СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМА ДЛЯ ЖИВОТНЫХ ПУТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ Российский патент 2018 года по МПК C12P13/04 B01J19/08 A23K10/12 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ

Это изобретение относится к переработке биомассы, к композициям, включающим сахаридные элементы, организованные в молекулярную цепь, к способам получения аминокислот или антибиотиков, к способам получения пищевого или иммуностимулирующего материала и к продуктам, получаемым такими способами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Биомасса, в частности отходы биомассы, широко доступна. Было бы полезным получение продуктов из биомассы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративные продукты, которые можно продуцировать с использованием способов, представленных в настоящем описании, включают продукты питания, пригодные для употребления, например, в пищу человеком и/или животным, в аквакультуре, сельском хозяйстве, выращивании растений без почвы (гидропоника), фармацевтических средствах, нутрицевтиках, носителях для доставки фармацевтических средств и дозированных формах, фармацевтических эксципиентах, фармацевтических конъюгатах, поперечно-сшитых матрицах, таких как гидрогели, поглощающих материалах, удобрениях и продуктах лигнина. Любой продукт, описанный в настоящем описании или продуцированный способами, описанными в настоящем описании, можно использовать как есть или в качестве предшественника или промежуточного материала при получении другого продукта.

Во многих вариантах осуществления продукты можно производить с использованием Natural Force™ Chemistry. В способах Natural Force™ Chemistry используется контролируемое применение физических сил, таких как пучки частиц, сила тяжести, свет и т.д., и манипулирование ими, для внесения в молекулы предполагаемых структурных и химических изменений. В предпочтительных вариантах осуществления способы Natural Force™ Chemistry изменяют молекулярную структуру без химических реагентов или микроорганизмов. С использованием природных процессов можно создавать новый полезный материал без вреда окружающей среде.

В одном аспекте получение пищевого материала включает изменение молекулярной структуры полисахаридов биомассы, включая полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы или крахмала, для получения пищевого материала, имеющего доступность питательных элементов, превышающую доступность питательных элементов биомассы.

В одном аспекте настоящее изобретение относится к способам подготовки пищевых материалов для животных (например, человека и животных, включая, но не ограничиваясь ими, мясомолочный скот, домашних животных, животных зоопарков и т.д.), и для растений (например, сельскохозяйственных растений или культур или водных растений, в частности, в гидропонном растворе или в аквакультуре), и для водных организмов (например, рыб, ракообразных, моллюсков и т.п.).

Эти способы включают получение первого материала, включающего биомассу (например, растительную биомассу, животную биомассу, микробную биомассу и биомассу городских отходов), содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала. Затем молекулярную структуру полисахаридов первого материала модулируют (например, увеличивают, уменьшают или сохраняют) для получения второго материала с большей доступностью питательных веществ (например, белков, углеводов, жиров, витаминов и/или минералов), чем в первом материале. Необязательно способы могут включать предоставление второго материала животным (например, человеку и/или не являющимся человеком животным).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, пригодных для применения для поддержания или стимуляции роста микроорганизмов (например, бактерий, дрожжей, грибов, одноклеточных организмов, например, водорослей или подобных грибам простейших, например, слизистой плесени), водных организмов (например, в аквакультуре), и/или растений и деревьев (например, в сельском хозяйстве, выращивании растений без почвы и лесоводстве).

В одном аспекте способ включает конвертирование переработанного материала с использованием микроорганизма для получения пригодного в пищу материала, аминокислоты или ее производного, антибиотика или иммуностимулирующего материала, причем переработанный материал получают переработкой биомассы, содержащей полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы или крахмала, имеющей первый уровень неподатливости, с использованием по меньшей мере одного из радиационного облучения, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления, с получением переработанного материала, имеющего уровень неподатливости ниже, чем уровень неподатливости первого материала, где неподатливость определяют путем инкубации в присутствии целлюлазы.

Некоторые варианты осуществления получения пригодного в пищу материала включают выделение и/или очистку пригодного в пищу материала. Пригодный в пищу материал может быть усваиваемым и/или всасываемым. Пригодный в пищу материал может быть выбран из группы, состоящей из фармацевтических средств, нутрицевтиков, белков, жиров, витаминов, масел, волокон, минералов, сахаров, углеводов и спирта.

В некоторых вариантах осуществления получения аминокислоты или ее производного, аминокислоту или ее производное выбирают из группы, состоящей из L-аминокислот и D-аминокислот, таких как L-глутаминовая кислота (глутамат мононатрия (MSG)), L-аспарагиновая кислота, L-фенилаланин, L-лизин, L-треонин, L-триптофан, L-валин, L-лейцин, L-изолейцин, L-метионин, L-гистидин и L-фенилаланин, L-лизин, DL-метионин и L-триптофан. Микроорганизм может быть выбран из группы, состоящей из молочнокислых бактерий (LAB), E. coli, Bacillus subtilis и Corynebacterium glutamicum.

В некоторых вариантах осуществления получения антибиотика, антибиотик выбирают из группы, состоящей из тетрациклина, стрептомицина, циклогексамида, неомицина, циклосерина, эритромицина, канамицина, линкомицина, нистатина, полимиксина B и бацитрацина. Микроорганизм может быть выбран из группы, состоящей из Streptomyces remosus, Streptomyces griseus, Streptomyces frodiae, Streptomyces orchidaceus, Streptomyces erythreus, Streptomyces kanamyceticus, Streptomyces, Streptomyces noursei, Bacillus polymyxa и Bacillus licheniformis.

В некоторых вариантах осуществления биомасса может быть выбрана из группы, состоящей из бумаги, бумажной продукции, бумажных отходов, древесины, прессованной древесины, древесных опилок, сельскохозяйственных отходов, сточных вод, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, хлопка, джута, пеньки, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, сердцевин кукурузных початков, кукурузной соломы, проса, люцерны, сена, рисовой шелухи, кокосовых волокон, хлопка, морской травы, водорослей и их смесей. В некоторых случаях биомасса имеет внутренние волокна и является раздробленной до такой степени, чтобы внутренние волокна были по существу обнажены, и/или где биомасса имеет площадь поверхности BET более чем приблизительно 0,25 м²/г и объемную плотность менее чем приблизительно 0,5 г/см³. Переработка может включать облучение ионизирующим излучением. Переработанный материал можно подвергать ферментативному гидролизу.

В одном аспекте поглотитель включает переработанный материал биомассы, включающий сахаридные элементы, организованные в молекулярную цепь, где от приблизительно 1 из каждых 2 до приблизительно 1 из каждых 250 сахаридных элементов включает группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира или соли.

В некоторых вариантах осуществления переработанный материал биомассы обработан силаном для того, чтобы поглотитель был липофильным.

В другом аспекте фильтрующий материал включает облученный целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, адаптированный для задержания и фильтрации потока.

В другом аспекте продукт включает конвертированный материал, полученный конвертированием переработанного материала с использованием микроорганизма, с получением конвертированного материала, причем переработанный материал получают путем переработки биомассы, содержащей полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы или крахмала, имеющей первый уровень неподатливости, с использованием по меньшей мере одного из радиационного облучения, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления, для получения переработанного материала, имеющего уровень неподатливости более низкий, чем уровень неподатливости первого материала, где неподатливость определяют путем инкубации в присутствии целлюлазы.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам улучшения фармацевтического профиля материалов. Эти способы включают получение первого материала, включающего биомассу (например, растительную биомассу, животную биомассу, микробную биомассу и биомассу городских отходов), содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, и модулирование (например, увеличение, уменьшение или сохранение) молекулярной структуры полисахаридов первого материала для получения второго материала, где одним из результатов способов является то, что фармацевтический профиль второго материала является лучшим или усовершенствованным по сравнению с фармацевтическим профилем первого материала. В некоторых случаях способы включают применение первых материалов с небольшим фармацевтическим профилем или без него перед модулированием молекулярной структуры первого материала. Вторые материалы, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, пригодны для введения животному.

В следующем аспекте изобретение относится к способам получения фармацевтического средства растительного происхождения. Эти способы включают переработку материала, включающего биомассу (например, растительную биомассу, животную биомассу, микробную биомассу и биомассу городских отходов), содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, содержащую одно или несколько продуцированных в растении фармацевтических средств, с использованием любого одного или нескольких из радиационного облучения, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления для получения фармацевтического средства растительного происхождения. В некоторых случаях фармацевтический препарат растительного происхождения может быть выделенным и/или очищенным.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам получения нутрицевтиков для употребления человеком и/или не являющимся человеком животным. Эти способы включают переработку материала, содержащего биомассу (например, растительную биомассу, животную биомассу, микробную биомассу и биомассу городских отходов), содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, так чтобы изменялась молекулярная структура полисахаридов материала (например, увеличивалась или уменьшалась молекулярная масса материала). Эти способы необязательно также могут включать введение полученных материалов человеку и не являющемуся человеком животному.

В альтернативном аспекте изобретение относится к способам получения биологических средств и/или фармацевтических средств. Эти способы включают переработку материала, включающего биомассу, содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, чтобы изменить молекулярную структуру полисахаридов материала. Затем полученные материалы можно комбинировать с одним или несколькими биологическими средствами и/или одним или несколькими фармацевтическими средствами, которые можно вводить субъекту.

Также настоящее изобретение относится к способам получения гидрогелей. Эти способы включают переработку материала, включающего биомассу, содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, и изменение молекулярной структуры полисахаридов с получением материала, который включает поперечно-сшитые полимерные цепи. Кроме того, способ может включать поперечное сшивание полимерных цепей в переработанном материале.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам получения поглощающего или адсорбирующего материала. Эти способы включают переработку материала, включающего биомассу, содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, и изменение молекулярной структуры полисахаридов для получения поглощающего материала. Эти поглощающие материалы могут быть заряженными, например, положительно или отрицательно заряженными, и они могут иметь липофильные и/или гидрофильные свойства. По существу, материалы можно использовать в качестве подстилки или подстилающего слоя для животных, и/или поглощающего материала для связывания материалов в растворе (например, загрязнителей). В некоторых вариантах осуществления эти поглощающие материалы можно использовать для связывания биологических материалов в растворах крови или плазмы.

В следующем аспекте настоящее изобретение относится к способам получения удобрений. Эти способы включают переработку материала, включающего биомассу, содержащую полисахариды в форме целлюлозы, гемицеллюлозы и/или крахмала, и изменение молекулярной структуры полисахаридов с получением материала, который имеет более высокую растворимость, чем исходный материал, и который пригоден в качестве удобрения.

Каждый из этих способов включает обработку биомассы с использованием одного или нескольких из (например, одного, двух, трех или четырех из) уменьшения размера (например, механического уменьшения размера отдельных фрагментов биомассы), радиационного облучения, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления для модулирования материалов. В некоторых вариантах осуществления в способах используется доза радиационного излучения, например, от 0,1 Мрад до 10 Мрад. В некоторых вариантах осуществления в способах используется доза радиационного излучения, например, от более чем 10 Мрад до 1000 Мрад.

В некоторых аспектах настоящее изобретение также относится к композиции, изготовленной с использованием любого из способов, описанных в настоящем документе. Например, изобретение относится к композиции, включающей сахаридные элементы, организованные в молекулярную цепь, где от приблизительно 1 из каждых 2 до приблизительно 1 из каждых 250 сахаридных элементов содержит группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира или соли, и композиция пригодна для употребления в качестве пищевого материала.

В некоторых вариантах осуществления композиция включает множество таких цепей. В некоторых случаях от приблизительно 1 из каждых 5 до приблизительно 1 из каждых 250 сахаридных элементов каждой цепи содержит группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира или соли, в частности, от приблизительно 1 из каждых 8 до приблизительно 1 из каждых 100 или от приблизительно 1 из каждых 10 до приблизительно 1 из каждых 50 сахаридных элементов каждой цепи содержит группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира или соли. Каждая цепь может включать от приблизительно 10 до приблизительно 200 сахаридных элементов. Каждая цепь может включать гемицеллюлозу или целлюлозу, и/или каждая цепь может включать сахаридные элементы, которые включают группы, выбранные из группы, состоящей из нитрозогрупп, нитрогрупп и нитрильных групп. Сахаридные элементы могут включать 5 или 6 углеродных сахаридных элементов. Средняя молекулярная масса композиции относительно стандартов PEG составляет от 1000 до 1000000, в частности менее 10000.

Под "пригодным для употребления в качестве пищевого материала" подразумевают, что композиция является нетоксичной, в условиях ее предполагаемого применения, для живого организма, которого ею кормят, и обеспечивает некоторую питательную ценность организму, например, энергию и/или питательные вещества.

В некоторых вариантах осуществления сырье биомассы предварительно обрабатывают. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, могут включать предварительную обработку для снижения одного или нескольких размеров отдельных фрагментов биомассы. Например, предварительная обработка может включать уменьшение одного или нескольких размеров отдельных фрагментов, например, дробление, нарезание, измельчение, раздавливание или растирание.

Во всех способах, описанных в настоящем описании, можно применять давление. Например, по меньшей мере один из способов обработки, например, радиационное облучение, можно проводить на биомассе под давлением более чем приблизительно 2,5 атмосферы (0,25 МПа), например, более чем 5 или 10 атмосфер (0,5 или 1 МПа).

Примеры биомассы (также называемой "сырьем биомассы" или "сырьем") включают целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, такие как бумага, бумажная продукция, бумажные отходы, древесина, прессованная древесина, древесные опилки, сельскохозяйственные отходы, сточные воды, силос, травы, рисовая шелуха, жмых, хлопок, джут, пенька, лен, бамбук, сизаль, абака, солома, сердцевины кукурузных початков, кукурузная солома, просо, люцерна, сено, рисовая шелуха, кокосовые волокна, хлопок, маниока и синтетические целлюлозы и/или их смеси. В некоторых случаях биомасса может включать одноклеточные и/или многоклеточные организмы. Иллюстративные организмы включают, но не ограничиваются ими, например, одноклеточные организмы (например, животные (например, простейшие, такие как жгутиковые, амебовидные, инфузории и споровики) и растения (например, водоросли, такие как альвеолобионты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвглениды, глаукофиты, гаплофиты, красные водоросли, страминопилы и зеленые водоросли)), морскую траву, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях биомасса может включать одноклеточные или многоклеточные организмы, полученные из океана, озер и водоемов, включающих соленую воду и пресную воду. В некоторых случаях биомасса может включать органические материалы отходов, такие как отходы животноводства или экскременты животных или отходы или экскременты человека (например, компост и сточные воды). В некоторых случаях биомасса может включать любую комбинацию любых из них. Другие материалы биомассы описаны в настоящем описании. Другие материалы биомассы, которые включают целлюлозу, описаны в патентах, патентных заявках и публикациях, которые включены в настоящее описание в качестве ссылок. В некоторых случаях биомасса может быть, например, в растворе, сухой и замороженной.

Если биомасса представляет собой или включает микроорганизмы, эти микроорганизмы, как правило, включают углеводы, например, целлюлозу. Эти микроорганизмы могут быть в растворе, сухими, замороженными, в активном и/или неактивном состоянии. В некоторых вариантах осуществления эти микроорганизмы могут требовать дополнительной переработки перед воздействием на них способами, описанными в настоящем описании. Например, микроорганизмы могут быть в растворе и их можно извлекать из раствора, например, центрифугированием и/или фильтрацией. Альтернативно или дополнительно, микроорганизмы можно подвергать способам, описанным в настоящем описании, без этих дополнительных стадий, например, микроорганизмы можно использовать в растворе. В некоторых случаях биомасса может представлять собой или может включать природный или синтетический материал.

Облучение, например, можно проводить с использованием ионизирующего излучения, такого как гамма-лучи, пучок электронов или ультрафиолетовое C-излучение, имеющее длину волны от приблизительно 100 нм до приблизительно 280 нм. Ионизирующее излучение может включать излучение пучка электронов. Например, радиационное излучение можно применять в общей дозе от приблизительно 10 Мрад до приблизительно 150 Мрад, например, при уровне дозы от приблизительно 0,5 до приблизительно 10 Мрад/сутки, или от 1 Мрад/с до приблизительно 10 Мрад/с. В некоторых вариантах осуществления облучение включает применение двух или более источников излучения, таких как гамма-лучи и пучок электронов.

В некоторых вариантах осуществления биомасса проявляет первый уровень неподатливости, и углеводный материал проявляет второй уровень неподатливости, который является более низким, чем первый уровень неподатливости. Например, второй уровень неподатливости может быть ниже, чем первый уровень неподатливости по меньшей мере приблизительно на 10% (например, на 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 99%, 100%). В некоторых вариантах осуществления уровень неподатливости может быть снижен на 50-90%.

Биомассу можно получать дроблением биомассы (например, источника волокон биомассы) для обеспечения волокнистого материала. Например, дробление можно проводить с помощью резательного устройства с вращающимся ножом. Волокна волокнистого материала могут иметь, например, среднее отношение длины к диаметру (L/D) более 5/1. Волокнистый материал может иметь, например, площадь поверхности BET более 0,25 м²/г (например, 0,3 м²/г, 0,35 м²/г, 0,35 м²/г, 0,4 м²/г, 0,5 м²/г, 1 м²/г, 1,5 м²/г, 2 м²/г, 3 м²/г, 10 м²/г, 25 м²/г или более чем 25 м²/г).

В некоторых вариантах осуществления углевод может включать одну или несколько β-1,4-связей и иметь среднечисленную молекулярную массу от приблизительно 3000 до 50000 дальтон.

В некоторых примерах предварительно обработанный материал биомассы может дополнительно включать буфер, такой как бикарбонат натрия или хлорид аммония, электролит, такой как хлорид калия или хлорид натрия, фактор роста, такой как биотин и/или пара оснований, таких как урацил, поверхностно-активное вещество, минерал или хелатирующий агент.

Для способствования снижению молекулярной массы целлюлозы в любом из способов, описанных в настоящем описании, можно использовать фермент, например, целлюлолитический фермент и/или вызывающее набухание средство.

Когда используют микроорганизм, он может представлять собой природный микроорганизм или полученный способами инженерии микроорганизм (например, генетически модифицированный микроорганизм (GMM)). Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например, целлюлолитическую бактерию, гриб, например, дрожжи, растение или одноклеточный организм, например, водоросли, простейшие или подобные грибам одноклеточные организмы, например, слизистую плесень, одноклеточные организмы (например, животные (например, простейшие, такие как жгутиковые, амебовидные, инфузории и споровики) и растения (например, водоросли, такие как альвеолобионты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвглениды, глаукофиты, гаплофиты, красные водоросли, страминопилы и зеленые водоросли)), морскую траву, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон и/или их смеси. В некоторых вариантах осуществления микроорганизм представляет собой бело-красную плесень. В некоторых случаях микроорганизм может включать одноклеточные и/или многоклеточные организмы, например, организмы из океана, озер и водоемов, включающих соленую воду и пресную воду. Когда организмы являются совместимыми, можно использовать их смеси.

Как правило, различные микроорганизмы могут продуцировать ряд полезных продуктов путем функционирования на материалах, конвертирования, биоконвертирования или ферментации материалов. Например, с помощью ферментации или других способов можно получать спирты, органические кислоты, углеводороды, водород, белки, углеводы, жиры/масла/липиды, аминокислоты, витамины или смеси любых из этих материалов.

Примеры продуктов, которые можно получать с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают моно- и полифункциональные C1-C6-алкилспирты, моно- и полифункциональные карбоновые кислоты, C1-C6-углеводороды и их комбинации. Конкретные примеры пригодных спиртов включают метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол, этиленгликоль, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, глицерин и их комбинации. Конкретные примеры пригодных карбоновых кислот включают муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, валериановую кислоту, капроевую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линоленовую кислоту, гликолевую кислоту, молочную кислоту, γ-гидроксимасляную кислоту и их комбинации. Примеры пригодных углеводородов включают метан, этан, пропан, пентан, н-гексан и их комбинации.

Другой аспект изобретения относится к способу, который включает конвертирование низкомолекулярного сахара, или материала, который включает низкомолекулярный сахар, в смеси с биомассой, микроорганизмом и растворителем или системой растворителей, например, водой или смесью воды и органического растворителя, в любой продукт, описанный в настоящем описании. Без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что наличие твердого вещества, такого как твердое вещество с высокой площадью поверхности и/или высокой пористостью, может повысить скорости реакции путем увеличения эффективной концентрации растворенных веществ и предоставления субстрата, на котором может протекать реакция. Подробное описание такой конверсии представлено в патентной заявке США с серийным № 12/417840, поданной 3 апреля 2009 года, полное содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки в полном объеме.

Термин "волокнистый материал", как используют в настоящем описании, представляет собой материал, который включает множество рыхлых, дискретных и разделимых волокон. Например, волокнистый материал может быть получен из источника волокон, представляющего собой отбеленную крафт-бумагу, путем дробления, например, с помощью резательного устройства с вращающимся ножом.

Термин "сито", как используют в настоящем описании, означает элемент, способный просеивать материал в соответствии с размером. Примеры сит включают пластину, цилиндр с отверстиями или подобные с ними, или проволочное сито или матерчатую ткань.

Термин "пиролиз", как используют в настоящем описании, означает разрушение связей в материале с использованием тепловой энергии. Пиролиз может происходить, когда рассматриваемый материал находится в вакууме или погружен в газообразное вещество, такое как окисляющий газ, например, воздух или кислород, или восстанавливающий газ, такой как водород.

Содержание кислорода определяют с помощью элементного анализа путем пиролиза образца в печи, работающей при 1300°C или выше.

Для целей этого описания, углеводы представляют собой материалы, которые полностью состоят из одного или нескольких сахаридных элементов или которые включают один или несколько сахаридных элементов. Сахаридные элементы могут быть функционализированными в области кольца посредством одной или нескольких функциональных групп, таких как группы карбоновых кислот, аминогруппы, нитрогруппы, нитрозогруппы или нитрильные группы, и, тем не менее, считаться углеводами. Углеводы могут быть полимерными (например, равными 10-меру, 100-меру, 1000-меру, 10000-меру или 100000-меру или превышающими их), олигомерными (например, равными 4-меру, 5-меру, 6-меру, 7-меру, 8-меру, 9-меру или 10-меру или превышающими их), тримерными, димерными или мономерными. Когда углеводы образованы из более чем одного повторяющегося элемента, все элементы могут быть одинаковыми или различными.

Примеры полимерных углеводов включают целлюлозу, ксилан, пектин и крахмал, в то время как примерами димерных углеводов являются целлобиоза и лактоза. Примеры мономерных углеводов включают глюкозу и ксилозу.

Углеводы могут быть частью надмолекулярной структуры, например, ковалентно присоединенной к структуре. Примеры таких материалов включают лигноцеллюлозные материалы, такие как материалы, находящиеся в дереве.

Крахмальный материал является материалом, который представляет собой крахмал или производное крахмала или включает значительные количества крахмала или производного крахмала, например, более чем приблизительно 5 масс.% крахмала или производного крахмала. Для целей этого описания, крахмал представляет собой материал, который включает амилозу, амилопектин или их физическую и/или химическую смесь, например, смесь амилозы и пектина, составляющую 20:80 или 30:70 масс.%. Например, рис, кукуруза и их смеси представляют собой крахмальные материалы. Производные крахмала включают, например, мальтодекстрин, кислотно-модифицированный крахмал, основно-модифицированный крахмал, отбеленный крахмал, окисленный крахмал, ацетилированный крахмал, ацетилированный и окисленный крахмал, фосфатный модифицированный крахмал, генетически модифицированный крахмал и крахмал, который является устойчивым к расщеплению.

Для целей этого описания, низкомолекулярный сахар представляет собой углевод или его производное, которые имеют молекулярную массу по формуле (за исключением влагосодержания) менее чем приблизительно 2000, например, менее чем приблизительно 1800, 1600, менее чем приблизительно 1000, менее чем приблизительно 500, менее чем приблизительно 350 или менее чем приблизительно 250. Например, низкомолекулярный сахар может представлять собой моносахарид, например, глюкозу или ксилозу, дисахарид, например, целлобиозу или сахарозу, или трисахарид.

Вызывающие набухание средства, как используют в настоящем описании, представляют собой материалы, которые вызывают видимое набухание, например, повышение объема целлюлозных и/или лигноцеллюлозных материалов относительно ненабухшего состояния, составляющее 2,5%, при применении к таким материалам в качестве раствора, например, водного раствора. Примеры включают щелочные вещества, такие как гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития и гидроксиды аммония, подкислители, такие как минеральные кислоты (например, серная кислота, хлористоводородная кислота и фосфорная кислота), соли, такие как хлорид цинка, карбонат кальция, карбонат натрия, сульфат бензилтриметиламмония и основные органические амины, такие как этилендиамин.

В некоторых вариантах осуществления перед облучением к биомассе не добавляют никаких химических реагентов, например, вызывающих набухание средств. Например, в некоторых из этих вариантов осуществления перед облучением или другой переработкой не добавляют никаких щелочных веществ (таких как гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития и гидроксиды аммония), подкислителей (таких как минеральные кислоты (например, серная кислота, хлористоводородная кислота и фосфорная кислота)), солей, таких как хлорид цинка, карбонат кальция, карбонат натрия, сульфат бензилтриметиламмония или основные органические амины, такие как этилендиамин. В некоторых случаях не добавляют дополнительной воды. Например, биомасса перед переработкой может иметь менее 0,5 масс.% добавленных химических реагентов, например, менее чем 0,4, 0,25, 0,15 или 0,1 масс.% добавленных химических реагентов. В некоторых случаях биомасса перед облучением имеет не более чем следовые количества, например, менее 0,05 масс.% добавленных химических реагентов. В других случаях биомасса перед облучением по существу не имеет добавленных химических реагентов или вызывающих набухание средств. Избегание применения таких химических реагентов также может распространяться на переработку, например, в течение всего времени перед ферментацией, или в течение всего времени.

Термин "пищевой", как используют в настоящем описании, означает пригодный для употребления в качестве пищи.

"Раздробленный материал", как используют в настоящем описании, представляет собой материал, который включает отдельные волокна, в которых по меньшей мере приблизительно 50% отдельных волокон имеют отношение длина/диаметр (L/D) по меньшей мере приблизительно 5, и которые имеют объемную плотность в несжатом состоянии менее чем приблизительно 0,6 г/см³.

В некоторых вариантах осуществления изменение молекулярной структуры биомассы, как используют в настоящем описании, означает изменение расположения химических связей, например, типа и количества функциональных групп, или конформации структуры. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение уровня неподатливости материала, изменение надмолекулярной структуры материала, окисление материла, изменение средней молекулярной массы, изменение средней кристалличности, изменение площади поверхности, изменение степени полимеризации, изменение пористости, изменение степени ветвления, привитую сополимеризацию с другими материалами, изменение размера кристаллического домена или изменение размера всего домена.

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в настоящем описании, обладают тем же значением, которое обычно подразумевают специалисты в области, к которой относится это изобретение. Несмотря на то, что на практике или при тестировании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, сходные или эквивалентные способам или материалам, описанным в настоящем описании, пригодные способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем описании, включены в качестве ссылок в полном объеме. В случае противоречия, следует руководствоваться настоящим описанием. Кроме того, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

Как используют в настоящем описании, термин "субъект" используют на протяжении описания для описания животного, являющегося человеком или не являющегося человеком. Термин включает, но не ограничивается ими, птиц, пресмыкающихся, рыб, растения, земноводных и млекопитающих, например, людей, других приматов, свиней, грызунов, таких как мыши и крысы, кролики, морские свинки, хомяки, а также коров, лошадей, кошек, собак, овец и коз.

Полное содержание WO2008/073186 включено в настоящее описание в качестве ссылки в полном объеме. Полное описание каждой из следующих патентных заявок США включено в настоящее описание в качестве ссылок: предварительные заявки США с серийными №№ 61/049391; 61/049394; 61/049395; 61/049404; 61/049405; 61/049406; 61/049407; 61/049413; 61/049415 и 61/049419, поданные 30 апреля 2008 года; предварительные заявки США с серийными номерами 61/073432; 61/073436; 61/073496; 61/073530; 61/073665 и 61/073674, них поданные 18 июня 2008 года; предварительная заявка США с серийным номером 61/106861, поданная 20 октября 2008 года; предварительные заявки США с серийными номерами 61/139324 и 61/139453, обе поданы 19 декабря 2008 года, и патентные заявки США с серийными номерами 12/417707; 12/417720; 12/417840; 12/417699; 12/417731; 12/417900; 12/417880; 12/417723; 12/417786 и 12/417904, все поданы 3 апреля 2009 года.

Любой углеводный материал, описанный в настоящем описании, можно использовать в любом применении или способе, описанном в любом патенте или патентной заявке, включенных в настоящее описание в качестве ссылок.

В любом из способов, описанных в настоящем описании, радиационное излучение можно применять из устройства, которое находится в хранилище.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из представленного ниже подробного описания и формулы изобретения.

ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

На ФИГ. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая конверсию биомассы в продукты и побочные продукты.

На ФИГ. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая конверсию источника волокна в первый и второй волокнистый материал.

На ФИГ. 3 представлено поперечное сечение резательного устройства с вращающимся ножом.

На ФИГ. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая конверсию источника волокна в первый, второй и третий волокнистый материал.

На ФИГ. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая уплотнение материала.

На ФИГ. 6 представлено перспективное изображение пресса для гранулирования.

На ФИГ. 7A представлен уплотненный волокнистый материал в форме гранул.

На ФИГ. 7B представлено поперечное сечение полых гранул, в которых центр полости находится на одной линии с центром гранулы.

На ФИГ. 7C представлено поперечное сечение полой гранулы, в которой центр полости смещен относительно центра гранулы.

На ФИГ. 7D представлено поперечное сечение трехдольной гранулы.

На ФИГ. 8 представлена блок-схема, иллюстрирующая последовательность обработки для переработки сырья.

На ФИГ. 9 представлен вид в разрезе гамма-излучателя, находящегося в бетонном хранилище.

На ФИГ. 10 представлен увеличенный вид области R с ФИГ. 9.

На ФИГ.11 представлена блок-схема, иллюстрирующая последовательность предварительной обработки сырья облучением пучком электронов.

На ФИГ. 11A представлено схематичное представление ионизированной биомассы, а затем окисленной или гашеной.

На ФИГ. 11B представлен схема (вид сбоку) системы для облучения материала с низкой объемной плотностью, а на ФИГ. 11C представлен поперечное сечение системы по линии 11C-11C.

На ФИГ. 11D схематично представлен вид поперечного сечения системы с псевдоожиженным слоем для облучения материала с низкой объемной плотностью.

На ФИГ. 11E представлена схема (вид сбоку) другой системы для облучения материала с низкой объемной плотностью.

На ФИГ. 12 представлена схема системы для обработки ультразвуком технологического потока целлюлозного материала в жидкой среде.

На ФИГ. 13 представлена схема устройства для обработки ультразвуком, имеющего два преобразователя, присоединенных к одному рупору.

На ФИГ. 14 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему для пиролитической предварительной обработки сырья.

На ФИГ. 15 представлено поперечное сечение (вид сбоку) камеры для пиролиза.

На ФИГ. 16 представлено поперечное сечение (вид сбоку) камеры для пиролиза.

На ФИГ. 17 представлено поперечное сечение (вид сбоку) пиролизера, который включает нагретую нить.

На ФИГ. 18 схематично представлено поперечное сечение (вид сбоку) пиролизера по точке Кюри.

На ФИГ. 19 схематично представлено поперечное сечение (вид сбоку) печного пиролизера.

На ФИГ. 20 схематично представлено поперечное сечение (вид сверху) лазерного устройства для пиролиза.

На ФИГ. 21 схематично представлено поперечное сечение (вид сверху) устройства для мгновенного пиролиза с вольфрамовой нитью.

На ФИГ. 22 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему для окислительной предварительной обработки сырья.

На ФИГ. 23 представлена блок-схема, иллюстрирующая общий вид процесса конвертирования источника волокна в продукт, например, этанол.

На ФИГ. 24 представлен вид поперечного сечения устройства для парового взрыва.

На ФИГ. 25 схематично представлен вид поперечного сечения гибридного устройства для обработки пучком электронов/ультразвуком.

На ФИГ. 26 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала, полученного из бумаги с многослойным покрытием. Волокнистый материал получали на резательном устройстве с вращающимся ножом c использованием сита с отверстиями 1/8 дюйма (0,32 см).

На ФИГ. 27 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала, полученного из отбеленного крафт-картона. Волокнистый материал получали на резательном устройстве с вращающимся ножом c использованием сита с отверстиями 1/8 дюйма (0,32 см).

На ФИГ. 28 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала, полученного из отбеленного крафт-картона. Волокнистый материал дважды дробили на резательном устройстве с вращающимся ножом с использованием сита с отверстиями 1/16 дюйма (0,16 см) при каждом дроблении.

На ФИГ. 29 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала, полученного из отбеленного крафт-картона. Волокнистый материал три раза дробили на резательном устройстве с вращающимся ножом. В ходе первого дробления использовали сито 1/8 дюйма (0,32 см); в ходе второго дробления использовали сито 1/16 дюйма (0,16 см), и в ходе третьего дробления использовали сито 1/32 дюйма (0,08 см).

На ФИГ. 30 схематично представлен вид сбоку устройства для обработки ультразвуком, а на ФИГ. 31 представлен вид поперечного сечения через ячейку для переработки с ФИГ. 30.

На ФИГ. 32 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала, полученного путем дробления проса на резательном устройстве с вращающимся ножом, а затем пропускания раздробленного материала через сито 1/32 дюйма (0,08 см).

На ФИГ. 33 и 34 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения гамма-лучами в дозе 10 Мрад и 100 Мрад, соответственно.

На ФИГ. 35 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения дозой 10 Мрад и обработки ультразвуком.

На ФИГ. 36 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения дозой 100 Мрад и обработки ультразвуком.

На ФИГ. 37 представлен инфракрасный спектр крафт-картона, нарезанного на резательном устройстве с вращающимся ножом.

На ФИГ. 38 представлен инфракрасный спектр крафт-бумаги с ФИГ. 37 после облучения гамма-излучением в дозе 100 Мрад.

На ФИГ. 39 представлена схема процесса конверсии биомассы.

На ФИГ. 40 представлена схема другого процесса конверсии биомассы.

На ФИГ. 41 представлена схема передвижной установки для переработки биомассы на базе грузового автомобиля.

На ФИГ. 42 представлена схема передвижной установки для переработки биомассы на базе поезда.

На ФИГ. 43A и 43B представлены схемы, на которых показаны стадии переработки для получения продуктов и сопродуктов из биомассы (A) и для получения продуктов с использованием стадии биоконверсии.

На ФИГ. 44 представлена схема, на которой показан процесс ферментации с подпиткой с переменным объемом.

На ФИГ. 45 представлена схема, на которой показан процесс ферментации с подпиткой с фиксированным объемом.

На ФИГ. 46 представлена схема, на которой показаны стадии переработки, требуемые для получения продуктов 1, 2 и 3. Звездочками показано, что стадия является необязательной. Черная стрелка указывает на то, что можно проводить необязательную стадию уплотнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Биомассу (например, растительную биомассу, животную биомассу, микробную биомассу и биомассу городских отходов) можно перерабатывать для получения полезных продуктов с использованием способов, описанных в настоящем описании, таких как продукты питания. Кроме того, можно получать функционализированные материалы, имеющие желаемые типы и количества функциональных групп, таких как группы карбоновых кислот, альдегидные группы, кетоновые группы, нитрильные группы, нитрогруппы или нитрозогруппы, которые можно получать с использованием способов, описанных в настоящем описании. Такие функционализированные материалы могут быть, например, более растворимыми, легче утилизируемыми различными микроорганизмами, или они могут быть более стабильными в течение длительного времени, например, менее подверженными окислению. В настоящем описании, ниже, описаны системы и процессы, в которых могут использоваться различные материалы биомассы, например, целлюлозные материалы, лигноцеллюлозные материалы, крахмальные материалы или материалы, которые представляют собой или которые включают низкомолекулярные сахара, в качестве материалов сырья. Материалы биомассы часто являются легко доступными, но могут быть трудно перерабатываемыми, например, путем ферментации, или они могут давать неоптимальные выходы при достаточно низкой скорости, например, путем ферментации. Материалы биомассы сначала предварительно обрабатывают, часто путем уменьшения размера материалов исходного сырья. Затем подвергнутую предварительной обработке биомассу можно обрабатывать с использованием одного или нескольких из радиационного облучения (в условиях контролируемой температуры), обработки ультразвуком, окисления, пиролиза и парового взрыва. Различные системы и способы для предварительной обработки можно использовать в комбинациях по две, три или даже четыре из этих технологий.

