EA029133B1 - Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья для получения сахаров, включающих глюкозу - Google Patents

Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья для получения сахаров, включающих глюкозу Download PDF

Info

Publication number
EA029133B1
EA029133B1 EA201290848A EA201290848A EA029133B1 EA 029133 B1 EA029133 B1 EA 029133B1 EA 201290848 A EA201290848 A EA 201290848A EA 201290848 A EA201290848 A EA 201290848A EA 029133 B1 EA029133 B1 EA 029133B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
feedstock
materials
halophilic
ions
microorganism
Prior art date
Application number
EA201290848A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201290848A1 (ru
Inventor
Маршалл Медофф
Харрисон Медофф
Original Assignee
Ксилеко, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ксилеко, Инк. filed Critical Ксилеко, Инк.
Publication of EA201290848A1 publication Critical patent/EA201290848A1/ru
Publication of EA029133B1 publication Critical patent/EA029133B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00—Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B16/00—Regeneration of cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/24—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carbonyl group
    • C12P7/26—Ketones
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/52—Propionic acid; Butyric acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/54—Acetic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/56—Lactic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62—Carboxylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/04—Disinfection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2203/00—Fermentation products obtained from optionally pretreated or hydrolyzed cellulosic or lignocellulosic material as the carbon source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Heat Treatment Of Water, Waste Water Or Sewage (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)
  • Treatment Of Water By Oxidation Or Reduction (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Paper (AREA)

Abstract

Описан способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья. Способ включает следующие стадии: предоставление лигноцеллюлозного исходного сырья; комбинирование указанного исходного сырья с соленой водой, выбранной из морской воды с концентрацией NaCl, равной от 0,5 до 50 ppt (частей на тысячу), и галофильным или солеустойчивым микроорганизмом, приспособленным для осуществления осахаривания в соленой воде; и осахаривание указанного исходного сырья, используя фермент, содержащий целлюлазу. Настоящий способ обеспечивает получение сахаров, включающих глюкозу.

