專利名稱：真核細(xì)胞生物質(zhì)的處理的制作方法
真核細(xì)胞生物質(zhì)的處理 本發(fā)明涉及用于處理真核細(xì)胞生物質(zhì)及衍生物如源自木材和動(dòng)物的材料的方法 和裝置，以及此方法在可再生產(chǎn)品如乙醇和甲烷的生產(chǎn)中的用途。對(duì)于從廢物材料如木屑或紙或其他廢物材料中生產(chǎn)燃料或其他產(chǎn)物的興趣是在 不斷增長的。對(duì)于此類材料的一個(gè)問題在于需要將其分解以有效釋放如糖等的化合物，所 述化合物從而可用于其它方法中，如發(fā)酵方法。這些可繼而用于生產(chǎn)有用的產(chǎn)物如甲烷、氫 或乙醇、或其他發(fā)酵產(chǎn)物如乳酸、丁酸或丙酮。所述生物質(zhì)，一旦被分解，也可用作生長生物 體如食用真菌的營養(yǎng)來源。WO 2007/059487公開了一種處理含微生物的流(stream)的方法，其通過對(duì)所述 流加壓，引入在所述微生物內(nèi)可溶的原料氣(feed gas)，再減壓使所述溶解的原料氣在該 微生物內(nèi)膨脹并使其破裂?？扇芜x地在微生物中加入酸來使PH值降到低于6. 5，所述酸如 氨基磺酸、硝酸、磷酸、草酸、鹽酸或硫酸。此方法的目的是對(duì)污泥(sewage sludge)滅菌并 使其脫水。US 5，635，069公開了將廢污泥和氧化物以及氨基磺酸混合，對(duì)所述污泥加壓并將 該加壓的泥排出。所述氧化物與酸反應(yīng)使得所述污泥溫度升高至50°C至450°C之間。將pH值升高到至少9. 8也被用于處理含病原體的污泥(見US5，868，942)。其利 用了氧化鈣、氨和二氧化碳并且也使用了壓力。類似地，US 6，056，880利用了酸、氧化物和 壓力來處理生物學(xué)固體的廢污泥。所述廢污泥被指明為污泥和動(dòng)物排泄物并因而含有病原體，所述病原體由這些文 件所示的方法來進(jìn)行滅菌。燃料產(chǎn)物已通過使用與酸及氧化物混合并加壓的污泥來生產(chǎn)。其繼而與煤粉混合 并經(jīng)固化來生產(chǎn)燃料材料。本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)所示的破碎開放微生物細(xì)胞的原理也可用于輔助分解 多細(xì)胞結(jié)構(gòu)如木材或動(dòng)物細(xì)胞。其也可用于分解源自此類產(chǎn)物如紙或棉的材料。因此，本發(fā)明的第一個(gè)方面提供了用于處理源于真核細(xì)胞的含生物質(zhì)的流的方 法，其包含(1)使所述流通過一個(gè)室(chamber)；(2)對(duì)所述流加壓；(3)在所述加壓的流中引入氣體，該氣體可溶于所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)中； 以及(4)將所述流減壓使得所述溶解的氣體膨脹并使所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)破 m農(nóng)。優(yōu)選地，所述流與氣體被保留在所述室或隨后的停留室中足夠長的時(shí)間以使得該 氣體與流達(dá)到平衡。典型地，這介于1至60分鐘、或1至30分鐘之間。源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)可以是仍含有真核細(xì)胞的材料，如木材、草本植物材料、草 屑(grass clippings)或者動(dòng)物如牛、豬、綿羊、山羊、馬或魚、組織以及另外包括源于此類 細(xì)胞的材料，如棉、纖維素和膠原。此類生物質(zhì)可包含各種既有植物又有動(dòng)物來源的材料的混合物，如食物廢物。優(yōu)選地，所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包含源于植物的材料。此植物材料優(yōu)選包含 纖維素、木質(zhì)素和/或半纖維素。所述源于植物的材料優(yōu)選包含木屑、鋸末(sawdust)、紙、 草本植物材料如雜草或其它來自食物和非食物植物作物的植物材料、草屑、棉、麻和/或亞 麻。所述棉、麻和/或亞麻可以是回收的衣物的形式，如含有棉的衣物或亞麻制品。
或者，或額外地，所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)可從動(dòng)物材料獲得并包括蛋白質(zhì)動(dòng) 物材料，如膠原、肉類和/或脊髓組織。所述含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流可以是源自城市廢物。此類城市廢物可以有 其它材料如塑料或金屬，其在通過所述室之前由本領(lǐng)域所知技術(shù)去除，所述技術(shù)如篩濾、手 工揀選，或例如通過流體力學(xué)分離法分離。所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)也可包含食物廢物。優(yōu)選所述生物質(zhì)可通過例如砍切、粉碎(shredding)或浸漬(macerating)來破碎 成顆粒。