Альтернативно или дополнительно, настоящее изобретение основано, по меньшей мере частично, на наблюдении, что способы, описанные в настоящем описании, можно применять для конвертирования биомассы в неэнергетические материалы и композиции. Такие материалы и композиции включают, но не ограничиваются ими, продукты питания (например, пригодные для употребления человеком и/или животными), фармацевтические средства, нутрицевтики, носители для доставки фармацевтических средств и дозированные формы, фармацевтические эксципиенты, фармацевтические конъюгаты, поперечно-сшитые матрицы, такие как гидрогели, поглощающие материалы, удобрения и продукты лигнина.

ТИПЫ БИОМАССЫ

Как правило, любой материал биомассы, который представляет собой или включает углеводы, полностью состоящие из одного или нескольких сахаридных элементов или включающие один или несколько сахаридных элементов, можно перерабатывать любым из способов, описанных в настоящем описании. Как используют в настоящем описании, биомасса включает целлюлозные, гемицеллюлозные, крахмальные и содержащие лигнин материалы. Например, материал биомассы может представлять собой целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы или крахмальные материалы, такие как зерна кукурузы, зерна риса или другие корма, или материалы, которые представляют собой или включают один или несколько низкомолекулярных сахаров, таких как сахароза или целлобиоза.

Например, такие материалы могут включать бумагу, бумажную продукцию, древесину, родственные древесине материалы, прессованную древесину, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, рисовую шелуху, кокосовые волокна, водоросли, морскую траву (например, гигантские морские водоросли), водяной гиацинт, маниоку, кофейные зерна, молотые кофейные зерна (обычные молотые кофейные зерна), хлопок, синтетические целлюлозы или смеси любых из них.

Источники волокон включают целлюлозные источники волокон, включая бумагу и бумажные продукты (например, бумагу с многослойным покрытием и крафт-бумагу), и лигноцеллюлозные источники волокон, включая древесину и родственные древесине материалы, например, прессованную древесину. Другие пригодные источники волокон включают природные источники волокон, например, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, рисовую шелуху, кокосовые волокна; источники волокон с высоким содержанием α-целлюлозы, например, хлопок; и синтетические источники волокон, например, экструдированную пряжу (ориентированную пряжу или неориентированную пряжу). Природные или синтетические источники волокон можно получать из лоскутов первичных текстильных материалов, например, остатков, или они могут представлять собой использованные отходы, например, лохмотья. Когда в качестве источников волокон используют бумажную продукцию, она может представлять собой натуральные материалы, например, куски первичных материалов, или она может представлять собой использованные отходы. Помимо первичных исходных материалов, также в качестве источников волокон можно использовать отходы использованных продуктов, промышленные (например, субпродукты) отходы и отходы переработки (например, сбросные воды от переработки бумаги). Также источник волокон может быть получен или образован из отходов человека (например, сточные воды), животных или растений. Дополнительные источники волокон описаны в данной области техники, например, см. патенты США №№ 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105.

Микробные источники включают, но не ограничиваются ими, любой встречающийся в природе или генетически модифицированный микроорганизм и/или организм, который содержит или способен обеспечивать источник углеводов (например, целлюлозы), например одноклеточные организмы (например, животные (например, простейшие, такие как жгутиковые, амебовидные, инфузории и споровики) и растения (например, водоросли, такие как альвеолобионты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвглениды, глаукофиты, гаплофиты, красные водоросли, страминопилы и зеленые водоросли)), морскую траву, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получать из природных источников, например, из океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или пресной водой, или из источников на суше. Альтернативно или дополнительно, микробную биомассу можно получать из культуральных систем, например, крупномасштабных сухих и влажных культуральных систем.

Примеры биомассы включают обновляемый органический материал, такой как растительная биомасса, микробная биомасса, животная биомасса (например, любой побочный продукт животноводства, отходы животноводства и т.д.) и биомасса городских отходов, включая любые и все комбинации этих материалов биомассы.

Растительная биомасса и лигноцеллюлозная биомасса включают происходящий из растений органический материал (древесный или недревесный), особенно материал, доступный на постоянной основе. Примеры включают биомассу сельскохозяйственных или продовольственных культур (например, сахарный тростник, сахарную свеклу или кукурузные зерна) или их экстракт (например, сахар из сахарного тростника и кукурузный крахмал из кукурузы), сельскохозяйственные отходы и остатки, такие как кукурузная солома, пшеничная солома, рисовая солома, жмых сахарного тростника, хлопок и т.п. Кроме того, растительная биомасса включает, но не ограничивается ими, деревья, древесные энергетические культуры, древесные отходы и остатки, такие как щепки хвойного дерева, отходы из коры, древесные опилки, потоки отходов бумажной и целлюлозной промышленности, древесное волокно и т.п. Кроме того, в качестве другого источника растительной биомассы потенциально можно в большом масштабе выращивать кормовую посевную траву, такую как просо и т.п. Для городских территорий наилучшее потенциальное растительное сырье биомассы включает отходы садоводства (например, скошенная трава, листья, обрезанные части деревьев и валежник) и отходы переработки овощей.

В некоторых вариантах осуществления биомасса включает лигноцеллюлозное сырье, которое может представлять собой растительную биомассу, такую как, но не ограничиваясь ими, биомасса недревесных растений, сельскохозяйственные культуры, такие как, но не ограничиваясь ими, травы, например, но не ограничиваясь ими, C4-травы, такие как просо, спартина, райграс, мискантус, двукисточник тростниковидный или их комбинации, или остатки переработки сахара, такие как жмых или свекловичная пульпа, сельскохозяйственные остатки, например, соевая солома, кукурузная солома, рисовая солома, рисовая шелуха, ячменная солома, сердцевина кукурузного початка, пшеничная солома, солома канолы, рисовая солома, овсяная солома, овсяная шелуха, кукурузное волокно, утилизированное волокно древесной пульпы, древесные опилки, твердая древесина, например, дерево и опилки осины, мягкая древесина или их комбинации. Кроме того, лигноцеллюлозное сырье может включать целлюлозные материалы отходов, такие как, но не ограничиваясь ими, газетная бумага, картон, древесные опилки и т.п. Лигноцеллюлозное сырье может включать один тип сырья, или альтернативно лигноцеллюлозное сырье может включать смесь волокон, которые могут происходить из различного лигноцеллюлозного сырья. Более того, лигноцеллюлозное сырье может включать свежее лигноцеллюлозное сырье, частично высушенное лигноцеллюлозное сырье, полностью высушенное лигноцеллюлозное сырье или их комбинацию.

Микробная биомасса включает биомассу, полученную из встречающихся в природе или генетически модифицированных одноклеточных организмов и/или многоклеточных организмов, например, организмов из океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или пресной водой, или организмов суши, и содержащую источник углевода (например, целлюлозы). Микробная биомасса может включать, но не ограничиваться ими, например, одноклеточные организмы (например, животные (например, простейшие, такие как жгутиковые, амебовидные, инфузории и споровики) и растения (например, водоросли, такие как альвеолобионты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвглениды, глаукофиты, гаплофиты, красные водоросли, страминопилы и зеленые водоросли)), морскую траву, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получать из природных источников, например, из океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или пресной водой, или из источников на суше. Альтернативно или дополнительно, микробную биомассу можно получать из культуральных систем, например, крупномасштабных сухих и влажных культуральных систем.

Биомасса животных включает любой органический материал отходов, такой как полученный из животных материал отходов или экскременты, или материал отходов или экскременты человека (например, компост и сточные воды).

В некоторых вариантах осуществления углевод представляет собой или включает материал, имеющий одну или несколько β-1,4-связей и обладающий среднечисленной молекулярной массой приблизительно от 3000 до 50000. Такой углевод представляет собой или включает целлюлозу (I), которая образована из (β-глюкозы 1) путем конденсации β(1→4)-гликозидных связей. Эта связь противоположна α(1→4)-гликозидным связям, присутствующим в крахмале и других углеводах.

Крахмальные материалы включают сам крахмал, например, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производное крахмала, или материал, который включает крахмал, такой как продукт питания или сельскохозяйственная культура. Например, крахмальный материал может представлять собой аракчу, гречку, банан, ячмень, маниоку, кудзу, кислицу, саго, сорго, обычный домашний картофель, сладкий картофель, таро, ямс или одно или несколько бобовых, таких как конские бобы, чечевица или горох. Также крахмальными материалами являются смеси этих и/или других крахмальных материалов. В конкретных вариантах осуществления крахмальный материал получен из кукурузы. Различные кукурузные крахмалы и их производные описаны в "Corn Starch", Corn Refiners Association (11 издание, 2006 год).

Материалы биомассы, которые включают низкомолекулярные сахара, могут включать, например, по меньшей мере приблизительно 0,5 масс.% низкомолекулярного сахара, например, по меньшей мере приблизительно 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 или даже по меньшей мере приблизительно 95 масс.% низкомолекулярного сахара. В некоторых случаях биомасса по существу состоит из низкомолекулярного сахара, например, более чем на 95 масс.%, например, 96, 97, 98, 99 или по существу 100 масс.% низкомолекулярного сахара.

Материалы биомассы, которые включают низкомолекулярные сахара, могут представлять собой сельскохозяйственные продукты или пищевые продукты, такие как сахарный тростник или сахарная свекла, или их экстракт, например, сок сахарного тростника или сахарной свеклы. Материалы биомассы, которые включают низкомолекулярные сахара, могут представлять собой по существу чистые экстракты, такие как нерафинированный или кристаллизованный столовый сахар (сахароза). Низкомолекулярные сахара включают производные сахаров. Например, низкомолекулярные сахара могут быть олигомерными (например, равными 4-меру, 5-меру, 6-меру, 7-меру, 8-меру, 9-меру или 10-меру или превышающими их), тримерными, димерными или мономерными. Когда углеводы образованы более чем одним повторяющимся элементом, все повторяющиеся элементы могут быть одинаковыми или разными.

Конкретные примеры низкомолекулярных сахаров включают целлобиозу, лактозу, сахарозу, глюкозу и ксилозу, а также их производные. В некоторых случаях производные сахаров более быстро растворяются в растворе или утилизируются микробами для продукции полезного материала. Несколько таких сахаров и производных сахаров представлены ниже.

Для получения любых продуктов, описанных в настоящем описании, можно использовать комбинации (например, самостоятельно или в комбинации с любым материалом биомассы, компонентом, продуктом и/или сопродуктом, полученным с использованием способов, описанных в настоящем описании) любых материалов биомассы, описанных в настоящем документе. Например, смеси целлюлозных материалов и крахмальных материалов можно использовать для получения любого продукта, описанного в настоящем описании.

СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ БИОМАССЫ

На ФИГ.1 представлена система для конвертирования биомассы 100, в частности, биомассы со значительными количествам целлюлозных и лигноцеллюлозных компонентов и/или крахмальных компонентов, в полезные продукты и побочные продукты. Система 100 включает подсистему для подготовки исходного материала 110, подсистему для предварительной обработки 114, подсистему для первичной переработки 118 и подсистему для последующей переработки 122. В подсистему для подготовки исходного материала 110 подается биомасса в сырой форме, и в ней биомасса физически подготавливается для применения в качестве сырья для последующих процессов (например, уменьшение размера и гомогенизация биомассы) и хранится как в сырой форме, так и в форме сырья.

Сырье биомассы со значительными количествами целлюлозных и/или лигноцеллюлозных компонентов или крахмальных компонентов может иметь высокую среднюю молекулярную массу и кристалличность, которые могут осложнять переработку сырья в полезные продукты (например, ферментацию сырья для получения этанола). Таким образом, является полезной обработка сырья биомассы, например, с использованием способов обработки, описанных в настоящем описании. Как описано в настоящем описании, в некоторых вариантах осуществления при обработке биомассы не используют кислоты, основания и/или ферменты для переработки биомассы, или используют такую обработку только в небольших или каталитических количествах.

В подсистему для обработки 114 подается сырье биомассы из подсистемы для подготовки сырья 110 и в ней сырье подготавливается для применения в основных процессах продукции, например, путем уменьшения средней молекулярной массы и кристалличности сырья. Из подсистемы для обработки 114 обработанное сырье подается в подсистему для первичной переработки 118, и в ней продуцируются полезные продукты (например, этанол, другие спирты, фармацевтические препараты и/или продукты питания). В некоторых случаях продукт подсистемы для первичной переработки 118 является пригодным непосредственно, однако в других случаях он требует дополнительной переработки, осуществляемой подсистемой для последующей переработки 122. Подсистема для последующей переработки 122 обеспечивает дальнейшую переработку потока продукта из системы для первичной переработки 118, которая требуется для него (например, дистилляция и денатурация этанола), а также обработку потоков отходов из других подсистем. В некоторых случаях сопродукты подсистем 114, 118, 122 также могут быть прямо или непрямо пригодны в качестве вторичных продуктов и/или для повышения общей эффективности системы 100. Например, подсистема для последующей переработки 122 может производить обработанную воду для рециркуляции в качестве технической воды в других подсистемах, и/или она может производить сгораемые отходы, которые можно использовать в качестве топлива для котлов, генерирующих пар и/или электричество.

На оптимальный размер установки для конверсии биомассы влияют факторы, включающие экономичность масштаба, и тип и доступность биомассы, используемой в качестве сырья. Увеличение размера установки имеет тенденцию к увеличению экономичности масштаба, ассоциированной с процессами в установке. Однако возрастающий размер установки также имеет тенденцию к повышению затрат (например, затрат на транспортировку) на единицу сырья. Исследования, анализирующие эти факторы, указывают на то, что приемлемый размер установок для конверсии биомассы может варьировать от 100 до 1000 или более, например, 10000 тонн сухого сырья в сутки, в зависимости, по меньшей мере частично, от типа используемого сырья. Тип сырья биомассы также может влиять на требования по хранению на установке, где установки, предназначенные, главным образом, для переработки сырья, доступность которого сезонно варьирует (например, кукурузная солома), требуют в большей степени хранения сырья на месте, чем за пределами установки, по сравнению с установками, предназначенными для переработки сырья, доступность которого является относительно постоянной (например, макулатура).

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА БИОМАССЫ

В некоторых случаях способы предварительной обработки начинаются с физической подготовки биомассы, например, уменьшения размера материалов сырья биомассы, например, нарезанием, растиранием, измельчением, раздавливанием, дроблением или рубкой. В некоторых вариантах осуществления способы (например, механические способы) используют для уменьшения размера и/или размеров отдельных фрагментов биомассы. В некоторых случаях рыхлое сырье (например, переработанная бумага или просо) предварительно обрабатывают дроблением или разрезанием. Для удаления из потока сырья слишком крупных объектов или нежелательных объектов, например, таких как камни или гвозди, можно использовать сита и/или магниты.

Системы для предварительной обработки исходного материала могут быть адаптированы для продукции потоков сырья с конкретными характеристиками, например, конкретными максимальными размерами, конкретными соотношениями длины и ширины, или конкретными соотношениями площадей поверхностей. В качестве части предварительной обработки исходного материала, можно регулировать объемную плотность сырья (например, повышать).

Уменьшение размера

В некоторых вариантах осуществления биомасса имеет форму волокнистого материала, который включает волокна, получаемые дроблением биомассы. Например, дробление можно проводить с помощью резательного устройства с вращающимся ножом.

Например, и ссылаясь на ФИГ. 2, источник волокна биомассы 210 дробят, например, в резательном устройстве с вращающимся ножом, с получением первого волокнистого материала 212. Первый волокнистый материал 212 пропускают через первое сито 214, имеющее средний размер отверстий 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма) с получением второго волокнистого материала 216. Если желательно, источник волокна можно измельчать перед дроблением, например, с помощью устройства для измельчения. Например, когда в качестве источника волокна используют бумагу, бумагу сначала можно измельчать до полосок шириной, например, от 1/4 до 1/2 дюйма (от 0,64 до 1,28 см), с использованием устройства измельчения, например, устройства для измельчения с винтами с встречным вращением, такого как устройство, изготовленное Munson (Utica, N.Y.). В качестве альтернативы измельчению, размер бумаги можно уменьшать нарезанием до желаемого размера с использованием гильотинного резального устройства. Например, гильотинное резальное устройство можно использовать для нарезания бумаги на листы, например, шириной 10 дюймов (25,4 см) и длиной 12 дюймов (30,5 см).

В некоторых вариантах осуществления дробление источника волокна и пропускание полученного первого волокнистого материала через первое сито проводят одновременно. Дробление и пропускание также можно проводить в последовательном процессе.

Например, резательное устройство с вращающимся ножом можно использовать для одновременного дробления источника волокна и просеивания первого волокнистого материала. Ссылаясь на ФИГ. 3, резательное устройство с вращающимся ножом 220 включает воронку 222, в которую можно помещать измельченный источник волокна 224, полученный стандартными способами. Измельченный источник волокна дробится между стационарными лезвиями 230 и вращающимися лезвиями 232 с получением первого волокнистого материала 240. Первый волокнистый материал 240 пропускается через сито 242, и полученный второй волокнистый материал 244 собирается в корзину 250. Для облегчения сбора второго волокнистого материала, корзина может иметь давление ниже номинального атмосферного давления, например, по меньшей мере на 10% ниже номинального атмосферного давления, например, по меньшей мере на 25% ниже номинального атмосферного давления, по меньшей мере на 50% ниже номинального атмосферного давления или по меньшей мере на 75% ниже номинального атмосферного давления. В некоторых вариантах осуществления для поддержания давления в корзине ниже номинального атмосферного давления используют источник вакуума 252.

Дробление может быть предпочтительным для "раскрытия" и "напряжения" волокнистых материалов, делая целлюлозу материалов более чувствительной к разделению цепей и/или снижению кристалличности. Раскрытые материалы также могут быть более чувствительными к окислению при облучении.

В некоторых вариантах осуществления дробление может быть предпочтительным для "раскрытия" и "напряжения" волокнистых материалов, делая целлюлозу материалов более чувствительной к расщеплению и всасыванию у жвачных животных.

Источник волокна можно дробить в сухом состоянии, в гидратированном состоянии (например, имея вплоть до десяти процентов по массе абсорбированной воды), или во влажном состоянии, например, имея от приблизительно 10 масс.% до приблизительно 75 масс.% воды. Источник волокна можно дробить даже при частичном или полном погружении под жидкость, такую как вода, этанол или изопропанол.

Источник волокна также можно дробить в атмосфере газа (такого как поток или атмосфера газа, отличного от воздуха), например, в кислороде или азоте или паре.

Другие способы получения волокнистых материалов включают, например, жерновой помол, механическое разрыхление или разрывание, измельчение на стержневой мельнице или измельчение растиранием на воздухе.

Если желательно, волокнистые материалы можно разделять, например, постоянно или партиями, на фракции согласно их длине, ширине, плотности, типу материала или некоторой комбинации этих признаков.

Например, черные металлы можно отделять от любого волокнистого материала пропусканием волокнистого материала, который включает черный металл, мимо магнита, например, электромагнита, а затем пропуская полученный волокнистый материал через серию сит, где каждое сито имеет отверстия отличающегося размера.

Волокнистые материалы также можно разделять, например, с использованием высокоскоростного газа, например, воздуха. В таком подходе, волокнистые материалы разделяют отведением различных фракций, которые, если желательно, можно подвергнуть фотонной охарактеризации. Такое устройство для разделения рассмотрено в Lindsey et al., патент США № 6883667.

Волокнистые материалы можно предварительно обрабатывать непосредственно сразу после их подготовки, или их можно высушивать, например, при приблизительно 105°C в течение 4-18 часов, так чтобы перед применением содержание влаги составляло, например, менее чем приблизительно 0,5%.

Если желательно, из волокнистых материалов, которые включают лигнин, лигнин можно удалять. Также для облегчения разрушения материалов, которые включают целлюлозу, материал можно обрабатывать перед облучением нагреванием, химическим реагентом (например, минеральной кислотой, основанием или сильным окислителем, таким как гипохлорит натрия) и/или ферментом.

В некоторых вариантах осуществления средний размер отверстия первого сита составляет менее 0,79 мм (1/32 дюйма, 0,03125 дюйма), например, менее 0,51 мм (1/50 дюйма, 0,02000 дюйма), менее 0,40 мм (1/64 дюйма, 0,015625 дюйма), менее 0,23 мм (0,009 дюйма), менее 0,20 мм (1/128 дюйма, 0,0078125 дюйма), менее 0,18 мм (0,007 дюйма), менее 0,13 мм (0,005 дюйма) или даже менее 0,10 мм (1/256 дюйма, 0,00390625 дюйма). Сито изготавливают переплетением мононити, имеющей соответствующий диаметр для получения желаемого размера отверстия. Например, мононити могут быть изготовлены из металла, например, нержавеющей стали. По мере уменьшения размеров отверстий, структурные требования для мононити повышаются. Например, для размеров отверстий менее 0,40 мм, может быть преимущественным изготовление сит из мононитей, изготовленных из материала, отличного от нержавеющей стали, например, титана, сплавов титана, аморфных металлов, никеля, вольфрама, родия, рения, керамики или стекла. В некоторых вариантах осуществления сито изготавливают из пластины, например, металлической пластины, имеющей отверстия, например, вырезанные в пластине с использованием лазера. В некоторых вариантах осуществления площадь отверстий в сите составляет менее 52%, например, менее 41%, менее 36%, менее 31%, менее 30%.

В некоторых вариантах осуществления второй волокнистый материал дробят и пропускают через первое сито или сито с отличающимся размером. В некоторых вариантах осуществления второй волокнистый материал пропускают через второе сито, имеющее средний размер отверстий, равный или меньший, чем размер первого сита.

Ссылаясь на ФИГ. 4, третий волокнистый материал 220 можно получать из второго волокнистого материала 216 дроблением второго волокнистого материала 216 и пропусканием полученного материала через второе сито 222, имеющее средний размер отверстий, меньший чем у первого сита 214.

Как правило, волокна волокнистых материалов могут иметь относительно высокое среднее соотношение длины и диаметра (например, более 20 к 1), даже если их подвергали дроблению более одного раза. Кроме того, волокна волокнистых материалов, описанные в настоящем описании, могут иметь относительно узкое распределение длины и/или соотношения длины и диаметра.

Как используют в настоящем описании, среднюю ширину волокон (например, диаметр) определяют оптически, случайным образом выбрав приблизительно 5000 волокон. Средняя длина волокон представляет собой корригированные длины, взвешенные по длине. Площадь поверхности BET (Brunauer, Emmet и Teller) представляет собой многоточечную площадь поверхности, и пористость представляет собой величину, определяемую ртутной порометрией.

Среднее соотношение длины и диаметра второго волокнистого материала 14 может составлять, например, более чем 5/1, более чем 8/1, например, более чем 10/1, более чем 15/1, более чем 20/1, более чем 25/1 или даже более чем 50/1. Средняя длина второго волокнистого материала 14 может составлять, например, приблизительно от 0,5 мм до 2,5 мм, например, приблизительно от 0,75 мм до 1,0 мм, и средняя ширина (т.е. диаметр) второго волокнистого материала 14 может составлять, например, приблизительно от 5 мкм до 50 мкм, например, приблизительно от 10 мкм до 30 мкм.

В некоторых вариантах осуществления стандартное отклонение длины второго волокнистого материала 14 составляет менее 60% от средней длины второго волокнистого материала 14, например, менее 50% от средней длины, менее 40% от средней длины, менее 25% от средней длины, менее 10% от средней длины, менее 5% от средней длины или даже менее 1% от средней длины.

В некоторых вариантах осуществления площадь поверхности BET второго волокнистого материала превышает 0,1 м²/г, например, превышает 0,25 м²/г, превышает 0,5 м²/г, превышает 1,0 м²/г, превышает 1,5 м²/г, превышает 1,75 м²/г, превышает 5,0 м²/г, превышает 10 м²/г, превышает 25 м²/г, превышает 35 м²/г, превышает 50 м²/г, превышает 60 м²/г, превышает 75 м²/г, превышает 100 м²/г, превышает 150 м²/г, превышает 200 м²/г или даже превышает 250 м²/г. Пористость второго волокнистого материала 14 может, например, превышать 20%, превышать 25%, превышать 35%, превышать 50%, превышать 60%, превышать 70%, например, превышать 80%, превышать 85%, превышать 90%, превышать 92%, превышать 94%, превышать 95%, превышать 97,5%, превышать 99% или даже превышать 99,5%.

В некоторых вариантах осуществления соотношение среднего отношения длины и диаметра первого волокнистого материала и среднего отношения длины и диаметра второго волокнистого материала составляет, например, менее 1,5, например, менее 1,4, менее 1,25, менее 1,1, менее 1,075, менее 1,05, менее 1,025 или даже по существу равно 1.

В конкретных вариантах осуществления второй волокнистый материал снова дробят, и полученный волокнистый материал пропускают через второе сито, имеющее средний размер отверстий, меньший чем у первого сита, с получением третьего волокнистого материала. В таких случаях соотношение среднего отношения длины к диаметру второго волокнистого материала и среднего отношения длины к диаметру третьего волокнистого материала может составлять, например, менее 1,5, например, менее 1,4, менее 1,25 или даже менее 1,1.

В некоторых вариантах осуществления третий волокнистый материал пропускают через третье сито с получением четвертого волокнистого материала. Четвертый волокнистый материал можно, например, пропускать через четвертое сито с получением пятого материала. Аналогичные процессы просеивания можно повторять столько раз, сколько желательно, для получения желаемого волокнистого материала, имеющего желательные свойства.

Уплотнение

Как используют в настоящем описании, уплотнение относится к увеличению объемной плотности материала. Уплотненные материалы можно перерабатывать, или любые переработанные материалы можно уплотнять, любым из описанных в настоящем описании способов.

Материал, например, волокнистый материал, имеющий низкую объемную плотность, можно уплотнять до продукта, имеющего более высокую объемную плотность. Например, композицию материала, имеющую объемную плотность 0,05 г/см³, можно уплотнять изолированием волокнистого материала в относительно газонепроницаемой структуре, например, мешке, изготовленном из полиэтилена, или мешке, изготовленном из чередующихся слоев полиэтилена и нейлона, с последующим удалением из структуры заключенного в нее газа, например, воздуха. После удаления воздуха из структуры волокнистый материал может иметь, например, объемную плотность более 0,3 г/см³, например, 0,5 г/см³, 0,6 г/см³, 0,7 г/см³ или более, например, 0,85 г/см³. После уплотнения продукт можно предварительно обрабатывать любым из способов, описанных в настоящем описании, например, облучением, например, гамма-излучением. Это может быть преимущественным, когда желательно транспортировать материал в другое место, например, в удаленное производственное предприятие, где композиция волокнистого материала может быть добавлена в раствор, например, для получения этанола. После прокалывания по существу газонепроницаемой структуры, уплотненный волокнистый материал может возвратиться практически к его первоначальной объемной плотности, например, по меньшей мере 60% от его первоначальной объемной плотности, например, 70%, 80%, 85% или более, например, 95% от его первоначальной объемной плотности. Для уменьшения статического электричества в волокнистом материале, в материал можно добавлять средство, снимающее статические заряды.

В некоторых вариантах осуществления структура, например, переносчик, такой как мешок, изготовлена из материала, который растворяется в жидкости, такой как вода. Например, структура может быть изготовлена из поливинилового спирта, так что она растворяется при контакте с водным раствором. Такие варианты осуществления позволяют добавлять уплотненные структуры прямо в растворы, которые включают микроорганизм, без первоначального высвобождения содержимого структуры, например, разрезанием.

Ссылаясь на ФИГ. 5, материал биомассы можно комбинировать с любыми желательными добавками и связующим средством, а затем уплотнять с применением давления, например, пропуская материал через определенный зазор между прижимными валиками с встречным вращением или пропуская материал через пресс для гранулирования. Во время применения давления необязательно можно применять нагревание для облегчения уплотнения волокнистого материала. Затем уплотненный материал можно облучать.

В некоторых вариантах осуществления материал перед уплотнением имеет объемную плотность менее 0,25 г/см³, например, менее 0,20 г/см³, 0,15 г/см³, 0,10 г/см³, 0,05 г/см³ или менее, например, 0,025 г/см³. Объемную плотность определяют с использованием ASTM D1895B. В кратком изложении, способ включает заполнение мерного цилиндра с известным объемом образцом и определение массы образца. Объемную плотность вычисляют делением массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.

Предпочтительные связующие вещества включают связующие вещества, которые являются растворимыми в воде, набухают под действием воды, или которые имеют температуру перехода в стеклообразное состояние менее 25°C, при определении дифференциальной сканирующей калориметрией. Растворимые в воде связующие вещества имеют растворимость в воде по меньшей мере приблизительно 0,05 масс.%. Набухающие в воде связующие вещества представляют собой связующие вещества, объем которых возрастает более чем на 0,5% под действием воды.

В некоторых вариантах осуществления связующие вещества, которые являются растворимыми в воде или набухающими при ее воздействии, включают функциональные группы, которые способны образовывать связь, например, водородную связь, с волокнами волокнистого материала, например, целлюлозного волокнистого материала. Например, функциональная группа может представлять собой группу карбоновой кислоты, карбоксилатную группу, карбонильную группу, например, альдегида или кетона, группу сульфоновой кислоты, сульфонатную группу, группу фосфорной кислоты, фосфатную группу, амидную группу, аминогруппу, гидроксильную группу, например, спирта, и комбинации этих групп, например, группы карбоновой кислоты и гидроксильной группы. Конкретные примеры мономеров включают глицерин, глиоксаль, аскорбиновую кислоту, мочевину, глицин, пентаэритрит, моносахарид или дисахарид, лимонную кислоту и виннокаменную кислоту. Пригодные сахариды включают глюкозу, сахарозу, лактозу, рибозу, фруктозу, маннозу, арабинозу и эритрозу. Примеры полимеров включают полигликоли, полиоксиэтилен, поликарбоновые кислоты, полиамиды, полиамины и полисульфоновые кислоты, полисульфонаты. Конкретные примеры полимеров включают полипропиленгликоль (PPG), полиэтиленгликоль (PEG), полиоксиэтилен, например, POLYOX®, сополимеры оксида этилена и оксида пропилена, полиакриловую кислоту (PAA), полиакриламид, полипептиды, полиэтиленимин, поливинилпиридин, поли(натрий-4-стиролсульфонат) и поли(2-акриламидометил-1-пропансульфоновую кислоту).

В некоторых вариантах осуществления связующее средство включает полимер, который имеет температуру перехода в стеклообразное состояние менее 25°C. Примеры таких полимеров включают термопластические эластомеры (TPE). Примеры TPE включают полиэфир-блок-амиды, такие как полиэфир-блок-амиды, доступные под торговым названием PEBAX®, полиэфирные эластомеры, такие как полиэфирные эластомеры, доступные под торговым названием HYTREL®, и стирольные блок-сополимеры, такие как блок-сополимеры, доступные под торговым названием KRATON®. Другие пригодные полимеры, имеющие температуру перехода в стеклообразное состояние менее 25°C, включают сополимер этилена и винилацетата (EVA), полиолефины, например, полиэтилен, полипропилен, сополимеры этилен-пропилен и сополимеры этилена и альфа-олефинов, например, 1-октена, такие как сополимеры, доступные под торговым названием ENGAGE®. В некоторых вариантах осуществления например, когда материал представляет собой превращенную в волокнистую массу бумагу с многослойным покрытием, материал уплотняют без добавления специального полимера с низкой температурой перехода в стеклообразное состояние.

В конкретном варианте осуществления связующее вещество представляет собой лигнин, например, природный или синтетически модифицированный лигнин.

Пригодное количество связующего вещества, добавляемого к материалу, вычисленное в расчете на массу сухого вещества, составляет, например, от приблизительно 0,01% до приблизительно 50%, например, 0,03%, 0,05%, 0,1%, 0,25%, 0,5%, 1,0%, 5%, 10% или более, например, 25%, в расчете на общую массу уплотненного материала. Связующее вещество можно добавлять к материалу в качестве неразбавленной чистой жидкости, в качестве жидкости, в которой растворено связующее вещество, в качестве сухого порошка связующего вещества или в качестве гранул связующего вещества.

Уплотненный волокнистый материал можно изготавливать в прессе для гранулирования. Ссылаясь на ФИГ. 6, пресс для гранулирования 300 имеет воронку 301 для содержания неуплотненного материала 310, который включает углеводсодержащие материалы, такие как целлюлоза. Контейнер соединен со шнеком 312, который приводится в движение двигателем с переменной скоростью 314, так чтобы неуплотненный материал мог транспортироваться в устройство для перемешивания 320, в котором неуплотненный материал перемешивается лопастями 322, которые вращаются с помощью двигателя 330 устройства для перемешивания. Другие ингредиенты, например, любые добавки и/или наполнители, описанные в настоящем описании, можно добавлять через входной канал 332. Если желательно, во время нахождения волокнистого материала в устройстве для перемешивания можно добавлять нагревание. После перемешивания материал выводится из устройства для перемешивания через рукав 340 к другому шнеку 342. Рукав, контролируемый приводным механизмом 344, позволяет беспрепятственное прохождение материала из устройства для перемешивания к шнеку. Шнек вращается под действием двигателя 346 и контролирует подачу волокнистого материала в узел матрицы с роликами 350. Конкретно, материал подается в полую цилиндрическую матрицу 352, которая вращается вокруг горизонтальной оси и которая имеет радиальные отверстия 250 матрицы. Матрица 352 вращается вокруг оси под действием двигателя 360, который включает прибор для измерения мощности, указывающий общую энергию, потребляемую двигателем. Уплотненный материал 370, например, в форме гранул, падает из желоба 372 и собирается и перерабатывается, например, облучением.

Удобно, чтобы после уплотнения материал имел форму гранул или стружки, принимающих различную форму. Затем гранулы можно облучать. В некоторых вариантах осуществления гранулы или стружка имеют цилиндрическую форму, например, обладая максимальным поперечным размером, например, 1 мм или более, например, 2 мм, 3 мм, 5 мм, 8 мм, 10 мм, 15 мм или более, например, 25 мм. Другие удобные формы включают гранулы или стружку, которые имеют пластинчатую форму, например, обладая толщиной 1 мм или более, например, 2 мм, 3 мм, 5 мм, 8 мм, 10 мм или более, например, 25 мм; шириной, например, 5 мм или более, например, 10 мм, 15 мм, 25 мм, 30 мм или более, например, 50 мм; и длиной 5 мм или более, например, 10 мм, 15 мм, 25 мм, 30 мм или более, например, 50 мм.

Далее, ссылаясь на ФИГ. 7A-7D, гранулы можно изготавливать так, чтобы они имели внутри полость. Как показано, полость может быть расположена, главным образом, на одной линии с центром гранулы (ФИГ. 7B), или она может быть смещена от центра гранулы (ФИГ. 7C). Изготовление гранулы, полой внутри, может повысить скорость растворения в жидкости после облучения.

Далее, ссылаясь на ФИГ. 7D, гранула может иметь, например, поперечную форму, которая является многодольной, например, трехдольной, как показано, или четырехдольной, пятидольной, шестидольной или десятидольной. Изготовление гранул с такой поперечной формой также может повысить скорость растворения в растворе после облучения.

Альтернативно уплотненный материал может иметь любую другую желаемую форму, например, уплотненный материал может иметь форму пластины, цилиндра или брикета.

Примеры уплотнения

В одном примере в качестве сырья можно использовать картонные коробки для сока объемом полгалона (1,9 л), изготовленные из белого крафт-картона, имеющего объемную плотность 20 фунт/фут³ (0,32 г/см³). Картон можно складывать до плоского состояния, а затем подавать в устройство для измельчения для получения похожего на конфетти материала, имеющего ширину от 0,1 (0,25) дюйма до 0,5 дюйма (1,27 см), длину от 0,25 дюйма (0,63 см) до 1 дюймом (2,54 см) и толщину, эквивалентную толщине исходного материала (приблизительно 0,075 дюйма (0,19 см)). Похожий на конфетти материал можно подавать в резательное устройство с вращающимся ножом, которое дробит похожие на конфетти фрагменты, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал.

В некоторых случаях несколько систем устройство для измельчения-устройство для дробления могут быть расположены с последовательной продукцией. В одном варианте осуществления две системы устройство для измельчения-устройство для дробления могут быть расположены последовательно, где продукт первого устройства для дробления подается в качестве входящего материала во второе устройство для измельчения. В другом варианте осуществления три системы устройство для измельчения-устройство для дробления могут быть расположены последовательно, где продукт первого устройства для дробления подается в качестве входящего материала во второе устройство для измельчения и продукт второго устройства для дробления подается в качестве входящего материала в третье устройство для измельчения. Ожидается, что несколько прохождений через системы устройство для измельчения-устройство для дробления могут уменьшить размер частиц и увеличить общую площадь поверхности в потоке исходных материалов.

