MX2014007578A - Procesamiento de biomasa. - Google Patents

Procesamiento de biomasa.

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Abstract

Se proporcionan en el presente métodos para incrementar la eficiencia de la sacarificación de biomasa. En particular, los métodos incluyen maneras de evitar la inhibición de retroalimentación durante la producción de productos útiles.

Description

PROCESAMIENTO DE BIOMASA REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud provisional de E.U. Nfi 61/579,552 y 61/579,559, ambas presentadas el 22 de diciembre de 2011. Las descripciones completas de las aplicaciones anteriores se incorporan en el presente por referencia.
CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a la eficiencia útil en el procesamiento de los materiales de la biomasa. Por ejemplo, la invención se refiere a procesos que evitan la regeneración negativa de las reacciones enzimáticas .
ANTECEDENTES Ya que hay demanda por el aumento de petróleo, también hay el interés en materias primas renovables para la fabricación de biocombustibles y bioquímicos. El uso de la biomasa lignocelulósica como una materia prima para tales procesos de fabricación se han estudiado desde la década de 1970. La biomasa lignocelulósica es atractiva porque es abundante, renovable, producida domésticamente, y no compite con los usos de la industria alimentaria.
Muchas materias primas lignocelulosicas potenciales están disponibles hoy en día, incluyendo residuos agrícolas, biomasa forestal, residuos urbanos, oleaginosas/tortas y algas, por nombrar algunas. Actualmente estos materiales se utilizan también como alimento para animales, los materiales de biocomposta se queman en una instalación de congeneración o se depositan en vertederos.
La biomasa lignocelulósica es recalcitrante a la degradación como las paredes celulares de las plantas que tienen una estructura que es rígida y compacta. La estructura comprende fibras de celulosas cristalinas integradas en una matriz hemicelulosas , rodeada por lignina. Esta matriz compacta es difícil para accesar por medio de enzimas y otros procesos químicos, bioquímicos y biológicos. Los materiales de biomasa celulósicos (por ejemplo, el material de biomasa del cual considerablemente todas las linginas se han eliminado) puede ser más accesible a las enzimas y otros procesos de conversión, pero aún así, los materiales celulósicos que ocurren de manera natural seguido tienen bajos rendimientos (relativos a los rendimientos teóricos) cuando se ponen en contacto con las enzimas hidrolizadas . La biomasa lignocelulosica es aún más recalcitrante al ataque de la enzima. Además, cada tipo de biomasa lignocelulosica tiene su propia composición especifica de celulosa, hemicelulosa y lignina.
Mientras un número de métodos se han probado para extraer los carbohidratos estructurales de la biomasa lignocelulosica, aún asi son muye caros, producen un rendimiento muy bajo, dejan químicos no deseados en el producto resultante, o simplemente degrada los azúcares.
Los monosacáridos de las fuentes de biomasa renovables pueden volverse la base de industrias químicas y de combustibles por medio del reemplazo, la suplementación o la sustitución del petróleo y otras materias primas de fósiles. Sin embargo, las técnicas necesarias para desarrollar lo que hará estos monosacáridos disponible en grandes cantidades y con una pureza aceptable y precios aceptables .
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN En el presente documento se proporcionan los métodos para incrementar la eficiencia de la sacarificación de la biomasa. En particular, la eficiencia se puede lograr evitando la inhibición por retroalimentación negativa de las reacciones enzimáticas.
En el presente se incluye un método de fabricación de un producto, en donde el método incluye: sacarificación de la biomasa lignocelulósica de recalcitrancia reducida, y la adición de un agente de isomerización a la biomasa sacarificada. En algunas implementaciones , la biomasa sacarificada comprende un primer azúcar y un segundo azúcar y el agente de isomerización se utiliza para convertir el segundo azúcar a un tercer azúcar. El método también puede incluir, en algunos casos, poner en contacto la biomasa sacarificada con un microorganismo convierta el primer azúcar y tercer azúcar a uno o más producto (s) .
También se proporciona en la presente descripción es un método de fabricación de un producto con un microorganismo a partir de una primera de azúcar y un segundo azúcar, caracterizado porque el microorganismo puede convertir el primero de azúcar al producto, pero no puede metabolizar el segundo azúcar, y donde el método incluye: proporcionar un celulósicas o la biomasa lignocelulósica; sacarificación de la biomasa para hacer una biomasa sacarificada, -caracterizado porque la biomasa sacarificada comprende un primer azúcar y un segundo azúcar; proporcionar un microorganismo que es capaz de convertir el primer azúcar en un producto, pero en el que el microorganismo no puede metabolizar el segundo azúcar; combinando el microorganismo y la biomasa sacarificada, produciendo de este modo una combinación de microorganismo de biomasa; mantener la combinación de microorganismo de biomasa en condiciones que permiten el microorganismo convierta el primer azúcar al producto, produciendo una combinación que comprende el producto del segundo azúcar; convertir el segundo azúcar a un tercer azúcar, caracterizado porque el microorganismo es capaz de convertir el tercer azúcar al producto; y mantener el microorganismo en condiciones que permiten que el microorganismo convierta el tercer azúcar al producto; haciendo de ese modo un producto con un microorganismo del primer azúcar y el segundo azúcar.
En otro aspecto, la invención presenta un método para aumentar la cantidad de un producto hecho por un microorganismo a partir de una biomasa sacarificada, comprendiendo el método: proporcionar un celulósicas o la biomasa lignocelulósica; sacarificación de la biomasa para hacer una biomasa sacarificada, en donde la biomasa sacarificada comprende un primer azúcar y un segundo azúcar; proporcionar un microorganismo que es capaz de convertir el primer azúcar en un producto, pero en el que el microorganismo no puede metabolizar el segundo azúcar; combinando el microorganismo y la biomasa sacarificada, produciendo de este modo una combinación de microorganismo de biomasa; mantener la combinación de microorganismo de biomasa en condiciones que permiten el microorganismo convierta el primer azúcar al producto, produciendo una combinación que comprende el producto de la segunda y de azúcar; convertir el segundo azúcar a un tercer azúcar, caracterizado porgue el microorganismo es capaz de convertir el tercer azúcar al producto; y mantener el microorganismo en condiciones que permiten que el microorganismo convierta el tercer azúcar al producto; aumentando de este modo la cantidad de producto fabricado por el microorganismo a partir de la biomasa sacarificada.
En cualquiera de los métodos proporcionados en el presente, la biomasa lignocelulósica puede ser tratada para reducir su recalcitrante a la sacarificación. El método de tratamiento se selecciona del grupo que consiste de: bombardeo con electrones, la sonicación, la oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico, o congelar la molienda. El método de tratamiento puede ser el bombardeo con electrones .
En cualquiera de los métodos, la conversión del segundo azúcar al tercer azúcar se puede hacer antes de mantener la combinación del microorganismo de biomasa en condiciones que permiten que el microorganismo convierta el primer azúcar al producto. La conversión del segundo azúcar al tercer azúcar se puede hacer inmediatamente después de la sacarificación de la biomasa, o que se puede hacer durante la sacarificación de la biomasa.
En los métodos proporcionados en el presente, la biomasa lignocelulósica se puede seleccionar del grupo que consiste de: papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papeles pigmentados, papeles cargados, papeles recubiertos, papeles llenos, revistas, material impreso, papel de la impresora, papel polirrevestido, cartulina, cartón, cartoncillo, algodón, madera, tableros de partículas, residuos forestales, aserrín, madera de álamo, astillas de madera, hierbas, panicum virgatum, miscanthus, spartina, phalaris arundinacea, residuos de granos, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de cebada, residuos agrícolas, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soya, fibra de maíz, alfalfa, residuos de heno, pelo de coco, los residuos del proceso del azúcar, bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave, algas, hierba marina, estiércol, desperdicios, desperdicios agrícolas o industriales, arracacha, trigo sarraceno, plátano, cebada, mandioca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papa, camote, taro, ñame, frijoles, habas, lentejas, guisantes, o mezclas de cualquiera de éstos. La biomasa lignocelulósica puede ser tratada mecánicamente para reducir su densidad a granel y/o aumentar su área superficial. Por ejemplo, se puede triturar, por ejemplo, por molienda en seco, o por molienda en húmedo. La biomasa puede ser sacarifica con uno o más celulasas .
En los métodos proporcionados en el presente, el agente de isomerización puede comprender un ácido, por ejemplo, ácido sulfónico de poliestireno .
En los métodos proporcionados en el presente, la combinación de microorganismo de biomasa puede ser mantenida a un pH de aproximadamente 10 a aproximadamente 14, o a un pH de aproximadamente 11 a aproximadamente 13 Se puede mantenerse a una temperatura de aproximadamente 10°C a aproximadamente 30°C, o a una temperatura de aproximadamente 20°C. También se puede mantener a una temperatura de aproximadamente 60°C a aproximadamente 65°C. Se puede mantenerse a un pH de aproximadamente 6.0 a aproximadamente 7.5, o un pH de aproximadamente 7.
En los métodos, el segundo azúcar puede ser la glucosa, y el tercer azúcar puede ser la fructosa. El agente de isomerización puede comprender una enzima.
Alternativamente, el segundo azúcar puede ser xilosa, y el tercer azúcar se puede xilulosa. La enzima puede ser xilosa isomerasa .
El microorganismo puede ser levadura. El producto puede ser el alcohol. El microorganismo puede ser Clostridium spp., Y el producto puede ser etanol, butanol, ácido butírico, ácido acético, o acetona. El microorganismo puede ser Lactobacillus spp., y el producto puede ser ácido láctico .
Debe entenderse que esta invención no se limita a las modalidades descritas en esta breve descripción, y se pretende cubrir las modificaciones que están dentro del objeto y alcance de la invención, como se define por las reivindicaciones .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior será evidente a partir de la siguiente descripción más particular de las modalidades de ejmplo de la invención, como se ilustra en los dibujos adjuntos en los que los caracteres de referencia se refieren a las mismas partes en todas las diferentes vistas. Los dibujos no están necesariamente a escala, el énfasis en su lugar se coloca en ilustrar las modalidades de la presente invención.
La Figura 1 es un diagrama que ilustra la hidrólisis enzimática de la celulosa a la glucosa. EL sustrato celulósico (A) se convierte por endocelulasa (i) a celulosa (B) , el cual es convertido por exocelulasa (ii) a celobiosa (C) , el cual se convierte a la glucosa (D) por celobiasa (beta-glucosidasa) (iii) .
La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra la acción de la celulasa sobre celulosa y derivados de celulosa. La celulosa (200) se desglosa de celobiosa (210) por endoglucanasas y exo-glucanases/celobiohidrolasas (205) (A) , que luego se divide por la beta-glucosidasa (215) a la glucosa (220) (B) . Las endoglucanasas y exo-glucanasas/celobiohidrolasas se inhiben directamente por celobiosa (210) (D) y glucosa (E) , y beta-glucosidasa se inhibe por la glucosa (C) .
La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra la conversión de la biomasa (300) a un producto (340) . El material de alimentación (300) se combina (A) con celulasa (305) y el líquido para formar una mezcla (310), que después se deja a sacarificar (B) , la producción de azúcares (320) .
Como se describe en el presente, un aditivo (325) se combina (C) con la mezcla de azúcares (320) para hacer una mezcla de azúcares y aditivo (330) . Los azúcares resultantes se utilizan luego (D) en el procesamiento aguas abajo para producir uno o más productos (340) , tales como alcohol, ácido láctico, o uno o más de los mismos azúcares.
DESCRIPCIÓN DETALLADA El presente documento proporciona métodos para aumentar la eficiencia de la producción de azúcares (y/o productos elaborados a partir de los azúcares) a partir de biomasa sacarificada. Los métodos son especialmente útiles en casos en los que uno o más azúcares o productos causan retroalimentación negativa, lo que limita la cantidad de azúcares o de productos que pueden ser producidos .
Por lo general, los métodos comienzan con la sacarificación de biomasa. La sacarificación por lo general produce una mezcla de azúcares. La mezcla incluye azúcares que se pueden convertir en un producto útil. Sin embargo, la mezcla de azúcares puede incluir azúcares que no pueden ser metabolizados por el microorganismo. De manera que estos azúcares no utilizables aumentan en la concentración, representan un "punto muerto" metabólico. Además, algunos azúcares pueden formar la base de la inhibición por retroalimentación, y limitar el rendimiento de las rutas metabólicas que hacen los azúcares deseados u otros productos deseados .
Se describen en el presente métodos para la prevención de tales inhibiciones de la retroalimentación, y el aumento de la cantidad de azúcares y otros productos útiles a partir de la sacarificación de la biomasa.
La glucosa producida durante la sacarificación puede inhibir la producción de glucosa. En una modalidad, por lo tanto, la invención abarca la eliminación eficaz de la glucosa mediante la conversión a la fructosa (que no inhibe la sacarificación) , permitiendo de este modo para la producción de la glucosa adicional. La glucosa se puede convertir a la fructosa por la acción de enzimas (tales como la isomerasa de xilosa) , ácidos fuertes o productos químicos (tales como el ácido sulfónico de poliestireno) . Asimismo, la xilosa, que no puede ser metabolizada por muchos microorganismos, puede ser convertida por la isomerasa de xilosa en xilulosa, que puede ser metabolizada por muchos microorganismos. Además, la xilulosa a menudo no inhibe su propia producción, a diferencia de la glucosa.
Por ejemplo, la biomasa puede ser sacarifica para producir una mezcla de azúcares, incluidas la glucosa y xilosa. La mayoría de las cepas de levadura pueden metabolizar la glucosa, por ejemplo, a un alcohol, pero no la xilosa. Por lo tanto, si el producto final deseado es el alcohol, entonces el aumento de la sacarificación, y aumento de la producción de glucosa, seguido por la fermentación, se producen más de alcohol, pero también se producen más xilosa. Mientras que la xilosa no es perjudicial, puede representar un "punto muerto" metabólico. Si la xilosa se convierte en xilulosa, puede ser fermentada con el alcohol, y la eficiencia de la producción se puede incrementar.
Como se muestra en la Figura 1, por ejemplo, durante la sacarificación de un sustrato celulósico (A) se hidroliza inicialmente por endoglucanasas (i) en lugares aleatorios que producen intermedios oligoméricos (por ejemplo, celulosa) (B) . Estos intermediarios son entonces sustratos para glucanasas exo divididas (ii) tales como celobiohidrolasa para producir celobiosa de las extremidades del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero 1,4-ligado soluble en agua de la glucosa. Finalmente la celobiasa (iii) escinde la celobiosa (C) para producir glucosa (D) . Por lo tanto, las endoglucanasas son particularmente eficaces en atacar las porciones cristalinas de la celulosa y el aumento de la eficacia de las exocelulasas para producir celobiosa, el cual después requiere la especificidad de la celobiosa para producir glucosa. Por lo tanto, es evidente que dependiendo de la naturaleza y la estructura del sustrato celulósico, la cantidad y el tipo de las tres enzimas diferentes pueden necesitar ser modificadas.
Como se muestra en la figura 2, hidrólisis de la celulosa (200) a celobiosa (210) es un proceso de múltiples pasos que incluye ruptura inicial en la interfase sólido-líquido a través de la acción sinérgica de endoglucanasas (EG) y exo-glucanasas/celobiohidrolasas (CBH) (205) (A) . Esta degradación inicial es acompañada por una mayor degradación fase líquida, por hidrólisis de los productos intermedios solubles, tales como oligosacáridos y celobiosa que se catalíticamente escindidos por la beta-glucosidasa (BG; 215) (B) a la glucosa (220) . Sin embargo, celobiosa (210) inhibe directamente (D) tanto de CBH y EG (205), y glucosa (220) inhibe directamente (C, E) no sólo BG (215) , pero también de CBH y EG (205) . La invención como se describe en el presente documento reduce o evita esta inhibición.
La figura 3 muestra un proceso para fabricar un producto (340) de un material de alimentación (300) . El material de alimentación puede ser pre-procesado , tales como por la reducción del tamaño y recalcitrante de la materia prima. Esto puede incluir, por ejemplo, opcionalmente el tratamiento mecánico de la materia prima y, antes y/o después de este tratamiento, tratar opcionalmente el material de alimentación con otro tratamiento, por ejemplo, bombardeo de partículas, para reducir aún más su recalcitrante. El material de alimentación procesado aguas arriba (300) se combina entonces (A) con celulasa (305) y el líquido para formar una mezcla (310) , que después se deja a sacarificar (B) , la producción de azúcares (320) . Como se describe en el presente, un aditivo (325) se combina (C) con la mezcla de azúcares (320) para hacer una mezcla de azúcares y aditivo (330) . El aditivo (325) aumenta la eficacia de la celulasa durante la sacarificación, por ejemplo, mediante la reducción de la inhibición de la celulasa por celobiosa y/o glucosa. Esto aumentó la eficacia de los resultados de sacarificación en aumento de los niveles de azúcares, que luego se utilizan (D) en el procesamiento aguas abajo para producir uno o más productos (340), tales como alcohol, ácido láctico, o uno o más de los mismos azúcares.
Durante la sacarificación, la materia prima se trata con una o más enzimas celulolíticas , generalmente mediante la combinación de la materia prima y la enzima (305) en un medio fluido, por ejemplo, una solución acuosa. En algunos casos, el material de alimentación se lleva a ebullición, llena, o cocinado en agua caliente antes de la sacarificación, tal como se describe en la Patente de E.U. App. Pub. 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre de 2011 y publicado el 26 de abril del 2012, cuyo contenido de se incorpora en el presente por referencia.