所述材料的物理性分解可輔助提高對(duì)周圍介質(zhì)開放的表面積。所述生物質(zhì)流可具有受調(diào)節(jié)的含濕量，例如通過加入蒸汽或水或其它水成液如下 游過程液體來進(jìn)行。典型地，所述生物質(zhì)的固體含量被調(diào)節(jié)為在2-50%重量范圍內(nèi)的干固 體。這可以通過處理來實(shí)現(xiàn)，例如經(jīng)蒸汽1分鐘或者例如在水中浸泡，典型來說最多4小時(shí) 進(jìn)行。所述水成液可以是新鮮的或者循環(huán)水，并且在通過所述室前，可在物理性分解所述生 物質(zhì)之前或之后加入。優(yōu)選地，所述生物質(zhì)流不是污水、污泥或排泄物材料。優(yōu)選地，所述生物質(zhì)材料具有加入水分從而含有至少2%，優(yōu)選至少5%重量的干 固體，或至少10%重量的干固體。將所述生物質(zhì)流通過一個(gè)室。該室被加壓至超過大氣壓。典型地，該室內(nèi)的氣壓 高至25barg (表壓(bar gauge))，但典型在0. 5barg到12barg之間，或高至IObarg或高至 6bargo所述方法可在壓力逐漸提高或迅速提高的分批或連續(xù)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。將所述氣體加入到所述加壓的流中。在壓力下，該氣體溶解于所述源于真核細(xì)胞 的生物質(zhì)的水分中。將所述流迅速減壓來使溶解的氣體膨脹。這一快速膨脹導(dǎo)致該溶解的氣體膨脹成 氣泡。該氣體可在減壓的情況下膨脹至多達(dá)1800%。減壓例如可在具有比所述室的壓力低 的閃發(fā)室(flash chamber)中進(jìn)行。所述溶解的氣體的膨脹使所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)破裂并且提高了用于下游 方法的所述材料的表面積，也提高了例如所述流中糖或蛋白的可用性。所述用于加壓的氣體優(yōu)選二氧化碳。這有助于為所述的流提供酸化，其可輔助水 解所述生物質(zhì)。這可以以1-100%體積的CO2的形式存在，最優(yōu)選25-100%體積?？晒┻x 擇的氣體包括空氣、氮?dú)?、甲烷以及氣體混合物。例如，所述氣體可以是由所述經(jīng)減壓的流 在生物反應(yīng)器中的厭氧消化所形成的甲烷_ 二氧化碳混合物。從所述減壓步驟釋放的氣體可回收以及再次使用?？赏ㄟ^在加壓步驟之前和/或期間用一種或多種物理、化學(xué)或生物學(xué)處理方式來 處理所述流從而可進(jìn)一步提高所述生物質(zhì)的分解。例如，化學(xué)處理方式可包含用濕潤劑(wetting agent)來處理所述生物質(zhì)，所述濕 潤劑如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化銨、芐基三甲基硫酸銨、氯化鋅、碳酸鈣、碳酸鈉、二氧化硫、硫酸或磷酸。其他化學(xué)物包括過氧化氫或氧化鈣。也可摻入有機(jī)溶劑如甲醇。 另外也可摻入去污劑。US 4，304，649在木質(zhì)纖維素材料的增溶作用中公開了許多上述試劑。對(duì)材料如木質(zhì)纖維素材料的處理也可使用堿或酸(見US 5，515，816)。優(yōu)選使用 堿如氫氧化鈉?？墒褂脽o機(jī)酸如硫酸和金屬堿氫氧化物。
特別優(yōu)選的氣體二氧化碳在酸性環(huán)境下溶解較好。另外，二氧化碳本身在水中形 成酸，有助于所述方法。典型地，包括堿和酸處理方式的所述化學(xué)物與所述流接觸1到60分鐘。它們典型 地作為溶解的鹽在適當(dāng)?shù)那闆r下被加入到原料(feed stock)生物質(zhì)材料中。酸處理可應(yīng)用更長時(shí)間，如US 4，515，816所述，其顯示木質(zhì)纖維素材料可在pH 2-3的稀釋水成酸(aqueous acid)中處理5-21天來誘導(dǎo)溫和水解。也可以以整個(gè)微生物或微生物提取物的形式使用生物材料以將含碳原材料分解 和釋放至生產(chǎn)過程中。此類處理使用胞內(nèi)和胞外酶如過氧化物酶和殼多糖酶，或者在活微 生物上產(chǎn)生的有機(jī)酸，如在礦石的金屬生物漂白(bioleaching)中所應(yīng)用的那些。可使用 活微生物如乳桿菌(Lactobacillus)物種，如在農(nóng)業(yè)青飼料生產(chǎn)中所用的那些。物理處理方式包括加熱以及由例如高剪切混合器或浸漬器(macerator)進(jìn)行的 顆粒大小縮減。最優(yōu)選所述物理性加熱包括使用蒸汽。蒸汽先前曾在超過150°C的溫度與 物理裂解(disintegration)方法一起使用。本發(fā)明中所概述的隨加壓的二氧化碳的加入 一起使用的加熱來進(jìn)行的預(yù)處理或共同處理可用于降低蒸汽處理所需的溫度、壓力以及停 留時(shí)間。在考慮使用加熱和二氧化碳的共同處理的情況下，則優(yōu)選范圍在40-180°C的溫度。所述經(jīng)減壓的流優(yōu)選導(dǎo)向生物反應(yīng)器，例如厭氧或需氧生物反應(yīng)器。