колонны, может представлять собой, например, 35 мас.% этанола и может быть загружен в ректификационную колонну. Смеси почти азеотропных (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны можно очистить с получением чистого (99,5%) этанола путем применения парофазных молекулярных сит. Кубовые остатки бражной колонны можно направить на первую ступень трехступенчатого испарителя. Дефлегматор ректификационной колонны может обеспечить нагревание этой первой ступени. После первой ступени твердые вещества можно отделить, применяя центрифугу, и высушить в барабанной сушилке. Часть (25%) жидкости, вытекающей из центрифуги, можно повторно использовать для ферментации, а остальную часть направить на вторую и третью сту- 22 028643 пени испарителя.
Большую часть конденсата из испарителя можно вернуть в процесс в виде довольно чистого конденсата, а небольшую часть отделить и направить на установку для очистки сточных вод для предотвращения накопления низкокипящих соединений.
Промежуточные соединения и продукты.
Применяя способы, описанные в настоящей заявке, можно превратить обработанную биомассу в один или более продуктов, таких как энергия, топлива, пищевые продукты и материалы. Некоторые примеры продуктов включают, но не ограничиваются ими, водород, сахара (например, глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, фруктоза, дисахариды, олигосахариды и полисахариды), спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол, изобутанол, вторичный бутанол, третичный бутанол или н-бутанол), гидратированные или водные спирты, например, содержащие больше чем 10, 20, 30 или даже больше чем 40% воды, ксилит, биодизельное топливо, органические кислоты, углеводороды (например, метан, этан, пропан, изобутен, н-гексан, биодизель, биобензин и их смеси) сопутствующие продукты (например, белки, такие как белки (ферменты), разлагающие клетчатку, или белки одноклеточных) и смеси любых из перечисленных продуктов в любой комбинации или относительной концентрации и, при необходимости, в комбинации с любыми добавками, например, топливными добавками. Другие примеры включают карбоновые кислоты, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны (например, ацетон), альдегиды (например, ацетальдегид), α-, β-ненасыщенные кислоты, такие как акриловая кислота, и олефины, такие как этилен. Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3пропандиол, сахарные спирты (например, эритрит, гликоль, глицерин, сорбит треитола, арабит, рибит, маннит, дульцит, фукит, идит, изомальт, мальтит, лактит, ксилит и другие полиолы), метиловые или этиловые сложные эфиры любых из указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, лимонную кислоту, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, валериановую кислоту, капроновую кислоту, 3гидроксипропионовую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, гликолевую кислоту, γгидроксимасляную кислоту и их смеси, соль любой из указанных кислот, или смеси любых из кислот и их соответствующие соли, соль любой из кислот и смеси из любых кислот и соответствующих солей.
Другие промежуточные соединения и продукты, в том числе пищевые и фармацевтические продукты, рассмотрены в патенте США № 12417900, 3 апреля 2009 г., полное содержание которого тем самым включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Другие варианты осуществления
Описано множество вариантов осуществления. Тем не менее, понятно, что можно выполнять различные модификации, не отступая от сущности и объема раскрытия.
В некоторых вариантах реализации системы, рассмотренные в настоящей заявке, или компоненты указанных систем могут быть разборными, например, в виде передвижного технологического оборудования, описанного в заявке на патент США № 12374549, поданной 02 июня 2009 г. и международной заявке № №О 2008011598, полное содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Хотя в настоящей заявке были ссылки на баки, описанный процесс может протекать в любом типе сосуда или резервуара, в том числе в отстойниках, бассейнах, прудах и т.п. Если резервуар, в котором происходит перемешивание, представляет собой подземную структуру, такую как отстойник, его можно футурировать. Резервуар может иметь покрытие, например, если он находится на открытом воздухе или не иметь покрытия.
В альтернативном варианте диспергирующий блок 134 может быть опущен в системах, показанных на фиг. 2А и 2Б, и насос может быть использован, чтобы захватить жидкую среду из бака и доставить его через выпускную трубу 137 для смачивания сырья материала, который затем диспергируют путем перемешивания с помощью струйного смесителя 144. В таких вариантах реализации насос предпочтительно должен быть насосом низкого сдвига, например поршневым насосом прямого вытеснения, такими как винтовые насосы кавитационного типа 8еерех и лопастные насосы ХУаиксШа. Кроме того, предпочтительно, чтобы насос был способен перекачивать жидкости с высокой вязкостью, поскольку вязкость жидкости будет возрастать по мере добавления исходного сырья.
Кроме сырья из биомассы, которое описано в настоящей заявке, может быть использовано другое сырье, а также смеси сырья из биомассы с другим сырьем. Например, некоторые реализации могут использовать смеси биомассы с углеводородсодержащим сырьем, таким как описанное в предварительной заявке США серии № 13293985, поданной 10 ноября 2011 г., полное раскрытие которого включено в настоящее изобретение посредством ссылки.
Таким образом, другие варианты осуществления входят в объем нижеследующей формулы изобретения.