В другом примере волокнистый материал, полученный измельчением и дроблением картонных коробок для сока, можно обрабатывать для увеличения его объемной плотности. В некоторых случаях, волокнистый материал можно обрызгивать водой или разбавленным маточным раствором POLYOX™ WSR N10 (полиоксиэтилен), приготовленным в воде. Затем смоченный волокнистый материал можно перерабатывать в прессе для гранулирования, действующем при комнатной температуре. Пресс для гранулирования может увеличивать объемную плотность потока исходного материала более чем на один порядок.

ОБРАБОТКА

Предварительно обработанную биомассу можно обрабатывать для применения в основных процессах продукции, например, путем уменьшения средней молекулярной массы, кристалличности и/или повышения площади поверхности и/или пористости биомассы. В некоторых вариантах осуществления биомассу можно обрабатывать для снижения неподатливости биомассы. Процессы обработки могут включать по меньшей мере один (например, один, два, три, четыре или пять) из облучения, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза и парового взрыва.

Неподатливость представляет собой используемый в данной области термин, как используют в настоящем описании, который в широком значении относится к противодействию материала биомассы доступу деградирующих полисахариды агентов (например, микроорганизмов и/или ферментов (например, микробных ферментов)) к полисахаридам, содержащимся в биомассе (см., например, Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 и National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/BR-510-40742, March, 2007). Например, доступность полисахаридов (например, целлюлозы и гемицеллюлозы) в первом материале биомассы с первым уровнем неподатливости является более низкой, чем доступность полисахаридов (например, целлюлозы и гемицеллюлозы) в том же лигноцеллюлозном материале после обработки для снижения уровня неподатливости материала. Иными словами, уровень полисахаридов, доступных деградирующим полисахариды агентам, является более высоким после обработки для уменьшения неподатливости.

Оценка уровней неподатливости лигноцеллюлозной биомассы

Уровень неподатливости лигноцеллюлозного материала можно оценивать с использованием ряда известных в данной области способов. Примеры таких способов включают, но не ограничиваются ими, способы охарактеризации поверхности, ферментативные способы и функциональные способы.

Иллюстративные способы охарактеризации поверхности, которые можно использовать для оценки уровня неподатливости лигноцеллюлозных материалов, известны в данной области (для обзора см. Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 и Ding et al., Microscopy and Microanalysis, 14:1494-1495, 2004). Например, уровень неподатливости лигноцеллюлозных материалов можно оценивать с использованием микроскопических и/или спектроскопических способов анализа поверхности (например, с использованием одного или нескольких способов анализа поверхности, описанных ниже) для идентификации, оценки и/или количественного определения изменений (например, структурных изменений) в лигноцеллюлозных материалах, которые указывают на снижение неподатливости материала. Иллюстративные изменения, которые можно использовать в качестве признаков снижения неподатливости лигноцеллюлозных материалов, включают внешний вид ямок или пор, и/или поверхность развернутых микрофибрилл. См., например, Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 и Ding et al, Microscopy and Microanalysis, 14:1494-1495, 2004), где описаны следующие способы:

(1) Сканирующую электронную микроскопию (SEM) можно использовать для визуализации морфологии поверхности биологических и небиологических материалов в широком диапазоне увеличений (увеличение до 20000x) и с высокой глубиной поля (см., например, Gomez et al., Biotechnology for Biofuels, 1, October 23, 2008; Sivan et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 72:346-352, 2006). Как правило, биологические образцы, такие как образцы лигноцеллюлозной биомассы, перед анализом покрывают тонким слоем электронноплотного материала, такого как углерод или атомизированное золото. Например, образцы можно помещать в муфты SEM и покрывать золотом/палладием. Затем эти помещенные образцы можно наблюдать с использованием известных способов и устройств, например, JEOL JSM 6940LV SEM (Jeol Ltd., Tokyo, Japan) при ускоряющем напряжении 5 кВ.

(2) Позднее были разработаны способы для анализа образцов, содержащих природную влагу - способ, названный SEM в режиме естественной среды (ESEM), например, с использованием Quanta FEG 400 ESEM (FEI Company). Применение ESEM в анализе клеток дрожжей описано Ren et al., Investigation of the morphology, viability and mechanical properties of yeast cells in environmental SEM, Scanning, published online August 5, 2008). Такие способы в режиме естественной среды можно использовать для анализа лигноцеллюлозной биомассы, содержащей влагу, без применения электронноплотных покрытий.

(3) Также можно использовать атомно-силовую микроскопию (AFM), например, с использованием DI-Veeco MultiMode PicoForce system (см., например, Stieg et al., Rev. Sci. Instrum., 79:103701, 2008). AFM эффективно позволяет анализ топографии поверхности при очень высоком увеличении, одновременно также позволяя анализ сил притяжения и отталкивания между вершиной сканирующего зонда и поверхностью образца, таким образом, обеспечивая изображения высоты и фазовые изображения. AFM в возрастающей степени используют для анализа биологических образцов вследствие ее высокого атомного уровня разрешения и ее простоты применения (образцы не требуют длительной подготовки образца). Кроме того, AFM можно использовать для наблюдения за сухими и гидратированными поверхностями непосредственно с использованием простукивающего зонда.

(4) Трансмиссионная электронная микроскопия (TEM), например, с использованием FEI Tecnai F20, позволяет определение внутренних структур биологических и небиологических материалов вплоть до увеличения по меньшей мере 350000x. Как правило, определение внутренних структур может быть облегчено с использованием теневых способов изображения или окрашивания высококонтрастными соединениями. Также можно проводить композиционный анализ материалов путем мониторинга вторичных рентгеновских лучей, образующихся при взаимодействии электрон-образец, с использованием энергодисперсного рентгеновского микроанализа. Способы на основе TEM для анализа уровня неподатливости лигноцеллюлозного материала описаны в данной области (см., например, Rhoads et al., Can. J. Microbiol, 41_.:592-600, 1995).

(5) Оптическая микроскопия ближнего поля (NFSOM) с использованием, например, DI-Aurora-3 NSOM (Nikon), позволяет наблюдение поверхностей с помощью светового микроскопа с длинной глубиной поля, который адаптирован для проведения вторичного спектрофотометрического анализа, такого как UV/VIS, флуоресцентный анализ и анализ с помощью лазера Рамана. В некоторых вариантах осуществления NFSOM можно проводить с использованием инвертационного микроскопа Olympus 1X71, оборудованного камерой CCD с высоким разрешением DP70, для проведения микроскопии отдельных молекул.

(6) Конфокальную микроскопию (CFM) и конфокальную сканирующую лазерную микроскопию (CSLM) (см., например, National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/BR-510-40742, March, 2007) можно использовать для получения оптических срезов, которые можно использовать для построения трехмерного изображения поверхности и внутренних структур. Как правило, CFM и CSLM проводят в сочетании со способами мечения, например, флуоресцентными красителями (см., например, Sole et al., Microb. Ecol., Published online on November 4, 2008).

В некоторых вариантах осуществления уровень неподатливости лигноцеллюлозного материала можно оценивать с использованием одного или нескольких способов, известных в данной области, например, способов, описанных в настоящем документе. Затем тот же образец или его часть можно оценивать после обработки для выявления изменения (например, структурного изменения) неподатливости. В некоторых вариантах осуществления появление или наблюдение ямок или пор, и/или поверхностное разворачивание микрофибрилл в первом лигноцеллюлозном материале с первым уровнем неподатливости или на нем, является меньшим, чем появление или наблюдение ямок или пор, и/или разворачивание поверхности микрофибрилл в образце после обработки для уменьшения уровня неподатливости материала.

Альтернативно или дополнительно, изменение (например, снижение) уровня неподатливости лигноцеллюлозного материала можно анализировать с использованием ферментативных способов. Например, лигноцеллюлозный материал можно инкубировать в присутствии одной или нескольких целлюлаз, например, до или после обработки с использованием способов, описанных в настоящем документе. В некоторых вариантах осуществления увеличение разрушения целлюлозы целлюлазой указывает на изменение уровня неподатливости материала, например, снижение неподатливости материала. В некоторых вариантах осуществления повышение разрушения целлюлозы целлюлазой приводит к увеличению количества моносахаридов и/или дисахаридов в образце.

В некоторых вариантах осуществления количество (например, концентрация) моносахаридов и/или дисахаридов вследствие активности фермента (например, целлюлазы) в образце, содержащем первый лигноцеллюлозный материал с первым уровнем неподатливости, является более низким, чем количество (например, концентрация) моносахаридов и/или дисахаридов вследствие активности фермента (например, целлюлазы) в том же образце после обработки для снижения уровня неподатливости материала.

Альтернативно или дополнительно, изменение (например, снижение) уровня неподатливости лигноцеллюлозного материала можно анализировать с использованием функциональных способов. Например, лигноцеллюлозный материал можно культивировать в присутствии ферментирующего сахара микроорганизма, например, с использованием способов культивирования, описанных в настоящем описании, до и после обработки с использованием способов, описанных в настоящем документе. В некоторых вариантах осуществления повышение уровня одного или нескольких продуктов, продуцированных микроорганизмом, указывает на изменение уровня неподатливости материала, например, на снижение неподатливости материала.

В некоторых вариантах осуществления скорость роста микроорганизма и/или продуцирования продукта микроорганизмом в образце, содержащем первый лигноцеллюлозный материал с первым уровнем неподатливости, является более низкой, чем скорость роста микроорганизма и/или образования продукта микроорганизмом в том же образце после снижения уровня неподатливости материала.

В некоторых вариантах осуществления изменение уровня неподатливости материала можно выражать в качестве (1) соотношения (например, показателя уровня неподатливости материала до обработки относительно уровня неподатливости материала после обработки); (2) процентного изменения (например, снижения) уровня неподатливости материала; (3) процентного изменения (например, снижения) уровня полисахарида, доступного деградирующему полисахарид агенту (например, ферменту) после обработки, по сравнению с уровнем до обработки, на единицу массы исходного материала биомассы; или (4) процентного изменения (например, повышения) растворимости материала в конкретном растворителе.

В некоторых случаях второй материал имеет целлюлозу, которая обладает кристалличностью (^TC₂), которая является более низкой, чем кристалличность (^TC₁) целлюлозы первого материала. Например, (^TC₂) может быть более низкой, чем (^TC₁) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления исходный индекс кристалличности (перед облучением) составляет от приблизительно 40 до приблизительно 87,5%, например, от приблизительно 50 до приблизительно 75% или от приблизительно 60 до приблизительно 70%, и индекс кристалличности после облучения составляет от приблизительно 10 до приблизительно 50%, например, от приблизительно 15 до приблизительно 45% или от приблизительно 20 до приблизительно 40%. Однако, в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного облучения, индекс кристалличности может составлять менее чем 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после облучения является по существу аморфным.

В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например, от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000, и среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет от приблизительно 50000 до приблизительно 200000, например, от приблизительно 60000 до приблизительно 150000 или от приблизительно 70000 до приблизительно 125000. Однако, в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного облучения, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (^TO₂), превышающий уровень окисления (^TO₁) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его способности к диспергированию, набуханию и/или растворению, далее усиливая подверженность материалов химическому, ферментативному или биологическому воздействию. В некоторых вариантах осуществления для повышения уровня окисления второго материала относительно первого материала, облучение проводят в окислительной атмосфере, например, в атмосфере воздуха или кислорода, получая второй материал, который является более окисленным, чем первый материал. Например, второй материал может иметь большее количество гидроксильных групп, альдегидных групп, групп кетонов, групп сложных эфиров или групп карбоновых кислот, которые могут повышать его гидрофильность.

Комбинированная обработка

В некоторых вариантах осуществления биомассу можно обрабатывать с использованием по меньшей мере одного (например, двух, трех, четырех или пяти) из способов обработки, описанных в настоящем описании, таких как два или более из радиационного облучения, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза и парового взрыва, либо с предшествующей, промежуточной или последующей подготовкой биомассы, как описано в настоящем описании, либо без нее. Способы обработки можно применять к биомассе, например, целлюлозному и/или лигноцеллюлозному материалу в любом порядке, многократно (например, два или более применений способа обработки) или одновременно. В других вариантах осуществления материалы, которые включают углевод, подготавливают применением трех, четырех или более любых из этих способов, описанных в настоящем описании (в любом порядке или одновременно). Например, углевод можно получать, применяя к целлюлозному и/или лигноцеллюлозному материалу радиационное облучение, обработку ультразвуком, окисление, пиролиз и, необязательно, паровой взрыв (в любом порядке или одновременно). Затем полученный углеводсодержащий материал можно конвертировать с помощью одного или нескольких микроорганизмов, таких как бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи или смеси дрожжей и бактерий, в ряд желаемых продуктов, как описано в настоящем описании. Комплексные способы могут обеспечить материалы, которые могут более легко утилизироваться различными микроорганизмами вследствие их более низкой молекулярной массы, более низкой кристалличности и/или повышенной растворимости. Комплексные способы могут обеспечить синергию и могут снизить общие требуемые затраты энергии, по сравнению с любым отдельным способом.

Например, в некоторых вариантах осуществления может быть предоставлено сырье биомассы, которое включает углевод, который продуцирован способом, который включает облучение и обработку ультразвуком (в любом порядке или одновременно) материала биомассы, способом, который включает облучение и окисление (в любом порядке или одновременно) материала биомассы, способом, который включает облучение и пиролиз (в любом порядке или одновременно) материала биомассы, способом обработки, который включает облучение и пиролиз (в любом порядке или одновременно) материала биомассы, или способом, который включает облучение и паровой взрыв (в любом порядке или одновременно) материала биомассы. Затем предоставленное сырье биомассы можно контактировать с микроорганизмом, способным конвертировать по меньшей мере часть, например, по меньшей мере приблизительно 1 масс.%, биомассы в продукт.

В некоторых вариантах осуществления способ не включает гидролиз биомассы, например, кислотой, основанием и/или ферментом, например, минеральной кислотой, такой как хлористоводородная или серная кислота.

Если желательно, часть биомассы может включать гидролизованный материал, или биомасса может не включать его. Например, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно семьдесят процентов по массе биомассы представляет собой негидролизованный материал, например, по меньшей мере 95 масс.% сырья представляет собой негидролизованный материал. В некоторых вариантах осуществления по существу вся биомасса представляет собой негидролизованный материал. В некоторых вариантах осуществления 100% биомассы представляет собой негидролизованный материал.

Любое сырье или любой реактор или ферментер, загруженный сырьем, может включать буфер, такой как бикарбонат натрия, хлорид аммония или Tris; электролит, такой как хлорид калия, хлорид натрия или хлорид кальция; фактор роста, такой как биотин и/или пара оснований, таких как урацил или его эквивалент; поверхностно-активное вещество, такое как Tween® или полиэтиленгликоль; минерал, такой как кальций, хром, медь, йод, железо, селен или цинк; или хелатирующий агент, такой как этилендиамин, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) (или ее форма соли, например, ЭДТА натрия или калия) или димеркапрол.

Когда используют радиационное облучение, его можно применять к любому образцу, который является сухим или влажным, или даже диспергированным в жидкости, такой как вода. Например, облучение можно проводить на материале биомассы, в котором менее чем приблизительно 25 масс.% материала биомассы имеет поверхность, смоченную жидкостью, такой как вода. В некоторых вариантах осуществления облучение проводят на материале биомассы, в котором материал биомассы по существу не смочен жидкостью, такой как вода.

В некоторых вариантах осуществления любую переработку, описанную в настоящем описании, проводят на материале биомассы, остающемся сухим в полученном виде или после высушивания материала, например, с использованием нагревания и/или пониженного давления. Например, в некоторых вариантах осуществления материал биомассы имеет менее чем приблизительно пять процентов по массе удерживаемой воды, измеренной при 25°C и при относительной влажности пятьдесят процентов.

Если желательно, в любом способе, описанном в настоящем описании, можно использовать вызывающее набухание средство, как определено в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления, когда целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал перерабатывают с использованием радиационного облучения, менее чем приблизительно 25 масс.% материала биомассы находится в набухшем состоянии, где набухшее состояние характеризуется как наличие объема, более чем на 2,5% превышающего объем в ненабухшем состоянии, например, более чем на 5,0, 7,5, 10 или 15% превышающего объем в ненабухшем состоянии. В некоторых вариантах осуществления, когда к материалу биомассы применяют радиационное облучение, материал биомассы по существу не находится в набухшем состоянии.

В конкретных вариантах осуществления, когда используют радиационное облучение, материал биомассы включает вызывающее набухание средство, и набухший материал биомассы получает дозу менее чем приблизительно 10 Мрад.

Когда в любом способе используют радиационное облучение, его можно применять при одновременном воздействии на биомассу воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже кислорода, или в атмосфере инертного газа, такого как азот, аргон или гелий. Когда является желательным максимальное окисление, используют окислительную среду, такую как воздух или кислород.

Когда используют радиационное облучение, его можно применять к биомассе, такой как целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, под давлением более чем приблизительно 2,5 атмосфер (253 кПа), например, более чем 5 (506 кПа), 10 (1012 кПа), 15 (1518 кПа), 20 (2036 кПа) или даже более чем приблизительно 50 атмосфер (5060 кПа). Облучение может повышать растворимость, способность к набуханию или способность к диспергированию биомассы в растворителе.

В конкретных вариантах осуществления способ включает облучение и обработку ультразвуком, и облучение предшествует обработке ультразвуком. В других конкретных вариантах осуществления обработка ультразвуком предшествует облучению, или облучение и обработку ультразвуком проводят по существу одновременно.

В некоторых вариантах осуществления способ включает облучение и обработку ультразвуком (в любом порядке или одновременно) и, кроме того, включает окисление, пиролиз или паровой взрыв.

Когда способ включает радиационное облучение, облучение можно проводить с использованием ионизирующей радиации, такой как гамма-лучи, пучок электронов или ультрафиолетовое C-излучение, имеющее длину волны от приблизительно 100 нм до приблизительно 280 нм, пучок частиц, такой как пучок электронов, медленные нейтроны или альфа-частицы. В некоторых вариантах осуществления облучение включает два или более источников излучения, таких как гамма-лучи и пучок электронов, которые можно применять в любом порядке или одновременно.

В конкретных вариантах осуществления обработку ультразвуком можно проводить с частотой от приблизительно 15 кГц до приблизительно 25 кГц, например, от приблизительно 18 кГц до 22 кГц с использованием рупора мощностью 1 кВт или более, например, рупора мощностью 2, 3, 4, 5 или даже 10 кВт.

В некоторых вариантах осуществления биомасса имеет первую среднечисленную молекулярную массу, и полученный углевод включает вторую целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу, более низкую, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Например, вторая среднечисленная молекулярная масса является более низкой, чем первая среднечисленная молекулярная масса более чем приблизительно на двадцать пять процентов, например, снижение составляет 2x, 3x, 5x, 7x, 10x, 25x или даже 100x.

В некоторых вариантах осуществления первая целлюлоза имеет первую кристалличность, а вторая целлюлоза имеет вторую кристалличность, более низкую, чем первая кристалличность, например, более чем приблизительно на два, три, пять, десять, пятнадцать или двадцать пять процентов более низкую кристалличность.

В некоторых вариантах осуществления первая целлюлоза имеет первый уровень окисления, а вторая целлюлоза имеет второй уровень окисления, более высокий, чем первый уровень окисления, например, более высокий на два, три, четыре, пять, десять или даже двадцать пять процентов.

В некоторых вариантах осуществления первая биомасса имеет первый уровень неподатливости, и конечная биомасса имеет второй уровень неподатливости, более низкий, чем первый уровень.

Обработка радиационным излучением

Для переработки биомассы из широкого множества различных источников можно использовать одну или несколько последовательностей переработки в целях экстракции из сырья полезных веществ, и в целях получения частично деградированного органического материала, который выполняет функцию входящего потока при последующих стадиях и/или последовательностях переработки. Облучение может снижать неподатливость, молекулярную массу и/или кристалличность сырья.

В некоторых вариантах осуществления для облучения материалов используют энергию, накопленную в материале, которая высвобождает электрон из его атомной орбитали. Радиационное облучение можно осуществлять с помощью 1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа-частицы или протоны, 2) электронов, образованных, например, при бета-распаде или в ускорителях электронных пучков, или 3) электромагнитного радиационного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. В одном подходе, для облучения сырья можно использовать радиационное излучение, генерируемое радиоактивными веществами. В некоторых вариантах осуществления можно использовать любую комбинацию из (1)-(3) в любом порядке или одновременно. В другом подходе, для облучения сырья можно использовать электромагнитное излучение (например, генерируемое с использованием источников электронных пучков). Применяемые дозы зависят от желаемого эффекта и конкретного сырья. Например, высокие дозы радиационного облучения могут разрушать химические связи в компонентах сырья, а низкие дозы радиационного облучения могут повысить образование химических связей (например, поперечное сшивание) в компонентах сырья. В некоторых случаях, когда является желательным разделение цепей и/или является желательной функционализация цепей полимеров, можно использовать частицы тяжелее электронов, такие как протоны, группа ядер гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Когда является желательным разделение цепей с размыканием цикла, для усиленного размыкания цикла можно использовать положительно заряженные частицы вследствие их свойств кислот Льюиса.

Ссылаясь на ФИГ. 8, в одном способе первый материал 2, который представляет собой или включает целлюлозу, имеющую первую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N1), облучают, например, обработкой ионизирующим излучением (например, в форме гамма-излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового (УФ) света от 100 нм до 280 нм, пучка электронов или других заряженных частиц) с получением второго материала 3, который включает целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N2), ниже чем первая среднечисленная молекулярная масса. Второй материал (или первый и второй материал) можно смешивать с микроорганизмом (например, бактерией или дрожжами), который может утилизировать второй и/или первый материал, продуцируя продукт 5.

Поскольку второй материал 3 имеет целлюлозу, обладающую сниженной неподатливостью, молекулярной массой относительно первого материала и, в некоторых случаях, сниженной кристалличностью, второй материал, как правило, является более диспергируемым, набухающим и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм. Эти свойства делают второй материал 3 более подверженным химическому, ферментативному и/или биологическому воздействию (например, микроорганизма) относительно первого материала 2, что может в значительной степени повысить скорость продукции и/или уровень продукции желаемого продукта, например, этанола. Радиационное облучение также может стерилизовать материалы.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисленная молекулярная масса (M_N2) является более низкой, чем первая среднечисленная молекулярная масса (^TM_N1) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50%, 60% или даже более чем приблизительно на 75%.

Ионизирующее излучение

Каждая форма радиационного излучения ионизирует биомассу через конкретные взаимодействия, определяемые энергией радиационного излучения. Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют вещество через кулоновское рассеяние; более того, эти взаимодействия генерируют энергетические электроны, которые могут далее ионизировать вещество. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются путем альфа-распада различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, нескольких актиноидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.

Когда используют частицы, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Когда они являются заряженными, заряженные частицы могут нести положительный или отрицательный заряд, или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре или более зарядов. В случаях, когда является желательным разделение цепей, могут быть желательными положительно заряженные частицы, отчасти, вследствие их кислотного характера. Когда используют частицы, частицы могут иметь массу покоящегося электрона, или большую массу, например, в 500, 1000, 1500 или 2000 или более раз превышающую массу покоящегося электрона. Например, частицы могут иметь массу от приблизительно 1 атомной единицы до приблизительно 150 атомных единиц, например, от приблизительно 1 атомной единицы до приблизительно 50 атомных единиц, или от приблизительно 1 до приблизительно 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, используемые для ускорения частиц, могут быть DC-электростатическими, DC-электродинамическими, RF-линейными, линейными с магнитной индукцией или непрерывными. Например, циклотронные ускорители доступны от IBA, Бельгия, такие как система Rhodotron®, а ускорители DC-типа доступны от RDI, в настоящее время IBA Industrial, такие как Dynamitron®. Ионы и ускорители ионов рассмотрены в Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-Ion Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y. et al., "Alternating-Phase-Focused 1H-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, и Leitner, C.M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. Как правило, генераторы содержатся в хранилище, например, из свинца или бетона.

Электроны взаимодействуют путем кулоновского рассеяния и торможения радиационного излучения, вызываемого изменениями скорости электронов. Электроны могут генерироваться радиоактивными ядрами, которые претерпевают бета-распад, такими как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно в качестве источника электронов можно использовать электронную пушку с использованием термоионной эмиссии.

Электромагнитное радиационное излучение воздействует через три процесса: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пар. Преобладающее воздействие определяется энергией падающего радиационного излучения и атомного числа материала. Сумма взаимодействий, приводящих к поглощению радиационного излучения в целлюлозном материале, может быть выражена с помощью массового коэффициента поглощения (см. "Ionization Radiation" в PCT/US 2007/022719).

Электромагнитное излучение подразделяют на гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволны или радиоволны, в зависимости от длины волны.

Например, для облучения материалов можно использовать гамма-излучение. Ссылаясь на ФИГ. 9 и 10 (увеличенный вид области R), гамма-излучатель 10 включает источники гамма-излучения 408, например, таблетки ⁶⁰Co, рабочий стол 14 для содержания материалов, подлежащих облучению, и накопитель 16, например, изготовленный из множества железных пластин, которые все находятся в камере с бетонной защитой (хранилище) 20, которая включает вход в виде лабиринта 22 позади освинцованной двери 26. Накопитель 16 включает множество каналов 30, например, шестнадцать или более каналов, позволяющих источникам гамма-излучения проходить на своем пути через накопитель вблизи рабочего стола.

В процессе работы образец, подлежащий облучению, помещают на рабочий стол. Облучатель адаптирован для того, чтобы доставлять желаемый уровень дозы, и чтобы с экспериментальным блоком 31 было соединено управляющее оборудование. Затем оператор покидает защитную камеру, проходя через вход в виде лабиринта и через освинцованную дверь. Оператор занимает контрольную панель 32, инструктируя компьютер 33 к приведению источников радиационного излучения 12 в рабочее положение с использованием цилиндра 36, присоединенного к гидравлическому насосу 40.

Гамма-излучение имеет преимущество значительной глубины проникновения в различные материалы 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.

Источники рентгеновских лучей включают столкновение электронного пучка с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как источники света, коммерчески производимые Lyncean. Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы. Источники инфракрасного радиационного излучения включают керамические лампы с окном из сапфира, цинка или селенидов. Источники микроволн включают клистроны, источники Slevin RF-типа или источники атомных пучков, в которых используется газообразный водород, кислород или азот.

В способах, описанных в настоящем описании, можно использовать различные другие устройства для облучения, включая полевые ионизационные источники, электростатические сепараторы ионов, полевые ионизационные генераторы, источники с термоионной эмиссией, источники ионов со сверхвысокочастотным разрядом, рециркуляционные или статические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-де-Граафа и изогнутые тандемные ускорители. Такие устройства раскрыты, например, в предварительной заявке США с серийным № 61/073665, полное содержание которой включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Электронный пучок

В некоторых вариантах осуществления в качестве источника радиационного излучения используют пучок электронов. Пучок электронов имеет преимущество высоких уровней доз (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительности, меньшей защитной изоляции и меньшего количества изолирующего оборудования. Электроны также могут быть более эффективными в отношении обеспечения разделения цепей. Кроме того, электроны, имеющие энергию 4-10 МэВ, могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, например, 40 мм.

Электронные пучки можно генерировать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны могут быть пригодны в качестве источника ионизирующего излучения, например, для относительно тонких стоп материалов, например, менее чем приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см), например, менее чем 0,4 дюйма (1,02 см), 0,3 дюйма (0,76 см), 0,2 дюйма (0,51 см) или менее чем 0,1 дюйма (0,25). В некоторых вариантах осуществления энергия каждого электрона в электронном пучке составляет от приблизительно 0,3 МэВ до приблизительно 2,0 МэВ (мегаэлектронвольт), например, от приблизительно 0,5 МэВ до приблизительно 1,5 МэВ, или от приблизительно 0,7 МэВ до приблизительно 1,25 МэВ.

На ФИГ. 11 представлена принципиальная технологическая схема 3000, которая включает различные стадии в последовательности предварительной обработки сырья пучком электронов. На первой стадии 3010 сухое сырье подается из источника исходного материала. Как рассмотрено выше, сухое сырье из источника исходного материала может быть предварительно переработано перед доставкой к устройствам для облучения пучком электронов. Например, если сырье получено из растительных источников, определенные части растительного материала могут быть удалены перед сбором растительного материала и/или перед доставкой растительного материала с помощью устройства для транспортировки сырья. Альтернативно или дополнительно, как отражено на необязательной стадии 3020, сырье биомассы можно подвергать механической переработке (например, для уменьшения средней длины волокон в сырье) перед доставкой к устройствам для облучения пучком электронов.

На стадии 3030 сухое сырье перемещается в устройство для транспортировки сырья (например, на конвейерную ленту) и распределяется по поперечной длине устройства для транспортировки сырья приблизительно равномерно по объему. Это можно осуществлять, например, вручную или путем индукции локализованного вибрационного движения в некоторой точке устройства для транспортировки сырья перед переработкой путем облучения пучком электронов.

В некоторых вариантах осуществления смесительная система подает химический реагент 3045 в сырье в необязательном процессе 3040, в котором образуется суспензия. Объединение воды с переработанным сырьем в стадии смешения 3040 приводит к водной суспензии сырья, которую можно транспортировать, например, через систему труб, а не с использованием, например, конвейерной ленты.

Следующая стадия 3050 представляет собой цикл, который охватывает воздействие на сырье (в сухой форме или в форме суспензии) облучения пучком электронов из одного или нескольких (например, N) устройств для облучения пучком электронов. Суспензия сырья продвигается через каждый из N "потоков" электронных пучков на стадии 3052. Движение через потоки или между ними может происходить с постоянной скоростью, или во время прохождения сквозь каждый поток может быть пауза, с последующим быстрым перемещением к следующему потоку. На стадии 3053 небольшая часть суспензии сырья подвергается воздействию каждого потока в течение некоторого заданного времени воздействия.

Устройства для облучения пучком электронов могут быть коммерчески приобретены от Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгия, или Titan Corporation, Сан-Диего, CA. Типичная энергия электронов может составлять 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения пучком электронов может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 100 кВт, 250 кВт или 500 кВт. Эффективность деполимеризации суспензии сырья зависит от используемой энергии электронов и применяемой дозы, в то время как время воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут иметь значения 1 кГр, 5 кГр, 10 кГр, 20 кГр, 50 кГр, 100 кГр или 200 кГр.

При выборе оптимальных характеристик мощности устройства для облучения пучком электронов учитываются затраты на работу, капитальные затраты, амортизационные затраты и зона размещения устройства. При выборе оптимальных уровней экспозиционной дозы облучения пучком электронов учитываются расход энергии и вопросы экологии, безопасности и здоровья (ESH). При выборе оптимальной энергии электронов учитывают расход энергии; в данном случае, более низкая энергия электронов может быть преимущественной с точки зрения способствования деполимеризации какой-либо суспензии сырья (см., например, Bouchard, et al, Cellulose (2006) 13:601-610).

Для обеспечения более эффективного процесса деполимеризации, может быть преимущественным проведение облучения электронным пучком с двойным прохождением. Например, устройство для транспортировки сырья может направлять сырье (в сухой форме или в форме суспензии) вниз и в обратном направлении относительно его первоначального направления транспортировки. Системы с двойным прохождением могут обеспечить переработку более густых суспензий сырья и могут обеспечить более однородную деполимеризацию сквозь толщину суспензии сырья.

Устройство для облучения пучком электронов может генерировать либо фиксированный луч, либо сканирующий луч. Преимущественным может быть сканирующий луч с большой длиной развертки сканирования и высокими скоростями сканирования, поскольку это может эффективно заменить большую ширину фиксированного луча. Кроме того, доступна длина развертки 0,5 м, 1 м, 2 м или более. Одно из пригодных устройств описано в примере 22.

После транспортировки части суспензии сырья через N устройств для облучения пучком электронов, в некоторых вариантах осуществления может быть необходимым, как на стадии 3060, механическое разделение жидких и твердых компонентов суспензии сырья. В этих вариантах осуществления из жидкой части суспензии сырья отфильтровываются остаточные твердые частицы и их возвращают на стадию приготовления суспензии 3040. Затем твердая часть суспензии сырья перемещается на следующую стадию переработки 3070 с помощью устройства для транспортировки сырья. В других вариантах осуществления для дальнейшей переработки сырье поддерживается в форме суспензии.

Пучки тяжелых ионных частиц

Для облучения углеводов или материалов, которые включают углеводы, например, целлюлозных материалов, лигноцеллюлозных материалов, крахмальных материалов или смесей любых из этих и других материалов, описанных в настоящем описании, можно использовать частицы тяжелее электронов. Например, можно использовать протоны, группу ядер гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. В некоторых вариантах осуществления частицы тяжелее электронов могут индуцировать более высокие уровни разделения цепей. В некоторых случаях положительно заряженные частицы могут индуцировать более высокие уровни разделения цепей, чем отрицательно заряженные частицы, вследствие их кислотности.

Более тяжелые пучки можно генерировать, например, с использованием линейных ускорителей или циклотронов. В некоторых вариантах осуществления энергия каждой частицы в пучке составляет от приблизительно 1,0 МэВ/атомная единица до приблизительно 6000 МэВ/атомная единица, например, от приблизительно 3 МэВ/атомная единица до приблизительно 4800 МэВ/атомная единица, или от приблизительно 10 МэВ/атомная единица до приблизительно 1000 МэВ/атомная единица.

Электромагнитное излучение

В вариантах осуществления, в которых облучение проводят с помощью электромагнитного излучения, электромагнитное излучение может иметь энергию на фотон (в электроновольтах), например, более 10² эВ, например, более 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ или даже более 10⁷ эВ. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет энергию на фотон от 10⁴ до 10⁷, например, от 10⁵ до 10⁶ эВ. Электромагнитное излучение может иметь частоту, например, более 10¹⁶ Гц, более 10¹⁷, 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰ Гц или даже более 10²¹ Гц. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет частоту от 10¹⁸ до 10²² Гц, например, от 10¹⁹ до 10²¹ Гц.

Дозы

В некоторых вариантах осуществления облучение (с любым источником радиационного излучения или комбинацией источников) проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере 0,25 Мрад, например, по меньшей мере 1,0 Мрад, по меньшей мере 2,5 Мрад, по меньшей мере 5,0 Мрад или по меньшей мере 10,0 Мрад. В некоторых вариантах осуществления облучение проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере от 1,0 Мрад до 6,0 Мрад, например, от 1,5 Мрад до 4,0 Мрад.

В некоторых вариантах осуществления облучение проводят при уровне дозы от 5,0 до 1500,0 килорад/час, например, от 10,0 до 750,0 килорад/час или от 50,0 до 350,0 килорад/час.

В некоторых вариантах осуществления используют два или более источников радиационного излучения, таких как два или более источников ионизирующего излучения. Например, образцы можно обрабатывать, в любом порядке, пучком электронов, а затем гамма-излучением и УФ-излучением, имеющим длину волны от приблизительно 100 нм до приблизительно 280 нм. В некоторых вариантах осуществления образцы обрабатывают тремя источниками ионизирующего излучения, такими как пучок электронов, гамма-излучение и энергетическое УФ-излучение.

Альтернативно, в другом примере, волокнистый материал биомассы, который включает целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, облучают и, необязательно, обрабатывают звуковой энергией, например, ультразвуком.

В одном примере применения радиационного излучения в качестве обработки, в качестве сырья используют картонные коробки для сока объемом в полгалона (1,9 л), изготовленные из белого крафт-картона, имеющего объемную плотность 20 фунт/фут³ (0,32 г/см³). Картон можно складывать до плоского состояния, а затем подавать в последовательность из трех систем устройство для измельчения-устройство для дробления, расположенных последовательно, где продукт первого устройства для дробления подается в качестве входящего материала во второе устройство для измельчения и продукт второго устройства для дробления подается в качестве входящего материала в третье устройство для измельчения. Полученный волокнистый материал можно обрызгивать водой и перерабатывать с помощью пресса для гранулирования, работающего при комнатной температуре. Уплотненные гранулы можно помещать в стеклянную ампулу, из которой откачивают воздух при высоком вакууме, а затем вновь заполнять газообразным аргоном. Ампулу запаивают в атмосфере аргона. Гранулы в ампуле облучают гамма-излучением в течение приблизительно 3 часов при уровне дозы приблизительно 1 Мрад в час с получением облученного материала, в котором целлюлоза имеет более низкую молекулярную массу, чем исходный материал.