El aditivo puede añadirse en el inicio de la sacarificación (B) , por ejemplo, con la biomasa y celulasa. Alternativamente, el aditivo puede ser añadido después de algunos o la totalidad de la sacarificación (B) se ha producido. También se puede añadir al comienzo de la producción de un producto.
El aditivo puede ser una sustancia química o una enzima. Los ejemplos de aditivos adecuados incluyen ácidos y bases. Las bases pueden catalizar la transformación de Lobry -de-Bruyn-Alberda-Van- Ekenstein, como se describe en más detalle a continuación. Los ácidos pueden catalizar la hidrólisis de la celobiosa. Los ácidos borónicos se pueden utilizar para formar complejos con los cis-dioles de la glucosa. La xilosa isomerasa (también conocida como glucosa isomerasa) se puede utilizar para isomerizar de glucosa a fructosa.
El aditivo se puede apoyar físicamente. Los soportes útiles incluyen, pero no se limitan a los soportes poliméricos catiónicos, soportes poliméricos aniónicos, soportes poliméricos neutros, soportes de óxido de metal, metal soportes de carbonato, soportes de halogenuros metálicos y/o mezclas de los mismos. El soporte se puede añadir a los azúcares mixtos o puede ser estacionario y los azúcares mixtos hacen pasar a través o sobre el aditivo compatible .
La mezcla que contiene el aditivo (330) puede ser devuelto a la etapa de biomasa y celulasa (310) para liberar más azúcares antes de ser procesados adicionalmente. Esto puede incluir la devolución de las condiciones de un estado que provoca preferiblemente la sacarificación de la celulosa en lugar de las condiciones que favorecen la acción del aditivo. Por ejemplo, el pH puede ser optimizado para la sacarificación en la región ácida (menos de o igual a pH 7, menos de o igual a pH 6 , menos de o igual a pH 5 ) y mayor que o igual a pH 2 (mayor que o igual a pH 3, mayor que o igual a pH 4) . La temperatura se puede optimizar para la acción de celulasas, por ejemplo, a mayor que o igual a 30°C (mayor que o igual a 40°C, mayor que o igual a 50°C, mayor que o igual a 60°C) y menos de o igual a 90°C (menos de o igual a 80°C, menos de o igual a 70°C, menos de o igual a 60°C) . La biomasa adicional, celulasa y aditivos se pueden añadir opcionalmente para aumentar la producción de azúcares .
La solución de azúcar o suspensión producida por la sacarificación se pueden someter a procesamiento aguas abajo para obtener un producto deseado. Por ejemplo, uno o más de los azúcares pueden ser aislados, y/o la solución puede ser fermentada. Cuando se utiliza la fermentación, el producto de fermentación puede ser destilado. Por ejemplo, los azúcares pueden ser hidrogenados y los alcoholes de azúcar aislados.
Sin estar ligado por ninguna teoría particular, se cree que esta conversión elimina eficazmente la glucosa de la mezcla de azúcares. Como se muestra en la figura 2, esta eliminación sería eliminar la inhibición de los pasos C y E. Esto aumenta la sacarificación de la celulosa en general en la biomasa.
En muchos casos, la temperatura óptima para el uso de la glucosa isomerasa oscila de 60 a 80°C. En los procesos descritos en el presente documento, temperaturas inferiores a la óptima pueden ser preferidos debido a su costo y porque la temperatura óptima para otros componentes del proceso pueden ser diferentes. Por ejemplo las actividades de celulasa son generalmente óptimas entre 30°C y 65°C. Por lo tanto, puede ser preferido un intervalo de temperaturas de aproximadamente 60°C a aproximadamente 65°C, particularmente si la isomerasa de la glucosa y la celulasa se combinan y se utilizan de forma simultánea. Si no se usan juntos, entonces las temperaturas óptimas para cada enzima se pueden seleccionar.
El intervalo de pH óptimo para la actividad de isomerasa de glucosa es entre pH 7 y 9. Al igual que con la selección de la gama de temperaturas, en la práctica de esta invención puede ser preferible un pH más bajo, porque en algunos casos otros componentes del proceso pueden requerir una menor pH. Por ejemplo, las celulasas están activas en un intervalo de H de aproximadamente 3 a 7. Por tanto, el pH preferido para las enzimas combinadas es generalmente en o por debajo de pH 7. Si la isomerasa de la glucosa y la celulasa no se usan juntas, entonces el intervalo de pH óptimo para cada enzima puede ser seleccionado.
La glucosa isomerasa se puede añadir en cualquier cantidad. Por ejemplo, la concentración puede ser por debajo de aproximadamente 500 U/g de celulosa (menor que o igual a 100 U/g de celulosa, inferior o igual a 50 U/g de celulosa, inferior o igual a 10 U/g de celulosa, inferior que o igual a 5 u/g de celulosa) . La concentración puede ser al menos aproximadamente 0.1 U/g de celulosa a aproximadamente 500 U/g de celulosa, al menos aproximadamente 0.5 U/g de celulosa a aproximadamente 250 U/g de celulosa, al menos aproximadamente 1 U/g de celulosa a aproximadamente 100 U/g de celulosa, al menos aproximadamente 2 U/g de celulosa a aproximadamente 50 U/g de celulosa.
En algunos casos, la adición de una isomerasa de glucosa aumenta la cantidad de azúcares producidos por al menos 5% (por ejemplo, al menos 10%, al menos 15%, al menos 20%, al menos 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%.
Otro aditivo que se puede utilizar en la invención es, por ejemplo, una sustancia química que aumenta la actividad del agente de sacarificación. El producto químico puede ser, por ejemplo, un producto químico que facilita la transformación de Lobry -de-Bruyn-Van- Alberda-Van- Ekenstein (también llamada la transformación Lobry -de-Bruyn-Van-Ekenstein) . Esta reacción forma un enol de una aldosa que puede entonces formar una cetosa. Por ejemplo, en el intervalo de pH de 11 a 13 y a una temperatura de 20°C, alcalino catalizará la transformación de la D-glucosa en D-fructosa y D-manosa. Normalmente, la reacción es catalizada por base, pero también puede ser catalizada por ácido, o tener lugar en condiciones neutras. Al igual que con el uso de la glucosa isomerasa, esta reacción elimina eficazmente la glucosa .
Como otro ejemplo, un ácido se puede usar para catalizar la hidrólisis de la celobiosa. Mediante el uso de medios químicos para escindir la celobiosa en glucosa, en lugar de enzimáticos o microbianos medios, no se produce la inhibición de estas reacciones por la glucosa.
En otro ejemplo, el producto químico puede ser uno que reacciona con la glucosa, tal como un ácido borónico que se une preferentemente a cis -dioles.
El producto químico puede ser sobre un soporte, por ejemplo, por sulfonatos de poliestireno (tal como un AmberlystTM) o aminas de poliestireno. Los azúcares mixtos se pueden pasar a través de la química apoyada o flujo sobre ella. Por ejemplo, el producto químico puede ser un ácido borónico de poliestireno compatible. La glucosa puede ser atrapada como un borato por el soporte de poliestireno y luego se libera en una etapa posterior, mediante la adición de base, por ejemplo.
XILOSA ISOMERASA La xilosa isomerasa (ES 5.3.1.5) es una enzima que cataliza la reacción química de ida y vuelta entre la D-xilosa y D-xilulosa. También se conoce sistemáticamente como glucosa isomerasa y D-xilosa aldosa-cetosa isomerasa, y pertenece a una familia de isomerasas, específicamente las oxidoreductasas intramoleculares que interconvierten las aldosas y cetosas . Otros nombres en uso común incluyen D-xilosa isomerasa, D -xilosa cetoisomerasa y D -xilosa quetol-isomerasa. La enzima participa en interconversiones de pentosa y glucuronato y en el metabolismo de la fructosa y la mañosa. Se utiliza industrialmente para convertir la glucosa en fructosa en la fabricación de jarabe de maíz de alta fructosa. Se refiere a veces como "isomerasa de glucosa". La "xilosa isomerasa" y la "glucosa isomerasa" se usan indistintamente en el presente documento. In vitro, la glucosa isomerasa cataliza la interconversión de glucosa y fructosa. In vivo, cataliza la interconversión de xilosa y xilulosa .
Varios tipos de enzimas se consideran xilosa isomerasas. El primer tipo se produce a partir de Pseudomonas hydrophila. Esta enzima tiene 160 veces menor afinidad a la glucosa que a la xilosa pero no obstante es útil para aumentar la cantidad de fructosa en la presencia de glucosa. Un segundo tipo de enzima se encuentra en Escherichia intermedia. Esta enzima es una fofoglucosa isomerasa (EC 5.3.1.9) y puede isomerizar azúcar no fosforilado sólo en la presencia de arseniato. Una glucosa isomerasa (EC 5.3.16) puede ser aislado de Bacillus megaterium AI y está vinculado a NAD y es específica para la glucosa. Otra glucosa isomerasa que tiene una actividad similar se aisla de Paracolobacterium aerogenoides . Las glucosas isomerasas producida por bacterias del ácido heteroláctica requieren la xilosa como un inductor y son relativamente inestables a alta temperatura. La xilosa isomerasa (EC 5.3.1.5) es el más útil para aplicaciones comerciales, ya que no requiere cofactores caros, tales como NAD + o ATP y es relativamente estable al calor.
Las glucosas isomerasas se producen generalmente intercelularmente pero los informes de la secreción extracelular de glucosa isomerasas se conocen. La enzima utilizada se puede aislar de muchas bacterias, incluyendo pero no limitado a: Actinomyces olivocinereus, Actinomyces phaeochromogen.es, Actinoplanes missouriensis, Aerobacter aerogenes, Aerobacter cloacae, Aerobacter levanicum, Arthrobacter spp. , Bacillus stearothermophilus, Bacillus megabacterium, Bacillus coagulans, Bifidobacterium spp., Brevibacterium incertum, Brevibacterium pentosoaminoacidicum, Chainia spp., Corynebacterium spp., Cortobacterium helvolu , Escherichia freundii, Escherichia intermedia, Escherichia coli, Flavobacterium arborescens, Flavobacterium devorans, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus fermenti , Lactobacillus mannitopoeus, Lactobacillus gayonii, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus lycopersici , Lactobacillus pentosus, Leuconostoc mesenteroides, Microbispora rosea, Microellobosporia flavea, Micro onospora coerula, Mycobacterium spp. , Nocardia asteroides, Nocardia corallia, Nocardia dassonvillei , Paracolobacterium aerogenoides, Pseudonocardia spp. , Pseudo onas hydrophila, Sarcina spp., Staphylococcus biblia, Staphylococcus flavovirens, Staphylococcus echinatus, Streptococcus achromogenes, Streptococcus phaeochromogenes, Streptococcus fracliae, Streptococcus ros ochro ogenes, Streptococcus olivaceus, Streptococcus californicos, Streptococcus venuceus, Streptococcus virginial , Streptomyces olivochromogenes, Streptococcus venezaelie, Streptococcus wedmorensis, Streptococcus griseolus, Streptococcus glaucescens, Streptococcus bikiniensis, Streptococcus rubiginosus, Streptococcus achinatus, Streptococcus cinnamonensis, Streptococcus fradiae, Streptococcus albus, Streptococcus griseus, Streptococcus hivens, Streptococcus matensis, Streptococcus murinus, Streptococcus nivens, Streptococcus platensis, Streptosporangium album, Streptosporangium oulgare, Thermopolyspora spp. , Thermus spp. , Xanthomonas spp. y Zymononas mobilis.
La glucosa isomerasa puede ser utilizada libremente en solución o inmovilizada sobre un soporte para convertir la glucosa en fructosa. Las células enteras o las enzimas libres de células se pueden inmovilizar. La estructura de soporte puede ser cualquier material insoluble. Las estructuras de soporte pueden ser materiales catiónico, aniónico o neutros, por ejemplo dietilaminoetilo de celulosa, óxidos metálicos, cloruros metálicos, carbonatos metálicos y poliestirenos . La inmovilización puede llevarse a cabo por cualquier medio adecuado. Por ejemplo inmovilización puede llevarse a cabo poniendo en contacto el soporte y toda la célula o la enzima en un solvente tal como agua y después eliminar el solvente. El solvente se puede eliminar por cualquier medio adecuado, por ejemplo filtración o evaporación o secado por aspersión. Como otro ejemplo, secado por aspersión de las células enteras o enzima con un apoyo puede ser eficaz.
La glucosa isomerasa también puede estar presente en una célula viva que produce la enzima durante el proceso. Por ejemplo, una glucosa isomerasa que produce la bacteria puede ser co-cultivadas en el proceso con una bacteria que fermenta el etanol . Alternativamente, la bacteria que produce glucosa-isomerasa pueden ser contactadas en primer lugar con el sustrato, seguido por la inoculación con un sustrato que produce etanol .
La glucosa isomerasa también puede estar presente dentro de o secretado de una célula también capaz de una transformación adicional útil de azúcares. Por ejemplo, una especie que fermenta la glucosa puede ser modificada genéticamente para contener y expresar el gen para la producción de glucosa isomerasa.
I. TRATAMIENTO DE MATERIAL DE BIOMASA A. BOMBARDEO DE PARTÍCULAS Uno o más tratamientos con bombardeo de partículas energéticas se pueden utilizar para procesar materia prima en bruto a partir de una amplia variedad de diferentes fuentes para extraer sustancias útiles a partir de la materia prima, y para proporcionar material orgánico parcialmente degradado que funciona como entrada a etapas de procesamiento adicionales y/o secuencias. El bombardeo de partículas puede reducir el peso molecular y/o cristalinidad de la materia prima. En algunas modalidades, energía depositada en un material que libera un electrón de su orbital atómico puede ser utilizado para tratar los materiales. El bombardeo puede ser proporcionado por las partículas cargadas pesadas (como las partículas alfa o protones) , electrones (producidos, por ejemplo, en la desintegración beta o aceleradores de haces de electrones) o radiación electromagnética (por ejemplo, rayos gamma, rayos X, o los rayos ultravioletas). Alternativamente, la radiación producida por las sustancias radiactivas se puede utilizar para tratar el material de alimentación. Cualquier combinación, en cualquier orden, o simultáneamente de estos tratamientos pueden ser utilizados. En otro enfoque, la radiación electromagnética (por ejemplo, producido usando emisores de haz de electrones) se puede utilizar para el tratamiento de la materia prima.
Cada forma de energía ioniza la biomasa a través de interacciones específicas. Las partículas cargadas pesadas ionizan principalmente materia a través de la dispersión de Coulomb; además, estas interacciones producen electrones energéticos que pueden ionizar más importa. Las partículas alfa son idénticas al núcleo de un átomo de helio y son producidos por la desintegración alfa de varios núcleos radiactivos, tales como los isótopos de bismuto, polonio, astato, radón, francio, radio, varios act nidos, como actinio, torio, uranio, neptunio, el curio, el californio, el americio y el plutonio.
Cuando se utilizan partículas, pueden ser neutros (sin carga) , con carga positiva o carga negativa. Cuando se cargan, las partículas cargadas pueden soportar una sola carga positiva o negativa, o múltiples cargos, por ejemplo, uno, dos, tres o incluso cuatro o más cargos. En casos en los que se desea la escisión de la cadena, positivamente las partículas cargadas pueden ser deseables, en parte, debido a su naturaleza ácida. Cuando se utilizan partículas, las partículas pueden tener la masa de un electrón en reposo, o mayor, por ejemplo, 500, 1000, 1500, o 2000 o más veces la masa de un electrón en reposo. Por ejemplo, las partículas pueden tener una masa de alrededor de 1 unidad atómica a alrededor de 150 unidades atómicas, por ejemplo, de aproximadamente 1 unidad atómica a alrededor de 50 unidades atómicas, o de aproximadamente 1 a aproximadamente 25, por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 o 15 unidades atómicas. Los aceleradores se utilizan para acelerar las partículas pueden ser electrostática DC, DC electrodinámico, lineal de RF, lineal inducción magnética o de onda continua. Por ejemplo, los aceleradores de tipo ciclotrón están disponibles de IBA (Ion Beam Aceleradores, Louvain- la- Neuve, Bélgica) , tales como el sistema Rhodotron™, mientras que los aceleradores de tipo DC están disponibles de RDI, ahora IBA Industrial, como el Dynamitron™. Los iones y aceleradores de iones se discuten en Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William T. , "Overview of Light-Ion Beam Therapy" , Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 Mar. 2006; Iwata, Y. et al., MAlternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators" , Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland; and Leitner, C. M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria.
Las dosis utilizadas dependen del efecto deseado y de la carga de alimentación en particular. Por ejemplo, altas dosis pueden romper los enlaces químicos dentro de los componentes de materia prima y dosis bajas pueden aumentar la unión química (por ejemplo, reticulación) dentro de los componentes de materia prima.
En algunos casos, cuando la escisión de cadena es deseable y/o funcionalización de cadena polimérica es deseable, las partículas más pesadas que los electrones, como los protones, núcleos de helio, iones de argón, iones de silicio, iones de neón, iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxigeno o iones de nitrógeno se pueden utilizar. Cuando se desea la apertura de anillo escisión de la cadena, las partículas cargadas positivamente se pueden utilizar por sus propiedades de ácido de Lewis para mejorar la escisión de la cadena de apertura de anillo. Por ejemplo, cuando se desean grupos funcionales que contienen oxígeno, el tratamiento en presencia de oxígeno o incluso el tratamiento con iones de oxígeno se puede realizar. Por ejemplo, cuando los grupos funcionales que contienen nitrógeno son deseables, el tratamiento en presencia de nitrógeno o incluso el tratamiento con iones de nitrógeno se puede realizar.