Description

Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США № 61/347692, поданной 24 мая 2010 г. Полное содержание указанной предварительной заявки включено тем самым в настоящую заявку посредством ссылки.
Уровень техники
Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы получают, перерабатывают и применяют в больших количествах для различных целей. Часто эти материалы используют один раз, а затем выбрасывают в виде мусора или просто считают отходами, такими как, например, сточные воды, выжимки, опилки и солома.
Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их использование и применение были описаны в патентах США 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в ряде заявок на патент, включая ΡΙΒΚΌυδ МАТЕМАЬ8 ΑΝΌ СОМРО81ТЕ8, РСТ/И8 2006/010648, поданной 23 марта 2006 г., и ΡΙΒΚ0υ8 МАТЕК1АЬ8 ΑΝΏ СОМРО81ТЕ8, публикации заявки на патент США № 2007/0045456.
Краткое описание
В целом, настоящее изобретение относится к углеводсодержащим материалам (например, материалам, представляющим собой биомассу, или материалам, полученным из биомассы), способам переработки таких материалов для изменения их структуры и промежуточным соединениям и продуктам, полученным из таких структурно-измененных материалов. Многие из указанных способов позволяют получить материалы, которые легче поддаются утилизации с помощью разнообразных микроорганизмов с получением ценных промежуточных соединений и продуктов, например, энергии, топлива, такого как этанол, пищи или материалов.
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к способу, включающему применение соленой воды для превращения лигноцеллюлозного исходного сырья в промежуточное соединение или продукт.
Исходное сырье можно обрабатывать для уменьшения его устойчивости к разложению. Например, в некоторых случаях исходное сырье можно подвергать физической обработке, выбранной из группы, состоящей механической обработки, облучения, обработки ультразвуком, пиролиза, окисления, парового взрыва, химической обработки и их комбинаций. В некоторых случаях исходное сырье можно подвергать механической обработке, выбранной из группы, состоящей из разрезания, дробления, перемалывания, прессования, резания и рубки.
Превращение исходного сырья в промежуточное соединение или продукт может включать приведение исходного сырья в контакт с микроорганизмом в водном растворе. Указанный микроорганизм может быть адаптирован к функционированию в соленой воде. Например, указанный микроорганизм может представлять собой морской микроорганизм или модифицированный микроорганизм.
Исходное сырье из биомассы может, например, быть выбрано из группы, состоящей из бумаги, бумажной продукции, древесины, материалов, родственных древесине, травы, рисовой шелухи, багассы, хлопка, джута, пеньки, льна, бамбука, сизаля, манильской пеньки, соломы, стержней кукурузного початка, кокосовых нитей, водорослей, морских водорослей, микробных материалов, синтетической целлюлозы и их смесей.
Термин структурная модификация исходного сырья, представляющего собой биомассу, используемый в настоящей заявке, означает изменение молекулярной структуры исходного сырья любым образом, в том числе, путем изменения расположения химических связей, кристаллической структуры или конформации исходного сырья. Изменение может представлять собой, например, изменение целостности кристаллической структуры, например путем образования микротрещин внутри структуры, которое может не проявиться при дифракционных измерениях кристалличности материала. Указанные изменения в структурной целостности материала можно определить косвенно путем измерения выхода продукта при различных уровнях структурно-модифицирующей обработки. В дополнение или в качестве альтернативы, 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 разветвления, привитую сополимеризацию с участием других материалов, изменение размера кристаллического домена или изменение общего размера домена.
Если не определено иначе, все технические и научные термины, применяемые в настоящей заявке, имеют те же значения, которые, как правило, подразумевает обычный специалист в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. Хотя на практике или при тестировании настоящего изобретения можно применять способы и материалы, подобные или эквивалентные способам и материалам, описанным в настоящей заявке, подходящие способы и материалы описаны ниже. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящей заявке, в полном объеме включены в нее посредством ссылки. В случае противоречия, настоящее описание, включая определения, будет иметь определяющее значение. Кроме того, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предполагают ограничения изобретения.
- 1 029133
Описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую конверсию биомассы в продукты и побочные продукты.
Фиг. 2 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую обработку биомассы и применение обработанной биомассы в процессе ферментации.
Подробное описание
В настоящей заявке описаны способы, в которых в качестве сырьевых материалов можно использовать лигноцеллюлозные материалы, которые легко доступны, но трудно поддаются обработке с помощью таких процессов, как ферментация. Способы, описанные в настоящей заявке, могут эффективно снижать уровень устойчивости исходного сырья к разложению, делая более легкой его переработку, такую как путем биопереработки (например, при помощи микроорганизма, описанного в настоящей заявке, и/или фермента, описанного в настоящей заявке), термической обработки (например, газификации или пиролиза) или химическими способами (например, кислотного гидролиза или окисления). Исходное сырье, представляющее собой биомассу, можно обрабатывать или перерабатывать при помощи одного или более способов, описанных в настоящей заявке, таких как механическая обработка, химическая обработка, облучение, ультразвуковая обработка, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Различные системы и способы обработки можно применять в комбинации из двух, трех или даже четырех или более из указанных технологий, или других технологий, описанных в настоящей заявке или где-либо в другом месте.
Способы, описанные в настоящей заявке, делают возможным получение ценных промежуточных соединений и продуктов из лигноцеллюлозных материалов, используя соленую воду. Например, в способах, описанных в настоящей заявке, применяют соленую воду, содержащую от 0,5 до 50 ρρΐ (частей на тысячу) соли (ЫаС1). Соленая вода включает морскую воду, обычно содержащую 30-50 ρρΐ соли.
Системы для обработки биомассы
На фиг. 1 показан процесс 10 превращения биомассы, в частности, биомассы со значительным содержанием лигноцеллюлозных компонентов, в ценные промежуточные соединения и продукты. Процесс 10 включает сначала механическую обработку исходного сырья (12), например, для его измельчения 110. Затем механически обработанное исходное сырье обрабатывают путем физической обработки (14) с обеспечением модификации его внутренней структуры, например, за счет ослабления или образования микротрещин в связях кристаллической структуры материала. Далее, структурно-модифицированный материал можно в некоторых случаях подвергать дополнительной механической обработке (16). Эта механическая обработка может представлять собой такую же механическую обработку, что и начальная, или отличаться от нее. Например, начальная обработка может заключаться в стадии измельчения (например, разрезания) с последующей стадией разрезания, тогда как дополнительная обработка может представлять собой стадию дробления или перемалывания.
Далее, материал можно подвергнуть дополнительной структурно-модифицирующей обработке и механической обработке при необходимости дополнительного структурного изменения (например, уменьшения устойчивости к разложению) перед дальнейшей обработкой.
Далее, обработанный материал можно переработать на стадии основной переработки 18, например, осахаривания и/или ферментации, с получением промежуточных соединений и продуктов (например, энергии, топлива, продуктов питания и материалов). В некоторых случаях, конечную продукцию, получаемую на стадии основной обработки, можно применять напрямую, но, в других случаях, требуется дальнейшая переработка, которую обеспечивает стадия последующей переработки (20). Например, в случае спирта, последующая обработка может включать перегонку и, в некоторых случаях, денатурирование.
Отметим, что в способах, описанных в настоящей заявке, воду применяют несколькими путями. Вопервых, воду применяют в качестве среды, например, во время осахаривания и ферментации. Во многих случаях большая часть воды, применяемая указанным образом, может быть использована повторно, например, путем сбора воды, удаляемой при перегонке или другой последующей обработке. Во-вторых, воду применяют в производственном оборудовании, например, в системах градирни и парового котла. Вода для применения в производственном оборудовании может быть соленой, при условии, что применяемое оборудование выполнено с возможностью выдерживать применяемый тип воды, например, быть коррозионностойким.
На фиг. 2 показана система 100, в которой осуществляют стадии, описанные выше, для обработки биомассы и затем применения обработанной биомассы в процессе ферментации для получения спирта. Система 100 включает модуль 102, в котором исходное сырье, представляющее собой биомассу, сначала механически обрабатывают (стадия 12, см. выше), модуль 104, в котором механически обработанное исходное сырье структурно модифицируют (стадия 14, см. выше), например, путем облучения, и модуль 106, в котором структурно-модифицированное исходное сырье подвергают дальнейшей механической обработке (стадия 16, см. выше). Как описано выше, модуль 106 может представлять собой модуль того же типа, что и модуль 102 или представлять собой модуль другого типа. В некоторых вариантах реализации структурно-модифицированное исходное сырье можно вернуть в модуль 102 для дальнейшей механической обработки, а не подвергать его механической обработке в отдельном модуле 106.
- 2 029133
После указанных обработок, которые, при необходимости, можно повторять много раз для достижения требуемых свойств исходного сырья, обработанное исходное сырье направляют в систему ферментации 108. Смешивание можно осуществить во время ферментации, в этом случае предпочтительно, чтобы смешивание было сравнительно слабым (с низким сдвигом), так чтобы свести к минимуму повреждение чувствительных к сдвигу ингредиентов, таких как ферменты и другие микроорганизмы. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения струйное смешивание применяют, как описано в υδδΝ 61/218832 и υδδΝ 61/179995, полное описание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Как видно на фиг. 2, при ферментации образуется неочищенная этанольная смесь, которая поступает в бак выдержки 110. Воду или другой растворитель и другие неэтанольные компоненты отгоняют из неочищенной этанольной смеси в разделительной колонне 112, и затем этанол перегоняют с применением перегонной установки 114, например, ректификационной колонны. Перегонку можно осуществить с помощью вакуумной дистилляции. На конечном этапе, этанол можно высушить, применяя молекулярное сито 116, и/или денатурировать, при необходимости, и направить конечную продукцию на транспортировку.
В некоторых случаях, системы, описанные в настоящей заявке, или их компоненты, могут быть разборными, так что систему можно перевозить (например, железнодорожным, грузовым или морским транспортом) из одного места в другое. Стадии способа, описанные в настоящей заявке, можно выполнить в одном или более местах и в некоторых случаях одну или более стадий можно осуществить при транспортировке. Такая мобильная переработка описана в патенте США № 12/374549 и международной заявке № АО 2008/011598, полное описание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Любую или все стадии предложенного способа, описанные в настоящей заявке, можно выполнить при температуре окружающей среды. При необходимости, при выполнении некоторых стадий можно применять охлаждение и/или нагревание. Например, исходное сырье можно охлаждать во время механической обработки для увеличения его хрупкости. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения охлаждение применяют перед начальной механической обработкой и/или последующей механической обработкой, во время или после нее. Охлаждение можно осуществить, как указано в патенте 12/502629, полное описание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки. Более того, температуру в системе ферментации 108 можно регулировать для интенсификации осахаривания и/или ферментации.
Отдельные стадии предложенных способов, описанные выше, а также применяемые материалы, будут рассмотрены далее более подробно.
Физическая обработка
Способы физической обработки могут включать один или более способов, описанных в настоящей заявке, таких как механическая обработка, химическая обработка, облучение, ультразвуковая обработка, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Способы обработки можно применять в комбинации двух, трех, четырех или даже всех указанных технологий (в любом порядке). Если применяют более одного способа обработки, способы можно применять в одно и то же время или в разное время. Также можно применять другие способы, изменяющие молекулярную структуру исходного сырья из биомассы, отдельно или в комбинации со способами, описанными в настоящей заявке.
Механическая обработка
В некоторых случаях способы могут включать механическую обработку исходного сырья, представляющего собой биомассу. Механическая обработка включает, например, разрезание, дробление, прессование, перемалывание, резание и рубку. Перемалывание, например, может включать перемалывание на шаровой мельнице, на молотковой мельнице, роторный/статорный сухой или мокрый помол, или другие виды перемалывания. Другие виды механической обработки включают, например, жерновой помол, раскалывание, механическую продольную резку или механическое разрывание, штифтовой помол или помол на пневматической фрикционной мельнице.
Механическая обработка полезна для ''открывания'', ''напряжения'', разрушения и раздробления лигноцеллюлозных материалов, что делает материалы более подверженными разрыву цепей и/или уменьшению кристалличности. Открытые материалы могут быть также более подверженными окислению при облучении.
В некоторых случаях механическая обработка может включать первичную подготовку полученного исходного сырья, например, измельчение материалов, такое как при помощи разрезания, дробления, разрезания, растирания или рубки. Например, в некоторых случаях рыхлое исходное сырье (например, вторичная бумага, крахмалистые материалы или просо) подготавливают при помощи разрезания или резки.
В качестве альтернативы или дополнительно, материал исходного сырья можно подвергать физической обработке при помощи одного или нескольких способов физической обработки, например, химической обработки, облучения, ультразвуковой обработки, окисления, пиролиза или парового взрыва, а затем подвергать механической обработке. Указанная последовательность может быть выгодной, поскольку материалы, подвергнутые одному или нескольким другим видам обработки, например, облучению
- 3 029133 или пиролизу, склонны к большей хрупкости и, следовательно, могут легче подвергаться дальнейшим изменениям молекулярной структуры материала путем механической обработки.
В некоторых вариантах реализации исходное сырье находится в виде волокнистого материала, и механическая обработка включает резание для воздействия на волокна волокнистого материала. Резание можно осуществлять, например, при помощи дисковых ножниц. Другие способы механической обработки включают, например, перемалывание или дробление. Перемалывание можно осуществлять, например, при помощи молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, бегунковой мельницы, мельницы Уайли (Айеу) или мукомольной мельницы. Дробление можно осуществлять, например, при помощи жерновой дробилки, круглошлифовальной дробилки, кофейной мельницы или гратоснимателя. Дробление можно осуществлять, например, с помощью штифта, совершающего возвратно-поступательные движения, или другого элемента, как это имеет место в штифтовой мельнице. Другие способы механической обработки включают, например, механическую продольную резку или механическое разрывание, другие способы, в которых к волокнам прилагают давление, и помол на пневматической фрикционной мельнице. Подходящие методы механической обработки также включают любые другие способы, изменяющие молекулярную структуру исходного сырья.
