EA023015B1 - Осахаривание биомассы - Google Patents

Abstract

Исходные материалы, получаемые из биомассы, (например, растительной биомассы, животной биомассы и биомассы городских отходов) перерабатывают для получения полезных продуктов, таких как топливо. Например, описаны системы, которые могут превращать исходные материалы в раствор сахара, который затем можно ферментировать для получения этанола.

Description

По данной заявке испрашивается приоритет предварительной заявки США №1/151695, которая подана 11 февраля 2009 года. Таким образом, предварительная заявка полностью включена в настоящий документ в качестве ссылки.

Область техники

Данное изобретение относится к переработке биомассы и продуктов, полученных из нее.

Предпосылки

Различные углеводы, такие как целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, например, в волокнистой форме, получают, перерабатывают и используют в больших количествах во многих применениях. Часто такие материалы используют однократно, а затем выбрасывают в виде мусора или просто считаются отработанными материалами, например, сточные воды, багасса, древесные опилки и грубые корма.

Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их использование и применение описаны в патентах США №№ 7307108, 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в различных патентных заявках, включая ΡΙΒΚΟυδ МЛТЕК1ЛЬ§ ΑΝΏ СОМРО§1ТЕ§, РСТ/ϋδ 2006/010648, которая подана 23 марта 2006 года, и публикацию патентной заявки США № 2007/0045456 ΡΙΒΚΟυδ МАΊ'ΚΚΙΑΙ,δ ΑΝΏ СОМРО8ГТЕ8.

Существуют крупномасштабные производственные установки для получения этанола из кукурузы. Такие установки не приспособлены для получения этанола из других исходных материалов.

Патентная заявка США № 2006/0127999, Ргосекк Гог ргобисшд с(Напо1 Ггот сот бгу тЛ1ш§ и патентная заявка США № 2003/0077771, Ргосекк Гог ргобисшд е(Напо1 включены в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме. Кроме того, патент США № 7351559 Ргосекк Гог ргобисшд е(Напо1, патент США № 7074603 Ргосекк Гог ргобисшд е!йапо1 Ггот сот бгу тШш§ и патент США № 6509180 Ргосекк Гог ргобистд е!йапо1 включены в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.

Краткое изложение

Как правило, данное изобретение относится к процессам превращения целлюлозного или лигноцеллюлозного исходного материала в удобную и концентрированную форму, которую можно легко транспортировать и использовать, например, в существующих производственных установках, например, в установках, приспособленных для производства этанола из крахмалов, например, из зерновых или кукурузы, из материалов, содержащих сахарозу, или из материалов, содержащих лактозу, таких как сыворотка, для производства промежуточного продукта или продукта, например, энергии, топлива, такого как этанол, продукта питания или материала, и транспортировки превращенного материала на производственную установку. Такие концентраты позволяют использовать меньше воды, что может вести к существенному снижению затрат на производство и транспортировку. Концентрат также можно использовать в установках биологической переработки, таких как те, которые производят ферменты.

Процессы, описанные в настоящем документе, включают осахаривание исходного материала и транспортировку исходного материала из удаленного местоположения, например, в котором получают или хранят исходный материал, к производственной установке. В некоторых случаях может иметь место частичное или полное осахаривание в процессе транспортировки. В некоторых реализациях процесс дополнительно содержит понижение неподатливости исходного материала перед или во время осахаривания. Процесс может включать дополнительные стадии измерения содержания лигнина в исходном материале и определения того, нужна ли предварительная обработка и при каких условиях, основываясь на измеренном содержании лигнина.

Многие способы, описанные в настоящем документе, позволяют предоставить целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, которые обладают, например, более низким уровнем неподатливости, более низкой молекулярной массой, отличающимся уровнем функционализации и/или кристалличности по отношению к природному материалу. Многие способы позволяют получать материалы, которые могут легче использоваться различными микроорганизмами, такими как один или несколько гомоацетогенов или гетероацетогенов (при помощи ферментативного гидролиза или без нее) для получения полезных продуктов, таких как энергия, топливо, продукты питания и материалы. Конкретные примеры продуктов в качестве неограничивающих примеров включают водород, спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол или н-бутанол), сахара, биодизель, органические кислоты (например, уксусную кислоту и/или молочную кислоту), углеводороды, побочные продукты (например, белки, такие как целлюлолитические белки (ферменты) или белки одноклеточных), и любые их смеси. Другие примеры включают карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота или масляная кислота, соли карбоновых кислот, смеси карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложных эфиров карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и п-пропиловые сложные эфиры), кетоны, альдегиды, альфа, бета-ненасыщенные кислоты, такие как акриловая кислота, и олефины, такие как этилен. Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, метиловые или этиловые сложные эфиры любых из этих спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, соли любых кислот и смеси любых кислот и соответствующих солей.

- 1 023015

Другие промежуточные продукты и продукты, включая продукты питания и фармацевтические препараты, описаны в предварительной заявке США № 61/139453, полное раскрытие которой включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Многие продукты, полученные способами, описанными в настоящем документе, такие как этанол или н-бутанол, можно использовать непосредственно в виде топлива или в виде смеси с другими компонентами, такими как горючее, для снабжения энергией легковых машин, грузовиков, тракторов, кораблей или поездов, например, в качестве топлива внутреннего сгорания или в качестве исходного материала топливного элемента. Другие продукты (например, органические кислоты, такие как уксусная кислота и/или молочная кислота) можно превращать в другие вещества (например, сложные эфиры или ангидриды), которые можно превращать и использовать в качестве топлива. Многие полученные продукты также можно использовать для снабжения энергией воздушных судов, таких как самолеты, например, обладающие реактивными двигателями, или вертолеты. Кроме того, продукты, описанные в настоящем документе, можно использовать для генерации электрической энергии, например, в стандартных парогенераторных установках или в установках на топливных элементах.

В одном из аспектов изобретение отличается способом, содержащим предоставление целлюлозного или лигноцеллюлозного исходного материала, содержащего целлюлозу, смешивание исходного материала с растворителем, таким как вода, и средством, таким как фермент или кислота, выбранным для осахаривания целлюлозы, и транспортировку полученной смеси. Подходящие кислоты включают неорганические кислоты, например, серную кислоту или соляную кислоту.

Некоторые реализации содержат один или несколько следующих признаков. Способ может дополнительно содержать предоставление возможности по меньшей мере частичного осахаривания перед транспортировкой, например, предоставление возможности по существу полного осахаривания перед транспортировкой. В некоторых случаях фермент затем денатурируют или удаляют из раствора. Фермент можно денатурировать, например, нагреванием раствора до температуры от 80 до 90°С в течение приблизительно 5-10 мин. Транспортировка может содержать транспортировку смеси в установку, выполненную с возможностью превращения крахмала (например, кукуруза или зерновые), сахарозы или лактозы с использованием микроорганизма в этанол, например, в установку для получения этанола из кукурузы, зерновых, сахарозы или лактозы. В некоторых случаях транспортировка может происходить посредством погрузки в железнодорожную цистерну, автоцистерну, трубопровод или танкерное судно. Способ может дополнительно содержать предоставление возможности осахаривания, что ведет к раствору или суспензии сахара, и удаление ксилозы из раствора или суспензии сахара. Общее содержание сахара в растворе или суспензии может составлять по меньшей мере 20, 30, 40 50, 60, 70 или 80 мас.%. Осахаренный раствор или суспензию можно использовать для получения продукта, такого как этанол.

Способ также может содержать понижение неподатливости исходного материала перед смешиванием исходного материала с растворителем и ферментом, например, посредством обработки исходного материала с использованием физической обработки. Физическую обработку можно, например, выбрать из группы, состоящей из механической обработки, излучения, обработки звуком, пиролиза, окисления, парового взрыва, химической обработки и их сочетания. Химическая обработка может включать использование одного химического средства или двух или более химических средств. Механическая обработка включает, например, резку, размол, прессование, дробление, срезание и рубку. Размол может включать, например, размол на шаровой мельнице, размол на молотковой дробилке или другие типы размола.

Физическая обработка может содержать любой один или несколько способов обработки, описанных в настоящем документе, которые применяют по отдельности или в любой желаемой комбинации и применяют один или несколько раз. В некоторых случаях физическая обработка может содержать облучение ионизирующим излучением, отдельно или в сопровождении механической обработки до и/или после облучения. Облучение можно выполнять, например, с использованием пучка электронов.

В некоторых случаях способ содержит механическую обработку исходного материала для снижения объемной плотности исходного материала и/или увеличения площади поверхности исходного материала, например, посредством выполнения процесса нарезки исходного материала. В некоторых вариантах осуществления после механической обработки объемная плотность материала составляет менее чем 0,25 г/см³, например 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 г/см³ или менее, например 0,025 г/см³. Объемную плотность определяют с использованием ΆδΤΜ Ό18 95В. В кратком изложении способ включает заполнение измерительного цилиндра известного объема образцом и определение массы образца. Объемную плотность вычисляют делением массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.

В другом аспекте изобретение отличается составом, таким как сахарный концентрат, содержащим приблизительно 10-70 мас.% глюкозы, например между 15 и 65% или между 20 и 60%, приблизительно 2,5-35 мас.% глюкозы, например между приблизительно 3,0% и приблизительно 30% или между приблизительно 5% и приблизительно 28%, и текучее вещество, такое как растворитель; где общее содержание сахара в составе составляет приблизительно от 10-90 мас.%, например между приблизительно 15 мас.% и 85 мас.% или между приблизительно 20 мас.% и приблизительно 75 мас.%.

