冷卻和加工材料的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】冷卻和加工材料
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00980122657. 2的專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物質(zhì)、特別是生物質(zhì)廢棄物可豐富獲得?？捎杏玫氖怯缮镔|(zhì)獲得材料和燃料 例如乙醇。
[0003] 還可有用的是更有效地加工含石油的材料W獲得燃料和其它產(chǎn)物。
[0004] 概述
[0005] 可通過(guò)冷卻和加工將例如生物質(zhì)和其它材料（如石油產(chǎn)品材料）的材料進(jìn)行處理 W按一種或多種程度改變它們的結(jié)構(gòu)。加工的材料然后可例如用作其它材料和燃料的來(lái) 源。
[0006] 本申請(qǐng)的許多實(shí)施方案利用化化ralForce?化學(xué)?；痳alForce?化學(xué)方法利 用物理力例如粒子束、重力、光、溫度等的控制施加和操控來(lái)產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)構(gòu)和化學(xué)分子變 化。
[0007] 許多不同類(lèi)型生物質(zhì)中存在的木質(zhì)素（包括纖維素生物質(zhì)和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)） 可W使為改變生物質(zhì)W形成用于轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單糖類(lèi)和最終產(chǎn)品例如醇的中間原料的努力 復(fù)雜化。結(jié)果，產(chǎn)物例如由生物質(zhì)獲得的乙醇的產(chǎn)率小于運(yùn)類(lèi)產(chǎn)物的最大理論產(chǎn)率（在一 些情形中低相當(dāng)多）。
[0008] 本文公開(kāi)的方法采用材料的冷卻和加工，例如單獨(dú)的低溫冷卻或者與一種或多種 其它加工技術(shù)組合，所述其它加工技術(shù)例如一個(gè)或多個(gè)可W包括如研磨、娠磨、攬拌、磨蝕、 短切、剪切、水刀切割、氣刀切割、蒸汽刀切割在內(nèi)的加工步驟，一個(gè)或多個(gè)福射加工步驟 (例如暴露于帶電粒子例如電子和/或離子），一個(gè)或多個(gè)超聲處理加工步驟，一個(gè)或多個(gè) 化學(xué)加工步驟（例如使用試劑如酸、堿、氧化劑、還原劑和/或溶劑），和/或一個(gè)或多個(gè)熱 加工步驟（例如在氧化劑和/或其它試劑存在下和/或在減壓環(huán)境中熱解）。運(yùn)些其它加 工技術(shù)如果使用時(shí)則可在冷卻之前、期間或之后進(jìn)行。
[0009] 通過(guò)冷卻生物質(zhì)或其它材料，可提高生物質(zhì)或其它材料各組分（例如，半纖維素 和/或木質(zhì)素和/或蛋白質(zhì)和/或果膠和/或無(wú)機(jī)物）的脆性，從而顯著提高用于改變?cè)?材料的加工技術(shù)的有效性。通過(guò)提高材料的脆性，可由于各種加工步驟而使材料破裂（例 如，可使纖維的邊緣破裂）或斷裂。破裂可例如是微破裂。
[0010] 此外，材料冷卻可具有由材料各組分差異的膨脹和/或收縮速率引起的其它效 果。例如，某些組分（例如存在有水的木質(zhì)素）相比于與其相關(guān)的其它組分（例如半纖維 素、纖維素）可按較快的速率或者W不同的量收縮或膨脹。其結(jié)果是，可使主題材料變?nèi)酰?促進(jìn)其各組分的分離（例如，相分離，分層，界面斷裂，斷裂，或破裂如微破裂）。運(yùn)些加工 (其可獨(dú)立于其它加工技術(shù)或者結(jié)合其它加工技術(shù)進(jìn)行）還可提高產(chǎn)物的產(chǎn)率，所述產(chǎn)物 例如由與木質(zhì)素分離的半纖維素或纖維素獲得的乙醇。從材料分離出木質(zhì)素降低材料的抗 降解性，促進(jìn)材料的纖維素組分轉(zhuǎn)化成糖溶液（通過(guò)酶糖化纖維素）。不希望受理論束縛， 認(rèn)為材料的破裂可使酶在破裂位置滲入材料，從而加速糖化。然后可使糖化材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn) 物，例如發(fā)酵為乙醇。
[0011] 當(dāng)將冷卻與其它加工技術(shù)例如福射和/或氧化結(jié)合時(shí)，可較小程度地使用所述其 它技術(shù)獲得等效結(jié)果。例如，當(dāng)冷卻與福射一起使用時(shí)，能夠W較低的劑量使用福射來(lái)提供 相同的抗降解性降低程度。