Гашение и контролируемая функционализация биомассы

После обработки одним или несколькими типами ионизирующего излучения, такими как фотонное излучение (например, рентгеновские лучи и гамма-лучи), облучение пучком электронов или частицами тяжелее электронов, которые положительно или отрицательно заряжены (например, протоны или ионы углерода), любые из углеводсодержащих материалов или смесей, описанных в настоящем описании, становятся ионизированными; т.е. они включают радикалы на уровнях, которые поддаются детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Современный предел детекции радикалов составляет приблизительно 10¹⁴ спинов при комнатной температуре. После ионизации любой материал биомассы, который является ионизированным, можно гасить для снижения уровня радикалов в ионизированной биомассе, например, так, чтобы радикалы более не поддавались детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Например, радикалы можно гасить, применяя достаточное давление на биомассу и/или используя текучую среду, контактирующую с ионизированной биомассой, такую как газ или жидкость, которая реагирует (гасит) с радикалами. Применение газа или жидкости по меньшей мере для способствования гашению радикалов можно использовать для функционализации ионизированной биомассы желаемым количеством и типом функциональных групп, таких как группы карбоновых кислот, енольные группы, альдегидные группы, нитрогруппы, нитрильные группы, аминогруппы, алкиламиногруппы, алкильные группы, хлоралкильные группы или хлорфторалкильные группы. В некоторых случаях такое гашение может повысить стабильность некоторых из ионизированных материалов биомассы. Например, гашение может повысить устойчивость биомассы к окислению. Функционализация путем гашения также может повысить растворимость любой биомассы, описанной в настоящем описании, может повысить ее термическую стабильность, которая может повысить утилизацию материала различными микроорганизмами. Например, функциональные группы, сообщаемые материалу биомассы гашением, могут действовать в качестве рецепторных участков для связывания микроорганизмами, например, для усиления гидролиза целлюлозы различными микроорганизмами.

На ФИГ. 11A проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры сырья биомассы путем предварительной обработки сырья биомассы ионизирующим излучением, таким как электроны или ионы с энергией, достаточной для ионизации сырья, для обеспечения первого уровня радикалов. Как показано на ФИГ. 11A, если ионизированная биомасса остается в атмосфере, она окисляется, например, до той степени, что образуются группы карбоновых кислот путем реакции с атмосферным кислородом. В некоторых случаях для некоторых материалов такое окисление является желательным, поскольку оно может способствовать дальнейшему снижению молекулярной массы углеводсодержащей биомассы, и окислительные группы, например, группы карбоновых кислот, в некоторых случаях могут быть полезными для растворимости и утилизации микроорганизмом. Однако поскольку радикалы могут "жить" в течение некоторого времени после облучения, например, более 1 суток, 5 суток, 30 суток, 3 месяцев, 6 месяцев или даже более 1 года, свойства материала могут продолжать меняться с течением времени, что в некоторых случаях может быть нежелательным. Детекция радикалов в облученных образцах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и время жизни радикалов в таких образцах рассмотрены в Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 и Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). Как представлено на ФИГ. 11A, ионизированную биомассу можно гасить для функционализации и/или стабилизации ионизированной биомассы. В любой момент времени, например, когда материал является "живым" (все еще имеет существенное количество реактивных промежуточных продуктов, таких как радикалы), "частично живым" или полностью погашенным, предварительно обработанную биомассу можно конвертировать в продукт, например, в продукт питания.

В некоторых вариантах осуществления гашение включает применение давления к биомассе, например, путем механической деформации биомассы, например, прямым механическим сжатием биомассы в одном, двух или трех измерениях, или применяя давление к текучей среде, в которую биомасса погружена, например, изостатическое прессование. В таких случаях деформация материала сама по себе дает радикалы, которые часто захватываются в кристаллические домены, достаточно близко для того, чтобы радикалы могли рекомбинировать или реагировать с другой группой. В некоторых случаях давление применяют вместе с применением нагревания, такого как количество тепла, достаточное для повышения температуры биомассы до уровня выше температуры плавления или до температуры размягчения компонента биомассы, такого как лигнин, целлюлоза или гемицеллюлоза. Нагревание может увеличить подвижность молекул в полимерном материале, что может способствовать гашению радикалов. Когда для гашения используют давление, давление может превышать 1000 фунт/кв. дюйм (6,9 МПа), например, превышать приблизительно 1250 фунт/кв. дюйм (8,6 МПа), 1450 фунт/кв. дюйм (10 МПа), 3625 фунт/кв. дюйм (25,2 МПа), 5075 фунт/кв. дюйм (35 МПа), 7250 фунт/кв. дюйм (50 МПа), 10000 фунт/кв. дюйм (69 МПа) или даже более 15000 фунт/кв. дюйм (103,4 МПа).

В некоторых вариантах осуществления гашение включает контактирование биомассы с текучей средой, такой как жидкость или газ, например, газ, способный реагировать с радикалами, такой как ацетилен или смесь ацетилена в азоте, этилен, хлорированные этилены или хлорфторэтилены, пропилен или смеси этих газов. В других конкретных вариантах осуществления гашение включает контактирование биомассы с жидкостью, например, с жидкостью, растворимой в биомассе, или по меньшей мере способной проникать в биомассу и реагировать с радикалами, такой как диен, такой как 1,5-циклооктадиен. В некоторых конкретных вариантах осуществления гашение включает контактирование биомассы с антиоксидантом, таким как витамин E. Если желательно, сырье биомассы может включать антиоксидант, диспергированный в нем, и гашение может происходить вследствие контактирования антиоксиданта, диспергированного в сырье биомассы, с радикалами. Можно использовать комбинации этих и других материалов для гашения.

Возможны другие способы гашения. Например, для гашения любого ионизированного материала, описанного в настоящем описании, можно использовать любой способ гашения радикалов в полимерных материалах, описанный в Muratoglu et al., публикация патентной заявки США № 2008/0067724 и Muratoglu et al., патент США № 7166650. Более того, для гашения любого ионизированного материала биомассы можно использовать любой агент для гашения (описанный в качестве "сенсибилизирующего агента" в указанных выше описаниях Muratoglu) и/или любой антиоксидант, описанный в любой из ссылок Muratoglu.

Функционализацию можно усилить с использованием тяжелых заряженных ионов, таких как любые из более тяжелых ионов, описанных в настоящем описании. Например, если желательно усилить окисление, для облучения можно использовать заряженные ионы кислорода. Если являются желательными функциональные группы азота, можно использовать ионы азота или ионы, которые включают азот. Аналогично, если являются желательными группы серы или фосфора, при облучении можно использовать ионы серы или фосфора.

В некоторых вариантах осуществления после гашения любой из гашеных ионизированных материалов, описанных в настоящем описании, можно далее обрабатывать одним или несколькими из радиационного облучения, такого как ионизирующее или неионизирующее излучение, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления для дополнительного изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры.

Облучение пучком частиц в текучих средах

В некоторых случаях целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы можно подвергать облучению пучком частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред (например, газов и/или жидкостей). Воздействие на материал пучка частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред может повысить эффективность обработки.

В некоторых вариантах осуществления материал подвергается облучению пучком частиц в присутствии текучей среды, такой как воздух. Частицы, ускоренные в одном или нескольких типах ускорителей, описанных в настоящем описании (или в ускорителе другого типа), выходят из ускорителя через выходное отверстие (например, тонкую мембрану, такую как металлическая фольга), проходят через объем пространства, занимаемого текучей средой, а затем падают на материал. В дополнение к прямой обработке материала, некоторые из частиц образуют дополнительные химические частицы путем взаимодействия с частицами текучей среды (например, ионы и/или радикалы, генерируемые различными составляющими воздуха, такими как озон и оксиды азота). Эти образовавшиеся химические частицы также могут реагировать с материалом и могут действовать в качестве инициаторов различных реакций разрушения химических связей в материале. Например, любой образовавшийся окислитель может окислять материал, что может приводить к уменьшению молекулярной массы.

В определенных вариантах осуществления на путь пучка частиц до попадания пучка на материал можно селективно подавать дополнительные текучие среды. Как рассмотрено выше, реакции между частицами пучка и частицами поданных текучих сред могут образовывать дополнительные химические частицы, которые реагируют с материалом и могут способствовать функционализации материала, и/или в ином случае селективно изменять определенные свойства материала. Одну или несколько дополнительных текучих сред можно направлять на путь пучка, например, из подводящей трубы. Направление и скорость потока текучей среды (сред), которую подают, можно выбирать в соответствии с желаемой мощностью и/или направлением облучения для контроля эффективности обработки в целом, включая как эффекты, которые являются следствием обработки частицами, так и эффекты, которые являются следствием взаимодействия динамически образовавшихся частиц из поданной текучей среды с материалом. В дополнение к воздуху, иллюстративные текучие среды, которые можно подавать в пучок ионов, включают кислород, азот, один или несколько благородных газов, один или несколько галогенов и водород.

Облучение материалов биомассы с низкой объемной плотностью и охлаждение облученной биомассы

В процессе обработки материалов биомассы ионизирующим излучением, особенно при высоких уровнях доз, таких как уровни более 0,15 Мрад в секунду, например, 0,25 Мрад/c, 0,35 Мрад/c, 0,5 Мрад/с, 0,75 Мрад/c или даже более 1 Мрад/с, материалы биомассы могут сохранять значительные количества тепла, так что температура материалов биомассы повышается. В то время как в некоторых вариантах осуществления повышенные температуры могут быть преимущественными, например, когда является желаемой более высокая скорость реакции, является преимущественным контроль нагревания биомассы для сохранения контроля над химическими реакциями, инициируемыми ионизирующим излучением, такими как поперечное сшивание, разделение цепей и/или привитая сополимеризация, например, для сохранения управления процессом. Материалы с низкой объемной плотностью, такие как материалы, имеющие объемную плотность менее чем приблизительно 0,4 г/см³, например, менее чем приблизительно 0,35, 0,25 или менее чем приблизительно 0,15 г/см³, особенно при комбинировании с материалами, которые имеют тонкие поперечные срезы, такими как волокна, имеющие небольшие поперечные измерения, как правило, легче охладить. Кроме того, фотоны и частицы, главным образом, могут проникать глубже в материалы, имеющие относительно низкую объемную плотность, или через них, что может позволить переработку более крупных объемов материалов при более высоких скоростях, и может позволить применение фотонов и частиц, имеющих более низкую энергию, например, 0,25 МэВ, 0,5 МэВ, 0,75 МэВ или 1,0 МэВ, что может снизить требования к экранированию для безопасности. Многие из материалов биомассы, описанных в настоящем описании, можно перерабатывать в одной или нескольких из систем, представленных на ФИГ. 11B, 11C, 11D и 11E, которые описаны ниже. Представленные системы допускают применение к материалу биомассы с низкой объемной плотностью одного или нескольких типов ионизирующего излучения, таких как релятивистские электроны или электроны в комбинации с рентгеновскими лучами, при высоких уровнях доз, например при уровне более 1,0, 1,5, 2,5 Мрад/c или даже более 5,0 Мрад/c, а затем позволяют охладить биомассу перед применением радиационного облучения во второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый или даже десятый раз.

Например, в одном способе изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры сырья биомассы, биомассу предварительно обрабатывают при первой температуре ионизирующим излучением, таким как фотоны, электроны или ионы (например, однозарядные или многозарядные катионы или анионы), в течение достаточного времени и/или при достаточной дозе для повышения температуры сырья биомассы до второй температуры, превышающей первую температуру. Затем предварительно обработанную биомассу охлаждают до температуры ниже второй температуры. Наконец, если желательно, охлажденную биомассу можно обрабатывать один или несколько раз радиационным излучением, например, ионизирующим излучением. Если желательно, после и/или в процессе каждой обработки радиационным облучением биомассу можно охлаждать.

В некоторых вариантах осуществления охлаждение сырья биомассы проводят до той степени, что после охлаждения биомасса имеет третью температуру ниже первой температуры.

Например, и как более подробно объяснено ниже, обработку сырья биомассы ионизирующим излучением можно проводить по мере пневматической транспортировки сырья биомассы в текучую среду, такую как газ, такой как азот или воздух. Для облегчения уменьшения молекулярной массы и/или функционализации материалов, газ можно насыщать любым вызывающим набухание средством, описанным в настоящем описании, и/или водяным паром. Например, можно использовать кислотный водяной пар. Для облегчения уменьшения молекулярной массы воду можно подкислять органической кислотой, такой как муравьиная или уксусная кислота, или минеральной кислотой, такой как серная или хлористоводородная кислота.

Например, и как более подробно объяснено ниже, обработку сырья биомассы ионизирующим излучением можно проводить по мере попадания сырья биомассы под действие силы тяжести. Этот процесс может эффективно уменьшать объемную плотность сырья биомассы по мере его переработки, и он может способствовать охлаждению сырья. Например, биомассу можно транспортировать с первой ленты на первой высоте над уровнем земли, а затем она может попадать на вторую ленту на втором уровне над уровнем земли, более низком, чем первый уровень. Например, в некоторых вариантах осуществления задний край первой ленты и передний край второй ленты образуют зазор. Преимущественно ионизирующее излучение, такое как пучок электронов, протонов или других ионов, можно применять в области зазора для предотвращения повреждения системы для транспортировки биомассы.

В способах, описанных в настоящем описании, охлаждение биомассы может включать контактирование биомассы с текучей средой, такой как газ при температуре ниже первой или второй температуры, такой как газообразный азот при приблизительно 77 K (-196°С). Можно использовать даже воду, такую как вода при температуре ниже номинальной комнатной температуры (например, 25 градусов Цельсия).

Сырье биомассы можно обрабатывать при первой температуре ионизирующим излучением в течение достаточного периода времени и/или в достаточной дозе, например, от приблизительно 1 секунды до приблизительно 10 секунд в дозе от приблизительно 0,5 Мрад/с до приблизительно 5 Мрад/с, для повышения температуры сырья биомассы до второй температуры, превышающей первую температуру. После применения радиационного облучения биомассу можно охлаждать до второй температуры. Охлажденную обработанную биомассу обрабатывают радиационным излучением, таким как ионизирующее излучение, и затем обработанную биомассу контактируют с микроорганизмом, способным конвертировать по меньшей мере часть, например, по меньшей мере приблизительно 1 масс.%, биомассы в продукт.

В некоторых вариантах осуществления способ изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры сырья биомассы необязательно включает предварительную обработку сырья биомассы путем уменьшения одного или нескольких размеров отдельных фрагментов сырья биомассы и применения ионизирующего излучения, такого как фотоны, электроны или ионы, к сырью биомассы. В таких вариантах осуществления сырье биомассы, к которому применяют ионизирующее излучение, имеет объемную плотность менее чем приблизительно 0,35 г/см³, например, менее чем приблизительно 0,3, 0,25, 0,20 или менее чем приблизительно 0,15 г/см³, в процессе применения ионизирующего излучения. В таких вариантах осуществления сырье биомассы можно охлаждать, а затем к охлажденной биомассе можно применять ионизирующее излучение. В некоторых преимущественных вариантах осуществления сырье биомассы представляет собой или включает отдельные волокна и/или частицы, имеющие максимальный размер не более чем приблизительно 0,5 мм, например, не более чем приблизительно 0,25 мм, не более чем приблизительно 0,1 мм, не более чем приблизительно 0,05 мм или не более чем приблизительно 0,025 мм.

Ссылаясь, в частности, на ФИГ. 11B и 11C, на которых представлено получение, обработка, транспортировка биомассы и устройство для облучения 1170 (экранирование не проиллюстрировано на фигурах). В процессе работы лист бумаги 1173, например, фрагменты отбеленного листа крафт-бумаги, подается с валика 1172 и доставляется в устройство 1174, такое как резальная машина с вращающимся ножом. Лист 1173 преобразуется в волокнистый материал 1112 и доставляется в зону для загрузки волокон 1180 с помощью конвейера 1178. Если желательно, волокна волокнистого материала можно разделять, например, просеиванием, на фракции, имеющие различные соотношения L/D. В некоторых вариантах осуществления волокнистый материал 1112, как правило, с низкой объемной плотностью и преимущественно тонким поперечным срезом, непрерывно доставляется в зону 1180; и в других вариантах осуществления волокнистый материал доставляется партиями. Вентилятор 1182 в петле 1184 расположен рядом с зоной загрузки волокна 1180, и он способен перемещать текучую среду, например, воздух, со скоростью и в объеме, достаточных для пневматической циркуляции волокнистого материала 1112 в направлении, указанном стрелкой 1188, через петлю 1184.

В некоторых вариантах осуществления скорость воздуха, проходящего в петле, достаточна для гомогенного диспергирования и транспортировки волокнистого материала по всей петле 1184. В некоторых вариантах осуществления скорость потока превышает 2500 футов/минута (760 м/мин), например, 5000 футов/минута (1520 м/мин), 6000 футов/минута (1800 м/мин) или более, например, 7500 футов/минута (2300 м/мин) или 8500 футов/минута (2600 м/мин).

Загруженный волокнистый материал 1112, проходящий через петлю, проходит зону внесения 1190, которая образует часть петли 1184. Здесь, вносятся любые желаемые добавки, описанные в настоящем описании, такие как жидкость, такая как вода, такая как подкисленная или подщелоченная вода. В процессе работы в зоне внесения 1190 добавка, такая как жидкий раствор 1196, вносится в циркулирующий волокнистый материал через насадки 98, 99 и 11100. При внесении жидкости насадки продуцируют распыляемый спрей или аэрозоль, которые воздействуют на волокна по мере прохождения волокон вблизи насадок. Клапан 11102 контролирует поток жидкости к соответствующим насадкам 1198, 1199 и 11100. После внесения желаемого количества добавки клапан 11102 закрывается.

В некоторых вариантах осуществления зона внесения 1190 имеет длину два фута (0,6 м) или более, например, 125 футов (38 м), 150 футов (46 м), 250 футов (76 м) или более, например, 500 футов (152 м). Более длинные зоны внесения позволяют внесение в течение более длительного периода времени в процессе прохождения волокнистого материала через зону внесения 1190. В некоторых вариантах осуществления насадки расположены на расстоянии, например, от приблизительно трех до приблизительно четырех футов (0,9-1,2 м), по длине петли 1184.

По мере прохождения волокнистого материала в петле 1184 и через облучающую часть 11107 петли, которая включает рупор 11109 для доставки ионизирующего излучения, волокнистый материал облучается ионизирующим излучением (экранирование не представлено).

По мере продвижения облученного волокнистого материала по петле 1184, он охлаждается под действием газов, таких как воздух, циркулирующих в петле при высоких скоростях, и окружается реактивными газами, такими как озон и/или оксиды азота, которые продуцируются под действием ионизирующего излучения на циркулирующие газы, такие как воздух. После прохождения через облучающую часть 11107, в петлю 1184 можно инъецировать охлаждающую текучую среду, такую как жидкость (например, вода) или газ, такой как азот при 77 K, для способствования охлаждению волокнистого материала. Если желательно, этот процесс можно повторять более одного раза, например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 раз или более, например, 15 раз, для доставки в волокнистый материал желаемой дозы. В то время как длинная ось рупора, как показано, расположена вдоль направления потока, в некоторых вариантах осуществления длинная ось рупора расположена поперечно направлению потока. В некоторых вариантах осуществления в качестве основного источника ионизирующего излучения используют пучок электронов, а в качестве второстепенного источника ионизирующего излучения используют рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи можно генерировать, имея металлическую мишень, такую как танталовая мишень 11111, на внутренней стороне петли 1184, так что, когда электроны достигают мишени, происходит испускание рентгеновских лучей.

После доставки желаемой дозы к волокнистому материалу, волокнистый материал можно удалять из петли 1184 через сепаратор 11112, который селективно соединен с петлей 1184 секционным 11114 и запорным 11116 клапаном. Когда клапан 11116 открывается, другой клапан также открывается, позволяя воздуху проникнуть в петлю 1184, заменяя воздух, выходящей через сепаратор 11112.

Ссылаясь, в частности, на ФИГ.11D, на которой представлено устройство для облучения 11121 волокнистого материала в псевдоожиженном слое с экранированием. Волокнистый материал в текучей среде, такой как газ, такой как сжатый воздух, доставляется в экранированную защитную оболочку 11123 через трубопровод 11125 и в экранированную часть с псевдоожиженным слоем 11127. Встречные потоки 11131 текучей среды, такой как газ, и поперечные потоки 11133 текучей среды, такой как газ, который является таким же, как и газ, доставляемый во встречном направлении, или отличающимся от них, объединяются, вызывая турбулентность в части слоя. Ионизирующее излучение применяется в части псевдоожиженного слоя по мере транспортировки волокнистого материала через часть слоя. Например, как показано, можно использовать три пучка электронов из трех устройств Rhodotron® 11135, 11136 и 11137. Преимущественно каждый пучок может проникать в псевдоожиженный слой на отличающуюся глубину, и/или каждый пучок может испускать электроны с отличающейся энергией, такой как 1, 3 и 5 МэВ. По мере прохождения облученного волокнистого материала через систему, он охлаждается под действием газов, таких как воздух, циркулирующих в системе при высоких скоростях, и он окружается реактивными газами, такими как озон и/или оксиды азота, которые образуются под действием ионизирующего излучения на циркулирующие газы, такие как воздух. Если желательно, процесс можно повторять желаемое количество раз до тех пор, пока волокнистый материал не получит желаемую дозу. Хотя псевдоожиженный слой проиллюстрирован так, что его длинная ось расположена горизонтально относительно земли, в других вариантах осуществления длинная ось перпендикулярна земле, так что волокнистый материал попадает под действие силы тяжести.

Ссылаясь, в частности, на ФИГ. 11E, на которой представлен другой способ транспортировки волокнистого материала и устройство для облучения 11140 без экранирования. Волокнистый материал 11144 доставляется из корзины 11142 в первый конвейер 11150 на первом уровне над землей, а затем материал переносится на второй конвейер 11152 на более низкой высоте, чем первый конвейер. Задний край 11160 первого конвейера и передний край 11161 второго конвейера 11152 определяют зазор с расстоянием S. Например, расстояние S может составлять от 4 дюймов (0,1 м) до приблизительно 24 дюймов (0,6 м). Материал 11144 имеет достаточный момент для свободного падения под действием силы тяжести, а затем для попадания на второй конвейер 11152 без падения в зазор. В процессе свободного падения к материалу применяется ионизирующее излучение. Это расположение может быть преимущественным в том, что ионизирующее излучение с меньшей вероятностью повредит систему транспортировки, вследствие отсутствия прямого контактирования с радиационным облучением.

После прохождения через облучающую часть к материалу может применяться охлаждающая текучая среда, такая как жидкость (например, вода) или газ, такой как жидкий азот при 77 K, для способствования охлаждению волокнистого материала. Если желательно, этот процесс можно повторять более одного раза, например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 раз или более, например, 15 раз, для доставки желаемой дозы к волокнистому материалу. Хотя, как показано, длинная ось рупора является поперечной направлению потока материала, возможны другие расположения пучков. В некоторых вариантах осуществления в качестве основного источника ионизирующего излучения используют пучок электронов, а в качестве второстепенного источника ионизирующего излучения используют рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи можно генерировать, имея металлическую мишень, такую как танталовая мишень, на внутренней стороне петли, так что, когда электроны достигают мишени, происходит испускание рентгеновских лучей.

В одном примере применения радиационного излучения в качестве обработки, в качестве сырья используют картонные коробки для сока объемом в полгалона (1,9 л), изготовленные из белого крафт-картона, имеющего объемную плотность 20 фунт/фут³ (0,32 г/см³). Картон можно складывать до плоского состояния, а затем подавать в последовательность из трех систем устройство для измельчения-устройство для дробления, расположенных последовательно, где продукт первого устройства для дробления подается в качестве входящего материала во второе устройство для измельчения и продукт второго устройства для дробления подается в качестве входящего материала в третье устройство для измельчения. Полученный волокнистый материал можно обрызгивать водой и перерабатывать с помощью пресса для гранулирования, работающего при комнатной температуре. Уплотненные гранулы можно помещать в стеклянную ампулу, из которой откачивают воздух при высоком вакууме. Гранулы в ампуле облучают гамма-излучением в течение приблизительно 3 часов при уровне дозы приблизительно 1 Мрад в час с получением облученного материала, в котором целлюлоза имеет более низкую молекулярную массу, чем исходный материал.

Обработка ультразвуком

Для обработки биомассы из широкого множества различных источников с целью экстракции из сырья полезных веществ и обеспечения частично разрушенного органического материала, который выполняет функцию входящего потока для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки, можно использовать одну или несколько серий обработок ультразвуком. Обработка ультразвуком может уменьшить неподатливость, молекулярную массу и/или кристалличность сырья, такого как один или несколько из любых материалов биомассы, описанных в настоящем описании, например, один или несколько источников углеводов, таких как целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы или крахмальные материалы.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 8, в одном способе, первый материал биомассы 2, который включает целлюлозу, имеющую первую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N1), диспергируют в среде, такой как вода, и обрабатывают ультразвуком или иным образом подвергают кавитации с получением второго материала биомассы 3, который включает целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N2) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Второй материал (или, в определенных вариантах осуществления, первый и второй материал) можно смешивать с микроорганизмом (например, бактерией или дрожжами), который может утилизировать второй и/или первый материал, продуцируя продукт 5.

Поскольку второй материал 3 имеет целлюлозу, имеющую сниженную молекулярную массу относительно первого материала, и, в некоторых случаях, также сниженную кристалличность, второй материал, как правило, является более диспергируемым, набухающим и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм, например более 10⁶ микроорганизмов/мл. Эти свойства делают второй материал 3 более подверженным химическому, ферментативному и/или микробному воздействию относительно первого материала 2, что может в значительной степени повысить скорость продукции и/или уровень продукции желаемого продукта, например, этанола. Обработка ультразвуком также может стерилизовать материалы, но ее не следует применять, пока микроорганизмы предположительно являются живыми.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисленная молекулярная масса (^ТM_N2) является более низкой, чем первая среднечисленная молекулярная масса (^TM_N1) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50%, 60% или даже более чем приблизительно на 75%.

В некоторых случаях второй материал имеет целлюлозу, обладающую кристалличностью (^TC₂), которая является более низкой, чем кристалличность (^TC₁) целлюлозы первого материала. Например, (^TC₂) может быть более низкой, чем (^TC₁) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления исходный индекс кристалличности (перед обработкой ультразвуком) составляет от приблизительно 40 до приблизительно 87,5%, например, от приблизительно 50 до приблизительно 75% или от приблизительно 60 до приблизительно 70%, и индекс кристалличности после облучения составляет от приблизительно 10 до приблизительно 50%, например, от приблизительно 15 до приблизительно 45% или от приблизительно 20 до приблизительно 40%. Однако, в определенных вариантах осуществления, например, после экстенсивного облучения, индекс кристалличности может составлять менее чем 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после облучения является по существу аморфным.

В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед обработкой ультразвуком) составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например, от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000, и среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет от приблизительно 50000 до приблизительно 200000, например, от приблизительно 60000 до приблизительно 150000 или от приблизительно 70000 до приблизительно 125000. Однако, в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного облучения, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (^TO₂), превышающий уровень окисления (^TO₁) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его способности к диспергированию, набуханию и/или растворению, далее усиливая подверженность материалов химическому, ферментативному или микробному воздействию. В некоторых вариантах осуществления, для повышения уровня окисления второго материала относительно первого материала, облучение проводят в окислительной атмосфере, получая второй материал, который является более окисленным, чем первый материал. Например, второй материал может иметь большее количество гидроксильных групп, альдегидных групп, групп кетонов, групп сложных эфиров или групп карбоновых кислот, которые могут повышать его гидрофильность.

В некоторых вариантах осуществления среда для обработки ультразвуком представляет собой водную среду. Если желательно, среда может включать окислитель, такой как пероксид (например, пероксид водорода), диспергирующее средство и/или буфер. Примеры диспергирующих средств включают ионные диспергирующие средства, например, лаурилсульфат натрия, и неионные диспергирующие вещества, например, поли(этиленгликоль).

В других вариантах осуществления среда для обработки ультразвуком является неводной. Например, обработку ультразвуком можно проводить в углеводороде, например, толуоле или гептане, в простом эфире, например, диэтиловом эфире или тетрагидрофуране, или даже в сжиженном газе, таком как аргон, ксенон или азот.

Без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что обработка ультразвуком разрушает связи в целлюлозе путем образования пузырей в среде, содержащей целлюлозу, которые растут, а затем резко спадают. В процессе спадания пузырей, который может происходить в течение менее чем наносекунды, имплозивная сила повышает локальную температуру в пузыре до приблизительно 5100 K (в некоторых случаях даже выше; см., например, Suslick et al., Nature 434, 52-55) и создает давление от нескольких сот атмосфер до более 1000 атмосфер или более. Именно эти высокие температуры и давление разрушают связи. Кроме того, без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что уменьшенная кристалличность является следствием, по меньшей мере частично, чрезвычайно высоких скоростей охлаждения в процессе спадания пузырей, которые могут превышать приблизительно 10¹¹ K/секунда. Высокие скорости охлаждения, как правило, не позволяют целлюлозе организоваться и кристаллизоваться, что приводит к материалам, которые имеют уменьшенную кристалличность. Ультразвуковые системы и ультразвуковая химия рассмотрены, например, в Olli et al, патент США № 5766764; Roberts, патент США № 5828156; Mason, Chemistry with Ultrasound, Elsevier, Oxford, (1990); Suslick (editor), Ultrasound: its Chemical, Physical and Biological effects, VCH, Weinheim, (1988); Price, "Current Trends in Sonochemistry" Royal Society of Chemistry, Cambridge, (1992); Suslick et al., Ann. Rev. Mater. Sci. 29, 295, (1999); Suslick et al., Nature 353, 414 (1991); Hiller et al., Phys. Rev. Lett. 69, 1182 (1992); Barber et al., Nature, 352, 414 (1991); Suslick et al., J. Am. Chem. Soc, 108, 5641 (1986); Tang et al., Chem. Comm., 2119 (2000); Wang et al., Advanced Mater., 12, 1137 (2000); Landau et al., J. of Catalysis, 201, 22 (2001); Perkas et al., Chem. Comm., 988 (2001); Nikitenko et al., Angew. Chem. Inter. Ed. (December 2001); Shafi et al., J. Phys. Chem B 103, 3358 (1999); Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 121, 4196 (1999); и Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 122, 4331 (2000).

Системы для обработки ультразвуком

На ФИГ. 12 представлена общая система, в которой поток материала биомассы 1210 смешивается с потоком воды 1212 в емкости 1214 с образованием технологического потока 1216. Первый насос 1218 выводит технологический поток 1216 из емкости 1214 в направлении проточной ячейки 1224. Ультразвуковой преобразователь 1226 передает ультразвуковую энергию технологическому потоку 1216 по мере того, как технологический поток проходит через проточную ячейку 1224. Второй насос 1230 выводит технологический поток 1216 из проточной ячейки 1224 в направлении последующей переработки.

Емкость 1214 включает первый приемник 1232 и второй приемник 1234, в гидравлическом сообщении с объемом 1236. Конвейер (не показан) доставляет поток материала биомассы 1210 в емкость 1214 через первый приемник 1232. Поток воды 1212 попадает в емкость 1214 через второй приемник 1234. В некоторых вариантах осуществления поток воды 1212 попадает в объем 1236 по касательной линии, что обеспечивает завихряющийся поток в объеме 1236. В определенных вариантах осуществления поток материала биомассы 1210 и поток воды 1212 подается в объем 1236 вдоль противоположных осей для усиления перемешивания в объеме.

Клапан 1238 контролирует течение потока воды 1212 через второй приемник 1232 для получения желаемого соотношения материала биомассы и воды (например, приблизительно 10% целлюлозного материала, масса к объему). Например, 2000 тонн/сутки биомассы можно комбинировать с от 1 миллиона до 1,5 миллионов галлонов/сутки (от 3800 до 5700 м³/сутки), например, 1,25 миллионов галлонов/сутки (4700 м³/сутки), воды.

Перемешивание материала биомассы и воды в емкости 1214 контролируется размером объема 1236 и скоростями потока биомассы и воды в объем. В некоторых вариантах осуществления объем 1236 имеет размер, обеспечивающий минимальное время нахождения биомассы и воды при перемешивании. Например, когда через емкость 1214 протекает 2000 тонн/сутки биомассы и 1,25 миллионов галлонов/сутки (4700 м³/сутки) воды, объем 1236 может составлять приблизительно 32000 галлонов (120 м³) для достижения минимального времени нахождения при перемешивании, составляющего приблизительно 15 минут.

Емкость 1214 включает смеситель 1240 в гидравлическом сообщении с объемом 1236. Смеситель 1240 перемешивает содержимое объема 1236, полностью диспергируя биомассу в воде объема. Например, смеситель 1240 может представлять собой вращающуюся лопасть, расположенную в емкости 1214. В некоторых вариантах осуществления смеситель 1240 диспергирует биомассу в воде по существу гомогенно.

Кроме того, емкость 1214 включает выход 1242 в гидравлическом сообщении с объемом 1236 и технологическим потоком 1216. Смесь биомассы и воды в объеме 1236 вытекает из емкости 1214 через выход 1242. Выход 1242 расположен вблизи дна емкости 1214 для обеспечения выталкивания под действием силы тяжести смеси биомассы и воды из емкости 1214 в технологический поток 1216.

Первый насос 1218 (например, любой из нескольких насосов с вихревым рабочим колесом, изготовленных Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California) перемещает содержимое технологического потока 1216 в направлении проточной ячейки 1224. В некоторых вариантах осуществления первый насос 1218 встряхивает содержимое технологического потока 1216, так чтобы смесь целлюлозного материала и воды была по существу гомогенной на входе 1220 в проточную ячейку 1224. Например, первый насос 1218 перемешивает технологический поток 1216, создавая турбулентный поток вдоль технологического потока между первым насосом и входом 1220 проточной ячейки 1224.

Проточная ячейка 1224 включает реакторный объем 1244 в гидравлическом сообщении с входом 1220 и выходом 1222. В некоторых вариантах осуществления объем реактора 1244 представляет собой трубу из нержавеющей стали, способную выдерживать повышенные давления (например, 10 бар). Дополнительно или альтернативно, объем реактора 1244 включает прямоугольное поперечное сечение.

Кроме того, проточная ячейка 1224 включает теплообменник 1246 в тепловом контакте по меньшей мере с частью объема реактора 1244. Охлаждающая текучая среда 1248 (например, вода) вливается в теплообменник 1246 и поглощает тепло, генерируемое во время обработки технологического потока 1216 ультразвуком в объеме реактора 1244. В некоторых вариантах осуществления скорость потока охлаждающей текучей среды 1248 в теплообменнике 1246 контролируется для поддержания приблизительно постоянной температуры в объеме реактора 1244. Дополнительно или альтернативно, температура охлаждающей жидкости 1248, поступающей в теплообменник 1246, контролируется для поддержания приблизительно постоянной температуры в объеме реактора 1244. В некоторых вариантах осуществления температура объема реактора 1244 поддерживается при от 20 до 50°C, например, 25, 30, 35, 40 или 45°C. Дополнительно или альтернативно, в других частях всего процесса может быть использовано тепло, перенесенное на охлаждающую текучую среду 1248 из объема реактора 1244.

Переходный отсек 1226 обеспечивает гидравлическое сообщение между объемом реактора 1244 и бустером 1250, соединенным (например, механически соединенным с использованием фланца) с ультразвуковым преобразователем 1226. Например, переходный отсек 1226 может включать фланец и систему уплотнительных колец, расположенных так, чтобы создавать вакуум-плотное соединение между объемом реактора 1244 и бустером 1250. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковой преобразователь 1226 представляет собой высокомощный ультразвуковой преобразователь, изготовленный Hielscher Ultrasonics of Teltow, Германия.

В рабочем состоянии генератор 1252 доставляет электричество к ультразвуковому преобразователю 1252. Ультразвуковой преобразователь 1226 включает пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрическую энергию в звук в ультразвуковом диапазоне. В некоторых вариантах осуществления материалы обрабатывают ультразвуком с использованием звука, имеющего частоту от приблизительно 16 кГц до приблизительно 110 кГц, например, от приблизительно 18 кГц до приблизительно 75 кГц или от приблизительно 20 кГц до приблизительно 40 кГц (например, звука, имеющего частоту от 20 кГц до 40 кГц).

Затем ультразвуковую энергию доставляют в рабочую среду через бустер 1248.

Ультразвуковая энергия, проходящая через бустер 1248 в объеме реактора 1244, создает серию сжатий и разрежений технологического потока 1216 с интенсивностью, достаточной для обеспечения кавитации технологического потока 1216. Кавитация дезагрегирует целлюлозный материал, диспергированный в технологическом потоке 1216. Кавитация также приводит к продукции свободных радикалов в воде технологического потока 1216. Эти свободные радикалы действуют, далее разрушая целлюлозный материал в технологическом потоке 1216.