В некоторых реализациях состав дополнительно содержит источник азота, такой как мочевина или пептон, например, в концентрации приблизительно 5-750 мМ, например, приблизительно 7,5-500 мМ или

- 2 023015

10-250 мМ. Состав также может включать в себя поверхностно-активное вещество, такое как неионное поверхностно-активное средство, такое как полиэтиленгликоль или сложный эфир полиэтиленгликоля (например, полиоксиэтилен сорбитан моноолеат), ионное поверхностно-активное вещество, такое как катионное или анионное поверхностно-активное вещество, амфифильное поверхностно-активное вещество или биологические поверхностно-активные вещества, такие как софоролипид, рамнолипид и бацитрацин. Поверхностно-активное вещество можно предоставить, например, в концентрации между приблизительно 0,1 мас.% и приблизительно 5 мас.%, например между приблизительно 0,15 мас.% и приблизительно 4,0 мас.% или между приблизительно 0,25 мас.% и приблизительно 3,0 мас.%. Состав также может включать в себя одно или несколько из следующих: липид, моно-, ди- или триглицерид или ненасыщенная жирная кислота; стерол, например, эргостерол, например, в концентрации между 15 и 1000 м.д. по массе, например между 25 и 500 м.д. или между 50 и 150 м.д.; и/или антибиотик, такой как тетрациклин, например, в концентрации между 15 и 1000 м.д. по массе, например между 25 и 500 м.д. или между 50 и 150 м.д.

В еще одном аспекте изобретение отличается сахарным концентратом, который получают осахариванием дисперсии, которая содержит между приблизительно 10 мас.% и приблизительно 90 мас.% целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, например потока бумажных отходов.

В дополнительном аспекте изобретение отличается способом, который содержит предоставление целлюлозусодержащего целлюлозного или лигноцеллюлозного исходного материала, смешивание исходного материала с текучим веществом, таким как растворитель, таким как вода, и ферментом, выбранным для осахаривания целлюлозы, и транспортировку полученной смеси, например, железнодорожным или автомобильным транспортом, к установке для получения спирта на основе сахара или кукурузы для получения промежуточного продукта или продукта, который может представлять собой, например, любой один или несколько продуктов, перечисленных в настоящем документе. В некоторых случаях продукт может представлять собой энергию или топливо, например, биодизель, или спирт, такой как этанол или метанол. Промежуточный продукт или продукт также может представлять собой, например, карбоновую кислоту, сложный эфир карбоновой кислоты, соль карбоновой кислоты или их смесь.

В некоторых реализациях один или несколько компонентов оборудования для переработки, например, оборудование для механической обработки, оборудование для химической обработки (например, кислотой или основанием), оборудование для облучения, обработки звуков, пиролиза, окисления, парового взрыва, осахаривания и/или ферментации или любое другое оборудование, описанное в настоящем документе, может быть портативным, например, по типу мобильного оборудования для переработки, которое описано в патентной заявке США № 12/374549 и опубликованной международной заявке № \УО 2008/011598, полные описания которых включены в настоящий документ в качестве ссылки.

Изменение молекулярной структуры материала, как применяют в настоящем документе, обозначает изменение расположения химических связей или конформации структуры. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение надмолекулярной структуры материала, окисление материала, изменение средней молекулярной массы, изменение средней кристалличности, изменение площади поверхности, изменение степени полимеризации, изменение пористости, изменение степени разветвленности, прививку на другие материалы, изменение размера кристаллического домена или изменение общего размера домена. Изменение молекулярной структуры можно выполнить с использованием любого одного или нескольких типов физической обработки, описанных в настоящем документе, по отдельности или в любой комбинации, которые применяют один раз или неоднократно.

Все публикации, патентные заявки, патенты и другие источники, указанные в настоящем документе или приложенные к нему, включены в полном объеме в качестве ссылки.

Описание фигур

На фиг. 1 представлена схема, которая иллюстрирует ферментативный гидролиз целлюлозы до глюкозы.

На фиг. 2 представлена схема последовательности операций, которая иллюстрирует превращение исходного материала в этанол через получение и транспортировку раствора глюкозы.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема установки для производства этанола, которую модернизировали для использования растворов и суспензий, описанных в настоящем документе.

Подробное описание

Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, такие как биомасса (например, растительная биомасса, животная биомасса, бумага и биомасса городских отходов) можно переработать для понижения уровня неподатливости (при необходимости) и преобразовать в полезные продукты, такие как те, что перечислены в качестве примеров в настоящем документе. Системы и процессы, описанные в настоящем документе, в которых используют очень обильные, но зачастую с трудом поддающиеся обработке целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, например, потоки городских отходов и потоки бумажных отходов, такие как потоки, которые содержат газетную бумагу, крафт-бумагу, гофрированную бумагу или их смеси. Как правило, при необходимости, материалы можно подвергнуть физической обработке или переработке с использованием одного или нескольких любых способов, описанных в настоящем документе, таких как механическая обработка, химическая обработка, излучение, обработка звуком, окис- 3 023015 ление, пиролиз и паровой взрыв.

В некоторых случаях производственная установка, в которой используют процессы, описанные в настоящем документе, в процессе своей работы будет получать множество различных исходных материалов. Некоторые исходные материалы, например партия стержней кукурузных початков, могут иметь относительно гомогенный состав, тогда как другие исходные материалы могут иметь переменный состав, например городские отходы.

Исходные материалы могут содержать, например, бумагу, бумажные изделия, древесину, сопутствующие материалы древесины, древесностружечные плиты, траву, рисовую шелуху, багассу, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, стержни кукурузных початков, кокосовое волокно, водоросли, морские водоросли, измененные целлюлозы, например ацетат целлюлозы, регенерированную целлюлозу и т.п., или любые их смеси.

В некоторых случаях биомасса представляет собой микробный материал. Микробные источники включают в качестве неограничивающих примеров любые встречающиеся в природе или генетически модифицированью микроорганизмы или организмы, которые содержат или способны предоставить источник углеводов (например, целлюлозы), например простейшие, например животноподобные простейшие (например, протозойные, такие как жгутиконосцы, амебоидные, инфузории и споровики) и растениевидные простейшие (например, такие водоросли, как альвеоляты, хлорарахниофиты, криптомонады, евгленоиды, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страминопилы и Утбаер1ап1ае). Другие примеры включают морские водоросли, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получить из природных источников, например, из океана, озер, водной массы, например, соленой воды или пресной воды, или на суше. Альтернативно, или кроме того, микробную биомассу можно получить из культуральных систем, например, крупномасштабных сухих и влажных культуральных систем.

Для того, чтобы превратить исходный материал в форму, которую легко переработать на существующей производственной установке, например, на установке для получения белка одноклеточного, установке для получения фермента (например, целлюлолитического фермента) или установке для получения топлива, например, на установке для производства этанола из зерновых или кукурузы, целлюлозу в исходном материале гидролизуют до низкомолекулярных углеводов, таких как сахара, посредством осахаривающего средства, например, фермента, а процесс обозначают как осахаривание. В некоторых реализациях осахаривающее средство содержит кислоту, например, неорганическую кислоту. Когда используют кислоту, может происходить образование побочных продуктов, токсичных для микроорганизмов, и в этом случае процесс может дополнительно содержать удаление таких побочных продуктов. Удаление можно выполнять с использованием активированного угля, например, активированного древесного угля или других подходящих способов.

Материалы могут содержать целлюлозу, обработанную ферментом, например, посредством объединения материала и фермента в растворителе, например, в водном растворе.

Ферменты и организмы, расщепляющие биомассу, могут разрушать биомассу, например, целлюлозу и/или лигниновые части биомассы, содержат или продуцируют различные целлюлолитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные метаболиты, расщепляющие низкомолекулярные соединения биомассы. Эти ферменты могут представлять собой комплекс ферментов, которые действуют синергически для расщепления кристаллической целлюлозы или лигниновых частей биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (βглюкозидазы). Как показано на фиг. 1, целлюлозный субстрат сначала гидролизуют эндоглюканазами в случайных местоположениях, получая олигомерные промежуточные продукты. После этого эти промежуточные продукты представляют собой субстраты для экзоглюканаз, таких как целлобиогидролаза, для получения целлобиозы из концов целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водорастворимый димер глюкозы с 1,4-связями. Наконец, целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы.

Целлюлаза способна расщеплять биомассу и может иметь грибное или бактериальное происхождение. Подходящие ферменты содержат целлюлазы родов ВасШиз, Рзеиботопаз, Нитюо1а, Ризалит, ТЫе1ау1а, Асгетотит, СНтузозротшт и ТлсНобеПпа и содержат виды Нитюо1а, Сорттиз, Т1йе1а\аа, Ризатшт, МусеНорЫйота, Асгетоишт, СерНа1озротшт, §су1аШшт, РетсШшт или АзрегдШиз (см., например, ЕР 458162), в особенности те, что получают посредством штамма, выбранного из выбранных видов Нииисо1а 1изо1еиз (по новой классификации §су1айбшт (НегорНйит, см., например, патент США № 4435307), Сорттиз сшетеиз, Ризатшт охузрогит, МусеНорНШога ШелпорНПа, МепрПиз дщатеиз, ТЫе1ау1а 1еггез1г1з, Асгетотит зр., Асгетотит регзюшит, Асгетотит асгетотит, Асгетотит Ъгасйурепшт, Асгетотит ШсНтотозротт, Асгетотит оЪс1ама1ит, Асгетотит р1пкегЮтае, Асгетотит гозеодлзеит, Асгетотит 1псо1ога1ит и Асгетотит ГигаШт: предпочтительно из видов Нитюо1а 1пзо1епз ΌδΜ 1800, Ризатшт охузрогит ΌδΜ 2672, МусеНорНШога ШелпорНПа СВ§ 117.65, Серйа1озротшт зр. КУМ-202, Асгетотит зр. СВ§ 478.94, Асгетотит зр. СВ§ 265.95, Асгетотит регзюшит СВ§ 169.65, Асгето- 4 023015 шит асгетотит АНИ 9519, Серка1о8рогшт 8р. СВ§ 535.71, Асгетопшт Ъгаскуретит СВ§ 866.73, Асгетопшт Й1сЬгото8рогит СВ§ 683.73, Асгетотит оЪс1ауа!ит СВ§ 311.74, Асгетопшт ршкейотае СВ§ 157.70, Асгетопшт го8еодп8еит СВ§ 134.56, Асгетопшт шсо1ога!ит СВ§ 146.62 и Асгетопшт ГигаЩт СВ§ 299.70Н. Целлюлолитические ферменты также можно получить из СЬту8о8ротшт, предпочтительно из штамма СЬту8о8ротшт 1искпоуеп8е. Дополнительно можно использовать Тпскойегта (конкретно Тпскойегта утйе, Тпскойегта гее8е1 и Тпскойегта котиди), алканофильные ВасШи8 (см., например, патент США № 3844890 и ЕР 458162 и §1тер1отусе8 (см., например, ЕР 458162).