При необходимости, механически обработанный материал можно пропустить через сито, например, со средним размером отверстий 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма). В некоторых вариантах реализации резание или другую механическую обработку и просеивание осуществляют одновременно. Например, можно применять дисковые ножницы для одновременного разрезания и просеивания исходного сырья. Исходное сырье разрезают между неподвижными лезвиями и вращающимися лезвиями для получения разрезанного материала, который пропускают через сито и собирают в корзину.
Лигноцеллюлозный материал можно подвергать механической обработке в сухом состоянии (например, содержащие мало или не содержащие свободной воды на поверхности), в гидратированном состоянии (например, содержащие до десяти процентов по массе абсорбированной воды) или в мокром состоянии, например, содержащие от примерно 10 до примерно 75 мас.% воды. Источник волокон можно подвергать механической обработке даже частично или полностью погруженным в жидкость, такую как вода, этанол или изопропанол.
Лигноцеллюлозный материал можно также подвергать механической обработке в среде газа (такого как пар или атмосфера газа, отличного от воздуха), например кислорода, или азота, или пара.
При необходимости из любых волокнистых материалов, содержащих лигнин, можно удалить лигнин. Также, чтобы способствовать разрушению материалов, содержащих целлюлозу, материал можно подвергнуть до или во время механической обработки или облучения, термической обработке, химической обработке (например, минеральной кислотой, основанием или сильным окислителем, таким как гипохлорит натрия) и/или ферментативной обработке. Например, дробление можно осуществлять в присутствии кислоты.
Структуру систем механической обработки можно выполнить с возможностью получения потоков продукции с определенными морфологическими характеристиками, такими как, например, площадь поверхности, пористость, объемная плотность и, в случае волокнистого исходного сырья, характеристик волокон, таких как отношение длины к ширине.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения площадь поверхности по методу Брунауэра-Эммета-Теллера (ВЕТ) механически обработанного материала составляет больше чем 0,1 м2/г, например, больше чем 0,25 м2/г, больше чем 0,5 м2/г, больше чем 1,0 м2/г, больше чем 1,5 м2/г, больше чем
2 2 2 2 1,75 м /г, больше чем 5,0 м /г, больше чем 10 м /г, больше чем 25 м /г, больше чем 35 м /г, больше чем 50
2 2 2 2 м /г, больше чем 60 м /г, больше чем 75 м /г, больше чем 100 м /г, больше чем 150 м /г, больше чем 200 м2/г или даже больше чем 250 м2/г.
Пористость механически обработанного материала может составлять, например, больше чем 20 процентов, больше чем 25 процентов, больше чем 35 процентов, больше чем 50 процентов, больше чем 60 процентов, больше чем 70 процентов, например, больше чем 80 процентов, больше чем 85 процентов, больше чем 90 процентов, больше чем 92 процентов, больше чем 94 процентов, больше чем 95 процентов, больше чем 97,5 процентов, больше чем 99 процентов или даже больше чем 99,5 процентов.
В некоторых вариантах реализации после механической обработки материал имеет объемную о □ □ □ □ плотность менее 0,25 г/см , например, 0,20 г/см , 0,15 г/см , 0,10 г/см , 0,05 г/см или менее, например, 0,025 г/см3. Объемную плотность определяют согласно А8ТМ Ό1895Β. Вкратце, указанный способ включает заполнение мерного цилиндра известным объемом образца и получение массы образца. Объемную плотность вычисляют путем деления массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.
Если исходное сырье представляет собой волокнистый материал, волокна механически обработанного материала могут иметь относительно большое среднее отношение длины к диаметру (например, более 20 к 1), даже если они были разрезаны более одного раза. Кроме того, волокна волокнистых материалов, описанных в настоящей заявке, могут иметь относительно узкое распределение по длине и/или отношению длины к диаметру.
- 4 029133
В настоящей заявке средние величины ширины волокон (например, диаметр) представляют собой величины, определенные оптическими методами путем случайного выбора приблизительно 5000 волокон. Средние величины длины волокон представляют собой скорректированные значения длина - взвешенная длина. Площади поверхности по методу ВЕТ (Брунауэра, Эммета и Теллера) представляют собой площади многоточечной поверхности, и пористость представляет собой пористость, определенную способом ртутной порометрии.
Если исходное сырье представляет собой волокнистый материал, среднее отношение длины к диаметру волокон механически обработанного материала может составлять, например, более 8/1, например, более 10/1, более 15/1, более 20/1, более 25/1 или более 50/1. Средняя длина волокон механически обработанного материала может составлять, например, примерно от 0,5 до 2,5 мм, например, примерно от 0,75 до 1,0 мм, и средняя ширина (например, диаметр) волокон второго волокнистого материала 14 может составлять, например, примерно от 5 до 50 мкм, например, примерно от 10 до 30 мкм.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, если исходное сырье представляет собой волокнистый материал, стандартное отклонение длины волокон механически обработанного материала может составлять менее 60 процентов относительно средней длины волокна механически обработанного материала, например, менее 50 процентов, менее 40 процентов, менее 25 процентов, менее 10 процентов, менее 5 процентов или даже менее 1 процента от средней длины.
В некоторых случаях может быть желательно получить материал с низкой объемной плотностью, уплотнить материал (например, для облегчения и удешевления транспортировки в другое место), а затем вернуть материал в состояние с более низкой объемной плотностью. Уплотненные материалы можно перерабатывать при помощи любых способов, описанных в настоящей заявке, или любой материал, переработанный при помощи любых способов, описанных в настоящей заявке, можно впоследствии уплотнить, например, как это описано в \УО 2008/073186.
Обработка излучением
Один или более циклов обработки излучением можно применять для обработки исходного сырья и для обеспечения структурно модифицированного материала, применяемого для подачи на дальнейшие стадии и/или циклы обработки. Облучение может, например, уменьшать молекулярную массу и/или кристалличность исходного сырья. Излучение может также стерилизовать материалы или любую среду, необходимую для биопереработки материала.
В некоторых вариантах реализации энергию, накопленную в материале, испускающем электрон со своей атомной орбитали, применяют для облучения материалов. Излучение может быть обеспечено при помощи (1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа- частицы или протоны, (2) электронов, получаемых, например, при бета-распаде или в ускорителях электронного пучка, или (3) электромагнитного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. В одном из подходов излучение, получаемое при помощи радиоактивных веществ, можно применять для облучения исходного сырья. В другом подходе для облучения исходного сырья применяют электромагнитное излучение (например, получаемое при помощи электроннолучевых излучателей). В некоторых вариантах реализации можно применять любую комбинацию в любом порядке или одновременно пунктов с (1) по (3). Применяемые дозы зависят от необходимого действия и конкретного исходного сырья.
В некоторых случаях, когда необходим разрыв цепи и/или введение функциональных групп в полимерную цепь, можно применять 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. Если требуется разрыв цепи с раскрытием цикла, можно применять для усиления указанного разрыва цепи с раскрытием цикла положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислот Льюиса. Например, когда желательно максимальное окисление, можно применять ионы кислорода, а когда желательно максимальное нитрование, можно применять ионы азота. Применение тяжелых частиц и положительно заряженных частиц описано в патенте США № 12/417699, полное описание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходный индекс кристалличности (до облучения) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно 75 процентов, или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после облучения составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от примерно 20 до примерно 40 процентов. Однако согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего облучения индекс кристалличности может быть менее 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал после облучения по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) составляет от примерно 200000 до примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего облучения, среднечисленная моле- 5 029133 кулярная масса может составлять меньше чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000.
Ионизирующее облучение
Каждая форма облучения ионизирует углеродсодержащий материал за счет определенных взаимодействий, которые определяются энергией излучения. Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют материю за счет кулоновского рассеяния; кроме того, эти взаимодействия создают быстрые электроны, которые могут дополнительно ионизировать материю. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актинидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
При использовании частиц они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Будучи заряженными, заряженные частицы могут содержать один положительный или отрицательный заряд или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре или более зарядов. В примерах, в которых требуется разрыв цепи, положительно заряженные частицы могут быть предпочтительными, частично, благодаря их кислотной природе. При использовании частиц, их масса может быть равна массе электрона в состоянии покоя или превышать ее, например, в 500, 1000, 1500, 2000, 10000 или даже 100000 раз. Например, масса частиц может составлять от примерно 1 атомной единицы до примерно 150 атомных единиц, например, от примерно 1 атомной единицы до примерно 50 атомных единиц или от примерно 1 до примерно 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими постоянного тока, электродинамическими постоянного тока, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или непрерывного излучения. Например, в ΙΒΑ, Бельгия можно приобрести циклотронный тип ускорителей, такой как система ΚΚοάοίτοη®, при этом в ΡΌΙ, теперь ΙΒΑ БкКШпак можно приобрести ускорители постоянного тока, такие как Иупатйгоп®. Ионы и ионные ускорители рассмотрены в публикациях БИгойисЮгу Иис1еат Рйу81С8, КеппеШ 8. Кгапе, 1ойп \Уйсу & δοηδ, 1пс. (1988), Κτ5ΐο Рге1ес, ΡΙΖΙΚΑ В 6 (1997) 4, 177-206, Сйи, ХУППат Т., Оуег\зе\у οί иДИ-кп Веат Тйетару Сο1итЬи5ОЬго, ЮКиИАЕА Меейпд, 18-20 марта 2006 года, БуаЩ Υ. е1 а1., ΑЙетаί^η§-Рйа5е-Ροси5еά ΙΗ-ИТЬ ίοτ Неауу-ΙοΗ Мейюа1 Ассе1егаГОг5 Р^οсееά^η§5 οί ЕРАС 2006, Эдинбург, Шотландия) и Ьеапет, С.М. е1 а1., 81а1н5 οί 1йе 8ире^сοηάисί^ηд ЕСК Ιοπ Неауу Уепиз Ргосеейшд5 οί ЕРАС 2000, Вена, Австрия.
Преимущество гамма-излучения состоит в значительной глубине проникновения в различные материалы. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальций, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, таллия и ксенона.
Источники рентгеновских лучей включают столкновение пучков электронов с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как источники, производимые в промышленном масштабе компанией Ьупсеап.
Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы. Источники инфракрасного излучения включают сапфировые, цинковые или керамические лампы с селенистыми окнами.
Источники микроволн включают клистроны, радиочастотные источники Слевина или источники атомных лучей, в которых используют газообразные водород, кислород или азот.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения в качестве источника излучения применяют электронный луч. Электронный луч имеет преимущества, связанные с высокими мощностями дозы излучения (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительностью, более слабым удержанием и меньшими ограничениями в отношении оборудования. Электроны также могут быть более эффективными в стимулировании разрыва цепи. Кроме того, глубина проникновения электронов с энергиями от 4 до 10 МэВ может составлять от 5 до 30 мм или более, например, 40 мм.
Электронные пучки можно создать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны можно использовать в качестве источника ионизирующего излучения, например, для сравнительно тонких штабелей 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. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения энергия каждого электрона в электронном луче составляет от примерно 0,3 МэВ до примерно 2,0 МэВ (миллион электрон-вольт), например, от примерно 0,5 МэВ до примерно 1,5 МэВ или от примерно 0,7 МэВ до примерно 1,25 МэВ.
Устройства для электронно-лучевого облучения можно приобрести в компании Ιοΐ'ΐ Веат АррПсаι^οн5. ^οиνа^η-1а-Nеиνе, Бельгия или в компании Тйап Сο^рο^аΐ^οη, Сан-Диего, Калифорния. Как правило, энергии электронов могут составлять 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ.
Как правило, мощность типичного устройства для электронно-лучевого облучения может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 100 кВт, 250 кВт или 500 кВт. Степень деполяризации исходного сырья зависит от применяемой энергии электронов и применяемой дозы, тогда как продолжительность воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут принимать значения 1 кГр, 5 кГр,
- 6 029133 кГр, 20 кГр, 50 кГр, 100 или 200 кГр.
Пучки ионных частиц
Можно использовать частицы более тяжелые, чем электроны, для облучения лигноцеллюлозных материалов, описанных в настоящей заявке. Например, можно использовать протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азот. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения частицы более тяжелые, чем электроны, могут вызывать большее число разрывов цепи (по сравнению с более легкими частицами). В некоторых случаях, положительно заряженные частицы могут вызывать большее число разрывов цепи, чем отрицательно заряженные частицы, вследствие их кислотности.
Пучки более тяжелых частиц можно создать, например, применяя линейные ускорители или циклотроны. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения энергия каждой частицы в пучке составляет от примерно 1,0 МэВ/атом. ед. до примерно 6000 МэВ/атом. ед., например, от примерно 3 МэВ/атом. ед. до примерно 4800 МэВ/атом. ед. или от примерно 10 МэВ/атом. ед. до примерно 1000 МэВ/атом. ед.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ионные пучки, применяемые для облучения углеродсодержащих материалов, например, материалов, представляющих собой биомассу, могут содержать несколько типов ионов. Например, ионные пучки могут содержать смесь двух или более (например, трех, четырех или более) различных типов ионов. Примеры смесей могут включать ионы углерода и протоны, ионы углерода и ионы кислорода, ионы азота и протоны, и ионы железа и протоны. В более общем случае, для создания облучающих ионных пучков можно применять смеси любых ионов, рассматриваемых выше (или любых других ионов). В частности, в одном ионном пучке можно применять смеси относительно легких и относительно более тяжелых ионов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ионные пучки для облучения материалов содержат положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы могут включать, например, положительно заряженные ионы водорода (например, протоны), ионы благородных газов (например, гелия, неона, аргона), ионы углерода, ионы азота, ионы кислорода, ионы кремния, ионы фосфора, и ионы металлов, такие как ионы натрия, ионы кальция и/или ионы железа. Не желая быть связанными какойлибо теорией, полагают, что указанные положительно заряженные ионы при воздействии на материалы демонстрируют химическое поведение фрагментов кислот Льюиса, инициируя и поддерживая реакции катионного разрыва цепи с раскрытием цикла в окислительной среде.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ионные пучки для облучения материалов содержат отрицательно заряженные ионы. Отрицательно заряженные ионы могут включать, например, отрицательно заряженные ионы водорода (например, гидрид-ионы) и отрицательно заряженные ионы различных относительно электроотрицательных ядер (например, ионы кислорода, ионы азота, ионы углерода, ионы кремния и ионы фосфора). Не желая быть связанными какой-либо теорией, полагают, что указанные отрицательно заряженные ионы при воздействии на материалы демонстрируют с точки зрения химии поведение, характерное для фрагментов оснований Льюиса, вызывая реакции анионного разрыва цепи с раскрытием цикла в восстановительной среде.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения пучки для облучения материалов могут содержать нейтральные атомы. Например, в пучки, применяемые доля облучения материалов, представляющих собой биомассу, можно включить любой один или более видов атомов, выбранных из атомов водорода, атомов гелия, атомов углерода, атомов азота, атомов кислорода, атомов неона, атомов кремния, атомов фосфора, атомов аргона и атомов железа. В общем случае, в пучках могут присутствовать смеси двух или более из перечисленных выше типов атомов (например, три или более, четыре или более или еще больше).
