冷卻和加工材料的制作方法
【專利說明】冷卻和加工材料
[0001] 本申請是申請號為200980122657. 2的專利申請的分案申請。
【背景技術】
[0002] 生物質、特別是生物質廢棄物可豐富獲得。可有用的是由生物質獲得材料和燃料 例如乙醇。
[0003] 還可有用的是更有效地加工含石油的材料W獲得燃料和其它產物。
[0004] 概述
[0005] 可通過冷卻和加工將例如生物質和其它材料（如石油產品材料）的材料進行處理 W按一種或多種程度改變它們的結構。加工的材料然后可例如用作其它材料和燃料的來 源。
[0006] 本申請的許多實施方案利用化化ralForce?化學。化化ralForce?化學方法利 用物理力例如粒子束、重力、光、溫度等的控制施加和操控來產生預期的結構和化學分子變 化。
[0007] 許多不同類型生物質中存在的木質素（包括纖維素生物質和木質纖維素生物質） 可W使為改變生物質W形成用于轉化為較簡單糖類和最終產品例如醇的中間原料的努力 復雜化。結果，產物例如由生物質獲得的乙醇的產率小于運類產物的最大理論產率（在一 些情形中低相當多）。
[0008] 本文公開的方法采用材料的冷卻和加工，例如單獨的低溫冷卻或者與一種或多種 其它加工技術組合，所述其它加工技術例如一個或多個可W包括如研磨、娠磨、攬拌、磨蝕、 短切、剪切、水刀切割、氣刀切割、蒸汽刀切割在內的加工步驟，一個或多個福射加工步驟 (例如暴露于帶電粒子例如電子和/或離子），一個或多個超聲處理加工步驟，一個或多個 化學加工步驟（例如使用試劑如酸、堿、氧化劑、還原劑和/或溶劑），和/或一個或多個熱 加工步驟（例如在氧化劑和/或其它試劑存在下和/或在減壓環境中熱解）。運些其它加 工技術如果使用時則可在冷卻之前、期間或之后進行。
[0009] 通過冷卻生物質或其它材料，可提高生物質或其它材料各組分（例如，半纖維素 和/或木質素和/或蛋白質和/或果膠和/或無機物）的脆性，從而顯著提高用于改變該 材料的加工技術的有效性。通過提高材料的脆性，可由于各種加工步驟而使材料破裂（例 如，可使纖維的邊緣破裂）或斷裂。破裂可例如是微破裂。
[0010] 此外，材料冷卻可具有由材料各組分差異的膨脹和/或收縮速率引起的其它效 果。例如，某些組分（例如存在有水的木質素）相比于與其相關的其它組分（例如半纖維 素、纖維素）可按較快的速率或者W不同的量收縮或膨脹。其結果是，可使主題材料變弱， 促進其各組分的分離（例如，相分離，分層，界面斷裂，斷裂，或破裂如微破裂）。運些加工 (其可獨立于其它加工技術或者結合其它加工技術進行）還可提高產物的產率，所述產物 例如由與木質素分離的半纖維素或纖維素獲得的乙醇。從材料分離出木質素降低材料的抗 降解性，促進材料的纖維素組分轉化成糖溶液（通過酶糖化纖維素）。不希望受理論束縛， 認為材料的破裂可使酶在破裂位置滲入材料，從而加速糖化。然后可使糖化材料轉化為產 物，例如發酵為乙醇。
[0011] 當將冷卻與其它加工技術例如福射和/或氧化結合時，可較小程度地使用所述其 它技術獲得等效結果。例如，當冷卻與福射一起使用時，能夠W較低的劑量使用福射來提供 相同的抗降解性降低程度。
[0012] 在用于使材料改變和/或轉化成其它材料的各種加工技術期間，材料中可產生明 顯量的熱。為避免燃燒或W其它方式引發不希望的材料熱變，可使用本文公開的冷卻方法 來散逸或抵消過量的熱。可根據材料加工期間產生的熱量改變冷卻程度（例如，從材料 除去的熱量）。還可調節冷卻程度W調節生物質材料的某些性能例如其脆性，從而提高某 些隨后加工步驟的效率。例如，本文公開的方法可增強半纖維素、纖維素和木質素的粉碎 (communution)W及運些組分的分離。