Процесс осахаривания можно частично или полностью выполнять в резервуаре (например, резервуар имеет объем по меньшей мере 4000, 40000 или 400000 л) в производственной установке, и/или можно частично или полностью выполнять при перевозке, например, в железнодорожном вагоне, автоцистерне или в супертанкере или в трюме корабля. Время, необходимое для полного осахаривания будет зависеть от используемых условий процесса и исходного материала и фермента. Если осахаривание выполняют в производственной установке при управляемых условиях, то целлюлозу можно, по существу, полностью превратить в глюкозу в течение приблизительно 12-96 ч. Если осахаривание выполняют частично или полностью при перевозке, осахаривание может занять более длительное время.

Как правило, предпочтительно содержимое резервуара перемешивают в процессе осахаривания, например, с использованием струйного перемешивания, как описано в предварительной заявке США № 61/218832, полное раскрытие которой включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Добавление поверхностно-активных веществ может увеличить скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ содержат неионные поверхностно-активные средства, такие как поверхностно-активные вещества на основе полиэтиленгликоля Т\уееп®20 или Т\уееп®80. ионные поверхностно-активные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества.

Как правило, предпочтительно, чтобы концентрация полученного раствора глюкозы была относительно высока, например, более чем 40% или более чем 50, 60, 70, 80, 90 или даже более чем 95 мас.%. Это снижает отгружаемый объем, а также ингибирует микробный рост в растворе. Однако можно использовать более низкие концентрации, и в этом случае может быть желательным добавить противомикробную добавку, например, антибиотик широкого спектра в низкой концентрации, например от 50 до 150 м.д. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В, канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении и можно использовать в соответствующей концентрации, например между 15 и 1000 м.д. по массе, например между 25 и 500 м.д. или между 50 и 150 м.д. При желании антибиотик можно включить, даже если концентрация сахара относительно высока.

Относительно высокую концентрацию раствора можно получить посредством ограничения количества воды, добавленного в исходный материал с ферментом. Концентрацией можно управлять, например, посредством управления степенью осахаривания, которая имеет место. Например, концентрацию можно увеличить добавлением большего количества исходного материала в раствор. Для того, чтобы сохранить полученный сахар в растворе, можно добавить поверхностно-активное вещество, например, одно из рассмотренных выше. Растворимость также можно повысить посредством повышения температуры раствора. Например, можно поддерживать температуру раствора 40-50°С, 60-80°С или даже выше.

В некоторых вариантах осуществления исходный материал перерабатывают для превращения его в удобный и концентрированный твердый материал, например, в порошковой, гранулированной форме или в форме частиц. Концентрированный материал может быть в очищенной или в сырой, или необработанной форме. Общая концентрация сахара в концентрированной форме может составлять, например, между приблизительно 90 мас.% и приблизительно 100 мас.% например, 92, 94, 96 или 98 мас.% сахара. Такая форма может быть особенно экономически целесообразной для отгрузки, например, на установку для биологической переработки, такую как установку для получения биотоплива. Такая форма также может быть полезна для хранения и манипуляции, легче для производства и становится как промежуточным продуктом, так и продуктом, предоставляя варианты для установки биологической очистки в отношении производимых продуктов.

В некоторых случаях материал в порошковой, гранулированной форме или в форме частиц также может содержать один или несколько материалов, например, добавки или химические вещества, описанные в настоящем документе, такие как питательное вещество, источник азота, например, мочевину или пептон, поверхностно-активное вещество, фермент или любой микроорганизм, описанный в настоящем документе. В некоторых случаях все материалы, необходимые для биологического процесса, объединяют в порошкообразном, гранулированном материале или в материале в форме частиц. Такая форма может быть особенно удобной для транспортировки к удаленной установке для биологической переработки, такой как удаленная установка для получения биотоплива. Такая форма также может быть полезной для хранения и манипулирования.

В некоторых случаях материал в порошковой, гранулированной форме или в форме частиц (необязательно с добавлением материалов, таких как добавки и химические вещества) можно обработать любыми способами физической обработки, описанными в настоящем документе. Например, облучение ма- 5 023015 териала в порошковой, гранулированной форме или в форме гранул может повышать его растворимость и может стерилизовать материал, с тем, чтобы в процесс в установке для биологической переработки можно было непосредственно интегрировать материал, что может потребоваться для ожидаемого промежуточного продукта или продукта.

В определенных случаях материал в порошковой, гранулированной форме или в форме частиц (необязательно с добавлением материалов, таких как добавки и химические вещества) можно перевозить в структуре или носителе для облегчения транспортировки, хранения и манипуляций. Например, структура или носитель может содержать или соединяться с мешком или вкладышем, таким как разрушаемый мешок или вкладыш. Такая форма может быть особенно полезной для непосредственного добавления в систему биологической переработки.

Как показано на фиг. 2, процесс производства спирта, например, этанола, может содержать, например, необязательно механическую обработку исходного материала (стадия 110), до и/или после этой обработки необязательно обработку исходного материала с использованием другого способа физической обработки, например, облучения, для дополнительного понижения его неподатливости (стадия 112), осахаривание исходного материала для получения раствора сахара (стадия 114), транспортировку, например, посредством трубопровода, железнодорожного вагона, грузовика или баржи, раствора (или исходного материала, фермента и воды, если осахаривание выполняют в пути) к производственной установке (стадия 116), и затем биологическую переработку обработанного исходного материала для получения желаемого продукта (стадия 118), который затем дополнительно перерабатывают, например, дистилляцией (стадия 120). Отдельные стадии этого процесса подробно описаны ниже. При желании стадии измерения содержания лигнина (стадия 122) и настройки или корректировки параметров процесса (стадия 124) можно выполнять на различных этапах процесса, например, прямо перед стадией(ями) процесса, которую используют для изменения структуры исходного материала, как показано. Если эти стадии включены, то параметры процесса корректируют для того, чтобы компенсировать изменчивость содержания лигнина в исходном материале, как описано в предварительной заявке США № 61/151724, которая подана 11 февраля 2009 года, полное раскрытие которой включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Производственная установка может представлять собой, например, существующую установку для получения этанола на основе крахмала или сахара или установку, модернизированную посредством перемещения или списания оборудования, расположенного по технологическому потоку выше системы биологической переработки (которое в типичной установке для получения этанола, как правило, содержит приемное оборудование для зерновых, молотковую мельницу, перемешиватель для суспензии, оборудование для тепловой обработки и оборудование для ожижения). Таким образом, исходный материал, полученный установкой, вводят непосредственно в оборудование для ферментации. Модернизированная установка схематически показана на фиг. 3.

Материалы из биомассы

Биомасса может представлять собой, например, целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Такие материалы включают бумагу и бумажные изделия (например, бумага с полимерным покрытием и крафт-бумага), древесину, сопутствующие материалы древесины, например, древесностружечные плиты, траву, рисовую шелуху, багассу, джуту, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, стержни кукурузных початков, кокосовые волокна; и материалы с высоким содержанием α-целлюлозы, например, хлопок. Исходные материалы можно получить из обрезков необработанных текстильных материалов, например, из остатков, отходов после использования продуктов и изделий, например из лоскутков. При использовании бумажных изделий они могут представлять собой неиспользованные материалы, например обрезки неиспользованных материалов, или они могут представлять собой отходы после использования продуктов и изделий. Помимо неиспользованных сырьевых материалов в качестве источников волокна также можно использовать отходы после использования продуктов и изделий, промышленные отходы (например, потроха) и отходы переработки (например, сбросовая вода после переработки бумаги). Исходные материалы, получаемые из биомассы, также можно получить или добыть из человеческих (например, сточные воды), животных или растительных отходов. Дополнительные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы описаны в патентах США №№ 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105.

В некоторых вариантах осуществления материал из биомассы содержит углевод, который представляет собой или содержит материал, содержащий одну или несколько в-1,4-связей и обладающий среднечисловой молекулярной массой между приблизительно 3000 и 50000. Такой углевод представляет собой или содержит целлюлозу (I), которую получают из β-глюкозы 1 конденсацией β (1,4)-гликозидных связей. Эта связь отличается тем, что α (1,4)-гликозидные связи присутствуют в крахмале и других углеводах.

- 6 023015

Крахмалистые материалы включают сам крахмал, например, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производные крахмала или материал, который содержит крахмал, такой как съедобный пищевой продукт или сельскохозяйственная культура. Например, крахмалистым материалом может являться аракача, гречиха, бананы, ячмень, маниока, кудзу, ока, саго, сорго, обыкновенный домашний картофель, сладкий картофель, таро, батат или одно, или несколько бобовых, такие как бобы, чечевица или горох. Смеси любых двух или более крахмалистых материалов также являются крахмалистыми материалами.