Claims (19)

1. Способ получения сахарного раствора из биомассы, который включает обработку биомассы для уменьшения ее устойчивости к разложению и получение обработанной биомассы;
влажный размол в емкости, содержащей жидкую среду с диспергированной в ней обработанной биомассой, и одновременное струйное перемешивание обработанной биомассы для получения влажной измельченной биомассы, с использованием одного или нескольких струйных смесителей и одной или нескольких влажных мельниц, причем размещают в емкости одну или несколько струйных головок струйных смесителей и одну или несколько головок размола влажных мельниц; и осахаривание влажной измельченной биомассы в той же емкости с получением сахарного раствора.
2. Способ по п.1, в котором обработку биомассы осуществляют путем облучения.
3. Способ по п.2, в котором облучение включает обработку биомассы электронным пучком.
4. Способ по п.2 или 3, в котором биомассу облучают дозой по меньшей мере 5 Мрад.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором биомассу выбирают из группы, которая включает древесину, ДСП, опилки, сельскохозяйственные отходы, сточные воды, силос, траву, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лён, бамбук, сизаль, абаку, солому, пшеничную солому, початки кукурузы, стебли кукурузы, просо, люцерну, сено, кокосовый волос, морские водоросли и их смеси.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, который дополнительно включает уплотнение обработанной биомассы до влажного размола.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором влажный размол осуществляют с использованием головки ротора/статора.
8. Способ по п.7, в котором ротор и статор содержат вложенные зубчатые кольца.
9. Способ по п.8, в котором статор содержит два или более концентрических зубчатых кольца.
10. Способ по п.9, в котором ротор, содержащий зубчатые кольца, выполнен с возможностью установки между соседними зубчатыми кольцами статора.
11. Способ по п.7, в котором зазор между ротором и статором составляет от около 0,01 до около 0,25 дюйма (от 0,25 до 6,4 мм).
12. Способ по п.8, в котором расстояние между зубьями в каждом зубчатом кольце составляет приблизительно от 0,1 до 0,3 дюйма (от 2,5 до 7,6 мм).
13. Способ по п.7, в котором влажный размол осуществляют с использованием множества головок ротора/статора.
14. Способ по п.1, в котором влажный размол осуществляют при скорости сдвига приблизительно от 30000 до 50000 с-1.
15. Способ по п.1, дополнительно включающий добавление фермента к обработанной биомассе до или во время влажного размола или к влажной измельченной биомассе после влажного размола.
16. Способ по п.15, дополнительно включающий добавление микроорганизма к обработанной биомассе или к сахару, полученному из влажной измельченной биомассы.
17. Способ по п.16, в котором указанный микроорганизм добавляют к влажной измельченной биомассе.
18. Способ по п.16, в котором микроорганизм преобразует сахара в продукт, выбранный из группы, включающей спирты, кислоты, углеводороды и их смеси.
19. Способ по п.18, в котором струйный смеситель работает при преобразовании сахара в продукт.
EA201391544A 2011-06-09 2012-06-07 Переработка биомассы EA028643B1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161495217P 2011-06-09 2011-06-09
US61/495,217 2011-06-09
PCT/US2012/041382 WO2012170707A1 (en) 2011-06-09 2012-06-07 Processing biomass

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201391544A1 EA201391544A1 (ru) 2014-05-30
EA028643B1 true EA028643B1 (ru) 2017-12-29