Как правило, к технологическому потоку 16, текущему со скоростью приблизительно 0,2 м³/с (приблизительно 3200 галлонов/мин), применяют ультразвуковую энергию, составляющую от 5 до 4000 МДж/м³, например, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 или 3000 МДж/м³. После воздействия ультразвуковой энергии в объеме реактора 1244, технологический поток 1216 покидает проточную ячейку 1224 выходной канал 1222. Второй насос 1230 перемещает технологический поток 1216 на последующую переработку (например, любой из нескольких насосов с вихревым рабочим колесом, изготовленных Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California).

Несмотря на то, что были описаны определенные варианты осуществления, возможны другие варианты осуществления.

В качестве примера, хотя технологический поток 1216 был описан в качестве единого пути течения, возможны другие схемы. Например, в некоторых вариантах осуществления технологический поток 1216 включает множество параллельных путей течения (например, с течением со скоростью 10 галлонов/мин (38 л/мин)). Дополнительно или альтернативно, множество параллельных путей течения технологического потока 1216 протекают в отдельных проточных ячейках и обрабатываются ультразвуком параллельно (например, с использованием множества ультразвуковых преобразователей по 16 кВт).

В качестве другого примера, хотя один ультразвуковой преобразователь 1226 был описан как соединенный с проточной ячейкой 1224, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления в проточной ячейке 1224 расположено множество ультразвуковых преобразователей 1226 (например, в проточной ячейке 1224 может быть расположено десять ультразвуковых преобразователей). В некоторых вариантах осуществления звуковые волны, сгенерированные множеством ультразвуковых преобразователей 1226, отрегулированы по времени (например, синхронизированы, чтобы они находились в разных фазах друг с другом) для усиления кавитационного действия на технологический поток 1216.

В качестве другого примера, хотя была описана единичная проточная ячейка 1224, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления второй насос 1230 перемещает технологический поток во вторую проточную ячейку, где второй бустер и ультразвуковой преобразователь далее обрабатывают ультразвуком технологический поток 1216.

В качестве другого примера, хотя объем реактора 1244 был описан как закрытый объем, в определенных вариантах осуществления объем реактора 1244 является открытым для окружающих условий. В таких вариантах осуществления предварительную обработку ультразвуком можно проводить по существу одновременно с другими способами предварительной обработки. Например, ультразвуковую энергию можно применять к технологическому потоку 1216 в объеме реактора 1244 одновременно с подачей в технологический поток 1216 электронных пучков.

В качестве другого примера, хотя описан поточный способ, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления обработку ультразвуком можно проводить в циклическом способе. Например, объем можно заполнять 10% (масса по объему) смесью биомассы в воде и подвергать воздействию звука с интенсивностью от приблизительно 50 Вт/см² до приблизительно 600 Вт/см², например, от приблизительно 75 Вт/см² до приблизительно 300 Вт/см² или от приблизительно 95 Вт/см² до приблизительно 200 Вт/см². Дополнительно или альтернативно, смесь в объеме можно обрабатывать ультразвуком в течение от приблизительно 1 часа до приблизительно 24 часов, например, от приблизительно 1,5 часов до приблизительно 12 часов или от приблизительно 2 часов до приблизительно 10 часов. В определенных вариантах осуществления материал обрабатывают ультразвуком в течение заданного периода времени, а затем позволяют стоять в течение второго заданного периода времени перед повторной обработкой ультразвуком.

Далее ссылаясь на ФИГ. 13, в некоторых вариантах осуществления два электроакустических преобразователя механически соединены с одним рупором. Как показано, пара пьезоэлектрических преобразователей 60 и 62 присоединена к щелевому прямоугольному рупору 64 соответствующими промежуточными соединительными рупорами 70 и 72, последние из которых также известны как вспомогательные рупоры. Механическая вибрация, обеспечиваемая преобразователями, отвечающими на высокочастотную электрическую энергию, применяемую к ним, передается соответствующим соединительным рупорам, которые могут быть сконструированы так, чтобы обеспечивать механическое усиление, например, с соотношением от 1 до 1,2. Рупоры представлены с соответствующими крепежными фланцами 74 и 76 для поддержания системы преобразователей и рупоров в стационарном корпусе.

Вибрация, передаваемая от преобразователей через соединительные или вспомогательные рупоры, передается входной поверхности 78 рупора и передается через рупор на расположенную напротив поверхность выхода 80, которая в процессе работы находится в вынужденном контакте с обрабатываемым объектом (не показано), к которому применяют вибрацию.

Высокочастотная электрическая энергия, обеспечиваемая источником энергии 82, подается к каждому из преобразователей, электрически соединенных параллельно, через компенсационный трансформатор 84 и соответствующие последовательно соединенные конденсаторы 86 и 90, причем один конденсатор соединен последовательно путем электрического соединения с каждым из преобразователей. Компенсационный трансформатор также известен как "balun", что означает "симметрирующее устройство". Компенсационный трансформатор включает магнитный сердечник 92 и пару идентичных катушек 94 и 96, также называемых первичной катушкой и вторичной катушкой, соответственно.

В некоторых вариантах осуществления преобразователи включают коммерчески доступные пьезоэлектрические преобразователи, такие как Branson Ultrasonics Corporation моделей 105 или 502, каждая из которых сконструирована для работы при 20 кГц и максимальной мощности 3 кВт. Разность потенциалов при включении питания для обеспечения максимальной динамической амплитуды на поверхности выхода преобразователя составляет 930 среднеквадратичных вольт. Электрический ток через преобразователь может варьировать между нулем и 3,5 ампер, в зависимости от сопротивления нагрузки. При 930 среднеквадратических вольт колебания на выходе составляют приблизительно 20 микрометров. Максимальное отклонение конечного напряжения для одной и той же динамической амплитуды, таким образом, может составлять 186 вольт. Такое отклонение в напряжении может приводить к большим блуждающим токам между преобразователями. Симметрирующее устройство 430 обеспечивает уравновешенное состояние путем обеспечения равного тока через преобразователи, таким образом, устраняя возможность блуждающих токов. Размер проволоки в катушке необходимо выбирать для тока максимальной нагрузки, указанного выше, и максимальная разность потенциалов, возникающая на входе катушки, составляет 93 вольт.

В качестве альтернативы применению ультразвуковой энергии можно использовать высокочастотные ротор-статорные устройства. Этот тип устройства генерирует микрокавитационные силы с большой силой сдвига, которые могут дезинтегрировать биомассу при контакте с такими силами. Два типа коммерчески доступных высокочастотных ротор-статорных устройств для диспергирования представляют собой устройства Supraton™, изготавливаемые Krupp Industrietechnik GmbH и поставляемые на рынок Dorr-Oliver Deutschland GmbH of Connecticut, и устройства Dispax™, изготавливаемые и поставляемые на рынок Ika-Works, Inc. of Cincinnati, Ohio. Работа такого микрокавитационного устройства рассмотрена в Stuart, патент США № 5370999.

Хотя ультразвуковой преобразователь 1226 описан как включающий один или несколько пьезоэлектрических активных элементов для генерирования ультразвуковой энергии, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковой преобразователь 1226 включает активные элементы, изготовленные из других типов магнитострикционного материала (например, черных металлов). Конструкция и работа такого высокомощного ультразвукового преобразователя рассмотрена в Hansen et al., патент США № 6624539. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая энергия переносится на технологический поток 16 посредством электрогидравлической системы.

Хотя ультразвуковой преобразователь 1226 описан, как применяющий электромагнитный ответ магнитострикционных материалов для продукции ультразвуковой энергии, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления к технологическому потоку 16 можно применять акустическую энергию в форме интенсивной ударной волны с использованием подводного разряда. В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая энергия переносится на технологический поток 16 через термодинамическую систему. Например, акустические волны с высокой плотностью энергии можно генерировать, применяя потенциал через замкнутый объем электролита, тем самым нагревая замкнутый объем и вызывая повышение давления, которое впоследствии передается через распространяющую звук среду (например, технологический поток 1216). Схема и работа такого термогидравлического преобразователя рассмотрена в Hartmann et al., патент США 6383152.

Пиролиз

Одну или несколько последовательностей обработки пиролизом можно использовать для переработки биомассы из множества различных источников для экстракции из биомассы полезных веществ и для получения частично разрушенного органического материала, который служит в качестве входящего потока для последующих стадий и/или последовательностей переработки.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 8, в одном способе первый материал биомассы 2, который включает целлюлозу, имеющую первую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N1), подвергают пиролизу, например, нагреванием первого материала в трубчатой печи, с получением второго материала 3, который включает целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N2) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Второй материал (или в определенных вариантах осуществления первый и второй материал) смешивают с микроорганизмом (например, бактерией или дрожжами), который может утилизировать второй и/или первый материал, продуцируя продукт 5.

Поскольку второй материал биомассы имеет целлюлозу, имеющую сниженную молекулярную массу относительно первого материала и, в некоторых случаях, также уменьшенную кристалличность, второй материал, как правило, является более диспергируемым, набухающим и/или растворимым в растворе, содержащем микроорганизм, например, более 10⁶ микроорганизмов/мл. Эти свойства делают второй материал 3 более подверженным химическому, ферментативному и/или микробному воздействию относительно первого материала 2, что может в значительной степени повысить скорость продукции и/или уровень продукции желаемого продукта, например, этанола. Пиролиз также может стерилизовать первый и второй материалы.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисленная молекулярная масса (^ТM_N2) является более низкой, чем первая среднечисленная молекулярная масса (^TM_N1) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50%, 60% или даже более чем приблизительно на 75%.

В некоторых случаях второй материал имеет целлюлозу, обладающую кристалличностью (^TC₂), которая является более низкой, чем кристалличность (^TC₁) целлюлозы первого материала. Например, (^TC₂) может быть более низкой, чем (^TC₁) более чем приблизительно на 10%, например, 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже более чем приблизительно на 50%.

В некоторых вариантах осуществления исходный индекс кристалличности (перед пиролизом) составляет от приблизительно 40 до приблизительно 87,5%, например, от приблизительно 50 до приблизительно 75% или от приблизительно 60 до приблизительно 70%, и индекс кристалличности после облучения составляет от приблизительно 10 до приблизительно 50%, например, от приблизительно 15 до приблизительно 45% или от приблизительно 20 до приблизительно 40%. Однако, в определенных вариантах осуществления, например, после экстенсивного пиролиза, индекс кристалличности может составлять менее чем 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после пиролиза является по существу аморфным.

В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед пиролизом) составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например, от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000, и среднечисленная молекулярная масса после пиролиза составляет от приблизительно 50000 до приблизительно 200000, например, от приблизительно 60000 до приблизительно 150000 или от приблизительно 70000 до приблизительно 125000. Однако, в некоторых вариантах осуществления например, после экстенсивного пиролиза, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второй материал может иметь уровень окисления (^TO₂), превышающий уровень окисления (^TO₁) первого материала. Более высокий уровень окисления материала может способствовать его способности к диспергированию, набуханию и/или растворению, далее усиливая подверженность материалов химическому, ферментативному или микробному воздействию. В некоторых вариантах осуществления, для повышения уровня окисления второго материала относительно первого материала, пиролиз проводят в окислительной атмосфере, получая второй материал, который является более окисленным, чем первый материал. Например, второй материал может иметь большее количество гидроксильных групп, альдегидных групп, групп кетонов, групп сложных эфиров или групп карбоновых кислот, которые могут повышать его гидрофильность.

В некоторых вариантах осуществления пиролиз материалов является постоянным. В других вариантах осуществления материал подвергают пиролизу в течение заданного периода времени, а затем ему позволяют охладиться в течение второго заданного периода времени перед повторным пиролизом.

Системы для пиролиза

На ФИГ.14 представлена технологическая схема 6000, которая включает различные стадии пиролитической системы для предварительной обработки сырья. На первой стадии 6010, из источника исходного материала подается сухое сырье.

Как описано выше, перед доставкой в камеру для пиролиза сухая биомасса из источника исходного материала может быть предварительно переработанной. Например, если биомасса получена из растительных источников, определенные части растительного материала могут быть удалены перед сбором растительного материала и/или перед доставкой растительного материала в устройство для транспортировки сырья. Альтернативно или дополнительно, сырье биомассы можно подвергать механической переработке 6020 (например, для снижения средней длины волокон в сырье) перед доставкой в камеру для пиролиза.

После механической переработки биомасса проходит стадию коррекции влажности 6030. Характер стадии коррекции влажности зависит от содержания влаги в механически переработанной биомассе. Как правило, пиролиз биомассы происходит наиболее эффективно, когда содержание влаги в сырье составляет от приблизительно 10% до приблизительно 30% (например, от 15% до 25%) по массе сырья. Если содержание влаги в сырье превышает приблизительно 40 масс.%, избыточная тепловая нагрузка, обеспечиваемая содержанием воды в биомассе, повышает расход энергии на последующих стадиях пиролиза.

В некоторых вариантах осуществления, если биомасса имеет содержание влаги, превышающее 30 масс.%, можно примешивать к нему более сухой материал биомассы 6220, который имеет низкое содержание влаги, получая смешанное сырье на стадии 6030 со средним содержанием влаги, которое находится в пределах, указанных выше. В определенных вариантах осуществления биомассу с высоким содержанием влаги можно просто сушить, распределяя материал биомассы на двигающемся конвейере, который циклически пропускает биомассу через встроенный в линию нагревательный элемент. Нагревательный элемент выпаривает часть воды, присутствующей в сырье.

В некоторых вариантах осуществления, если биомасса со стадии 6020 имеет содержание влаги, которое является слишком низким (например, ниже чем приблизительно 10 масс.%), механически переработанную биомассу можно объединять с более влажным материалом сырья 6230, с более высоким содержанием влаги, таким как отстой сточных вод. Альтернативно или дополнительно, для увеличения содержания влаги в сухую биомассу стадии 6020 можно добавлять воду 6240.

На стадии 6040 биомасса - теперь с содержанием в нем влаги, скорректированным для того, чтобы оно попадало в приемлемые пределы - может предварительно нагреваться на необязательной стадии предварительного нагревания 6040. Стадию обработки 6040 можно использовать для повышения температуры биомассы до 75-150°C при подготовке для последующего пиролиза биомассы. В зависимости от природы сырья и конкретной конструкции камеры для пиролиза, предварительное нагревание биомассы может обеспечить, чтобы распределение тепла в биомассе оставалось в ходе пиролиза более однородным, и может снизить тепловую нагрузку на камеру для пиролиза.

Затем сырье транспортируется в камеру для пиролиза для прохождения пиролиза на стадии 6050. В некоторых вариантах осуществления транспортировке сырья способствуют добавлением в поток сырья одного или нескольких сжатых газов 6210. Газы создают градиент давления в канале для транспортировки сырья, продвигая сырье в камеру для пиролиза (и даже через камеру для пиролиза). В определенных вариантах осуществления транспортировка сырья происходит механически; а именно, сырье в камеру для пиролиза транспортирует система транспортировки, которая включает конвейер, такой как винтовой транспортер.

Также в сырье можно добавлять другие газы 6210 перед камерой для пиролиза. В некоторых вариантах осуществления, например, к сырью можно добавлять один или несколько каталитических газов для способствования разложению сырья в процессе пиролиза. В определенных вариантах осуществления в сырье можно добавлять одно или несколько поглотителей для улавливания летучих материалов, высвобождающихся в процессе пиролиза. Например, в ходе пиролиза могут высвобождаться различные соединения на основе серы, такие как сульфиды, и в сырье можно добавлять такое средство, как газообразный водород для обеспечения десульфуризации продуктов пиролиза. Водород соединяется с сульфидами с образованием газообразного сероводорода, который можно удалять из подвергнутого пиролизу сырья.

Пиролиз сырья в камере может включать нагревание сырья до относительно высоких температур для обеспечения частичного разложения сырья. Как правило, сырье нагревается до температуры в диапазоне от 150°C до 1100°C. Температура, до которой сырье нагревается, зависит от ряда факторов, включающих состав сырья, средний размер частиц сырья, содержание влаги и желаемые продукты пиролиза. Для многих типов сырья биомассы используют, например, температуры пиролиза от 300°C до 550°C.

Время нахождения сырья в камере для пиролиза, как правило, зависит от ряда факторов, включая температуру пиролиза, состав сырья, средний размер частиц сырья, содержание влаги и желаемые продукты пиролиза. В некоторых вариантах осуществления материалы сырья подвергают пиролизу при температуре немного выше температуры разложения материала в инертной атмосфере, например, от приблизительно 2°C до приблизительно 10°C выше температуры разложения или от приблизительно 3°C до приблизительно 7°C выше температуры разложения. В таких вариантах осуществления материал, как правило, выдерживают при этой температуре в течение более чем 0,5 часа, например, более 1,0 часа или более чем приблизительно 2,0 часа. В других вариантах осуществления материалы подвергаются пиролизу при температуре, значительно превышающей температуру разложения материала в инертной атмосфере, например, от приблизительно 75°C до приблизительно 175°C выше температуры разложения или от приблизительно 85°C до приблизительно 150°C выше температуры разложения. В таких вариантах осуществления материал, как правило, держат при этой температуре в течение менее 0,5 часа, например, менее 20 минут, менее 10 минут, менее 5 минут или менее 2 минут. В других вариантах осуществления материалы подвергаются пиролизу при крайней температуре, например, от приблизительно 200°C до приблизительно 500°C выше температуры разложения материала в инертной окружающей среде или от приблизительно 250°C до приблизительно 400°C выше температуры разложения. В таких вариантах осуществления материал обычно выдерживают при этой температуре менее 1 минуты, например, менее 30 секунд, менее 15 секунд, менее 10 секунд, менее 5 секунд, менее 1 секунды или менее 500 мс. Такие варианты осуществления, как правило, называют мгновенным пиролизом.

В некоторых вариантах осуществления сырье в камере нагревается относительно быстро до выбранной температуры пиролиза. Например, камера может быть сконструирована для нагревания сырья со скоростью от 500°C/с до 11000°C/с. Типичные скорости нагревания происходящего из биомассы материала сырья составляют, например, от 500°C/с до l000°C/c.

Турбулентное течение материала сырья в камере для пиролиза обычно является преимущественным, поскольку оно обеспечивает относительно эффективную передачу тепла материалу сырья от нагревающей подсистемы. Турбулентного течения можно достигать, например, прогоняя материал сырья через камеру с использованием одного или нескольких нагнетаемых газов-носителей 6210. Как правило, газы-носители являются относительно инертными в отношении материала сырья, даже при высоких температурах в камере для пиролиза. Иллюстративные газы-носители включают, например, азот, аргон, метан, монооксид углерода и диоксид углерода. Альтернативно или дополнительно, механические системы транспортировки, такие как винтовые транспортеры, могут транспортировать сырье и осуществлять его циркуляцию в камере для пиролиза, создавая турбулентное течение сырья.

В некоторых вариантах осуществления пиролиз сырья происходит по существу в отсутствии кислорода и других реактивных газов. Кислород может удаляться из камеры для пиролиза периодическим продуванием камеры азотом под высоким давлением (например, при давлении азота 2 бара или более). После продувания камеры газовая смесь, присутствующая в камере для пиролиза (например, в процессе пиролиза сырья), может включать менее 4 мол.% кислорода (например, менее 1 мол.% кислорода и даже менее 0,5 мол.% кислорода). Отсутствие кислорода обеспечивает отсутствие возгорания сырья при повышенных температурах пиролиза.

В определенных вариантах осуществления в сырье могут подаваться и присутствовать в процессе пиролиза относительно небольшие количества кислорода. Этот способ называют окислительным пиролизом. Как правило, окислительный пиролиз протекает в несколько стадий нагревания. Например, на первой стадии нагревания сырье нагревается в присутствии кислорода для обеспечения частичного окисления сырья. Эта стадия расходует доступный кислород в камере для пиролиза. Затем на последующих стадиях нагревания температуру сырья повышают далее. Однако вследствие расхода всего кислорода в камере, возгорания сырья не происходит, и происходит пиролитическое разложение сырья без возгорания (например, с образованием углеводородных продуктов). Как правило, процесс нагревания сырья в камере для пиролиза для инициации разложения является эндотермическим. Однако при окислительном пиролизе образование диоксида углерода путем окисления сырья является экзотермическим процессом. Тепло, высвобождаемое при образовании диоксида углерода, может способствовать дальнейшим стадиям нагревания при пиролизе, тем самым снижая тепловую нагрузку, обеспечиваемую сырьем.

В некоторых вариантах осуществления пиролиз протекает в инертном окружении, например, при окружении материалов сырья аргоном или газообразным азотом. В определенных вариантах осуществления пиролиз может протекать в окислительной окружающей среде, такой как воздух или аргон, обогащенный воздухом. В некоторых вариантах осуществления пиролиз может протекать в восстанавливающих окружающих условиях, например, при окружении материалов сырья газообразным водородом. Для способствования пиролизу, к материалу до или в процессе пиролиза можно добавлять различные химические вещества, такие как окислители, восстановители, кислоты или основания. Например, можно добавлять серную кислоту или можно добавлять пероксид (например, бензоилпероксид).

Как рассмотрено выше, можно использовать множество различных условий переработки, в зависимости от таких факторов, как состав сырья и желаемые продукты пиролиза. Например, для содержащего целлюлозу материала сырья можно использовать относительно мягкие условия пиролиза, включая температуры мгновенного пиролиза от 375°C до 450°C, и время нахождения менее 1 секунды. В качестве другого примера, для органического твердого материала отходов, такого как отстой сточных вод, обычно используют температуры мгновенного пиролиза от 500°C до 650°C, при времени нахождения между 0,5 и 3 секунд. Как правило, многие из параметров процесса пиролиза, включая время нахождения, температуру пиролиза, турбулентность сырья, содержание влаги, состав сырья, состав продуктов пиролиза и совокупный состав газов, могут регулироваться автоматически системой регуляторов и автоматизированной системой контроля.

После стадии пиролиза 6050 продукты пиролиза проходят стадию гашения 6250 для снижения температуры продуктов перед дальнейшей переработкой. Как правило, стадия гашения 6250 включает обрызгивание продуктов пиролиза потоками охлаждающей воды 6260. Охлаждающая вода также образует суспензию, которая включает твердый нерастворенный материал и различные растворенные продукты. Также в потоке продуктов присутствует смесь, которая включает различные газы, в том числе газообразные продукты, газы-носители и другие типы технологических газов.

Поток продуктов транспортируется через встроенный в линию газопровод в газоотделитель, который осуществляет стадию отделения газов 6060, на которой газообразные продукты и другие газы отделяются от суспензии, образованной при гашении продуктов пиролиза. Отделенная смесь газов необязательно направляется в вентилятор 6130, который повышает давление газа путем продувания смеси воздухом. Смесь газов можно подвергать стадии фильтрации 6140, на которой смесь газов проходит через один или несколько фильтров (например, фильтров с активированным углем) для удаления частиц и других примесей. На следующей стадии 6150 фильтрованный газ может подвергаться сжатию и храниться до применения. Альтернативно фильтрованный газ может подвергаться дальнейшим стадиям переработки 6160. Например, в некоторых вариантах осуществления фильтрованный газ может подвергаться конденсации для отделения различных газообразных соединений из смеси газов. Различные соединения могут включать, например, различные углеводородные продукты (например, спирты, алканы, алкены, алкины, простые эфиры), образованные в процессе пиролиза. В определенных вариантах осуществления фильтрованный газ, содержащий смесь углеводородных компонентов, может быть объединен с парогазом 6170 (например, смесью водяного пара и кислорода) и подвергаться процессу крекинга для снижения молекулярной массы углеводородных компонентов.

В некоторых вариантах осуществления камера для пиролиза включает источники тепла, которые сжигают углеводородные газы, такие как метан, пропан и/или бутан, нагревая сырье. Часть 6270 отделенных газов может рециркулировать в камере для пиролиза для сгорания, генерируя технологическое тепло для поддержания процесса пиролиза.

В определенных вариантах осуществления в камеру для пиролиза может подаваться технологическое тепло, которое может быть использовано для повышения температуры материалов сырья. Например, облучение сырья радиационном излучением (например, гамма-излучением, облучением пучком электронов или другими типами радиационного облучения) может нагревать материалы сырья до относительно высоких температур. Нагретые материалы сырья могут охлаждаться системой теплообмена, которая удаляет часть избыточного тепла из облученного сырья. Система теплообмена может быть адаптирована для транспортировки части тепловой энергии в камеру для пиролиза для нагревания (или предварительного нагревания) материала сырья, снижая, тем самым, расход энергии на процесс пиролиза.

Суспензия, содержащая жидкие и твердые продукты пиролиза, может подвергаться необязательной стадии обезвоживания 6070, в которой избыток воды может быть удален из суспензии с помощью таких процессов, как механическое сжатие и выпаривание. Избыток воды 6280 может фильтроваться, а затем рециркулировать для дальнейшего применения при гашении продуктов разложения пиролиза на стадии 6250.

Затем обезвоженная суспензия проходит стадию механического разделения 6080, на которой твердый материал продукта 6110 отделяется от жидкого материала продукта 6090 с помощью серии фильтров тонкой очистки с возрастанием степени очистки. На стадии 6100 жидкий материал продукта 6090 может впоследствии конденсироваться (например, выпариванием) для удаления отработанной воды 6190 и очищаться такими способами, как экстракция. Экстракция может включать добавление одного или нескольких органических растворителей 6180, например, для отделения продуктов, таких как масла, от таких продуктов, как спирты. Пригодные органические растворители включают, например, различные углеводороды и галогенуглеводороды. Затем очищенные жидкие продукты 6200 могут подергаться дальнейшим стадиям переработки. Отработанная вода 6190 может фильтроваться, если необходимо, и рециркулировать для дальнейшего применения при гашении продуктов разложения путем пиролиза на стадии 6250.

После отделения на стадии 6080 твердый материал продукта 6110 необязательно подвергается стадии высушивания 6120, которая может включать выпаривание воды. Затем твердый материал 6110 может быть сохранен для последующего применения, или он может подвергаться дальнейшим стадиям переработки, в зависимости от ситуации.

Параметры процесса пиролиза, рассмотренные выше, являются иллюстративными. Как правило, величины этих параметров могут широко варьировать, в зависимости от природы сырья и желаемых продуктов. Более того, можно использовать множество различных способов пиролиза, включая применение источников тепла, таких как пламя углеводородов и/или печи, инфракрасные лазеры, микроволновые нагреватели, индукционные нагреватели, резистивные нагреватели и другие нагревающие устройства и конфигурации.

Для разложения сырья можно использовать множество различных камер для пиролиза. В некоторых вариантах осуществления, например, пиролиз сырья может включать нагревание материала с использованием резистивного нагревательного элемента, такого как металлическая нить или металлическая лента. Нагревание может происходить путем прямого контакта между резистивным нагревательным элементом и материалом.

В определенных вариантах осуществления пиролиз может включать нагревание материала путем индукции, например, с использованием пиролизера по точке Кюри. В некоторых вариантах осуществления пиролиз может включать нагревание материала путем применения радиационного излучения, такого как инфракрасное радиационное излучение. Радиационное излучение может генерироваться лазером, таким как инфракрасный лазер.

В определенных вариантах осуществления пиролиз может включать нагревание материала конвективной теплотой. Конвективная теплота может образовываться протекающим потоком нагретого газа. Нагретый газ может поддерживаться при температуре менее чем приблизительно 1200°C, например, менее чем приблизительно 1000°C, менее 750°C, менее 600°C, менее 400°C или даже менее 300°C. Нагретый газ может поддерживаться при температуре выше чем приблизительно 250°C. Конвективное тепло может генерироваться нагретым телом, окружающим первый материал, например, как в печи.

В некоторых вариантах осуществления пиролиз может включать нагревание материала паром при температуре выше, чем приблизительно 250°C.

Вариант осуществления камеры для пиролиза представлен на ФИГ. 15. Камера 6500 включает изолированную стенку камеры 6510 с вентиляционным отверстием 6600 для отработанных газов, множество топок 6520, которые генерируют тепло для процесса пиролиза, транспортный канал 6530 для транспортировки сырья через камеру 6500, винтовой транспортер 6590 для транспортировки сырья через канал 6530 в турбулентном потоке, и систему для гашения 6540, которая включает винтовой транспортер 6610 для транспортировки продуктов пиролиза, водяные форсунки 6550 для обрызгивания продуктов пиролиза охлаждающей водой, и газовый сепаратор для отделения газообразных продуктов 6580 от суспензии 6570, содержащей твердые и жидкие продукты.

Другой вариант осуществления камеры для пиролиза представлен на ФИГ. 16. Камера 6700 включает изолированную стенку камеры 6710, канал для подачи сырья 6720, наклонную внутреннюю стенку камеры 6730, топки 6740, которые генерируют тепло для процесса пиролиза, вентиляционное отверстие 6750 для отработанных газов, и газовый сепаратор 6760 для отделения газообразных продуктов 6770 от жидких и твердых продуктов 6780. Камера 6700 адаптирована для вращения в направлении, показанном стрелкой 6790, для обеспечения надлежащего перемешивания и турбулентного потока сырья в камере.

Следующий вариант осуществления камеры для пиролиза представлен на ФИГ. 17. Филаментный пиролизер 1712 включает держатель образца 1713 с резистивным нагревающим элементом 1714 в форме проволоки, намотанной вокруг открытого пространства, определяемого держателем образца 1713. Необязательно, нагретый элемент может вращаться вокруг оси 1715 (как указано стрелкой 1716) для переворачивания материала, который включает целлюлозный материал, в держателе образца 1713. Пространство 1718, определяемое ограждением 1719, поддерживается при температуре выше комнатной температуры, например, от 200 до 250°C. При обычном применении газ-носитель, например, инертный газ, или окислительный или восстановительный газ, двигается в поперечном направлении через держатель образца 1713, в то время как рестриктивный нагревающий элемент вращается и нагревается до желаемой температуры, например, 325°C. После соответствующего периода времени, например, от 5 до 10 минут, пиролизованный материал удаляется из держателя образца. Систему, представленную на ФИГ. 17, можно масштабировать и делать непрерывной. Например, вместо проволоки в качестве нагревательного элемента, нагревательный элемент может представлять собой винт винтового транспортера. Материал может постоянно попадать в держатель образца, сталкиваясь с нагретым винтом, который осуществляет пиролиз материала. В то же время винт может выталкивать пиролизованный материал из держателя образца, позволяя вхождение нового непиролизованного материала.

Другой вариант осуществления камеры для пиролиза представлен на ФИГ. 18, на которой показан пиролизер по точке Кюри 1820, который включает камеру для образца 1821, в которой находится ферромагнитная фольга 1822. Камеру для образца 1821 окружает радиочастотная катушка 1823. Пространство 1824, определяемое ограждением 1825, поддерживается при температуре выше комнатной температуры, например, от 200 до 250°C. При обычном применении газ-носитель двигается в поперечном направлении через держатель образца 1821, в то время как фольга 1822 подвергается индуктивному нагреванию применяемым радиочастотным полем для пиролиза материала при желаемой температуре.

Другой вариант осуществления камеры для пиролиза представлен на ФИГ. 19. Печной пиролизер 130 включает подвижный держатель образца 131 и печь 132. При обычном применении образец опускается (как указано стрелкой 137) в зону нагрева 135 печи 132, в то время как газ-носитель заполняет кожух 136 и двигается в поперечном направлении через держатель образца 131. Образец нагревается до желаемой температуры в течение желательного периода времени для получения пиролизованного продукта. Пиролизованный продукт удаляется из пиролизера путем поднятия держателя образца (как указано стрелкой 134).

В определенных вариантах осуществления, как показано на ФИГ. 20, целлюлозную мишень 140 можно подвергать пиролизу путем обработки мишени, которая содержится в вакуумной камере 141, лазерным излучением, например, излучением, имеющим длину волны от приблизительно 225 нм до приблизительно 1500 нм. Например, мишень можно разрушать при 266 нм с использованием четвертой гармонической волны лазера Nd-YAG (Spectra Physics, GCR170, San Jose, Calif). Показанная оптическая конфигурация позволяет практически монохроматическому свету 143, сгенерированному лазером 142, направляться с использованием зеркал 144 и 145 на мишень после прохождения через линзу 146 в вакуумной камере 141. Как правило, давление в вакуумной камере поддерживается на уровне менее 10^-6 мм рт. ст. В некоторых вариантах осуществления используют инфракрасное излучение, например, излучение из лазера Nd-YAG, составляющее 1,06 микрометров. В таких вариантах осуществления с целлюлозным материалом можно смешивать чувствительный к инфракрасному излучению краситель, с получением целлюлозной мишени. Инфракрасный краситель может усиливать нагревание целлюлозного материала. Разрушение лазером описано Blanchet-Fincher et al. в патенте США № 5942649.

Ссылаясь на ФИГ. 21, в некоторых вариантах осуществления целлюлозный материал может подвергаться мгновенному пиролизу путем покрытия вольфрамовой нити 150, такой как вольфрамовая нить от 5 до 25 мм, желаемым целлюлозным материалом, в то время как материал содержится в вакуумной камере 151. Для обеспечения пиролиза через нить пропускают ток, который вызывает быстрое нагревание нити в течение желаемого периода времени. Как правило, нагревание продолжают в течение секунд, а затем нити позволяют остыть. В некоторых вариантах осуществления нагревание проводят несколько раз для обеспечения желаемой степени пиролиза.

В определенных вариантах осуществления углеводсодержащий материал биомассы может нагреваться в отсутствии кислорода в реакторе с псевдоожиженным слоем. Если желательно, углеводсодержащая биомасса может иметь относительно тонкие поперечные срезы и может включать любые из волокнистых материалов, описанных в настоящем описании, для эффективного переноса тепла. Материал можно нагревать путем теплообмена от горячих металлических или керамических, например стеклянных, гранул или песка в реакторе, и полученные пиролизованные жидкость или масло могут транспортироваться в центральную производственную установку для изготовления продукта.

Окисление

Для переработки исходного сырья из множества различных источников в целях экстракции из сырья полезных веществ и получения частично разрушенного органического материала, который служит в качестве входящего потока для дальнейших стадий и/или последовательностей переработки, можно использовать одну или несколько последовательностей окислительной переработки.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 8, в одном способе первый материал биомассы 2, который включает целлюлозу, имеющую первую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N1) и имеющую первое содержание кислорода (^TO₁), подвергают окислению, например, нагреванием первого материала в трубчатой печи в потоке воздуха или обогащенного кислородом воздуха, с получением второго материала 3, который включает целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу (^TM_N2) и имеющую второе содержание кислорода (^TO₂) ниже, чем первое содержание кислорода (^TO₁). Второй материал (или, в определенных вариантах осуществления первый и второй материал) можно, например, смешивать с материалом, таким как микроорганизм, с получением композита 4 или другого продукта 5. Обеспечение более высокого уровня окисления может повысить способность к диспергированию окисленного материала, например, в растворителе.

Такие материалы также можно комбинировать с твердым веществом и/или жидкостью. Например, жидкость может быть в форме раствора, а твердое вещество может быть в форме частиц. Жидкость и/или твердое вещество могут включать микроорганизм, например, бактерию и/или фермент. Например, бактерия и/или фермент могут действовать на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, продуцируя продукт, такой как белок. Иллюстративные продукты описаны в FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, USSN 11/453951, поданной 15 июня 2006 года.

В некоторых вариантах осуществления вторая среднечисленная молекулярная масса не более чем на 97% ниже первой среднечисленной молекулярной массы, например, не более чем на 95%, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12,5, 10,0, 7,5, 5,0, 4,0, 3,0, 2,5, 2,0 или не более чем на 1,0% ниже первой среднечисленной молекулярной массы. Величина снижения молекулярной массы зависит от применения.

Например, в некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед окислением) составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например, от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000, и среднечисленная молекулярная масса после пиролиза составляет от приблизительно 175000 до приблизительно 3000000, например, от приблизительно 200000 до приблизительно 750000 или от приблизительно 225000 до приблизительно 600000.

Используемые смолы могут представлять собой термореактивные пластмассы или термопластичные пластмассы. Примеры термопластичных смол включают неупругие и эластомерные термопластичные пластмассы. Неупругие термопластичные пластмассы включают полиолефины (например, полиэтилен, полипропилен или сополимеры полиолефина), полиэфиры (например, терефталат полиэтилена), полиамиды (например, нейлон 6, 6/12 или 6/10) и полиэтиленимины. Примеры эластомерных термопластичных смол включают эластомерные стироловые сополимеры (например, сополимеры стирол-этилен-бутилен-стирол), полиамидные эластомеры (например, сополимеры полиэфир-полиамид) и сополимеры этилен-винилацетат.

В конкретных вариантах осуществления используют лигнин, например, любой лигнин, который образуется в любом из способов, описанных в настоящем описании.