B. OTRAS FORMAS DE ENERGÍA Los electrones interactúan a través de la dispersión de Coulomb y la radiación bremsstrahlung producidas por los cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que se someten a la desintegración beta, tales como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. Alternativamente, un cañón de electrones se puede utilizar como una fuente de electrones a través de la emisión termoiónica .
La radiación electromagnética interactúa a través de tres procesos: absorción fotoeléctrica, la dispersión Compton y producción de pares. La interacción dominando está determinada por la energía de la radiación incidente y el número atómico del material . La suma de las interacciones que contribuyen a la radiación absorbida en el material celulósico puede ser expresada por el coeficiente de absorción de masa.
La radiación electromagnética se subclasifica como rayos gamma, rayos X, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, microondas, ondas de radio o, dependiendo de la longitud de onda .
Por ejemplo, la radiación gamma puede ser empleado para el tratamiento de los materiales. La radiación gamma tiene la ventaja de una profundidad de penetración significativa en una variedad de material en la muestra. Las fuentes de rayos gamma incluyen núcleos radiactivos, tales como los isótopos de cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, criptón, samario, selenio, sodio, talio, y xenón.
Las fuentes de rayos X incluyen la colisión de haces de electrones con los objetivos de metal, como el tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes de luz compactas, como las producidas comercialmente por los Linces.
Las fuentes de radiación ultravioleta incluyen lámparas de deuterio o de cadmio.
Las fuentes de radiación infrarroja incluyen zafiro, zinc, o lámparas de cerámica ventanas de seleniuro.
Las fuentes de microondas incluyen klistrones, fuentes de RF de tipo Slevin, o fuentes de haz que emplean átomo de hidrógeno, oxígeno, o gases de nitrógeno.
Varios otros dispositivos se pueden utilizar en los métodos descritos en el presente, incluidas las fuentes de ionización de campo, separadores electrostáticos, generadores de iones de ionización de campo, las fuentes de emisión termoiónica, fuentes de iones de descarga de microondas, de recirculación o aceleradores estáticas, aceleradores lineales dinámicos, furgoneta aceleradores de Graaff, y doblada en tándem aceleradores. Tales dispositivos se describen, por ejemplo, en la Patente de E.U. Na 7,931,784 B2 , la descripción completa de la cual se incorpora en el presente por referencia.
C. BOMBARDEO ELECTRÓNICO 1. HAZ DE ELECTRONES El material de alimentación se puede tratar con bombardeo de electrones para modificar su estructura y por lo tanto reducir su recalcitrante. Tal tratamiento puede, por ejemplo, reducir el peso molecular promedio del material de alimentación, cambiar la estructura cristalina de la materia prima, y/o aumentar el área superficial y/o porosidad de la materia prima.
El bombardeo de electrones a través de un haz de electrones se prefiere generalmente, ya que proporciona un rendimiento muy alto y porque el uso de un dispositivo relativamente baja/alta potencia voltaje del haz de electrones elimina la necesidad de costosos blindaje bóveda de hormigón, ya que tales dispositivos son " auto- blindado " y proporcionar un procedimiento seguro, eficaz. Mientras que los dispositivos de "auto-blindado" hacen incluir blindaje (por ejemplo, placa de blindaje de metal), que no requieren la construcción de una bóveda de hormigón, reduciendo en gran medida los gastos de capital y con frecuencia lo que permite una instalación de fabricación existente para ser utilizado sin modificaciones costosas. Los aceleradores de haces de electrones están disponibles, por ejemplo, de la IBA (Ion Beam Applications, Louvain- la- Neuve, Bélgica), Titán Corporation (San Diego, California, E.U.), y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) .
El bombardeo electrónico se puede realizar usando un dispositivo de haz de electrones que tiene una energía nominal de menos de 1.60 julios, por ejemplo, menos de 1.12 julios, menos de 8.01 julios, o menos de 3.20 julios, por ejemplo, desde alrededor de 8.01 a 2.40 julios, desde aproximadamente 1.28 hasta 2.88 julios, de aproximadamente 1.12 a 1.60 julios, o de aproximadamente 1.60 a 4.80 julios. En algunas implementaciones de la energía nominal es de aproximadamente 8.01 a 1.28 julios.
El haz de electrones puede tener una potencia relativamente alta total de haz (la potencia combinada de haz de todas las cabezas de aceleración, o, si se utilizan múltiples aceleradores, de todos los aceleradores y todas las cabezas) , por ejemplo, al menos 25 kW, por ejemplo, en menos 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125, o 150 kW. En algunos casos, la potencia es incluso tan alta como 500 kW, 750 kW, o incluso 1.000 kW o más. En algunos casos, el haz de electrones tiene una energía de haz de 1,200 kW o más.
Esta potencia total del haz de alta se consigue normalmente mediante la utilización de múltiples cabezas de aceleración. Por ejemplo, el dispositivo de haz de electrones puede incluir dos, cuatro, o más cabezas de aceleración. El uso de múltiples cabezales, cada uno de los cuales tiene una potencia de haz relativamente baja, evita elevación excesiva de temperatura en el material, evitando de este modo la quema del material, y también aumenta la uniformidad de la dosis a través del espesor de la capa de material .
En algunas implementaciones , es deseable enfriar el material durante el bombardeo de electrones. Por ejemplo, el material puede ser enfriado mientras está siendo transportado, por ejemplo, mediante un extrusor de tornillo o de otro equipo de transporte.
Para reducir la energía requerida por el proceso de obstinación-reductor, es deseable tratar el material lo más rápidamente posible. En general, se prefiere que se lleva a cabo el tratamiento a una tasa de dosis de más de aproximadamente 0.25 Mrad por segundo, por ejemplo, mayor que aproximadamente 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 5, 7, 10, 12, 15, o incluso mayor que aproximadamente 20 Mrad por segundo, por ejemplo, de aproximadamente 0.25 a 2 mrad por segundo. Las tasas de dosis más altas generalmente requieren velocidades de línea más altas, para evitar la descomposición térmica del material. En una implementación, el acelerador está ajustado para 3 MeV, 50 de corriente de haz mAmp, y la velocidad de la línea es de 7.31 metros/minuto, para un espesor de muestra de aproximadamente 20 mm (por ejemplo, material de mazorca de maíz triturada con una densidad aparente de 0.5 g/cm3) .
En algunas modalidades, bombardeo de electrones se lleva a cabo hasta que el material recibe una dosis total de por lo menos 0.5 Mrad, por ejemplo, al menos 5, 10, 20, 30 o al menos 40 Mrad. En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento hasta que el material recibe una dosis de aproximadamente 0.5 Mrad y aproximadamente 150 Mrad, aproximadamente 1 Mrad hasta aproximadamente 100 Mrad, sobre 2 Mrad hasta aproximadamente 75 Mrad, 10 Mrad hasta aproximadamente 50 Mrad, por ejemplo, acerca 5 Mrad hasta aproximadamente 50 Mrad, de aproximadamente 20 Mrad hasta aproximadamente 40 Mrad, aproximadamente 10 Mrad hasta aproximadamente 35 Mrad, o de aproximadamente 25 Mrad hasta aproximadamente 30 Mrad. En algunas implementaciones , se prefiere una dosis total de 25 a 35 Mrad, aplica idealmente durante un par de segundos, por ejemplo, a 5 Mrad/paso con cada paso, siendo aplicada durante aproximadamente un segundo. La aplicación de una dosis de más de 7 a 8 Mrad/paso puede en algunos casos causar la degradación térmica del material de materia prima.
El uso de múltiples cabezas como se discutió anteriormente, el material puede ser tratado en múltiples pasadas, por ejemplo, dos pases en 10 a 20 Mrad/paso, por ejemplo, de 12 a 18 Mrad/paso, separados por unos pocos segundos de enfriamiento o tres pases de 7 a 12 Mrad/paso, por ejemplo, del 9 al 11 Mrad/paso. Como se discutió anteriormente, el tratamiento del material con varias dosis relativamente bajas, en lugar de una dosis alta, tiende a evitar el sobrecalentamiento del material y también aumenta la uniformidad de la dosis a través del espesor del material. En algunas implementaciones , el material se agita o se mezcla de otro modo durante o después de cada pasada y luego se alisó en una capa uniforme de nuevo antes de la siguiente pasada, para mejorar aún más la uniformidad de tratamiento.
En algunas modalidades, los electrones son acelerados a, por ejemplo, una velocidad de más de 75 por ciento de la velocidad de la luz, por ejemplo, mayor que 85, 90, 95, o 99 por ciento de la velocidad de la luz.
En algunas modalidades, cualquier proceso descrito en el presente se presenta el material lignocelulósico que permanece seco como adquirido o que se ha secado, por ejemplo, el uso de calor y/o presión reducida. Por ejemplo, en algunas modalidades, la celulosa y/o material lignocelulósico tiene menos de aproximadamente cinco por ciento en peso agua retenida, medida a 25°C y a una humedad relativa del cincuenta por ciento.
El bombardeo electrónico se puede aplicar mientras que la celulosa y/o material lignocelulósico se expone al aire, aire enriquecido en oxígeno, o incluso oxígeno en sí, o cubrió por un gas inerte tal como nitrógeno, argón, o helio. Cuando se desea la máxima oxidación, se utiliza un entorno oxidante, tal como aire u oxígeno y la distancia desde la fuente de haz se optimiza para maximizar la formación de gas reactivo, por ejemplo, ozono y/o los óxidos de nitrógeno.
En algunas modalidades, se utilizan dos o más fuentes de electrones, tal como dos o más fuentes ionizantes. Por ejemplo, las muestras pueden ser tratadas, en cualquier orden, con un haz de electrones, seguido por la radiación gamma y la luz UV que tiene longitudes de onda de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 280 nm. En algunas modalidades, las muestras se tratan con tres fuentes de radiación ionizante, como un haz de electrones, radiación gamma, y la luz UV enérgica. La biomasa se transporta a través de la zona de tratamiento donde puede ser bombardeada con electrones. En general, se prefiere que el lecho de material de biomasa tenga un espesor relativamente uniforme, tal como se describe anteriormente, mientras que se está tratando .
Puede ser favorable que repetir el tratamiento para reducir más a fondo la obstinación de la biomasa y/o modificar aún más la biomasa. En particular, los parámetros del proceso se pueden ajustar después de una primera pasada (por ejemplo, segunda, tercera, cuarta o más) dependiendo de la obstinación del material. En algunas modalidades, una cinta transportadora se puede utilizar, que incluye un sistema circular donde la biomasa es transportada múltiples veces a través de los diversos procedimientos descritos anteriormente. En algunas otras modalidades múltiples dispositivos de tratamiento (por ejemplo, generadores de haces de electrones) se utilizan para tratar el múltiplo de biomasa (por ejemplo, 2, 3, 4 o más) veces. En otras modalidades, un único generador de ha2 de electrones puede ser la fuente de múltiples haces (por ejemplo, 2, 3, o más haces) que se puede utilizar para el tratamiento de la biomasa .
La eficacia en el cambio de la estructura molecular/supramolecular y/o la reducción de la obstinación del material de la biomasa depende de la energía de electrones utilizados y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposición depende de la potencia y dosis.
En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento (con cualquier fuente de electrones o una combinación de fuentes) hasta que el material recibe una dosis de al menos aproximadamente 0.05 Mrad, por ejemplo, al menos aproximadamente 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, o 200 Mrad. En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento hasta que el material recibe una dosis de entre 0.1-100 Mrad, 1-200, 5-200, 10-200, 5-150, 5-100, 5-50, 5-40, 10 -50, 10-75, 15-50, 20-35 Mrad.
En algunas modalidades, el tratamiento se realiza a una tasa de dosis de entre 5.0 y 1500.0 kilorads/hora, por ejemplo, entre 10.0 y 750.0 kilorads/hora o entre 50,0 y 350.0 kilorads/hora. En otras modalidades que se realiza el tratamiento a una tasa de dosis de entre 10 y 10 000 kilorads/h, entre 100 y 1000 kilorad/h, o entre 500 y 1.000 kilorads/hr . 2. FUENTES DE ELECTRONES Los electrones interactúan a través de la dispersión de Coulomb y la radiación bremsstrahlung producido por los cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que se someten a la desintegración beta, tales como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. Alternativamente, un cañón de electrones se puede utilizar como una fuente de electrones a través de la emisión termoiónica y acelera a través de un potencial de aceleración. Un cañón de electrones genera electrones, los acelera a través de un gran potencial (por ejemplo, mayor que aproximadamente 500,000, más de aproximadamente 1 millón, mayor que aproximadamente 2 millones, mayor que aproximadamente 5 millones, más de aproximadamente 6 millones, más de aproximadamente 7 millones, mayor de aproximadamente 8 millones, más de aproximadamente 9 millones, o incluso mayor de 10 millones de voltios) y luego los analiza magnéticamente en el plano xy, donde los electrones son acelerados inicialmente en la dirección z hacia abajo del tubo y se extrajeron a través de una ventana de papel de aluminio. El escaneado del haz de electrones es útil para aumentar la superficie de irradiación cuando la irradiación de materiales, por ejemplo, una biomasa, que es transportada a través del haz explorado. El escaneado del haz de electrones también distribuye la carga térmica homogénea en la ventana y ayuda a reducir la ruptura de ventana de lámina debido al calentamiento local por el haz de electrones . La ruptura lámina de ventana es una causa de tiempo de inactividad significativo debido a las reparaciones necesarias posteriores y de re-arrancar el cañón de electrones .
Otros dispositivos de irradiación se pueden utilizar en los métodos descritos en el presente, incluidas las fuentes de ionización de campo, separadores electrostáticos, generadores de iones de ionización de campo, fuentes de emisión termoiónica, fuentes de iones de descarga de microondas, de recirculación o aceleradores estáticas, aceleradores lineales dinámicos, de Van de Graaff aceleradores y aceleradores tándem dobladas. Tales dispositivos se describen, por ejemplo, en la Patente de E.U. N2 7,931,784 a Medoff, cuya descripción completa se incorpora en el presente por referencia.
Un haz de electrones se puede utilizar como la fuente de radiación. Un haz de electrones tiene las ventajas de las tasas de dosis altas (por ejemplo, 1, 5, o incluso 10 Mrad por segundo) , de alto rendimiento, menos contención y menos equipo confinamiento. Los haces de electrones también pueden tener alta eficiencia eléctrica (por ejemplo, 80%) , lo que permite el uso de energía más baja en relación con otros métodos de radiación, que puede traducirse en un menor costo de operación y las emisiones de gases de efecto invernadero correspondientes a la menor cantidad de energía utilizada. Los haces de electrones se pueden generar, por ejemplo, por los generadores electrostáticos, generadores de cascada, generadores de transformadores, aceleradores de baja energía con un sistema de barrido, aceleradores de baja energía con un cátodo lineal, aceleradores lineales, y aceleradores de impulsos .
Los electrones también pueden ser más eficientes en causando cambios en la estructura molecular de los materiales de biomasa, por ejemplo, por el mecanismo de escisión de la cadena. Además, los electrones tienen energías de 8.01-1.60 julios pueden penetrar materiales de baja densidad, tales como los materiales de la biomasa descritos en el presente documento, por ejemplo, materiales que tienen una densidad aparente de menos de 0.5 g/cm3, y una profundidad de 0.3 a 10 cm. Los electrones como una fuente de radiación ionizante pueden ser útiles, por ejemplo, para las pilas relativamente delgadas, capas o lechos de materiales, por ejemplo, menos de aproximadamente 1.27 cm, por ejemplo, menos de aproximadamente 1.01 cm, 0.76 cm, 0.63 cm, o menos de aproximadamente 0.25 cm. En algunas modalidades, la energía de cada electrón del haz de electrones es de alrededor de 4.80 julios a alrededor de 3.20 julios (millones de electrón voltios), por ejemplo, de alrededor de 8.01 julios a alrededor de 2.40 julios, o de aproximadamente 1.12 julios a alrededor de 2.00 julios. Los métodos de materiales de irradiación se discuten en la patente de E.U. App. Pub. 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre del 2011, toda la descripción de la cual se incorpora en el presente como referenci .
Los dispositivos de electrones de irradiación de haz pueden ser adquiridos comercialmente de Ion Beam Applications (Louvain- la- Neuve, Bélgica) , el Titán Corporation (San Diego, California, USA) , y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) . Las energías de electrones típicas pueden ser de 8.01 julios, 1.60 julios, 3.20 julios, 7.20 julios, 1.20 julios, o 1.60 julios. La irradiación de haz de electrones de energía del dispositivo típica puede ser de 1 KW, 5 KW, 10 KW, 20 KW, 50 KW, 60 KW, 70 KW, 80 KW, 90 KW, 100 KW, 125 KW, 150 KW, 175 KW, 200 KW, 250 KW, 300 KW, 350 KW, 400 KW, 450 KW, 500 KW, 600 KW, 700 KW, 800 KW, 900 KW o incluso 1.000 KW.
Los compensaciones al considerar la irradiación de haz especificaciones de energía de dispositivos electrónicos incluyen el costo de operar, los costos de capital, depreciación, y la huella de dispositivo. Las compensaciones en el examen de los niveles de dosis de exposición de radiación de haz de electrones serían los costos de energía y el medio ambiente, la seguridad, y (ESH) problemas de salud. Típicamente, los generadores están alojados en una caja fuerte, por ejemplo, de plomo o de hormigón, especialmente para la producción de rayos X que se generan en el proceso. Las compensaciones en el examen de energías de electrones incluyen los costos de energía.