В некоторых случаях биомасса представляет собой микробный материал. Микробные источники включают в качестве неограничивающих примеров любой встречающийся в природе или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен предоставлять источник углеводов (например, целлюлозу), например, простейшие, например, животноподобные простейшие (например, протозойные, такие как жгутиконосцы, амебоидные, инфузории и споровики) и растениевидные простейшие (например, такие водоросли, как альвеоляты, хлорарахниофиты, криптомонады, евгленовые, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страминопилы и УтйасркпИас). Другие примеры включают морские водоросли, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грам-отрицательные бактерии и экстремофилы). дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получить из природных источников, например, из океана, озер, водной массы, например, соленой воды или пресной воды, или на суше. Альтернативно, или кроме того, микробную биомассу можно получить из культуральных систем, например, крупномасштабных сухих или влажных культуральных систем.

Физическая обработка

Процессы физической обработки могут включать один или несколько любых видов обработки, описанных в настоящем документе, такие как механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка звуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Способы обработки можно использовать в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех этих способов (в любом порядке). Когда используют более одного способа обработки, способы можно применять одновременно или в различные моменты времени. Также можно использовать другие процессы, которые изменяют молекулярную структуру исходного материала, получаемого из биомассы, отдельно или в сочетании с процессами, описанными в настоящем документе.

Один или несколько процессов обработки, описанных ниже, можно включить в функциональную систему, снижающую неподатливость, рассмотренную выше. Альтернативно, или кроме того, можно включить другие процессы для снижения неподатливости.

Механическая обработка

В некоторых случаях способы могут включать механическую обработку исходного материала, получаемого из биомассы. Механическая обработка включает, например, резку, размол, прессование, дробление, срезание и рубку. Размол может включать, например, размол на шаровой мельнице, размол на молотковой дробилке, сухой или влажный размол на роторе-статоре или другие виды размола. Другие виды механической обработки включают, например, жерновой помол, раскалывание, механический разрыв или вытягивание, стержневое дробление или размол воздушным трением.

Механическая обработка может быть полезна для того, чтобы открывать, создавать напряжение, разрушать и разрыхлять целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, делая целлюлозу в материалах более подверженной расщеплению цепи и/или понижению кристалличности. При облучении открытые материалы также могут быть более подверженными окислению.

В некоторых случаях механическая обработка может включать исходное получение исходного материала, как получено, например, уменьшение размера материала, например, посредством нарезки, дробления, срезания, измельчения или рубки. Например, в некоторых случаях сыпучий исходный материал (например, переработанная бумага, крахмалистые материалы или просо прутьевидное) получают среза- 7 023015 нием или шинковкой.

Альтернативно, или кроме того, исходный материал можно подвергнуть физической обработке посредством одного или нескольких других физических способов обработки, например, химической обработки, излучения, обработки звуком, окисления, пиролиза или парового взрыва, и затем подвергнуть механической обработке. Эта последовательность может быть полезной, поскольку материалы, обработанные посредством одного или нескольких других способов обработки, например, посредством облучения или пиролиза, обычно бывают боле хрупкими и, следовательно, они могут легче поддаваться дальнейшему изменению молекулярной структуры материала посредством механической обработки.

В некоторых вариантах осуществления исходный материал находится в форме волокнистого материала, и механическая обработка включает срезание, чтобы сделать доступными волокна волокнистого материала. Срезание можно выполнять, например, используя устройство для резки с вращающимся ножом. Другие способы механической обработки исходного материала включают, например, размол или дробление. Размол можно выполнять с использованием, например, молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, дробильных валков, мельницы Вили или мукомольной мельницы. Дробление можно выполнять, например, с использованием каменной дробилки, стержневой дробилки, кофейной дробилки или граноснимателя. Дробление можно обеспечить, например, посредством возвратно-поступательного движения стержня или другого элемента, как в случае со стержневой мельницей. Другие способы механической обработки включают механический разрыв или вытягивание, другие способы, в которых к волокнам прикладывают давление, и размол воздушным трением. Подходящие способы механической обработки дополнительно включают любые другие способы, которые меняют молекулярную структуру исходного материала.

При необходимости механически обработанный материал можно пропустить через сито, например, со средним размером отверстия 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма). В некоторых вариантах осуществления срезание или другой способ механической обработки и просеивание выполняют одновременно. Например, устройство для резки с вращающимся ножом можно использовать для одновременной нарезки и просеивания исходного материала. Исходный материал режут между стационарными лезвиями и вращающимися лопастями, чтобы предоставить резаный материал, который пропускают через сито, и собирают в приемник. Давление в приемнике может быть ниже номинального атмосферного давления, например, по меньшей мере на 10% ниже номинального атмосферного давления, например, по меньшей мере на 25% ниже номинального атмосферного давления, по меньшей мере на 50% ниже номинального атмосферного давления или по меньшей мере на 75% ниже номинального атмосферного давления. В некоторых вариантах осуществления источник вакуума используют для поддержания в приемнике давления ниже номинального атмосферного давления.

Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно подвергать механической обработке в сухом состоянии (например, когда на его поверхности содержится небольшое количество свободной воды или вода не содержится вовсе), гидратированном состоянии (например, когда он содержит до 10 мас.% абсорбированной воды), или во влажном состоянии, например, когда он содержит приблизительно от 10% приблизительно до 75 мас.% воды. Источник волокна даже можно механически обрабатывать при частичном или полном погружении в жидкость, такую как вода, этанол или изопропанол.

Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал также можно подвергать механической обработке в газе (например, в потоке или в атмосфере газа, отличного от воздуха), например, в кислороде или в азоте, или в пару.

При необходимости лигнин можно удалить из любого исходного материала, содержащего лигнин. Также для содействия дроблению материалов, которые содержат целлюлозу, материал можно обработать перед или во время механической обработки или облучения с использованием тепла, химического вещества (например, неорганической кислоты, основания или сильного окислителя, такого как гипохлорит натрия) и/или фермента. Например, дробление можно выполнять в присутствии кислоты.

Системы механической обработки можно выполнить с возможностью получения потоков с конкретными характеристиками, такими как, например, конкретный максимальный размер, конкретное отношение длины к ширине или конкретное отношение площадей поверхностей. Механическая обработка может повышать скорость реакции или снижать необходимое время переработки, открывая материалы и делая их более доступными для процессов и/или реактивов, таких как реактивы в растворе. Используя механическую обработку, также можно управлять объемной плотностью исходных материалов. Например, в некоторых вариантах осуществления после механической обработки материал имеет объемную плотность менее чем 0,25 г/см³, например 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 г/см³ или менее, например 0,025 г/см³. Объемную плотность определяют с использованием ΑδΤΜ Ό1895Β. В кратком изложении способ включает заполнение измерительного цилиндра известного объема образцом и определение массы образца. Объемную плотность вычисляют делением массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.

Если исходный материал представляет собой волокнистый материал, волокна механически обработанного материала могут иметь относительно большое среднее отношение длины к диаметру (например, более 20 к 1), даже если их резали более одного раза. Кроме того, волокна волокнистых материалов, опи- 8 023015 санных в настоящем документе, могут иметь относительно узкое распределение длин и/или отношений длины к диаметру.

Как применяют в настоящем документе, средняя ширина волокна (например, диаметр) представляет собой то, что определяют оптически путем случайного выбора приблизительно 5000 волокон. Средняя длина волокна представляет собой скорректированную длину, взвешенную по длине. ВЕТ (Вгипаиег, Еттс1 и Те11ег) - площадь поверхности представляет собой многоточечную площадь поверхности, а пористость представляет собой пористость, определяемую ртутной порометрией.

Если исходный материал представляет собой волокнистый материал, то среднее отношение длины к диаметру волокон механически обработанного материала может составить, например более чем 8/1, например, более чем 10/1, более чем 15/1, более чем 20/1, более чем 25/1 или более чем 50/1. Средняя длина волокна механически обработанного материала может составлять, например между приблизительно 0,5 и 2,5 мм, например между приблизительно 0,75 и 1,0 мм, и средняя ширина (например, диаметр) второго волокнистого материала 14 может составлять, например, между приблизительно 5 и 50 мкм, например между приблизительно 10 и 30 мкм.

В некоторых вариантах осуществления, если исходный материал представляет собой волокнистый материал, то стандартное отклонение длины волокна механически обработанного материала составляет менее чем 60% средней длины волокна механически обработанного материала, например менее чем 50% средней длины, менее чем 40% средней длины, менее чем 25% средней длины, менее чем 10% средней длины, менее чем 5% средней длины или даже менее чем 1% средней длины.

В некоторых вариантах осуществления площадь поверхности по БЭЕ механически обработанного материала составляет более чем 0,1 м²/г, например более чем 0,25 м²/г, более чем 0,5 м²/г, более чем 1,0 э э э э э э м /г, более чем 1,5 м /г, более чем 1,75 м /г, более чем 5,0 м /г, более чем 10 м /г, более чем 25 м /г, более чем 35 м /г, более чем 50м /г, более чем 60 м /г, более чем 75 м /г, более чем 100 м /г, более чем 150 м /г, более чем 200 м²/г или даже более чем 250 м²/г.

Пористость механически обработанного материала может составлять, например, более чем 20%, более чем 25%, более чем 35%, более чем 50%, более чем 60%, более чем 70%, более чем 80%, более чем 85%, более чем 90%, более чем 92%, более чем 94%, более чем 95%, более чем 97,5%, более чем 99%, или даже более чем 99,5%.

В некоторых ситуациях может быть желательным получить материал с низкой объемной плотностью, уплотнить материал (например, чтобы облегчить или удешевить транспортировку в другое место), и затем вернуть материал в состояние с более низкой объемной плотностью. Уплотненные материалы можно перерабатывать любыми способами, описанными в настоящем документе, или любой материал, переработанный любыми способами, описанными в настоящем документе, можно впоследствии уплотнить, например, как раскрыто в \УО 2008/073186.