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ионные пучки, применяемые для облучения материалов, содержат однозарядные ионы, такие как один или более из следующих: Н+, Н-, Нс'. Νο'. Аг+, С+, С-, О+, О-, Ν+, Ν-, δί+, δί-, Р+, Р-, Να', Са' и Ре+. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения ионные пучки могут содержать многозарядные ионы, такие как один или более из следующих: С2+, с3+, с4+, Ν3', Ν5', Ν3-, О2+, О2-, О2 2-, δί2+, δί4+, δί2- и δί4-. В общем случае ионные пучки могут также содержать более сложные многоядерные ионы, несущие множественные положительные или отрицательные заряды. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения благодаря структуре многоядерного ионы, положительный или отрицательный заряд может быть эффективно распределен по существу по всей структуре ионов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения положительные или отрицательные заряды могут быть в некоторой степени локализованы в определенных частях структуры ионов.
Электромагнитное излучение
Согласно вариантам реализации изобретения, в которых облучение осуществляют с помощью электромагнитного излучения, для которого, например, энергия на фотон (в электрон-вольтах) электромагнитного излучения может быть больше чем 102 эВ, например, больше чем 103, 104, 105, 106 или даже больше чем 107 эВ. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения энергия на фотон электромагнитного излучения составляет от 104 до 107, например, от 10 до 10 эВ. Частота электромагнитного
- 7 029133
18 19 20 излучения может составлять, например, больше чем 10 Гц, больше чем 10 Гц, 10 , 10 , 10 или даже больше чем 1021 Гц. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения частота электромагнитного излучения составляет от 1016 до 1022 Гц, например, от 1019 до 1021 Гц.
Дозы
В некоторых случаях облучение проводят с интенсивностью дозы выше примерно 0,25 Мрад в секунду, например, выше примерно 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,0, или даже выше примерно 2,5 Мрад в секунду. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение проводят с интенсивностью дозы от 5,0 до 1500,0 крад/ч, например, от 10,0 до 750,0 крад/ч или от 50,0 до 350,0 крад/ч.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение (при помощи любого источника излучения или комбинации источников) проводят до получения материалом дозы по меньшей мере 0,1 Мрад, 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, по меньшей мере 10,0 Мрад, по меньшей мере 60 Мрад или по меньшей мере 100 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения облучение проводят до получения материалом дозы от примерно 0,1 Мрад до примерно 500 Мрад, от примерно 0,5 Мрад до примерно 200 Мрад, от примерно 1 Мрад до примерно 100 Мрад, или от примерно 5 Мрад до примерно 60 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения применяют относительно низкую дозу излучения, например, менее 60 Мрад.
Обработка ультразвуком
Обработка ультразвуком может уменьшать молекулярную массу и/или кристалличность материалов, таких как один или более материалов, описанных в настоящей заявке, например, одного или более источников углеводов, таких как лигноцеллюлозные материалы. Обработку ультразвуком также можно применять для стерилизации материалов. Ка обсуждалось выше в отношении излучения, параметры процесса обработки, применяемые для обработки ультразвуком, можно варьировать в зависимости от различных факторов, например, в зависимости от содержания лигнина в исходном сырье. Например, исходное сырье с более высоким содержанием лигнина в общем случае требует большего времени обработки и/или уровня энергии, что приводит тому, что большее количество энергии доставляется к исходному сырью.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходный индекс кристалличности (до обработки ультразвуком) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно 75 процентов, или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после обработки ультразвуком составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от примерно 20 до примерно 40 процентов. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всесторонней обработки ультразвуком индекс кристалличности может быть ниже 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал после обработки ультразвуком по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходная среднечисленная молекулярная масса (перед обработкой ультразвуком) составляет от примерно 200000 до примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после обработки ультразвуком составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всесторонней обработки ультразвуком, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения среда для обработки ультразвуком представляет собой водную среду. При желании, среда может содержать окислитель, такой как пероксид (например, пероксид водорода), диспергирующий агент и/или буферный агент. Примеры диспергирующих агентов включают ионные диспергирующие агенты, например, лаурилсульфат натрия, и неионные диспергирующие агенты, например полиэтиленгликоль.
Согласно другим вариантам реализации изобретения среда для обработки ультразвуком является неводной. Например, обработку ультразвуком можно в среде углеводороде, например, толуоле или гептане, простом эфире, например, диэтиловом эфире или тетрагидрофуране, или даже в сжиженном газе, таком как аргон, ксенон или азот.
Пиролиз
Один или более циклов обработки пиролизом можно применять для переработки углеродсодержащих материалов из широкого спектра различных источников, для экстрагирования полезных веществах из материалов и для обеспечения частично разрушенных материалов, применяемых для подачи на дальнейшие стадии и/или циклы обработки. Пиролиз также можно применять для стерилизации материалов. Условия пиролиза можно варьировать в зависимости от характеристик исходного сырья и/или других факторов. Например, исходное сырье с более высоким содержанием лигнина может требовать более высокой температуры, большего времени обработки и/или введения более высоких концентраций кислорода во время пиролиза.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходный индекс кристалличности (до пиролиза) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно
- 8 029133 процентов или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после пиролиза составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от примерно 20 до примерно 40 процентов. Однако согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего пиролиза индекс кристалличности может быть ниже 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал после пиролиза по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения исходная среднечисленная молекулярная масса (перед пиролизом) составляет от примерно 200000 до примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после пиролиза составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после обширного пиролиза среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения пиролиз материала представляет собой непрерывный процесс. Согласно другим вариантам реализации изобретения пиролиз материала проводят в течение заранее заданного времени, а затем оставляют материал остыть в течение второго заранее заданного времени перед следующим проведением пиролиза.
Окисление
Один или более циклов окислительной переработки можно применять для переработки углеродсодержащих материалов из широкого спектра различных источников, для экстрагирования полезных веществах из материалов и для обеспечения частично разрушенного и/или измененного материала, приметаемого для подачи на дальнейшие стадии и/или циклы обработки. Условия окисления можно варьировать, например, в зависимости от содержания лигнина в исходном сырье, при этом в общем случае более высокая степень окисления требуется для исходного сырья с более высоким содержанием лигнина.
В общем случае окисление материала проводят в окислительной среде. Например, окисление можно проводить или ускорять при помощи пиролиза в окислительной среде, такой как воздух или аргон, обогащенный воздухом. Для ускорения окисления в материал перед окислением или во время окисления можно вводить различные химические агенты, такие как окислители, кислоты или основания. Например, перед окислением можно вводить пероксид (например, бензоилпероксид).
В некоторых окислительных способах уменьшения устойчивости к разложению исходного сырья, представляющего собой биомассу, применяют реакцию Фентона. Указанные способы описаны, например, в заявке на патент США № 12/639289, полное содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
Типичные окислители включают пероксиды, такие как пероксид водорода и бензоилпероксид, персульфаты, такие как персульфат аммония, активированные формы кислорода, такие как озон, перманганаты, такие как перманганат калия, перхлораты, такие как перхлорат натрия, и гипохлориты, такие как гипохлорит натрия (бытовой отбеливатель).
В некоторых случаях величину рН во время осуществления контакта поддерживают вблизи или ниже 5,5, такую как от 1 до 5, от 2 до 5, от 2,5 до 5 или примерно от 3 до 5. Условия окисления могут также включать время осуществления контакта от 2 до 12 часов, например, от 4 до 10 часов или от 5 до 8 часов. В некоторых случаях температуру поддерживают вблизи или ниже 300°С, например, вблизи или ниже 250, 200, 150, 100 или 50°С. В некоторых случаях температура остается, по существу, комнатной, например, около 20-25°С.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения один или более окислителей применяют в виде газа, такого как, например, при генерировании озона ίη-δίΐιι путем облучения материала на воздухе пучком частиц, таких как электроны.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения смесь дополнительно содержит один или более гидрохинонов, таких как 2,5-диметоксигидрохинон (ЭМНО) и/или один или более бензохинонов, таких как 2,5-диметокси-1,4-бензохинон (ЭМВО). которые могут способствовать реакциям переноса электронов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения один или более окислителей генерируют ίη-δίΐιι электрохимическим путем. Например, пероксид водорода и/или озон можно получать электрохимически в сосуде для осуществления контакта или проведения реакции.
Другие способы увеличения растворимости, уменьшения устойчивости к разложению или введения функциональных групп
Любой из способов в настоящем разделе можно применять отдельно, без каких-либо способов, описанных в настоящей заявке, или в сочетании с любым из способов, описанных в настоящей заявке (в любом порядке): паровой взрыв, химическая обработка (например, обработка кислотой (включая обработку концентрированными и разбавленными минеральными кислотами, такими как серная кислота, соляная кислота, и органическими кислотами, такими как трифторуксусная кислота) и/или обработку основаниями (например, обработку известью или гидроксидом натрия), УФ-обработку, обработку шнековой экструзией (см., например, заявку на патент США № 61/115398, поданную 17 ноября 2008 г., обработку рас- 9 029133 творителем (например, обработку ионными жидкостями) и помол в замороженном виде (см., например, патент США № 12/502629).
Производство горючего, кислот, сложных эфиров и/или других продуктов
Типичный источник биомассы содержит целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, плюс меньшие количества белков, экстрагируемых веществ и минеральных веществ. После того как биомассу подвергли одной или нескольким стадиям переработки, описанным выше, сложные углеводы, содержащиеся во фракциях целлюлозы и гемицеллюлозы, можно в некоторых случаях переработать в ферментируемые сахара, возможно, наряду с кислотным или ферментативным гидролизом. Высвобожденные сахара можно превратить в ряд продуктов, таких как спирты или органические кислоты. Получаемые продукты зависят от применяемого микроорганизма и от условий проведения биопереработки. Согласно другим вариантам реализации изобретения обработанный материал, представляющий собой биомассу, можно подвергнуть термохимическому превращению или другой переработке.
Примеры способов дальнейшей переработки материала, представляющего собой биомассу, представлены в следующих разделах.
Осахаривание
Для того чтобы превратить обработанное исходное сырье в форму, которую можно легко подвергнуть ферментации, в некоторых вариантах реализации лигноцеллюлозу в исходном сырье сначала гидролизуют до низкомолекулярных углеводов, таких как сахара, с помощью осахаривающего агента, например, фермента; указанный процесс называется осахариванием. В некоторых вариантах реализации, осахаривающий агент включает кислоту, например, минеральную кислоту. При применении кислоты, могут образоваться побочные продукты, которые являются токсичными для микроорганизмов, в этом случае указанный процесс может дополнительно включать удаление такого рода побочных продуктов. Удаление можно осуществить, используя активированный углерод, например, активированный древесный уголь, или другие подходящие методы.
Материалы, которые включают лигноцеллюлозу, обрабатывают ферментом, например, путем комбинирования материала и фермента в растворителе, например, в водном растворе.
Ферменты и разрушающие биомассу организмы, которые разлагают биомассу, такую как целлюлозная и/или лигниновая части биомассы, содержат или вырабатывают различные разлагающие клетчатку ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные разрушающие биомассу метаболиты с маленькими молекулами. Такие ферменты могут представлять собой совокупность ферментов, действующих синергически и разлагающих кристаллическую целлюлозу или лигниновые части биомассы. Примеры разлагающих клетчатку ферментов включают эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (β-глюкозидазы). Целлюлозный субстрат вначале гидролизуют с помощью эндоглюканаз в случайных положениях, получая олигомерные промежуточные соединения. Указанные промежуточные соединения представляют собой субстраты для экзо-расщепляющих глюканаз, таких как целлобиогидролаза, используемых для получения целлобиозы из концевых групп целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водорастворимый димер глюкозы с 1,4-связями. В конечном счете, целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы.
Ферментация
Микроорганизмы могут продуцировать ряд полезных промежуточных соединений и продуктов посредством ферментации низкомолекулярных сахаров, получаемых при осахаривании обработанных материалов, представляющих собой биомассу. Например, в результате ферментации или других биопроцессов могут образовываться спирты, органические кислоты, углеводороды, водород, белки или смеси любых из перечисленных выше материалов.
Дрожжи и бактерии 2утотоиа8, например, можно применять для ферментации или конверсии. Другие микроорганизмы рассмотрены в разделе Материалы, представленном ниже. Оптимальный рН для дрожжей составляет от примерно 4 до 5, тогда как оптимальный рН для Ζ\'ΐηοιηοη;·ΐ5 составляет от примерно 5 до 6. Типичное время ферментации составляет от примерно 24 до 96 ч при температурах в диапазоне от 26 до 40°С, однако термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.
Можно использовать передвижные бродильные чаны, как описано в предварительной заявке на патент США № 60/832735, теперь уже опубликованной международной заявке АО 2008/011598. Подобным образом, оборудование для осахаривания может быть передвижным. Кроме того, осахаривание и/или ферментацию можно частично или полностью осуществлять во время транспортировки.
Термохимическое превращение
Термохимическое превращение обработанной биомассы можно проводить для получения одного или нескольких желаемых промежуточных соединений и/или продуктов. Процесс термохимического превращения включает изменение молекулярных структур углеродсодержащего материала при повышенных температурах. Конкретные примеры включают газификацию, пиролиз, преобразование, частичное окисление и смеси указанных способов (в любом порядке).