Family

ID=46246320

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201391544A EA028643B1 (ru) 2011-06-09 2012-06-07 Переработка биомассы
EA201791520A EA201791520A3 (ru) 2011-06-09 2012-06-07 Система для обработки биомассы

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201791520A EA201791520A3 (ru) 2011-06-09 2012-06-07 Система для обработки биомассы

Country Status (23)

Country Link
US (3) US9328393B2 (ru)
EP (2) EP2718449B1 (ru)
JP (3) JP6220779B2 (ru)
KR (1) KR102015675B1 (ru)
CN (3) CN105838580B (ru)
AP (2) AP2016009603A0 (ru)
AU (4) AU2012267880B2 (ru)
BR (1) BR112013030877A2 (ru)
CA (1) CA2838418A1 (ru)
DK (1) DK2718449T3 (ru)
EA (2) EA028643B1 (ru)
ES (1) ES2653194T3 (ru)
HU (1) HUE035604T2 (ru)
LT (1) LT2718449T (ru)
MX (2) MX368939B (ru)
MY (1) MY170871A (ru)
NO (1) NO2718449T3 (ru)
PL (1) PL2718449T3 (ru)
SG (2) SG10201607205QA (ru)
SI (1) SI2718449T1 (ru)
UA (2) UA114713C2 (ru)
WO (1) WO2012170707A1 (ru)
ZA (1) ZA201400094B (ru)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100124583A1 (en) 2008-04-30 2010-05-20 Xyleco, Inc. Processing biomass
ES2543727T3 (es) 2008-04-30 2015-08-21 Xyleco, Inc. Procesamiento de biomasa
CN109402192A (zh) 2012-10-10 2019-03-01 希乐克公司 生物质的处理
EA201890348A3 (ru) 2012-10-10 2018-10-31 Ксилеко, Инк. Способ защиты оборудования
US10689196B2 (en) 2012-10-10 2020-06-23 Xyleco, Inc. Processing materials
NZ743055A (en) 2013-03-08 2020-03-27 Xyleco Inc Equipment protecting enclosures
US10501761B2 (en) * 2013-04-26 2019-12-10 Xyleco, Inc. Processing biomass to obtain hydroxylcarboxylic acids
EP2890481A4 (en) 2013-04-26 2016-05-18 Xyleco Inc PROCESSING OF HYDROXYCARBOXYLIC ACIDS TO POLYMERS
US20150232768A1 (en) * 2014-01-09 2015-08-20 All Power Labs, Inc. Downdraft gasification system and method
EP2896681A1 (en) * 2014-01-21 2015-07-22 Comet AG Biorefinery of biomass using irradiation process
CN104004794B (zh) * 2014-06-24 2016-08-24 哈尔滨工业大学 一种利用混合纤维素酶粗酶液水解木质纤维素发酵制备正丁醇的方法
CA3017483A1 (en) 2016-03-14 2017-09-21 Ecolab Usa Inc. Progressive tank system and method for using the same
WO2017160757A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-21 Ecolab Usa Inc. Rapid polymer hydration
US10676760B2 (en) * 2016-10-26 2020-06-09 Valmet Ab Method for producing ethanol and ethanol producing system
NO20170031A1 (en) * 2017-01-08 2018-07-09 Abadjom Consulting As Electron beam and steam explosion pretreatments of biomass for production in a low energy biorefinery
JP7049793B2 (ja) * 2017-09-29 2022-04-07 株式会社明治 微粒化装置
CN107570277B (zh) * 2017-10-16 2023-09-08 乐山新天源太阳能科技有限公司 电子浆料无机粘接剂的生产线
JP6846811B2 (ja) * 2018-03-07 2021-03-24 国立研究開発法人森林研究・整備機構 樹木材料のリグノセルロースを原料としたアルコール飲料及びその製造方法
CN112567073B (zh) * 2018-08-17 2022-05-27 杰富意钢铁株式会社 绝缘覆膜形成用处理液的制造方法和制造装置以及带有绝缘覆膜的钢板的制造方法
US20210269921A1 (en) * 2018-08-17 2021-09-02 Jfe Steel Corporation Production method for treatment solution for forming insulating coating, production method for steel sheet having insulating coating, and production apparatus for treatment solution for forming insulating coating
CN110222454B (zh) * 2019-06-14 2022-03-22 哈尔滨理工大学 铣削加工精度一致性的工艺设计方法
CN113455680B (zh) * 2021-05-26 2023-01-17 河南广安生物科技股份有限公司 一种高效饲料生产线
CN113713485A (zh) * 2021-07-23 2021-11-30 中广核核电运营有限公司 核电厂自动化清淤系统及旋转滤网的清淤方法
DE102021127514A1 (de) 2021-10-22 2023-04-27 ZFB Zentrum für Bucherhaltung GmbH β-POLYGLUCOSID-BASIERTE BIOPOLYMER-VERBUNDWERKSTOFFE
WO2024040096A2 (en) * 2022-08-18 2024-02-22 Heartland Industries, Inc. System and methods for producing functionalized natural fibers