[0013]所述冷卻和加工方法還可用于處理其它類型的材料例如含控材料（如含石油的 材料）。可使用本文公開的方法冷卻和加工各種類型含石油的材料（包括重質和輕質原油、 天然氣、油砂、油母巖、焦油砂、漸青、煤和/或各種控共混物）W促進材料各組分的提取、裂 化、粉碎、分離和精制，W及調節精制，轉化和純化加工例如裂化、重整（催化和非催化）、蒸 饋和催化轉化期間的溫度。
[0014]如本文所使用的低溫"材料是處于200KW下（例如，170KW下、150KW下、130K W下、120KW下、110KW下、100KW下、90KW下、80KW下、70KW下、60KW下、50KW下、40K W下、30KW下）溫度的材料。因此，例如，"低溫液體"是具有200KW下溫度的液體。
[0015]如下面將進一步詳細討論的，各種材料可用于冷卻，包括例如液氮、二氧化碳和 冰。
[0016]本文公開的方法可制備具有如下長徑比的材料顆粒（例如纖維）：5:1W上（例如 6:1W上、8:1W上、10:1W上、12:1W上或 15:1W上、20:1W上）。
[0017] 本文公開的方法還可制備最大尺寸例如直徑小于如下的顆粒：例如2000nm、 1000、750、500、250、100、50、25、20、10、5 或甚至Inm。
[0018]本文公開的方法可制備具有降低的堆密度的材料。例如，使用本文公開的方法制 備的材料的堆密度可W為0. 8g/cm3w下（例如0. 6、0. 5、0. 4、0. 3、0. 2W下，如0.Ig/cm3)。
[0019]本文公開的方法可制備具有相對薄的橫截面的材料，運是由于冷卻材料W提高其 脆性和使用任何一種或多種本文公開的技術加工該材料的組合作用。一般而言，具有薄橫 截面的材料比具有較厚橫截面的材料可更有效地得到冷卻；其結果是，可降低用于材料加 工的費用（例如能量消耗，例如，特別是加工技術中能量消耗的費用）。
[0020] 在一方面，本發明的特征在于包括如下的方法：冷卻具有多于一種組分的材料和 所述組分之間的界面至所述組分在該界面處分離的溫度。然后可加工冷卻的材料W制備不 同的產物，例如在化學方面與該材料本身不同。例如，可冷卻生物質并然后將其加工制備乙 醇。
[0021] 一些實施方式包括一個或多個W下特征。材料可W是或包括生物質，例如，在一些 情形中材料包含木質纖維素材料。組分可包括木質素和纖維素。溫度可低于或等于材料的 脆點。該方法還可包括例如用電子束福射來福照材料。該方法還可包括例如通過研磨、娠 磨或粉碎將材料進行機械處理。例如，材料的機械處理可包括冷凍研磨或冷凍娠磨該材料。 冷卻可包括在冷凍研磨或冷凍娠磨之前預冷卻該材料。各組分可具有不同的熱膨脹系數。 該方法可w包括使材料溫度周期變化。該材料可w是或包括含控材料。
[0022] 在另一方面，本發明的特征在于包括如下的方法：將材料進行加工W制備產物，所 述材料通過將起始材料進行處理W使該起始材料脆化制得，和將脆化的材料進行加工W制 備與該脆化的材料不同的產物。在一些實施方案中，該方法還包括研磨或粉碎脆化的材料。
[0023] 一些實施方式包括一個或多個W下特征。處理可包括將起始材料冷卻。替代地或 另外地，處理可包括將材料進行福照或氧化。起始材料可包括生物質或含控材料。處理與 研磨或粉碎可例如在冷凍研磨裝置或冷凍娠磨裝置中同時進行。將材料進行加工可包括使 該材料與酶和/或微生物接觸。處理可包括使該起始材料溫度周期變化。生物質可包括木 質纖維素材料，該方法還可包括將木質素與纖維素分離。