Обработка излучением

Одну или несколько последовательностей обработки излучением можно использовать для переработки исходного материала и для предоставления структурно модифицированного материала, который выполняет функцию входного вещества для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки. Например, облучение может снижать молекулярную массу и/или кристалличность исходного материала. В некоторых вариантах осуществления энергию, запасенную в материале, который высвобождает электрон с его атомной орбитали, используют для облучения материалов. Можно обеспечить излучение посредством 1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа-частицы или протоны, 2) электронов, полученных, например, в бета-распаде или ускорителе пучка электронов, или 3) электромагнитного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. В одном подходе излучение, полученное посредством радиоактивных веществ, можно использовать для облучения исходного материала. В некоторых вариантах осуществления можно использовать любую комбинацию в любом порядке или одновременно с (1) до (3). В другом подходе электромагнитное излучение (например, полученное с использованием источников пучков электронов) можно использовать для облучения исходного материала. Применяемые дозы зависят от требуемого эффекта и конкретного исходного материала. Например, высокие дозы излучения могут разрушать химические связи в компонентах исходного материала. В некоторых случаях, когда желательно расщепить цепь и/или предпочтительно функционализировать цепь полимера, можно использовать частицы, более тяжелые, чем электроны, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Когда желательно осуществить расщепление цепи с раскрытием кольца, можно использовать положительно заряженные частицы в отношении их свойств кислоты Льюиса для усиления расщепления цепи с раскрытием кольца. Например, когда предпочтительно максимальное окисление, ионы кислорода можно использовать, а когда предпочтительно максимальное нитрование, можно использовать ионы азота.

В одном способе облучают первый материал, который представляет собой или содержит целлюлозу, с первой среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν1), например, посредством обработки ионизирующим излучением (например, в форме гамма-излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового света (УФ) от 100 нм до 280 нм, пучка электронов или других заряженных частиц) для предоставления

- 9 023015 второго материала, который содержит целлюлозу со второй среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν2), более низкой, чем первая среднечисловая молекулярная масса. Второй материал (или первый и второй материал) можно комбинировать с микроорганизмом (при ферментативной обработке или без нее), который может использовать второй и/или первый материал или входящие в его состав сахара или лигнин для получения топлива или другого полезного продукта, который представляет собой или содержит водород, спирт (например, этанол или бутанол, такой как н-, втор- или т-бутанол), органическую кислоту, углеводород или любые их смеси.

Поскольку второй материал содержит целлюлозу с пониженной молекулярной массой по отношению к первому материалу, а в некоторых случаях также с пониженной кристалличностью, второй материал, как правило, является более диспергируемым, способным к набуханию и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм и/или фермент. Эти свойства делают второй материал боле восприимчивым к химической, ферментативной и/или биологической атаке по отношению к первому материалу, что может значительно усовершенствовать скорость получения и/или получаемый объем желаемого продукта, например, этанола. Излучение также может стерилизовать материалы или любые среды, необходимые для биологической переработки материала.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисловая молекулярная масса (Μ_Ν2) ниже первой среднечисловой молекулярной массы (Μ_Ν1) более чем приблизительно на 10%, например на 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60% или даже более чем приблизительно на 75%.

В некоторых случаях второй материал содержит целлюлозу с кристалличностью (С₂), которая ниже, чем кристалличность (С₁) целлюлозы в первом материале. Например, (С₂) может быть ниже, чем (С1) более чем приблизительно на 10%, например, на 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления начальный коэффициент кристалличности (перед облучением) составляет приблизительно от 40 приблизительно до 87,5%, например приблизительно от 50 приблизительно до 75% или приблизительно от 60 приблизительно до 70%, и коэффициент кристалличности после облучения составляет приблизительно от 10 приблизительно до 50%, например приблизительно от 15 приблизительно до 45% или приблизительно от 20 приблизительно до 40%. Однако в некоторых вариантах осуществления, например, после обширного облучения, коэффициент кристалличности может составлять менее 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после облучения является по существу аморфным.

В некоторых вариантах осуществления начальная среднечисловая молекулярная масса (перед облучением) составляет приблизительно от 200000 приблизительно до 3200000, например, приблизительно от 250000 приблизительно до 1000000 или приблизительно от 250000 приблизительно до 700000, а среднечисловая молекулярная масса после облучения составляет приблизительно от 50000 приблизительно до 200000, например, приблизительно от 60000 приблизительно до 150000 или приблизительно от 70000 приблизительно до 125000. Однако в некоторых вариантах осуществления, например, после обширного облучения, среднечисловая молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (О₂), который выше, чем уровень окисления (Οι) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может содействовать его диспергируемости, способности к набуханию и/или растворимости, что дополнительно увеличивает восприимчивость материала к химической, ферментативной или биологической атаке. В некоторых вариантах осуществления для повышения уровня окисления второго материала по отношению к первому материалу облучение выполняют в окислительной среде, например, в воздушной или кислородной оболочке, с получением второго материала, который окислен больше, чем первый материал. Например, второй материал может содержать дополнительные гидроксильные группы, альдегидные группы, кетогруппы, сложноэфирные группы или группы карбоновых кислот, которые могут повышать его гидрофильность.

Ионизирующее излучение

Каждая форма излучения ионизирует углеродсодержащий материал посредством специфических взаимодействий, которые определяются энергией излучения. Тяжелые заряженные частицы первоначально ионизируют вещество посредством кулоновского рассеяния; кроме того, эти взаимодействия образуют электроны высокой энергии, которые могут дополнительно ионизировать вещество. Альфачастицы идентичны ядру атома гелия и их получают посредтвом альфа-распада различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актиноидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.

Когда используют частицы, они могут иметь нулевой заряд (незаряженные), положительный заряд или отрицательный заряд. При наличии заряда заряженные частицы могут нести один положительный или отрицательный заряд или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре заряда. В тех случаях, когда желательно расщепление цепи, положительно заряженные частицы могут быть целесообразными, отчасти вследствие их кислотных свойств. Когда используют частицы, частицы могут обладать массой покоящегося электрона или большей массой, например, в 500, 1000, 1500, 2000, 10000 или даже в

- 10 023015

100000 раз превышающей массу покоящегося электрона. Например, частицы могут иметь массу приблизительно от 1 атомной единицы приблизительно до 150 атомных единиц, например, приблизительно от 1 атомной единицы приблизительно до 50 атомных единиц или приблизительно от 1 приблизительно до 25, например 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 а.е.м. Ускорители, используемые для ускорения частиц, могут представлять собой электростатический ускоритель постоянного тока, электродинамический ускоритель постоянного тока, РЧ линейный, магнитный индукционный линейный ускоритель или ускоритель на незатухающей волне. Например, ускорители циклотронного типа доступны в ΙΒΑ, Бельгия, такие как система КНойайоп®, тогда как ускорители постоянного тока доступны в ΚΗΙ, ныне ΙΒΑ НкХиЧпак такие как Иупатктоп®. Ионы и ускорители ионы рассмотрены в 1иХгойис1огу Иис1саг РНуклск, КеииеШ 8. Кгапе, ,1оНп \УПсу & 8опз, 1пс. (1988), КтзХо Рге1ес, ΡΙΖΙΚΑ В 6 (1997) 4, 177-206, СНи, МШат Т., Охстсм оГ ЫдНЫоп Веат ТНсгару Со1итЪи8-ОНю, Κ’Βυ-ΙΛΕΛ МссНпд, 18-20 МагсН 2006, ЕуаЕк Υ. с( а1, АНстпа!шд-РНакс-Еосиксй ΙΗ-ИТЬ Гог НсаууЧоп Мсйлса1 Ассс1ста1ог8 Ртосссйшдк оГ ЕРАС 2006, ЕйшЪитдН, 8со11апй апй Ьсапст, СМ. с! а1., §1а1и8 оГ (Нс §ирсгсопйисНпд ЕСК Юп §оитсс Успик Ртосссйшдк оГ ЕРАС 2000, Улсппа, АикНта.

Преимуществом гамма-излучения является значительная глубина проникновения в различные материалы. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, таллия и ксенона.

Источники рентгеновских лучей включают столкновение пучка электронов с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как те, что производит Ьупссап на коммерческой основе.

Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.

Источники инфракрасного излучения включают сапфировые, цинковые или керамические лампы с селенидовым окном.

Источники микроволн включают клистроны, РЧ источники Слевина или источники пучков атомов, которые используют газообразный водород, кислород или азот.

В некоторых вариантах осуществления пучок электронов используют в качестве источника излучения. Преимуществом пучка электронов является высокая мощность дозы (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокопроизводительное, менее защищенное и менее герметичное оборудование. Также электроны могут более эффективно инициировать расщепление цепи. Кроме того, электроны с энергиями 4-10 МэВ могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, например, 40 мм.

Пучки электронов можно генерировать, например, посредством электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторов-генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны в качестве источника ионизирующего излучения можно использовать, например, для относительно тонких слоев материалов, например, менее чем 0,5 дюйма, например, менее чем 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,2 дюйма или менее чем 0,1 дюйма. В некоторых вариантах осуществления энергия каждого электрона в пучке электронов составляет приблизительно от 0,3 МэВ приблизительно до 2,0 МэВ (миллиона электрон-вольт), например, приблизительно от 0,5 МэВ приблизительно до 1,5 МэВ или приблизительно от 0,7 МэВ приблизительно до 1,25 МэВ.