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994013838A1 (en) * 1992-12-17 1994-06-23 Colorado State University Research Foundation Treatment method for lignocellulosic biomass
WO1995005087A1 (en) * 1993-08-13 1995-02-23 Colorado State University Research Foundation Treatment method for lignocellulosic biomass
WO2007044742A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Earnest Stuart Device and method for treating biomass
US20090126274A1 (en) * 2005-10-04 2009-05-21 Frederic Vogel Process for Generating Methane and/or Methane Hydrate From Biomass
WO2010093829A2 (en) * 2009-02-11 2010-08-19 Xyleco, Inc. Processing biomass
WO2010135365A2 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 Xyleco, Inc. Processing biomass

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3654081A (en) * 1970-06-01 1972-04-04 Miles Lab Starch liquefaction process
JPS5028515B2 (ru) 1971-09-30 1975-09-16
DK187280A (da) 1980-04-30 1981-10-31 Novo Industri As Ruhedsreducerende middel til et fuldvaskemiddel fuldvaskemiddel og fuldvaskemetode
SU1559026A1 (ru) 1988-03-28 1990-04-23 Сибирский технологический институт Установка дл измельчени волокнистого материала
JPH0611793B2 (ja) * 1989-08-17 1994-02-16 旭化成工業株式会社 微粒化セルロース系素材の懸濁液及びその製造方法
JPH0427386A (ja) 1990-05-24 1992-01-30 Kao Corp プロテアーゼ耐性セルラーゼ、これを産生する微生物及び該セルラーゼの製造法
US5677154A (en) * 1995-06-07 1997-10-14 Ingram-Howell, L.L.C. Production of ethanol from biomass
JP4028003B2 (ja) * 1996-05-31 2007-12-26 旭化成株式会社 セルロース溶液の調製方法
US6448307B1 (en) 1997-09-02 2002-09-10 Xyleco, Inc. Compositions of texturized fibrous materials
US5952105A (en) 1997-09-02 1999-09-14 Xyleco, Inc. Poly-coated paper composites
US5973035A (en) 1997-10-31 1999-10-26 Xyleco, Inc. Cellulosic fiber composites
US7659102B2 (en) * 2001-02-21 2010-02-09 Verenium Corporation Amylases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them
JP4619831B2 (ja) * 2005-03-08 2011-01-26 月島機械株式会社 リグノセルロースの前処理方法
ES2662168T3 (es) 2005-03-24 2018-04-05 Xyleco, Inc. Procedimiento para preparar un material compuesto
CA2658483A1 (en) 2006-07-21 2008-01-24 Xyleco, Inc. Conversion systems for biomass
CA2847476C (en) 2006-10-26 2014-09-02 Xyleco, Inc. Methods of processing biomass comprising electron-beam radiation
US7931784B2 (en) 2008-04-30 2011-04-26 Xyleco, Inc. Processing biomass and petroleum containing materials
JP2010035446A (ja) * 2008-08-01 2010-02-18 Kyoto Univ 草本系バイオマスの糖化前処理方法
CN101367059B (zh) * 2008-09-28 2010-11-03 武汉理工大学 超细盘式涡流水射流磨
JP5106354B2 (ja) * 2008-11-13 2012-12-26 本田技研工業株式会社 リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置
JP2011092151A (ja) * 2009-11-02 2011-05-12 Forestry & Forest Products Research Institute 植物系原料の処理方法
HUE034504T2 (en) * 2010-01-20 2018-02-28 Xyleco Inc Dispersion of raw materials and processing of materials
AU2011317153B2 (en) * 2010-10-20 2015-04-09 Xyleco, Inc. Method for treating lignocellulosic material by irradiating with an electron beam