該流接著可 使用例如適合的細(xì)菌或酶來進(jìn)行消化，從而產(chǎn)生產(chǎn)物如甲烷、氫、乙醇、乳酸、丁酸或丙酮。 所述材料的厭氧或需氧發(fā)酵是本領(lǐng)域一般已知的。所述流的殘余產(chǎn)物也可被使用，例如作 為用于如真菌、植物或微生物的生長培養(yǎng)基。所述流的含量是可變的，例如通過將植物廢物 和動(dòng)物廢物混合來調(diào)節(jié)最終產(chǎn)物中可用的碳水化合物和蛋白質(zhì)的量。優(yōu)選地，從所述減壓步驟釋放的氣體是循環(huán)利用的并被反饋入加壓的流中。在將所述減壓的流繼而發(fā)酵或另外在生物反應(yīng)器中使用的情況下，此方法經(jīng)常產(chǎn) 生固體產(chǎn)物。此固體產(chǎn)物本身可經(jīng)干燥和燃燒來產(chǎn)生熱，從而直接或間接地加熱所述流或 者產(chǎn)生蒸汽用于在加壓步驟前或期間來處理所述流。本發(fā)明也提供一種裝置其包含用于接收含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流的入口 (entrance port)；用于將水成液加入所述流的端口(port)；用于對(duì)所述流加壓的室，該室 包含在所述經(jīng)加壓的流中引入氣體的端口 ；用于對(duì)從上述室中出來的流減壓的減壓室；以 及用于接收所述減壓流的生物反應(yīng)器。在所述室后也可提供停留室，在減壓前所述流和氣體可在其中平衡。也提供了用于本發(fā)明方法中的裝置。本發(fā)明的另一方面提供了在本發(fā)明方法中使用的裝置。所述裝置的優(yōu)選用途和特征可以是如上所定義的。本發(fā)明將僅參考下列圖的實(shí)施例方式進(jìn)行描述。
圖1顯示總結(jié)了本發(fā)明方法的流程圖。
該圖顯示了含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流，其在入口處進(jìn)入所述方法。所述生 物質(zhì)可以是例如纖維素材料如木屑、紙、鋸末、草本植物材料、草屑、藻類、混合的食物材料、 棉、麻和/或亞麻。也可使用蛋白質(zhì)動(dòng)物材料，如膠原、肉類和/或脊髓組織。對(duì)于所述后 者材料，本方法的優(yōu)勢在于該方法將至少部分地對(duì)所述材料進(jìn)行滅菌，因而可降低所述材 料含有病原體的機(jī)會(huì)。將所述生物質(zhì)傳遞至可將所述材料分解成較小組分的浸漬器。在 必要的情況下，將水或者其它水成液加入 到所述材料中從而提高該材料的含濕量至典型的 2-50 %重量干材料。也可使用蒸汽來提高所述材料的含濕量。將所述材料繼而典型性地傳遞到接受器(holding tank)，在其中所述材料可如上 面描述的那樣被加熱處理和/或由酸或其他生物學(xué)處理方式進(jìn)行預(yù)處理。典型地，如果所 述材料是木質(zhì)纖維素材料，使用濕潤劑如氫氧化鈉來溶解該材料。所述接收器可與將所述 材料加壓的室分開。或者，所述加壓接收器可以是所述方法中使用的所述裝置的同一組件。 該室典型地被加壓至0. 5-25barg，特別是0. 5_12barg，或0. 5-10barg或0. 5_6barg。典型 地是含有二氧化碳?xì)怏w的氣體被引入所述室。該氣體溶于所述流的水分中?？商峁┩Ａ羰沂顾隽髋c氣體平衡。在離開所述室或停留室時(shí)，所述加壓的流例如通過進(jìn)入閃發(fā)室來減壓。這使得所 述溶解的氣體膨脹并將所述流中的生物質(zhì)破碎。從該生物質(zhì)釋放的氣體可收集起來并在所 述加壓室中循環(huán)再利用。所述減壓的材料繼而被傳遞至生物反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步加工。所述材料可用于許多 不同目的，包括甲烷和乙醇生產(chǎn)。對(duì)不同微生物和不同條件如需氧或厭氧條件的選擇可使 得從所述生物質(zhì)中產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。所述生物反應(yīng)器本身可具有額外材料，如痕量元素、消 泡劑、緩沖液如碳酸鈣，或者生長因子如硫胺，加入以使得該生物反應(yīng)器中用于產(chǎn)生終產(chǎn)物 的生物體或酶的生長條件得到改善。其他額外材料包括例如螯合劑以避免金屬離子沉淀。所述產(chǎn)物如乙醇或甲烷典型地從所述生物反應(yīng)器提取。這將通常留下固體廢物， 其可經(jīng)干燥繼而燃燒產(chǎn)生熱或者蒸汽來用于在加壓步驟前或期間對(duì)所述生物質(zhì)進(jìn)行加熱。 從所述生物反應(yīng)器產(chǎn)生的二氧化碳和/或甲烷或其它氣體也可用作在加壓步驟中使用的 氣體。本發(fā)明的所述方法通過從所述生物質(zhì)流釋放化合物如糖而改良了生物反應(yīng)器的 效率。其可用于廣范范圍的不同應(yīng)用中，并且在利用廢物材料并將其轉(zhuǎn)化為有商業(yè)用途的 產(chǎn)物時(shí)特別有用。
權(quán)利要求