Устройства для облучения пучками электронов можно получить коммерческим путем из пучка ионов АррНсаНопк, Еоиуат-1а-№иус, Вс1дшт или из ТПап Сотротайоп, 8ап Июдо, СА. Типичные энергии электронов могут составлять 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения пучками электронов может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 100 кВт, 250 кВт или 500 кВт. Уровень деполимеризации исходного материала зависит от использованной энергии электрона и примененной дозы, тогда как время воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут принимать значения в 1, 5, 10, 20, 50, 100 или 200 кГр.

Пучки ионизированных частиц

Частицы более тяжелые, чем электроны, можно использовать для облучения материалов, таких как углеводы или материалы, которые содержат углеводы, например, целлюлозные материалы, лигноцеллюлозные материалы, крахмалистые материалы или любые их смеси и другие материалы, описанные в настоящем документе. Например, можно использовать протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. В некоторых вариантах осуществления частицы, более тяжелые, чем электроны, могут индуцировать увеличенное количество расщепления цепей (по отношению к более легким частицам). В некоторых случаях положительно заряженные частицы могут индуцировать увеличенное количество расщепления цепей, чем отрицательно заряженные частицы, вследствие их кислотности.

Пучки более тяжелых частиц можно генерировать, например, с использованием линейных ускорителей или циклотронов. В некоторых вариантах осуществления энергия каждой частицы пучка составляет приблизительно от 1,0 МэВ/а.е., приблизительно до 6000 МэВ/а.е., например приблизительно от 3 МэВ/а.е., приблизительно до 4800 МэВ/а.е. или приблизительно от 10 МэВ/а.е. приблизительно до 1000 МэВ/а.е.

- 11 023015

В определенных вариантах осуществления пучки ионов, которые используют для облучения углеродсодержащих материалов, например материалов из биомассы, могут содержать более чем один тип ионов. Например, пучки ионов могут содержать смеси двух или более (например, трех, четырех или более) различных типов ионов. Образцовые смеси могут содержать ионы углерода и протоны, ионы углерода и ионы кислорода, ионы азота и протоны, и ионы железа и протоны. В более общем случае можно использовать смеси любых ионов, рассмотренных в настоящем документе (или любых других ионов), для формирования облучающих пучков ионов. В частности в одном пучке ионов можно использовать смеси относительно легких и относительно тяжелых ионов.

В некоторых вариантах осуществления пучки ионов для облучения материалов содержат положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы могут содержать, например, положительно заряженные ионы водорода (например, протоны), ионы благородных газов (например, гелия, неона, аргона), ионы углерода, ионы азота, ионы кислорода, атомы кремния, ионы фосфора и ионы металлов, такие как ионы натрия, ионы кальция и/или ионы железа. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, полагают, что такие положительно заряженные ионы обладают химическими свойствами фрагментов кислот Льюиса, когда подвергаются воздействию материалов, инициирующих и поддерживающих реакции катионного расщепления цепи с раскрытием кольца в окислительной среде.

В определенных вариантах осуществления пучки ионов для облучения материалов содержат отрицательно заряженные ионы. Отрицательно заряженные ионы могут содержать, например, отрицательно заряженные ионы водорода (например, ионы гидрида) и отрицательно заряженные ионы различных электроотрицательных ядер (например, ионы кислорода, ионы азота, ионы углерода, ионы кремния и ионы фосфора). Не желая ограничиваться какой-либо теорией, полагают, что такие отрицательно заряженные ионы обладают химическими свойствами фрагментов оснований Льюиса, когда подвергаются воздействию материалов, вызывающих реакции анионного расщепления цепи с раскрытием кольца в восстановительной среде.

В некоторых вариантах осуществления пучки для облучения материалов могут содержать нейтральные атомы. Например, любой один или несколько из атомов водорода, атомов гелия, атомов углерода, атомов азота, атомов кислорода, атомов неона, атомов кремния, атомов фосфора, атомов аргона и атомов железа могут содержаться в пучках, которые используют для облучения материалов из биомассы. В основном в пучках могут присутствовать смеси любых двух или более указанных выше типов атомов (например, трех или более, четырех или более).

В определенных вариантах осуществления пучки ионов, которые используют для облучения материалов, содержат положительно заряженные ионы, такие как один или несколько из Н+, Н^-, Не'. Ие', Аг'. С+, С^-, О+, О^-, Ν+, Ν^-, δί⁺, δί^-, Р+, Ρ^-, Να', Са' и Ре⁺. В некоторых вариантах осуществления пучки ионов могут содержать ионы с несколькими зарядами, такие как один или несколько из С²⁺, С³⁺, С⁴⁺, Ν³⁺, Ν⁵',

Ν^3-, О²⁺, О^2-, О₂ ^2-, δί⁴⁺, δί^2- и δί^4-. В основном пучки ионов также могут содержать более сложные δί² многоядерные ионы, которые несут несколько положительных или отрицательных зарядов. В определенных вариантах осуществления благодаря структуре многоядерного иона положительные или отрицательные заряды можно эффективно распределить по существу по всей структуре иона. В некоторых вариантах осуществления положительные или отрицательные заряды можно в некоторой степени локализовать в части структуры иона.

Электромагнитное излучение

В вариантах осуществления, где облучение выполняют с использованием электромагнитного излучения, энергия электромагнитного излучения на фотон может составлять, например, (в электрон-вольтах) более чем 10² эВ, например более чем 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ или даже более чем 10⁷ эВ. В некоторых вариантах осуществления энергия электромагнитного излучения имеет на фотон между 10⁴ и 10⁷, например между 10⁵ и 10⁶ эВ. Частота электромагнитного излучения может составлять, например более чем 10¹⁶ Гц, более чем 10 Гц, 10 , 10 , 10 или даже более чем 10 Гц. В некоторых вариантах осуществления час18 22 19 21 тота электромагнитного излучения составляет между 10 и 10 Гц, например между 10 и 10 Гц.

Дозы

В некоторых вариантах осуществления облучение (с использованием любого источника излучения или комбинации источников) выполняют до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере 0,25 Мрад, например по меньшей мере 1,0 Мрад, по меньшей мере 2,5 Мрад, по меньшей мере 5,0 Мрад или по меньшей мере 10,0 Мрад. В некоторых вариантах осуществления облучение выполняют до тех пор, пока материал не получит дозу между 1,0 и 6,0 Мрад, например между 1,5 и 4,0 Мрад.

В некоторых вариантах осуществления облучение выполняют при мощности дозы между 5,0 и 1500,0 крад/ч, например между 10,0 и 750,0 крад/ч или между 50,0 и 350,0 крад/ч.

В некоторых вариантах осуществления используют два или более источников излучения, такие как два или более источников ионизирующего излучения. Например, образцы можно обработать в любом порядке с использованием пучка электронов, за которым следует гамма-излучение и УФ-свет с длинами волн приблизительно от 100 нм приблизительно до 280 нм. В некоторых вариантах осуществления образцы обрабатывают с использованием трех источников ионизирующего излучения, таких как источники пучка электронов, гамма-излучения и УФ-света высокой энергии.

- 12 023015

Обработка звуком

Одну или несколько последовательностей обработки звуком можно использовать для переработки материалов из широкого спектра различных источников для выделения полезных веществ из материалов и для предоставления частично расщепленного органического материала (когда используют органические материалы), которые выполняют функцию входного вещества для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки. Обработка звуком может понизить молекулярную массу и/или кристалличность материалов, таких как один или несколько из любых материалов, описанных в настоящем документе, например один или несколько источников углеводов, таких как целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы или крахмалистые материалы.

В одном способе первый материал, который содержит целлюлозу, обладающую первой среднечисловой молекулярной массой (Мт), диспергируют в среде, такой как вода, и обрабатывают звуком и/или иным образом образуют полости, чтобы предоставить второй материал, который содержит целлюлозу, обладающую более низкой второй среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν2), чем первая среднечисловая молекулярная масса. Второй материал (или первый и второй материал в определенных вариантах осуществления) можно объединять с микроорганизмом (с использованием ферментативной обработки или без нее), который может использовать второй и/или первый материал, для получения топлива, которое представляет собой или содержит водород, спирт, органическую кислоту, углеводород или любые их смеси.

Поскольку второй материал содержит целлюлозу с пониженной молекулярной массой по отношению к первому материалу, а в некоторых случаях также и пониженной кристалличностью, второй материал, как правило, является более диспергируемым, способным к набуханию и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм, например, в концентрации более чем 10⁶ микроорганизмо в/мл. Эти свойства делают второй материал более восприимчивым для химической, ферментативной и/или микробной атаки по отношению к первому материалу, что может значительно усовершенствовать скорость получения и/или получаемый объем желаемого продукта, например этанола. Обработка звуком также может стерилизовать материалы, но ее не следует использовать до тех пор, пока предполагают, что микроорганизмы должны быть живы.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисловая молекулярная масса (Μ_Ν2) ниже первой среднечисловой молекулярной массы (Μ_Ν1) более чем приблизительно на 10%, например на 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60% или даже более чем приблизительно 75%.

В некоторых случаях второй материал содержит целлюлозу, кристалличность (С₂) которой ниже, чем кристалличность (С₁) целлюлозы первого материала. Например, (С₂) может быть ниже (С₁) более чем приблизительно на 10%, например на 15, 20, 25, 30, 35 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления начальный коэффициент кристалличности (до обработки звуком) составляет приблизительно от 40 приблизительно до 87,5%, например приблизительно от 50 приблизительно до 75% или приблизительно от 60 приблизительно до 70%, а коэффициент кристалличности после обработки звуком составляет приблизительно от 10 приблизительно до 50%, например, приблизительно от 15 приблизительно до 45% или приблизительно от 20 приблизительно до 40%. Однако в определенных вариантах осуществления, например, после экстенсивной обработки звуком, коэффициент кристалличности может составлять менее 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после обработки звуком является, по существу, аморфным.