El dispositivo de irradiación de haz de electrones puede producir un haz fijo o un haz de exploración. Un haz de exploración puede ser favorable con gran longitud de barrido de exploración y altas velocidades de exploración, ya que esto reemplazaría efectivamente un gran ancho de haz fijo. Además, las anchuras de barrido disponibles de 0.5 ra, 1 m, 2 m o más están disponibles. El haz de exploración se prefiere en la mayoría de las modalidades descritas en el presente documento debido a la anchura de barrido más grande y reducida posibilidad de calentamiento local y el fracaso de las ventanas . 3. CAÑONES DE ELECTRONES - VENTANAS Cuando se trata con un cañón de electrones, la biomasa se irradia a medida que pasa debajo de una ventana, que generalmente es una lámina metálica (por ejemplo, titanio, aleación de titanio, aluminio y/o silicio) . La ventana es impermeable a los gases, sin embargo, los electrones pueden pasar con una baja resistencia a dejar de ser impermeable a los gases. Las ventanas de aluminio son, preferiblemente, entre aproximadamente 10 y 100 mieras de espesor (por e emplo, una ventana puede ser de 10 mieras de espesor, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 ó 100 mieras de espesor) . Windows Thin disipan menos energía como un haz de electrones pasa a través de ellos (por ejemplo, el calentamiento por resistencia es menor ya que el poder = I2R) que es favorable con respecto a la irradiación del material objetivo (por ejemplo, biomasa) con tanta energía como sea posible. Ventanas delgadas son también menos mecánicamente fuerte y más probabilidades de fracasar que provoca el aumento de gasto y más tiempo de inactividad del equipo.
La ventana de lámina puede ser enfriado haciendo pasar aire o un gas inerte sobre la ventana. Cuando se utiliza un recinto, se prefiere generalmente para montar la ventana a la caja y para enfriar la ventana desde el lado exterior del sistema de transporte cerrado para evitar trazado por cualquier partícula de material que está siendo irradiado .
El sistema puede incluir más de una ventana, por ejemplo, una ventana principal y una ventana secundaria. Las dos ventanas pueden formar el recinto para almacenar los gases de purga y/o los gases de enfriamiento. La ventana secundaria puede servir una función como una ventana de "sacrificial", para proteger la ventana principal. El aparato de haz de electrones incluye un vacío entre la fuente de electrones y la ventana principal, y la rotura de la ventana primaria es probable que cause material de biomasa a ser aspirado hacia arriba en el aparato de haz de electrones, lo que resulta en daños, los costos de reparación, y tiempo muerto del equipo.
La ventana puede ser un polímero, de cerámica, revestimiento cerámico, compuesto o recubierto. La ventana secundaria puede ser, por ejemplo, una hoja/rollo continuos de polímero o polímero recubierto, que se puede hacer avanzar de forma continua o a intervalos para proporcionar una sección limpio o nuevo para servir como la ventana secundari .
La ventana principal y la ventana secundaria se pueden hacer del mismo material, o de materiales diferentes. Por ejemplo, la lámina de ventana primaria se puede hacer de titanio, escandio, vanadio, cromo, níquel, circonio, niobio, molibdeno, rutenio, rodio, paladio, hafnio, tántalo, tungsteno, renio, platino, iridio, o aleaciones o mezclas de cualquiera de estos. La ventana de tipo única lámina secundaria se puede hacer de titanio, escandio, vanadio, cromo, níquel, circonio, niobio, molibdeno, rutenio, rodio, paladio, hafnio, tántalo, tungsteno, renio, platino, iridio, berilio, aluminio, silicio, o aleaciones o mezclas de cualquiera de éstos. Las ventanas primarios y secundarios pueden ser del mismo material, mezcla de materiales, o de una aleación, o de diferentes materiales, o mezclas de material de aleaciones . Una o ambas de las ventanas pueden ser laminados de la misma de diferentes materiales, mezclas de materiales o aleaciones .
Una de varias de las ventanas puede tener una estructura de apoyo a través de su cara. El término "ventana de tipo único", como se usa en el presente, significa una ventana sin ninguna estructura de apoyo a través de su cara. El término "ventana de tipo doble", como se usa en el presente, significa una ventana con una estructura de soporte a través de su cara, donde la estructura de soporte divide efectivamente la superficie de la ventana en dos partes . Tal una ventana de tipo doble se muestra en la Patente de E.U. N-5,877,582 de Nishimura. Las estructuras de soporte adicionales también se pueden utilizar.
La hoja de la ventana principal y la hoja de la ventana secundaria pueden ambos ser hechas de baja del elemento Z. Alternativamente, la lámina de ventana primaria se puede hacer de un elemento de alto Z, y la hoja de ventana secundaria puede estar hecho de un elemento de baja Z.
Las modalidades descritas en el presente documento no se oponen a la inclusión de ventanas adicionales, que pueden tener una función protectora, o pueden ser incluidos para modificar la exposición a la radiación.
Las ventanas pueden ser cóncava, plana o convexa. En general, se prefiere que la ventana sea ligeramente convexa, en una dirección lejos de la dirección del fluido de enfriamiento. Esta curvatura mejora la resistencia mecánica de la ventana y aumenta los niveles de temperatura permitidos así como permitir una trayectoria de flujo mejor para el fluido de refrigeración. En el lado de la bocina de barrido la curvatura tiende a ser hacia el vacío (por ejemplo, distancia desde el fluido de refrigeración) debido al vacío (por ejemplo, aproximadamente 10"5 a 10~10 Torr, aproximadamente 1CT6 a 10"9 torr, acerca de 1CT7 a 10"8 torr) .
El enfriamiento de la ventana y/o la forma cóncava de la ventana vuelto especialmente importante para corrientes de haz altas, por ejemplo al menos aproximadamente 100 mA corrientes cañón de electrones (por ejemplo, al menos aproximadamente 110 mA, por lo menos aproximadamente 120 mA, por lo menos aproximadamente 130 mA, por lo menos aproximadamente 140 mA, por lo menos aproximadamente 150 mA al menos aproximadamente 200 mA, por lo menos aproximadamente 500 mA, por lo menos aproximadamente 1,000 mA) porque calentamiento resistivo está aproximadamente relacionado con el cuadrado de la corriente como se discutió anteriormente. Las ventanas pueden ser de cualquier forma, pero normalmente son aproximadamente rectangular con una alta relación de aspecto de la anchura a la longitud (en donde la dirección de la anchura es la misma que la anchura del sistema de transporte perpendicular a la dirección de transporte, y la longitud es la misma que la dirección de transporte) . La distancia de la ventana para el material transportado puede ser menor que aproximadamente 10 cm (por ejemplo, menos de aproximadamente 5 cm) y más de aproximadamente 0,1 cm (por ejemplo, más de alrededor de 1 cm, más de aproximadamente 2 cm, más de aproximadamente 3 cm, más de unos 4 cm) . También es posible utilizar múltiples ventanas (por ejemplo, 3, 4, 5, 6 o más) con diferentes y variadas formas y configurado de diferentes maneras. Por ejemplo, una ventana de lámina primaria o secundaria puede incluir uno, dos o más ventanas en el mismo plano o en capas y puede incluir una o más estructuras de apoyo. Por ejemplo estructuras de apoyo pueden ser una barra o una rejilla en el mismo plano y en contacto con las ventanas .
En algunas modalidades, la ventana que está montado sobre el sistema de transporte cerrado es una lámina de ventana secundaria de un sistema de extracción de dos lámina de ventana para un haz electrónico de barrido. En otras modalidades no hay ninguna caja para transportar el material de biomasa, por ejemplo, la biomasa se transporta en el aire en el dispositivo de irradiación.
Un sistema de extracción de ventana de dos hoja para un haz electrónico de barrido tiene dos ventanas, una ventana primaria y secundaria. Generalmente, la ventana primaria es más cercana a la fuente de electrones, y es cóncava hacia la parte superior de la bocina de barrido debido al vacío en ese lado de la ventana. La lámina de ventana secundaria tiende a ser más planas, pero también es cóncava en la misma dirección. Esta curvatura ayuda a proporcionar soporte estructural a la ventana y es mecánicamente más fuerte que una ventana plana. Alternativamente, las ventanas pueden ser plana o curvada en cualquier dirección. Las láminas de la ventana son típicamente al menos aproximadamente 10 mieras de espesor a aproximadamente 30 mieras de espesor (por ejemplo, cerca de 15-40 mieras, alrededor de 20-30 mieras, aproximadamente 5-30 mieras, aproximadamente 8-25 mieras, cerca de 10-20 mieras, sobre 20-25 mieras de espesor) . La distancia entre la superficie frontal de la hoja de ventana principal y la superficie posterior de la lámina de ventana secundaria es preferiblemente inferior a 30 cm, más preferiblemente menos de 20 cm, y lo más preferiblemente menos de 10 cm. Las paredes laterales, en combinación con las ventanas primarias y secundarias, pueden definir un espacio interior. Los electrones viajan a través de las dos ventanas para incidir sobre y penetrar en el material (por ejemplo, biomasa) dispuesto por debajo. Un primer orificio de entrada puede ser incluido en una pared lateral puede estar dispuesto para permitir que un fluido de refrigeración (por ejemplo, un líquido o un gas) para incidir sobre la lámina de ventana primaria. El fluido de refrigeración puede funcionar a lo largo de la ventana y luego invertir la dirección en la satisfacción de la (opuesto) de la pared a lo largo y fluir de nuevo en general a través del centro del espacio interior y luego hacia fuera a través de un puerto de salida de escape y o. Una segunda entrada puede ser incluido en la pared lateral y puede estar dispuesto para permitir que el fluido de refrigeración para incidir sobre la lámina de ventana secundaria de una manera similar. Opcionalmente más entradas (por ejemplo, 2, 3, 4, 5, 6 o más) pueden traer fluido de refrigeración a las superficies de las ventanas primarias y secundarias y múltiples salidas (por ejemplo, 2, 3, 4, 5, 6 o más) puede permitir que el fluido de enfriamiento para salir del espacio interior. En algunas modalidades una o más paredes laterales pueden incluso ser una malla, pantalla o rejilla con muchas aberturas a través de la cual el gas de refrigeración puede fluir mientras que proporciona soporte estructural a las ventanas.
Tales sistemas de ventanas se describen en E.U.
App. Provisional. N2 61/711,801, por Medoff et al., Que fue presentada el 10 de octubre de 2012, todo el contenido de la cual se incorporan en el presente por referencia. Una variedad de configuraciones para un sistema de este tipo también se conoce por los técnicos ordinarios en la técnica. 4. CAÑONES DE ELECTRONES - ESPACIO DE VENTANAS Aunque una gran separación entre las ventanas puede ser favorable, por ejemplo, por las razones descritas anteriormente, la gran separación plantea algunas desventajas. Una desventaja de una gran separación entre ventanas es que los haces de electrones pasarán a través de un mayor volumen de gas que puede causar pérdidas de energía de refrigeración. Por ejemplo, un haz 1.60 julios pierde aproximadamente 0.2 MeV/M de la energía, un haz 8.01 julios pierde aproximadamente 0.23 MeV/M y un haz 1.60 julios pierde aproximadamente 0.26 MeV/M. Por lo tanto con un haz de 1.60 julios de electrones que pasan a través de 1 cm de aire, el haz pierde sólo el 0.2% de su energía, a 10 cm de aire, el haz pierde 2% de su energía, a 20 cm de esto es 4% de su energía, mientras que en 50 cm de la pérdida de energía es 10%. Puesto que los electrones también tienen que viajar desde la ventana de aluminio secundario a la biomasa a través de aire adicional, la brecha entre las ventanas debe ser cuidadosamente controlada. Preferiblemente, las pérdidas de energía son menos que alrededor del 20% (por ejemplo, menos de 10%, menos de 5% o incluso menos de 1%) . Por lo tanto, es favorable para reducir al mínimo la separación entre las ventanas para disminuir las pérdidas de energía. El espaciamiento óptimo (por ejemplo, separación media) entre las ventanas (por ejemplo, entre el lado de la superficie de la lámina de ventana de electrones y la superficie enfrentada de la lámina de ventana secundaria) para el beneficio de enfriamiento como se describe anteriormente y para el beneficio de reducir la pérdida de energía están entre aproximadamente 2 y 20 cm (por ejemplo, entre 3 y 20 cm, entre aproximadamente 4 y 20 cm, entre aproximadamente 5 y 20 cm, entre aproximadamente 6 y 20 cm, entre aproximadamente 7 y 20 cm, entre aproximadamente 8 y 20 cm, entre aproximadamente 3 y 15 cm, entre aproximadamente 4 y 15 cm, entre aproximadamente 5 y 15 cm, entre aproximadamente 6 y 15 cm, entre aproximadamente 7 y 15 cm, entre aproximadamente 8 y 15 cm entre aproximadamente 3 y 10 cm, entre aproximadamente 4 y 10 cm, entre aproximadamente 5 y 10 cm, entre aproximadamente 6 y 10 cm, entre aproximadamente 7 y 10 cm, entre aproximadamente 8 y 10 cm) .
Un técnico normal en la materia equilibrar las ventajas y desventajas de espaciado de ventana para adaptarse a sus necesidades.
En algunas modalidades de estructuras de apoyo para las ventanas se puede utilizar a través de las ventanas, aunque este tipo de estructuras son menos preferidos debido a las pérdidas de energía que se pueden producir al haz de electrones ya que ataca este tipo de estructuras.
Una gran separación entre las ventanas puede ser favorable, ya que define un volumen más grande entre las ventanas y permite un rápido flujo de un gran volumen de gases de refrigeración para enfriamiento muy eficiente. Las entradas y salidas son entre 1 mm y 120 mm de diámetro (por ejemplo, aproximadamente 2 mm, aproximadamente 5 mm alrededor de 10 mm, aproximadamente 20 mm, aproximadamente 50 mm o incluso de 100 mm) . El flujo de gas de refrigeración puede ser entre aproximadamente 500-2500 CFM (por ejemplo, aproximadamente 600 a 2.500 CFM, sobre 700-2500 CFM, sobre 800 hasta 2500 CFM, sobre 1000-2500 CFM, acerca de 600 a 2000 CFM, sobre 700-2000 CFM, aproximadamente 800 a 2,000 pcm, sobre 1000-2000 CFM, acerca de 600 a 1500 CFM, sobre 700-1500 CFM, acerca de 800 a 1500 CFM, sobre 1000-1500 CFM) . En algunas modalidades, aproximadamente el 50% del gas se intercambia por cerca de 60 segundos o menos (por ejemplo, en aproximadamente 50 segundos o menos, en aproximadamente 30 segundos o menos, en aproximadamente 10 segundos o menos, en aproximadamente 1 segundo o menos) . 5. CAÑONES DE ELECTRONES -REFRIGERACIÓN Y PURGAR LOS GASES El gas de refrigeración en el sistema de extracción de dos lámina de ventana puede ser un gas de purga o de una mezcla, por ejemplo aire, o un gas puro. En una modalidad, el gas es un gas inerte tal como nitrógeno, argón, helio y dióxido de carbono . Se prefiere el uso de un gas en lugar de un líquido, puesto que se reducen al mínimo las pérdidas de energía al haz de electrones. Las mezclas de gas puro también se pueden utilizar, ya sea pre-mezclada o mixta en línea antes de la que incide sobre las ventanas o en el espacio entre las ventanas. El gas de refrigeración se puede enfriar, por ejemplo, mediante el uso de un sistema de intercambio de calor (por ejemplo, un ref igerador) y/o mediante el uso de ebullición fuera de un gas condensado (por ejemplo, nitrógeno líquido, helio líquido) .
Cuando se utiliza un recinto, el transportador cerrado puede también ser purgado con un gas inerte a fin de mantener una atmósfera a un nivel de oxígeno reducido. Mantener los niveles de oxígeno bajos evita la formación de ozono, que en algunos casos no es deseable debido a su naturaleza reactiva y tóxica. Por ejemplo, el oxígeno puede ser menos de aproximadamente 20% (por ejemplo, menos de aproximadamente 10%, menos de aproximadamente el 1%, menos de aproximadamente el 0.1%, menos de aproximadamente 0,01%, o incluso menos de aproximadamente 0,001% de oxígeno). La purga se puede hacer con un gas inerte incluyendo, pero no limitado a, nitrógeno, argón, helio o dióxido de carbono. Esto puede ser suministrado, por ejemplo, a partir de ebullición fuera de una fuente de líquido (por ejemplo, nitrógeno líquido o helio) , generada o separados de aire in situ, o suministrado de los tanques . El gas inerte puede ser recirculado y cualquier oxígeno residual puede ser eliminado utilizando un catalizador, tal como un lecho de catalizador de cobre. Alternativamente, las combinaciones de purga, la eliminación de recirculación y el oxígeno se puede hacer para mantener los niveles de oxígeno bajos.