При газификации превращают углеродсодержащие материалы в синтетический газ (синтез-газ), который может содержать метанол, монооксид углерода, диоксид углерода и водород. Многие микроорганизмы, такие как ацетогены или гомоацетогены, способны использовать синтез-газ, полученный при
- 10 029133 термохимическом превращении биомассы, для получения продуктов, содержащих спирт, карбоновую кислоту, соль карбоновой кислоты, эфир карбоновой кислоты или смесь любых из указанных веществ. Газификацию биомассы (например, лигноцеллюлозных материалов) можно осуществлять при помощи ряда методик. Например, газификацию можно осуществлять при помощи ступенчатого парового преобразования в реакторе кипящего слоя, при котором углеродистый материал вначале подвергают пиролизу в отсутствие кислорода, а затем пары, полученные при пиролизе, превращают в синтез-газ при помощи пара, обеспечивающего дополнительный водород и кислород. В указанной методике тепло процесса получают при сжигании обуглившегося вещества. В другой методике применяют реактор со спиральным шнеком, в который подают влагу и кислород на стадии пиролиза, а тепло процесса получают при сжигании некоторого количества газа, полученного на более поздней стадии. В другой методике применяют преобразование в потоке, при котором как внешний пар, так и воздух подают в одностадийный реактор для газификации. При частичной окислительной газификации применяют чистый кислород и не применяют пар.
Последующая обработка
Перегонка
После ферментации, образовавшиеся текучие среды можно подвергнуть дистилляции, применяя, например, бражную колонну, для отделения этанола и других спиртов от основной массы воды и остатков твердых веществ. Пар, выходящий из бражной колонны, может представлять собой, например, 35% по массе этанол и может быть загружен в ректификационную колонну. Смеси почти азеотропных (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны можно очистить с получением чистого (99,5%) этанола путем применения парофазных молекулярных сит. Кубовые остатки бражной колонны можно направить на первую ступень трехступенчатого испарителя. Дефлегматор ректификационной колонны может обеспечить нагревание этой первой ступени. После первой ступени, твердые вещества можно отделить, применяя центрифугу, и высушить в барабанной сушилке. Часть (25%) жидкости, вытекающей из центрифуги, можно повторно использовать для ферментации, а остальную часть направить на вторую и третью ступени испарителя. Большую часть конденсата из испарителя можно вернуть в процесс в виде довольно чистого конденсата, а небольшую часть отделить и направить на установку для очистки сточных вод для предотвращения накопления низкокипящих соединений.
Промежуточные соединения и продукты
Применяя, например, основные процессы и/или последующую обработку, можно превратить обработанную биомассу в один или более продуктов, таких как энергия, топлива, пищевые продукты и материалы. Другие примеры включают карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота или масляная кислота, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны, альдегиды, альфа-, бета-ненасыщенные кислоты, такие как акриловая кислота, и олефины, такие как этилен. Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3пропандиол, метиловые или этиловые сложные эфиры любых из указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, соль любой из указанных кислот и смесь любой из указанных кислот и соответствующих солей.
Другие промежуточные соединения и продукты, включая продукты питания и фармацевтические продукты, рассмотрены в предварительной заявке на патент США № 12/417900, полное описание которой, тем самым, включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Материалы
Материалы, представляющие собой биомассу
Биомасса представляет собой лигноцеллюлозный материал. Такой материал включает бумагу и бумажную продукцию (например, бумагу с полимерным покрытием и Крафт-бумагу), древесину, материалы, родственные древесине, например, древесностружечную плиту, травы, рисовую шелуху, багассу, джут, пеньку, льноволокно, бамбук, сизаль, манильскую пеньку, солому, просо, люцерну, сено, стержни кукурузного початка, кукурузную солому, кокосовые нити; и материалы с высоким содержанием ацеллюлозы, например, хлопок. Исходное сырье можно получить из бракованных текстильных материалов, не бывших в употреблении, например, обрезков, отходов после использования потребительских товаров, например, тряпок. При применении бумажной продукции, такого рода продукты могут представлять собой материалы, не бывшие в употреблении, например, бракованные материалы, или они могут представлять собой отходы после использования потребительских товаров. Помимо сырьевых материалов, не бывших в употреблении, в качестве источников волокна также можно применять отходы после использования потребительских товаров, промышленные отходы (например, побочные продукты переработки) и производственные отходы (например, стоки от процесса облагораживания бумаги). Сырье, представляющее собой биомассу, также можно получить или извлечь из бытовых (например, сточные воды), животных или растительных отходов. Дополнительные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы были описаны в патентах США 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал, представляющий собой биомас- 11 029133 су, включает углевод, который представляет собой или содержит материал, имеющий один или более β1,4-мостиков, средняя молекулярная масса которого составляет от примерно 3000 до 50000. Такой углевод представляет собой или содержит целлюлозу (I), полученную из (β-глюкозы 1) путем конденсации β(1,4)-гликозидных связей. Указанный мостик отличается от мостика для а-(1,4)-гликозидных связей, присутствующих в крахмале и других углеводах.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения можно применять крахмалсодержащие материалы. Крахмалсодержащие материалы включают сам крахмал, например кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производные крахмала или материал, содержащий крахмал, такой как съедобный пищевой продукт или сельскохозяйственная культура. Например, крахмалистый материал может представлять собой аракачу съедобную, гречиху, банан, ячмень, маниоку, кудзу, кислицу клубневую, саго, сорго, обычный хорошо знакомый картофель, сладкий картофель, таро, ямс или один или более видов бобов, таких как конские бобы, чечевица или горох. Смеси любых двух или более крахмалсодержащих материалов также представляют собой крахмалсодержащие материалы.
Другие подходящие материалы, представляющие собой биомассу, включают сахара, сахарный тростник, экстракты сахарного тростника и багассу.
В некоторых случаях биомасса представляет собой микробный материал. Микробные источники включают, но не ограничиваются ими, любой природный или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен обеспечить источник углеводов (например, целлюлозы), например, протесты, например, животные протесты (например, простейшие организмы, такие как флагеллаты, амебоидные организмы, инфузории и споровики) и растительные протесты (например, водоросли, такие как альвеолярные, хлорарахниофитовые, криптомонадовые, эвгленидовые, глаукофитовые, гаптофитовые, красные водоросли, страминопилы и У1пбаер1ап1ае). Другие примеры включают морскую водоросль, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях, микробную биомассу можно получить из природных источников, например, океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или пресной водой, или на суше. В качестве альтернативы или дополнительно, микробную биомассу можно получить из клеточных культур, например, промышленных сухих и влажных клеточных культур.
Осахаривающие агенты
Целлюлазы могут разлагать биомассу и иметь происхождение из грибов или бактерий. Подходящие ферменты включают целлюлазы из родов ВасШиз, Рзеиботопаз, Ниш1ео1а, Тизапит, ТЫе1ау1а, Асгетоптт, СЬгузозропит и ТпсНобегта и включают виды родов Нитюо1а, Сорппиз, ТЫе1ау1а, Тизапит, МусеЬорНШога, Асгетотит, СерНа1озропит, 8су1а1Ышт, РетсШшт или АзрегдШиз (см., например, ЕР 458162), в частности целлюлазы, полученные с помощью штамма, выбранного из видов Нитюо1а тзо1епз (переклассифицированного как 8су1айбшт ШегторНПит, см., например, патент США № 4435307), Соргшиз сшегеиз, Тизапит охузрогит, МусеЬорНШога ШегторНПа, МепрПиз §1§ап1еиз, ТЫе1ау1а 1еггез1пз, Асгетотит зр., Асгетотит регзютит, Асгетотит асгетотит, Асгетотит ЪгасНурептт, Асгетоптт ШсЬготозрогит, Асгетотит оЪс1ауа!ит, Асгетотит рткегШтае, Асгетотит гозеодпзеит, Асгетотит тсо1ога!ит и Асгетотит щгаШт; предпочтительно из видов Нитюо1а тзо1епз 5 ΌδΜ 1800, Тизапит охузрогит ΌδΜ 2672, МусеЬорНШога ШегторНПа СВδ 117.65, СерНа1озропит зр. ΚΥΜ-202, Асгетотит зр. СВδ 478.94, Асгетотит зр. СВδ 265.95, Асгетотит регзютит СВδ 169.65, Асгетотит асгетотит АНИ 9519, СерНа1озропит зр. СВδ 535.71, Асгетотит ЪгасНурептт СВδ 866.73, Асгетотит ШсЬготозрогит СВδ 683.73, Асгетотит оЪс1ауаШт СВδ 311.74, Асгетотит рткегШтае СВδ 157.70, Асгетотит гозеодпзеит СВδ 134.56, Асгетотит тсо1огаШт СВδ 146.62 и Асгетотит ШгаШт СВδ 299.70Н. Разлагающие клетчатку ферменты можно также получить из СЬгузозропит, предпочтительно, штамма СЬгузозропит 1искпо^епзе. Кроме того, можно использовать ТпсНоПегта (в частности, ТпсНоПегта утПе, ТпсНоПегта геезе! и ТпсНоПегта коптдН), алкалофильный ВасШиз (см., например,
- 12 029133 патент США № 3844890 и ЕР 458162) и 81герЮтусе8 (см., например, ЕР 458162).
Агенты для ферментации
Микроорганизм (микроорганизмы), приметаемые при ферментации, могут представлять собой природные микроорганизмы и/или микроорганизмы полученные методами генетической инженерии. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например, бактерию, разлагающую клетчатку, гриб, например, дрожжи, растение или протист, например, водоросль, простейшее или грибоподобный протист, например, миксомицет. При совместимости организмов можно использовать их смеси.
Подходящие микроорганизмы для ферментации проявляют способность к конверсии углеводов, таких как глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации. Микроорганизмы для ферментации включают штаммы рода 8ассНготусе8 8рр., например, 8ассНготусе8 сегетыае (пекарские дрожжи), 8ассНаготусе8 б181абси8, 8ассНаготусе8 иуатлт; рода К1иууетотусек, например, вид К1иууетотусе8 татапш, К1иууеготусе8 ГгащП8; рода СапбМа, например, Сапб1ба р8еибоборюаб8 и СапбМа Ъга881сае, РюЫа δΐίρίΐίδ (родственник СапбМа 8беНа1ае), рода С1ау18рота, например, вид С1ау18рота 1и8Йашае и С1ау18рота орипбае, рода РасНу8о1еп, например, вид РасНу8о1еп 1аппор1и1и8. рода Вте1аппотусе8, например, вид Вте1аппотусе8 с1аи8епи (РЫбрр1б18, О. Р., 1996, Се11и1о8е Ъюсопуегеюп 1есНпо1оду, в НапбЪоок оп Вюе1Напо1: Ртобисбоп апб Ибб/абоп, Аутап, С.Е., еб., Тау1ог & Ртапс18, Аа8Ыпд1оп, ОС, 179-212).
Коммерчески доступные дрожжи включают, например, Кеб 81аг®/Бе8аГГге Е1Напо1 Кеб (доступные в компании Кеб 81аг/Бе8аГГге, США), РАЬ1® (доступные в компании Р1е18сНтапп'8 Уеа81, отделение компании Вит8 РЫбр Рооб 1пс., США), 8ИРЕК8ТАКТ® (доступные в компании А1НесН, теперь компания Ьа1етапб), ОЕКТ 8ΤΚΑΝΏ® (доступные в компании Оеб 8бапб АВ, Швеция) и РЕКМОЬ® (доступные в компании Ό8Μ 8реаа1бе8).
Для ферментации можно также приметать бактерии, например, 2утотопа8 тоЪШ8 и С1о8бгбшт 1Негтосе11ит (РЫНрр1б18, 1996, 8ирга).
Микроорганизмы, приспособленные для осахаривания и/или ферментации
Микроорганизмы, приметаемые при осахаривании и/или ферментации, могут быть генетически приспособлены, чтобы переносить соленость в источниках воды. Например, микроорганизмы могут представлять собой экстремофилы. В некоторых случаях микроорганизмы представляют собой галофильные или солеустойчивые организмы, приспособленные к деятельности в присутствие соли. Такие микроорганизмы включают галобактерии, например, морские бактерии, например, бактерии, продуцирующие амилазу, такие как Р8еибоаНебтопа8 ипб1па ΝΚΜΒ 0074 и сНтотоНа1оЪас1ет 8р., например, сНготоНа1оЪас!ет 8р. ТУ8Р 101 и сНтотоНа1оЪас1ет Ъеуебпкскб. Примеры галобактерии включают На1оагси1а Ы8рашса, Мюгососси8 На1оЪш8, Мюгососси8 уапап8 8иЪ8реше8 На1орЫ1и8, На1оЪас1ебит 8абпатлт, №-Игопососси8 8р. 81габ1 АН-36, На1отопа8 тебб1апа и Васб1и8 б1р8о8аиб. Другие солестойкие и галофильные микроорганизмы включают микроорганизмы, приметаемые для ферментации пищевых продуктов в растворах соли, например, А8регдШн8 8о.)ае, А8регдШн8 огу/ае, 8ассНаготусе8 тоихп, 2усо8ассНатотусе8 гоихи, Сапб1ба е1сНе118п, Сапб1ба ует8абб8 и Тоги1ор818 ует8абб8.
В других случаях микроорганизмы могут быть метаболическим или иным образом модифицированы для деятельности в соленой воде.
Может быть желательным приметать комбинацию микроорганизмов в смешанной культуре, поскольку такие культуры часто лучше способны противостоять заражению. В некоторых случаях смесь микроорганизмов может включать микроорганизмы, приспособленные переваривать примеси в воде, например, культуры микроорганизмов, приметаемые при биовосстановлении, и микроорганизмы, приспособленные для осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья и/или для ферментации сахаров. Различные микроорганизмы можно вводить, например, в виде смеси, отдельно или последовательно.
Другие варианты реализации изобретения
Было описано несколько вариантов реализации настоящего изобретения. Тем не менее, следует понимать, что могут быть сделаны различные модификации, не выходя за рамки сущности и объема изобретения.
Например, параметры процессов на любых технологических стадиях, описанных в настоящей заявке, можно регулировать в зависимости от содержания лигнина в исходном сырье, например, как указано в заявке на патент США № 12/704519, полное описание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Несмотря на то, что возможно проводить все способы, описанные в настоящей заявке, в одном физическом расположении, в некоторых вариантах реализации способы проводят во многих расположениях, и/или можно проводить во время транспортировки.
Лигнин, высвобождаемый в любом из способов, описанном в настоящей заявке, можно выделить и использовать. Например, выделенный лигнин можно приметать в качестве пластика, или можно синтетически усовершенствовать с образованием других пластиков. В некоторых случаях лигнин можно приметать в качестве источника энергии, например, сжигать для получения тепла. В некоторых случаях лигнин также можно превратить в лигносульфонаты, которые можно приметать в качестве связующих ве- 13 029133 ществ, диспергаторов, эмульгаторов и/или секвестрантов.
Измерение содержания лигнина в исходном сырье можно приметать при управлении процессом в указанных способах выделения лигнина.
При применении в качестве связующего, лигнин или лигносульфонат можно приметать, например, в угольных брикетах, в керамике, для связывания сажи, для связывания удобрений и гербицидов, в качестве средства для уменьшения количества пыле, при изготовлении фанеры и древесно-стружечных плит, для связывания кормов для животных, в качестве связующего для стекловолокна, в качестве связующего для мастики для приклеивания линолеума и в качестве стабилизатора почв.
Лигнин или лигносульфонат можно применять в качестве диспергирующего агента, например, бетонных смесей, глины и керамики, красителей и пигментов, при дублении кожи и в гипсовых плитах.
Лигнин или лигносульфонат можно применять в качестве эмульгатора, например, в асфальте, пигментах и красителях, пестицидах и восковых эмульсиях.
Лигнин или лигносульфонат можно применять в качестве секвестранта, например, в системах питательных микроэлементов, чистящих соединениях и системах подготовки воды, например, для котловых и охладительных систем.
В качестве источника тепла лигнин в общем случае имеет более высокое энергосодержание, чем холоцеллюлоза (целлюлоза и гемицеллюлоза), поскольку лигнин содержит больше углерода, чем холоцеллюлоза. Например, сухой лигнин может иметь энергосодержание примерно от 11000 до 12500 БТЕ (британских тепловых единиц) на фунт, по сравнению с 7000-8000 БТЕ на фунт для холоцеллюлозы. Соответственно, лигнин можно уплотнить и превратить в брикеты и гранулы для сжигания. Например, лигнин можно превратить в гранулы любым способом, описанным в настоящей заявке. Для замедления горения гранулы или брикета, лигнин можно подвергнуть сшивке, например, применяя облучение в дозе примерно от 0,5 до 5 Мрад. При помощи сшивки можно получить медленнее сгорающий форм-фактор. Форм-фактор, такой как гранула или брикет, можно превратить в ''синтетический уголь'' или древесный уголь путем пиролиза в отсутствие воздуха, например, при температуре от 400 до 950°С. Перед пиролизом желательно подвергнуть лигнин сшивке для сохранения целостности структуры.