[0024] 在其它方面，本發明的特征在于包括如下的方法：將生物質材料進行冷卻W降低 材料的抗降解性，和在冷卻后，將冷卻的材料進行加工W制備與所述生物質材料不同例如 化學方面不同的產物。在一些實施方案中加工包括使材料與酶和/或微生物接觸，例如，用 酶使該材料糖化或用微生物使該材料發酵。
[00巧]一些實施方式包括一個或多個W下特征。材料可包括纖維素，使材料接觸可包括 利用酶使纖維素糖化。該方法還可包括將生物質材料進行福照。可在冷凍研磨裝置或冷凍 娠磨裝置中進行冷卻。使材料接觸可包括利用微生物來制備醇。冷卻可包括將材料冷卻至 低于材料脆點的溫度。
[0026] 在其它方面，本發明的特征在于包括如下加工的方法：例如通過機械加工，將生物 質材料或含石油的材料進行加工W降低生物質材料或石油產品的尺寸例如粒徑；和或者在 加工之前將材料冷卻至273KW下的溫度，或者在加工期間維持材料處于273KW下的溫度。
[0027] 在一些實施方案中，該方法還包括使經加工的材料與酶和/或微生物接觸。在一 些情形中，該方法包括將材料進行超聲處理，和/或帶電粒子處理材料。冷卻可W使材料變 脆，運可W導致材料組分在界面處分離。
[0028] 本發明的特征還在于通過本文所述任何方法形成的產物。
[0029]除非特別定義，本文使用的所有技術和科學術語都與本發明所屬技術領域技術人 員所通常理解的含義相同。盡管與本文描述的那些相似或等效的方法和材料可W用于本發 明的實踐或檢驗中，但下面描述了合適的方法和材料。本文中提到的所有出版物、專利申 請、專利W及其它參考文獻W其全文引為參考。在有沖突的情況下，W本說明書、包括定義 為準。此外，材料、方法和實施例僅僅是說明性的，而不是限制性的。
[0030] 本申請通過引用將下面申請每一個的全部內容并入本文：W02008/073186; W及 U.S.序列號 12/417, 699、12/417, 707、12/417, 720、12/417, 723、12/417, 731、12/417, 786、 12/417, 840、12/417, 880、12/417, 900、12/417, 904、12/429, 045 和 12/486, 436。
[0031] 由說明書、附圖和權利要求，本發明的其它特征和優點將變得明顯。
【附圖說明】
[0032] 圖1是顯不生物質加工系統的不意圖。
[0033] 圖2是顯示生物質加工系統的示意圖。
[0034] 圖3是顯示娠磨單元的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]某些類型的材料，包括纖維素的和/或木質纖維素材料，可包含在復雜聚合物 骨架結構中與纖維素和/或半纖維素鍵合的明顯木質素部分。不希望受理論束縛，一 些證據暗示在材料中木質素可W與纖維素和半纖維素二者共價鍵合（見例如Karlsson 等，JournalofPulpandPaperScience27:196-201(2001))。此外，通常觀測到將木質 素與纖維素和/或半纖維素分離提高糖類、醇W及衍生自纖維素和/或半纖維素進一步加 工的其它產物的產率。此外，木質素與纖維素和半纖維素分離產生有價值的副產物即木質 素本身。
[0036] 生物質材料的實例可包括可W通過本文描述的任何方法加工的任何生物質材料， 該生物質材料是或包括完全由一個或多個糖單元構成的碳水化合物，或者包括一個或多個 糖單元。例如，生物質材料可W是纖維素材料或木質纖維素材料，淀粉材料例如玉米粒，米 粒或其它食物，或者該材料為或包括一種或多種低分子量糖類例如薦糖或纖維素二糖。
[0037]例如，運類生物質材料可包括紙