В некоторых вариантах осуществления термопластичная смола имеет скорость потока в расплавленном состоянии от 10 г/10 минут до 60 г/10 минут, например, от 20 г/10 минут до 50 г/10 минут или от 30 г/10 минут до 45 г/10 минут, при измерении с использованием ASTM 1238. В определенных вариантах осуществления можно использовать совместимые смеси любых из указанных выше термопластических смол.

В некоторых вариантах осуществления термопластичная смола имеет индекс полидисперсности (PDI), например, отношение средневзвешенной молекулярной массы к среднечисленной молекулярной массе, более 1,5, например, более 2,0, более 2,5, более 5,0, более 7,5 или даже более 10,0.

В конкретных вариантах осуществления в качестве термопластичной смолы используют полиолефины или смеси полиолефинов.

Примеры термореактивных смол включают природный каучук, бутадиеновый каучук и полиуретаны.

В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед окислением) составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например, от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000, и среднечисленная молекулярная масса после пиролиза составляет от приблизительно 50000 до приблизительно 200000, например, от приблизительно 60000 до приблизительно 150000 или от приблизительно 70000 до приблизительно 125000. Однако, в некоторых вариантах осуществления, например, после экстенсивного окисления, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем приблизительно 10000 или даже менее чем приблизительно 5000.

В некоторых вариантах осуществления второе содержание кислорода по меньшей мере приблизительно на пять процентов превышает первое содержание кислорода, например, превышает на 7,5%, 10,0%, 12,5%, 15,0% или 17,5%. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления второе содержание кислорода по меньшей мере приблизительно на 20,0% превышает содержание кислорода в первом материале. Содержание кислорода измеряют элементным анализом путем пиролиза образца в печи, работающей при 1300°C или более. Пригодным устройством для элементного анализа является анализатор LECO CHNS-932 с печью для высокотемпературного пиролиза VTF-900.

В некоторых вариантах осуществления окисление первого материала 200 не приводит к существенному изменению кристалличности целлюлозы. Однако в некоторых случаях, например, после чрезмерного окисления, второй материал имеет целлюлозу, обладающую кристалличностью (^TC₂) ниже кристалличности (^TC₁) целлюлозы первого материала. Например, (^TC₂) может быть ниже чем (^TC₁) приблизительно более чем на 5%, например, на 10, 15, 20 или даже 25%. Это может быть желательным для повышения растворимости материалов в жидкости, такой как жидкость, которая включает бактерию и/или фермент.

В некоторых вариантах осуществления исходный индекс кристалличности (перед окислением) составляет от приблизительно 40 до приблизительно 87,5%, например, от приблизительно 50 до приблизительно 75% или от приблизительно 60 до приблизительно 70%, и индекс кристалличности после окисления составляет от приблизительно 30 до приблизительно 75,0%, например, от приблизительно 35,0 до приблизительно 70,0% или от приблизительно 37,5 до приблизительно 65,0%. Однако, в определенных вариантах осуществления, например, после экстенсивного окисления, индекс кристалличности может составлять менее чем 5%. В некоторых вариантах осуществления материал после окисления является по существу аморфным.

Без связи с какой-либо конкретной теорией, полагают, что окисление повышает количество образующих водородные связи групп на целлюлозе, таких как гидроксильные группы, альдегидные группы, группы кетонов, группы карбоновых кислот или ангидридные группы, которые могут повысить ее способность к диспергированию и/или ее растворимость (например, в жидкости). Для дальнейшего повышения способности к диспергированию в смоле, смола может включать компонент, который включает образующие водородные связи группы, такие как одна или несколько ангидридных групп, групп карбоновых кислот, гидроксильных групп, амидных групп, аминогрупп или смесей любых из этих групп. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления компонент включает полимер, сополимеризованный с малеиновым ангидридом и/или имеющий привитый малеиновый ангидрид. Такие материалы доступны от Dupont под торговым названием FUSABOND®.

Как правило, окисление первого материала 200 происходит в окислительной среде. Например, окисления можно достигать с помощью пиролиза в окислительной среде, или ему может способствовать пиролиз в окислительной среде, такой как воздух или аргон, обогащенный воздухом. Для способствования окислению к материалу перед окислением или в процессе окисления можно добавлять различные химические вещества, такие как окислители, кислоты или основания. Например, перед окислением можно добавлять пероксид (например, бензоилпероксид).

Системы для окисления

На ФИГ. 22 представлена технологическая схема 5000, которая включает различные стадии в системе окислительной предварительной обработки сырья. На первой стадии 5010 из источника исходного материала подается сухое сырье. Источник исходного материала может включать, например, платформу или контейнер для хранения, которые соединены с совмещенным реактором для окисления через конвейерную ленту или другое устройство для транспортировки сырья.

Как описано выше, перед доставкой в реактор для окисления сухое сырье из источника исходного материала может быть предварительно обработанным. Например, если сырье получено из растительных источников, определенные части растительного материала могут удаляться перед сбором растительного материала и/или перед доставкой растительного материала в устройство для транспортировки сырья. Альтернативно или дополнительно, сырье биомассы можно подвергать механической переработке (например, для снижения средней длины волокон в сырье) перед доставкой в реактор для окисления.

После механической переработки 5020 сырье 5030 транспортируется в систему для перемешивания, которая подает воду 5150 в сырье в процессе механического перемешивания. Объединение воды с переработанным сырьем на стадии перемешивания 5040 приводит к водной суспензии 5050 сырья, которую затем можно обрабатывать одним или несколькими окислителями.

Как правило, в смесь добавляют один литр воды на каждые от 0,02 кг до 1,0 кг сухого сырья. Соотношение сырья и воды в смеси зависит от источника сырья и конкретных окислителей, используемых далее в процессе в целом. Например, при обычных промышленных последовательностях переработки лигноцеллюлозной биомассы, водная суспензия 5050 сырья включает от приблизительно 0,5 кг до приблизительно 1,0 кг сухой биомассы на литр воды.

В некоторых вариантах осуществления, также на стадии перемешивания сырья 5040, в суспензию сырья может добавляться одна или несколько защищающих волокна добавок 5170. Защищающие волокна добавки способствуют снижению деградации определенных типов волокон биомассы (например, целлюлозных волокон) в процессе окисления сырья. Защищающие волокна добавки можно использовать, например, если желаемый продукт переработки лигноцеллюлозного сырья включает целлюлозные волокна. Иллюстративные защищающие волокна добавки включают соединения магния, такие как гидроксид магния. Концентрации защищающих волокна добавок в суспензии 5050 сырья могут составлять, например, от 0,1% до 0,4% сухой массы сырья биомассы.

В определенных вариантах осуществления водную суспензию 5050 сырья можно подвергать необязательной экстракции 5180 органическим растворителем для удаления из суспензии нерастворимых в воде веществ. Например, экстракция суспензии 5050 одним или несколькими органическими растворителями приводит к очищенной суспензии и потоку органических отходов 5210, который включает нерастворимые в воде материалы, такие как жиры, масла и другие неполярные вещества на основе углеводородов. Пригодные растворители для проведения экстракции суспензии 5050 включают, например, различные спирты, углеводороды и галогенуглеводороды.

В некоторых вариантах осуществления водную суспензию 5050 сырья можно подвергать необязательной термической обработке 5190 для дальнейшей подготовки сырья к окислению. Пример термической обработки включает нагревание суспензии сырья в присутствии сжатого пара. В волокнистом сырье биомассы сжатый пар обеспечивает набухание волокон, экспонируя большую часть поверхностей волокон водному растворителю и окислителям, которые подаются на последующих стадиях переработки.

В определенных вариантах осуществления водную суспензию сырья 5050 можно подвергать необязательной обработке основными веществами 5200. Обработка одним или несколькими основными веществами может облегчить отделение лигнина от целлюлозы в лигноцеллюлозном сырье биомассы, тем самым улучшая последующее окисление сырья. Иллюстративные основные вещества включают гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, такие как гидроксид натрия, гидроксид калия и гидроксид кальция. Как правило, можно использовать множество основных веществ, обычно в концентрациях от приблизительно 0,01% до приблизительно 0,5% сухой массы сырья.

Водная суспензия 5050 сырья транспортируется (например, через встроенную в линию систему труб) в камеру, которая может представлять собой камеру для предварительной окислительной переработки или реактор для окисления. На стадии предварительной окислительной переработки 5060 в жидкую суспензию 5050 добавляется один или несколько окислителей 5160 с образованием окислительной среды. В некоторых вариантах осуществления, например, окислители 5160 могут включать пероксид водорода. Пероксид водорода можно добавлять в суспензию 5050 в качестве водного раствора, и в соотношениях в диапазоне от 3% до 30-35 масс.% суспензии 5050. Пероксид водорода имеет ряд преимуществ в качестве окислителя. Например, водный раствор пероксида водорода является относительно недорогим, относительно химически стабильным и не является особенно вредным относительно других окислителей (и, таким образом, не требует обременительных процедур содержания и дорогостоящего защитного оборудования). Более того, пероксид водорода осуществляет разложение с образованием воды в процессе окисления сырья, так что очистка потока отходов является относительно несложной и недорогой.

В определенных вариантах осуществления окислители 5160 могут включать кислород (например, газообразный кислород) либо отдельно, либо в комбинации с пероксидом водорода. Газообразный кислород может барботировать суспензию 5050 в соотношениях в диапазоне от 0,5 до 10 масс.% суспензии 5050. Альтернативно или дополнительно, газообразный кислород также может подаваться в водную фазу при равновесии с суспензией 5050 (например, паровая головка над суспензией 5050). Газообразный кислород может подаваться либо в камеру для предварительной окислительной переработки, либо в реактор для окисления (или в оба), в зависимости от конфигурации системы для окислительной переработки. Как правило, например, парциальное давление кислорода в паре над суспензией 5050 превышает атмосферное давление кислорода и находится в диапазоне от 0,5 бар до 35 бар, в зависимости от природы сырья.

Газообразный кислород можно подаваться в чистой форме, или он может быть смешан с одним или несколькими газами-носителями. Например, в некоторых вариантах осуществления воздух под высоким давлением предоставляет кислород в водяном паре. В определенных вариантах осуществления газообразный кислород может непрерывно предоставляться в паровой фазе для обеспечения того, чтобы в процессе переработки сырья концентрация кислорода в паре оставалась в определенных заданных пределах. В некоторых вариантах осуществления газообразный кислород может быть сначала подан в достаточной концентрации для окисления сырья, а затем сырье может транспортироваться в закрытую, находящуюся под давлением емкость (например, реактор для окисления) для переработки.

В определенных вариантах осуществления окислители 5160 могут включать образующийся кислород (например, радикалы кислорода). Как правило, образующийся кислород продуцируется при необходимости в реакторе для окисления или в камере, находящейся в гидравлическом сообщении с реактором для окисления, посредством одной или нескольких реакций разложения. Например, в некоторых вариантах осуществления образующийся кислород может образовываться в реакции между NO и O₂ в смеси газов или в растворе. В определенных вариантах осуществления образующийся кислород может продуцироваться при разложении HOCl в растворе. Другие способы, с помощью которых может продуцироваться образующийся кислород, включают электрохимическое генерирование, например, в растворе электролитов.

Как правило, образующийся кислород является эффективным окислителем вследствие относительно высокой реакционной способности кислородных радикалов. Однако образующийся кислород также может быть относительно селективным окислителем. Например, когда лигноцеллюлозное сырье обрабатывается образующимся кислородом, преимущественно происходит селективное окисление лигнина относительно других компонентов сырья, таких как целлюлоза. В результате окисление сырья образующимся кислородом обеспечивает способ селективного удаления фракции лигнина из определенных типов сырья. Как правило, для достижения эффективного окисления используют концентрации образующегося кислорода от приблизительно 0,5% до 5% сухой массы сырья.

Без связи с теорией, полагают, что образующийся кислород реагирует с лигноцеллюлозным сырьем по меньшей мере по двум различным механизмам. В первом механизме образующийся кислород подвергается реакции присоединения к лигнину, приводя к частичному окислению лигнина, которое солюбилизирует лигнин в водном растворе. В результате солюбилизированный лигнин может быть удален из остальной части сырья путем промывания. Во втором механизме образующийся кислород разрушает бутановые поперечные сшивки и/или открывает ароматические кольца, которые соединены через бутановые поперечные сшивки. В результате растворимость водного раствора лигнина возрастает, и фракцию лигнина можно отделять от остальной части сырья путем промывания.

В некоторых вариантах осуществления окислители 5160 включают озон (O₃). Применение озона может вносить некоторые условия обращения с химическими реагентами в последовательности окислительной переработки. При чрезмерно энергичном нагревании водный раствор озона может быстро разложиться, с потенциально неблагоприятными последствиями как для людей, являющихся операторами системы, так и для оборудования системы. Таким образом, озон, как правило, образуется в термически изолированной емкости с утолщенными стенками, отдельно от емкости, которая содержит суспензию сырья, и транспортируется к ней на соответствующей стадии способа.

Без связи с теорией, полагают, что озон осуществляет разложение на кислород и радикалы кислорода, и что за окислительные свойства озона ответственны радикалы кислорода (например, образующийся кислород) так, как описано выше. Озон, как правило, предпочтительно окисляет фракцию лигнина в лигноцеллюлозных материалах, оставляя фракцию целлюлозы относительно незатронутой.

Условия окисления сырья биомассы на основе озона, как правило, зависят от природы биомассы. Например, для целлюлозного и/или лигноцеллюлозного сырья, эффективное окисление сырья обеспечивают концентрации озона от 0,1 г/м³ до 20 г/м³ сухого сырья. Как правило, содержание воды в суспензии 5050 составляет от 10 масс.% до 80 масс.% (например, от 40 масс.% до 60 масс.%). В процессе основанного на озоне окисления температура суспензии 5050 может поддерживаться между 0°C и 100°C, чтобы избежать интенсивного разложения озона.

В некоторых вариантах осуществления суспензия 5050 сырья может обрабатываться водным щелочным раствором, который включает один или несколько гидроксидов щелочных или щелочноземельных металлов, таких как гидроксид натрия, гидроксид калия и гидроксид кальция, а затем может обрабатываться озонсодержащим газом в реакторе для окисления. Было выявлено, что этот процесс значительно увеличивает разложение биомассы в суспензии 5050. Как правило, например, концентрация ионов гидроксида в щелочном растворе составляет от 0,001 до 10 масс.% суспензии 5050. После смачивания сырья путем контакта со щелочным раствором, в реактор для окисления подается озонсодержащий газ, где он контактирует с сырьем и окисляет его.

Окислители 5160 также могут включать другие вещества. В некоторых вариантах осуществления, например, в суспензию 5050 можно подавать окислители на основе галогена, такие как хлор и оксихлоридные вещества (например, гипохлорит). В определенных вариантах осуществления в суспензию 5050 можно подавать азотсодержащие окислители. Иллюстративные азотсодержащие окислители включают, например, NO и NO₂. Азотсодержащие вещества в суспензии 5050 также могут объединяться с кислородом, создавая дополнительные окислители. Например, как NO, так и NO₂ объединяются с кислородом в суспензии 5050 с образованием нитратных соединений, которые являются эффективными окислителями для сырья биомассы. Окислители на основе галогена и азота могут, в некоторых вариантах осуществления обеспечивать отбеливание сырья биомассы, в зависимости от природы сырья. Отбеливание может быть желательным для определенных получаемых из биомассы продуктов, которые экстрагируются на последующих стадиях переработки.

Другие окислители могут включать, например, различные пероксикислоты, пероксиуксусные кислоты, персульфаты, перкарбонаты, перманганаты, тетроксид осмия и оксиды хрома.

После стадии предварительной окислительной переработки 5060, суспензия 5050 сырья окисляется на стадии 5070. Если окислители 5160 добавляются к суспензии 5050 в реакторе для окисления, тогда окисление протекает в этом же реакторе. Альтернативно, если окислители 5160 добавляются к суспензии 5050 в камере для предварительной обработки, тогда суспензия 5050 транспортируется в реактор для окисления через соединяющую их систему труб. После попадания внутрь реактора для окисления, окисление сырья биомассы продолжается под контролируемым набором окружающих условий. Как правило, например, реактор для окисления представляет собой цилиндрическую емкость, которая закрыта от внешней окружающей среды и находится под давлением. Возможна как циклическая, так и непрерывная работа, хотя окружающие условия, как правило, легче контролировать при поточных циклических действиях по переработке.

Окисление суспензии 5050 сырья, как правило, протекает в реакторе для окисления при повышенных температурах. Например, температура суспензии 5050 в реакторе для окисления, как правило, поддерживается выше 100°C, в диапазоне от 120°C до 240°C. Для многих типов сырья биомассы окисление является особенно эффективным, если температура суспензии 5050 поддерживается между 150°C и 220°C. Суспензию 5050 можно нагревать с использованием различных устройств для теплообмена. Например, в некоторых вариантах осуществления реактор для окисления контактирует с нагревательной баней, которая включает масло или расплавленные соли. В определенных вариантах осуществления серия теплообменных труб окружает реактор для окисления и контактирует с ним, и циркуляция горячей текучей среды в трубах нагревает суспензию 5050 в реакторе. Другие нагревательные устройства, которые можно использовать для нагревания суспензии 5050, включают, например, резистивные нагревательные элементы, индукционные нагреватели и микроволновые источники.

Время нахождения суспензии 5050 сырья в реакторе для окисления для переработки сырья можно варьировать, если желательно. Как правило, суспензия 5050 находится в реакторе при окислении от 1 минуты до 60 минут. Для относительно мягкого материала биомассы, такого как лигноцеллюлозный материал, время нахождения в реакторе для окисления может составлять от 5 минут до 30 минут, например, при давлении кислорода в реакторе от 3 до 12 бар, и при температуре суспензии от 160°C до 210°C. Однако для других типов сырья время нахождения в реакторе для окисления может быть больше, например, до 48 часов. Для определения соответствующего времени нахождения суспензии 5050 в реакторе для окисления, аликвоты суспензии можно извлекать из реактора через определенные интервалы и анализировать для определения концентраций конкретных представляющих интерес продуктов, таких как сложные сахариды. Информацию о повышении концентраций определенных продуктов в суспензии 5050, как функции времени, можно использовать для определения времени нахождения для конкретных классов материала сырья.

В некоторых вариантах осуществления в процессе окисления суспензии 5050 сырья, можно проводить коррекцию pH суспензии путем добавления одного или нескольких химических веществ в реактор для окисления. Например, в определенных вариантах осуществления окисление протекает более эффективно в диапазоне pH приблизительно 9-11. Для поддержания pH в этом диапазоне в реактор для окисления могут подаваться такие вещества, как гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, карбонаты, аммиак и буферные растворы.

В процессе окисления может быть важной циркуляция суспензии 5050 для обеспечения достаточного контакта между окислителями 5160 и сырьем. Циркуляции суспензии можно достигать с использованием различных способов. Например, в некоторых вариантах осуществления реактор для окисления может быть оборудован устройством для механического перемешивания, которое включает лопасти крыльчатки или колесо с лопастями. В определенных вариантах осуществления реактор для окисления может представлять собой петлевой реактор, в котором водный растворитель, в котором суспендировано сырье, одновременно дренируется со дна реактора и рециркулирует в верхнюю часть реактора путем накачивания, тем самым обеспечивая, чтобы суспензия постоянно многократно перемешивалась и не застаивалась в реакторе.

После завершения окисления сырья суспензия транспортируется в устройство для разделения, где протекает стадия механического разделения 5080. Как правило, стадия механического разделения 5080 включает одну или несколько стадий фильтрации тонкой очистки с возрастанием степени очистки суспензии для механического разделения твердых и жидких составляющих.

Жидкая фаза 5090 отделяется от твердой фазы 5100, и после этого эти две фазы перерабатываются независимо. Твердая фаза 5100 необязательно может претерпевать стадию высушивания 5120, например, в устройстве для высушивания. Стадия высушивания 5120 может включать, например, механическое распределение твердого материала на поверхности для высушивания и выпаривание воды из твердой фазы 5100 путем осторожного нагревания твердого материала. После стадии высушивания 5120 (или, альтернативно, без стадии высушивания 5120) твердая фаза 5100 транспортируется для дальнейших стадий переработки 5140.

Жидкая фаза 5090 необязательно может подвергаться стадии высушивания 5110 для уменьшения концентрации воды в жидкой фазе. В некоторых вариантах осуществления, например, стадия высушивания 5110 может включать выпаривание и/или дистилляцию и/или экстракцию воды из жидкой фазы 5090 путем осторожного нагревания жидкости. Альтернативно или дополнительно, для удаления воды из жидкой фазы 5090 можно использовать один или несколько химических высушивающих реагентов. После стадии высушивания 5110 (или, альтернативно, без стадии высушивания 5110) жидкая фаза 5090 транспортируется для дальнейших стадий переработки 5130, которые могут включать различные стадии химической и биологической обработки, такие как химический и/или ферментативный гидролиз.

На стадии высушивания 5110 образуется поток отходов 5220, водный раствор, который включает растворенные химические вещества, такие как кислоты и основания в относительно низких концентрациях. Обработка потока отходов 5220 может включать, например, нейтрализацию pH одной или несколькими минеральными кислотами или основаниями. В зависимости от концентрации растворенных солей в потоке отходов 5220, раствор может подвергаться частичной деионизации (например, путем пропускания потока отхода через ионообменную систему). Затем поток отходов, - который включает, главным образом, воду - может рециркулировать в общем процессе (например, в качестве воды 5150), может быть отведен к другому процессу или может быть выброшен.

Как правило, в случае лигноцеллюлозного сырья биомассы после стадии разделения 5070, жидкая фаза 5090 включает множество растворимых поли- и олигосахаридов, которые затем могут отделяться и/или восстанавливаться до сахаридов меньшей длины цепи путем дальнейших стадий переработки. Твердая фаза 5100, как правило, включает, главным образом, целлюлозу, например, с меньшими количествами образующихся из гемицеллюлозы и лигнина продуктов.

В некоторых вариантах осуществления окисление можно проводить при повышенной температуре в реакторе, таком как камера для пиролиза. Например, вновь ссылаясь на ФИГ. 17, материалы сырья могут окисляться в филаментном пиролизере 1712. При обычном применении окисляющий газ-носитель, например, воздух или смесь воздух/аргон, двигается в поперечном направлении через держатель образца 1713, в то время как рестриктивный нагревающий элемент вращается и нагревается до желаемой температуры, например, 325°C. После соответствующего периода времени, например, от 5 до 10 минут, окисленный материал удаляется из держателя образца. Систему, представленную на ФИГ. 2, можно масштабировать и делать непрерывной. Например, вместо проволоки в качестве нагревательного элемента, нагревательный элемент может представлять собой винт винтового транспортера. Материал может непрерывно попадать в держатель образца, наталкиваясь на нагретый винт, который осуществляет пиролиз материала. В то же время винт может выталкивать окисленный материал из держателя образца, позволяя вхождение нового неокисленного материала.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 18, материал сырья может окисляться в пиролизере по точке Кюри 1820. При обычном применении окислительный газ-носитель двигается в поперечном направлении через камеру для образца 1821, в то время как фольга 1822 подвергается индуктивному нагреванию применяемым радиочастотным полем для окисления материала при желаемой температуре.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 19, материал сырья может окисляться в печном пиролизере 130. При обычном применении образец опускается (как указано стрелкой 137) в зону нагрева 135 печи 132, в то время как газ-носитель заполняет кожух 136 и двигается в поперечном направлении через держатель образца 131. Образец нагревается до желаемой температуры в течение желательного периода времени для получения пиролизованного продукта. Пиролизованный продукт удаляется из пиролизера путем поднятия держателя образца (как указано стрелкой 134).

Вновь ссылаясь на ФИГ. 20, материал сырья может окисляться путем формирования целлюлозной мишени 140 вместе с окислителем, таким как пероксид, и обработки мишени, которая содержится в вакуумной камере 141, лазерным излучением, например, излучением, имеющим длину волны от приблизительно 225 нм до приблизительно 1600 нм. Показанная оптическая конфигурация позволяет практически монохроматическому свету 143, сгенерированному лазером 142, направляться с использованием зеркал 144 и 145 на мишень после прохождения через линзу 146 в вакуумной камере 141. Как правило, давление в вакуумной камере поддерживается на уровне менее 10^-6 мм рт. ст. В некоторых вариантах осуществления используют инфракрасное излучение, например, излучение из лазера Nd-YAG, составляющее 1,06 микрометров. В таких вариантах осуществления с целлюлозным материалом можно смешивать чувствительный к инфракрасному излучению краситель с получением целлюлозной мишени. Инфракрасный краситель может усиливать нагревание целлюлозного материала. Разрушение лазером описано Blanchet-Fincher et al. в патенте США № 5942649.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 21, материалы сырья могут быстро окисляться путем покрытия вольфрамовой нити 150 вместе с окислителем, таким как пероксид, желаемым целлюлозным материалом, в то время как материал находится в вакуумной камере 151. Для обеспечения окисления через нить пропускают ток, который вызывает быстрое нагревание нити в течение желаемого периода времени. Как правило, нагревание продолжают в течение нескольких секунд, а затем нити позволяют остыть. В некоторых вариантах осуществления нагревание проводят несколько раз для обеспечения желаемой степени окисления.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 12, в некоторых вариантах осуществления материалы сырья можно окислять с помощью звука и/или кавитации. Как правило, для достижения окисления материалы обрабатывают ультразвуком в окислительной среде, такой как вода, насыщенная кислородом или другим химическим окислителем, таким как пероксид водорода.

Вновь ссылаясь на ФИГ. 9 и 10, в определенных вариантах осуществления для способствования окислению материалов сырья используют ионизирующее излучение. Как правило, для достижения окисления материалы облучают в окислительной среде, такой как воздух или кислород. Например, для облучения материалов можно использовать гамма-излучение и/или облучение пучком электронов.

Другие способы обработки

Паровой взрыв можно применять отдельно без каких-либо из способов, описанных в настоящем описании, или в комбинации с любым из способов, описанных в настоящем описании.

На ФИГ. 23 показано общее представление всего процесса конвертирования источника волокна 400 в продукт 450, такой как этанол, с помощью способа, который включает дробление и паровой взрыв для получения волокнистого материала 401, который затем гидролизуется и конвертируется, например, ферментируется, с образованием продукта. Источник волокна может быть конвертирован в волокнистый материал 401 рядом возможных способов, включая по меньшей мере один способ дробления и по меньшей мере один способ парового взрыва.

Например, один вариант включает дробление источника волокна, с последующей необязательной стадией(ями) просеивания и необязательной дополнительной стадией(ями) дробления для получения раздробленного источника волокна 402, который затем может подвергаться паровому взрыву с образованием волокнистого материала 401. После процесса парового взрыва необязательно следует процесс извлечения волокон для удаления жидкостей или "раствора" 404, образовавшихся в процессе парового взрыва. Материал, образовавшийся после парового взрыва раздробленного источника волокна, может дополнительно дробиться в необязательной дополнительной стадии(ях) дробления и/или необязательной стадии(ях) просеивания.

В другом способе волокнистый материал 401 сначала повергается паровому взрыву с образованием подвергнутого паровому взрыву источника волокна 410. Затем полученный подвергнутый паровому взрыву источник волокна подвергается необязательному способу извлечения волокон для удаления жидкостей или раствора. Затем полученный подвергнутый паровому взрыву источник волокна может дробиться с получением волокнистого материала. Подвергнутый паровому взрыву источник волокна также может подвергаться одной или нескольким дополнительным стадиям просеивания и/или одной или нескольким необязательным дополнительным стадиям дробления. Способ дробления и парового взрыва источника волокна для получения раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала дополнительно рассмотрен ниже.

Перед дроблением или паровым взрывом источник волокна может быть нарезан на фрагменты или полосы материала типа конфетти. Процессы дробления могут протекать в сухом состоянии (например, имеющем менее 0,25 масс.% поглощенной воды), в гидратированном состоянии, или даже когда материал частично или полностью погружен в жидкость, такую как вода или изопропанол. Также способ необязательно может включать стадии высушивания выходящего потока после парового взрыва или дробления для обеспечения дополнительных стадий сухого дробления или парового взрыва. Стадии дробления, просеивания и парового взрыва могут быть проведены в присутствии или в отсутствии различных химических растворов.

В способе парового взрыва источник волокна или раздробленный источник волокна контактируют с паром под высоким давлением, и пар диффундирует в структуры источника волокна (например, лигноцеллюлозные структуры). Затем пар конденсируется под высоким давлением, тем самым "смачивая" источник волокна. Влага в источнике волокна может осуществлять гидролиз любых ацетильных групп в источнике волокна (например, ацетильных групп во фракциях гемицеллюлозы), образуя органические кислоты, такие как уксусная и уроновая кислоты. Кислоты, в свою очередь, могут катализировать деполимеризацию гемицеллюлозы, высвобождение ксилана и ограниченных количеств глюкана. Затем, когда давление высвобождается, "смоченный" источник волокна (или раздробленный источник волокна и т.д.) "взрывается". Конденсированная влага мгновенно испаряется вследствие резкого снижения давления, и расширение водяного пара оказывает сдвиговое усилие на источник волокна (или раздробленный источник волокна и т.д.). Достаточное сдвиговое усилие приводит к механическому разрушению внутренних структур (например, лигноцеллюлозных структур) источника волокна.

Затем раздробленный и подвергнутый паровому взрыву волокнистый материал преобразуется в полезный продукт, такой как этанол. Одним из способов конвертирования волокнистого материала является гидролиз для получения поддающихся ферментации сахаров, 412, которые затем подвергают ферментации с образованием продукта. Также можно использовать другие известные или неизвестные способы конвертирования волокнистых материалов в топлива.

В некоторых вариантах осуществления, перед смешиванием с микроорганизмом, раздробленный и подвергнутый паровому взрыву волокнистый материал 401 стерилизуют для уничтожения каких-либо конкурирующих микроорганизмов, которые могут находиться на волокнистом материале. Например, волокнистый материал можно стерилизовать путем воздействия на волокнистый материал радиационного излучения, такого как инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение или ионизирующее излучение, такое как гамма-излучение. Также микроорганизмы можно уничтожать с использованием химических стерилизующих средств, таких как отбеливатель (например, гипохлорит натрия), хлоргексидин или оксид этилена.

Одним из способов гидролиза раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала является применение целлюлаз. Целлюлазы представляют собой группу ферментов, которые действуют синергично, гидролизуя целлюлозу. Также можно использовать коммерчески доступный комплекс ферментов Accellerase® 1000, который содержит комплекс ферментов, которые расщепляют лигноцеллюлозную биомассу в поддающиеся ферментации сахара.

Согласно современному пониманию, компоненты целлюлазы включают эндоглюканазы, экзоглюканазы (целлобиогидролазы) и b-глюкозидазы (целлобиазы). Синергизм между целлюлазными компонентами существует, когда гидролиз комбинацией двух или более компонентов превышает сумму видов активности, проявляемых отдельными компонентами. Общепринятый механизм действия целлюлазной системы (в частности, системы T. longibrachiatum) на кристаллическую целлюлозу состоит в том, что эндоглюканаза гидролизует внутренние β-1,4-гликозидные связи аморфных областей, тем самым увеличивая количество экспонированных невосстанавливающих концов. Затем экзоглюканазы отщепляют целлобиозные элементы с невосстанавливающих концов, которые, в свою очередь, гидролизуются b-глюкозидазами до отдельных глюкозных элементов. Существует несколько конфигураций как эндо-, так и экзоглюканаз, отличающихся стереоспецифичностью. Как правило, для оптимального гидролиза целлюлозы требуется синергическое действие компонентов в различных конфигурациях. Однако целлюлазы являются более склонными гидролизовать аморфные области целлюлозы. Существует линейная зависимость между кристалличностью и скоростями гидролиза, причем более высокие индексы кристалличности соответствуют более медленным скоростям гидролиза ферментом. Аморфные области целлюлозы гидролизуются с удвоенной скоростью относительно кристаллических областей. Гидролиз раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала может быть проведен с помощью любого способа гидролиза биомассы.

Паровой взрыв биомассы иногда приводит к образованию побочных продуктов, например, токсических веществ, которые являются ингибиторными для активности микробов и ферментов. Таким образом, способ конвертирования раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала в продукт может необязательно включать стадию известкования перед ферментацией для осаждения некоторых из токсических веществ. Например, значение pH раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала можно повышать, чтобы оно превышало pH 10, добавлением гидроксида кальция (Ca(OH)₂) с последующей стадией снижения pH до приблизительно 5 добавлением H₂SO₄. Затем подвергнутый известкованию волокнистый материал можно использовать в таком виде без удаления преципитата. Как показано на ФИГ. 23, необязательную стадию известкования проводят непосредственно перед стадией гидролиза раздробленного и подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала, но также предусматривается проведение стадии известкования после стадии гидролиза и перед стадией ферментации.

На ФИГ. 24 представлен пример устройства для парового взрыва 460. Устройство для парового взрыва 460 включает реакционную камеру 462, в которую помещается источник волокна и/или волокнистый материал через входное отверстие 464 для источника волокна. Реакционная камера закрывается путем закрытия клапана 465 входного отверстия источника волокна. Кроме того, реакционная камера включает отверстие для входа сжатого пара 466, которое включает паровой клапан 467. Кроме того, реакционная камера включает выходное отверстие для сброса давления взрыва 468, которое включает клапан 469 выходного отверстия, соединенный с циклоном 470 через соединительную трубу 472. Когда реакционная камера включает источник волокна и/или раздробленный источник волокна и закрыта закрывающими клапанами 465, 467 и 469, в реакционную камеру 462 доставляется пар путем открытия клапана 467 входного отверстия для пара, позволяющего пару выходить через входное отверстие для пара 466. После того как реакционная камера достигает заданной температуры, что может занимать приблизительно 20-60 секунд, начинается время выдерживания. Температура реакции поддерживается на уровне заданной температуры в течение желаемого времени выдерживания, которое, как правило, составляет приблизительно от 10 секунд до 5 минут. В конце периода выдерживания клапан выходного отверстия открывается, позволяя сброс давления взрыва. Процесс сброса давления взрыва продвигает содержимое реакционной камеры 462 из выходного отверстия для сброса давления взрыва 468, через соединительную трубу 472, в циклон 470. Затем подвергнутый паровому взрыву источник волокна или волокнистый материал выходит из циклона в форме суспензии в корзину для сбора 474, в то время как большая часть остаточного пара выходит из циклона в атмосферу через вентиляционное отверстие 476. Кроме того, устройство для парового взрыва включает выходное отверстие для промывания 478 с клапаном 479 выходного отверстия для промывания, соединенным с соединительной трубой 472. Клапан 479 выходного отверстия для промывания закрыт в процессе использования устройства для парового взрыва 460 при паровом взрыве, но открыт в процессе промывания реакционной камеры 462. Заданная температура реакционной камеры 462 предпочтительно составляет от 180 до 240 градусов Цельсия или от 200 до 220 градусов Цельсия. Время выдерживания предпочтительно составляет от 10 секунд до 30 минут или от 30 секунд до 10 минут, или от 1 минуты до 5 минут.

Поскольку процесс парового взрыва приводит к осадку в виде подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала, подвергнутый паровому взрыву волокнистый материал необязательно может подвергаться процессу извлечения волокон, где от подвергнутого паровому взрыву волокнистого материала отделяется "раствор". Эта стадия извлечения волокон является целесообразной, поскольку она обеспечивает процессы дальнейшего дробления и/или просеивания и может позволить конверсию волокнистого материала в продукт. Процесс выделения волокон проводят с использованием сетчатой ткани для отделения волокон от раствора. Кроме того, также могут быть включены процессы высушивания для получения волокнистого материала или подвергнутого паровому взрыву источника волокна для последующей переработки.

Любой способ переработки, описанный в настоящем описании, можно использовать при давлении выше или ниже нормального атмосферного давления Земли. Например, любой процесс, в котором используется радиационное облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз, паровой взрыв или комбинации любых из этих процессов для получения материалов, которые включают углевод, можно проводить под высоким давлением, которое может повышать скорости реакции. Например, любой процесс или комбинацию процессов можно проводить под давлением более чем приблизительно 25 МПа, например, более 50 МПа, 75 МПа, 100 МПа, 150 МПа, 200 МПа, 250 МПа, 350 МПа, 500 МПа, 750 МПа, 1000 МПа или более 1500 МПа.

Комбинирование устройств для облучения, обработки ультразвуком и/или окисления

В некоторых вариантах осуществления может быть преимущественным комбинирование двух или более из отдельных устройств для облучения, обработки ультразвуком, пиролиза и/или окисления в единое гибридное устройство. Для такого гибридного устройства можно проводить несколько процессов рядом или даже одновременно, что имеет преимущество увеличения производительности предварительной обработки и потенциальной экономии затрат.