Claims (8)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья, включающий стадии, на которых предоставляют лигноцеллюлозное исходное сырье;
    комбинируют указанное исходное сырье с соленой водой, выбранной из морской воды с концентрацией ЫаС1, равной от 0,5 до 50 ρρΐ (частей на тысячу), и галофильным или солеустойчивым микроорганизмом, приспособленным для осуществления осахаривания в соленой воде; и осахаривают указанное исходное сырье, используя фермент, содержащий целлюлазу, с получением сахаров, включающих глюкозу.
  2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье обрабатывают для уменьшения его устойчивости к осахариванию с помощью физической обработки, выбранной из группы, состоящей из механической обработки, облучения, ультразвуковой обработки, пиролиза, окисления, парового взрыва, химической обработки и комбинации указанных способов.
  3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье подвергают механической обработке, выбранной из группы, состоящей из разрезания, перемалывания, дробления, прессования, резания и рубки.
  4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье представляет собой стержни кукурузного початка.
  5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что галофильный или солеустойчивый микроорганизм представляет собой морской микроорганизм.
  6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что галофильный или солеустойчивый микроорганизм представляет собой микроорганизм, генетически модифицированный таким образом, чтобы он лучше переносил соленость.
  7. 7. Способ по п.1, где галофильный или солеустойчивый микроорганизм представляет собой галофильную или солеустойчивую бактерию.
  8. 8. Способ по п.1, где галофильный или солеустойчивый микроорганизм представляет собой галофильный или солеустойчивый гриб.
    - 14 029133
EA201290848A 2010-05-24 2011-05-20 Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья для получения сахаров, включающих глюкозу EA029133B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US34769210P 2010-05-24 2010-05-24
PCT/US2011/037322 WO2011149774A1 (en) 2010-05-24 2011-05-20 Processing biomass