В некоторых вариантах осуществления начальная среднечисловая молекулярная масса (перед обработкой звуком) составляет приблизительно от 200000 приблизительно до 3200000, например, приблизительно от 250000 приблизительно до 1000000 или приблизительно от 250000 приблизительно до 700000, а среднечисловая молекулярная масса после обработки звуком составляет приблизительно от 50000 приблизительно до 200000, например приблизительно от 60000 приблизительно до 150000 или приблизительно от 70000 приблизительно до 125000. Однако в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивной обработки звуком, среднечисловая молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (О₂), который выше уровня окисления (О!) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его диспергируемости, способности к набуханию и/или растворимости, что дополнительно увеличивает восприимчивость материала к химической, ферментативной или микробной атаке. В некоторых вариантах осуществления для повышения уровня окисления второго материала по отношению к первому материалу обработку звуком выполняют в окислительной среде, и получают второй материал, который окислен больше, чем первый материал. Например, второй материал может содержать больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетогрупп, сложноэфирных групп или групп карбоновых кислот, которые могут повышать его гидрофильность.

В некоторых вариантах осуществления среда для обработки звуком представляет собой водную среду. При желании среда может содержать окислитель, такой как пероксид (например, пероксид водорода), диспергирующее средство и/или буфер. Примеры диспергирующих средств включают ионные

- 13 023015 диспергирующие средства, например лаурилсульфат натрия, и неионные диспергирующие средства, например поли(этиленгликоль).

В других вариантах осуществления среда для обработки звуком является неводной. Например, обработку звуком можно выполнять в углеводороде, например в толуоле или гептане, простом эфире, например диэтиловом эфире или тетрагидрофуране, или даже в сжиженном газе, таком как аргон, ксенон или азот.

Пиролиз

Одну или несколько последовательностей обработки пиролизом можно использовать для переработки углеродсодержащих материалов из широкого спектра различных источников, чтобы извлечь полезные вещества из материалов и чтобы предоставить частично расщепленные материалы, которые выполняют функцию входного вещества для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки.

В одном примере первый материал, который содержит целлюлозу с первой среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν1) подвергают пиролизу, например, посредством нагревания первого материала в трубчатой печи (в присутствии или отсутствие кислорода), чтобы предоставить второй материал, который содержит целлюлозу со второй среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν2), которая ниже первой среднечисловой молекулярной массы. Второй материал (или первый и второй материал в определенных вариантах осуществления) объединяют с микроорганизмом (с использованием кислотного или ферментативного гидролиза или без него), который может использовать второй и/или первый материал для получения топлива, которое представляет собой или содержит водород, спирт (например, этанол или бутанол, такой как н-, втор- или т-бутанол), органическую кислоту, углеводород или любые их смеси.

Поскольку второй материал содержит целлюлозу с пониженной молекулярной массой по отношению к первому материалу, а также в некоторых случаях с пониженной кристалличностью, второй материал, как правило, является более диспергируемым, способным к набуханию и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм, например, в концентрации более чем 10⁶ микроорганизмо в/мл. Эти свойства делают второй материал более восприимчивым к химической, ферментативной и/или микробной атаке по отношению к первому материалу, что может значительно усовершенствовать скорость получения и/или получаемый объем желаемого продукта, например, этанола. Пиролиз также может стерилизовать первый и второй материалы.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисловая молекулярная масса (Μ_Ν2) ниже, чем первая среднечисловая молекулярная масса (Μ_Ν1) более чем приблизительно на 10%, например, на 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50%, 60% или даже более чем приблизительно на 75%.

В некоторых случаях второй материал содержит целлюлозу, кристалличность (С2) которой ниже кристалличности (С₂) целлюлозы в первом материале. Например, (С₂) может быть ниже (Οι) более чем приблизительно на 10%, например, на 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления начальная кристалличность (перед пиролизом) составляет приблизительно от 40 приблизительно до 87,5%, например, приблизительно от 50 приблизительно до 75% или приблизительно от 60 приблизительно до 70%, а коэффициент кристалличности после пиролиза составляет приблизительно от 10 приблизительно до 50%, например, приблизительно от 15 приблизительно до 45% или приблизительно от 20 приблизительно до 40%. Однако в определенных вариантах осуществления, например, после экстенсивного пиролиза, коэффициент кристалличности может составлять менее 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после пиролиза является по существу аморфным.

В некоторых вариантах осуществления начальная среднечисловая молекулярная масса (перед пиролизом) составляет приблизительно от 200000 приблизительно до 3200000, например приблизительно от 250000 приблизительно до 1000000 или приблизительно от 250000 приблизительно до 700000, и среднечисловая молекулярная масса после пиролиза составляет приблизительно от 50000 приблизительно до 200000, например приблизительно от 60000 приблизительно до 150000 или приблизительно от 70000 приблизительно до 125000. Однако в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного пиролиза, среднечисловая молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (О₂), который выше уровня окисления (О!) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его диспергируемости, способности к набуханию и/или растворимости, что дополнительно увеличивает восприимчивость материалов к химической, ферментативной или микробной атаке. В некоторых вариантах осуществления для повышения уровня окисления второго материала по отношению к первому материалу пиролиз выполняют в окислительной среде и получают второй материал, который окислен больше, чем первый материал. Например, второй материал может содержать больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетогрупп, сложноэфирных групп или групп карбоновых кислот, которые могут увеличивать его гидрофильность.

В некоторых вариантах осуществления пиролиз материалов происходит непрерывно. В других вариантах осуществления материал пиролизуют в течение предварительно определенного времени и оставляют остывать в течение второго предварительно определенного времени прежде, чем снова прово- 14 023015 дить пиролиз.

Окисление

Одну или несколько последовательностей окислительной обработки можно использовать для переработки углеродсодержащих материалов из широго спектра различных источников, чтобы извлечь полезные вещества из материалов и чтобы предоставить частично расщепленный и/или измененный материал, который выполняет функцию входного вещества для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки.

В одном способе первый материал, который содержит целлюлозу с первой среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν1) и с первым содержанием кислорода (Οι), окисляют, например, посредством нагревания первого материала в потоке воздуха или обогащенного кислородом воздуха, чтобы предоставить второй материал, который содержит целлюлозу со второй среднечисловой молекулярной массой (Μ_Ν2) и со вторым содержанием кислорода (О₂), превышающим первое содержание кислорода (Οι).

Такие материалы также можно комбинировать с твердым веществом и/или жидкостью. Жидкость и/или твердое вещество может содержать микроорганизм, например бактерию, и/или фермент. Например, бактерия и/или фермент может действовать на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал для получения топлива, такого как этанол, или побочного продукта, такого как белок. Виды топлива и побочные продукты описаны в РШКОИЗ МЛТЕЫЛЬЗ ΛΝΌ СОМРО81ТЕ8, ИЗЗЫ 11/453951, которая подана 15 июня 2006 года. Полное содержание каждой из указанных выше заявок включено в настоящий документ в качестве ссылки.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисловая молекулярная масса не более чем на 97% ниже первой среднечисловой молекулярной массы, например, не более чем на 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12,5, 10,0, 7,5, 5,0, 4,0, 3,0, 2,5, 2,0 или не более чем на 1,0% ниже первой среднечисловой молекулярной массы. Количество снижения молекулярной массы будет зависеть от применения. Например, в некоторых предпочтительных вариантах осуществления, которые предусматривают композиты, вторая среднечисловая молекулярная масса, по существу, равна первой среднечисловой молекулярной массе. В других применениях, таких как получение этанола или другого топлива или побочного продукта, как правило, предпочтительным является более высокое количество снижения молекулярной массы.

В некоторых вариантах осуществления, в которых материалы используют для получения топлива или побочного продукта, начальная среднечисловая молекулярная масса (перед окислением) составляет приблизительно от 200000 приблизительно до 3200000, например приблизительно от 250000 приблизительно до 1000000 или приблизительно от 250000 приблизительно до 700000, а среднечисловая молекулярная масса после окисления составляет приблизительно от 50000 приблизительно до 200000, например приблизительно от 60000 приблизительно до 150000 или приблизительно от 70000 приблизительно до 125000. Однако в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного окисления, среднечисловая молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второе содержание кислорода составляет по меньшей мере приблизительно на 5% выше первого содержания кислорода, например на 7,5% выше, 10,0% выше, 12,5% выше, 15,0% выше или 17,5% выше. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления второе содержание кислорода по меньшей мере приблизительно на 20,0% выше первого содержания кислорода первого материала. Содержание кислорода измеряют посредством элементарного анализа, подвергая пиролизу образец в печи при 1300°С или выше. Подходящим элементарным анализатором является анализатор ЬЕСО СНЫЗ-932 с печью для высокотемпературного пиролиза УТР-900.

Как правило, окисление материала происходит в окислительной среде. Например, окисление можно вызвать или содействовать ему посредством пиролиза в окислительной среде, например, в воздухе или обогащенном аргоном воздухе. Чтобы содействовать окислению в материал перед окислением или во время него можно добавлять различные химические средства, такие как окислители, кислоты или основания. Например, перед окислением можно добавлять пероксид (например, бензоилпероксид).

В некоторых окислительных способах понижения неподатливости используют реакции Фентона. Такие способы раскрыты, например, в предварительной заявке США № 61/139473, которая подана 19 декабря 2008 года, полное раскрытие которой включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Образцовые окислители включают пероксиды, такие как пероксид водорода и бензоилпероксид, персульфаты, такие как персульфат аммония, активные формы кислорода, такие как озон, перманганаты, такие как перманганат калия, перхлораты, такие как перхлорат натрия, и гипохлориты, такие как гипохлорит натрия (хозяйственный отбеливатель).