El recinto también se puede purgar con un gas reactivo que puede reaccionar con la biomasa. Esto se puede hacer antes, durante o después del proceso de irradiación. El gas reactivo puede ser, pero no se limitan a, óxido nitroso, amoniaco, oxígeno, ozono, hidrocarburos, compuestos aromáticos, amidas, peróxidos, azidas, haluros, oxihaluros, fosfuros, fosfinas, arsinas, sulfuros, tioles, boranos y/o hidruros . El gas reactivo puede ser activado en el recinto, por ejemplo, por irradiación (por ejemplo, haz de electrones, irradiación UV, irradiación de microondas, calentamiento, radiación IR) , de manera que reaccione con la biomasa. La biomasa en sí mismo puede ser activado, por ejemplo por irradiación. Preferiblemente, la biomasa es activada por el haz de electrones, para producir radicales que luego reaccionan con el gas reactivo activado o no activado, por ejemplo, por acoplamiento radical o de temple.
La purga de gases suministrados a un transportador cerrado también puede ser enfriada, por ejemplo por debajo de aproximadamente 25°C, por debajo de aproximadamente 0°C, por debajo de aproximadamente -40°C, por debajo de aproximadamente -80°C, por debajo de aproximadamente -120°C. Por ejemplo, el gas puede ser por ebullición a partir de un gas comprimido tal como nitrógeno líquido o sublima a partir de dióxido de carbono sólido. Como un ejemplo alternativo, el gas puede ser enfriado por un enfriador o parte de o toda la cinta transportadora puede ser enfriado. 6. ELECTRON BEAM PISTOLAS-PARADAS En algunas modalidades, los sistemas y métodos incluyen una parada del haz (por ejemplo, un obturador) . Por ejemplo, la parada del haz de luz puede ser usado para detener rápidamente o reducir la irradiación de material sin apagar el dispositivo de haz de electrones. Alternativamente, el tope de haz se puede utilizar mientras enciende el haz de electrones, por ejemplo, la parada de haz puede detener el haz de electrones hasta que se alcanza una corriente del haz de un nivel deseado. La parada del haz de luz puede ser colocado entre la ventana de lámina primaria y lámina de ventana secundaria. Por ejemplo la parada del haz de luz puede ser montada de manera que es móvil, es decir, de manera que se puede mover dentro y fuera de la trayectoria del haz . Incluso la cobertura parcial de la viga se puede utilizar, por ejemplo, para controlar la dosis de irradiación. La parada de haz puede estar montado en el suelo, a un transportador para la biomasa, a una pared, al dispositivo de radiación (por ejemplo, en la bocina de barrido) , o a cualquier soporte estructural. Preferiblemente, el tope de haz se fija en relación a la bocina de barrido de modo que el haz de luz puede ser controlada eficazmente por el tope de haz. La parada del haz puede incorporar una bisagra, un ferrocarril, ruedas, ranuras, u otros medios que permitan su funcionamiento en el movimiento dentro y fuera de la viga. La parada del haz de luz puede estar hecho de cualquier material que va a parar por lo menos 5% de los electrones, por ejemplo, al menos 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, al menos 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% o incluso aproximadamente 100% de los electrones.
La parada del haz de luz puede estar hecho de un metal, incluyendo, pero no limitado a, acero inoxidable, plomo, hierro, molibdeno, plata, oro, titanio, aluminio, estaño o aleaciones de los mismos, o laminados (materiales estratificados) hicieron con tales metales (por ejemplo, de cerámica recubierto de metal, de polímero recubierto de metal, de material compuesto revestido con metal, materiales de metal de varias capas) .
La parada del haz de luz puede ser enfriado, por ejemplo, con un fluido de enfriamiento tal como una solución acuosa o un gas. La parada del haz de luz puede ser parcial o completamente hueco, por ejemplo, con cavidades. Los espacios interiores de la parada de haz se pueden utilizar para fluidos y gases de refrigeración. La parada de haz puede ser de cualquier forma, incluyendo planas, curvas, redondo, oval, formas cuadradas, rectangulares, biselados y acuñados.
La parada del haz de luz puede tener perforaciones para permitir que algunos electrones a través de, controlando de esta manera (por ejemplo, reducir) los niveles de radiación a través de toda el área de la ventana, o en regiones específicas de la ventana. La parada del haz de luz puede ser una malla formada, por ejemplo, a partir de fibras o alambres. Paradas de haces múltiples se pueden utilizar, juntos o de forma independiente, para controlar la irradiación. La parada del haz de luz puede ser controlada de forma remota, por ejemplo, por la señal de radio o cableado duro a un motor para mover el haz en o fuera de posición.
D. TRATAMIENTO DE MATERIAL DE BIOMASA-SONICACION, PIRÓLISIS/ OXIDACIÓN, EXPLOSIÓN DE VAPOR Si se desea, uno o más de sonicación, los procesos de explosión pirólisis, oxidación, o vapor de agua se pueden utilizar además de o en lugar de otros tratamientos para reducir aún más la obstinación del material de biomasa. Estos procesos se pueden aplicar antes, durante y o después de otro tratamiento o tratamientos. Estos procesos se describen en detalle en la Patente de E.U. Na 7,932,065 a Medoff, la descripción completa de los cuales se incorporan en el presente como referencia.
II. MATERIALES DE BIOMASA Como se usa en el presente documento, el término "materiales de biomasa" incluye lignocelulósica, celulósica, almidón, y los materiales microbianos.
Los materiales lignocelulósicos incluyen, pero no están limitados a, madera, tableros de partículas, los residuos forestales (por ejemplo, aserrín, madera de álamo, astillas de madera) , pastos (por ejemplo, el pasto varilla, miscanthus, hierba espinal, alpiste) , residuos de grano, (por ejemplo, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de cebada) , residuos agrícolas (por ejemplo, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soja, fibra de maíz, alfalfa, heno, pelo de coco), residuos del procesamiento del azúcar (por ejemplo, el bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave), algas, alga marina, estiércol, aguas residuales, y mezclas de cualquiera de éstos.
En algunos casos, el material lignocelulósico incluye mazorcas de maíz. Las mazorcas de maíz pulverizadas o molidas pueden ser esparcidas en una capa de espesor relativamente uniforme para la irradiación y después de la irradiación son fáciles de dispersar en el medio para procesamiento adicional. Para facilitar la cosecha y la recolección, en algunos casos, se utiliza toda la planta de maíz, incluyendo el tallo de maíz, granos de maíz, y en algunos casos incluso el sistema de raíces de la planta.
Ventajosamente, no se requieren nutrientes adicionales (distintos de una fuente de nitrógeno, por ejemplo, urea o amoniaco) durante la fermentación de mazorcas de maíz o materiales celulósicos o lignocelulósicos que contienen cantidades significativas de mazorcas de maíz. Otros productos pueden requerir la adición de los oligometales , vitaminas o capacidad de amortiguación pero estos ajustes caen dentro del conocimiento de los técnicos en la materia.
Las mazorcas de maíz, antes y después de la trituración, también son más fáciles de transportar y dispersar, y tienen una menor tendencia a formar mezclas explosivas en el aire que otros materiales celulósicos o lignocelulósicos tales como heno y pastos.
Los materiales celulósicos incluyen, por ejemplo, papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papeles pigmentadas, papeles cargados, papeles cubiertos, papeles llenos, revistas, material impreso (por ejemplo, libros, catálogos, manuales, etiquetas, calendarios, tarjetas de felicitación, folletos, prospectos, papel de periódico), papel de impresora, papel polirrevestido, cartulina, cartón, cartoncillo, materiales que tienen un alto contenido de o¡-celulosa, tal como el algodón y mezclas de cualquiera de éstos. Por ejemplo, los productos de papel como se describe en la Solicitud E.U. No. 13/396, 365 ("Magazine Feedstocks" by Medoff et al., presentada el 14 de febrero de 2012), cuya descripción completa se incorpora en el presente documento por referencia.
Los materiales celulósicos también pueden incluir materiales lignocelulósicos que se han deslignificación.
Los materiales de almidón incluyen almidón en sí, por ejemplo, almidón de maíz, almidón de trigo, almidón de patata o almidón de arroz, un derivado de almidón, o un material que incluye almidón, tal como un producto alimenticio comestible o un cultivo. Por ejemplo, el material que incluye almidón puede ser arracacha, el trigo sarraceno, el plátano, la cebada, la mandioca, la kudzu, oca, sagú, sorgo, patatas regulares de la casa, camote, taro, ñame, o uno o más granos, tales como habas, lentejas o guisantes. Mezclas de cualquiera de dos o más materiales de almidón son también materiales de almidón. Las mezclas de almidón, materiales celulósicos y lignocelulósicos también se pueden utilizar. Por ejemplo, una biomasa puede ser una planta entera, una parte de una planta o diferentes partes de una planta, por ejemplo, una planta de trigo, planta de algodón, una planta de maíz, planta de arroz o un árbol. Los materiales de almidón se pueden tratar por cualquiera de los métodos descritos en el presente documento.
Los materiales microbianos incluyen, pero no se limitan a, cualquier microorganismo modificado genéticamente o de origen natural u un organismo que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (por ejemplo, celulosa), por ejemplo, protistas, por ejemplo, protistas animales (por ejemplo,, protozoos tales como flagelados, rizópodos, ciliados y esporozoos) y protistas vegetales (por ejemplo, algas tales como alveolados, clorarachniophytas , cryptomonas, euglena, glaucófitas, haptófitos, algas rojas, stramenopiles y viridaeplantae) . Otros ejemplos incluyen algas, plancton (por ejemplo, macroplancton, mesoplancton, microplancton, nanoplancton, picoplancton, y femptoplancton) , fitoplancton, bacterias (por ejemplo, bacterias gram positivas, bacterias gram negativas, y extremófilos ) , levadura y/o mezclas de éstos. En algunos casos, la biomasa microbiana puede obtenerse a partir de fuentes naturales, por ejemplo, el océano, los lagos, los cuerpos de agua, por ejemplo, el agua salada o agua dulce o en tierra. Alternativamente o además, la biomasa microbiana puede obtenerse a partir de sistemas de cultivo, por ejemplo, sistemas de fermentación y ciltivo a gran escala seco y húmedo .
El material de biomasa también puede incluir despojos, y fuentes similares de material.
En otras modalidades, los materiales de la biomasa, tales como celulósico, almidón y materiales de materia prima lignocelulósica, se pueden obtener a partir de microorganismos y plantas transgénicas que han sido modificados con respecto a una variedad de tipo salvaje. Tales modificaciones pueden ser, por ejemplo, a través de los pasos iterativos de selección y reproducción para obtener las características deseadas en una planta. Además, las plantas pueden haber tenido material genético eliminado, modificado, silenciada y/o añadido con respecto a la variedad de tipo salvaje. Por ejemplo, las plantas modificadas genéticamente pueden ser producidas por métodos de ADN recombinante, donde las modificaciones genéticas incluyen genes específicos de introducción o modificación de las variedades parentales, o, por ejemplo, mediante el uso de la producción transgénica en donde un gen o genes específicos son introducidos a una planta a partir de una diferente especies de planta y/o bacterias. Otra forma de crear la variación genética es a través de la producción de mutación en donde los nuevos alelos son creados artificialmente a partir de genes endógenos. Los genes artificiales pueden ser creados por una variedad de formas, incluyendo el tratamiento de la planta o las semillas con, por ejemplo, mutágenos químicos (por ejemplo, el uso de agentes alquilantes, epóxidos, alcaloides, peróxidos, formaldehídos) , la radiación (por ejemplo, rayos X, rayos gamma, neutrones, partículas beta, partículas alfa, protones, deuterones, radiación UV) y la temperatura de impacto u otras técnicas de selección subsecuentes y de tensión externa. Otros métodos para proporcionar genes modificados son a través de PCR propenso a errores y la mezcla de ADN seguido por la inserción del ADN modificado deseado en la planta o semilla deseada. Los métodos de introducción de la variación genética deseada en la semilla o planta incluyen, por ejemplo, el uso de un vehículo bacteriano, biolística, precipitación con fosfato de calcio, electroporación, empalme de genes, el silenciamiento de genes, lipofección, microinyección y vehículos virales. Materiales modificados genéticamente adicionales, se han descrito en la solicitud de E.U. No. de serie 13/396, 369 presentada el 14 de febrero de 2012 la completa descripción de los cuales se incorpora al presente documento por referencia.
Cualquiera de los métodos descritos en el presente documento se puede practicar con mezclas de cualquier material de biomasa que se describen en el presente documento .
PREPARACIÓN DE MATERIAL DE BIOMASA-TRATAMIENTOS MECÁNICOS La biomasa puede estar en una forma seca, por ejemplo, con contenido de menos de aproximadamente 35% de humedad (por ejemplo, menos de aproximadamente 20%, menos de aproximadamente 15%, menos de aproximadamente 10% menos de aproximadamente 5%, menos de alrededor de 4%, menos de aproximadamente 3%, menos de aproximadamente 2% o incluso menos de aproximadamente 1% ) . La biomasa también se puede entregar en un estado húmedo, por ejemplo, como un sólido húmedo, un lodo o una suspensión con al menos aproximadamente 10% en peso de sólidos (por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en peso, al menos aproximadamente 30% en peso, al menos aproximadamente 40% en peso, al menos aproximadamente 50% en peso, al menos aproximadamente 60% en peso, al menos aproximadamente 70% en peso) .
Los procedimientos descritos en el presente documento pueden utilizar materiales de baja densidad aparente, por ejemplo las materias primas de celulósica o lignocelulósica que han sido pretratadas físicamente para tener una densidad aparente de menos de aproximadamente 0.75 g/cm3, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.7, 0.65, 0.60, 0.50, 0.35, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 o menos, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.025 g/cm3. La densidad aparente se determina utilizando ASTM D1895B. Brevemente, el método consiste en llenar un cilindro de medición de volumen conocido con una muestra y la obtención de un peso de la muestra. La densidad aparente se calcula dividiendo el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos. Si se desea, los materiales de baja densidad aparente pueden ser densificados, por ejemplo, por métodos descritos en la Patente de E.U. No. 7,971,809 a Medoff, la descripción completa del cual se incorpora por la presente como referencia.
En algunos casos el proceso de pretratamiento incluye la filtración del material de biomasa. La filtración puede ser a través de una malla o una placa perforada con un tamaño de abertura deseado, por ejemplo, menos de aproximadamente 6.35 mm (1/4 pulgadas, 0.25 pulgadas), (por ejemplo, menos de aproximadamente 3.18 mm (1/8 pulgadas, 0.125 pulgadas), menos de aproximadamente 1.59 mm (1/16 pulgadas, 0.0625 pulgadas), es menos de aproximadamente 0.79 mm (1/32 pulgadas, 0.03125 pulgadas), por ejemplo, menos de aproximadamente 0.51 mm (1/50 pulgadas, 0.02000 pulgadas), menos de aproximadamente 0.40 mm (1/64 pulgadas, 0.015625 pulgadas), menos de aproximadamente 0.23 mm (0.009 pulgadas), menos de aproximadamente 0.20 mm (pulgadas 1/128, 0.0078125 pulgadas), menos de aproximadamente 0.18 mm (0.007 pulgadas), menos de aproximadamente 0.13 mm (0.005 pulgadas), o incluso menos de aproximadamente 0.10 mm (1/256 pulgadas, 0.00390625 pulgadas) ) . En una configuración la biomasa deseada cae a través de las perforaciones o filtro y por lo tanto la biomasa más grande que las perforaciones o filtro no se irradian. Estos materiales de mayor tamaño se pueden volver a procesar, por ejemplo por trituración, o simplemente pueden ser removidos del proceso. En otra configuración el material que es mayor que las perforaciones se irradia y se retira el material más pequeño por el proceso de filtración o reciclado. En este tipo de una configuración, el transportador por sí mismo (por ejemplo, una parte de la cinta transportadora) puede ser perforado o hecho con una malla. Por ejemplo, en una modalidad particular, el material de biomasa puede ser húmedo y las perforaciones o la malla permiten que el agua drene fuera de la biomasa antes de la irradiación .
La filtración de material también puede ser por un método manual, por ejemplo por un operador o mecanoide (por ejemplo, un robot equipado con un color, reflectividad u otro sensor) que elimina el material no deseado. La filtración también puede ser por filtración magnética en donde un imán está dispuesto cerca del material transportado y el material magnético se elimina magnéticamente.
Procesamiento pretratamiento opcional puede incluir el calentamiento del material. Por ejemplo una porción de la cinta transportadora puede ser enviada a través de una zona calentada. La zona calentada se puede crear, por ejemplo, mediante radiación IR, microondas, combustión (por ejemplo, gas, carbón, petróleo, biomasa), calentamiento resistivo y/o bobinas de inducción. El calor se puede aplicar a partir de al menos un lado o más de un lado, puede ser continuo o periódico y puede ser sólo una parte del material o todo el material. Por ejemplo, una porción de la banda transportadora se puede calentar mediante el uso de una camisa de calentamiento. El calentamiento puede ser, por ejemplo, con el fin de secar el material. En el caso de secado del material, esto también se puede facilitar, con o sin calentamiento, por el movimiento de un gas (por ejemplo, aire, oxígeno, nitrógeno, He, C02/ argón) sobre y/o a través de la biomasa, ya que es está siendo transportada.
De manera opcional, el procesamiento de pretratamiento puede incluir el enfriamiento del material. El material de refrigeración se describe en la Patente de E.U. No. 7,900,857 a Medoff, la descripción de la cual se incorpora en el presente documento por referencia. Por ejemplo, el enfriamiento puede ser mediante el suministro de un fluido refrigerante, por ejemplo agua (por ejemplo, con glicerol), o nitrógeno (por ejemplo, nitrógeno líquido) a la parte inferior de la cinta transportadora. Alternativamente, un gas refrigerante, por ejemplo, nitrógeno enfriado se puede soplado sobre los materiales de biomasa o bajo el sistema de transporte.