Например, рассматриваются процессы облучения пучком электронов и обработки ультразвуком. Каждый отдельный процесс эффективен в отношении снижения средней молекулярной массы целлюлозного материала на порядок или более, и на несколько порядков при последовательном проведении.

Процессы, как облучения, так и обработки ультразвуком, можно применять с использованием гибридного устройства для обработки пучком электронов/ультразвуком, как проиллюстрировано на ФИГ. 25. Гибридное устройство для обработки пучком электронов/ультразвуком 2500 изображено над пустой ванной (глубина ~3-5 см) для суспензии целлюлозного материала 2550, диспергированного в водной окислительной среде, такой как пероксид водорода или пероксид карбамида. Гибридное устройство 2500 имеет источник энергии 2510, который питает как излучатель электронного пучка 2540, так и рупоры для обработки ультразвуком 2530.

Излучатель электронного пучка 2540 генерирует пучки электронов, которые проходят через устройство для нацеливания пучка электронов 2545 для попадания на суспензию 2550, содержащую целлюлозный материал. Устройство для нацеливания пучка электронов может представлять собой сканер, который пропускает луч в диапазоне вплоть до приблизительно 6 футов в направлении, приблизительно параллельном поверхности суспензии 2550.

На любой стороне излучателя электронного пучка 2540 находятся рупоры для обработки ультразвуком 2530, которые доставляют энергию ультразвуковой волны к суспензии 2550. Рупоры для обработки ультразвуком 2530 заканчиваются съемной насадкой 2535, которая контактирует с суспензией 2550.

Рупоры для обработки ультразвуком 2530 имеют риск повреждения вследствие длительного остаточного воздействия облучения пучком электронов. Таким образом, рупоры могут быть защищены стандартным экраном 2520, например, изготовленным из свинца или содержащим тяжелый металл сплава, такого как металл Липовича, который является непроницаемым для излучения пучка электронов. Однако должны быть предприняты меры предосторожности, чтобы убедиться, что присутствие экрана не влияет на ультразвуковую энергию. Съемные наконечники 2535, которые сконструированы из того же материала, что и рупоры 2530, и присоединены к рупорам 2530, обычно контактируют с целлюлозным материалом 2550, и, как ожидается, могут быть повреждены. Таким образом, съемные наконечники 2535 сконструированы так, чтобы их было легко заменить.

Следующим преимуществом такого одновременного процесса обработки пучком электронов и ультразвуком состоит в том, что эти два процесса имеют взаимодополняющие результаты. В случае облучения пучком электронов отдельно, недостаточная доза может приводить к поперечному сшиванию некоторых из полимеров в целлюлозном материале, которое снижает эффективность процесса деполимеризации в целом. Также для достижения степени деполимеризации, сходной со степенью деполимеризации, достигаемой с использованием облучения пучком электронов и обработки ультразвуком по отдельности, можно использовать более низкие дозы облучения пучком электронов и/или облучения ультразвуком.

Устройство для облучения пучком электронов также можно комбинировать с одним или несколькими из высокочастотных ротор-статорных устройств, которые можно использовать в качестве альтернативы устройствам с ультразвуковой энергией, и они могут выполнять сходную функцию.

Также возможны другие комбинации устройств. Например, устройство для облучения ионизирующим излучением, которое генерирует гамма-излучение, испускаемое, например, из таблеток ⁶⁰Co, можно комбинировать с источником электронного пучка и/или источником ультразвуковой волны.

Устройства для радиационного облучения для предварительной обработки биомассы, рассмотренные выше, также можно комбинировать с одним или несколькими устройствами, которые осуществляют одну или несколько последовательностей переработки пиролизом. Такая комбинация также можно иметь преимущество высокой производительности. Тем не менее, необходима предосторожность, поскольку могут быть противоположные требования между некоторыми способами радиационного облучения и пиролизом. Например, устройства для облучения ультразвуком могут требовать, чтобы сырье было погружено в жидкую окислительную среду. С другой стороны, как рассмотрено выше, для образца сырья, подвергающегося пиролизу, может быть преимущественным, чтобы оно имело конкретное содержание влаги. В этом случае новые системы автоматически измеряют и проводят мониторинг конкретного содержания влаги и регулируют его. Кроме того, некоторые или все из указанных выше устройств, особенно устройство для пиролиза, можно комбинировать с устройством для окисления, как рассмотрено выше.

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ

Ферментация

Как правило, различные микроорганизмы могут продуцировать ряд полезных продуктов путем воздействия на обработанный материал биомассы, например, его ферментации. Например, ферментацией или другими процессами могут быть продуцированы спирты, органические кислоты, углеводороды, водород, белки или смеси любых из этих материалов.

Микроорганизм может представлять собой природный микроорганизм или полученный способами инженерии микроорганизм. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например, целлюлолитическую бактерию, гриб, например, дрожжи, растение или одноклеточный организм, например, водоросли, простейшие или подобные грибам одноклеточные организмы, например, слизистую плесень. Когда организмы являются совместимыми, можно использовать смеси организмов.

Для способствования разрушению обработанных материалов биомассы, которые включают целлюлозу, можно использовать один или несколько ферментов, например, целлюлолитический фермент. В некоторых вариантах осуществления материалы, которые включают целлюлозу, сначала обрабатывают ферментом, например, комбинируя материалы и фермент в водном растворе. Затем этот материал можно комбинировать с микроорганизмом. В других вариантах осуществления комбинирование материалов, которые включают целлюлозу, один или несколько ферментов и микроорганизм, проводят одновременно, например, путем комбинирования в водном растворе.

Также, для способствования разрушению обработанных материалов биомассы, обработанные материалы биомассы можно далее обрабатывать (например, после облучения) нагреванием, химическим реагентом (например, минеральной кислотой, основанием или сильным окислителем, таким как гипохлорит натрия) и/или ферментом.

В процессе ферментации сахара, высвобождающиеся на стадии целлюлолитического гидролиза или осахаривания, ферментируются, например, в этанол, ферментирующим микроорганизмом, таким как дрожжи. Пригодные ферментирующие микроорганизмы способны конвертировать углеводы, такие как глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода Sacchromyces spp. например, Sacchromyces cerevisiae (пекарские дрожжи), Saccharomyces distaticus, Saccharomyces uvarum; род Kluyveromyces, например, виды Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis; род Candida, например, Candida pseudotropicalis и Candida brassicae; род Clavispora, например, виды Clavispora lusitaniae и Clavispora opuntiae; род Pachysolen, например, виды Pachysolen tannophilus; род Bretannomyces, например, вид Bretannomyces clausenii; род Pichia, например, виды Pichia stipitis; и род Saccharophagus, например, виды Saccharophagus degradans (Philippidis, G.P., 1996, Cellulose bioconversion technology, Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212).

Коммерчески доступные дрожжи включают, например, Red Star®/Lesaffre Ethanol Red (доступные от Red Star/Lesaffre, США) FALI® (доступные от Fleischmann's Yeast, отделения Burns Philip Food Inc., США), SUPERSTART® (доступные от Alltech, в настоящее время Lallemand), GERT STRAND® (доступные от Gert Strand AB, Швеция) и FERMOL® (доступные от DSM Specialties).

Бактерии, которые могут осуществлять ферментацию биомассы в этанол и другие продукты, включают, например, Zymomonas mobilis и Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, выше). Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160) описали анаэробные, мезофильные, целлюлолитические бактерии из лесной почвы, Clostridium phytofermentans sp. nov., которые преобразуют целлюлозу в этанол.

Ферментацию биомассы в этанол и другие продукты можно проводить с использованием определенных типов термофильных или генетически сконструированных микроорганизмов, таких как виды Thermoanaerobacter, включая T. mathranii, и виды дрожжей, такие как виды Pichia. Примером штамма T. mathranii является A3M4, описанный в Sonne-Hansen et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541) или Ahring et al. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 114-119).

Для ферментации или конверсии можно использовать дрожжи и бактерии Zymomonas. Оптимальное значение pH для дрожжей составляет приблизительно от pH 4 до pH 5, в то время как оптимальное значение pH для Zymomonas составляет приблизительно от pH 5 до pH 6. Типичное время ферментации составляет приблизительно от 24 до 96 часов при температурах в диапазоне от 26°C до 40°C, однако термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.

Ферменты, которые разрушают биомассу, такую как целлюлоза, до более низкомолекулярных углеводсодержащих материалов, таких как глюкоза, называют целлюлолитическими ферментами или целлюлазами; этот процесс называется "осахариванием". Эти ферменты могут представлять собой комплекс ферментов, которые действуют синергично, деградируя кристаллическую целлюлозу. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (β-глюкозидазы). Например, целлюлозный субстрат первоначально гидролизуется эндоглюканазами в случайных областях, продуцируя олигомерные промежуточные соединения. Затем эти промежуточные соединения являются субстратами для экзорасщепляющих глюканаз, таких как целлобиогидролаза, с образованием целлобиозы, отщепляемой от концов полимера целлюлозы. Целлобиоза представляет собой растворимый в воде связанный β-1,4-связью димер глюкозы. Наконец, целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы.

Целлюлаза способна осуществлять деградацию биомассы и может иметь грибное или бактериальное происхождение. Пригодные ферменты включают целлюлазы из родов Bacillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium и Trichodertna, и включают виды Humicola, Coprinus, Thielavia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium или Aspergillus (см., например, EP 458162), особенно целлюлазы, продуцируемые штаммами, выбранными из видов Humicola insolens (переклассифицированного как Scytalidium thermophilum, см., например, патент США № 4435307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp., Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum и Acremonium furatum; предпочтительно из видов 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, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62 и Acremonium furatum CBS 299.70H. Целлюлолитические ферменты также можно получать из Chrysosporium, предпочтительно штамма Chrysosporium lucknowense. Кроме того, можно использовать Trichoderma (в частности Trichoderma viride, Trichoderma reesei и Trichoderma koningii), алкалофильные Bacillus (см., например, патент США № 3844890 и EP 458162) и Streptomyces (см., например, EP 458162).

Также можно использовать целлюлолитические ферменты, продуцируемые с использованием рекомбинантной технологии (см., например, WO 2007/071818 и WO 2006/110891).

Используемые целлюлолитические ферменты можно получать ферментацией указанных штаммов микроорганизмов на питательной среде, содержащей пригодные источники углерода и азота и неорганические соли, с использованием способов, известных в данной области (см., например, Bennett and LaSure, L. (eds.), More Gene Manipulations in Fungi, Academic Press, CA 1991). Пригодные среды доступны от коммерческих поставщиков и их можно получать согласно опубликованным составам (например, в каталогах American Type Culture Collection). Диапазоны температур и другие условия, пригодные для выращивания и продукции целлюлазы, известны в данной области (см., например, Bailey and Ollis, Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, NY, 1986).

Обработку целлюлозы целлюлазой обычно проводят при температурах от 30°C до 65°C. Целлюлазы активны в диапазоне pH приблизительно от 3 до 7. Длительность стадии осахаривания может составлять вплоть до 120 часов. Дозировка целлюлазного фермента обеспечивает достаточно высокий уровень конверсии целлюлозы. Например, соответствующая дозировка целлюлазы, как правило, составляет от 5,0 до 50 единиц фильтровальной бумаги (FPU или МЕ) на грамм целлюлозы. FPU является стандартной мерой и определяется и измеряется согласно Ghose (1987, Pure and Appl. Chem. 59:257-268).

В конкретных вариантах осуществления в качестве ферментной системы используется ферментный комплекс ACCELERASE™ 1000 в дозировке 0,25 мл на грамм субстрата. Ферментный комплекс ACCELERASE® 1000 представляет собой коктейль из множества ферментов с множеством видов активности, главным образом экзоглюконазы, эндоглюконазы, гемицеллюлазы и бета-глюкозидазы. Коктейль имеет минимальную эндоглюконазную активность 2500 CMC Е/г и минимальную бета-глюкозидазную активность 400 pNPG Е/г. pH коктейля составляет от приблизительно 4,8 до приблизительно 5,2. В других конкретных вариантах осуществления используемая ферментная система представляет собой смесь CELLUCLAST® 1.5L и Novozyme 188. Например, на каждый грамм субстрата можно использовать 0,5 мл CELLUCLAST® 1.5L и 0,1 мл Novozyme 188. Когда является желательной более высокая гемицеллюлазная (ксиланазная) активность, можно использовать OPTIMASH™ BG.

Газификация

В дополнение к применению пиролиза для предварительной обработки сырья, пиролиз также можно использовать для переработки предварительно обработанного сырья для экстракции полезных материалов. В частности, можно использовать форму пиролиза, известную как газификация, для получения топливных газов, помимо различных других газообразных, жидких и твердых продуктов. Для проведения газификации предварительно обработанное сырье подается в камеру для пиролиза и нагревается до высокой температуры, как правило, 700°C или более. Используемая температура зависит от ряда факторов, включая природу сырья и желаемые продукты.

Также для способствования газификации в камеру для пиролиза добавляют некоторые количества кислорода (например, в качестве чистого газообразного кислорода и/или в качестве воздуха) и пара (например, перегретого пара). Эти соединения реагируют с углеродсодержащим материалом сырья в многостадийной реакции с образованием смеси газов, называемой синтетическим газом (или "синтез-газом"). По существу, в ходе газификации, в камеру для пиролиза подается ограниченное количество кислорода для обеспечения сгорания части материала сырья с образованием монооксида углерода и генерирования технологического тепла. Затем технологическое тепло может быть использовано для запуска второй реакции, которая преобразует дополнительный материал сырья в водород и монооксид углерода.

На первой стадии реакции в целом, нагревание материала сырья приводит к углистым остаткам, которые могут включать широкое множество различных соединений на основе углеводородов. Могут образовываться определенные летучие вещества (например, определенные газообразные углеводородные материалы), что приводит к снижению общей массы материала сырья. Затем, на второй стадии реакции, часть летучего материала, которая образуется на первой стадии, реагирует с кислородом в реакции горения с образованием как монооксида углерода, так и диоксида углерода. В этой реакции горения высвобождается тепло, которое запускает третью стадию реакции. На третьей стадии, диоксид углерода и пар (например, вода) реагируют с углистыми остатками, образовавшимися на первой стадии, с образованием монооксида углерода и газообразного водорода. Монооксид углерода также может реагировать с паром, в реакции конверсии водяного пара, с образованием диоксида углерода и дополнительного газообразного водорода.

Газификацию можно использовать в качестве основного процесса для получения продуктов непосредственно из предварительно обработанного сырья, например, для последующей транспортировки и/или продажи. Альтернативно или дополнительно, газификацию можно использовать в качестве вспомогательного процесса для получения топлива для всей системы переработки. Богатый водородом синтез-газ, который образуется в процессе газификации, можно сжигать, например, для генерирования электричества и/или технологического тепла, которое может быть направлено на применение в других частях системы переработки. В результате общая система переработки может быть по меньшей мере частично самообеспечивающейся. В процессе и/или после газификации также можно получить ряд других продуктов, включая пиролитические масла и газообразные вещества на основе углеводородов; их можно разделять и хранить или транспортировать, если желательно.

Для газификации предварительно обработанного сырья пригодно множество различных камер для пиролиза, включая камеры для пиролиза, описанные в настоящем описании. В частности, системы реакторов с псевдоожиженным слоем, в которых предварительно обработанное сырье подвергают флюидизации в паре и кислороде/воздухе, обеспечивают относительно высокую производительность и прямое выделение продуктов. Твердые углистые остатки, которые остаются после газификации в системе с псевдоожиженным слоем (или в других камерах для пиролиза), можно сжигать для генерирования дополнительного технологического тепла для запуска последующих реакций газификации.

ПЕРЕРАБОТКА ОБРАБОТАННОЙ БИОМАССЫ

Дистилляция

После ферментации полученные текучие среды можно подвергать дистилляции с использованием, например, "бражной колонны" для отделения этанола и других спиртов от большей части воды и остаточных твердых веществ. Пар, выходящий из бражной колонны, может представлять собой 35 масс.% этанол, и он подается в ректификационную колонну. Смесь практически азеотропного (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны можно очищать до чистого (99,5%) этанола с использованием молекулярных сит паровой фазы. Осадок бражных колонн может быть направлен на первую ступень трехступенчатого испарителя. Обратный холодильник ректификационной колонны может обеспечить тепло для этой первой ступени. После первой ступени твердые вещества можно отделять с использованием центрифуги и сушить во вращающейся сушке. Часть (25%) продукта из центрифуги можно повторно использовать для ферментации, а остаток может быть отправлен на вторую и третью ступени испарителя. Большая часть конденсата испарителя может быть возвращена в процесс в качестве довольно чистого конденсата, где его небольшая часть отделяется на обработку отработанной воды для предотвращения образования соединений с низкой температурой кипения.

Обработка отработанной воды

Обработку отработанной воды используют для минимизации потребностей в добавочной воде на установке путем переработки воды для повторного применения на установке. Обработка отработанной воды также может давать топливо (например, отстой и биогаз), которое можно использовать для повышения общей эффективности процесса продукции этанола. Например, как более подробно описано ниже, отстой и биогаз можно использовать для генерирования пара и электричества, которые можно использовать в различных производственных процессах.

Отработанную воду первоначально прокачивают через сито (например, решетку) для удаления крупных частиц, которые собираются в мусорный контейнер. В некоторых вариантах осуществления крупные частицы отправляют на мусорные свалки. Дополнительно или альтернативно, крупные частицы сжигают для генерирования пара и/или электричества, как подробно описано ниже. Как правило, расстояние в решетке составляет от 1/4 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) (например, 1/2 дюйма (1,3 см)).

Затем отработанная вода протекает в емкость для уравновешивания, где концентрация органических соединений в отработанной воде уравновешивается в течение времени отстаивания. Как правило, время отстаивания составляет от 8 часов до 36 часов (например, 24 часа). В емкости расположен смеситель для перемешивания содержимого емкости. В некоторых вариантах осуществления для перемешивания содержимого емкости используют множество смесителей, расположенных по всей емкости. В определенных вариантах осуществления смеситель по существу перемешивает содержимое емкости для уравновешивания, так чтобы условия (например, концентрация и температура отработанной воды) по всей емкости были единообразными.

Первый насос перекачивает воду от емкости для уравновешивания через жидкостно-жидкостной теплообменник. Теплообменник регулируется (например, путем контроля скорости потока текучей среды через теплообменник), так чтобы отработанная вода, выходящая из теплообменника, имела желаемую температуру для анаэробной обработки. Например, желаемая температура для анаэробной обработки может составлять от 40°C до 60°C.

После выхода из теплообменника отработанная вода попадает в один или несколько анаэробных реакторов. В некоторых вариантах осуществления концентрация отстоя в каждом анаэробном реакторе является такой же, как и общая концентрация отстоя в отработанной воде. В других вариантах осуществления анаэробный реактор имеет более высокую концентрацию отстоя, чем общая концентрация отстоя в отработанной воде.

В каждый анаэробный реактор, содержащий отработанную воду, отмеряют питательный раствор, содержащий азот и фосфор. Питательный раствор реагирует с отстоем в анаэробном реакторе с образованием биогаза, который может содержать 50% метана, и имеет теплоту сгорания приблизительно 12000 британских тепловых единиц, или Btu, на фунт (28000 кДж/кг). Биогаз выходит из каждого анаэробного реактора через вентиляционное отверстие и попадает в коллектор, где множество потоков биогаза объединяются в единый поток. Компрессор перекачивает поток биогаза в паровой котел или двигатель внутреннего сгорания, как более подробно описано ниже. В некоторых вариантах осуществления компрессор также перекачивает единый поток биогаза через катализатор десульфуризации. Кроме того или альтернативно компрессор может перекачивать единый поток биогаза через седиментационную ловушку.

Второй насос перекачивает анаэробный выходящий поток из анаэробных реакторов в один или несколько аэробных реакторов (например, ректоров для активного ила). В каждом аэробном реакторе расположен аэратор для перемешивания анаэробного выходящего потока, отстоя и кислорода (например, кислорода, содержащегося в воздухе). В каждом аэробном реакторе окисление клеточного материала в анаэробном выходящем потоке приводит к продукции диоксида углерода, воды и аммиака.

Аэробный выходящий поток перемещается (например, посредством силы тяжести) в сепаратор, где от обработанной воды отделяется отстой. Часть отстоя возвращается в один или несколько аэробных реакторов для создания повышенной концентрации отстоя в аэробных реакторах, тем самым способствуя аэробному разрушению клеточного материала в отработанной воде. Конвейер удаляет избыток отстоя из сепаратора. Как более подробно описано ниже, избыток отстоя используется в качестве топлива для генерирования пара и/или электричества.

Обработанная вода выкачивается из сепаратора в отстойник. Твердые вещества, диспергированные в обработанной воде, оседают на дно отстойника, и впоследствии удаляются. После периода отстаивания обработанную воду выкачивают из отстойника через фильтр для тонкой очистки для удаления каких-либо дополнительных твердых веществ, остающихся в воде. В некоторых вариантах осуществления в обработанную воду добавляют хлор для уничтожения патогенных бактерий. В некоторых вариантах осуществления, для дальнейшей очистки обработанной воды, используют один или несколько способов физико-химической сепарации. Например, обработанную воду можно прокачивать через реактор для абсорбции углем. В качестве другого примера, обработанную воду можно прокачивать через реактор обратного осмоса.

Сжигание отходов

Продукция спирта из биомассы может приводить к образованию различных потоков побочных продуктов, пригодных для генерирования пара и электричества для применения в других частях установки. Например, пар, сгенерированный при сжигании потоков побочных продуктов, можно использовать в процессе дистилляции. В качестве другого примера, электричество, сгенерированное сжиганием потоков побочных продуктов, можно использовать для питания генераторов электронных пучков и ультразвуковых преобразователей, используемых в предварительной обработке.

Побочные продукты, используемые для генерирования пара и электричества, образуются во множестве источников на протяжении всего процесса. Например, анаэробное расщепление отработанной воды дает биогаз с высоким содержанием метана и небольшое количество сточной биомассы (отстоя). В качестве другого примера, твердые вещества после дистилляции (например, неконвертированный лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза, остающиеся после предварительной обработки и основных процессов) можно использовать в качестве топлива.

Биогаз отводится к двигателю внутреннего сгорания, соединенному с электрическим генератором, для генерирования электричества. Например, биогаз можно использовать в качестве источника топлива для двигателя для природного газа с электрозажиганием. В качестве другого примера, биогаз можно использовать в качестве источника топлива для двигателя для природного газа с прямым впрыскиванием. В качестве другого примера, биогаз можно использовать в качестве источника топлива для турбины внутреннего сгорания. Дополнительно или альтернативно, двигатель внутреннего сгорания может быть адаптирован для комбинированной конфигурации для производства электрической и тепловой энергии. Например, сбросное тепло от двигателей внутреннего сгорания можно использовать для обеспечения горячей воды или пара по всему производству.

Отстой и твердые вещества после дистилляции можно сжигать для нагревания воды, протекающей через теплообменник. В некоторых вариантах осуществления вода, протекающая через теплообменник, выпаривается и перегревается с образованием пара. В определенных вариантах осуществления пар используют в реакторе для предварительной обработки и при теплообмене в процессах дистилляции и выпаривания. Дополнительно или альтернативно, пар расширяется, питая многоступенчатую паровую турбину, соединенную с электрическим генератором. Пар, выходящий из паровой турбины, конденсируется охлаждающей водой и возвращается в теплообменник для повторного нагревания до пара. В некоторых вариантах осуществления скорость потока воды через теплообменник контролируется для обеспечения заданной выработки электричества из паровой турбины, соединенной с электрическим генератором. Например, в теплообменник можно добавлять воду, чтобы обеспечить работу паровой турбины выше пороговых условий (например, турбина вращается достаточно быстро для вращения электрического генератора).

В то время как были описаны некоторые варианты осуществления, возможны другие варианты осуществления.

В качестве примера, в то время как описано, что биогаз отводится в двигатель внутреннего сгорания, соединенный с электрическим генератором, в определенных вариантах осуществления биогаз или некоторую его часть можно пропускать через установку для риформинга топлива для продукции водорода. Затем водород преобразуется в электричество посредством топливного элемента.

В качестве другого примера, в то время как описано, что биогаз сжигается отдельно от отстоя и твердых веществ после дистилляции, в определенных вариантах осуществления некоторые или все сточные побочные продукты можно сжигать вместе с образованием пара.

ПРОДУКТЫ/СОПРОДУКТЫ

В некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение относится к материалам, полученным с использованием способов, описанных в настоящем описании. В некоторых случаях такие материалы можно использовать в отсутствии материалов, добавляемых к биомассе до или после переработки, например, материалов, которые в естественных условиях не присутствуют в биомассе. В таких случаях материалы будут содержать встречающиеся в природе материалы, например, происходящие из биомассы. Альтернативно или дополнительно, материалы, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно комбинировать с другими природными и/или синтетическими материалами, например, материалами, которые в естественных условиях не присутствуют в биомассе.

Как описано выше, в некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для конвертирования (например, ферментации) биомассы в энергетический продукт (например, спирт, такой как этанол или углеводород) и/или другие продукты, которые образуются в результате процесса конверсии (например, органические кислоты). В таких случаях на биомассу воздействуют условиями, пригодными для такой конверсии. Иллюстративные условия могут включать, например, по меньшей мере биомассу и один или несколько микроорганизмов, способных конвертировать биомассу в энергию (например, спирт) в условиях, пригодных для функционирования организмов. Процессу конверсии можно позволять протекать до той степени, когда по меньшей мере часть биомассы конвертирована в энергетические (например, этанол) и/или другие продукты, которые образуются в результате конверсии (например, как описано ниже), и/или до той степени, когда все (например, по существу все) из материалов конвертированы в энергетические (например, этанол) и/или другие продукты, которые образуются в результате конверсии. Например, по меньшей мере приблизительно 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98, 99, 99,5 или 100% материалов, подвергнутых условиям, пригодным для ферментации, конвертируются в энергетические (например, этанол) и/или другие продукты, которые образуются в результате конверсии.

Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации биомассы, например, для модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости исходных материалов, для изменения структуры, например, для функционализации, исходных материалов и/или для изменения (например, уменьшения) молекулярной массы и/или кристалличности относительно исходного материала. Такие способы можно осуществлять вместе или по отдельности. Например, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для конвертирования части биомассы в энергию. Способы, описанные в настоящем описании, также можно использовать для модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости, изменения структуры, например, функционализации, и/или изменения (например, уменьшения) молекулярной массы и/или кристалличности биомассы, или наоборот.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или повышения доступности, например, по сравнению с непереработанными материалами биомассы) одного или нескольких компонентов, содержащихся в непереработанном материале биомассы (например, исходном материале). Иллюстративные компоненты, которые можно получать (например, экстрагировать, выделять и/или повышать доступность (например, по сравнению с непереработанным материалом биомассы)), включают, но не ограничиваются ими, сахара (например, 1,4-двухосновные кислоты (например, янтарную кислоту, фумаровую кислоту и яблочную кислоту), 2,5-фурандикарбоновые кислоты, 3-гидроксипропионовую кислоту, аспарагиновую кислоту, глюкаровую кислоту, глутаминовую кислоту, итаконовую кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, аспарагиновую кислоту, глюкаровую кислоту, глутаминовую кислоту, итаконовую кислоту, левулиновую кислоту, 3-гидроксибутиролактон, глицерин, сорбит и/или ксилит/арабит), декстрины, циклодекстрины, амилазу, амилопектин, жмых, белки, аминокислоты, пептиды, нуклеиновые кислоты, жиры липидов, жирные кислоты, глютен, подсластители (например, глюкозу), спирты сахаров (например, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, изомальтит, мальтит и лактит), масла (например, триглицеридные растительные масла (например, соевое масло, пальмовое масло, рапсовое масло, подсолнечное масло, арахисовое масло, хлопковое масло, пальмоядровое масло, оливковое масло), кукурузное масло, овсяное масло, ореховое масло и пальмовое масло)), минералы, витамины, токсины и другие химические вещества, золу и флаваноиды. Такие компоненты можно использовать в различных применениях, описанных ниже, например, в качестве индивидуальных компонентов, в комбинации с одним или несколькими дополнительными компонентами, в комбинации с переработанной и/или непереработанной биомассой и/или в комбинации с одним или несколькими дополнительными компонентами, не получаемыми (например, экстрагируемыми, выделяемыми и/или подвергнутыми способам повышения биодоступности) из биомассы. Способы получения одного или нескольких из этих компонентов известны в данной области.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для увеличения доступности одного или нескольких компонентов, содержащихся в биомассе (например, непереработанной и/или частично переработанной биомассе). Компоненты с повышенной доступностью можно легче получать (например, экстрагировать и/или выделять), легче использовать, и/или они могут быть более доступными для животного (например, усваиваемыми или всасываемыми у животного). Компоненты с повышенной доступностью могут включать, например, компоненты, которые встречаются в биомассе в естественных условиях, и/или компоненты, которые образуются с использованием способов, описанных в настоящем описании, (например, поперечно-сшитые соединения, низкомолекулярные соединения). Такие компоненты могут повышать ценность биомассы. Например, низкомолекулярные соединения могут легче гидролизоваться в желудке, чем непереработанная биомасса. Таким образом, биомассу, содержащую более доступные низкомолекулярные соединения, можно использовать в качестве ценного пищевого источника, например, для животных или насекомых, или для применения в агрономии, аквакультуре, например, разведении рыб, водных микроорганизмов, водных растений, морской травы и водорослей.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для стерилизации биомассы для того, чтобы обеспечить пригодность материалов для употребления животными и/или человеком (например, употребления внутрь или имплантации), насекомыми, или для применения в агрономии, аквакультуре, например, в разведении рыб, водных микроорганизмов, водных растений, морской травы и водорослей. В некоторых вариантах осуществления обработка целлюлозного материала облучением обеспечивает стерильность биомассы и, таким образом, пригодность для употребления животными и/или человеком (например, для употребления внутрь или имплантации). Также облученную целлюлозу можно использовать в других продуктах или сопродуктах.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки биомассы в материал, предназначенный для употребления (например, употребления внутрь или имплантации) человеком и/или не являющимися человеком животными. Как правило, такие материалы не должны по существу содержать инфекционного материала (например, патогенного и/или непатогенного материала), токсинов и/или других материалов (например, спор бактерий и грибов, насекомых и личинок), которые могут быть вредоносными для человека и/или животного. Способы, известные в данной области и/или описанные в настоящем описании, можно использовать для удаления, инактивации и/или нейтрализации инфекционного материала (например, патогенного и/или непатогенного материала) и/или токсинов, которые могут быть вредоносными для человека и/или животных, или которые, как правило, нежелательны в материале, предназначенном для применения у человека и/или животных. Например, способы можно использовать для удаления, инактивации и/или нейтрализации инфекционного материала, который может присутствовать в биомассе. Такие материалы включают, например, патогенные и непатогенные бактерии, вирусы, грибы, паразиты и прионы (например, инфекционные белки). В некоторых случаях способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для удаления, инактивации и/или нейтрализации токсинов, например, бактериальных токсинов и токсинов растений. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для удаления, инактивации и/или нейтрализации материалов, которые могут присутствовать в биомассе, которые не обязательно являются вредоносными, но которые являются нежелательными в материалах, подлежащих применению у человека и/или животных или в агрономии или аквакультуре. Иллюстративные материалы включают, но не ограничиваются ими, споры бактерий и грибов, насекомых и личинок.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для продукции продуктов и сопродуктов и продуктов биоконверсии, описанных в настоящем описании, в неблагоприятных условиях. Такие условия могут включать условия, которые представляют собой пространственные ограничения и/или экстремальные условия окружающей среды, например, области с чрезмерным теплом или холодом, области с чрезмерной радиацией, области с избыточными загрязнителями и/или области с ограниченным снабжением кислородом или солнечным светом. В некоторых вариантах осуществления такие условия могут включать, но не ограничиваться ими, например, борт космического корабля, борт космических станций (например, в космосе), борт подводных лодок (например, атомных подводных лодок) и других морских суден или барж или платформ, предназначенных для того, чтобы оставаться в море в течение длительных периодов времени, подводные объекты (например, гражданские и/или военные подводные объекты), условия пустыни, полярные условия, условия отрицательных температур (например, в зонах многолетней мерзлоты), условия на возвышенностях (например, где снабжение кислорода может быть ограничено и/или существуют экстремальные температуры) и удаленное местоположение (например, автономные базы).

В некоторых вариантах осуществления продукты и/или сопродукты, описанные в настоящем описании, например, полученные путем обработки биомассы с использованием способов, описанных в настоящем описании, могут представлять собой, например, твердые вещества (например, частицы (например, пленки), грануляты и/или порошки), полутвердые вещества, жидкости, газы, пары, гели их комбинации.

Спирты

Спирты, продуцируемые с использованием материалов, описанных в настоящем описании, могут включать, но не ограничиваться ими, моногидроксиспирт, например, этанол, или полигидроксиспирт, например, этиленгликоль или глицерин. Примеры спиртов, которые можно продуцировать, включают, но не ограничиваются ими, метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол, например, н-, втор- или трет-бутанол, этиленгликоль, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, глицерин или смеси этих спиртов.

В некоторых вариантах осуществления спирты, продуцированные с использованием способов обработки, описанных в настоящем описании, можно использовать для продукции пригодных к употреблению напитков.

Углеводороды

Углеводороды включают ароматические углеводороды или арены, алканы, алкены и алкины. Иллюстративные углеводороды включают метан, этан, пропан, бутан, изобутен, гексан, гептан, изобутен, октан, изооктан, нонан, декан, бензол и толуол.

Органические кислоты

Органические кислоты, продуцируемые с использованием способов и материалов, описанных в настоящем описании, могут включать монокарбоновые кислоты или поликарбоновые кислоты. Примеры органических кислот включают муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, валериановую кислоту, капроновую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линоленовую кислоту, гликолевую кислоту, молочную кислоту, γ-гидроксимасляную кислоту или смеси этих кислот.

Продукты питания

Как описано в настоящем описании, настоящее изобретение относится к способам, пригодным для модификации биомассы, например, путем модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости исходных материалов, изменения структуры (например, функционализации) исходных материалов, и/или изменения (например, снижения) молекулярной массы и/или кристалличности относительно исходного материала. Способы можно использовать для получения материалов со свойствами, которые могут быть благоприятными для применения в качестве продуктов питания или при получении продуктов питания. Например, способы можно использовать для получения материала с улучшенной (например, повышенной или сниженной) растворимостью, например, по сравнению с исходным материалом, который можно использовать как более хорошо всасываемый продукт. Повышенную растворимость можно обеспечивать, например, путем диспергирования (например, растворения) непереработанных и переработанных материалов в пригодном растворителе, удаления нерастворенного материала, детекции материалов и/или определенных компонентов материалов (например, сахаров) и сравнения уровней выявленных материалов в переработанных и непереработанных материалах. В некоторых случаях растворитель, содержащий материалы, можно модифицировать, например, путем нагревания или коррекции pH.

Альтернативно или дополнительно, способы можно использовать для получения материала с более высокой питательной ценностью (например, более высокой энергией (например, более доступной для переваривания пищевой энергией) и/или доступностью питательных веществ), когда материал употребляется животным, например, по сравнению с исходным материалом или непереработанной биомассой. Такие способы не обязательно увеличат общее количество энергии или питательных веществ, присутствующих в установленном количестве (например, массе) конкретного типа переработанного материала по сравнению с тем же количеством и типом непереработанной биомассы. Вместо этого, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения питательной ценности (например, доступности энергии и/или одного или нескольких питательных веществ) в установленном количестве (например, массе) конкретного типа переработанной биомассы по сравнению с тем же количеством и типом непереработанной биомассы.

Повышение доступности калорийности пищи в конкретном типе биомассы можно использовать для повышения употребления метаболизируемой энергии (MEI) этой биомассы. Способы измерения калорийности пищи известны в данной области. MEI, как правило, вычисляют умножением количества килокалорий или килоджоулей, содержащихся в компоненте пище, на 85%. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения MEI биомассы.

Способы сравнения MEI переработанной и непереработанный биомассы могут включать, например, кормление равными количествами переработанной или непереработанной биомассы по меньшей мере двух отдельных групп из одного или нескольких животных, и измерение ростового ответа животных.

Доступность питательных веществ можно оценивать проведением балансового опыта. Протоколы проведения балансовых опытов известны в данной области. Например, в переработанной и/или непереработанной биомассе можно определять общие уровни питательных веществ. Равными количествами переработанной или непереработанной биомассы можно кормить по меньшей мере две различных группы из одного или нескольких животных. Затем определяют потери с экскрементами одного или нескольких питательных веществ в течение заданного периода времени. Повышенную доступность питательных веществ определяют как более низкие количества одного или нескольких питательных веществ в экскрементах животных. Альтернативно или дополнительно, доступность питательных веществ можно оценивать путем измерения и сравнения уровней одного или нескольких питательных веществ в крови животных, которых кормили переработанной и непереработанной биомассой.