В некоторых ситуациях рН поддерживают равным или ниже чем приблизительно 5,5 во время контакта, например, между 1 и 5, между 2 и 5, между 2,5 и 5 или между приблизительно 3 и 5. Условия также могут включать период контакта между 2 и 12 ч, например между 4 и 10 ч или между 5 и 8 ч. В некоторых случаях условия включают температуру, не превышающую 300°С, например не превышающую 250, 200, 150, 100 или 50°С. В конкретных желательных случаях температура остается, по существу, равной температуре окружающей среды, например равной или приблизительно равной 20-25°С.

- 15 023015

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления один или несколько окислителей применяют к первому целлюлозному или лигноцеллюлозному материалу и одно или несколько соединений в виде газа, например, посредством генерации озона ίη 8йи облучением первого целлюлозного или лигноцеллюлозного материала и одного или нескольких соединений через воздух с использованием пучка частиц, таких как электроны.

В конкретных предпочтительных вариантах осуществления первый целлюлозный или лигноцеллюлозный материал сначала диспергируют в воде или водной среде, которая содержит одно или несколько соединений, диспергированных и/или растворенных в ней, воду удаляют после времени набухания (например, несвязанную или свободную воду удаляют фильтрованием), и затем один или несколько окислителей применяют к комбинации в виде газа, например, посредством генерации озона ίη 8йи облучением одного первого целлюлозного или лигноцеллюлозного, и/или нескольких соединений через воздух с использованием пучка частиц, таких как электроны (например, которые ускоряют посредством разности потенциалов между 3 МэВ и 10 МэВ). Набухание может раскрыть внутренние части для окисления.

В некоторых вариантах осуществления смесь содержит одно или несколько соединений и один или несколько окислителей, и мольное отношение одного или нескольких соединений к одному или нескольким окислителям составляет приблизительно от 1:1000 приблизительно до 1:25, например приблизительно от 1:500 приблизительно до 1:25 или приблизительно от 1:100 приблизительно до 1:25.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления смесь дополнительно содержит один или несколько гидрохинонов, таких как 2,5-диметоксигидрохинон (ДМГХ) и/или один или несколько бензохинонов, таких как 2,5-диметокси-1,4-бензохинон (ДМБХ), которые могут облегчать реакции с переносом электронов.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления один или несколько окислителей генерируют электрохимическим способом ίη 8йи. Например, пероксид водорода и/или озон можно получить электрохимическим способом внутри контактного или реакционного сосуда.

Другие процессы для повышения растворимости, понижения неподатливости или функционализации

Любые процессы из этого параграфа можно использовать отдельно от любых процессов, описанных в настоящем документе, или в сочетании с любыми процессами, описанными в настоящем документе (в любом порядке): паровой взрыв, обработка кислотой (включая обработку концентрированной или разведенной кислотой с использованием неорганических кислот, таких как серная кислота, соляная кислота, и органических кислот, таких как трифторуксусная кислота), обработка основанием (например, обработка известью или гидроксидом натрия), обработка УФ, обработка шнековым экструдером (см., например, патентную заявку США с серийным № 61/073530, которая подана 18 ноября 2008 года, обработка растворителем (например, обработка ионными жидкостями) и низкотемпературный размол (см., например, патентную заявку США с серийным № 61/081709).

Получение топлива и/или других продуктов

После выполнения одной или нескольких стадий переработки биомассы, рассмотренных выше, сложные углеводы, содержащиеся во фракциях целлюлозы и гемицеллюлозы, можно переработать в сбраживаемые сахара с использованием процесса осахаривания, как указано выше.

После транспортировки полученного раствора сахара к производственной установке сахара можно превратить в различные продукты, такие как спирты, например этанол, или органические кислоты. Полученный продукт зависит от используемого микроорганизма и условий, при которых проходит биологическая переработка. Эти стадии можно выполнять, например, с использованием существующего оборудования установки для получения этанола на основе кукурузы.

Как правило, при ферментации используют различные микроорганизмы. Раствор сахара, полученный осахариванием лигноцеллюлозных материалов, будет, как правило, содержать ксилозу, а также глюкозу. Может оказаться желательным удалить ксилозу, например, посредством хроматографии, поскольку некоторые общеупотребительные микроорганизмы (например, дрожжи) не действуют на ксилозу. Ксилозу можно собрать и использовать в производстве других продуктов, например, подсластителя ксилита. Ксилозу можно удалить до или после доставки раствора сахара к производственной установке, где будут выполнять ферментацию.

Микроорганизм может представлять собой природный микроорганизм или искусственно созданный микроорганизм. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например целлюлолитическую бактерию, гриб, например дрожжи, растение или простейшее, например водоросли, протозойные или грибоподобное простейшее, например миксомицет. При совместимости организмов можно использовать смеси организмов. Микроорганизм может представлять собой аэробный или анаэробный организм. Микроорганизм может представлять собой гомоферментативный микроорганизм (продуцирует один или, по существу, один конечный продукт). Микроорганизм может представлять собой гомоацетогенный микроорганизм, гомомолочный микроорганизм, пропионовокислую бактерию, маслянокислую бактерию, янтарнокислую бактерию или 3-гидроксипропионовокислую бактерию. Микроорганизм может относиться к роду, выбранному из группы С1о81йбшт, ЬасЮЪасШик, Мооге11а, ТйсгтоапасгоЬас1сг. РгорпошЬасЮпит. Ргорюшкрсга, АпасгоЪю8рт11ит и ВасЮтюбск. В конкретных случаях микроорганизм

- 16 023015 может представлять собой ОоЧпбшт Готтюоассйсит, ОоЧпбшт ЬиКпеит. Мооге11а (НсгтоаесИеа. ТНсгтоапасгоЬас1сг ктуш, ЬасЮЪасШик бс1Ъгикм, РгорюшЪасЮтшт асШргорюшсц Рторюшкрсга агЬогк. ЛпаегоЫокртИит киситсргобисспк, ВасЮтюбек ату1орЫ1и8 или ВасЮтюбек гит1тсо1а. Например, используемый микроорганизм может представлять собой рекомбинантный микроорганизм, сконструированный для получения требуемого продукта, такой как рекомбинантная ЕксйспсЫа сой, трансформированная с использованием одного или нескольких генов, способных кодировать белки, которые управляют образованием требуемого продукта (см., например, патент США № 6852517, который выдан 8 февраля 2005 года).

Как правило, группы карбоновых кислот снижают рН ферментационного раствора, который проявляет склонность к ингибированию ферментации некоторыми микроорганизмами, такими как РюЫа Юрн ΐΐδ. Таким образом, в некоторых случаях желательно добавлять основание и/или буфер до или во время ферментации, чтобы поднять рН раствора. Например, гидроксид натрия или известь можно добавить в ферментационную среду для повышения рН среды до диапазона, который оптимален для используемого микроорганизма.

Как правило, ферментацию проводят в водную среду для выращивания, которая может содержать источник азота или другой источник питательных веществ, например мочевину, наряду с витаминами и микроэлементами и металлами. Как правило, предпочтительно, чтобы среда для выращивания была стерильна или по меньшей мере обладала малой микробной нагрузкой, например малым количеством бактерий. Стерилизацию среды для выращивания можно выполнить любым желаемым способом. Однако в предпочтительных реализациях стерилизацию выполняют облучением среды для выращивания или отдельных компонентов среды для выращивания перед смешиванием. Чтобы минимизировать потребление энергии и итоговую стоимость, дозировка излучения, как правило, должна иметь минимальное значение, которое при этом позволяет получать достаточные результаты. Например, во многих случаях сама среда для выращивания или компоненты среды для выращивания можно обработать дозой излучения менее чем 5 Мрад, например менее чем 4, 3, 2 или 1 Мрад. В конкретных случаях среду для выращивания обрабатывают дозой между приблизительно 1 и 3 Мрад.

Другие варианты осуществления

Описано множество вариантов осуществления. Тем не менее понятно, что можно выполнять различные модификации, не отступая от сущности и объема раскрытия.

Claims (9)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ получения сахаров из лигноцеллюлозного исходного материала, включающий облучение лигноцеллюлозного исходного материала;

   струйное смешение лигноцеллюлозного исходного материала с водной средой и осахаривающим ферментом в резервуаре с образованием раствора или суспензии;

   предоставление лигноцеллюлозному исходному материалу возможности для осахаривания; и добавление лигноцеллюлозного исходного материала в резервуар в процессе осахаривания с получением общего содержания сахара в растворе или суспензии после осахаривания по меньшей мере 10 мас.%.
2. 2. Способ по п.1, который дополнительно включает удаление и/или денатурацию осахаривающего фермента.
3. 3. Способ по п.1, который дополнительно включает транспортировку раствора или суспензии после осахаривания к установке, выполненной с возможностью превращения крахмала, сахарозы или лактозы, используя микроорганизм, в этанол.
4. 4. Способ по п.1, который дополнительно включает удаление ксилозы из раствора или суспензии.
5. 5. Способ по п.1, который дополнительно включает механическое или химическое понижение неподатливости лигноцеллюлозного исходного материала перед струйным смешиванием лигноцеллюлозного исходного материала с водной средой и осахаривающим ферментом.
6. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, который дополнительно включает механическую обработку лигноцеллюлозного исходного материала для уменьшения объемной плотности лигноцеллюлозного исходного материала и/или увеличения его площади поверхности перед облучением.
7. 7. Способ по п.6, где механическая обработка включает выполнение процесса резки лигноцеллюлозного исходного материала.
8. 8. Способ по п.5, где механическое или химическое понижение неподатливости лигноцеллюлозного исходного материала включает механическую обработку, химическую обработку, обработку звуком, пиролиз, окисление или паровой взрыв лигноцеллюлозного исходного материала.
9. 9. Способ по п.1, где общее содержание сахара в растворе или суспензии после осахаривания составляет по меньшей мере 20 мас.%.