Otro método de procesamiento de pre tratamiento opcional puede incluir el añadir un material a la biomasa. El material adicional se puede añadir, por ejemplo, por ducha, aspersión y/o verter el material sobre la biomasa, ya que se transporta. Los materiales que se pueden agregar incluyen, por ejemplo, metales, cerámicas y/o iones como se describe en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada. 2010/0105119 Al (presentada el 26 de octubre de 2009) y la Solicitud de Patente de E.U. Publicada. 2010/0159569 Al (presentada el 16 de diciembre de 2009), las descripciones completas cuyas descripciones se incorporan en el presente documento por referencia. Los materiales opcionales que se pueden agregar incluyen ácidos y bases. Otros materiales que se pueden añadir son oxidantes (por ejemplo, peróxidos, cloratos), polímeros, monómeros polimerizables (por ejemplo, que contienen enlaces insaturados ) , agua, catalizadores, enzimas y/u organismos. Los materiales pueden ser añadidos, por ejemplo, en forma pura, como una solución en un solvente (por ejemplo, agua o un solvente orgánico) y/o como una solución. En algunos casos, el solvente es volátil y se puede hacer para que se evapore por ejemplo, por calentamiento y/o soplado de un gas tal como se describe anteriormente. El material agregado puede formar un recubrimiento uniforme sobre la biomasa o ser una mezcla homogénea de diferentes componentes (por ejemplo, biomasa y material adicional) . El material añadido puede modular la etapa de irradiación subsiguiente mediante el aumento de la eficiencia de la irradiación, disminuir la irradiación o cambiando el efecto de la irradiación (por ejemplo, a partir de haces de electrones a los rayos X o calor) . El método puede no tener impacto en la irradiación, pero puede ser útil para procesamientos de aguas abajo posteriores. El material añadido puede ayudar en la transportación del material, por ejemplo, mediante la reducción de los niveles de polvo.
La biomasa puede ser entregada al transportador por un transportador de cinta, un transportador neumático, un transportador de tornillo, una tolva, un tubo, manualmente o por una combinación de estos. La biomasa puede, por ejemplo, ser tirada, vertida y/o se coloca sobre el transportador por cualquiera de estos métodos. En algunas modalidades, el material se entrega al transportador usando un sistema de distribución de material adjunto para ayudar a mantener una atmósfera de oxígeno bajo y/o controlar el polvo y el aserrín. El aire almacenado o suspendido con polvo o aserrín de biomasa son indeseables porque éstas pueden formar un riesgo de explosión o dañar las láminas de ventana de una pistola de electrones (si un dispositivo de este tipo se utiliza para tratar el material).
El material puede ser nivelado para formar un espesor uniforme entre aproximadamente 0.79248 y 127 milímetros (por ejemplo, entre aproximadamente 1.5875 milímetros y 50.8 milímetros, entre aproximadamente 3.17500 y 25.4 milímetros, entre aproximadamente 3.17500 y 12.7 milímetros, entre aproximadamente 7.62 y 22.86 milímetros, entre aproximadamente 5.08 y 12.7 milímetros entre aproximadamente 0 .635 y 25.4 milímetros, entre aproximadamente 6.35 y 12.7 milímetros, 2.54 + / -6.35 milímetros , 3. 81 +/-0 .635 milímetros , 5. .08 + /-0 .635 milímetros , 6. 35 +/-0 .635 milímetros , 7 , .62 + /-0 .635 milímetros , 8. 89 +/-0. 635 milímetros , 10 .16 + /-0 .635 milímetros , 11.43 + /¦ -0.635 milímetros , 12. 7+/-0 .635 milímetros , 13 .96 +/-0 .635 milímetros , 15 .24 + /-0 .635 milímetros , 17 .78 +/-0 .635 milímetros , 19 .05 + /-0 .635 milímetros , 20 .32 +/-0 .635 milímetros , 21 .95 + /-0 .635 milímetros, 22 .86 +/-0 .635 milímetros , 22 .86 + /-0 .635 milímetros .
En general, se prefiere para transportar el material lo más rápidamente posible a través del haz de electrones para maximizar el rendimiento. Por ejemplo el material puede ser transportado a velocidades de al menos 304.8 mm/min, por ejemplo, al menos 609.6 mm/min, al menos 914.4 mm/min, por lo menos 1219.2 mm/min, por lo menos 1524 mm/min, al menos 3048 mm/min, al menos 4572 mm/min, 6096, 7620, 9144, 10668, 12192, 13716, 15240 mm/min. La velocidad de transporte está relacionado con la corriente de haz, por ejemplo, para una biomasa de espesor de 6.35 mm y 100 mA, el transportador se puede mover a alrededor de 6096 mm/min para proporcionar una dosis de irradiación útil, a 50 mA el transportador puede moverse a unos 3048 mm/min para proporcionar aproximadamente la misma dosis de irradiación.
Después de que el material de la biomasa se ha transportado a través de la zona de radiación, el procesamiento post-tratamiento opcional se puede hacer. El procesamiento post-tratamiento opcional puede, por ejemplo, ser un proceso descrito con respecto al procesamiento de pre-irradiación. Por ejemplo, la biomasa se puede filtrar, se calienta, se enfria, y/o combinado con aditivos. Únicamente para después de la irradiación, se puede producir el apagamiento de los radicales, por ejemplo, el apagamiento de los radicales por la adición de fluidos o gases (por ejemplo, oxígeno, óxido nitroso, amoníaco, líquidos) , utilizando la presión, el calor, y/o la adición de eliminadores de radicales. Por ejemplo, la biomasa puede ser transportada fuera del transportador cerrado y expuesto a un gas (por ejemplo, oxígeno) en donde se apaga, la formación de grupos caboxilados. En una modalidad, la biomasa se expone durante la irradiación al gas o fluido reactivo. El apagamiento de la biomasa que ha sido irradiado se describe en la Patente de E.U. No. 8,083,906 a Medoff, la descripción completa la cual se incorpora en el presente documento por referencia.
Si se desea, uno o más tratamientos mecánicos pueden ser utilizados además de la irradiación para reducir aún más lo recalcitrante del material de biomasa. Estos procesos se pueden aplicar antes, durante y o después de la irradiación.
En algunos casos, el tratamiento mecánico puede incluir una preparación inicial de la materia prima tal como se recibe, por ejemplo, la reducción del tamaño de los materiales, tal como por trituración, por ejemplo, corte, molienda, cizallamiento, pulverización o por cortar. Por ejemplo, en algunos casos, la materia prima suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales ricos en almidón, o Panicum virgatum) se prepara por cizallamiento o trituración. El tratamiento mecánico puede reducir la densidad aparente del material de biomasa, aumentar el área de superficie del material de biomasa y/o disminuir una o más dimensiones del material de biomasa.
Como alternativa, o además, el material de materia prima puede primero ser tratado físicamente por uno o más de los otros métodos de tratamiento físico, por ejemplo, tratamiento químico, radiación, sonicación, oxidación, pirólisis o explosión de vapor, y luego se trató mecánicamente. Esta secuencia puede ser ventajosa puesto que los materiales tratados por uno o más de los otros tratamientos, por ejemplo, irradiación o pirólisis, tienden a ser más frágiles y, por lo tanto, puede ser más fácil de cambiar aún más la estructura del material por tratamiento mecánico. Por ejemplo, un material de materia prima puede ser transportado a través de la radiación ionizante usando un transportador tal como se describe en el presente documento y a continuación se trató mecánicamente. El tratamiento químico puede eliminar parte o la totalidad de la lignina (por ejemplo, la fabricación de pasta química) y puede hidrolizar parcialmente o completamente el material. Los métodos también se pueden utilizar con el material de prehidrolizado . Los métodos también se pueden utilizar con el material que no ha sido previamente hidrolizado. Los métodos se pueden utilizar con mezclas de materiales hidrolizados y no hidrolizados , por ejemplo, con alrededor del 50% o más de material no hidrolizado, con alrededor de 60% o más de material no hidrolizado, con aproximadamente 70% o más de material no hidrolizado, con aproximadamente 80% o más de material no hidrolizado o incluso con 90% o más de material no hidrolizado .
Además de la reducción de tamaño, que se puede realizar inicialmente y/o posterior en el procesamiento, el tratamiento mecánico también puede ser favorable para la" apertura"," tensión," rompiendo o destrozando los materiales de la biomasa, haciendo que la celulosa de los materiales más susceptibles a la escisión de la cadena y/o la interrupción de la estructura cristalina durante el tratamiento físico.
Los métodos del tratamiento mecánico el material de biomasa incluye, por ejemplo, fresado o rectificado. El fresado se puede realizar usando, por ejemplo, un molino, molino de bolas, molino coloidal, molino de cono o cónico, molino de disco, molino de borde, molino iley, molino de grano u otro molino. La molienda puede realizarse utilizando, por ejemplo, una moledora de tipo corte/ impacto. Algunas moledoras ejemplares incluyen moledor de piedra, molinos de clavijas, molinillos de café, y molinillo de placas. Trituración o molienda puede ser proporcionado, por ejemplo, por una clavija reciprocante u otro elemento, como es el caso en un molino de clavijas. Otros métodos de tratamiento mecánico incluyen rasgadura mecánica, rasgamiento, cizallamiento o cortar, otros métodos que aplican presión a las fibras, y la molienda de desgaste de aire. Los tratamientos mecánicos adecuados incluyen además cualquier otra técnica que continúa la interrupción de la estructura interna del material que fue iniciado por las etapas de procesamiento anteriores .
Los sistemas de preparación de la alimentación mecánica pueden ser configurados para producir corrientes con características específicas, como, por ejemplo, los tamaños máximos específicos, áreas de proporciones específicas de longitud y anchura, o superficie específica. La preparación física puede aumentar la velocidad de las reacciones, mejorar el movimiento de material sobre una cinta transportadora, mejora el perfil de la irradiación del material, mejora la uniformidad de la radiación del material, o reduce el tiempo de procesamiento requerido por la apertura de los materiales y hacerlas más accesibles a los procesos y/o reactivos, tales como reactivos en una solución.
La densidad aparente de las materias primas puede ser controlada (por ejemplo, aumentado). En algunas situaciones, puede ser deseable preparar un material de baja densidad aparente, por ejemplo, densificando el material (por ejemplo, la densificación puede hacer que sea más fácil y menos costoso de transportar a otro sitio) y luego revertir el material a un estado de menor densidad aparente (por ejemplo, después del transporte) . El material puede ser densificado, por ejemplo, de menos de aproximadamente 200 kg/m3 a más que aproximadamente 900 kg/m3 (por ejemplo, menos de aproximadamente 300 a más que alrededor de 500 kg/m3, menos de aproximadamente 300 a más de alrededor de 900 kg/m3, menos de aproximadamente 500 a más de alrededor de 900 kg/m3, menos de aproximadamente 300 a más de alrededor de 800 kg/m3, menos de aproximadamente 200 a más de alrededor de 500 kg/m3) . Por ejemplo, el material puede ser densificado mediante los métodos y equipo descrito en la Patente de E.U. No. 7,932,065 a Medoff y la Publicación Internacional No. WO 2008/073186 (que fue presentada el 26 de octubre de 2007, fue publicado en Inglés, y la cual designó los Estados Unidos), la completa descripción de los cuales se incorporan en el presente documento como referencia. Los materiales densificados pueden ser procesados por cualquier de los métodos descritos en el presente documento, o cualquier material procesado por cualquiera de los métodos descritos en el presente documento pueden ser posteriormente densificados.
En algunas modalidades, el material a procesar es en la forma de un material fibroso que incluye fibras proporcionadas por cizallamiento una fuente de fibra. Por ejemplo, el cizallamiento se puede realizar con un cortador de cuchilla giratoria.
Por ejemplo, una fuente de fibra, por ejemplo, que es recalcitrante o que ha tenido su nivel recalcitrante reducido, puede ser cortada, por ejemplo, en un cortador de cuchilla giratoria, para proporcionar un primer material fibroso. El primer material fibroso se hace pasar a través de un primer filtro, por ejemplo, que tiene un tamaño de apertura promedio de 1.59 mm o menos (1/16 pulgadas, 0.0625 pulgadas), proporcionar un segundo material fibroso. Si se desea, la fuente de fibra se puede cortar antes de la cizalladura, por ejemplo, con una trituradora. Por ejemplo, cuando un papel se utiliza como la fuente de fibra, el papel se puede cortar primero en tiras que son, por ejemplo, 0.00635- a 0.0127-metros de ancho, utilizando una trituradora, por ejemplo, un triturador de tornillo de rotación contraria, tales como los fabricados por Munson (Utica, NY) . Como una alternativa a la trituración, el papel puede ser reducido de tamaño por el corte a un tamaño deseado usando un cortador de guillotina. Por ejemplo, el cortador de guillotina puede ser utilizado para cortar el papel en las hojas que son, por ejemplo, 0.254 metros de ancho por 0.3048 metros de largo.
En algunas modalidades, el cizallamiento de la fuente de fibra y el paso del primer material fibroso resultante a través de un primer filtro se realizan al mismo tiempo. El cizallamiento y el paso también se pueden realizar en un proceso de tipo batch.
Por ejemplo, un cortador de cuchilla giratoria se puede utilizar para cizallar simultáneamente la fuente de fibra y filtrar el primer material fibroso. Un cortador de cuchilla rotativa incluye una tolva que se puede cargar con una fuente de fibra desmenuzada preparado por trituración de una fuente de fibra. La fuente de fibra desmenuzada.
En algunas implementaciones , la materia prima es tratada físicamente antes de la sacarificación y/o fermentación. Los procesos de tratamiento físicos pueden incluir uno o más de cualquiera de los descritos en el presente, tales como el tratamiento mecánico, tratamiento químico, irradiación, tratamiento con ultrasonidos, la oxidación, pirólisis o explosión de vapor. Los métodos de tratamiento se pueden utilizar en combinaciones de dos, tres, cuatro, o incluso la totalidad de estas tecnologías (en cualquier orden) . Cuando se utiliza más de un método de tratamiento, los métodos se pueden aplicar al mismo tiempo o en momentos diferentes. Otros procesos que cambian una estructura molecular de una materia prima de biomasa también se pueden usar, solos o en combinación con los procesos descritos en el presente.
Los tratamientos mecánicos que se pueden utilizar, y las características de los materiales de la biomasa tratadas mecánicamente, se describen con más detalle en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre del 2011, la descripción completa la cual se incorpora en el presente documento como referencia.
IV. USO DE MATERIAL DE BIOMASA TRATADA Utilizando los métodos descritos en el presente documento, un material de partida de biomasa (por ejemplo, la biomasa vegetal, biomasa animal, papel, y la biomasa de residuos municipales) se pueden utilizar como materia prima para producir intermedios útiles y productos tales como ácidos orgánicos, sales de ácidos orgánicos, anhídridos, ásteres de ácidos orgánicos y combustibles, por ejemplo, combustibles para motores de combustión interna o materias primas para las células de combustible. Los sistemas y procesos se describen en el presente que se puede utilizar como materia prima celulósica y/o materiales lignocelulosicos que están fácilmente disponibles, pero a menudo puede ser difícil de procesar, por ejemplo, los flujos de residuos municipales y arroyos de papel de desecho, tales como corrientes que incluyen periódico, papel kraft, papel corrugado o mezclas de éstos .
Con el fin de convertir el material de alimentación a una forma que puede ser procesado fácilmente, la celulosa glucano-o que contiene xilano en el material de alimentación se puede hidrolizar a los hidratos de carbono de bajo peso molecular, tales como azúcares, por un agente de sacarificación, por ejemplo, una enzima o ácido, un proceso conocido como sacarificación. Los hidratos de carbono de bajo peso molecular se pueden utilizar, por ejemplo, en una planta de fabricación existente, tales como una sola planta de proteína de la célula, una planta de fabricación de la enzima, o una planta de combustible, por ejemplo, una instalación de fabricación de etanol.
El material de alimentación se puede hidrolizar usando una enzima, por ejemplo, mediante la combinación de los materiales y la enzima en un disolvente, por ejemplo, en una solución acuosa.
Alternativamente, las enzimas pueden ser suministradas por los organismos que descomponen la biomasa, tales como la celulosa y/o las porciones de lignina de la biomasa, contener o la fabricación de diversos enzimas celulolíticas (celulasas) , ligninasas o varios pequeños metabolitos de biomasa de degradación de la molécula. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan sinérgicamente para degradar la celulosa cristalina o las porciones de lignina de la biomasa. Ejemplos de enzimas celulolíticas incluyen: endoglucanasas , celobiohidrolasas y celobiasas (beta- glucosidasas ) .
Durante la sacarificación de un sustrato de celulosa se puede hidrolizar inicialmente por endoglucanasas en lugares al azar producción de productos intermedios oligoméricos . Estos intermediarios son entonces sustratos para glucanasas exo-parten como celobiohidrolasa para producir celobiosa de las extremidades del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero 1,4-ligado soluble en agua de la glucosa. Finalmente, se escinde celobiasa celobiosa para producir glucosa. La eficiencia (por ejemplo, el tiempo para hidrolizar y/o integridad de la hidrólisis) de este proceso depende de la obstinación del material celulósico .