一種用于處理含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流的方法，包括(1)使所述流通過一個(gè)室；(2)對(duì)所述流加壓；(3)在所述加壓的流中引入氣體，該氣體可溶于所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)中；以及(4)對(duì)所述流減壓使得所述溶解的氣體膨脹并使所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)破裂。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體包括二氧化碳。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包括源于植物的材料。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包括纖維素、木質(zhì)素和/或半纖會(huì)佳ο
5.權(quán)利要求3或4的方法，其中所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包括木屑，紙、鋸末、草本植 物材料、草屑、藻類、混合食物材料、棉、麻和/或亞麻。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包括蛋白質(zhì)動(dòng)物材料。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述蛋白質(zhì)動(dòng)物材料包括膠原、肉類和/或脊髓組織。
8.前述任何權(quán)利要求的方法，其中所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)在城市廢物中。
9.前述任何權(quán)利要求的方法，其中所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)包括食物廢物。
10.前述任何權(quán)利要求的方法，其包括在所述加壓步驟(ii)之前和/或期間用一或多 種化學(xué)、物理或生物學(xué)處理方式來處理所述流。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述化學(xué)處理方式包含使用濕潤劑、酸、堿、表面活性劑、 和/或氧化劑中的至少一種來處理。
12.權(quán)利要求10的方法，其包括用蒸汽對(duì)所述流加熱。
13.權(quán)利要求10的方法，其中所述生物學(xué)處理方式包使用一或多種酶和/或微生物。
14.前述任何權(quán)利要求的方法，其包括步驟(ν)將所述減壓的流送至厭氧或需氧生物 反應(yīng)器中。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述流用于生產(chǎn)甲醇、乙醇或甲烷。
16.權(quán)利要求14的方法，其中從生物反應(yīng)器獲得的氣體被收集并引入到所述加壓的流 (iii)中。
17.權(quán)利要求14至16任一項(xiàng)的方法，其中來自生物反應(yīng)器的廢物材料被干燥和燃燒以 直接或間接加熱所述流。
18.前述任何權(quán)利要求的方法，其包括在使所述流通過所述室前將一種水成液加入到 所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)中。
19.一種裝置，其包括用于接收含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流的入口 ；用于將水成 液加入所述流的端口 ；用于對(duì)所述流加壓的室，該室包括在所述加壓的流中引入氣體的端 口 ；用于對(duì)從上述室中出來的流減壓的減壓室；以及用于接收所述減壓的流的生物反應(yīng)ο
20.用于權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)方法中的裝置。
21.用于權(quán)利要求1至18任一項(xiàng)方法中的權(quán)利要求19或20的裝置。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于處理含有源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)的流的方法，包括(1)使所述流通過一個(gè)室；(2)對(duì)所述流加壓；(3)在所述加壓的流中引入氣體，該氣體可溶于所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)中；以及(4)對(duì)所述流減壓使得所述可溶的氣體膨脹并使所述源于真核細(xì)胞的生物質(zhì)破裂。所述生物質(zhì)可源于植物或動(dòng)物材料。
文檔編號(hào)C02F3/28GK101969787SQ200880124575
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者J·斯普納, P·巴拉特 申請(qǐng)人:S·謝潑德