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201290848A1 EA201290848A1 (ru) 2013-03-29
EA029133B1 true EA029133B1 (ru) 2018-02-28

Family

ID=45004292

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201790127A EA201790127A3 (ru) 2010-05-24 2011-05-20 Переработка биомассы
EA201290848A EA029133B1 (ru) 2010-05-24 2011-05-20 Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья для получения сахаров, включающих глюкозу

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201790127A EA201790127A3 (ru) 2010-05-24 2011-05-20 Переработка биомассы

Country Status (18)

Country Link
US (3) US9206453B2 (ru)
EP (1) EP2576213A4 (ru)
JP (2) JP2013529088A (ru)
KR (3) KR101778821B1 (ru)
CN (2) CN105567743A (ru)
AP (2) AP3791A (ru)
AU (3) AU2011258646B2 (ru)
BR (1) BR112012029810A2 (ru)
CA (2) CA3052307A1 (ru)
EA (2) EA201790127A3 (ru)
IL (3) IL222312A (ru)
MX (2) MX350772B (ru)
MY (1) MY169292A (ru)
NZ (5) NZ711504A (ru)
SG (2) SG184390A1 (ru)
UA (2) UA117238C2 (ru)
WO (1) WO2011149774A1 (ru)
ZA (1) ZA201209288B (ru)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NZ713881A (en) * 2010-05-24 2017-05-26 Xyleco Inc Methods for modifying the solubility of a polymer in a solvent
NZ706072A (en) * 2013-03-08 2018-12-21 Xyleco Inc Equipment protecting enclosures
CU20170135A7 (es) 2013-04-26 2018-04-03 Xyleco Inc Sistema para polimerización de un ácido alfa, beta, gamma o delta hidroxi carboxílico
CN110272534A (zh) * 2013-04-26 2019-09-24 希乐克公司 将羟基羧酸加工成聚合物
RU2544635C1 (ru) * 2013-10-17 2015-03-20 Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" Способ и устройство для осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева
CN104190373A (zh) * 2014-09-15 2014-12-10 天津霍斯特抑尘科技有限公司 一种地面抑尘清扫材料及其制备方法
CN104593469A (zh) * 2015-01-18 2015-05-06 徐州川海环保科技有限公司 一种处理低浓度污水外加碳源的制备方法
US10645950B2 (en) 2017-05-01 2020-05-12 Usarium Inc. Methods of manufacturing products from material comprising oilcake, compositions produced from materials comprising processed oilcake, and systems for processing oilcake
CN110255712B (zh) * 2019-06-21 2021-10-08 江苏南大环保科技有限公司 一种反硝化碳源的制备方法
KR102370226B1 (ko) * 2019-11-28 2022-03-04 경상국립대학교산학협력단 초음파로 표면처리된 탄화쌀겨의 제조방법 및 이를 포함하는 고무 조성물
GB202014846D0 (en) * 2020-09-21 2020-11-04 Binding Solutions Ltd Briquette
US11839225B2 (en) 2021-07-14 2023-12-12 Usarium Inc. Method for manufacturing alternative meat from liquid spent brewers' yeast

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020148575A1 (en) * 2000-08-16 2002-10-17 Wingerson Richard C. Cellulose production from lignocellulosic biomass
US20090061484A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Iogen Energy Corporation Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic feedstocks using accessory enzymes
US20090062581A1 (en) * 2003-03-28 2009-03-05 Appel Brian S Methods and apparatus for converting waste materials into fuels and other useful products
US20100081154A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-01 Butamax(Tm) Advanced Biofuels Llc IDENTIFICATION AND USE OF BACTERIAL [2Fe-2S] DIHYDROXY-ACID DEHYDRATASES
US20100101782A1 (en) * 2005-05-03 2010-04-29 Luca Technologies, Inc. Biogenic fuel gas generation in geologic hydrocarbon deposits

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3032869A1 (de) * 1980-09-01 1982-04-15 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren und vorrichtung zur anaeroben biologischen reinigung von abwasser
JPS5881789A (ja) * 1981-11-11 1983-05-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd メタン発酵方法
JPH04211369A (ja) * 1990-02-01 1992-08-03 Nippon Shokubai Co Ltd 好塩性アルカリアミラーゼおよびその製造方法
CZ183096A3 (en) * 1993-12-23 1996-10-16 Controlled Environment Syst Commercial process for preparing ethanol
US5407817A (en) * 1993-12-23 1995-04-18 Controlled Environmental Systems Corporation Municipal solid waste processing facility and commercial ethanol production process
US5789227A (en) * 1995-09-14 1998-08-04 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Processing of cellulosic material by a cellulase-containing cell-free fermentate produced from cellulase-producing bacteria, ATCC 55702
CA2197525A1 (en) * 1996-02-14 1997-08-15 Mahabala R. Adiga Plating waste water treatment and metals recovery method
JP2000102398A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Osaka Gas Co Ltd メタン発酵装置及びメタン発酵方法
CN100575331C (zh) * 1999-03-11 2009-12-30 齐凯姆公司 一种生产乙醇的方法
WO2001036652A1 (en) * 1999-11-18 2001-05-25 New Zealand Forest Research Institute Ltd Process for production of biopolymers from nitrogen deficient wastewater
US20050098495A1 (en) * 2001-03-02 2005-05-12 Hughes Kenneth D. Purification materials and method of filtering using the same
US6527948B2 (en) * 2001-03-31 2003-03-04 Council Of Scientific And Industrial Research Apparatus for purification of waste water and a “RFLR” device for performing the same
US20080185293A1 (en) * 2002-03-27 2008-08-07 Giselher Klose Method and Apparatus for Decontamination of Fluid with One or More High Purity Electrodes
JP2003310288A (ja) * 2002-04-26 2003-11-05 Toshiba Corp エタノールの製造方法および生物担持体
EP1778853A4 (en) * 2004-07-16 2011-09-28 Iogen Energy Corp METHOD OF OBTAINING A CELLULOSE BIOMASS SUGAR PRODUCT CIRCULAR
JP2006238728A (ja) * 2005-03-01 2006-09-14 Nippon Paper Chemicals Co Ltd 製紙排水からの糖類の製造方法
JPWO2007135958A1 (ja) * 2006-05-18 2009-10-01 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 グラム陰性細菌の細胞表層発現システム
AP2724A (en) * 2006-07-21 2013-08-31 Xyleco Inc Conversion systems for biomass
CA2823043C (en) * 2006-10-26 2014-08-19 Xyleco, Inc. Methods of processing biomass comprising electron-beam radiation
JP2010057363A (ja) * 2006-12-25 2010-03-18 Saihatsu Ko バイオマス糖化用微生物含有組成物
AU2008242769B2 (en) * 2007-04-19 2013-10-17 Mascoma Corporation Combined thermochemical pretreatment and refining of lignocellulosic biomass
JP2008278825A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Chuo Kakoki Kk バイオエタノールの製造方法
SG10201509864QA (en) * 2007-06-01 2015-12-30 Solazyme Inc Production of oil in microorganisms
JP5164182B2 (ja) * 2007-09-26 2013-03-13 独立行政法人産業技術総合研究所 好塩菌によるポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡｓ）産生方法及び好塩菌
GB0718989D0 (en) * 2007-09-27 2007-11-07 Univ Aberdeen A method of remediating contaminated water and apparatus for the same
WO2009046375A2 (en) * 2007-10-04 2009-04-09 Bio Architecture Lab, Inc. Biofuel production
CN100582080C (zh) * 2007-11-13 2010-01-20 浙江大学 环氧酯废水回用处理方法
JP2010035556A (ja) * 2008-07-10 2010-02-18 Toyota Motor Corp 組換え酵母及びエタノールの製造方法
CN101684023B (zh) * 2008-09-26 2011-09-28 新疆天业（集团）有限公司 乙炔废水回收工艺
US20100120104A1 (en) * 2008-11-06 2010-05-13 John Stuart Reed Biological and chemical process utilizing chemoautotrophic microorganisms for the chemosythetic fixation of carbon dioxide and/or other inorganic carbon sources into organic compounds, and the generation of additional useful products
JP5463564B2 (ja) * 2009-05-22 2014-04-09 国立大学法人信州大学 耐熱性及び耐塩性セルラーゼ製剤

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020148575A1 (en) * 2000-08-16 2002-10-17 Wingerson Richard C. Cellulose production from lignocellulosic biomass
US20090062581A1 (en) * 2003-03-28 2009-03-05 Appel Brian S Methods and apparatus for converting waste materials into fuels and other useful products
US20100101782A1 (en) * 2005-05-03 2010-04-29 Luca Technologies, Inc. Biogenic fuel gas generation in geologic hydrocarbon deposits
US20090061484A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Iogen Energy Corporation Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic feedstocks using accessory enzymes
US20100081154A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-01 Butamax(Tm) Advanced Biofuels Llc IDENTIFICATION AND USE OF BACTERIAL [2Fe-2S] DIHYDROXY-ACID DEHYDRATASES

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018007681A (ja) 2018-01-18
KR20180049135A (ko) 2018-05-10
IL263039A (en) 2018-12-31
NZ733115A (en) 2019-02-22
US9206453B2 (en) 2015-12-08
JP2013529088A (ja) 2013-07-18
CN102844181A (zh) 2012-12-26
UA117238C2 (uk) 2018-07-10
AU2015261591B2 (en) 2017-12-07
AU2011258646A1 (en) 2012-10-25
AU2018201447B2 (en) 2019-10-10
IL249429B (en) 2018-12-31
SG10201602578VA (en) 2016-05-30
IL249429A0 (en) 2017-02-28
IL222312A (en) 2016-12-29
AU2015261591A1 (en) 2015-12-17
MX2012013351A (es) 2013-02-11
KR20170105126A (ko) 2017-09-18
AP3791A (en) 2016-08-31
AP2012006532A0 (en) 2012-10-31
AP2016009217A0 (en) 2016-05-31
KR101778821B1 (ko) 2017-09-14
EA201790127A3 (ru) 2017-09-29
ZA201209288B (en) 2013-09-25
CA3052307A1 (en) 2011-12-01
MX341668B (es) 2016-08-30
UA110339C2 (uk) 2015-12-25
BR112012029810A2 (pt) 2016-08-09
EA201290848A1 (ru) 2013-03-29
MX350772B (es) 2017-09-18
KR102032075B1 (ko) 2019-10-14
NZ717336A (en) 2017-10-27
CA2796789C (en) 2019-10-15
NZ602751A (en) 2015-05-29
US20160244795A1 (en) 2016-08-25
AU2018201447A1 (en) 2018-03-22
EP2576213A1 (en) 2013-04-10
NZ711504A (en) 2016-06-24
EP2576213A4 (en) 2016-07-13
KR20130088006A (ko) 2013-08-07
AU2011258646B2 (en) 2015-10-29
WO2011149774A1 (en) 2011-12-01
NZ736526A (en) 2019-11-29
CA2796789A1 (en) 2011-12-01
CN105567743A (zh) 2016-05-11
EA201790127A2 (ru) 2017-05-31
MY169292A (en) 2019-03-21
CN102844181B (zh) 2015-12-09
US20160060661A1 (en) 2016-03-03
US20140087433A1 (en) 2014-03-27
SG184390A1 (en) 2012-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10519180B2 (en) Processing biomass
EA029133B1 (ru) Способ осахаривания лигноцеллюлозного исходного сырья для получения сахаров, включающих глюкозу
JP2017018112A (ja) バイオマス処理
EA026868B1 (ru) Переработка биомассы
EA027579B1 (ru) Переработка биомассы
AU2017213553B2 (en) Processing biomass
AU2013203145A1 (en) Processing biomass

Legal Events

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

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

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

Designated state(s): RU