[0012] 在用于使材料改變和/或轉(zhuǎn)化成其它材料的各種加工技術(shù)期間，材料中可產(chǎn)生明 顯量的熱。為避免燃燒或W其它方式引發(fā)不希望的材料熱變，可使用本文公開(kāi)的冷卻方法 來(lái)散逸或抵消過(guò)量的熱?？筛鶕?jù)材料加工期間產(chǎn)生的熱量改變冷卻程度（例如，從材料 除去的熱量）。還可調(diào)節(jié)冷卻程度W調(diào)節(jié)生物質(zhì)材料的某些性能例如其脆性，從而提高某 些隨后加工步驟的效率。例如，本文公開(kāi)的方法可增強(qiáng)半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的粉碎 (communution)W及運(yùn)些組分的分離。
[0013]所述冷卻和加工方法還可用于處理其它類(lèi)型的材料例如含控材料（如含石油的 材料）。可使用本文公開(kāi)的方法冷卻和加工各種類(lèi)型含石油的材料（包括重質(zhì)和輕質(zhì)原油、 天然氣、油砂、油母巖、焦油砂、漸青、煤和/或各種控共混物）W促進(jìn)材料各組分的提取、裂 化、粉碎、分離和精制，W及調(diào)節(jié)精制，轉(zhuǎn)化和純化加工例如裂化、重整（催化和非催化）、蒸 饋和催化轉(zhuǎn)化期間的溫度。
[0014]如本文所使用的低溫"材料是處于200KW下（例如，170KW下、150KW下、130K W下、120KW下、110KW下、100KW下、90KW下、80KW下、70KW下、60KW下、50KW下、40K W下、30KW下）溫度的材料。因此，例如，"低溫液體"是具有200KW下溫度的液體。
[0015]如下面將進(jìn)一步詳細(xì)討論的，各種材料可用于冷卻，包括例如液氮、二氧化碳和 冰。
[0016]本文公開(kāi)的方法可制備具有如下長(zhǎng)徑比的材料顆粒（例如纖維）：5:1W上（例如 6:1W上、8:1W上、10:1W上、12:1W上或 15:1W上、20:1W上）。
[0017] 本文公開(kāi)的方法還可制備最大尺寸例如直徑小于如下的顆粒：例如2000nm、 1000、750、500、250、100、50、25、20、10、5 或甚至Inm。
[0018]本文公開(kāi)的方法可制備具有降低的堆密度的材料。例如，使用本文公開(kāi)的方法制 備的材料的堆密度可W為0. 8g/cm3w下（例如0. 6、0. 5、0. 4、0. 3、0. 2W下，如0.Ig/cm3)。
[0019]本文公開(kāi)的方法可制備具有相對(duì)薄的橫截面的材料，運(yùn)是由于冷卻材料W提高其 脆性和使用任何一種或多種本文公開(kāi)的技術(shù)加工該材料的組合作用。一般而言，具有薄橫 截面的材料比具有較厚橫截面的材料可更有效地得到冷卻；其結(jié)果是，可降低用于材料加 工的費(fèi)用（例如能量消耗，例如，特別是加工技術(shù)中能量消耗的費(fèi)用）。
[0020] 在一方面，本發(fā)明的特征在于包括如下的方法：冷卻具有多于一種組分的材料和 所述組分之間的界面至所述組分在該界面處分離的溫度。然后可加工冷卻的材料W制備不 同的產(chǎn)物，例如在化學(xué)方面與該材料本身不同。例如，可冷卻生物質(zhì)并然后將其加工制備乙 醇。
[0021] 一些實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)W下特征。材料可W是或包括生物質(zhì)，例如，在一些 情形中材料包含木質(zhì)纖維素材料。組分可包括木質(zhì)素和纖維素。溫度可低于或等于材料的 脆點(diǎn)。該方法還可包括例如用電子束福射來(lái)福照材料。該方法還可包括例如通過(guò)研磨、娠 磨或粉碎將材料進(jìn)行機(jī)械處理。例如，材料的機(jī)械處理可包括冷凍研磨或冷凍娠磨該材料。 冷卻可包括在冷凍研磨或冷凍娠磨之前預(yù)冷卻該材料。各組分可具有不同的熱膨脹系數(shù)。 該方法可w包括使材料溫度周期變化。該材料可w是或包括含控材料。
[0022] 在另一方面，本發(fā)明的特征在于包括如下的方法：將材料進(jìn)行加工W制備產(chǎn)物，所 述材料通過(guò)將起始材料進(jìn)行處理W使該起始材料脆化制得，和將脆化的材料進(jìn)行加工W制 備與該脆化的材料不同的產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中，該方法還包括研磨或粉碎脆化的材料。
[0023] 一些實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)W下特征。處理可包括將起始材料冷卻。替代地或 另外地，處理可包括將材料進(jìn)行福照或氧化。起始材料可包括生物質(zhì)或含控材料。處理與 研磨或粉碎可例如在冷凍研磨裝置或冷凍娠磨裝置中同時(shí)進(jìn)行。將材料進(jìn)行加工可包括使 該材料與酶和/或微生物接觸。處理可包括使該起始材料溫度周期變化。生物質(zhì)可包括木 質(zhì)纖維素材料，該方法還可包括將木質(zhì)素與纖維素分離。
[0024] 在其它方面，本發(fā)明的特征在于包括如下的方法：將生物質(zhì)材料進(jìn)行冷卻W降低 材料的抗降解性，和在冷卻后，將冷卻的材料進(jìn)行加工W制備與所述生物質(zhì)材料不同例如 化學(xué)方面不同的產(chǎn)物。在一些實(shí)施方案中加工包括使材料與酶和/或微生物接觸，例如，用 酶使該材料糖化或用微生物使該材料發(fā)酵。
[00巧]一些實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)W下特征。材料可包括纖維素，使材料接觸可包括 利用酶使纖維素糖化。該方法還可包括將生物質(zhì)材料進(jìn)行福照?？稍诶鋬鲅心パb置或冷凍 娠磨裝置中進(jìn)行冷卻。使材料接觸可包括利用微生物來(lái)制備醇。冷卻可包括將材料冷卻至 低于材料脆點(diǎn)的溫度。
[0026] 在其它方面，本發(fā)明的特征在于包括如下加工的方法：例如通過(guò)機(jī)械加工，將生物 質(zhì)材料或含石油的材料進(jìn)行加工W降低生物質(zhì)材料或石油產(chǎn)品的尺寸例如粒徑；和或者在 加工之前將材料冷卻至273KW下的溫度，或者在加工期間維持材料處于273KW下的溫度。
[0027] 在一些實(shí)施方案中，該方法還包括使經(jīng)加工的材料與酶和/或微生物接觸。在一 些情形中，該方法包括將材料進(jìn)行超聲處理，和/或帶電粒子處理材料。冷卻可W使材料變 脆，運(yùn)可W導(dǎo)致材料組分在界面處分離。
[0028] 本發(fā)明的特征還在于通過(guò)本文所述任何方法形成的產(chǎn)物。
[0029]除非特別定義，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)都與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人 員所通常理解的含義相同。盡管與本文描述的那些相似或等效的方法和材料可W用于本發(fā) 明的實(shí)踐或檢驗(yàn)中，但下面描述了合適的方法和材料。本文中提到的所有出版物、專(zhuān)利申 請(qǐng)、專(zhuān)利W及其它參考文獻(xiàn)W其全文引為參考。在有沖突的情況下，W本說(shuō)明書(shū)、包括定義 為準(zhǔn)。此外，材料、方法和實(shí)施例僅僅是說(shuō)明性的，而不是限制性的。
[0030] 本申請(qǐng)通過(guò)引用將下面申請(qǐng)每一個(gè)的全部?jī)?nèi)容并入本文：W02008/073186; W及 U.S.序列號(hào) 12/417, 699、12/417, 707、12/417, 720、12/417, 723、12/417, 731、12/417, 786、 12/417, 840、12/417, 880、12/417, 900、12/417, 904、12/429, 045 和 12/486, 436。
[0031] 由說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是顯不生物質(zhì)加工系統(tǒng)的不意圖。
[0033] 圖2是顯示生物質(zhì)加工系統(tǒng)的示意圖。
[0034] 圖3是顯示娠磨單元的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]某些類(lèi)型的材料，包括纖維素的和/或木質(zhì)纖維素材料，可包含在復(fù)雜聚合物 骨架結(jié)構(gòu)中與纖維素和/或半纖維素鍵合的明顯木質(zhì)素部分。不希望受理論束縛，一 些證據(jù)暗示在材料中木質(zhì)素可W與纖維素和半纖維素二者共價(jià)鍵合（見(jiàn)例如Karlsson 等，JournalofPulpandPaperScience27:196-201(2001))。此外，通常觀測(cè)到將木質(zhì) 素與纖維素和/或半纖維素分離提高糖類(lèi)、醇W及衍生自纖維素和/或半纖維素進(jìn)一步加 工的其它產(chǎn)物的產(chǎn)率。此外，木質(zhì)素與纖維素和半纖維素分離產(chǎn)生有價(jià)值的副產(chǎn)物即木質(zhì) 素本身。
[0036] 生物質(zhì)材料的實(shí)例可包括可W通過(guò)本文描述的任何方法加工的任何生物質(zhì)材料， 該生物質(zhì)材料是或包括完全由一個(gè)或多個(gè)糖單元構(gòu)成的碳水化合物，或者包括一個(gè)或多個(gè) 糖單元。例如，生物質(zhì)材料可W是纖維素材料或木質(zhì)纖維素材料，淀粉材料例如玉米粒，米 ?；蚱渌澄?，或者該材料為或包括一種或多種低分子量糖類(lèi)例如薦糖或纖維素二糖。
[0037]例如，運(yùn)類(lèi)生物質(zhì)材料可包括紙