V. INTERMEDIOS Y PRODUCTOS El uso de los procedimientos descritos en el presente documento, el material de la biomasa se puede convertir en uno o más productos, como la energía, los combustibles, los alimentos y los materiales. Los ejemplos específicos de productos incluyen, pero no se limitan a, hidrógeno, azúcares (por ejemplo, glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, fructosa, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos ) , alcoholes (por ejemplo, alcoholes monohídricos o alcoholes dihídricos, tales como el etanol, n-propanol, isobutanol, sec-butanol, terc-butanol o n-butanol ) , alcoholes hidratados o hidratadas (por ejemplo, que contienen más de 10%, 20%, 30% o incluso mayor que 40% de agua), el biodiesel, orgánica ácidos, hidrocarburos (por ejemplo, metano, etano, propano, isobutano, pentano, n- hexano, biodiesel, bio-gasolina y mezclas de los mismos), los co-productos (por ejemplo, proteínas, tales como proteínas celulolíticas (enzimas) o proteínas de las células individuales), y mezclas de cualquiera de estos en cualquier combinación o concentración relativa, y opcionalmente en combinación con aditivos (por ejemplo, aditivos de combustible) . Otros ejemplos incluyen ácidos carboxílieos , sales de un ácido carboxílico, una mezcla de ácidos carboxílicos y sales de ácidos y ásteres de ácidos carboxílicos (ésteres por ejemplo, metilo, etilo y n-propilo) , cetonas (por ejemplo, acetona) , aldehidos (por ejemplo carboxílicos, acetaldehído) , alfa y beta ácidos insaturados (por ejemplo, ácido acrílico) y olefinas (por ejemplo, etileno) . Otros alcoholes y derivados de alcohol incluyen propanol, propilenglicol, 1 , 4-butanodiol , 1,3-propanodiol, alcoholes de azúcares y polioles (por ejemplo, glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, ésteres iditol, inositol, volemitol, isomalta, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol , y poliglicitol y otros polioles) , y metílicos o etílicos de cualquiera de estos alcoholes. Otros productos que incluyen acrilato de metilo, metacrilato de metilo, ácido láctico, ácido cítrico, ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico, ácido succínico, ácido valérico, ácido caproico, ácido 3-hidroxipropiónico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, malónico ácido, ácido glutárico, ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido gamma- hidroxibutírico, y mezclas de los mismos, sales de cualquiera de estos ácidos, mezclas de cualquiera de los ácidos y sus sales respectivas .
Cualquier combinación de los productos antes mencionados entre sí, y/o de los productos anteriores con otros productos, que otros productos pueden hacerse por los procedimientos descritos en el presente o de lo contrario, se puede envasar juntos y se vende como productos. Los productos se pueden combinar, por ejemplo, mezclado o co-disuelto, o simplemente puede ser empaquetado o se vende con untamente.
Cualquiera de los productos o combinaciones de productos que se describen en el presente pueden ser desinfectados o esterilizados antes de la venta de los productos, por ejemplo, después de la purificación o el aislamiento o incluso después del envasado, para neutralizar una o más potencialmente contaminantes indeseables que podrían estar presentes en el producto (s) . Tal saneamiento se puede hacer con bombardeo de electrones, por ejemplo, ser a una dosis de menos de aproximadamente 20 Mrad, por ejemplo, desde alrededor de 0.1 a 15 Mrad, de aproximadamente 0.5 a 7 Mrad, o de aproximadamente 1 a 3 Mrad.
Los procedimientos en el presente descritos pueden producir varios subproducto corrientes útil para la generación de vapor y electricidad para ser utilizada en otras partes de la planta (co-generación) o de venta en el mercado abierto. Por ejemplo, el vapor generado por la quema de las corrientes de los subproductos se puede utilizar en un proceso de destilación. Como otro ejemplo, la electricidad generada a partir de la quema de los flujos de subproductos se puede utilizar para los generadores de haz electrónico de potencia utilizados en el pretratamiento .
Los subproductos utilizados para generar vapor y electricidad se derivan de un número de fuentes de todo el proceso. Por ejemplo, la digestión anaerobia de aguas residuales puede producir una alta biogás en metano y una pequeña cantidad de biomasa residual (lodos) . Como otro ejemplo, después de la sacarificación y/o post-destilados sólidos (por ejemplo, la lignina no convertido, celulosa, hemicelulosa y restante desde el tratamiento previo y procesos primarios) se pueden utilizar, por ejemplo, quemado, como combustible.
Muchos de los productos obtenidos, como el etanol o n-butanol, se puede utilizar como combustible para alimentar automóviles, camiones, tractores, barcos o trenes, por ejemplo, como un combustible de combustión interna o como materia prima de pila de combustible. Muchos de los productos obtenidos se pueden utilizar también a las aeronaves de energía, tales como aviones, por ejemplo, que tienen motores a reacción o helicópteros. Además, los productos descritos en el presente pueden ser utilizados para la generación de energía eléctrica, por ejemplo, en una planta de producción de vapor convencional o en una planta de pila de combustible.
Otros productos intermedios y productos, incluyendo productos alimenticios y farmacéuticos, se describen en la Patente de E.U. App. Pub. 2010/0124583 Al, publicada el 20 de mayo de 2010, a Medoff, la descripción completa de la cual se incorpora en el presente como referencia.
VI. PRODUCCIÓN DE ENZIMAS POR MICROORGANISMOS Los hongos filamentosos, o bacterias que producen celulasa, típicamente requieren una fuente de carbono y un inductor para la producción de celulasa.
Los materiales lignocelulósicos comprenden diferentes combinaciones de celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa es un polímero lineal de glucosa que forma una estructura lineal bastante rígida sin bobinado significativa. Debido a esta estructura y la disposición de los grupos hidroxilo que pueden formar enlaces de hidrógeno, celulosa que contienen porciones cristalinas y no cristalinas. Las porciones cristalinas también pueden ser de diferentes tipos, como se observaron I (alfa) y (beta) , por ejemplo, dependiendo de la ubicación de enlaces de hidrógeno entre hebras. El polímero de longitudes de sí mismos pueden variar para prestar más variedad a la forma de la celulosa. La hemicelulosa es cualquiera de varios heteropolímeros , como xilano, glucuronoxilano, arabinoxilanos y xiloglucano. El monómero principal azúcar presente es xilosa, aunque otros monómeros tales como mañosa, galactosa, ramnosa, arabinosa y glucosa están presentes. Típicamente las formas de hemicelulosa ramificados estructuras con pesos moleculares más bajos que los de celulosa. Por lo tanto, hemicelulosa es un material amorfo que es generalmente susceptible a la hidrólisis enzimática. La lignina es un heteropolímero alto peso molecular complejo en general. Aunque todas las ligninas muestran una variación en su composición, que han sido descritos como un polímero dendrítico red amorfa de unidades de propeno fenilo. Las cantidades de celulosa, hemicelulosa y lignina en un biomaterial específico dependen de la fuente del biomaterial. Por ejemplo madera biomaterial derivada puede ser de aproximadamente 38-49% de celulosa, 7-26% de hemicelulosa y lignina 23-34% dependiendo del tipo. Las gramíneas son típicamente 33-38% de celulosa, hemicelulosa y 24-32% 17-22% de lignina. Biomasa lignocelulósica Claramente constituye una gran clase de sustratos.
La diversidad de materiales de biomasa se puede incrementar aún más por el tratamiento previo, por ejemplo, por el cambio de la cristalinidad y pesos moleculares de los polímeros .
La producción de organismo cuando entra en contacto con una biomasa de celulasa tenderá a producir enzimas que liberan moléculas ventajosas para el crecimiento del organismo, tales como la glucosa. Esto se hace a través del fenómeno de la inducción de la enzima como se describió anteriormente. Puesto que hay una variedad de sustratos en un biomaterial particular, hay una variedad de celulasas, por ejemplo, la endoglucanasa, exoglucanasa y celobiasa discutieron anteriormente. Mediante la selección de un material lignocelulósico en particular como el inductor las concentraciones y/o actividades de estas enzimas relativas pueden ser modulados de manera que el complejo enzimático resultante trabajar de manera eficiente en el material lignocelulósico utilizado como inductor o un material similar. Por ejemplo, un biomaterial con una porción más alta de celulosa cristalina puede inducir una cantidad más eficaz o superior de endoglucanasa de un biomaterial con poca celulosa cristalina.
Un técnico en la materia puede optimizar la producción de enzimas por microorganismos mediante la adición de extracto de levadura, maíz excesivo, peptonas, aminoácidos, sales de amonio, sales de fosfato, sales de potasio, sales de magnesio, sales de calcio, sales de hierro, manganeso sales, sales de zinc, sales de cobalto, u otros aditivos y/o nutrientes y/o fuentes de carbono. Diversos componentes pueden ser añadidos y eliminados durante el procesamiento para optimizar la producción deseada de productos útiles.
La temperatura, pH y otras condiciones óptimas para el crecimiento de microorganismos y la producción de enzimas son generalmente conocidos en la técnica.
SACARIFICACIÓN Los materiales de la biomasa tratados se pueden sacarificar generalmente mediante la combinación de material y una enzima de celulasa en un medio fluido, por ejemplo, una solución acuosa. En algunos casos, el material es hervido, llenado, o cocinado en agua caliente antes de la sacarificación, tal como se describe en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0100577 Al por Medoff y Masterman, publicado el 26 de abril de 2012, el contenido completo de la cual se incorpora en el presente documento .
El proceso de sacarificación se puede realizar parcial o totalmente en un tanque (por ejemplo, un depósito que tiene un volumen de al menos 4000, 40000, ó 500000 L) en una planta de fabricación, y/o puede estar parcial o completamente realizado en tránsito, por ejemplo, en un vagón de ferrocarril, camión cisterna, o en un superpetrolero o en la bodega de un barco. El tiempo requerido para la sacarificación completa dependerá de las condiciones del proceso y el material de biomasa y enzima utilizada. Si la sacarificación se lleva a cabo en una planta de fabricación en condiciones controladas, la celulosa puede estar convertida completamente o considerablemente en azúcar, por ejemplo, la glucosa en aproximadamente 12-96 horas. Si sacarificación se realiza total o parcialmente en tránsito, la sacarificación puede tomar más tiempo.
Se prefiere generalmente que el contenido del tanque se mezcle durante la sacarificación, por ejemplo, mediante la mezcla de chorro como se describe en la Solicitud Internacional No. PCT/US2010/035331 , presentada el 18 de mayo de 2010, que fue publicada en Inglés como WO 2010/135380 y que designó los Estados Unidos, la completa descripción de la cual se incorpora en el presente documento como referencia.
La adición de agentes tensioactivos puede aumentar la velocidad de la sacarificación. Los ejemplos de tensioactivos incluyen tensioactivos no iónicos, tales como Tween® 20 o Tween® 80 tensioactivos de glicol de polietileno, tensioactivos iónicos o tensioactivos anfoteros .
Se prefiere generalmente que la concentración de la solución de azúcar resultante de la sacarificación sea relativamente alta, por ejemplo, mayor que 40%, o mayor que 50, 60, 70, 80, 90 o incluso mayor que 95% en peso. El agua se puede eliminar, por ejemplo, por evaporación, para aumentar la concentración de la solución de azúcar. Esto reduce el volumen a ser enviado, y también inhibe el crecimiento microbiano en la solución.
Alternativamente, se pueden utilizar soluciones de azúcar de concentraciones más bajas, en cuyo caso puede ser deseable añadir un aditivo antimicrobiano, por ejemplo, un antibiótico de amplio espectro, en una concentración baja, por ejemplo, 50 a 150 ppm. Otros antibióticos adecuados incluyen anfotericina B, ampicilina, cloranfenicol , ciprofloxacina, gentamicina, higromicina B, kanamicina, neomicina, penicilina, puromicina, la estreptomicina. Los antibióticos inhiben el crecimiento de microorganismos durante el transporte y almacenamiento, y se pueden utilizar en concentraciones apropiadas, por ejemplo, entre 15 y 1000 ppm en peso, por ejemplo, entre 25 y 500 ppm, o entre 50 y 150 ppm. Si se desea, un antibiótico puede incluirse incluso si la concentración de azúcar es relativamente alta. Alternativamente, pueden usarse otros aditivos con propiedades conservantes anti- microbiana. Preferiblemente, el aditivo antimicrobiano es de grado alimentario.
Una solución de concentración relativamente alta se puede conseguir mediante la limitación de la cantidad de agua añadida al material de biomasa con la enzima. La concentración puede ser controlada, por ejemplo, mediante el control de la cantidad de sacarificación que se lleva a cabo. Por ejemplo, la concentración se puede aumentar mediante la adición de más material de biomasa a la solución. Con el fin de mantener el azúcar que se está produciendo en la solución, un agente tensioactivo se puede añadir, por ejemplo, uno de los expuestos anteriormente. La solubilidad también se puede aumentar mediante el aumento de la temperatura de la solución. Por ejemplo, la solución se puede mantener a una temperatura de 40-50°C, 60-80°C, o incluso superior.
VIII. AGENTES SACARIFICANTES Las enzimas celulolíticas adecuadas incluyen celulasas de especies en los géneros Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium, Aspergillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium and Trichoderma, especialmente los producidos por una cepa seleccionada de la especies de Aspergillus (véase, por ejemplo, EP Pub. No. 0 458 162), Humicola insolens (reclasificados como Scytalidium thermophilum, véase, por ejemplo,, la patente de E.U. No. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (incluyendo, pero no limitado a, A. persicinum, Acremonium A. , A. brachypenium, A. dichromosporum, A. obclavatum, A. pinkertoniae, A. roseogriseum, A. incoloratum, y A. furatum) . Las cepas preferidas incluyen Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium s . RYM-202, Acremonium sp . CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311.74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62, y Acremonium furatum CBS 299.70H. Las enzimas celulolíticas también pueden obtenerse a partir de Chrysosporium, preferiblemente una cepa de Chrysosporium lucknowense. Cepas adicionales que se pueden utilizar incluyen, pero no se limitan a, Trichoderma (particularmente T. viride, T. reesei y T. koningii) , de Bacillus alcalofílico (veáse, por ejemplo, patente de E.U. No. 3,844,890 y EP Pub. No. 0 458 162), y Streptomyces (véase, por ejemplo, el documento EP Pub. No. 0 458 162) .
Muchos microorganismos que se pueden utilizar para sacarificar el material de biomasa y producir azúcares también se pueden utilizar para fermentar y convertir los azúcares a productos útiles.
IX. AZÚCARES En los procedimientos descritos en el presente documento, por ejemplo después de la sacarificación, los azúcares (por ejemplo, glucosa y xilosa) se pueden aislar. Por ejemplo los azúcares se pueden aislar por precipitación, cristalización, cromatografía (por ejemplo, cromatografía en lecho móvil simulado, cromatografía de alta presión) , centrifugación, extracción, cualquier otro método de aislamiento conocido en la técnica, y combinaciones de los mismos .
X. HIDROGENACIÓN Y OTRAS TRANSFORMACIONES QUÍMICAS Los procesos descritos en el presente documento pueden incluir hidrogenación . Por ejemplo glucosa y xilosa pueden ser hidrogenadas a sorbitol y xilitol, respectivamente. La hidrogenación puede llevarse a cabo mediante el uso de un catalizador (por ejemplo, Pt/gamma-AI2O3, u/C, níquel Raney, u otros catalizadores conocidos en la técnica) en combinación con H2 a alta presión (por ejemplo, 0.068947 a 82.737087 MPa) . Otros tipos de transformación química de los productos de los procesos descritos en el presente documento se pueden utilizar, por ejemplo, la producción de azúcar en productos orgánicos derivados tales (por ejemplo, furfural y productos derivados de furfural). Las transformaciones químicas de los productos derivados del azúcar se describen en la solicitud provisional de los E.U. No. 61/ 667, 481, presentada el 3 de julio del 2012, cuya descripción se incorpora en su totalidad en el presente documento como referencia.
XI. FERMENTACIÓN La levadura y la bacteria Zymomonas, por ejemplo pueden utilizarse para la fermentación o conversión de azúcar a alcohol. Otros microorganismos se comentan en la parte inferior. El pH óptimo para las fermentaciones es aproximadamente pH 4 a 7. Por ejemplo, el pH óptimo para la levadura es de aproximadamente pH 4 a 5, mientras que el pH óptimo para Zymomonas es de alrededor de pH 5 a 6. Los tiempos de fermentación normales son aproximadamente 24-168 hora (por ejemplo, 24 a 96 horas) con temperaturas en el intervalo de 20°C a 40°C (por ejemplo, 26°C a 40°C) , sin embargo microorganismos termófilos prefieren temperaturas más altas .
En algunas modalidades, por ejemplo, cuando se utilizan organismos anaerobios, al menos una porción de la fermentación se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, por ejemplo, bajo un manto de un gas inerte, tal como N2, Ar, He, C02 o mezclas de los mismos. Además, la mezcla puede tener una purga constante de un gas inerte que fluye a través del tanque durante parte de o la totalidad de la fermentación. En algunos casos, las condiciones anaeróbicas, se pueden lograr o mantener por la producción de dióxido de carbono durante la fermentación y no se necesita ningún gas inerte adicional.
En algunas modalidades, la totalidad o una parte del proceso de fermentación se puede interrumpir antes de que el azúcar de bajo peso molecular está completamente convertido en un producto (por ejemplo, etanol) . Los productos de fermentación intermedia incluyen el azúcar y los carbohidratos en altas concentraciones. Los azúcares y carbohidratos se pueden aislar a través de cualquier medio conocido en la técnica. Estos productos de fermentación intermedia se pueden utilizar en la preparación de alimentos para el consumo humano o animal . Adicional o alternativamente, los productos de fermentación intermedia se pueden moler a un tamaño de partícula fina en un molino de laboratorio de acero inoxidable para producir una sustancia de harina similar.
El mezclador de chorro puede ser utilizado durante la fermentación, y en algunos casos la sacarificación y la fermentación se llevan a cabo en el mismo tanque.
Los nutrientes para los microorganismos pueden añadirse durante la sacarificación y/o fermentación, por ejemplo los paquetes de nutrientes a base de alimentos descritos en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0052536, presentada el 15 de julio del 2011, cuya descripción completa se incorpora en el presente documento por referencia.
" Fermentación" incluye los métodos y productos que se describen en la Solicitud Provisional de los E.U. No. 61/ 579, 559, presentada el 22 de diciembre de 2012 y la Solicitud Provisional de los E.U. No. 61/ 579, 576, presentada el 22 de diciembre de 2012 el contenido de ambos se incorpora en su totalidad en el presente documento como referencia.
Los fermentadores móviles pueden ser utilizados, como se describe en la Solicitud Internacional. No. PCT/US2007/074028 (que fue presentada el 20 de julio de 2007, fue publicada en inglés como WO 2008/011598 y que designó los Estados Unidos) , cuyo contenido se incorpora en el presente documento en su totalidad. Del mismo modo, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o fermentación puede llevarse a cabo en parte o en su totalidad durante el tránsito.
XII. AGENTES DE FERMENTACION Los microorganismos utilizados en la fermentación pueden ocurrir de manera natural los microorganismos y/o microorganismos logrados. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, una bacteria celulolítica) , un hongo, (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, una levadura) , una planta, un protista, por ejemplo, una protozoos o una protesta parecida a un hongo (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, un molde de limo) , o un alga. Cuando los organismos son compatibles, las mezclas de los organismos pueden ser utilizados .
Los microorganismos fermentativos adecuados tienen la capacidad de convertir los carbohidratos, tales como glucosa, fructosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos en productos de fermentación. Microorganismos fermentativos incluyen cepas del género Saccharomyces spp. (incluyendo, pero no limitado a, de S. cerevisiae (levadura de panadero), S. distaticus, S. uvaru ) , el género Kluyveromyces, (incluyendo, pero no limitado a, K. marxianus, K. fragilis) , el género Candida (incluyendo, pero no limitado a, C. pseudotropicalis, y C. brassicae) , de Pichia stipitis (un pariente de Candida shehatae) , el género Clavispora (incluyendo, pero no limitado a, C. lusitaniae y C. opuntiae) , el género Pachysolen (incluyendo, pero no limitado a, P. tannophilus) , el género Bretannomyces (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, B. clausenii {Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed. , Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)). Otros microorganismos adecuados incluyen, por ejemplo, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. (incluyendo, pero no limitado a, C. thermocellum (Philippidis , 1996, supra) , C. saccharobutylacetonicum, C. saccharobutylicu , C. puniceum, C. beijernckii, y C. acetobutyllcum) , Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis , Lactobacillus spp. Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp., Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans sp., Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes sp., Pseudozyma tsukubaensis, especies de levaduras de Zygosaecharomyees generaciones, Debaryomyces, Hansenula y Pichia, y hongos de género dematioid Torula.
Por ejemplo, Clostridium spp. se puede utilizar para producir etanol, butanol, ácido butírico, ácido acético, y acetona. Lactobacillus spp., Se puede utilizar para producir ácido láctico.
Muchas de estas cepas microbianas están disponibles al público, sea en forma comercial o mediante depósitos tales como la ATCC (Colección Americana de Cultivos Tipo, de Manassas, Virginia, E.U.), el NRRL (Colección de Cultivo del Servicio de Investigación Agrícola, Peoría, Illinois, E.U.), o la DSMZ (Colección Alemana de Microorganismos y Cultivos Celulares GmbH, Braunschweig, Alemania) , para nombrar unos pocos .
Las levaduras disponibles comercialmente incluyen, por ejemplo, Red Star ®/Lesaffre Etanol Red (disponible en Red Star/Lesaffre, E.U.), FALI® (disponible a partir de levadura de Fleischmann, una división de las quemaduras Philip Food Inc., E.U.), SUPERSTART® (disponible de Alltech, ahora Lalemand) , GERT STRA D® (disponible de Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL® (disponible de Especialidades DSM) .
Muchos microorganismos que se pueden utilizar para sacarificar material de biomasa y producir azúcares también se pueden utilizar para fermentar y convertir los azúcares a productos útiles.
XIII. DESTILACIÓN Después de la fermentación, los fluidos resultantes se pueden destilar usando, por ejemplo, una" columna de cerveza" para separar el etanol y otros alcoholes a partir de la mayoría de agua y sólidos residuales. El vapor que sale de la columna de la cerveza puede ser, por ejemplo, 35% en peso de etanol y puede ser alimentada a una columna de rectificación. Una mezcla de casi de etanol azeotrópico (92.5%) y agua de la columna de rectificación se puede purificada a etanol (99.5%) puro utilizando tamices moleculares en la fase de vapor. Los fondos de la columna de cerveza se pueden enviar al primer efecto de un evaporador de tres efectos. El condensador de reflujo de la columna de rectificación puede proporcionar calor para este primer efecto. Después del primer efecto, los sólidos se pueden separar utilizando una centrífuga y se secaron en un secador rotatorio. Una parte (25%) del efluente centrifugado puede ser reciclado a la fermentación y el resto enviado al segundo y tercer efectos del evaporador. La mayor parte del condensado del evaporador pueden ser devueltos al proceso como condensado bastante limpio con una pequeña porción se separó a los residuos de tratamiento del agua para prevenir la acumulación de compuestos de bajo punto de ebullición.
EJEMPLOS EJEMPLO 1. EFECTO DE LA EXÓGENA FRUCTOSA EN SACARIFICACIÓN Este ejemplo prueba si la fructosa exógena inhibe las enzimas de sacarificación.
Se prepararon tres matraces Erlenmeyer de 225 mi, cada uno con 10 g de biomasa tratada mazorca de maíz (tamaño de malla entre 15 y 40, y se irradiaron a 35 Mrad con un haz de electrones) 100 mi de agua y 2.5 mi de dúo Accelerase™ (Danisco) . Para la primera, segunda, y tercera matraz se añadieron, respectivamente: O g, 5 g y l0 g de fructosa. Los matraces se cubrieron con papel de aluminio y se ponen en un agitador incubador a 50eC y 200 rpm durante cuatro días. La cantidad de xilosa y glucosa se controló por HPLC . Los resultados de la sacarificación se muestran en la tabla a continuación.
Tabla 1. Sacarificación bajo diferentes niveles de fructosa Muestra Rendimiento de Rendimiento de % Glucosa (g/L) Xilosa (g/L) Glucosa Og agregado de 17.9 13.8 100.0 fructosa 5g agregado de 16.7 12.3 93.5 fructosa lOg agregado 18.1 12.6 101.3 de fructosa A diferencia de la glucosa (un conocido inhibidor de celobiasa) , 5% o 10% de fructosa añadida no inhibe la sacarificación de mazorca de maíz.
EJEMPLO 2. EFECTO DE LA XILOSA ISOMERASA EN SACARIFICACIÓN La glucosa es un inhibidor conocido de celobiasa. Este ejemplo se comprueba si la conversión de glucosa a la fructosa isómera por xilosa isomerasa puede aumentar la sacarificación.
Se prepararon matraces Erlenmeyer de 225 mi de cuatro, cada uno con 10 gramos de biomasa tratada mazorca de maíz y 100 mi de agua. La biomasa se trató como se describe en el Ejemplo 1. Para la primera, segunda, y tercera matraz se añadieron 2.5 mi de dúo AcceleraseT (Danisco) . Para la segunda, se añadieron frascos tercero y cuarto, respectivamente: l g, O.l g y O.l g de glucosa isomerasa (SweetzymeTM, Aldrich) . Los matraces se cubrieron con papel de aluminio y se ponen en un agitador incubador a 50°C y 200 rpm durante cuatro días. La cantidad de xilosa y glucosa se controló por HPLC . Los resultados de la sacarificación se muestran en la tabla a continuación.
Tabla 2. Eficacia de celulasa con adición de xilosa agregada Muestra Rendimiento Rendimiento % de % de de Glucosa de Xilosa Glucosa Xilosa (g/L) (g/L) 2.5mL 22.6 16. 9 100. .1 100.0 Duet 2.5mL 28.3 20. 6 125, ,2 122.3 Duet + lg Gl 2.5mL 24 , c 13. 5 109, , 0 109.4 Duet +¦ O.lg GI 0. lg GI 1.6 No detectado 6.9 No detectado Se observó que la adición de glucosa isomerasa aumenta la eficacia de la enzima celulasa, con el frasco 2 produce alrededor del 25% más azúcares que matraz de 1.
EJEMPLO 3. ÜSO DE UN ÁCIDO FUERTE PARA ESCINDIR CELOBIOSA Este ejemplo prueba el uso de un ácido fuerte para escindir la celobiosa en glucosa, para aumentar el rendimiento de sacarificación. El ácido fuerte utilizado fue Amberlyst-15™, un ácido sulfónico de poliestireno . Esta es una resina de ácido sulfónico fuertemente ácida macro-reticular polimérico que se basa en copolímeros de estireno-divinilbenceno reticulados . Los estudios publicados indican que Amberlyst-15 puede escindir el dímero celobiosa a glucosa.
Se prepararon tres matraces Erlenmeyer 225 mi, cada uno con 10 gramos de biomasa mazorca de maíz tratada, 100 mi de agua y 2.5 mi Dúo Accelerase™. La biomasa se trató como se describe en el Ejemplo 1 En el segundo matraz de 1 g de glucosa isomerasa se añadió (SweetzymeTM, Aldrich) ; y en la tercera 1 g de glucosa isomerasa y 0.1 g de ácido sulfónico de poliestireno se añadió (Amberlyst-15™, DOW) .
Los matraces se cubrieron con papel de aluminio y se ponen en un agitador incubador a 50 °C y 200 rpm durante cuatro días. La cantidad de xilosa y glucosa se controló por HPLC. Los resultados de la sacarificación se muestran en la tabla a continuación.
Tabla 3. Efecto de un ácido en sacarificación.
Muestra Rendimiento de Rendimiento % de ¾ de ¾ Glucosa (g/L) de Xilosa Glucosa Xílcsa erlyst- ig/H 15 mejorada Los resultados muestran una mejora en la sacarificación con la adición de glucosa isomerasa. El experimento también muestra una mejora en la sacarificación con la adición de ácido sulfónico de poliestireno .
EJEMPLO 4. ELIMINACIÓN DE CELOBIASA Este ejemplo examina sacarificación donde se ha eliminado celobiasa, aunque se han conservado las endo-y exo-celulasas .
El cromatoenfoque fue utilizado para separar los enzimas. De Duet Accelerase™ (Danisco) se inyectó en una columna Mono P utilizando un sistema AKTA. La endo-y exo-celulasas unidas a la columna, mientras que el celobiasa pasa a través y se eliminó. Los exo-y endo-celulasas A continuación se eluyeron de la columna cambiando el pH a 4.0.
Las fracciones resultantes se combinaron y se aplicaron inmediatamente a una reacción de sacarificación.
Tabla 4. La acumulación de celobiosa y azúcares en ausencia de celobiasa.
Muestran Celobiosa^ Glucosas Xilosaa Xilitols Lactosaa AKTA -purificado · 1.057c 4.3ól= 5.326= 0.556=· a E-uec 1 Duet G.39Sn 16.95SB 14.830a 0.726a 3 Mazorca* (sin- = 0.673= Q 0.550= = enzimas) n Kilos/filtrados- n 17.635n 15.053a 0.77Qa 1.052° Duet El resultado esperado es que sin celobiasa, no habría una acumulación de celobiosa. Aunque el rendimiento es bajo, el siguiente cuadro muestra que una cantidad detectable de celobiosa fue efectivamente generada.
Exceptuando en los ejemplos del presente documento, o a menos que se especifique otra cosa expresamente, todos los intervalos numéricos, cantidades, valores y porcentajes, tales como aquellos para cantidades de materiales, contenidos elementales, tiempos y temperaturas de reacción, relaciones de cantidades, y otras, en la siguiente parte de la descripción y reivindicaciones adjuntas se pueden leer como si prologado por la palabra "aproximadamente" a pesar de que el término "aproximadamente" puede no aparecer expresamente con el valor, cantidad o variedad. Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos expuestos en la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas buscadas para ser obtenidas por la presente invención. Por lo menos, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico al menos debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos reportados y mediante la aplicación de técnicas de redondeo ordinarias .
A pesar de que los intervalos y parámetros numéricos que exponen el amplio alcance de la invención son aproximaciones, los valores numéricos expuestos en los ejemplos específicos se informan tan precisamente como sea posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene inherentemente error necesariamente resulta de la desviación estándar encontrada en sus respectivas mediciones de prueba subyacentes. Además, cuando los intervalos numéricos se exponen en el presente documento, estos intervalos son inclusive de los puntos finales intervalo citado en (es decir, se pueden utilizar puntos finales) . Cuando los porcentajes en peso se utilizan en la presente descripción, los valores numéricos reportados son en relación con el peso total.
Además, debe entenderse que cualquier intervalo numérico citado en el presente documento se pretende que incluya todos los subintervalos incluidos en el mismo. Por ejemplo, un intervalo de "1 a 10" pretende incluir todos los subintervalos entre (e incluyendo) el valor mínimo enumerado de 1 y el valor máximo citado de 10, es decir, que tiene un valor mínimo igual o mayor que 1 y un valor máximo igual o inferior a 10. Los términos "un", "una" o "una", como se usa en el presente documento se pretende incluir "al menos uno" o "uno o más", a menos que se indique lo contrario.
Cualquier patente, publicación, u otro material de descripción, en su totalidad o en parte, que se dice, ser incorporada por referencia en el presente documento se incorpora sólo en la medida en que el material incorporado no entre en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones u otro material descrito expuesto en esta descripción. Como tal, y en la medida de lo necesario, la descripción como explícitamente se exponen en el presente documento reemplaza cualquier material conflictivo incorporado en el presente documento por referencia Cualquier material, o parte del mismo, que se dice que es incorporado por referencia en el presente documento, pero el cual entra en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones u otro material descrito establecidos en el presente documento serán incorporados sólo a medida de que no aumente el conflicto entre el material incorporado y el material descrito existente.
Mientras que ésta invención ha sido particularmente mostrada y descrita con referencias a las modalidades preferidas de las mismas, será entendido por los técnicos en la materia que diferentes cambios y detalles pueden estar hechos en el mismo sin apartarse del alcance de la invención incluido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Un método de fabricación de un producto, el método comprendiendo: sacarificación de la biomasa lignocelulósica de recalcitrancia reducida, y la adición de un agente de isomerización a la biomasa sacarificada.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la biomasa sacarificada comprende un primer azúcar y un segundo azúcar y el agente de isomerización se utiliza para convertir el segundo azúcar a un tercer azúcar.
3. El método de conformidad con la reivindicación 2 que comprende además poner en contacto la biomasa sacarificada con un microorganismo convierta el primer azúcar y tercer azúcar a uno o más producto (s) .
. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la biomasa de recalcitrancia reducida ha sido pre-tratada con un método de tratamiento seleccionado del grupo que consiste en: bombardeo con electrones, sonicación, oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico, triturado por congelación .
5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el método de tratamiento es el bombardeo con electrones .
6. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la conversión del segundo azúcar al tercer azúcar se hace antes de mantener la combinación de microorganismo de biomasa en condiciones que permiten que el microorganismo convierta el primer azúcar al producto.
7. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la conversión del segundo azúcar al tercer azúcar se realiza inmediatamente después de la sacarificación de la biomasa.
8. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la conversión del segundo azúcar al tercer azúcar se realiza durante la sacarificación de la biomasa .
. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la biomasa lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste en: madera, tableros de partículas, residuos forestales, serrín, madera de álamo temblón, virutas de madera, hierbas, pasto varilla, miscanthus, hierba espinal, Reed alpiste, residuos de granos, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de la cebada, residuos agrícolas, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, residuos de mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soja, fibra de maíz, alfalfa, heno, pelo de coco, residuos de procesamiento de azúcar, bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave, algas, algas, estiércol, aguas residuales, desechos, residuos agrícolas o industriales, arracacha, trigo sarraceno, plátano, cebada, yuca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papa, camote, taro, ñame, frijoles, habas, lentejas, guisantes, y las mezclas de cualquiera de estos.
10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agente de isomerización comprende un ácido.
11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el ácido es ácido sulfónico de poliestireno .
12. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agente de isomerización comprende una enzima inmovilizada sobre un soporte.
13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la enzima es xilosa isomerasa.
14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-13, caracterizado porque la combinación de biomasa de microorganismo-sacarificado se mantiene a un pH de aproximadamente 6.0 a aproximadamente 7.5.
15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2-14, caracterizado porque el segundo azúcar es la glucosa, y el tercer azúcar es fructosa.
16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2-14, caracterizado porque el segundo azúcar es xilosa, y el tercer azúcar es xilulosa.
17. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-16, caracterizado porque el microorganismo es una levadura.
18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-16, caracterizado porque el microorganismo es Clostridium spp.
19. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-18, caracterizado porque el producto se selecciona entre el grupo que consiste en: etanol, butanol, ácido butírico, ácido acético, y acetona.
20. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-16, caracterizado porque el microorganismo es Lactobacillus spp.
21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el producto es ácido láctico.
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