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994013838A1 (en) * 1992-12-17 1994-06-23 Colorado State University Research Foundation Treatment method for lignocellulosic biomass
WO1995005087A1 (en) * 1993-08-13 1995-02-23 Colorado State University Research Foundation Treatment method for lignocellulosic biomass
US20090126274A1 (en) * 2005-10-04 2009-05-21 Frederic Vogel Process for Generating Methane and/or Methane Hydrate From Biomass
WO2007044742A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Earnest Stuart Device and method for treating biomass
WO2010093829A2 (en) * 2009-02-11 2010-08-19 Xyleco, Inc. Processing biomass
WO2010135365A2 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 Xyleco, Inc. Processing biomass

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017203622B2 (en) 2018-11-08
HUE035604T2 (en) 2018-05-28
AP2013007333A0 (en) 2013-12-31
CN103620045B (zh) 2016-09-21
ZA201400094B (en) 2017-08-30
NO2718449T3 (ru) 2018-02-24
CA2838418A1 (en) 2012-12-13
EA201391544A1 (ru) 2014-05-30
UA117505C2 (uk) 2018-08-10
AU2016203829B2 (en) 2017-03-09
NZ712835A (en) 2016-09-30
UA114713C2 (uk) 2017-07-25
CN106399391B (zh) 2018-05-29
NZ617736A (en) 2016-01-29
EA201791520A3 (ru) 2018-03-30
BR112013030877A2 (pt) 2017-03-21
SG194969A1 (en) 2013-12-30
JP2018023378A (ja) 2018-02-15
SG10201607205QA (en) 2016-10-28
JP2014524943A (ja) 2014-09-25
JP6400164B2 (ja) 2018-10-03
DK2718449T3 (en) 2018-01-08
AU2019200434A1 (en) 2019-02-07
AU2016203829A1 (en) 2016-06-30
LT2718449T (lt) 2018-01-10
US20120315675A1 (en) 2012-12-13
MX2013014560A (es) 2014-08-21
KR20140034215A (ko) 2014-03-19
MX2019012473A (es) 2019-12-11
JP6220779B2 (ja) 2017-10-25
KR102015675B1 (ko) 2019-08-28
AP4067A (en) 2017-03-15
MY170871A (en) 2019-09-11
ES2653194T3 (es) 2018-02-06
PL2718449T3 (pl) 2018-02-28
EP2718449A1 (en) 2014-04-16
WO2012170707A1 (en) 2012-12-13
CN105838580A (zh) 2016-08-10
AU2017203622A1 (en) 2017-06-15
CN106399391A (zh) 2017-02-15
JP2019013918A (ja) 2019-01-31
AP2016009603A0 (en) 2016-12-31
MX368939B (es) 2019-10-22
SI2718449T1 (en) 2018-01-31
EP2718449B1 (en) 2017-09-27
US20160222475A1 (en) 2016-08-04
NZ726115A (en) 2018-04-27
WO2012170707A9 (en) 2017-12-07
EP3260547A1 (en) 2017-12-27
EA201791520A2 (ru) 2017-11-30
NZ715830A (en) 2017-04-28
US20190055615A1 (en) 2019-02-21
US9328393B2 (en) 2016-05-03
CN105838580B (zh) 2020-03-17
CN103620045A (zh) 2014-03-05
AU2012267880B2 (en) 2016-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA028643B1 (ru) Переработка биомассы
JP6557705B2 (ja) 原料の分散および材料の加工方法
JP6717865B2 (ja) バイオマス原料を糖化および発酵させるための方法およびシステム
EA029034B1 (ru) Обработка биомассы
UA117527C2 (uk) Спосіб переробки лігноцелюлозної початкової сировини
NZ712835B2 (en) Processing Biomass
UA111140C2 (uk) Спосіб оцукрювання лінгоцелюлозної сировини
NZ617736B2 (en) Processing biomass
NZ715830B2 (en) Processing Biomass
NZ726115B2 (en) Processing Biomass

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU