[RU]

В настоящем изобретении представлены способы увеличения эффективности осахаривания биомассы. В частности, способы предусматривают пути предотвращения ингибирования по принципу обратной связи ферментативных реакций во время получения пригодных продуктов. Способы также включают осахаривание предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы и добавление агента изомеризации к осахаренной биомассе. Осахаренная биомасса может быть дополнительно превращена в продукты с помощью микроорганизма.

(57) Реферат / Формула:

В настоящем изобретении представлены способы увеличения эффективности осахаривания биомассы. В частности, способы предусматривают пути предотвращения ингибирования по принципу обратной связи ферментативных реакций во время получения пригодных продуктов. Способы также включают осахаривание предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы и добавление агента изомеризации к осахаренной биомассе. Осахаренная биомасса может быть дополнительно превращена в продукты с помощью микроорганизма.

---

Евразийское (21) 201892418 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. C12P19/24 (2006.01)
2019.04.30 C12P19/02 (2006.01)
C12P 7/10 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки C12N 9/90 (2006.01)
2012.12.20 C12N1/16 (2006.01)
B01J19/08 (2006.01)
(54) ПЕРЕРАБОТКА БИОМАССЫ
(31) 61/579,552; 61/579,559
(32) 2011.12.22
(33) US
(62) 201790303; 2012.12.20
(71) Заявитель: КСИЛЕКО, ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Медофф Маршалл, Мастерман Томас, Финн Майкл (US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Веселицкий М.Б., Кузенкова Н.В., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(57) В настоящем изобретении представлены способы увеличения эффективности осахаривания биомассы. В частности, способы предусматривают пути предотвращения ингибирования по принципу обратной связи ферментативных реакций во время получения пригодных продуктов. Способы также включают осахаривание предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы и добавление агента изомеризации к осахаренной биомассе. Осахаренная биомасса может быть дополнительно превращена в продукты с помощью микроорганизма.
132465
ПЕРЕРАБОТКА БИОМАССЫ
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] По настоящей заявке заявляется приоритет по предварительным заявкам на патенты США № 61/579552 и 61/579559, каждая из которых подана 22 декабря 2011г.. Полное содержание вышеуказанных заявок включено в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к эффективностям, применимым при переработке материалов биомассы. Например, настоящее изобретение относится к 15 способам, при помощи которых избегают отрицательного эффекта обратной связи ферментативных реакций.
ПРЕДПОСЫЛКИ
20 [0003] Поскольку потребность в нефти возрастает, то также существует заинтересованность в возобновляемом сырье для изготовления биотоплива и биохимических веществ. Применение лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для таких способов получения изучали с 1970-х. Лигноцеллюлозная биомасса привлекает внимание, поскольку она избыточна, возобновляема, производится на месте
25 и не конкурирует с применениями пищевой промышленности.
[0004] В настоящий момент доступно многое возможное лигноцеллюлозное сырье, включая, в частности, сельскохозяйственные остатки, древесную биомассу, городские отходы, масличные культуры/жмыхи и водоросли. В настоящее время эти материалы или использовали в качестве животного сырья, материалов биогумуса, сожженных в
30 когенерационной установке, или захороняли.
[0005] Лигноцеллюлозная биомасса не поддаётся распаду, поскольку растительные клеточные стенки обладают твердой и компактной структурой. Структура содержит фибриллы кристаллической целлюлозы, встроенные в гемицеллюлозную матрицу, окруженную лигнином. В эту компактную матрицу доступ ферментов и других
химических, биохимических и биологических процессов усложнён. Материалы целлюлозной биомассы {например, материал биомассы, из которого был удален практически весь лигнин) могут быть более доступны для ферментов и других процессов превращения, но, тем не менее, целлюлозные материалы природного 5 происхождения часто характеризуются низким выходом (относительно теоретического выхода) при контакте с гидролазами. Лигноцеллюлозная биомасса является даже более устойчивой к ферментативной атаке. Более того, каждый тип лигноцеллюлозной биомассы характеризуется своей собственной конкретной композицией из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. 10 [0006] Несмотря на то, что было перепробовано много способов для извлечения структурных углеводов из лигноцеллюлозной биомассы, они являются или слишком дорогостоящими, со слишком низким выходом, оставляют нежелательные химические соединения в готовом продукте, или просто разрушают сахара.
[0007] Моносахариды из возобновляемых источников биомассы могут стать 15 основой химической и топливной промышленностей путем замены, дополнения или замещения нефти и другого ископаемого сырья. Тем не менее, необходимо разрабатывать методики, которые сделают эти моносахариды доступными в больших количествах и с приемлемой чистотой и ценами.
20 КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ
[0008] В настоящем изобретении представлены способы увеличения эффективности осахаривания биомассы. В частности, эффективности могут быть достигнуты путем предотвращения ингибирования по принципу отрицательной обратной связи
25 ферментативных реакций.
[0009] В настоящем изобретении представлен способ получения продукта, причем он включает: осахаривание предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы, и добавление агента изомеризации к осахаренной биомассе. Согласно некоторым вариантам реализации осахаренная биомасса содержит сахар первого
30 продукта и сахар второго продукта, и агент изомеризации использовали для превращения сахара второго продукта в сахар третьего продукта. В некоторых случаях способ также может включать приведение в контакт осахаренной биомассы с микроорганизмом для превращения сахара первого продукта и сахара третьего продукта в один или более продукт (ов).
[0010] Также в настоящем изобретении представлен способ получения продукта с микроорганизмом из сахара первого продукта и сахара второго продукта, причем микроорганизм может превращать сахар первого продукта в продукт, но не может метаболизировать сахар второго продукта, и этот способ включает: обеспечение 5 целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы; осахаривание биомассы для получения осахаренной биомассы, причем осахаренная биомасса содержит сахар первого продукта и сахар второго продукта; обеспечение микроорганизма, который способен превращать сахар первого продукта в продукт, но где микроорганизм не может метаболизировать сахар второго продукта; объединение микроорганизма и
10 осахаренной биомассы, тем самым получая комбинацию микроорганизм-биомасса; сохранение комбинации микроорганизм-биомасса при условиях, при которых микроорганизм может превращать сахар первого продукта в продукт с получением комбинации, которая включает продукт и сахар второго продукта; превращение сахара второго продукта в сахар третьего продукта, причем микроорганизм может превращать
15 сахар третьего продукта в продукт; и сохранение микроорганизма при условиях, при которых микроорганизм может превращать сахар третьего продукта в продукт; тем самым получая продукт с микроорганизмом из сахара первого продукта и сахара второго продукта.
[ООН] В другом аспекте настоящего изобретения представлен способ увеличения 20 количества продукта, полученного микроорганизмом из осахаренной биомассы, причем он включает: обеспечение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы; осахаривание биомассы с получением осахаренной биомассы, причем осахаренная биомасса содержит сахар первого продукта и сахар второго продукта; обеспечение микроорганизма, который может превращать сахар первого продукта в продукт, но 25 причем микроорганизм не может метаболизировать сахар второго продукта; объединение микроорганизма и осахаренной биомассы с получением комбинации микроорганизм-биомасса; сохранение комбинации микроорганизм-биомасса при условиях, при которых микроорганизм может превращать сахар первого продукта в продукт с получением комбинации, которая содержит продукт и сахар второго 30 продукта; превращение сахара второго продукта в сахар третьего продукта, причем микроорганизм может превращать сахар третьего продукта в продукт; и сохранение микроорганизма при условиях, при которых микроорганизм может превращать сахар третьего продукта в продукт; тем самым увеличивая количество продукта, полученного микроорганизмом из осахаренной биомассы.
[0012] В любом из представленных в настоящем изобретении способов лигноцеллюлозная биомасса может быть обработана для снижения ее устойчивости к осахариванию. Способ обработки выбран из группы, состоящей из: бомбардировки электронами, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза, обработки паром, 5 химической обработки, механической обработки или измельчения замораживанием. Способом обработки может быть бомбардировка электронами.
[0013] В любом из способов превращение сахара второго продукта в сахар третьего продукта может быть выполнено перед сохранением комбинации микроорганизм-биомасса при условиях, при которых микроорганизм может превращать сахар первого 10 продукта в продукт. Превращение сахара второго продукта в сахар третьего продукта может быть выполнено сразу же после осахаривания биомассы, или оно может быть выполнено в течение этапа осахаривания биомассы.
[0014] В представленных в настоящем описании способах лигноцеллюлозная биомасса может быть выбрана из группы, состоящей из: дерева, прессованной
15 древесины, древесных отходов, опилок, осинника, древесные стружки, травы, прутьевидного проса, мискантуса, спартины изящной, двукисточника тростниковидного, зерновых остатков, рисовой шелухи, овсяной шелухи, пшеничной шелухи, ячменной шелухи, отходов сельского хозяйства, силоса, соломы канолы, пшеничной соломы, ячменной соломы, овсяной соломы, рисовой соломы, джута,
20 конопли, льна, бамбука, сизаля, абаки, стержней кукурузного початка, кукурузной соломы, соевой соломы, кукурузных волокон, люцерны, сена, кокосового ворса, остатков обработки сахара, выжимки, свекольной стружки, выжимки агавы, водорослей, морской водоросли, удобрения, сточных вод, субпродуктов, сельскохозяйственных или промышленных отходов, аракчи, гречихи, банана, ячменя,
25 маниоки, кудзу, оки, саго, сорго, томата, сладкого томата, таро, бататов, бобов, обыкновенных бобов, чечевицы, гороха или смесей любого из этого. Лигноцеллюлозная биомасса может быть механически обработана для снижения своей объемной плотности и/или увеличения своей площади поверхности. Например, она может быть измельчена, например, сухим помолом или влажным помолом. Биомасса
30 может быть осахаренной одной или многими целлюлазами.
[0015] В представленных в настоящем описании способах агент изомеризации может содержать кислоту, например, полистиролсульфоновую кислоту. [0016] В представленных в настоящем описании способах комбинация микроорганизм-биомасса может быть сохранена при значении рН от около 10 до около
14, или при значении рН от около 11 до около 13. Она может быть сохранена при температуре от около 10°С до около 30°С, или при температуре около 20°С. Также она может быть сохранена при температуре от около 60°С до около 65°С. Она может быть сохранена при значении рН от около 6,0 до около 7,5, или при значении рН около 7. 5 [0017] В способах сахаром второго продукта может быть глюкоза, а сахаром третьего продукта может быть фруктоза. Агент изомеризации может содержать фермент. Альтернативно, сахаром второго продукта может быть ксилоза, а сахаром третьего продукта может быть ксилулоза. Ферментом может быть ксилозаизомераза. [0018] Микроорганизмом могут быть дрожжи. Продуктом может быть спирт.
10 Микроорганизмом может быть Clostridium spp., а продуктом может быть этанол, бутанол, масляная кислота, уксусная кислота или ацетон. Микроорганизмом может быть Lactobacillus spp., а продуктом может быть молочная кислота. [0019] Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено вариантами реализации, раскрытыми в кратком описании, и подразумевается, что в нем охвачены
15 модификации, которые находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как определено в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
20 [0020] Вышеуказанное будет очевидно из следующего более конкретного описания типичных вариантов реализации настоящего изобретения, как проиллюстрировано в сопровождающих чертежах, в которых одинаковые номера позиции относятся к одинаковым частям во всех различных изображениях. Чертежи не обязательно представлены в масштабе, вместо этого акцент помещали на иллюстрирование
25 вариантов реализации настоящего изобретения.
[0021] Фиг. 1 представляет собой диаграмму, на которой показан ферментативный гидролиз целлюлозы к глюкозе. Целлюлозный субстрат (А) при помощи эндоцеллюлазы (i) превращали в целлюлозу (В), которую при помощи экзоцеллюлазы (н) превращали в целлобиозу (С), которую превращали в глюкозу (D) при помощи
30 целлобиазы (бета-глюкозидаза) (Hi).
[0022] Фиг. 2 представляет собой блок-схему, на которой показано действие целлюлазы на целлюлозу и производные целлюлозы. Целлюлозу (200) разрушали до целлобиозы (210) при помощи эндоглюканазы и экзоглюканазы/целлобиогидролазы (205) (А), которую затем разрушали при помощи бета-глюкозидазы (215) до глюкозы
(220) (В). Эндоглюканазы и экзоглюканазы/целлобиогидролазы прямо ингибировали целлобиозой (210) (D) и глюкозой (Е), а бета-глюкозидазу ингибировали глюкозой (С). [0023] Фиг. 3 представляет собой блок-схему, на которой показано превращение биомассы (300) в продукт (340). Сырье (300) объединяли (А) с целлюлазой (305) и 5 жидкостью с образованием смеси (310), которую затем оставляли осахариваться (В) с получением Сахаров (320). Как раскрыто в настоящем изобретении, добавку (325) объединяли (С) со смесью Сахаров (320) с получением смеси Сахаров и добавки (330). Полученные сахара затем использовали (D) при последовательной переработке с получением одного или более продуктов (340), таких как спирт, молочная кислота или 10 одного или нескольких Сахаров самих по себе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0024] В настоящем изобретении представлены способы увеличения эффективности 15 получения Сахаров (и/иди продуктов, полученных из Сахаров) из осахаренной биомассы. Способы особенно применимы в тех случаях, когда один или более Сахаров или продуктов вызывают отрицательный эффект обратной связи, ограничивая количество Сахаров или продуктов, которые могут быть получены. [0025] Как правило, способы начинали с осахаривания биомассы. Осахариванием 20 обычно получали смесь Сахаров. Смесь включает сахара, которые могут быть превращены в применимый продукт. Тем не менее, смесь Сахаров может включать в себя сахара, которые не могут быть метаболизированы микроорганизмом. Поскольку эти не подходящие к применению сахара возрастают в концентрации, они представляют собой метаболический "тупик". Более того, некоторые сахара могут 25 образовывать основу ингибирования по принципу обратной связи и ограничивают пропускаемость метаболических путей, которые образуют желаемые сахара или другие желаемые продукты.
[0026] В настоящем изобретении раскрыты способы предупреждения такого ингибирования по принципу обратной связи и увеличения количества Сахаров и других 30 применимых продуктов в результате осахаривания биомассы.
[0027] Полученная в течение этапа осахаривания глюкоза может ингибировать дополнительное получение глюкозы. Таким образом, в одном варианте реализации настоящее изобретение охватывает эффективное удаление глюкозы путем ее превращения во фруктозу (которая не ингибирует осахаривание), тем самым позволяя
получение дополнительной глюкозы. Глюкоза может быть превращена во фруктозу путем действия ферментов (таких как ксилозаизомераза), сильных кислот или химических соединений (таких как полистиролсульфоновая кислота). Аналогичным образом, ксилоза, которая не может быть метаболизирована многими 5 микроорганизмами, может быть превращена при помощи ксилозаизомеразы в ксилулозу, которая может быть метаболизирована многими микроорганизмами. Кроме того, ксилулоза часто не ингибирует свое собственное получение в отличие от глюкозы.
[0028] Например, биомасса может быть осахаренной с получением смеси Сахаров, 10 включая глюкозу и ксилозу. Многие штаммы дрожжей могут метаболизировать глюкозу, например, в спирт, но не в ксилозу. Таким образом, если желаемым конечным продуктом является спирт, тогда усиленное осахаривание и усиленное получение глюкозы с последующей ферментацией будет давать больше спирта, но также будет давать больше ксилозы. Несмотря на то, что ксилоза не является вредной, она может 15 представлять собой метаболический "тупик". Если ксилоза превращена в ксилулозу, она может быть ферментирована в спирт, а эффективность производства может быть увеличена.
[0029] Как показано на фиг. 1, например, в течение этапа осахаривания целлюлозный субстрат (А) изначально гидролизировали эндоглюканазой (i) при
20 произвольных положениях с получением олигомерных промежуточных соединений {например, целлюлозы) (В). Эти промежуточные соединения затем являются субстратами для экзо-расщепления глюканаз (Н), таких как целлобиогидролаза, с получением целлобиозы из концов целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой растворимый в воде 1,4-сцепленный димер глюкозы. Конечная целлобиаза (Hi)
25 расщепляет целлобиозу (С) с получением глюкозы (D). Таким образом, эндоглюканазы являются особенно эффективными при атаке кристаллических частей целлюлозы и увеличении эффективности экзоцеллюлаз с получением целлобиозы, которой затем необходима специфичность целлобиозы с получением глюкозы. Таким образом, является очевидным, что в зависимости от природы и структуры целлюлозного
30 субстрата может быть необходимо изменение количества и типа трех различных ферментов.
[0030] Как показано на фиг. 2, гидролиз целлюлозы (200) в целлобиозу (210) представляет собой многостадийный процесс, который включает начальное разрушение на поверхности раздела твердой и жидкой фаз путем синергического
действия эндоглюканаз (EG) и экзоглюканаз/целлобиогидролаз (СВН) (205) (А). Начальный распад сопровождается дополнительным распадом жидкой фазы путем гидролиза растворимых промежуточных продуктов, таких как олигосахариды и целлобиоза, которые каталитически расщепляются при помощи бета-глюкозидазы (BG; 5 215) (В) до глюкозы (220). Тем не менее, целлобиоза (210) прямо ингибирует (D) и СВН, и EG (205), а глюкоза (220) прямо ингибирует (С, Е) не только BG (215), но также и СВН и EG (205). Настоящее изобретение, как описано, снижает или устраняет это ингибирование.
[0031] На фиг. 3 представлен способ получения продукта (340) из сырья (300).
10 Сырье может быть предварительно переработано, например, уменьшением размера и устойчивости сырья. Это может включать, например, необязательную механическую обработку сырья и, перед и/или после этой обработки, необязательную обработку сырья другой обработкой, например, бомбардировкой частицами, для дополнительного снижения его устойчивости. Входящее переработанное сырье (300) затем объединяли
15 (А) с целлюлазой (305) и жидкостью с образованием смеси (310), которую затем оставляли осахариваться (В) с получением Сахаров (320). Как раскрыто в настоящем описании, добавку (325) объединяли (С) со смесью Сахаров (320) с получением смеси Сахаров и добавки (330). Добавка (325) усиливает эффективность целлюлазы в течение этапа осахаривания, например, снижением ингибирования целлюлазы при помощи
20 целлобиозы и/или глюкозы. Это увеличивает эффективность результатов осахаривания при повышенных уровнях Сахаров, которые затем использовали (D) при последовательной переработке с получением одного или более продуктов (340), таких как спирт, молочная кислота или одного или нескольких Сахаров самих по себе. [0032] Во время осахаривания сырье обрабатывали одним или более
25 целлюлолитическими ферментами, как правило, путем объединения сырья и фермента (305) в жидкой среде, например, в водном растворе. В некоторых случаях сырье кипятили, замачивали или варили в горячей воде перед осахариванием, как описано в публикации заявки на патент США № 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 и опубликованной 26 апреля 2012, полное содержание которой включено в настоящий
30 документ посредством ссылки.
[0033] Добавка может быть добавлена при начале осахаривания (В), например, с биомассой и целлюлазой. Альтернативно, добавка может быть добавлена после того, как прошла некоторая часть или все осахаривание (В). Также она может быть добавлена в начале получения продукта.
[0034] Добавка может быть химическим веществом или ферментом. Примеры подходящих добавок включают кислоты и основания. Основания могут катализировать превращение Лобри-де-Брюйна-Альбедра-ван-Экенстейна, как описано более подробно ниже. Кислоты могут катализировать гидролиз целлобиозы. Бороновые кислоты могут 5 быть использованы для образования комплекса с г/ис-диолами глюкозы. Ксилозаизомераза {иначе называемая глюкозоизомераза) может быть использована для изомеризации глюкозы во фруктозу.
[0035] Добавки могут быть физически поддерживаемыми. Применимые подложки содержат, но не ограничиваясь ими, катионные полимерные подложки, анионные 10 полимерные подложки, нейтральные полимерные подложки, подложки из оксида металла, подложки из карбоната металла, подложки из галида металла и/или их смеси. Подложка может быть добавлена к смешанным сахарам или быть неподвижной, смешанные сахара образованы для прохождения через или над поддерживаемой добавкой.
15 [0036] Смесь, содержащая добавку (330), может быть возвращена на стадию биомассы и целлюлазы (310) для высвобождения большего количества Сахаров перед дополнительной переработкой. Она может включать возвращение условий до состояния, которое предпочтительно вызывает осахаривание целлюлозы вместо условий, которые благоприятствуют действию добавки. Например, значение рН может
20 быть оптимизировано для осахаривания в кислой области (менее чем или равное значению рН 7, менее чем или равное значению рН 6, менее чем или равное значению рН 5) и более чем или равное значению рН 2 (более чем или равное значению рН 3, более чем или равное значению рН 4). Температура может быть оптимизирована для действия целлюлаз, например, до более чем или равной 30°С (более чем или равной
25 40°С, более чем или равной 50°С, более чем или равной 60°С) и менее чем или равной 90°С (менее чем или равной 80°С, менее чем или равной 70°С, менее чем или равной 60°С). Для увеличенного получения Сахаров необязательно могут быть добавлены дополнительная биомасса, целлюлаза и добавка.
[0037] Сахарный раствор или суспензию, полученные осахариванием, могут 30 подвергать последовательной переработке с получением желаемого продукта. Например, могут быть выделены один или более Сахаров, и/или раствор может быть ферментирован. При использовании ферментации может быть дистиллирован продукт
ферментации. Например, сахара могут быть гидрированы, а сахарные спирты выделены.
[0038] Не связываясь с конкретной теорией, мы полагали, что это превращение эффективно удаляет глюкозу из смеси Сахаров. Как показано на фиг. 2, этим удалением 5 будут удалены стадии ингибирования С и Е. Это усиливает полное осахаривание целлюлозы в биомассе.
[0039] Во многих случаях оптимальная температура для применения глюкозоизомеразы находится в диапазоне от 60 до 80°С. В описанных в настоящем документе способах температуры, которые ниже оптимальной, могут быть
10 предпочтительными из-за стоимости и потому что оптимальная температура для других компонентов процесса может быть другой. Например, как правило, целлюлазные активности являются оптимальными между 30°С и 65°С. Таким образом, предпочтительным может быть температурный диапазон от около 60°С до около 65°С, в особенности, если глюкозоизомераза и целлюлаза объединены и используются
15 одновременно. Если они не используются вместе, тогда для каждого фермента могут быть выбраны оптимальные температуры.
[0040] Оптимальный диапазон рН для глюкозоизомеразной активности равен от 7 до 9. Как и в случае выбора температурного диапазона, на практике настоящего изобретения предпочтительным может быть более низкое значение рН, поскольку в
20 некоторых случаях другим компонентам процесса может быть необходимо более низкое значение рН. Например, целлюлазы являются активными в диапазоне рН от около 3 до 7. Таким образом, предпочтительное значение рН для объединенных ферментов, как правило, приблизительно или ниже 7. Если глюкозоизомераза и целлюлаза не использовали вместе, тогда для каждого фермента может быть выбран
25 оптимальный диапазон рН.
[0041] Глюкозоизомераза может быть добавлена в любом количестве. Например, концентрация может быть ниже около 500 ед./г целлюлозы (ниже чем или равно 100 Ед./г целлюлозы, ниже чем или равно 50 ед./г целлюлозы, ниже чем или равно 10 ед./г целлюлозы, ниже чем или равно 5 ед./г целлюлозы). Концентрация может составлять
30 по меньшей мере от около 0,1 ед./г целлюлозы до около 500 ед./г целлюлозы, меньшей мере от около 0,5 ед./г целлюлозы до около 250 ед./г целлюлозы, меньшей мере от около 1 ед./г целлюлозы до около 100 Ед./г целлюлозы, меньшей мере от около 2 ед./г целлюлозы до около 50 Ед./г целлюлозы.
[0042] В некоторых случаях добавление глюкозоизомеразы увеличивает количество полученных Сахаров по меньшей мере на 5% {например, по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 15%, по меньшей мере на 20%, по меньшей мере на 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%).
5 [0043] Другая добавка, которая может быть использована в настоящем изобретении, представляет собой, например, химическое вещество, которое усиливает активность агента осахаривания. Химическим веществом может быть, например, то химическое вещество, которое облегчает превращение Лобри-де-Брюйна-ван-Альбедра-ван-Экенстейна (также называемое превращение Лобри-де-Брюйна-ван-Экенстейна). При
10 этой реакции образуется енол из альдозы, который затем может образовывать кетозу. Например, в диапазоне рН от 11 до 13 и при температуре 20°С щелочь будет катализировать превращение D-глюкозы в D-фруктозу и D-маннозу. Типично, реакция является катализируемой основанием, но также она может быть катализирована кислотой, или проходить при нейтральных условиях. Как и с применением
15 глюкозоизомеразы, при этой реакции эффективно удаляется глюкоза.
[0044] В качестве другого примера, кислота может быть использована для катализа гидролиза целлобиозы. С применением химических средств для расщепления целлобиозы до глюкозы, а не ферментативных или микробных средств, ингибирование этих реакций глюкозой не происходит.
20 [0045] В другом примере химическое вещество может быть таким веществом, которое реагирует с глюкозой, например, бороновой кислотой, которая предпочтительно связывается с цис-диолами.
[0046] Химическое вещество может быть на подложке, например, на полистиролсульфонатах (например, Amberlyst(tm)) или полистироламинах. Смешанные 25 сахара могут проходить через химическое вещество на подложке или перетекать через него. Например, химическое вещество может быть бороновой кислотой на полистироловой подложке. Глюкоза может быть уловлена как борат полистирольной подложкой, а затем высвобождена на последующей стадии, например, добавлением основания.
КСИЛОЗАИЗОМЕРАЗА
[0047] Ксилозаизомераза (ES 5.3.1.5) представляет собой фермент, который катализирует химическую реакцию туда и обратно между D-ксилозой и D-ксилулозой. Также систематически она известна как глюкозоизомераза и D-ксилозаальдоз
кетозизомераза, и принадлежит семейству изомераз, в особенности таким внутримолекулярным оксидоредуктазам, взаимопревращающим альдозы и кетозы. Другие общепринятые названия включают D-ксилозаизомеразу, D-ксилозакетоизомеразу и D-ксилозакетол-изомеразу. Фермент участвует во 5 взаимопревращениях пентозы и глюкуроната и в метаболизме фруктозы и маннозы. Его использовали в промышленном отношении для превращения глюкозы во фруктозу при изготовлении кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Иногда он называется "глюкозоизомераза". "Ксилозаизомераза" и "глюкозоизомераза" в настоящем документе используют взаимозаменяемо. In vitro, глюкозоизомераза 10 катализирует взаимопревращение глюкозы и фруктозы. In vivo, она катализирует взаимопревращение ксилозы и ксилулозы.
[0048] Несколько типов ферментов рассматривали как ксилозаизомеразы. Первый вид получали из Pseudomonas hydrophila. Этот фермент обладает в 160 раз более низким сродством с глюкозой, чем ксилоза, но тем не менее является применимым для
15 увеличения количества фруктозы в присутствии глюкозы. Второй вид фермента обнаружен в Escherichia intermedia. Этот фермент представляет собой фосфоглюкозоизомеразу (ЕС 5.3.1.9) и может изомеризовать только нефосфорилированный сахар в присутствии арсената. Глюкозоизомераза (ЕС 5.3.16) может быть выделена из Bacillus megaterium AI и является NAD связанной и
20 характерной для глюкозы. Другая глюкозоизомераза с подобной активностью выделена из Paracolobacterium aerogenoides. Глюкозоизомеразам, полученным гетероферментативной кислотной бактерией, требуется ксилоза в качестве индуктора, и они являются относительно неустойчивыми при высокой температуре. Ксилозаизомераза (ЕС 5.3.1.5) является самой используемой для коммерческих
25 применений, поскольку она не требует дорогостоящих дополнительных факторов, таких как NAD+ или АТР, и она является относительно теплостойкой. [0049] Как правило, глюкозоизомеразы получали межклеточным путем, но известны сообщения о внеклеточном выделении глюкозоизомераз. Используемый фермент может быть выделен из многих бактерий, включая без ограничения:
30 Actinomyces olivocinereus, Actinomyces phaeochromogenes, Actinoplanes missouriensis, Aerobacter aerogenes, Aerobacter cloacae, Aerobacter levanicum, Arthrobacter spp., Bacillus stearothermophilus, Bacillus megabacterium, Bacillus coagulans, Bifidobacterium spp., Brevibacterium incertum, Brevibacterium pentosoaminoacidicum, Chainia spp., Corynebacterium spp., Cortobacterium helvolum, Escherichia freundii, Escherichia
intermedia, Escherichia coli, Flavobacterium arborescens, Flavobacterium devorans, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus fermenti, Lactobacillus mannitopoeus, Lactobacillus gayonii, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus lycopersici, Lactobacillus pentosus, Leuconostoc mesenteroides, Microbispora rosea, Microellobosporia 5 flavea, Micromonospora coerula, Mycobacterium spp., Nocardia asteroides, Nocardia corallia, Nocardia dassonvillei, Paracolobacterium aerogenoides, Pseudonocardia spp., Pseudomonas hydrophila, Sarcina spp., Staphylococcus bibila, Staphylococcus flavovirens, Staphylococcus echinatus, Streptococcus achromogenes, Streptococcus phaeochromogenes, Streptococcus jracliae, Streptococcus roseochromogenes, Streptococcus olivaceus,
10 Streptococcus californicos, Streptococcus venuceus, Streptococcus Virginia!, Streptomyces olivochromogenes, Streptococcus venezaelie, Streptococcus wedmorensis, Streptococcus griseolus, Streptococcus glaucescens, Streptococcus bikiniensis, Streptococcus rubiginosus, Streptococcus achinatus, Streptococcus cinnamonensis, Streptococcus fradiae, Streptococcus albus, Streptococcus griseus, Streptococcus hivens, Streptococcus matensis, Streptococcus
15 murinus, Streptococcus nivens, Streptococcus platensis, Streptosporangium album, Streptosporangium oulgare, Thermopolyspora spp., Thermus spp., Xanthomonas spp. и Zymononas mobilis.
[0050] Глюкозоизомераза может быть использована в свободном виде в растворе или быть закрепленной на подложке. Цельные клетки или бесклеточные ферменты
20 могут быть неподвижными. Опорной структурой может быть любой нерастворимый материал. Опорные структуры могут быть катионными, анионными или нейтральными материалами, например, диэтиламиноэтилцеллюлоза, оксиды металлов, хлориды металлов, карбонаты металлов и полистиролы. Обездвижение может быть выполнено при помощи любого подходящего средства. Например, обездвижение может быть
25 выполнено приведением в контакт подложки и цельной клетки или фермента в растворителе, таком как вода, а затем удалением растворителя. Растворитель может быть удален любыми подходящими средствами, например, фильтрацией или выпариванием или сушкой распылением. В качестве другого примера, эффективной может быть сушка распылением цельных клеток или фермента с подложкой.
30 [0051] Глюкозоизомераза также может присутствовать в живой клетке, которая вырабатывает фермент в течение процесса. Например, продуцирующие глюкозоизомеразу бактерии могут быть совместно культивированы в процессе с этанолферментирующими бактериями. Альтернативно, продуцирующие
глюкозизомеразу бактерии сначала могут быть приведены в контакт с субстратом, а затем инокуляцией с этанол-продуцирующим субстратом.
[0052] Глюкозоизомераза также может присутствовать в пределах или быть выделенной из клетки, также способна к дополнительному применимому превращению 5 Сахаров. Например, ферментирующие разновидности глюкозы могут быть генетически модифицированы, чтобы содержать и экспрессировать ген для получения глюкозоизомеразы.
I. ОБАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ
10 А. БОМБАРДИРОВКА ЧАСТИЦАМИ
[0053] Одна или несколько обработок бомбардировкой частицами высоких энергий могут быть использованы для переработки исходного сырья из большого разнообразия различных источников для выделения применимых веществ из сырья, и для обеспечения частично разложившегося органического материала, который выполняет
15 функцию подачи на дополнительные стадии переработки и/или последовательности. Бомбардировка частицами может снижать молекулярную массу и/или кристаллическое состояние сырья. Согласно некоторым вариантам реализации энергия, содержащаяся в материале, который высвобождает электрон из его атомной орбитали, может быть использована для обработки материалов. Бомбардировка может быть обеспечена
20 тяжелыми заряженными частицами (такими как альфа-частицы или протоны), электронами (полученными, например, при бета-распаде или в ускорителях пучка электронов) или электромагнитным излучением (например, гамма-лучи, рентгеновские лучи или ультрафиолетовые лучи). Альтернативно, излучение, выработанное радиоактивными веществами, может быть использовано для обработки сырья. Может
25 быть использована любая комбинация в любом порядке или одновременно с этими обработками. В другом подходе электромагнитное излучение {например, полученное с применением излучателей пучка электронов) моет быть использовано для обработки сырья.
[0054] Каждая форма энергии ионизирует биомассу за счет конкретных 30 взаимодействий. Тяжелые заряженные частицы в первую очередь ионизируют материю кулоновским рассеянием; более того, эти взаимодействия производят электроны высокой энергии, которые могут дополнительно ионизировать материю. Альфа-частицы тождественны ядрам 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.
[0055] При использовании частиц они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Если заряжены, 5 заряженные частицы могут нести один положительный или отрицательный заряд или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре или более зарядов. В случаях, если требуется разрыв цепи, предпочтительными могут быть положительно заряженные частицы, частично благодаря их кислотной природе. При использовании частиц они могут обладать массой, равной массе электрона в состоянии покоя или
10 более, например, в 500, 1000, 1500 или 2000 или более раз массы электрона в состоянии покоя. Например, частицы могут обладать массой от около 1 атомной единицы до около 150 атомных единиц, например, от около 1 атомной единицы до около 50 атомных единиц или от около 1 до около 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть
15 электростатическими с постоянным током, электростатическими с постоянным током, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или с незатухающими волнами. Например, ускорители циклотронного типа являются доступными от ГВА (Ion Beam Accelerators, Louvain-la-Neuve, Бельгия), такие как система Rhodotron(tm), поскольку ускорители постоянного тока доступны от RDI, сейчас
20 ША Industrial, такие как Dynamitron(tm). Ионы и ускорители ионов обсуждали в Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA В 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William Т., "Overview of Light-Ion Beam Therapy", Колумбус-Огайо, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 Mar. 2006; Iwata, Y. et al, "Alternating-Phase-Focused Ш-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of
25 EPAC 2006, Эдинбург, Шотландия; и Leitner, С. M. et al, "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Вена, Австрия.
[0056] Используемые дозы зависят от желаемого эффекта и конкретного сырья. Например, высокие дозы могут разрывать химические связи в компонентах сырья, а низкие дозы могут усиливать химическое связывание {например, перекрестное 30 сшивание) в компонентах сырья.
[0057] В некоторых случаях, если разрыв цепи является желательным и/или желательной является функционализация полимерной цепи, могут быть использованы частицы, которые тяжелее электронов, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы
азота. Если желательным является разрыв цепи с раскрытием цикла, то для усиления этого могут быть использованы положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислот Льюиса. Например, если желательными являются содержащие кислород функциональные группы, может быть выполнена обработка в присутствии 5 кислорода или даже обработка ионами кислорода. Например, если желательными являются содержащие азот функциональные группы, может быть выполнена обработка в присутствии азота или даже обработка ионами азота.
В. ДРУГИЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ [0058] Электроны взаимодействуют посредством кулоновского рассеяния и
10 тормозным излучением, образованным путем изменений скорости электронов. Электроны могут быть образованы из радиоактивных ядер, которые подвергали бета-распаду, например, изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, посредством термоионной эмиссии в качестве источника электронов может быть использована электронная пушка.
15 [0059] Электромагнитное излучение взаимодействует посредством трех процесов: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пара. Преимущественное взаимодействие определяли энергией падающего излучения и атомным числом материала. Суммирование взаимодействий, содействующих поглощенному излучению в целлюлозный материал, может быть выражено массовым
20 коэффициентом поглощения.
[0060] Электромагнитное излучение подклассифицировали как гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволновые волны или радиоволны, в зависимости от длины волны.
[0061] Например, гамма-излучение может быть использовано для обработки 25 материалов. Гамма-излучение обладает преимуществом существенной глубиной
проникания в различный материал образца. Источники гамма-лучей включают
радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия,
индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, талия и ксенона.
[0062] Источники рентгеновских лучей включают столкновение пучка электронов с 30 металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или
компактные источники света, например, такие, которые коммерчески получены от
Lyncean.
[0063] Источники для ультрафиолетового излучения включают дейтерий или кадмиевые лампы.
[0064] Источники для инфракрасного излучения включают керамические лампы с окнами из сапфира или селенида цинка.
[0065] Источники микроволновых волн включают в себя клистрон, предложенные Слевиным источники СВЧ или источники пучков атомов, в которых используют 5 газообразный водород, кислород или азота.
[0066] В раскрытых в настоящем документе способах могут быть использованы различные другие устройства, включая источники полевой ионизации, электростатические разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, 10 рециркулирующие или статические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-де-Граафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства раскрыты, например, в патенте США № 7931784 В2, полное раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки.
15 С. БОМБАРДИРОВКА ЭЛЕКТРОНАМИ 1. Пучок электронов
[0067] Сырье может быть обработано при помощи бомбардировки электронами для модификации его структуры, и, таким образом, снижения его устойчивости. Такая обработка может, например, снижать среднюю молекулярную массу сырья, изменять 20 кристаллическую структуру сырья и/или увеличивать площадь поверхности и/или пористость сырья.
[0068] Как правило, предпочтительной является бомбардировка пучком электронов, поскольку она обеспечивает очень высокую пропускаемость, и потому что применение устройства с пучком электронов относительно низкого напряжения/высокой мощности
25 устраняет потребность в дорогостоящей защите из бетонного свода, поскольку такие устройства являются "самозащитными" и обеспечивают безопасный, эффективный процесс. Поскольку "самозащитные" устройства действительно включают защиту {например, защиту и металлической пластины), им не требуется сооружение из бетонного свода, что значительно понижает капитальные затраты и часто позволяет
30 использование существующего производственного оборудования без дорогостоящей модификации. Ускорители пучка электронов доступны, например, от ША (Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгия), Titan Corporation (Сан-Диего, Калифорния, США) и NHV Corporation (Nippon High Voltage, Япония).
[0069] Бомбардировку электронами выполняли с применением электроннолучевого устройства с номинальной энергией менее чем 10 МэВ, например, менее чем 7 МэВ, менее чем 5 МэВ или менее чем 2 МэВ, например, от около 0,5 до 1,5 МэВ, от около 0,8 до 1,8 МэВ, от около 0,7 до 1 МэВ или от около 1 до 3 МэВ. Согласно некоторым 5 вариантам реализации номинальная энергия равна от около 500 до 800 кэВ.
[0070] Пучок электронов может обладать относительно высокой мощностью полного пучка (объединенная мощность пучка всех ускоряющих головок, или, при использовании нескольких ускорителей, всех ускорителей и всех головок), например, по меньшей мере 25 кВт, например, по меньшей мере 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 10 или 150 кВт. В некоторых случаях мощность доходит даже до 500 кВт, 750 кВт или даже 1000 кВт или более. В некоторых случаях пучок электронов обладает мощностью пучка 1200 кВт или более.
[0071] Эта высокая мощность полного пучка обычно достигается с применением нескольких ускоряющих головок. Например, электроннолучевое устройство может
15 включать две, четыре или более ускоряющих головок. Применение нескольких головок, каждая из которых обладает относительно низкой мощностью пучка, предотвращает чрезмерное повышение температуры в материале, тем самым предотвращает сгорание материала и также увеличивает однородность дозы посредством толщины слоя материала.
20 [0072] Согласно некоторым вариантам реализации, желательным является охлаждение материала в течение этапа бомбардировки электронами. Например, материал может быть охлажден при транспортировке, например, при помощи шнековой машины или другого средства транспортировки.
[0073] Для снижения энергии, необходимой для процесса снижения устойчивости, 25 желательной является обработка материала настолько быстро, насколько возможно. В общем случае является предпочтительным, если обработку проводили при интенсивности дозы более чем около 0,25 Мрад в секунду, например, более чем около 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 5, 7, 10, 12, 15 или даже более чем около 20 Мрад в секунду, например, от около 0,25 до 2 Мрад в секунду. Как правило, более высоким дозам 30 необходимы более высокие линейные скорости, чтобы избежать термической деструкции материала. Согласно одному варианту реализации ускоритель устанавливали на 3 МэВ, ток пучка 50 мАмп и линейная скорость равна 24 фут/минута, для толщины образца около 20 мм {например, измельченный материал стержня кукурузного початка с объемной плотностью 0,5 г/см3).
[0074] Согласно некоторым вариантам реализации бомбардировку электронами проводили, пока материал получал общую дозу по меньшей мере 0,5 Мрад, например, по меньшей мере 5, 10, 20, 30 или по меньшей мере 40 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации обработку проводили, пока материал получал дозу от около 0,5 5 Мрад до около 150 Мрад, от около 1 Мрад до около 100 Мрад, от около 2 Мрад до около 75 Мрад, от 10 Мрад до около 50 Мрад, например, от около 5 Мрад до около 50 Мрад, от около 20 Мрад до около 40 Мрад, от около 10 Мрад до около 35 Мрад или от около 25 Мрад до около 30 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации предпочтительной является общая доза от 25 до 35 Мрад, используемая оптимально в 10 течение нескольких секунд, например, около 5 Мрад/прохождение с каждым прохождением, применяемым в течение около одной секунды. Применение дозы более чем от 7до 8 Мрад/прохождение в некоторых случаях может вызывать термический распад сырьевого материала.
[0075] С применением многосекционных головок, как обсуждалось выше, материал 15 может быть обработан многократным прохождением, например, двумя прохождениями при от 10 до 20 Мрад/прохождение, например, от 12 до 18 Мрад/прохождение, с промежутками в несколько секунд для охлаждения, или тремя прохождениями от 7 до 12 Мрад/прохождение, например, от 9 до 11 Мрад/прохождение. Как обсуждалось выше, обработка материала несколькими относительно низкими дозами, а не одной 20 высокой дозой, направлена к предотвращению перегревания материала, а также увеличивает однородность дозы посредством толщины материала. Согласно некоторым вариантам реализации материал перемешивали или другим образом смешивали в течение или после каждого прохождения, а затем снова выравнивали в равномерный слой перед следующим прохождением для дополнительного усиления однородности 25 обработки.
[0076] Согласно некоторым вариантам реализации электроны ускорялись, например, до скорости более чем 75 процентов скорости света, например, более чем 85, 90, 95 или 99 процентов скорости света.
[0077] Согласно некоторым вариантам реализации любая описанная в настоящем 30 документе переработка происходит с лигноцеллюлозным материалом, который остается сухим, как и был приобретен, или который сушили, например, с применением нагревания и/или пониженного давления. Например, согласно некоторым вариантам реализации целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал содержит менее чем
около пяти процентов по массе удерживаемой воды, измеренной при 25°С и при пятидесяти процентах относительной влажности.
[0078] Бомбардировка электронами может быть использована, поскольку целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал подвергали воздействию воздуха, 5 обогащенного кислородом воздуха или даже самого кислорода, или покрывали инертным газом, таким как азот, аргон или гелий. При необходимости максимального окисления применяли окислительную среду, такую как воздух или кислород, и оптимизировали расстояние от источника пучка для максимизации образования активного газа, например, озона и/или оксидов азота.
10 [0079] Согласно некоторым вариантам реализации применяют два или более источника электронов, например, два или более ионизирующих источника. Например, образцы могут быть обработаны в любом порядке пучком электронов, а затем гамма-излучением и УФ светом с длинами волн от около 100 нм до около 280 нм. Согласно некоторым вариантам реализации образцы обрабатывали тремя источниками
15 ионизирующего излучения, например, пучок электронов, гамма-излучение и УФ свет высокой энергии. Биомассу перемещали через зону обработки, где ее могут бомбардировать электронами. Как правило, предпочтительно, когда основание материала биомассы при обработке обладает относительно равномерной толщиной, как описано ранее.
20 [0080] Может быть эффективным повторение обработки для более основательного снижения устойчивости биомассы и/или дополнительной модификации биомассы. В частности, параметры процесса могут быть установлены после первого {например, второго, третьего, четвертого или более) прохождения в зависимости от устойчивости материала. Согласно некоторым вариантам реализации может быть использован такой
25 конвейер, который включает круговую систему, в которой биомасса перемещалась много раз через различные описанные выше процессы. Согласно другим вариантам реализации, использовали многие устройства для обработки {например, электроннолучевые генераторы) для обработки биомассы много {например, 2, 3, 4 или более) раз. Согласно другим вариантам реализации, один электроннолучевой генератор
30 может быть источником многих пучков {например, 2, 3, 4 или более пучков), которые могут быть использованы для обработки биомассы.
[0081] Эффективность при изменении молекулярной/над молекулярной структуры и/или снижении устойчивости материала биомассы зависит от используемой энергии
электрона и используемой дозы, тогда как время воздействия зависит от мощности и дозы.
[0082] Согласно некоторым вариантам реализации, обработку (любым источником электронов или комбинацией источников) проводили, пока материал получал дозу по 5 меньшей мере около 0,05 Мрад, например, по меньшей мере около 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 1,0, 2,5, 5,0, 7,5, 10,0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175 или 200 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации обработку проводили, пока материал получал дозу между 0,1-100 Мрад, 1-200, 5-200, 10-200, 5-150, 5-100, 5-50, 5-40, 10-50, 10-75, 15-50, 20-35 Мрад. 10 [0083] Согласно некоторым вариантам реализации обработку проводили при интенсивности дозы между 5,0 и 1500,0 килорад/час, например, между 10,0 и 750,0 килорад/час или от 50,0 до 350,0 килорад/час. Согласно другим вариантам реализации обработку проводили при интенсивности дозы между 10 и 10000 килорад/час, между 100 и 1000 килорад/час или между 500 и 1000 килорад/час.
2. Источники электронов
[0084] Электроны взаимодействуют через кулоновское рассеяние и тормозное излучение, полученные изменениями скорости электронов. Электроны могут быть получены при помощи радиоактивных ядер, которые подвергаются бета-распаду, таких
20 как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, в качестве источника электронов может быть использована электронная пушка путем термоионной эмиссии и ускорена при помощи ускоряющего потенциала. Электронная пушка образует электроны, укоряет их посредством сильного потенциала {например, более чем около 500 тысяч, более чем около 1 миллион, более чем около 2 миллиона, более чем около 5
25 миллионов, более чем около 6 миллионов, более чем около 7 миллионов, более чем около 8 миллионов, более чем около 9 миллионов или даже более чем 10 миллионов вольт), а затем сканирует их магнитным путем в плоскости х-у, в которой электроны изначально ускорялись в z-направлении вниз по трубке и извлекались через фольговое окно. Сканирование электронного пучка применимо для увеличения поверхности
30 облучения при облучении материалов, например, биомассы, которую перемещали через сканирующий пучок. Сканирование пучка электронов также распределяет тепловую нагрузку гомогенно на окно и помогает снижать разлом фольгового окна из-за локального нагрева пучком электронов. Разлом фольгового окна является причиной
существенного времени простоя из-за последующего необходимого восстановления и перезапуска электронной пушки.
[0085] В раскрытых в настоящем документе способах могут быть использованы различные другие облучатели, включая источники полевой ионизации, 5 электростатические разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, рециркулирующие или статические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-де-Граафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства раскрыты, например, в патенте США № 7931784 Medoff, полное раскрытие которого
10 включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0086] Пучок электронов может быть использован как источник излучения. Пучок электронов обладает преимуществом высокодозированных доз {например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой пропускаемостью, более слабым удержанием и меньшим ограничением оборудования. Пучки электронов также могут обладать
15 высоким электрическим КПД {например, 80%) с учетом низкоэнергетического применения относительно других способов облучения, которые могут переводить в более низкую стоимость операции и понижать выбросы парниковых газов, которые соответствуют меньшему количеству используемой энергии. Пучки электронов могут быть образованы, например, электростатическими генераторами, каскадными
20 генераторами, трансформаторными генераторами, ускорителями на низкие энергии со сканирующей системой, ускорителями на низкие энергии с линейным катодом, линейными ускорителями и импульсными ускорителями.
[0087] Электроны также могут быть более эффективными при вызывании изменений в молекулярной структуре материалов биомассы, например, механизмом
25 расщепления цепи. Кроме того, электроны с энергиями 0,5-10 МэВ могут проникать в материалы с низкой плотностью, такие как материалы биомассы, описанные в настоящем документе, например, материалы с объемной плотностью менее чем 0,5 г/см3 и толщиной 0,3-10 см. В качестве источника ионизирующего излучения электроны могут быть использованы, например, для относительно тонких пачек, слоев
30 или оснований материалов, например, менее чем около 0,5 дюйма, например, менее чем около 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,25 дюйма или менее чем около 0,1 дюйм. Согласно некоторым вариантам реализации энергия каждого электрона электронного пучка составляет от около 0,3 МэВ до около 2,0 МэВ (мегаэлектронвольт), например, от около 0,5 МэВ до около 1,5 МэВ или от около 0,7 МэВ до около 1,25 МэВ. Способы
облучения материалов обсуждали в публикации заявки на патент США №2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011, полное раскрытие которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0088] Устройства для электронно-лучевого облучения могут быть коммерчески 5 приобретены у Ion Beam Applications (Louvain-la-Neuve, Бельгия), Titan Corporation (Сан-Диего, Калифорния, США) и NHV Corporation (Nippon High Voltage, Япония). Типичные энергии электронов могут составлять 0,5 МэВ, 1 МэВ, 2 МэВ, 4.5 МэВ, 7.5 МэВ или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для электролучевого облучения может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 60 кВт, 70 кВт, 80 кВт, 90 кВт,
10 100 кВт, 125 кВт, 150 кВт, 175 кВт, 200 кВт, 250 кВт, 300 кВт, 350 кВт, 400 кВт, 450 кВт, 500 кВт, 600 кВт, 700 кВт, 800 кВт, 900 кВт или даже 1000 кВт. [0089] Компромиссы при рассмотрении требований мощности устройства для облучения электронным пучком включают стоимость эксплуатации, капитальные затраты, снижение стоимости и контур устройства. Компромиссы при рассмотрении
15 уровней доз облучения электронным пучком будут касаться затрат энергии и окружающей среды, безопасности и здоровья (Европейское общество гематологии). Как правило, генераторы сохраняли в камере для хранения, например, из свинца или бетона, специально для образования рентгеновских лучей, которые образованы в процессе. Компромиссы при рассмотрении энергий электронов включают затраты
20 энергии.
[0090] Устройство для облучения электронным пучком может давать или фиксированный пучок, или сканирующий пучок. Сканирующий пучок может быть преимущественным с большой длиной развертки скана и высокими скоростями сканирования, поскольку он будет эффективно заменять большой, широкий 25 фиксированный пучок. Кроме того, доступной является ширина сектора 0,5 м, 1 м, 2 м или более. Сканирующий пучок является предпочтительным в большинстве вариантов реализации, описанных в настоящей заявке, по причине большей ширины скана и сниженной возможности локального нагрева и неэффективности окон.
30 3. Электронные пушки - окна
[0091] При обработке электронной пушкой биомассу облучали, когда она проходила под окном, которое, как правило, представляет собой металлическую фольгу {например, из титана, титанового сплава, алюминия и/или кремния). Окно непроницаемо для газов, хотя электроны могут проходить с низким сопротивлением
при непроницаемости для газов. Толщина фольговых окон предпочтительно составляют от около 10 до 100 микрон {например, окно может быть 10 микрон толщиной, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 5 90, 95 или 100 микрон толщиной). Тонкие окна рассеивают меньше энергии, поскольку пучок электронов проходит сквозь них {например, резистивный нагрев меньше, поскольку мощность = I2R), что является преимуществом по отношению к облучению целевого материала {например, биомассы) как можно большим количеством энергии. Тонкое окно является также менее механически прочным и более вероятно может не 10 оправдать ожиданий, что вызывает повышенные расходы и больший простой оборудования.
[0092] Фольговое окно может быть охлаждено прохождением воздуха или инертного газа над окном. При использовании корпуса, как правило, является предпочтительным, когда окно вмонтировано в корпус и охлаждение окна с внешней 15 стороны замкнутой системы транспортировки для избегания поднятия любых твердых частиц облучаемого материала.
[0093] Система может содержать более одного окна, например, первичное окно и вторичное окно. Два окна могут образовывать корпус, чтобы включать продувающие газы и/или охлаждающие газы. Второе окно может служить в качестве "протекторного" 20 окна для защиты первичного окна. Электронно-лучевая установка содержит вакуум между источником электронов и первичным окном, и разлом первичного окна, вероятно, будет служить причиной того, что материал биомассы будет всасываться в электроннолучевую установку, что приводит к повреждению, расходам на ремонт и времени нахождения.
25 [0094] Окно может быть полимером, керамикой, покрытой керамикой, композитом или покрытым композитом. Вторичное окно может быть, например, из непрерывного листа/рулона полимера или покрытого полимера, который может продвигаться непрерывно или с интервалами с обеспечением чистого или нового участка, чтобы служить в качестве вторичного окна.
30 [0095] Первичное окно и вторичное окно может быть сделано из того же материала или из различных материалов. Например, первичное фольговое окно может быть сделано из титана, скандия, ванадия, хрома, никеля, циркония, ниобия, молибдена, рутения, родия, палладия, гафния, тантала, вольфрама, рения, платины, иридия или сплавов или смесей любого из этого. Вторично одностороннее фольговое окно может
быть сделано из титана, скандия, ванадия, хрома, никеля, циркония, ниобия, молибдена, рутения, родия, палладия, гафния, тантала, вольфрама, рения, платины, иридия, бериллия, алюминия, кремния или сплавов или смесей любого из этого. Первичные и вторичные окна могут быть из одинакового материала, смеси материалов 5 или сплава, или различных материалов, смесей материалов или сплавов. Одно или оба окна могут быть слоистыми из одного или нескольких материалов, смесей материалов или сплавов.
[0096] Одно ли более окон могут обладать опорной структурой поперек его поверхности. Используемый в настоящем документе термин "одностороннее окно"
10 означает окно без опорной структуры поперек его поверхности. Используемый в настоящем документе термин "двухстороннее окно" означает окно с опорной структурой поперек его поверхности, причем опорная структура эффективно разделят поверхность окна на две части. Такое двухстороннее окно представлено в патенте США № 5877582 Nishimura. Также могут быть использованы дополнительные опорные
15 структуры.
[0097] Первичное фольговое окно и вторичное фольговое окно может быть сделано из Z элемента с малым атомным номером. Альтернативно, первичное фольговое окно может быть сделано из Z элемента с большим атомным номером, вторичное фольговое окно может быть сделано из Z элемента с малым атомным номером. 20 [0098] Описанные в настоящем документе варианты реализации не исключают включение дополнительных окон, которые могут обладать защитной функцией или могут быть включены для модификации воздействия облучения.
[0099] Окна могут быть вогнутыми, плоскими или выпуклыми. Как правило, является предпочтительным, если окно было слегка выпуклым в направлении против
25 движения охлаждающей жидкости. Этот изгиб улучшает механическую прочность окна и повышает допустимые уровни температуры, а также позволяет лучший путь течения для охлаждающей жидкости. На стороне сканирующего рупора изгиб стремится встать по направлению к вакууму {например, от охлаждающей жидкости) из-за вакуума {например, от около 10"5 до 10"10 торр, от около 10"6 до 10"9 торр, от около 10"7 до 10"8
30 торр).
[0100] Охлаждение окна и/или вогнутая форма окна становится особенно важной для высоких токов пучка, например, по меньшей мере около 100 мА токов электронной пушки {например, по меньшей мере около 110 мА, по меньшей мере около 120 мА, по меньшей мере около 130 мА, по меньшей мере около 140 мА, по меньшей мере около
150 мА, по меньшей мере около 200 мА, по меньшей мере около 500 мА, по меньшей мере около 1000 мА), потому что резистивный нагрев приблизительно связан с квадратом тока, как обсуждалось выше. Окна могут быть любой формы, но, как правило, они приблизительно прямоугольные с высоким коэффициентом соотношения 5 ширины к длине (где направление ширины совпадает с шириной транспортной системы, перпендикулярной направлению транспортировки, а длина совпадает с направлением транспортировки). Расстояние от окна до перемещаемого материала может быть менее чем около 10 см {например, менее чем около 5 см) и более чем около 0,1 см {например, более чем около 1 см, более чем около 2 см, более чем около 3 см,
10 более чем около 4 см). Также является возможным использование нескольких окон {например, 3, 4, 5, 6 или более) с различными и переменными формами и скомпонованными различными способами. Например, первичное и вторичное фольговое окно может включать одно, два или более окон в той же плоскости или они расположены слоями, и могут включать одну или несколько опорных структур.
15 Например, опорные структуры могут быть в виде балки или сетки в той же плоскости, и быть в контакте с окнами.
[0101] Согласно некоторым вариантам реализации окно, которое встроено в замкнутую транспортную систему, представляет собой вторичное фольговое окно двух фольговых окон системы вытяжки для сканирования пучка электронов. Согласно 20 другим вариантам реализации, корпус для транспортировки материала биомассы отсутствует, например, биомассу перемещали на воздухе под устройством для облучения.
[0102] Два фольговых окна системы вытяжки для сканирования пучка электронов содержит два окна, первичное и вторичное окно. Как правило, первичное окно
25 распложено ближе к источнику электронов, и оно вогнуто к верхней части сканирующего рупора из-за вакуума на той стороне окна. Вторичное фольговое окно стремится быть более плоским, но оно также вогнуто в том же направлении. Это искривление помогает обеспечивать структурную опору для окна и делает механически прочнее плоского окна. Альтернативно, окно может быть плоским или изогнутым в
30 любом направлении. Толщина фольги окна типично по меньшей мере равна от около 10 микрон до около 30 микрон {например, толщина около 15-40 микрон, около 20-30 микрон, около 5-30 микрон, около 8-25 микрон, около 10-20 микрон, около 20-25 микрон). Расстояние между передней поверхностью фольгой первичного окна и задней поверхностью фольги вторичного окна предпочтительно менее чем 30 см, более
предпочтительно менее чем 20 см и наиболее предпочтительно менее чем 10 см. Боковые стенки, в комбинации с первичными и вторичными окнами, могут определять внутреннее пространство. Электроны проходят через оба окна для сталкивания и проникания в материал {например, биомассу), расположенный ниже. Первое впускное 5 отверстие может быть на одной боковой стенке, может быть расположено, чтобы позволять охлаждающей жидкости {например, жидкости или газу) сталкиваться с фольгой первичного окна. Охлаждающая жидкость может проходить вдоль окна, а затем в обратном направлении навстречу удаленной (противоположной) стенке, и течет обратно, обычно через центр внутренней поверхности, а затем из нее через выходное
10 отверстие и/или выпускное отверстие. Второе входное отверстие может быть на боковой стенке и может быть расположено так, чтобы позволять охлаждающей жидкости сталкиваться с фольгой вторичного окна подобным образом. Необязательно большее количество входных отверстий {например, 2, 3, 4, 5, 6 или более) может доставлять охлаждающую жидкость на поверхности первичного и вторичного окна, а
15 несколько выпускных отверстий {например, 2, 3, 4, 5, 6 или более) могут позволять охлаждающей жидкости выходить из внутреннего пространства. Согласно некоторым вариантам реализации, одна или несколько боковых стенок может быть даже ячейкой, сеткой или решеткой со многими отверстиями, через которые охлаждающий газ может протекать, при обеспечении структурной опоры окнам.
20 [0103] Такие системы окна описаны в предварительной заявке на патент США № 61/711801, Medoff et al, которая подана 10 октября 2012, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки. Различные конфигурации для такой системы также будут известны специалистам настоящей области техники.
25 4. Электронные пушки - расстояние между окнами
[0104] Хотя большое расстояние между окнами может быть преимущественным, например, по описанным выше причинам, большое расстояние обладает некоторыми недостатками. Один недостаток большого расстояния между окнами заключается в том, что пучки электронов будут проходить через больший объем охлаждающих газов, что
30 может вызывать потери энергии. Например, пучок 1 МэВ вызывает потери около 0,2 МэВ/М энергии, пучок 5 МэВ вызывает потери около 0,23 МэВ/М и пучок 10 МэВ вызывает потери около 0,26 МэВ/М. Таким образом, с пучком электронов 1 МэВ, проходящим через 1 см воздуха, теряется только 0,2% его энергии, через 10 см воздуха потери составляют 2% от его энергии, через 20 см они составляют 4% его энергии,
тогда как через 50 см потеря энергии составляет 10%. Поскольку электроны также должны проходить из вторичного фольгового окна к биомассе через дополнительный воздух, промежуток между окнами следует осторожно контролировать. Предпочтительно, потери энергии составляют менее чем около 20% {например, менее 5 чем 10%, менее чем 5% или даже менее чем 1%). Таким образом, является предпочтительным уменьшение расстояния между окнами для снижения потерь энергии. Оптимальное расстояние {например, среднее расстояние) между окнами {например, между стороной поверхности электронного фольгового окна и лицевой поверхностью вторичного фольгового окна) в пользу охлаждения, как описано выше, и
10 в пользу снижения потерь энергии составляет от около 2 до 20 см {например, от около 3 до 20 см, от около 4 до 20 см, от около 5 до 20 см, от около 6 до 20 см, от около 7 до 20 см, от около 8 до 20 см, от около 3 до 15 см, от около 4 до 15 см, от около 5 до 15 см, от около 6 до 15 см, от около 7 до 15 см, от около 8 до 15 см, от около 3 до 10 см, от около 4 до 10 см, от около 5 до 10 см, от около 6 до 10 см, от около 7 до 10 см, от около 8 до
15 10 см).
[0105] Специалист настоящей области техники уравновесит преимущества и недостатки расстояния между окнами для удовлетворения их потребностей. [0106] Согласно некоторым вариантам реализации, опорные структуры для окон могут использоваться поперек окон, хотя эти типы структур являются менее 20 предпочтительными из-за потерь энергии, которые могут возникать с пучком электронов, поскольку они ударяют эти виды структур.
[0107] Большое расстояние между окнами может быть преимущественным, поскольку оно определяет больший объем между окнами и допускает быстрое протекание охлаждающих газов в большом объеме для очень эффективного
25 охлаждения. Входные и выпускные отверстия составляют от 1 мм до 120 мм в диаметре {например, около 2 мм, около 5 мм, около 10 мм, около 20 мм, около 50 мм или даже около 100 мм). Поток охлаждающего газа может быть равен от около 500 до 2500 куб. фут в минуту {например, от около 600 до 2500 куб. фут в минуту, от от около 700 до 2500 куб. фут в минуту, от около 800 до 2500 куб. фут в минуту, от около 1000 до 2500
30 куб. фут в минуту, от около 600 до 2000 куб. фут в минуту, около 700-2000 куб. фут в минуту, от около 800 до 2000 куб. фут в минуту, от около 1000 до 2000 куб. фут в минуту, от около 600 до 1500 куб. фут в минуту, от около 700 до 1500 куб. фут в минуту, от около 800 до 1500 куб. фут в минуту, от приблизительно 1000 до 1500 куб. фут в минуту). Согласно некоторым вариантам реализации около 50% газа меняется
приблизительно за 60 секунд или менее {например, приблизительно за 50 сек или менее, приблизительно за 30 сек или менее, приблизительно за 10 сек или менее, приблизительно за 1 сек или менее).
5 5. Электронные пушки - охлаждающие и продувающие газы
[0108] Охлаждающий газ в двух фольговых окнах системы вытяжки может быть продувающим газом или смесью, например, воздуха или продувающего газа. Согласно одному варианту реализации газ представляет собой инертный газ, такой как азот, аргон, гелий и/или диоксид углерода. Предпочтительным является применение газа, а
10 не жидкости, поскольку потери энергии пучка электронов при этом минимизированы. Также могут быть использованы смеси чистых газов, или предварительно смешанные, или последовательно смешанные, перед сталкиванием с окнами или в пространстве между окнами. Охлаждающий газ может быть охлажден, например, применением теплообменной установки {например, холодильника) и/или с проведением выпаривания
15 из конденсированного газа {например, жидкого азота, жидкого гелия).
[0109] При применении корпуса транспортер в оболочке также может продуваться инертным газом для поддержания атмосферы при пониженном уровне кислорода. При сохранении низких уровней кислорода избегают образования озона, который, в некоторых случаях, является нежелательным вследствие его реакционной способности
20 и токсичной природы. Например, содержание кислорода может быть менее чем около 20% {например, менее чем около 10%, менее чем около 1%, менее чем около 0,1%, менее чем около 0,01% или даже менее чем около 0,001% кислорода). Продувание может быть проведено инертным газом, включая без ограничения азот, аргон, гелий или диоксид углерода. Он может поставляться, например, от выпаривания из жидкого
25 источника {например, жидкого азота или гелия), образованного или отделенного от воздуха in situ, или поставляться из резервуаров. Инертный газ может рециркулировать, а любой остаточный кислород может быть удален с применением катализатора, такого, как слой медного катализатора. Альтернативно, комбинации продувания, рециркулирования и удаления кислорода могут быть сделаны для сохранения низких
30 уровней кислорода.
[ОНО] Корпус также может продуваться реакционноспособным газом, который может взаимодействовать с биомассой. Это может быть сделано до, в течение или после процесса облучения. Реакционноспособный газ может представлять собой без ограничения оксид азота, аммиак, кислород, озон, углеводороды, ароматические
соединения, амиды, пероксиды, азиды, галогениды, оксигалогениды, фосфиды, фосфины, арсины, сульфиды, тиолы, бораны и/или гидриды. Реакционноспособный газ может активирован в корпусе, например, облучением {например, пучком электронов, УФ-облучением, микроволновым облучением, нагреванием, ИК-облучением), так, что 5 он взаимодействует с биомассой. Биомасса сама по себе может быть активирована, например, облучением. Предпочтительно, биомасса активирована пучком электронов с образованием радикалов, которые затем взаимодействуют с активным или неактивным реакционноспособным газом, например, радикальным сцеплением или гашением. [0111] Продувающие газы, поставляемые в корпус транспортера, также могут быть 10 охлаждены, например, ниже около 25°С, ниже около 0°С, ниже около -40°С, ниже около -80°С, ниже около -120°С. Например, газ может быть выпарен из сжатого газа, такого как жидкий азот, или возогнан из твердого диоксида углерода. В качестве альтернативного примера газ может быть охлажден в холодильнике, или часть, или весь транспортер может быть охлажден.
6. Электронные пушки - средство для остановки пучков
[0112] Согласно некоторым вариантам реализации системы и способы включают средство для остановки {например, перекрыватель). Например, средство для остановки пучков может быть использовано для быстрой остановки или уменьшения облучения
20 материала без выключения электроннолучевого устройства. Альтернативно, средство для остановки пучков может быть использовано при включении пучка электронов, например, средство для остановки пучков может останавливать пучок электронов, пока не будет достигнут желаемый уровень тока пучка. Средство для остановки пучков может быть расположено между первичным фольговым окном и вторичным фольговым
25 окном. Например, средство для остановки пучков может быть установлено таким образом, что является движимым, и таким образом оно может перемещаться в или из траектории пучка. Может быть использовано даже частичное покрытие пучка, например, для контроля дозы облучения. Средство для остановки пучков может быть установлено на дно для транспортировки биомассы, на стенку, на устройство для
30 облучения {например, на сканирующий рупор) или на любую структурную опору. Предпочтительно, средство для остановки пучков закреплено по отношению к сканирующему рупору, таким образом, пучок эффективно может контролироваться средством для остановки пучков. Средство для остановки пучков может включать стержень, каркас, колеса, желобки или другие средства, предусматривающие ход его
движения в или из пучка. Средство для остановки пучков может быть сделано из любого материала, который будет останавливать по меньшей мере 5% электронов, например, по меньшей мере 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, по меньшей мере 80%, 85%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% или даже около 100% 5 электронов.
[0113] Средство для остановки пучков может быть сделано из металла, включая, но не ограничиваясь этим, нержавеющую сталь, свинец, железо, молибден, серебро, золото, титан, алюминий, олово или их сплавы, или многослойные материалы (слоистые материалы), сделанные из таких металлов {например, керамические с
10 металлическим покрытием, полимерные с металлическим покрытием, композитные с металлическим покрытием, многослойный материалы из металла). [0114] Средство для остановки пучков может быть охлаждено, например, охлаждающей жидкостью, такой как водный раствор, или газом. Средство для остановки пучков может быть частично или полностью полым, например, с полостями.
15 Внутреннее пространство средства для остановки пучков может применяться для охлаждающих жидкостей и газов. Средство для остановки пучков может быть любой формы, включая плоские, изогнутые, круглые, овальные, квадратные, прямоугольные, конические и клинообразные формы.
[0115] Средство для остановки пучков может включать перфорированные 20 отверстия, чтобы позволять некоторым электронам проходить насквозь, тем самым контролируя {например, понижая) уровни излучения поперек всей области окна или в конкретных участках окна. Средство для остановки пучков может быть сделано в форме решетки, например, из волокон или проволоки. Могут быть использовано несколько средств для остановки пучков, вместе или отдельно, для контроля излучения. 25 Средство для остановки пучков может быть дистанционно управляемым, например, при помощи радиосигнала или соединенное проводами с двигателем для передвижения пучка в или из положения.
D. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - ОБРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОМ, 30 ПИРОЛИЗ, ОКИСЛЕНИЕ, ОБРАБОТКА ПАРОМ
[0116] При необходимости, один или более процессов обработки ультразвуком, пиролиза, окислительных процессов или процессов воздействия паром могут быть использованы вдобавок к или вместо других обработок для дополнительного снижения устойчивости материала биомассы. Эти процессы могут быть использованы перед, в
течение и/или после другой обработки или обработок. Эти процессы подробно описаны в патенте США №7932065 Medoff, полное раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки.
5 П. МАТЕРИАЛЫ БИОМАССЫ
[0117] Используемый в настоящем описании термин "материалы биомассы" включает лигноцеллюлозные, целлюлозные, крахмальные и микробные материалы. [0118] Лигноцеллюлозные материалы включают в себя, но не ограничиваясь ими, дерево, прессованную древесину, древесные отходы {например, опилка, осинник,
10 древесные стружки), травы, {например, прутьевидное просо, мискантус, спартина изящная, двукисточник тростниковидный), зерновые остатки, {например, рисовую шелуху, овсяную шелуху, пшеничную шелуху, ячменную шелуху), отходы сельского хозяйства {например, силос, солому канолы, пшеничную солому, ячменную солому, овсяную солому, рисовую солому, джут, коноплю, лен, бамбук, сизаль, абаку, стержни
15 кукурузного початка, кукурузную солому, соевую солому, кукурузные волокна, люцерна, сено, кокосовый ворс), остатки обработки сахара {например, выжимку, свекольную стружку, выжимку агавы), водоросли, морские водоросли, удобрения, сточные воды и смеси любого из этого.
[0119] В некоторых случаях лигноцеллюлозный материал включает стержни 20 кукурузных початков. Размельченные или измельченные молотковой дробилкой стержни кукурузного початка могут быть распределены в слое относительно однородной толщины для облучения, а после облучения они легко диспергируются в среде для дополнительной переработки. Для облегчения уборки и сбора в некоторых случаях использовали целое кукурузное растение, включая стебель кукурузы, 25 кукурузные зерна и в некоторых случаях даже корневую систему растения.
[0120] Преимущественно, для получения этанола не требовалось никаких дополнительных питательных веществ (за исключением источника азота, например, мочевины или аммиака) в течение этапа ферментации стержней кукурузного початка или целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, содержащих значительно 30 количество стержней кукурузного початка. Другим продуктам может быть необходимо добавление следов металла, витаминов или буферности, но эти корректирования хорошо известны в пределах известного уровня техники.
[0121] Стержни кукурузных початков, до и после растирания, также легче транспортировать и диспергировать, и они обладают меньшей склонностью к
образованию взрывных смесей в воздухе, чем другие целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, такие как сено и травы.
[0122] Целлюлозные материалы включают, например, бумагу, бумажную продукцию, отходы бумаги, бумажную массу, пигментную бумагу, мелованную 5 бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, журналы, печатную продукцию {например, книги, каталога, справочники, этикетки, календари, открытки, брошюры, публикации, газетную бумагу), бумагу для принтера, бумагу с несколькими покрытиями, пачку карточек, картон, папку, материалы с высоким содержанием ос-целлюлозы, такие как хлопок, и смеси любого из этого. Например, бумажная 10 продукция, как описано в заявке на патент США № 13/396365 ("Magazine Feedstocks" Medoff et al, поданный 14 февраля 2012), полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0123] Целлюлозные материалы также могут включать лигноцеллюлозные материалы, которые были делигнифицированы.
15 [0124] Крахмалистые материалы включают сам крахмал, например, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производные крахмала или материал, который содержат крахмал, такой как годный к употреблению в пищевой продукт или зерновые. Например, крахмалистым материалом может быть аракча, гречиха, банан, ячмень, маниока, кудза, ока, саго, сорго, обычные
20 домашние томаты, сладкий томат, таро, батат и один или более видов бобов, такие как обыкновенные бобы, чечевица или горох. Смеси двух или более крахмалистых материалов также представляют собой крахмалистые материалы. Также могут быть использованы смеси крахмалистых, целлюлозных и/или лигноцеллю лозных материалов. К примеру, биомассой может быть целое растение, часть растения или
25 различные части растения, например, пшеница, хлопчатник, кукуруза, рисовое растение или дерево. Крахмалистые материалы могут быть обработаны любыми описанными в настоящей заявке способами.
[0125] Микробные материалы включают без ограничения любой природный или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или 30 способен обеспечивать источник углеводов {например, целлюлозы), например, протист, например, животный протист {например, протозоа, такие как жгутиковые, амебные, инфузории и споровики) и растительный протист {например, водоросль, такая как альвеолярные, хлорарахнофитовые, криптомонадовые, эвглениды, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страминопилы и viridaeplantae). Другие примеры
включают морские водоросли, планктон {например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемтопланктон), фитопланктон, бактерии {например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или смеси этого. В некоторых случаях микробная биомасса 5 может быть получена из природных источников, например, океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или с пресной водой, или на суше. Альтернативно или вдобавок, микробная биомасса может быть получена из систем культивирования, например, системы ферментации сухого и влажного культивирования . [0126] Материал биомассы также может включать субпродукты и подобные
10 источники материала.
[0127] Согласно другим вариантам реализации, материалы биомассы, такие как целлюлозные, крахмальные и лигноцеллюлозные сырьевые материалы, могут быть получены из трансгенных микроорганизмов и растений, которые могут быть модифицированы по отношению к разнообразию дикого типа. Такие модификации
15 могут быть сделаны, например, путем итеративных стадий выбора и воспроизводства с получением требуемых признаков в растении. Более того, у растений генетический материал может быть удален, модифицирован, подавлен и/или добавлен по отношению к разнообразию дикого типа. Например, генетически модифицированные растения могут быть получены способами рекомбинантной ДНК, причем генетические
20 модификации включают введение или модификацию специфичных генов из родительских разновидностей, или, например, с применением трансгенного выведения, причем специфичный ген или гены вводили в растение из различных образцов растений и/или бактерий. Другим способом образования генетическое изменение является способ посредством мутационной селекции, при котором новые аллели были
25 искусственно образованы из эндогенных генов. Искусственные гены могут быть образованы различными способами, включая обработку растения или семян, например, химическими мутагенами {например, с применением алкилирующих агентов, эпоксидов, алкалоидов, пероксидов, формальдегида), облучением {например, рентгеновскими лучами, гамма-лучами, нейтронами, бета-частицами, альфа-частицами,
30 протонами, дейтронами, УФ-облучением) и температурным поражением или другим наружными воздействиями, и последующими методиками выбора. Другие способы обеспечения модифицированных генов проводили путем допускающей ошибки ПНР и перестановкой ДНК, а затем введением желаемой модифицированной ДНК в желаемое растение или семена. Способы введения желаемого генетического изменения в семена
или растение включают, например, применение бактериального носителя, биолистики, осадка фосфата кальция, электропорации, сплайсинга генов, сайленсинга генов, липофекции, микроинъекции и вирусных носителей. Дополнительные генетически модифицированные материалы были описаны в заявке на патент США № 13/396369, 5 поданной 14 февраля 2012, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0128] Любой из описанных в настоящем документе способов могут быть применены на практике со смесями любых материалов биомассы, которые описаны в настоящем документе.
III. ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - МЕХАНИЧЕСКИЕ ОБРАБОТКИ [0129] Биомасса может быть в сухой форме, например, с менее чем около 35% содержанием влаги {например, менее чем около 20%, менее чем около 15%, менее чем около 10% менее чем около 5%, менее чем около 4%, менее чем около 3%, менее чем
15 около 2% или даже менее чем около 1%). Биомасса также может быть доставлена во влажном состоянии, например, в виде влажного твердого вещества, взвеси или суспензии с по меньшей мере приблизительным содержанием твердых частиц 10 % масс, {например, по меньшей мере около 20 % масс, по меньшей мере около 30 % масс, по меньшей мере около 40 % масс, по меньшей мере около 50 масс.%, по
20 меньшей мере около 60 % масс, по меньшей мере около % 70 масс).
[0130] В раскрытом в настоящем документе способе могут быть использованы материалы с низкой объемной плотностью, например, целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, которое физически обрабатывали для объемной плотности менее чем около 0,75 г/см3, например, менее чем около 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25,
25 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 или менее, например, менее чем около 0,025 г/см3. Объемную плотность определяли с определением ASTM D1895В. В общем, такой способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема образцом и получение массы образца. Объемную плотность рассчитывали путем деления массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах. При необходимости, плотность
30 материалов с низкой объемной плотностью может быть повышена, например, способами, описанным в патенте США № 7971809 Medoff, полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0131] В некоторых случаях процессы предварительной переработки включают просеивание материала биомассы. Просеивание может быть проведено через ячейку
или перфорированную пластину с желаемым размером отверстия, например, менее чем около 6,35 мм (1/4 дюйма, 0,25 дюйма), {например, менее чем около 3,18 мм (1/8 дюйма, 0,125 дюйма), менее чем около 1,59 мм (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), менее чем около 0,79 мм (1/32 дюйма, 0,03125 дюйма), например, менее чем около 0,51 мм (1/50 5 дюйма, 0,02000 дюйма), менее чем около 0,40 мм (1/64 дюйма, 0,015625 дюйма), менее чем около 0,23 мм (0,009 дюйма), менее чем около 0,20 мм (1/128 дюйма, 0,0078125 дюйма), менее чем около 0,18 мм (0,007 дюйма), менее чем около 0,13 мм (0,005 дюйма) или даже менее чем около 0,10 мм (1/256 дюйма, 0,00390625 дюйма)). Согласно одной конфигурации желаемая биомасса падает сквозь отверстия или сито, и, таким
10 образом, биомасса, которая больше отверстий или сита, не облучалась. Эти материалы большего размера могут быть повторно переработаны, например, измельчением, или они могут быть легко удалены из переработки. Согласно другой конфигурации материал, который больше отверстий, облучали, а материал, который меньше, удаляли просеиванием или рециркулировали. При таком виде конфигурации сам по себе
15 транспортер (например, его часть) может быть перфорирован или изготовлен с ячейками. Например, согласно одному конкретному варианту реализации материал биомассы может быть влажным, а отверстия или ячейки позволяют воде вытекать из биомассы перед облучением.
[0132] Просеивание материала также может быть ручным способом, например, с 20 помощью оператора или механически {например, автомат, оборудованный сенсором цвета, отражения или другим сенсором), при помощи чего удаляют ненужный материал. Просеиванием также может быть магнитное просеивание, где магнит расположен рядом с перемещаемым материалом, и магнитный материал удаляли магнитным путем.
25 [0133] Необязательные процессы предварительной переработки могут включать нагрев материала. Например, часть транспортера может быть направлена сквозь нагретую зону. Нагретая зона может быть образована, например, ИК-облучением, микроволнами, сжиганием {например, газа, угля, нефти, биомассы), резистивным нагревом и/или индукционной катушкой. Нагрев можно использовать с по меньшей
30 мере одной стороны или более чем с одной стороны, он может быть непрерывным или периодичным и может быть только для части материала или для всего материала. Например, транспортируемая часть может быть нагрета с применением тепловой рубашки. Нагревание, например, может быть проведено с целью сушки материала. В случае сушки материала это также может быть облегчено, с или без нагрева,
движением газа {например, воздуха, кислорода, азота, Не, СОг, аргона) над и/или через биомассу, которую транспортировали.
[0134] Необязательно, процесс переработки может включать охлаждение материала. Охлаждающий материал описан в патенте США № 7900857 Medoff, полное 5 содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Например, охлаждение может происходить при помощи доставки охлаждающей жидкости, например, воды {например, глицерином) или азота {например, жидкого азота) на дно транспортного лотка. Альтернативно, охлаждающий газ, например, охлажденный азот, может быть продут над материалами биомассы или под системой транспортировки.
10 [0135] Другой способ необязательного процесса предварительной переработки может включать добавление материала к биомассе. Дополнительный материал может быть добавлен, например, наливанием, обрызгиванием и/или выливанием материала на переносимую биомассу. Материалы, которые могут быть добавлены, включают, например, металлы, керамику и/или ионы, как описано в публикации заявки на патент
15 США № 2010/0105119 А1 (поданной 26 октября 2009) и в публикации заявки на патент США № 2010/0159569 А1 (поданной 16 декабря 2009), полное содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки. Необязательные материалы, которые могут быть добавлены, включают кислоты и основания. Другие материалы, которые могут быть добавлены, представляют собой оксиданты {например, пероксиды,
20 хлораты), полимеры, полимеризуемые мономеры {например, содержащие ненасыщенные связи), воду, катализаторы, ферменты и/или организмы. Материалы могут быть добавлены, например, в чистой форме, в виде раствора в растворителе {например, воде или органическом растворителе) и/или в виде раствора. В некоторых случаях растворитель является летучим и может выпариваться, например, нагреванием
25 и/или продуванием газа, как описано ранее. Добавленный материал может образовывать однородное покрытие биомассы или быть гомогенной смесью различных компонентов {например, биомассы и дополнительного материала). Добавленный материал может модулировать последующую стадию облучения увеличением эффективности облучения, торможением облучения или изменением эффекта
30 облучения {например, от пучков электронов до рентгеновских лучей или тепла). Способ не может влиять на облучение, но может быть применимым для дополнительной последовательной переработки. Добавленный материал может способствовать транспорту материала, например, понижением запыленности.
[0136] Биомасса может быть доставлена в транспортер при помощи ленточного транспортера, пневматического транспортера, шнекового транспортера, бункера, трубки, вручную или комбинацией перечисленного. Биомасса может, например, быть опущенной, вылитой и/или помещенной в транспортер любым из этих способов. 5 Согласно некоторым вариантам реализации материал доставляли в транспортер с применением закрытой системы распределения материалов, чтобы помогать сохранять атмосферу с низким содержанием кислорода и/или для борьбы с пылью и мелкими частицами. Поднятые суспендированные в воздухе мелкие частицы биомассы и пыль являются нежелательными, поскольку они могут образовывать угрозу взрыва или 10 повреждение фольги окон электронной пушки (при использовании такого устройства для обработки материала).
[0137] Материал может быть выровнен с образованием однородной толщины от около 0,0312 до 5 дюймов {например, от около 0,0625 до 2,000 дюйма, от около 0,125 до 1 дюйма, от около 0,125 до 0,5 дюйма, от около 0,3 до 0,9 дюйма, от около 0,2 до 0,5
15 дюйма, от около 0,25 до 1,0 дюйма, от около 0,25 до 0,5 дюйма, 0.100 +/- 0,025 дюйма, 0,150 +/- 0,025 дюйма, 0,200 +/- 0,025 дюйма, 0,250 +/- 0,025 дюйма, 0,300 +/- 0,025 дюйма, 0,350 +/- 0,025 дюйма, 0,400 +/- 0,025 дюйма, 0,450 +/- 0,025 дюйма, 0,500 +/-0,025 дюйма, 0,550 +/- 0,025 дюйма, 0,600 +/- 0,025 дюйма, 0,700 +/- 0,025 дюйма, 0,750 +/- 0,025 дюйма, 0,800 +/- 0,025 дюйма, 0,850 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма,
20 0,900 +/- 0,025 дюйма.
[0138] Как правило, является предпочтительным переносить материал так быстро, насколько возможно через пучок электронов для максимизациипропускаемости. Например, материал может переноситься при скоростях по меньшей мере 1 фут/мин, например, по меньшей мере 2 фут/мин, по меньшей мере 3 фут/мин, по меньшей мере 4
25 фут/мин, по меньшей мере 5 фут/мин, по меньшей мере 10 фут/мин, по меньшей мере 15 фут/мин, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 фут/мин. Скорость транспортировки связана с током пучка, например, для биомассы, толщиной VA дюйма и 100 мА, транспортер может двигаться приблизительно с 20 фут/мин с обеспечением применимой дозировки облучения, при 50 мА транспортер может двигаться приблизительно с 10 фут/мин с
30 обеспечением приблизительно такой же дозировки облучения.
[0139] После того, как материал биомассы был транспортирован через зону облучения, могут быть проведены необязательные процессы предварительной переработки. Необязательный процесс предварительной переработки может, например, представлять собой процесс, описанный относительно процесса предварительного
облучения. Например, биомасса может быть просеяна, нагрета, охлаждена и/или объединена с добавками. Исключительно для послеоблучения, гашение радикалов может происходить, например, гашением путем добавления жидкостей или газов {например, кислорода, оксида азота, аммиака, жидкостей) с применением давления, 5 теплоты и/или добавления акцепторов радикалов. Например, биомасса может быть выведена из замкнутого транспортера и подвергали воздействию газа {например, кислорода), где ее гасили с образованием карбоксилированных групп. Согласно одному варианту реализации биомассу в течение этапа облучения подвергали воздействию активного газа или жидкости. Гашение биомассы, которую облучали, описано в 10 патенте США № 8083906 Medoff, полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0140] При необходимости, для дополнительного понижения устойчивости материала биомассы вдобавок к облучению могут быть использованы одна или несколько механических обработок. Эти процессы могут быть использованы до, в
15 течение и/или после облучения.
[0141] В некоторых случаях механическая обработка может включать начальное получения сырья в состоянии поставки, например, уменьшение размера материалов, например, измельчением, например, резанием, перемалыванием, рассеканием, тонким измельчением или дроблением. Например, в некоторых случаях неплотное сырье
20 {например, вторичная бумага, крахмалистые материалы или просо прутьевидное) получали резанием или кромсанием. Механическая обработка может понижать объемную плотность материала биомассы, увеличивать площадь поверхности материала биомассы и/или уменьшать один или более размеров материала биомассы. [0142] Альтернативно или дополнительно к этому, материал сырья сначала может
25 быть физически обработан одним или несколькими другими физическими способами обработки, например, химической обработкой, облучением, обработкой ультразвуком, окислением, пиролизом или обработкой паром, а затем обработан механически. Эта последовательность может быть преимущественной, поскольку материалы, обрабатываемые одной или более из других обработок, например, облучение или
30 пиролиз, обычно бывают более хрупкими, и, таким образом, будет легче дополнительно изменять структуру материала механической обработкой. Например, материал сырья может быть транспортирован через ионизирующее облучение с применением транспортера, как описано в настоящем документе, а затем механически обработан. При помощи химической обработки может быть удалено некоторое
количество или весь лигнин (например, превращение в мягкую массу химическим способом), и материал частично или полностью может быть гидролизован. Способы также можно использовать с предварительно гидролизованым материалом. Способы также могут быть использованы с материалом, который не был предварительно 5 гидролизован. Способы могут быть использованы со смесями гидролизованых и негидролизованных материалов, например, приблизительно с 50% или более негидролизованного материала, приблизительно с 60% или более негидролизованного материала, приблизительно с 70% или более негидролизованного материала, приблизительно с 80% или более негидролизованного материала или даже
10 приблизительно с 90% или более негидролизованного материала.
[0143] Вдобавок к уменьшению размера, что может быть выполнено изначально и/или позже при переработке, механическая обработка также может быть преимущественной для "открытия", "напряжения", разлома или разрушения материалов биомассы, что делает целлюлозу материалов более чувствительной к
15 распаду цепи и/или разрушению кристаллической структуры в течение этапа физической обработки.
[0144] Способы механической обработки материала биомассы включают, например, перемалывание или дробление. Перемалывание может быть выполнено с применением, например, молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы,
20 конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, бегуна, мельницы Уайли, мукомольной мельницы или другой мельницы. Дробление может быть выполнено с применением, например, дробилки режущего/ударного типа. Некоторые типичные дробилки включают жерновые дробилки, штифтовые дробилки, кофемолки и -обдирные мельницы. Дробление или перемалывание могут быть обеспечены, например,
25 штифтом с качательным движением или другим элементом, как в случае со штифтовыми мельницами. Другие способы механической обработки включают механическое рыхление или разрыв, другие способы, которые применяют давление к волокнам, и перемалывание с истиранием в воздухе. Подходящие механические обработки дополнительно включают любую другую методику, которая продолжает
30 разрушение внутренней структуры материала, начатое на предыдущих стадиях переработки.
[0145] Механические системы подготовки подачи могут быть сконфигурированы для получения потоков с конкретными характеристиками, такими как, например, конкретные максимальные размеры, конкретные соотношения длины к ширине или
конкретные соотношения площадей поверхности. Физическая подготовка может увеличивать скорость реакций, улучшать движение материала по транспортеру, улучшать профиль облучения материала, улучшать однородность облучения материала или понижать время переработки, требуемое открытием материалов и делая их более 5 доступными для процессов и/или реагентов, таких как реагенты в растворе.
[0146] Объемная плотность сырья может контролироваться {например, повышаться). В некоторых ситуациях может быть желательным получения материала с низкой объемной плотностью, например, уплотнением материала {например, уплотнение может сделать его более удобным и менее дорогостоящим для переноса на
10 другую сторону), а затем возвращение материала в состояние более низкой объемной плотности {например, после переноса). Материал может быть уплотнен, например, от менее чем около 0,2 г/куб.см. до более чем около 0,9 г/куб.см. {например, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,5 г/куб.см., от менее чем около 0,3 до более чем около 0,9 г/куб.см., от менее чем около 0,5 до более чем около 0,9 г/куб.см., от менее чем
15 около 0,3 до более чем около 0,8 г/куб.см., от менее чем около 0,2 до более чем около 0,5 г/куб.см.). Например, материал может быть уплотнен способами и оборудованием, которые раскрыты в патенте США № 7932065 Medoff и в публикации международной заявки WO 2008/073186 (которая была подана 26 октября 2007, была опубликована на английском языке и указанной страной является США), полное содержание которых
20 включено в настоящий документ посредством ссылки. Уплотненные материалы могут быть переработаны любым из описанных в настоящем документе способов, или любой материал, переработанный любым из описанных в настоящем документе способов, далее может быть уплотнен.
[0147] Согласно некоторым вариантам реализации перерабатываемый материал 25 находится в виде волокнистого материала, который содержит волокна, которые получены разрезанием источника волокон. Например, разрезание может быть выполнено дисковыми ножницами.
[0148] Например, разрезание источника волокон, например, который является стойким или устойчивостиего уровень устойчивости был снижен, может быть 30 выполнено, например, дисковыми ножницами с получением первого волокнистого материала. Первый волокнистый материал пропускют через первое сито, например, со средним размером отверстия 1,59 мм или меньше (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), с получением второго волокнистого материала. При необходимости, источник волокна может быть отрезан перед разрезанием, например, с помощью шредера. Например, при
применении бумаги в качестве источника волокна, бумагу можно сначала разрезать на полоски шириной, например, от 1/4 до 1/2 дюйма с применением шредера, например, шредера с винтом противоположного вращения, такого как производится компанией Munson (Utica, N.Y.). В качестве альтернативы разрезанию на полоски, бумагу можно 5 измельчить путем разрезания до необходимого размера в гильотинной резальной машине. Например, гильотинную резальную машину можно применять для разрезания бумаги на листы, например, шириной 10 дюймов и длиной 12 дюймов. [0149] Согласно некоторым вариантам реализации разрезание источника волокна и прохождение образовавшегося первого волокнистого материала через первое сито 10 осуществляют одновременно. Разрезание и прохождение можно также осуществить в периодическом процессе.
[0150] Например, дисковые ножы могут быть использованы для одновременного разрезания источника волокна и просеивания первого волокнистого материала. Дисковые ножы содержат загрузочный бункер, который можно загрузить 15 измельченным источником волокна, полученным в результате его измельчения. Измельченный источник волокна.
[0151] В некоторых вариантах реализации сырье физически обрабатывали перед осахариванием и/или ферментацией. Способы физической обработки могут включать один или более из любых способов, описанных в настоящей заявке, такие как
20 механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или обработка паром. Способы обработки могут быть использованы в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех из указанных технологий (в любом порядке). При применении более одного способа обработки, способы могут быть использованы одновременно или в различное время. Также могут
25 быть использованы другие способы, которые изменяют молекулярную структуру сырья биомассы, в отдельности или в комбинации со способами, описанными в настоящей заявке.
[0152] Могут быть использованы механические обработки, характеристики механически обработанных материалов биомассы описаны более подробно в 30 публикации заявки на патент США № 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
IV. ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТАННОГО МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ
[0153] С применением описанных в настоящем документе способов исходные материалы биомассы {например, биомасса растений, биомасса животных, бумага и биомасса городских отходов) могут быть использованы в качестве сырья с получением применимых промежуточных соединений и продуктов, таких как органические 5 кислоты, соли органических кислот, ангидриды, сложные эфиры органических кислот, и топлив, например, топлив для двигателей внутреннего сгорания или сырья для топливных элементов. В настоящем документе описаны системы и процессы, при которых в качестве сырья могут быть использованы целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, которые являются легко доступными, но часто могут 10 быть сложными для производства, например, потоки городских отходов и потоки отходов, например, потоки, которые включают газетную бумагу, крафт-бумагу, гофрированную бумагу или их смеси.
[0154] Для превращения сырья в форму, которая может быть легко переработана, глюкан- или ксилансодержащая целлюлоза в сырье может быть гидролизована в
15 низкомолекулярные углеводы, такие как сахара, осахаривающим агентом, например, ферментом или кислотой, процесс называется осахаривание. Затем низкомолекулярные углеводы могут быть использованы, например, в существующей производственной установке, такой как установка для одноклеточного белка, производственная установка для ферментов или топливная установка, например, производственное оборудование
20 для этанола.
[0155] Сырье может быть гидролизовано с применением фермента, например, объединением материалов и фермента в растворителе, например, в водном растворе. [0156] Альтернативно, организмами могут поставляться ферменты, разбивающие биомассу, такую как целлюлоза и/или части лигнина часть биомассы, содержат или
25 производят различные целлюлолитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные низкомолекулярные метаболиты для распада биомассы. Эти ферменты могут быть комплексом ферментов, который действует синергично для распада кристаллической целлюлозы или частей лигнина биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и
30 целлобиазы (бета-глюкозидазы).
[0157] В течение этапа осахаривания целлюлозный субстрат сначала может быть гидролизован эндоглюканазами при произвольных местоположениях с применением олигомерных промежуточных соединений. Эти промежуточные соединения затем являются субстратами для экзо-расщепления глюканаз, таких как целлобиогидролаза, с
получением целлобиозы из концов полимера целлюлозы. Целлобиоза представляет собой растворимую в воде 1,4-сцепленный димер глюкозы. В конечном итоге, целлобиаза расщепляет целлобиозу с получением глюкозы. Эффективность {например, время гидролиза и/или завершенность гидролиза) этого процесса зависит от 5 устойчивости целлюлозного материала.
V. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ПРОДУКТЫ
[0158] С применением описанных в настоящем документе способов материал биомассы может быть превращен в один или более продуктов, таких как энергия,
10 топлива, пищевые продукты и материалы. Конкретные примеры продуктов включают , но не ограничиваются ими, водород, сахара {например, глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, фруктоза, дисахариды, олигосахариды и полисахариды), спирты {например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол, изобутанол, вдаор-бутанол, трет-бутанол или н-бутанол), гидратированные
15 или водные спирты {например, содержащие больше чем 10%, 20%, 30% или даже больше чем 40% воды), биодизельное топливо, органические кислоты, углеводороды {например, метан, этан, пропан, изобутен, пентан, н-гексан, биодизельное топливо, биобензин и их смеси), сопутствующие продукты {например, белки, такие как целлюлотические белки (ферменты) или одноклеточные белки) и смеси любого из
20 этого в любой комбинации или относительной концентрации, и необязательно в комбинации с любыми добавками {например, топливными присадками). Другие примеры включают карбоновые кислоты, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот {например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны {например, ацетон),
25 альдегиды {например, ацетальдегид), альфа- и бета-ненасыщенные кислоты {например, акриловая кислота) и олефины {например, этилен). Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, сахарные спирты и полиолы {например, гликоль, глицерин, эритрит, треитол, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, галактит, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит,
30 лактит, мальтотриит, мальтотетраит и полиглицит, а также другие полиолы), и метиловые или этиловые сложные эфиры любых из указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, лимонную кислоту, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, валериановую кислоту, капроновую кислоту, 3
гидроксипропионовую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, гликолевую кислоту, гамма-гидроксимасляную кислоту и их смеси, соль любой из указанных кислот, смеси любых из кислот и их соответствующих 5 солей.
[0159] Любая комбинация вышеуказанных продуктов друг с другом и/или вышеуказанных продуктов с другими продуктами, причем другие продукты могут быть получены процессами, описанными в настоящем документе или иным образом, могут быть упакованы вместе и продаваться в виде продуктов. Продукты могут быть 10 объединены, например, смешиванием, перемешиванием или совместным растворением, или могут быть просто упакованы или продаваться вместе.
[0160] Любые из продуктов или комбинации продуктов, описанных в настоящем документе, могут быть дезинфицированы или стерилизованы перед продажей продуктов, например, после очистки или выделения или даже после упаковки, для
15 нейтрализации одного или нескольких теоретически нежелательных загрязнителей, которые могут присутствовать в продукте(ах). Такая санитария может быть проведена бомбардировкой электронами, например, при дозировке менее чем около 20 Мрад, например, от около 0,1 до 15 Мрад, от около 0,5 до 7 Мрад или от около 1 до 3 Мрад. [0161] При помощи процессов, описанных в настоящем документе, могут быть
20 получены различные потоки побочных продуктов, применимые для образования пара и электричества, применимых в других частях установки (совместное образование) или продаваемых на открытом рынке. Например, пар, образованный из сгорания потоков побочных продуктов, может быть использован при процессе дистилляции. В качестве другого примера, электричество, образованное из сгорания потоков побочных
25 продуктов, может быть использовано для мощных электроннолучевых генераторов, используемых при предварительной обработке.
[0162] Побочные продукты, используемые для образования пара и электричества, получены из большого числа источников при помощи процесса. Например, анаэробное разложение сточных вод может давать биогаз, с высоким содержанием метана 30 небольшим количеством сточной биомассы (шлам). В качестве другого примера могут быть использованы твердые вещества после осахаривания и/или после дистилляции {например, непрореагировавший лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза, оставшиеся после предварительной обработки и первичных процессов), например, сжигаемые в качестве топлива.
[0163] Многие полученные продукты, такие как этанол или н-бутанол, могут быть использованы в качестве топлива для приведенных в действие автомобилей, грузовых автомобилей, тракторов, кораблей или поездов, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в качестве сырья для топливного элемента. 5 Многие из полученных продуктов также могут быть использованы для мощных летательных аппаратов, таких как самолеты, например, с реактивными двигателями, или вертолеты. Кроме того, описанные в настоящем документе продукты могут быть использованы для электрогенерации, например, в традиционной паропроизводительной установке или в установке топливного элемента. 10 [0164] Другие промежуточные соединения и продукты, в том числе, пищевые и фармацевтические продукты, описаны в публикации заявки на патент США № 2010/0124583 А1, опубликованной 20 мая 2010, Medoff, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
15 VI. ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ ПРИ ПОМОЩИ МИКРООРГАНИЗМОВ
[0165] Как правило, мицелиальным грибам или бактериям, производящим целлюлазу, необходим источник углерода и индуктор для получения целлюлазы. [0166] Лигноцеллюлозные материалы включают различные комбинации целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза представляет собой
20 неразветвленный полимер глюкозы, образующий достаточно прочную неразветвленную структуру без существенного скручивания. Из-за такой структуры и размещения гидроксильных групп, которые могут связывать водород, целлюлоза содержит кристаллические и некристаллические фрагменты. Кристаллические фрагменты также могут быть различных типов, отмеченных как 1(альфа) и 1(бета),
25 например, в зависимости от размещения водородных связей между нитями. Сами по себе длины полимеров могут меняться, предоставляя большее разнообразие форме целлюлозы. Гемицеллюлоза представляет собой любой из нескольких гетеропоримеров, таких как ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксиланы и ксилоглюкан. Присутствующим первичным сахарным мономером является ксилоза, хотя
30 присутствуют и другие мономеры, такие как манноза, галактоза, рамноза, арабиноза и глюкоза. Как правило, гемицеллюлоза образует разветвленные структуры с более низкой молекулярной массой, чем целлюлоза. Таким образом, гемицеллюлоза представляет собой аморфный материал, который, как правило, является чувствительным к ферментативному гидролизу. Обычно, лигнин представляет собой
сложный гетерополимер с высокой молекулярной массой. Хотя все лигнины показывают изменение в своей композиции, они были описаны как аморфный полимер с дендритным скелетом фенилпропеновых единиц. Количества целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в конкретном биоматериале зависит от источника 5 биоматериала. Например, материал, полученный из дерева, может содержать приблизительно 38-49% целлюлозы, 7-26% гемицеллюлозы и 23-34% лигнина в зависимости от типа. Травы, как правило, содержат 33-38% целлюлозы, 24-32% гемицеллюлозы и 17-22% лигнина. Безусловно, лигноцеллюлозная биомасса содержат большой класс субстратов. 10 [0167] Разнообразие материалов биомассы дополнительно может быть увеличено предварительной обработкой, например, изменением кристаллического состояния и молекулярной массы полимеров.
[0168] Образующий целлюлазу организм при контакте с биомассой будет стремиться образовывать ферменты, которые высвобождают молекулы,
15 предпочтительные для роста организма, например, глюкоза. Это выполняли посредством эффекта воздействия ферментов, как описано выше. Поскольку в конкретном биоматериале существует многообразие субстратов, это является разнообразием целлюлаз, например, обсуждаемые выше эндоглюканаза, экзоглюканаза и целлобиаза. Выбирая конкретный лигноцеллюлозный материал в качестве индуктора,
20 относительные концентрации и/или активности этих ферментов могут быть модулированы. Таким образом, полученный в результате комплекс фермента будет работать эффективно с лигноцеллюлозным материалом, используемым в качестве индуктора, или подобным материалом. Например, биоматериал с более высокой частью кристаллической целлюлозы может вызывать более эффективное или более высокое
25 количество эндоглюканазы, чем биоматериал с небольшим количеством кристаллической целлюлозы.
[0169] Специалист настоящей области техники может оптимизировать получение ферментов при помощи микроорганизмов путем добавления дрожжевого экстракта, кукурузного экстракта, пептонов, аминокислот, аммонийных солей, фосфатных солей, 30 калиевых солей, магниевых солей, кальциевых солей, железистых солей, марганцевых солей, цинковых солей, кобальтовых солей или другие добавки и/или питательные вещества и/или источники углерода. Различные компоненты могут быть добавлены и удалены в течение этапа переработки для оптимизации желаемого образования применимых продуктов.
[0170] Как правило, температура, рН и другие условия, оптимальные для роста микроорганизмов и получения ферментов, известны в данной области техники.
VII. ОСАХАРИВАНИЕ 5 [0171] Как правило, обработанные материалы биомассы могут быть осахарены путем объединения материала и целлюлазного фермента в жидкой среде, например, в водном растворе. В некоторых случаях материал кипятили, замачивали или варили в горячей воде перед осахариванием, как описано в публикации заявки на патент США № 2012/0100577 Al Medoff и Masterman, опубликованной 26 апреля 2012, полное
10 содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0172] Процесс осахаривания может быть частично или полностью выполнен в резервуаре {например, в резервуаре с объемом по меньшей мере 4000, 40000 или 500000 л) на производственной установке, и/или может быть частично или полностью выполнен при транспортировке, например, в автодрезине, автоцистерне или в
15 супертанкере или в трюме. Время, необходимое для полного осахаривания, будет зависеть от условий процесса и используемых материала биомассы и фермента. Если осахаривание выполняли на производственной установке при контролируемых условиях, целлюлоза может в значительной степени быть полностью покрытой сахаром, например, глюкозой приблизительно за 12-96 часов. Если осахаривание
20 выполняли частично или полностью при транспортировке, осахаривание может занимать больше времени.
[0173] Как правило, является предпочтительным, чтобы содержимое резервуара смешивалось в течение этапа осахаривания, например, с применением струйного перемешивания, как описано в международной заявке № PCT/US2010/035331, 25 поданной 18 мая 2010, которая была опубликована на английском языке как WO 2010/135380 и указанной страной является США, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0174] Добавление поверхностно-активных веществ может увеличить скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ включают неионные 30 поверхностно-активные вещества - такие как полиэтиленгликолевые поверхностно-активные вещества TWEEN(r) 20 или TWEEN(r) 80, ионные поверхностно-активные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества.
[0175] В целом предпочтительно, чтобы концентрация сахарного раствора, полученного в результате осахаривания, была сравнительно высокой, например, более
чем 40%, или более чем 50, 60, 70, 80, 90, или даже более чем 95% по массе. Вода может быть удалена, например, выпариванием для увеличения концентрации сахарного раствора. Это позволяет уменьшить объем при транспортировке и также ингибирует рост микроорганизмов в растворе. 5 [0176] Альтернативно, могут быть использованы сахарные растворы более низких концентраций, в этом случае может быть желательным добавить противомикробную добавку, например, антибиотик широкого спектра действия при низкой концентрации, например, от 50 до 150 ррт. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В,
10 канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении, и они могут быть использованы при подходящих концентрациях, например, между 15 и 1000 ррт по массе, например, между 25 и 500 ррт или между 50 и 150 ррт. При необходимости, можно добавить антибиотик, если даже концентрация сахара сравнительно высокая.
15 Альтернативно, могут быть использованы другие добавки с противомикробным препаратом с защитными свойствами. Предпочтительно, противомикробная(ые) добавка(и) являются пищевыми.
[0177] Раствор с относительно высокой концентрацией может быть получен путем ограничения количества воды, добавленной к материалу биомассы с ферментом.
20 Концентрация может регулироваться, например, контролем того, в какой степени возникает осахаривание. Например, концентрация может быть увеличена путем добавления в раствор большего количества материала биомассы. Для сохранения сахара, образованного в растворе, может быть добавлено поверхностно-активное вещество, например, одно из обсуждаемых выше. Растворимость также может быть
25 увеличена путем повышения температуры раствора. Например, температуру раствора можно поддерживать при 40-50°С, 60-80°С или даже выше.
VIII. ОСАХАРИВАЮПГИЕ АГЕНТЫ
[0178] Подходящие целлюлотические ферменты включают целлюлазы из видов 30 рода Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium, Aspergillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium и Trichoderma, особенно полученные с помощью штамма, выбранного из видов Aspergillus (см., например, публикацию Европейского патента № 0458162), Humicola insolens (переклассифицированный Scytalidium thermophilum, см., например, патент
США № 4435307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (включая, но не ограничиваясь ими, A. persicinum, A. acremonium, A. brachypenium, A. dichromosporum, A. obclavatum, А. pinkertoniae, A. roseogriseum, A. incoloratum и A. furatum). Предпочтительные штаммы 5 включают Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311.74,
10 Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62 и Acremonium furatum CBS 299.70H. Целлюлозные ферменты также могут быть получены из Chrysosporium, предпочтительно штамма Chrysosporium lucknowense. Дополнительные штаммы, которые могут быть использованы, включают, но не ограничиваются ими, Trichoderma (в частности, Т. viride, Т. reesei и Т. koningii),
15 алкалофильные Bacillus (см., например, патент США № 3844890 и публикацию Европейского патента № 0458162) и Streptomyces (см., например, публикацию Европейского патента № 0458162).
[0179] Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для осахаривания материала биомассы и получения Сахаров, также могут быть 20 использованы для ферментации и превращения этих Сахаров в применимые продукты.
IX. САХАРА
[0180] В описанных в настоящем документе процессах, например, после осахаривания, могут быть выделены сахара {например, глюкоза и ксилоза). Например, 25 сахара могут быть выделены осаждением, кристаллизацией, хроматографией {например, хроматография с псевдодвижущимся слоем, хроматография высокого давления), центрифугированием, экстракцией, любым другим известным из области техники способом выделения, и их комбинациями.
30 X. ГИДРИРОВАНИЕ И ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
[0181] Описанные в настоящем документе процессы могут включать гидрирование. Например, глюкоза и ксилоза могут быть гидрированы до сорбита и ксилита, соответственно. Гидрирование может быть выполнено с применением катализатора {например, Рг/гамма-А^Оз, Ru/C, никель Ренея - или другие известные из области
техники катализаторы) в комбинации с FL; при высоком давлении {например, от 10 до 12000 фунтов на квадратный дюйм). Могут быть использованы другие типы химических превращений продуктов из описанных в настоящем документе процессов, например, получение таких произведенных из органических Сахаров продуктов 5 {например, фурфураль и произведенных из фурфураля продуктов). Химические превращения произведенных из сахара продуктов описаны в предварительной заявке на патент США № 61/667481, поданной 3 июля 2012, полное описание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
10 XI. ФЕРМЕНТАЦИЯ
[0182] Дрожжи и бактерии Zymomonas, например, могут быть использованы для ферментации или превращения сахара(ов) в спирт(ы). Другие микроорганизмы описаны ниже. Оптимальное значение рН для ферментаций составляет от около 4 до 7. Например, оптимальное значение рН для дрожжей составляет около от 4 до 5, тогда как
15 оптимальное значение рН для Zymomonas составляет около от 5 до 6. Типичное время ферментации составляет от приблизительно 24 до 168 часов {например, от 24 до 96 часов) при температурах в диапазоне от 20°С до 40°С {например, от 26°С до 40°С), тем не менее, термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры. [0183] Согласно некоторым вариантам реализации, например, при использовании
20 анаэробных организмов, по меньшей мере часть ферментации проводили при отсутствии кислорода, например, в оболочке инертного раза, такого как N2, Ar, Не, СО2, или смеси этого. Кроме того, смеси может быть необходима постоянная продувка инертным газом, проходящим через резервуар в течение этапа частичной или полной ферментации. В некоторых случаях анаэробное условие может быть достигнуто или
25 сохраняться при помощи получения диоксида углерода в течение этапа ферментации и без необходимости дополнительного инертного газа.
[0184] Согласно некоторым вариантам реализации весь или часть процесса ферментации может быть прерван перед полным превращением низкомолекулярного сахара в продукт {например, этанол). Промежуточные продукты ферментации 30 включают сахар и углеводы в высоких концентрациях. Сахара и углеводы могут быть выделены любыми способами, известными из области техники. Эти промежуточные продукты ферментации могут быть использованы при получении пищевых продуктов для человеческого или животного потребления. Дополнительно или альтернативно, промежуточные продукты ферментации могут быть измельчены до тонкодисперсных
частиц в лабораторной мельнице из нержавеющей стали с получением мукоподобного вещества.
[0185] Струйное перемешивание может быть использовано в течение этапа ферментации, и в некоторых случаях осахаривание и ферментацию выполняют в одном 5 резервуаре.
[0186] Питательные вещества для микроорганизмов могут быть добавлены в течение этапа осахаривания и/или ферментации, например, упаковки питательных веществ на основе пищевых продуктов, описанные в публикации заявки на патент США № 2012/0052536, поданной 15 июля 2011, полное содержание которой включено
10 в настоящий документ посредством ссылки.
[0187] "Ферментация" предусматривает способы и продукты, которые раскрыты в предварительной заявке на патент США № 61/579559, поданной 22 декабря 2012, и предварительной заявке на патент США № 61/579576, поданной 22 декабря 2012, полное содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.
15 [0188] Могут быть использованы передвижные ферментеры, как описано в международной заявке PCT/US2007/074028 (которая подана 20 июля 2007, опубликована на английском языке как WO 2008/011598, и указанной страной является США), полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки. Подобным образом, оборудование для осахаривания может быть
20 передвижным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация могут быть выполнены частично или полностью в течение этапа перемещения.
XII. АГЕНТЫ ФЕРМЕНТАЦИИ
[0189] Микроорганизм(ы), используемые при ферментации, могут быть 25 микроорганизмами природного происхождения и/или разработанными микроорганизмами. Например, микроорганизмом может быть бактерия (включая, но не ограниичиваясь ими, например, целлюлотическая бактерия), гриб, (включая, но не ограниичиваясь ими,, например, дрожжи), растение, протист, например, протозоа или грибоподобный протист (включая, но не ограниичиваясь ими, например, слизистую 30 плесень), или водоросль. Если организмы совместимы, могут быть использованы смеси организмов.
[0190] Подходящие ферментирующие микроорганизмы обладают способностью превращать углеводы, такие как глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации.
Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода Saccharomyces spp. (включая, но не ограниичиваясь ими, S. cerevisiae (пекарские дрожжи), S. distaticus, S. uvarum), рода Kluyveromyces, (включая, но не ограниичиваясь ими, К. marxianus, К. fragilis), рода Candida (включая, но не ограниичиваясь ими, С. pseudotropicalis и С. 5 brassicae), Pichia stipitis (родственный Candida shehatae), рода Clavispora (включая, но не ограниичиваясь ими, С. lusitaniae и С. opuntiae), рода Pachysolen (включая, но не ограниичиваясь ими, P. tannophilus), рода Bretannomyces (включая, но не ограниичиваясь ими,, например, В. clausenii (Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, в Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman,
10 C.E., ed., Taylor & Francis, Вашингтон, DC, 179-212)). Другие подходящие микроорганизмы включают, например, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. (включая, но не ограниичиваясь ими, С. thermocellum (Philippidis, 1996, supra), Csaccharobutylacetonicum, С. saccharobutylicum, С. Puniceum, С. beijernckii, и С. acetobutylicum), Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis, Lactobacillus spp. Yarrowia
15 lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp., Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans sp., Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes sp.,Pseudozyma tsukubaensis, виды дрожжей рода Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula and Pichia и пигментированные грибы рода Torula.
[0191] Например, Clostridium spp. может быть использован для получения этанола, 20 бутанола, масляной кислоты, уксусной кислоты и ацетона. Lactobacillus spp. может быть использован для получения молочной кислоты.
[0192] Много таких штаммов микроорганизмов являются общедоступными, или коммерчески, или в хранилищах, таких как АТСС (American Type Culture Collection, Manassas, Вирджиния, США), NRRL (Agricultural Research Sevice Culture Collection,
25 Peoria, Иллинойс, США) или DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Брауншвейг, Германия), для называния некоторых. [0193] Коммерчески доступные дрожжи включают, например, Red Star(r)/Lesaffre Ethanol Red (доступный от Red Star/Lesaffre, США), FALI(r) (доступный от Fleischmann's Yeast, отделение Burns Philip Food Inc., США), SUPERSTART(r) (доступный от Alltech,
30 сейчас Lalemand), GERT STRAND(r) (доступный от Gert Strand AB, Швеция) и FERMOL(r) (доступный от DSM Specialties).
[0194] Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для осахаривания материала биомассы и получения Сахаров, также могут быть использованы для ферментации и превращения этих Сахаров в применимые продукты.
XIII. дистилжция
[0195] После ферментации полученные жидкости могут быть дистиллированы с применением, например, "бражной колонны", для отделения этанола и других спиртов 5 от большей части воды и твердых остатков. Выходящий из бражной колонны пар может быть из, например, 35% по массе этанола, и может подаваться в ректификационную колонну. Смесь почти азеотропного (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны может быть очищена до чистого (99,5%) этанола с применением парофазных молекулярных сит. Осадки бражной колонны могут быть
10 направлены в первый корпус трехкорпусного испарителя. Обратный холодильник ректификационной колонны моет обеспечить тепло для этого первого корпуса. После первого корпуса твердые вещества могут быть отделены с применением центрифуги и высушены в барабанной сушилке. Часть (25%) потока продукта из центрифуги может быть возвращен обратно для ферментации, а остаток отправлен во второй и третий
15 корпусы испарителя. Большая часть конденсата испарителя может быть возвращена в процесс в виде фактически чистого конденсата с небольшой частью, отделившейся для обработки сточных вод, для предотвращения накопления низкокипящих соединений.
ПРИМЕРЫ
20 [0196] Пример 1. Эффект экзогенной фруктозы на осахаривание
[0197] В этом примере исследовали, будет ли экзогенная фруктоза ингибировать осахаривание ферментов.
[0198] Готовили три колбы Эрленмейера по 225 мл, каждую с 10 г обработанной биомассы стержня кукурузного початка (номер сита от 15 до 40, и облучали до 3 5 Мрад 25 пучком электронов), 100 мл воды и 2,5 мл Duet Accel erase(tm) (Danisco). В первую, вторую и третью колбу добавляли, соответственно: 0 г, 5 г и 10 г фруктозы. Колбы покрывали алюминиевой фольгой и устанавливали в шейкер термостата при 50°С и 200 rpm на четыре дня. Количество ксилозы и глюкозы наблюдали при помощи ВЭЖХ. Результаты осахаривания представлены в таблице ниже.
[0200] В отличие от глюкозы (известный ингибитор целлобиазы), 5% или 10% добавленной фруктозы не ингибирует осахаривание стержня кукурузного початка.
5 [0201] Пример 2. Эффект ксилозаизомеразы на осахаривание
[0202] Глюкоза является известным ингибитором целлобиазы. В этом примере исследовали, сможет ли превращение глюкозы в изомер фруктозы при помощи ксилозаизомеразы увеличивать осахаривание.
[0203] Готовили четыре колбы Эрленмейера по 225 мл, каждую с 10 г обработанной 10 биомассы стержня кукурузного початка и 100 мл воды. Биомассу обрабатывали, как описано в примере 1. В первую, вторую и третью колбу добавляли 2,5 мл Duet Accelerase(tm) (Danisco). Во вторую, третью и четвертую колбу добавляли, соответственно: 1 г, 0,1 г и 0,1 г глюкозоизомеразы (Sweetzyme(tm), Aldrich). Колбы покрывали алюминиевой фольгой и устанавливали в шейкер термостата при 50°С и 200 15 rpm на четыре дня. Количество ксилозы и глюкозы наблюдали при помощи ВЭЖХ. Результаты осахаривания представлены в таблице ниже.
20 [0205] Наблюдали, что добавление глюкозаизомеразы усилило эффективность фермента целлюлазы, в колбе 2 было получено на 25% более Сахаров, чем в колбе 1.
[0206] Пример 3. Применение сильной кислоты для расщепления целлобиозы [0207] В этом примере исследовали применение сильной кислоты для расщепления 25 целлобиозы до глюкозы для увеличения выхода осахаривания. Используемой сильной кислотой была Amberlyst-15(tm), полистиролсульфоновая кислота. Она является макропористой полимерной смолой сильнокислотной сульфоновой кислоты, основанной на сшитых сополимерах стирола-дивинилбензола. В опубликованных
изучениях отмечено, что Amberlyst-15 может расщеплять димер целлобиозы до глюкозы.
[0208] Готовили три колбы Эрленмейера по 225 мл, каждую с 10 г обработанной биомассы стержня кукурузного початка, 100 мл воды и 2,5 мл Duet Accel erase(tm). 5 Биомассу обрабатывали, как описано в примере 1. Во вторую колбу добавляли 1 г глюкозаизомеразы (Sweetzyme(tm), Aldrich); а в третью добавляли 1 г глюкозаизомеразы и 0,1 г полистирэнсульфоновой кислоты (Amberlyst-15(tm), DOW).
[0209] Колбы покрывали алюминиевой фольгой и устанавливали в шейкер термостата при 50°С и 200 rpm на четыре дня. Количество ксилозы и глюкозы 10 наблюдали при помощи ВЭЖХ. Результаты осахаривания представлены в таблице ниже.
15 [0211] Результаты показали улучшение осахаривания при добавлении глюкозаизомеразы. В эксперименте также показано улучшение осахаривания при добавлении полистиролсульфоновой кислоты. [0212] Пример 4. Удаление целлобиазы
[0213] В настоящем примере исследуют осахаривание, если целлобиаза была
20 удалена, тогда как эндо- и экзоцеллюлазы были сохранены.
[0214] Хроматофокусирование использовали для разделения ферментов. Duet Accelerase(tm) (Danisco) вводили в колонку Mono Р с применением системы АКТА. Эндо- и экзоцеллюлазы связывались с колонкой, тогда как целлобиаза проходила через нее и была удалена. Экзо- и эндоцеллюлазы затем элюировали из колонки путем сдвига
25 значения рН до 4,0. Полученные фракции объединяли и сразу использовали в реакции осахаривания.
[0216] Ожидаемый результат состоял в том, что без целлобиазы будет накопление целлобиозы. Хотя выход был низким, в таблице ниже показано, что обнаружимое 5 количество целлобиозы было действительно образовано.
[0217] За исключением описанных в настоящем документе примеров или, если не определено иное, все области числовых значений, количества, значения и процентные содержания, например, для количества материалов, элементного содержания, времени и температур реакции, соотношения количеств и другое, в следующей части описания и
10 приложенной формулы изобретения могут читаться как с добавлением слова "около", даже если термин "около" явным образом не присутствует со значением, количеством или диапазоном. Соответственно, если не отмечено иное, изложенные в следующем описании и приложенной формуле изобретения числовые параметры являются приближенными величинами, которые могут варьировать в зависимости от желаемых
15 свойств, которые необходимо получить в настоящем изобретении. По меньшей мере, и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр по меньшей мере следует истолковывать в свете числа сообщенных значащих разрядов и применением обычных методик округления.
20 [0218] Несмотря на то, что области числовых значений и параметры, изложенные в широком объеме настоящего изобретения, являются приблизительными, числовые значения, изложенные в конкретных примерах, сообщены максимально точно. Тем не менее, любое числовое значение по определению содержит погрешность, неизбежно возникающую в результате стандартного отклонения, которое встречается в его
25 основных соответствующих исследуемых измерениях. Более того, если в настоящем документе описаны области числовых значений, эти области включают в себя
конечные точки изложенной области {т. е., могут быть использованы конечные точки). При использовании в настоящем документе процентного содержания по массе, сообщенные числовые значения были относительно общей массы.
[0219] Также следует понимать, что любая описанная в настоящем изобретении 5 область числовых значений предполагает включение в себя всех поддиапазонов, подпадающих под нее. Например, подразумевается, что диапазон "от 1 до 10" включает в себя все поддиапазоны между (и включая) описанного минимального значения 1 и описанного максимального значения 10, то есть с минимальным значением, равным или более 1, и максимальным значением, равным или менее 10. Подразумевается, что 10 используемые в настоящем изобретении термины "один" или формы единственного числа включают в себя "по меньшей мере один" или "один или несколько", если не отмечено иное.
[0220] Любой патент, публикация или другой описанный материал, полностью или частично, который, как указано, включен в настоящий документ посредством ссылки,
15 включен в него только до такой степени, при которой содержащийся материал не противоречит существующим определениям, утверждениям или другому описанному материалу, изложенному в настоящем описании. В связи с этим, и в требуемых случаях, изложенное в настоящем документе конкретное раскрытие заменяет любой противоречащий материал, включенный посредством ссылки. Любой материал или его
20 часть, которые, как указано, включены посредством ссылки, но которые противоречат существующим определениям, утверждениям или другому изложенному в настоящем документе описанного материала, будут включены только до такой степени, чтобы не возникало противоречия между этим включенным материалом и существующим описанным материалом.
25 [0221] Тогда как настоящее изобретение было представлено особым образом и описано со ссылками на его предпочтительные варианты реализации, специалистам настоящей области техники будет понятно, что различные изменения в форме и подробностях могут быть сделаны без отклонения от объема настоящего изобретения, охватываемого приложенной формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения глюкозы, ксилозы и фруктозы, который включает:
осахаривание лигноцеллюлозной биомассы со сниженной устойчивостью с помощью
5 одной или более целлюлаз и кислоты на подложке в присутствии ксилозаизомеразы, при температуре между 30°С и 65°С, с получением смеси, включающей глюкозу, ксилозу и фруктозу.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одна или более целлюлаз представляет
10 собой эндоглюканазу, экзо-расщепляющую глюканазу, целлобиазу, или их
комбинацию.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ксилозаизомераза, выделена из Pseudomonas hydrophila, Escherichia intermedia, Bacillus megaterium, Paracolobacterium
15 aerogenoides, или их комбинаций.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура, находится в пределе от 60°Сдо 65°С.
20 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение рН составляет 7 или ниже.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное осахаривание с получением смеси осуществляют в условиях значения рН в пределе от 3 до 7.
25 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осахаривание с получением смеси осуществляют в условиях значения рН в пределе от 7 до 9.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация ксилозаизомеразы, находится в пределе от 0,1 до 500 ед./г целлюлозы.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что биомасса со сниженной устойчивостью предварительно обработана, способом обработки выбранный из группы, состоящим из: бомбардировки электронами, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза, обработки
паром, химической обработки, механической обработки или измельчения замораживанием.
10. Способ по п. 12, отличающийся тем, что метаболический продукт представляет
5 собой этанол, бутанол, масляную кислоту, уксусную кислоту, ацетон или любую из их
комбинаций.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лигноцеллюлозную биомассу, выбирают из группы, состоящей из древесины, прессованной древесины, древесных отходов,
10 опилок, древесины осины, древесной стружки, травы, прутьевидного проса, мискантуса, спартины изящной, двукисточника тростниковидного, зерновых остатков, рисовой шелухи, овеянной шелухи, пшеничной шелухи, ячменной шелухи, отходов сельского хозяйства, силоса, соломы канолы, пшеничной соломы, ячменной соломы, овеянной соломы, рисовой соломы, джута, конопли, лна, бамбука, сизаля, абаки,
15 стержня кукурузного початка, кукурузной соломы, соевой соломы, кукурузного волокна, люцерны, сена, кокосового ворса, остатков обработки сахара, выжимки, свекольной стружки, выжимки агавы, водорослей, морских водорослей, удобрений, сточных вод, субпродуктов, промышленных отходов, аракчи, гречихи, банана, ячменя, маниоки, кудзу, оку, саго, сорго, томата, сладкого томата, таро, батата, бобов,
20 обыкновенных бобов, чечевици, гороха и любых из их смесей.
12. Способ по п. 1, дополнительно включающий инокулирование глюкозы, ксилозы и фруктозы с помощью организма, который метаболизирует глюкозу, но не ксилозу, с образованием метаболического продукта.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислота на подложке представляет собой сильную кислоту.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что кислота на подложке представляет
30 собой полистиролсульфоновую кислоту.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что кислота на подложке представляет
собой макропористую полимерную смолу сульфоновой кислоты, которая, основана на
сшитых сополимерах стирола-дивинилбензола.
ФИГ. 3
ОТЧЙТ о н vnm'i'rvziri
ПОИСКЕ (статья IJ(3) ЕЛПК и щшм.лч 42 Патентной инструкции и J tKj
11омср евразийской заявки;
201790303
Дата подачи: 20 декабря 2012 (20.!2.20ii) ,']7итк п^рыу;":' Гмого ириоритсгаГ 22 декабря 2011 (22,12,2011)
Название изобретения: Переработка инимассы
Заявитель: КСИЖКО, ИНК
[ 1 Некоторые пункты формулм не ги> ,ч\."":пг -инг. ? Единство и5обР" синя
А. КЛАССИФИКА1;ИЯ I !('ГЧ> " Vrf ~"\'"r.i;;"'7T:-';i;
Согласио|Международной па'!'енгно{! t^mii'ii'n'ikvi'pii i ч! (К •
! iuti!,j(HHTiViLiioro листа)
•UIWO .iI.Ttil)
• ie J" (2000,01)
С1УР 19.412 (2006.01)
CUP 7/10 (2006.01)
C12N9/m (2006.01)
С UN 1/16 (2006.01)
B01J19/08 (2006.01)
и азональной классификации и МПК
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
последующие докумешы указаны в Hpo-vw;ыт 1 f л}'ы В категории ссылочных документов: А" документ, определяющий общий уронеш ь ,in;k> t "Е" более ранний доку мен 1, но опуРликомгы,!' л",,
подачи евразийской чаями или IIMV.'.O чет "О" докумеет,относящийся к\cff(i);.iy ¦¦•пм. ..¦;.-п <.in рованкю и т.д.
"Р" документ, опубликованный ю rk, сч,- и-, л .' <.;; -и
но после даты непрашшцк-мчгп л^ич.птл . "D" документ, приведенный в еярвзта'ы> п :..;. .
Относится к пункту Ma
1, 3-18, 20 2, 19 2 19 1-20
Дата действительного завершения 1^(.'и..л"'ми-иск;:__
Наименование и адрес nit'*'.'. .. .-. ¦ •> )' • 1:
Федеральный им-пиут промышленной собстпек,".и •"
РФ, 125993,Москва, I -59.1'СП-З, Г*сре;.;кочл;п! i> ,-f.,
д. 30-1.Факс: (499) 243-3337, телетайп: !J:il!i" ! \ _
:.M_\ .20_t 7J
f .юн !4"9( ?.!li.25-lJl
О. H. Шанова
(19)