В некоторых вариантах осуществления питательную ценность можно увеличивать путем увеличения усвояемости одного или нескольких из: энергии, обеспечиваемой питанием, углеводов, сахаров, белков, жиров (насыщенных, мононенасыщенных и полиненасыщенных), холестерина, пищевых волокон, витаминов (например, витамина A, E, C, B6, B12, каротина, тиамина, рибофлавина и ниацина), минералов (например, кальция, фосфора, магния, железа, цинка, меди, калия, селена и натрия) и масел, когда животное употребляет биомассу.

Как правило, способы, описанные в настоящем описании, можно выбирать и/или оптимизировать для выбора способа или комбинации способов, которые приводят к более растворимому, всасываемому и/или усваиваемому материалу, например, с желаемой доступностью питательных веществ (например, более высокой доступностью питательных веществ (например, белков, аминокислот, углеводов, минералов, витаминов, жиров, липидов и масел), чем в исходном непереработанном материале), которые можно использовать у человека и/или животных в качестве пищевого продукта. Поскольку материалы биомассы являются легкодоступными и недорогими, материалы, полученные такими способами, обеспечат экономичные продукты питания и снизят отходы.

В некоторых вариантах осуществления материалы и способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для продукции продуктов питания, например, сельскохозяйственных продуктов питания и продуктов питания, пригодных для употребления млекопитающими, птицами и/или рыбами. Такие животные включают, но не ограничиваются ими, животных для производства пищевых продуктов, домашних животных, животных зоопарков, лабораторных животных и/или человека.

В некоторых вариантах осуществления материалы, продуцируемые способами, описанными в настоящем описании, которые предназначены для применения в качестве пищевых продуктов (например, у человека и/или животных), могут быть дополнительно переработанными, например, гидролизованными. Способы гидролиза известны в данной области и включают, например, применение ферментов, кислот и/или оснований для уменьшения молекулярной массы сахаридов. В некоторых вариантах осуществления продукты питания, получаемые способами, описанными в настоящем описании, могут включать ферменты (например, сухие ферменты, активные ферменты и/или ферменты, требующие активации).

В некоторых вариантах осуществления материалы, получаемые способами, описанными в настоящем описании, которые предназначены для применения в качестве продуктов питания (например, у человека и/или животных), можно дополнительно перерабатывать для повышения стерильности материалов и/или удаления, инактивации и/или нейтрализации материалов, которые могут присутствовать в биомассе, например, инфекционного материала (например, патогенного и/или непатогенного материала), токсинов и/или других материалов (например, спор бактерий и грибов, насекомых и личинок). Как правило, способы, описанные в настоящем описании, можно выбирать и оптимизировать для обеспечения оптимального удаления, инактивации и/или нейтрализации материалов, которые могут быть нежелательными.

Корма для животных

Ежегодно по всему миру продуцируется свыше 600 миллионов тонн кормов для животных с ежегодным уровнем роста продукции приблизительно 2%. Сельское хозяйство является одним из наиболее крупных потребителей кормов для животных, а фермеры США тратят более 20 миллиардов долларов в год на сельскохозяйственные корма для животных, предназначенных для продукции пищи. Другие потребители кормов включают, например, владельцев домашних животных, зоопарки и лаборатории, которые держат животных для научных исследований.

Как правило, корм для животных должен удовлетворять конкретным требованиям для данного животного, или превосходить их, например, для поддержания или улучшения здоровья конкретного типа или вида животного, обеспечения роста данного животного (например, увеличение массы тканей) и/или для стимуляции продукции продуктов. Улучшенные корма для животных (например, более растворимые, всасываемые и/или усваиваемые корма) обеспечивают или стимулируют эти эффекты с использованием меньшего количества корма и/или при более низких расходах.

Используемые в настоящее время исходные материалы в коммерчески продуцируемых кормах включают кормовое зерно (например, кукурузу, сою, сорго, овес и ячмень). Кормовая промышленность является наиболее крупным покупателем кукурузы, кормового зерна и соевой муки в США. Однако, ввиду возрастающей цены на кормовое зерно, такое как кукуруза, являются желательными более дешевые альтернативы. Наиболее широко доступным кормом является биомасса, например, целлюлозный материал. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения доступности питательных веществ в одном из этих материалов, например, для поддержания или улучшения здоровья конкретного типа или вида животного, стимуляции роста данного животного (например, увеличения массы тканей) и/или для стимуляции продукции продуктов питания. Низкую доступность питательных веществ обычно используемых кормов (например, сена и трав) часто связывают с высоким содержанием целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в таком материале. В отличие от людей, которые не могут переваривать целлюлозу, травоядные животные, например, жвачные животные, способны переваривать целлюлозу, по меньшей мере частично, посредством процесса, известного как пережевывание жвачки. Однако этот процесс является недостаточным и требует многих раундов срыгивания. Например, жвачные животные переваривают только 30-50% целлюлозы и гемицеллюлозы. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения доступности питательных веществ или питательной ценности любых из этих материалов, например, для поддержания или улучшения здоровья конкретного типа или вида животного, стимуляции роста данного животного (например, увеличения массы тканей) и/или для стимуляции продукции продуктов питания. В способах, описанных в настоящем описании, используются сниженные количества кормов, при более низких расходах и/или с меньшим количеством отходов.

Как правило, повышение доступности питательных веществ в кормах для животных обеспечивает снижение количества корма, требуемого для кормления животного, чтобы животное получило то же количество энергии. Следовательно, для животного требуется меньшее количество корма, что, таким образом, обеспечивает более экономичный корм.

Для повышения доступности питательных веществ корма предпринимали различные способы с ограниченным успехом. Такие способы включают применение ферментов, таких как целлюлозные ферменты, для разрушения целлюлозного материала на олигосахариды с более короткой цепью, которые легче перевариваются. Хотя эту практику и используют в Европе и Австралии, она является дорогостоящей, и ее нечасто используют в развивающихся странах. Другие способы включают удаление соломы для предотвращения потери листвы, удаление воздуха, физическую обработку материала (например, уплотнение целлюлозного материала, снижение размера частиц и тонкое измельчение), химическую обработку и перекармливание. Кроме того, корма, состоящие, главным образом, из целлюлозного материала, часто дополняют питательными системами (например, добавки для предварительного смешивания). Эти питательные системы, как правило, предназначены для обеспечения потребностей в пище данного животного. Несмотря на гарантию того, что животные получают требуемые питательные вещества, в таких системах целлюлозный материал используется неэффективно.

Способы, описанные в настоящем описании, обеспечивают способы повышения доступности питательных веществ или питательной ценности биомассы (например, путем модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости биомассы и/или изменения структуры (например, функционализации) исходных материалов, и/или изменения (например, снижения) молекулярной массы и/или кристалличности), как описано выше, тем самым получая более ценные корма. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения доступности питательных веществ биомассы путем разрушения целлюлозного материала (например, целлюлозы и/или гемицеллюлозы) на сахариды с более короткой цепью и/или моносахариды. Путем повышения доступности питательных веществ биомассы, эти способы приводят к более эффективному корму, который можно использовать для поддержания или улучшения здоровья конкретного типа или вида животного, стимуляции роста данного животного (например, увеличения массы тканей) и/или для стимуляции продукции продуктов питания.

В некоторых вариантах осуществления полезный корм для животных может включать частично переработанную биомассу, например, биомассу, раздробленную с использованием способов, описанных в настоящем описании. Такая частично переработанная биомасса может легче гидролизоваться в желудке животного.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки биомассы для получения материалов, описанных в настоящем описании. Эти материалы могут включать, но не ограничиваться ими, например, полисахариды длиной более 1000 сахаридных элементов; приблизительно 1000 сахаридных элементов; приблизительно 800-900 сахаридных элементов; приблизительно 700-800 сахаридных элементов; приблизительно 600-700 сахаридных элементов; приблизительно 500-600 сахаридных элементов; приблизительно 400-500 сахаридных элементов; приблизительно 300-400 сахаридных элементов; приблизительно 200-300 сахаридных элементов; приблизительно 100-200 сахаридных элементов; 100, 90, 80, 70, 60, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 и 1 сахаридных элементов.

В некоторых вариантах осуществления способы приводят к образованию дисахаридов (например, сахарозы, лактозы, мальтозы, трегалозы и целлобиозы). В некоторых вариантах осуществления способы приводят к образованию моносахаридов (например, глюкозы (декстрозы), фруктозы, галактозы, ксилозы и рибозы). Эти молекулы с более короткой цепью легче всасываются у животного, что, тем самым, повышает доступность питательных веществ биомассы. Следовательно, способы и материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве корма или при продукции корма.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве корма, например, сельскохозяйственного корма и/или корма, пригодного для употребления млекопитающими, птицами и/или рыбами. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки исходного материала, пригодного для применения в качестве корма для животных или в корме для животных.

Материалы, которые могут быть эффективно переработаны с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, например, продукты пахотных земель, сельскохозяйственные культуры, травы, растения и/или кормовое зерно, например, включая, но не ограничиваясь ими, растительный материал (например, грубые корма, такие как люцерновая мука, сено, сено бермудской прибрежной травы, зубровка душистая, растение кукурузы и сено сои), зерна (например, ячмень, кукуруза (включая натуральную и генетически модифицированную кукурузу), овес, рис, сорго и пшеница), белковые продукты растений (например, мука канолы, жмых и мука семян хлопка, сафлоровая мука и соевый (включая натуральную и генетически модифицированную сою) корм и мука), побочные продукты переработки зерна (например, продукты из сухой барды, высушенное пивное зерно, глютен кукурузы, жмых и муку зародышей сорго, кожуру арахисового ореха и пшеничные отруби), плоды и побочные продукты плодов (например, высушенную цитрусовую пульпу, яблочный жмых и пектиновую пульпу), мелассы (например, свекольные, цитрусовые, крахмальные и тростниковые мелассы), шелуху миндаля, растертую скорлупа, шелуху гречихи, бобовые и побочные продукты бобовых, и побочные продукты других культур. Другие исходные материалы включают, но не ограничиваются ими, люцерну, ячмень, лядвенец, капусту (например, капусту кочанную, капусту огородную, семена рапса (канолу), брюкву (шведскую репу) и репу), клевер (например, клевер красно-белый, красный клевер, клевер подземный и белый клевер), травы (например, французский райграс высокий, овсяницу, бермудскую траву, костер, трехзубку, мятлик луговой, ежу сборную, плевел и тимофеевку луговую), маис (кукурузу), щетинник, просо, сорго и сою. В некоторых вариантах осуществления исходный материал может представлять собой отходы животноводства (например, отходы жвачных животных) или отходы человека.

В некоторых вариантах осуществления корма содержат только материалы, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании. Альтернативно или дополнительно, корма содержат дополнительные исходные материалы (включая исходные материалы, не обработанные с использованием способов, описанных в настоящем описании) и добавки. Состав корма может быть таким, чтобы он удовлетворял потребностям данного животного, например, для поддержания или улучшения здоровья конкретного типа или вида животного, для стимуляции роста данного животного, увеличения массы тканей и/или для стимуляции продукции продуктов питания. В некоторых случаях корм можно изготавливать, чтобы он удовлетворял потребностям данного животного при наименьшей стоимости ("рацион наименьшей стоимости"). Способы определения состава корма и рациона наименьшей стоимости хорошо известны специалистам в данной области (см., например, Pesti and Miller, Animal Feed Formulation: Economic and Computer Applications (Plant and Animal Science), Springer Publishing, February 28, 1993 и web-адрес всемирной сети liveinformatics.com).

Дополнительные исходные материалы и добавки, которые можно эффективно комбинировать с материалом, полученным с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, продукты животноводства (например, мясо животных, кормовую шквару, мясную и костную муку, птичью муку, муку из побочных продуктов животноводства, сухую кровь животных, кровяную муку, муку из перьев, муку из яичной скорлупы, цельную гидролизованную птицу, гидролизованную шерсть и костный мозг), отходы животноводства, морепродукты и их побочные продукты (например, криль, части рыбы и рыбную муку, муку из рыбных отходов, части крабов и крабовую муку, части креветок и креветочную муку, рыбий жир, муку из печени и желез рыб, и другие рыбные побочные продукты), молочные продукты (например, сухое коровье молоко, казеин, продукты из молочной сыворотки и сухой сыр), жиры и масла (например, животный жир, растительный жир или масло и гидролизованные жиры), пищевые отходы ресторанов (например, пищевые отходы из ресторанов, пекарен и кафетериев) и загрязненные/испорченные продукты, обработанные для уничтожения патогенов.

Другие добавки включают антибиотики (например, тетрациклины, макролиды, фторхинолоны и стрептограмины), вкусовые добавки, геркулес для пивоварения, побочные продукты производства лекарственных средств (например, использованный мицелий и продукты ферментации), минералы и микроэлементы (например, костяной уголь, карбонат кальция, меловой камень, соли железа, соли магния, муку из устричных раковин и сульфаты), протеинизированные минералы (например, протеинизированные селен и хром), витамины (например, витамин A, витамин D, витамин B₁₂, ниацин и бетаин), прямые пищевые организмы/пробиотики (например, Aspergillus niger, Baccillus subtillis, Bifidobacterium animalis, B. bifidium, Enterococcus faecium, Aspergillus oryzae, Lactobacillus acidophilus, L. bulgaricus, L. planetarium, Streptococcus lactis и Saccharomyces cerevisiae), пребиотики (например, маннан-олигосахариды (MOS), фруктоолигосахариды и смешанный олигодекстран), вкусовые добавки (например, концентрат геля с алоэ, имбирь, стручковый перец и фенхель), ферменты (например, фитазу, целлюлазу, лактазу, липазу, пепсин, каталазу, ксиланазу и пектиназу), уксусную кислоту, серную кислоту, соли алюминия, декстраны, глицерин, пчелиный воск, сорбит, рибофлавин, консерванты (например, бутилированный гидроксианизол и бисульфит натрия), нутрицевтики (например, травяные и ботанические продукты), аминокислоты, запасной белок, мочевину, мелассы, жирные кислоты, (например, уксусную, пропионовую и масляную кислоту) и модификаторы метаболизма (например, соматотропины и адренергические агонисты). В некоторых случаях материалы, продуцированные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно комбинировать или включать в блок из мочевины, мелассы и минералов (UMMB).

Корма, изготовленные с использованием материалов, описанных в настоящем описании, могут находиться в форме, пригодной для употребления, например, данным животным. В некоторых случаях корм может быть твердым. Альтернативно или дополнительно, корм может быть в жидкой форме, например, корм может быть в форме жидкой суспензии или раствора в пригодном растворителе. Иллюстративные формы включают, но не ограничиваются ими, твердые формы, такие как порошки, таблетки, минеральные блоки, гранулы, брикеты и смеси непереработанного исходного материала (например, травы) и материала, переработанного с использованием способов, описанных в настоящем описании.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, может включать (например, примешивать) в корм фермер, например, для местного использования и/или мелкосерийного распространения. В таких случаях материалы, описанные в настоящем описании, могут быть предоставлены фермеру в упакованной форме, например, в форме, которая пригодна для включения в корм. Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, может включать (например, примешивать) в корм производитель корма, например, для крупномасштабного распространения. В таких случаях материалы, описанные в настоящем описании, могут быть предоставлены производителю корма в форме, которая пригодна для включения в корм. Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, из исходного материала можно получать в регионе, в котором изготавливается корм.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно распространять и они могут употребляться животным отдельно в отсутствии каких-либо дополнительных исходных материалов и/или добавок.

В некоторых вариантах осуществления, перед применением в качестве продукта питания, требуется последующая переработка материалов. Например, для удаления влаги из промежуточных продуктов ферментации можно использовать сушилку для облегчения хранения, обработки и повышения срока годности. Дополнительно или альтернативно. материалы можно растирать до размера мелких частиц на мельнице из нержавеющей стали для получения похожего на муку вещества.

Как правило, кормами на основе биомассы обычно кормят только жвачных животных, которые способны, по меньшей мере частично, переваривать целлюлозу. Поскольку настоящее описание относится к материалам, в которых целлюлозный материал разрушают на сахара с более короткой цепью, эти материалы также можно использовать в качестве приемлемого корма для животных, которые неспособны переваривать целлюлозу или гемицеллюлозу. Таким образом, кормами, полученными с использованием материалов и способов, описанных в настоящем описании, можно эффективно кормить животных, включая, но не ограничиваясь ими, животных для производства продуктов питания, животных зоопарков и лабораторных животных и/или домашних животных. Также корма можно использовать в агрономии и аквакультуре. Кроме того, поскольку корма, полученные с использованием материалов, описанных в настоящем описании, имеют более высокую доступность питательных веществ, требуется меньшее количество корма, чтобы животное получило то же количество энергии, что может снизить стоимость корма. Альтернативно животные могут быть способны потребить большее количество энергии, что приведет к более высоким скоростям роста, увеличению массы тканей, продукции молока и продукции яиц.

В некоторых вариантах осуществления материалами, описанными в настоящем описании, можно эффективно кормить жвачных животных (например, крупный рогатый скот, коз, овец, лошадей, лосей, бизонов, оленей, верблюдов, альпак, лам, жирафов, яков, буйволов, гну и антилоп), птиц, свиней, кабанов, птиц, кошек, собак и рыб.

Сухую барду и растворенные вещества можно конвертировать в ценный побочный продукт процесса дистилляции-дегидратации. После процесса дистилляции-дегидратации сухую барду и растворенные вещества можно сушить для улучшения возможности хранения или обработки материала. Полученная сухая барда и растворенные вещества (DDG) имеют низкое содержание крахмала, высокое содержание жиров, высокое содержание белка, высокое содержание волокон и высокое содержание фосфора. Таким образом, например, DDG может быть ценной в качестве кормового источника для животных (например, в качестве кормового источника для молочного скота). DDG можно впоследствии комбинировать с питательными добавками, чтобы удовлетворить конкретные пищевые потребности конкретных категорий животных (например, баланс усваиваемого лизина и фосфора для рационов свиней). Альтернативно или дополнительно, биомассу, переработанную с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно комбинировать с DDG. Соотношение переработанной биомассы и DDG можно оптимизировать, чтобы оно удовлетворяло потребности конкретного животного.

В некоторых вариантах осуществления в кормах для животных можно использовать масла, полученные из биомассы с использованием способов, описанных в настоящем описании, например, в качестве добавки в корм домашних животных.

В некоторых вариантах осуществления биомассу, полученную с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно использовать в кормах для животных.

Продукты питания для человека

Как описано выше, люди, как правило, в меньшей степени способны переваривать целлюлозу и целлюлозный материал. Биомасса представляет собой широко доступный материал, однако, она могла бы служить в качестве нового продукта для употребления человеком. Однако для того, чтобы материал биомассы (например, материал, содержащий целлюлозу) был пригоден в качестве продукта питания для человека, доступность питательных веществ биомассы должна быть повышена путем (1) повышения растворимости биомассы; (2) изменения структуры (например, функционализации) исходных материалов; (3) изменения (например, снижения) молекулярной массы и/или кристалличности относительно исходного материала; и/или (4) разрушения целлюлозного материала на сахариды меньших размеров, например, сахариды длиной более 1000 сахаридных элементов; приблизительно 1000 сахаридных элементов; приблизительно 800-900 сахаридных элементов; приблизительно 700-800 сахаридных элементов; приблизительно 600-700 сахаридных элементов; приблизительно 500-600 сахаридных элементов; приблизительно 400-500 сахаридных элементов; приблизительно 300-400 сахаридных элементов; приблизительно 200-300 сахаридных элементов; приблизительно 100-200 сахаридных элементов; 100, 90, 80, 70, 60, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 и 1 сахаридных элементов. Такие материалы могут иметь повышенную доступность питательных веществ (как описано выше), например, у человека, и они могут быть пригодными в качестве продуктов питания для человека. Как правило, пригодный продукт питания для человека должен, например, обеспечивать приемлемый и доступный источник энергии и питательных веществ для человека, например, для поддержания или улучшения здоровья человека и/или стимуляции роста человека (например, увеличения массы тканей). Способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения таких полезных продуктов питания для человека, например, из материала на основе биомассы.

В некоторых вариантах осуществления, перед применением в качестве продуктов питания, требуется переработка материалов. Например, для удаления влаги из промежуточных продуктов ферментации можно использовать сушилку для облегчения хранения, обработки и повышения срока годности. Дополнительно или альтернативно, материалы можно растирать до частиц мелкого размера на мельнице из нержавеющей стали для получения похожего на муку вещества.

Такие продукты питания могут включать, но не ограничиваться ими, например, энергетические добавки (например, порошки и жидкости). Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, можно комбинировать с первым продуктом питания для повышения питательной ценности первого продукта питания. Например, продукты питания, описанные в настоящем описании, можно комбинировать с низкоэнергетическим продуктом питания для повышения энергии в этом продукте питания.

Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для усиления сладкого вкуса продукта питания, например, в качестве подсластителя, а также питательной ценности продукта питания. В таких случаях может быть желательным получение из материалов одного или нескольких конкретных сахаров (например, моносахаридов, дисахаридов, олигосахаридов и/или полисахаридов), например, путем выделения одного или нескольких конкретных сахаров из материалов. Способы выделения сахаров известны в данной области.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве материала с низкой стоимостью для продукции продуктов питания. Например, материалы можно поставлять в пекарни для применения в хлебе и/или кондитерских изделиях, и производителям продуктов для применения в качестве наполнителя, например, для повышения объема и/или питательной ценности продукта питания.

В некоторых вариантах осуществления материалы, кроме того, могут служить в качестве источника волокон для употребления человеком. В таких случаях способы, используемые для разрушения целлюлолитического материала, могут быть адаптированы для менее полного уменьшения молекулярной массы, например, способы могут приводить к материалам, содержащим немного целлюлозы, и/или приводить к полисахаридам с более длинной цепью, которые нелегко всасываются у человека. Такие материалы можно предоставлять человеку для употребления в пищу в форме твердого вещества (например, в виде таблетки или гранулярного порошка) или жидкости (например, раствора, геля, коллоидного вещества или суспензии).

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно предоставлять человеку для употребления в пищу отдельно или в комбинации со вторым продуктом питания, который пригоден для употребления человеком. Такие продукты питания включают, но не ограничиваются ими, хлеба, молочные продукты, мясные продукты, рыбные продукты, зерновые продукты, фрукты, овощи, бобовые (например, сою) и жевательные резинки. В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно комбинировать с белками, жирами, углеводами, минералами, фармацевтическими средствами и витаминами.

Белки

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) белков (например, полипептидов, пептидов и аминокислот) из биомассы. Такие белки (например, полипептиды, пептиды и аминокислоты) можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, полученными с использованием способов, описанных в настоящем описании, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок, вспомогательных веществ и/или наполнителей), в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств) и/или в агрономии (например, в качестве питательных веществ для питания или поддержания сельскохозяйственных культур) или в аквакультуре.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения белков (например, полипептидов, пептидов и аминокислот) например, из семян окры, Lipinus mutabilis, орехов (например, ореха макадамии), Jessenia bataua, Oenocarpus, Stokesia laevis, Veronia galamensis и Apodanthera undulate.

Жиры, масла и липиды

Жиры состоят из широкой группы соединений, которые обычно растворимы в органических растворителях и, главным образом, нерастворимы в воде. Жиры являются твердыми при комнатной температуре. Жиры, которые являются жидкими при комнатной температуре, как правило, называют маслами. Термин липиды, как правило, относится к твердым и жидким жирам. Как используют в настоящем описании, термины жиры, масла и липиды включают, но не ограничиваются ими, пищевые масла, промышленные масла и материалы, включающие сложный эфир, например, триглицерид и/или углеводород.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) жиров (например, липидов и жирных кислот) из биомассы. Такие жиры (например, липиды и жирные кислоты) можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, полученными с использованием способов, описанных в настоящем описании, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок, вспомогательных веществ и/или наполнителей), в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств) и/или в агрономии (например, в качестве питательных веществ).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) масел из биомассы. Такие масла можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, полученными с использованием способов, описанных в настоящем описании, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок, вспомогательных веществ и/или наполнителей), в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств), в агрономии (например, в качестве питательных веществ), в качестве биотоплив, сухих масел (например, в красках) и добавок в корм домашних животных.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения жиров, масел и/или липидов, например, из подсолнуха, семени окры, буйволовы тыквы (Cucurbita foetidissima), Lipinus mutabilis, орехов (например, орехов макадамии), Jessenia bataua, Oenocarpus, Crambe abyssinica (катран), Monoecious jojoba (хохоба), Cruciferae sp. (например, Brassica juncea, B. carinata, B. napas (обычное семя рапса) и B. campestris), Stokesia laevis, Veronia galamensis и Apodanthera undulate.

Углеводы и сахара

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) углеводов и/или сахаров из биомассы. Такие углеводы и сахара можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, полученными с использованием способов, описанных в настоящем описании, например, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок, вспомогательных веществ, сиропов и/или наполнителей), в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств) и/или в агрономии (например, в качестве питательных веществ).

Витамины

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) витаминов из биомассы. Такие витамины можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, получаемыми с использованием способов, описанных в настоящем описании, например, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок и вспомогательных веществ), в промышленности здравоохранения, в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств) и/или в агрономии.

Минералы

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) минералов из биомассы. Такие минералы можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, получаемыми с использованием способов, описанных в настоящем описании, например, в пищевой промышленности (например, в качестве добавок и вспомогательных веществ), в промышленности здравоохранения, в косметической промышленности (например, при изготовлении косметических средств) и/или в агрономии.

Зола

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения (например, экстракции, выделения и/или очистки) золы из биомассы. Такую золу можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими материалами и компонентами биомассы, получаемыми с использованием способов, описанных в настоящем описании, например, в пищевой промышленности (например, в качестве добавки, вспомогательного вещества и/или наполнителя).

Фармацевтические средства

Свыше 120 доступных в настоящее время фармацевтических продуктов имеют растительное происхождение. Поскольку способы, описанные в настоящем описании, пригодны для переработки целлюлолитического материала, эти способы могут быть пригодны для выделения, очистки и/или получения фармацевтических средств на основе растений.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, могут иметь медицинские свойства. Например, способы, описанные в настоящем описании, могут приводить к получению материалов с новыми медицинскими свойствами (например, не присутствующими в исходном материале). Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, могут приводить к получению материала с усиленными медицинскими свойствами (например, к повышенному медицинскому свойству, чем в исходном материале).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости материала, например, материала с медицинскими свойствами. Такой материал может легче вводиться, и/или он может легче всасываться, например, у человека и/или животного, чем исходный материал.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для функционализации (например, изменения структуры, экспонирования реактивной боковой цепи и/или модификации заряда) материала с медицинскими свойствами. Такие материалы могут иметь, например, измененную реактивность, измененный заряд и/или измененную растворимость.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации молекулярной структуры материала, например, материала с медицинскими свойствами. Такие материалы могут иметь измененную (например, повышенную или сниженную) среднюю молекулярную массу, среднюю кристалличность, площадь поверхности и/или пористость. Такие материалы могут иметь, например, измененную реакционную способность, измененный заряд, измененную растворимость.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве высокоэффективных способов переработки, например, для получения фармацевтических средств на основе растений из целлюлозного исходного материала, такого как растения. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения фармацевтической активности фармацевтического средства на основе растений. Например, в некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно применять к растениям и/или травам с медицинскими свойствами. Например, обработка ультразвуком может стимулировать биоактивность и/или биодоступность медицинских компонентов растений и/или трав с медицинскими свойствами. Кроме того или альтернативно, облучение может стимулировать биоактивность и/или биодоступность медицинских компонентов растений и/или трав с медицинскими свойствами.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения растворимости растительного и/или травяного материала. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для снижения токсичности растительного и/или травяного материала без ухудшения медицинских свойств растения и/или травы. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, пригодны для выделения и/или очистки фармацевтических соединений из растительного материала (которые, без связи с теорией, возможны вследствие более эффективного разрушения целлюлозного материала), поскольку способы разрушают, изменяют, модифицируют или реструктурируют целлюлозу, например, присутствующую в листьях растительного материала. Затем желаемые соединения, высвобожденные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно выделять из нежелательного материала, в то время как менее эффективные способы могут не позволить высвободить желаемый материал из нежелательного материала. Таким образом, менее эффективные способы неизбежно приводят к переносу нежелательного материала, который может снизить желаемую эффективность (например, фармацевтического соединения) и/или может быть ассоциированным с потенциально токсическими побочными эффектами. Таким образом, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения в высокой степени очищенных форм потенциальных фармацевтических соединений, например, не содержащих нежелательного растительного материала, которые не достижимы с использованием современных способов. Эти в высокой степени очищенные соединения могут быть более эффективными, чем менее очищенные формы тех же соединений. В некоторых вариантах осуществления повышенная эффективность, достижимая с использованием способов, описанных в настоящем описании, может позволить уменьшенное дозирование. В свое очередь, это снижение количества материала, вводимого субъекту, может снизить ассоциированную с этим токсичность. Альтернативно или дополнительно, удаление избыточного или нежелательного растительного материала может способствовать снижению или устранению какой-либо токсичности, ассоциированной с растительным соединением, которое подвергали переработке с использованием способов, описанных в настоящем описании.

Примеры эффективной обработки растений и/или растительного материала с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают, например, обработку ультразвуком и облучение, которые можно комбинировать при предварительной обработке коры ивы для стимуляции выделения, очистки и/или продукции салицина. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего растения окопника, для облегчения выделения, очистки и/или продукции аллантоина. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для облегчения выделения, очистки и/или продукции бензоина. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего камфорный базилик, для облечения выделения, очистки и/или продукции камфоры. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего растения рода Ephedra, для облегчения выделения, очистки и/или продукции эфедрина. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего Duboisia myoporoides R. Br. (австралийское корковое дерево), для облегчения выделения, очистки и/или продукции атропина. В некоторых вариантах осуществления атропин, полученный с использованием способов, описанных в настоящем описании, может иметь усиленный антихолинергический эффект. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего Mucuna deeringiana (бархатные бобы), для облегчения выделения, очистки и/или продукции L-допы. В некоторых вариантах осуществления L-допа, полученная с использованием способов, описанных в настоящем описании, может иметь повышенный антипаркинсонический эффект. Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки растительного материала, содержащего Physostigma venenosum Balf. (калабарский боб), для облегчения выделения, очистки и/или продукции физостигмина. В некоторых вариантах осуществления физостигмин, полученный с использованием способов, описанных в настоящем описании, может иметь усиленный антихолинэстеразный эффект. Примеры других фармацевтических средств на основе растений, для которых можно использовать способы, описанные в настоящем описании, для переработки растительного материала в целях выделения, очистки и/или продукции, включают, но не ограничиваются ими, бромелайн, химопапаин, кокаин, десерпидин, эметин, хиосциамин, каваину, монокроталин, уабаин, папаин, пилокарпин, квинидин, хинин, ресциннамин, резерпин, скополамин, тубокурарин, винбластин, иохимбин, каприловую кислоту, цинеол, лимонную кислоту, кодеин, крезол, гваякол, лецитин, ментол, фенолпсевдоэфедрин, сорбит и виннокаменную кислоту.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки трав, например, медицинских трав, включая, но не ограничиваясь ими, базилик, сорго лимонное, петрушку, мяту перечную и сельдерей. Дополнительные медицинские травы, которые можно перерабатывать с использованием способов, описанных в настоящем описании, могут быть найдены на web-адресе всемирной сети altnature.com.

Новейшей технологией является производство фармацевтических средств в растениях. Фармацевтические средства, продуцируемые с использованием растений, которые обычно называют продуцированными в растениях фармацевтическими средствами (PMP), включают фармацевтические соединения и вакцины. Как правило, PMP экспрессируются в листьях соответствующих растений. Таким образом, очевидно, что способы, описанные в настоящем описании, могут быть полезны для переработки растительного материала, содержащего PMP, для облегчения выделения, очистки и/или продукции PMP.

Дополнительные иллюстративные медицинские растения, которые можно обрабатывать с использованием способов, описанных в настоящем описании, могут быть найдены, например, на web-адресе всемирной сети nps.gov/plants/MEDICINAL/plants.htm.

В некоторых вариантах осуществления материал, подвергнутый переработке с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно комбинировать с фармацевтическим эксципиентом, например, для введения субъекту. Иллюстративные эксципиенты, которые можно использовать, включают буферы (например, цитратный буфер, фосфатный буфер, ацетатный буфер и бикарбонатный буфер), аминокислоты, мочевину, спирты, аскорбиновую кислоту, фосфолипиды, полипептиды (например, сывороточный альбумин), ЭДТА, хлорид натрия, липосомы, маннит, сорбит, воду и глицерин. Дозированные формы можно изготавливать, чтобы они были пригодны для любого стандартного способа введения. Например, введение может быть парентеральным, внутривенным, подкожным или пероральным, или оно может представлять собой любой способ введения, одобренный Federal Drug Administration (см. web-адрес всемирной сети fda.gov/cder/dsm/DRG/drg00301.htm).

Нутрицевтики и нутрацевтики

Продукты с медицинской пользой для здоровья, включая профилактику и/или лечение заболевания, называют нутрацевтиками или нутрицевтиками. Например, нутрацевтики и нутрицевтики представляют собой встречающиеся в природе или искусственно полученные питательные добавки, которые могут способствовать здоровому образу жизни, например, путем ослабления связанных с заболеванием симптомов, снижения частоты возникновения или тяжести заболевания, и обеспечения длительного здоровья.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения комбинаций моносахаридов, дисахаридов, олигосахаридов и/или полисахаридов, которые могут способствовать здоровому образу жизни. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материала, который пригоден для обеспечения снижения массы тела у человека. Например, материал, например, волокнистый материал, может иметь низкую доступность питательных веществ с низкой усвояемостью. Такие материалы можно использовать в качестве добавки к рациону, например, для подавления голода и/или обеспечения насыщения. Употребление таких материалов может позволить субъекту избежать употребления высокодоступных питательных веществ и/или высокоусвояемых продуктов питания и, таким образом, может способствовать снижению массы тела у индивидуума.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно дополнять одной или несколькими питательными добавками, которые способны обеспечивать здоровый образ жизни. В таких случаях материалы, описанные в настоящем описании, могут либо усилить активность одной или нескольких питательных добавок и/или повысить растворимость и/или усилить фармакокинетические свойства питательных добавок. Иллюстративные питательные добавки, которые можно комбинировать с материалами, описанными в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, например, диоксид кремния, кремний, бор, калий, йод, бета-каротин, ликопен, нерастворимое волокно, мононасыщенные жирные кислоты, омега-3-жирную кислоту, флавонолы, сульфорафан, фенолы (например, кофеиновую кислоту и феруловую кислоту), станолы и стерины растений (включая их сложные эфиры), полиолы (например, спирты сахаров), пребиотики и пробиотики (например, молочнокислые бактерии и бифидобактерии), фитоэстрогены (например, изофлавоны, такие как дайдзеин и генистеин), проантоцианиды, соевый белок, сульфиды и тиолы (например, дитиолтионы), витамины (например, витамин A, витамин B₁, витамин B₂, витамин B₃, витамин B₅, витамин B₆, витамин B₇, витамин B₁₂, витамин C, витамин D, витамин E, витамин K, включая их комбинации), минералы (например, железо, кальций, магний, марганец, фосфор, калий, цинк, микроэлементы, хром, селен, включая их комбинации) и фолиевую кислоту.

Фармацевтические дозированные формы и композиции для доставки лекарственных средств

Лекарственные вещества редко вводят отдельно, скорее в качестве части состава в комбинации с одним или несколькими немедицинскими средствами, которые выполняют различные и часто специализированные фармацевтические функции. Фармацевтика представляет собой науку о разработке дозированных форм, например, об изготовлении лекарственных средств в виде дозированной формы, пригодной для введения субъекту. Эти немедицинские средства, называемые фармацевтическими веществами или фармацевтическими ингредиентами, можно включать в состав для солюбилизации, суспендирования, сгущения, разбавления, эмульгации, стабилизации, консервации, окрашивания, ароматизации и придания формы медицинским средствам с получением эффективных и привлекательных дозированных форм. Такие дозированные формы могут быть уникальными по их физическим и фармацевтическим характеристикам. Лекарственное средство и фармацевтические ингредиенты, как правило, являются совместимыми друг с другом для получения лекарственного продукта, который является стабильным, эффективным, привлекательным, легко вводимым и безопасным. Продукт должен изготавливаться при соответствующих мерах по контролю качества и должен быть упакован в контейнеры, которые обеспечивают усиленную стабильность. Способы, описывающие приготовление конкретных дозированных форм, хорошо известны в данной области и могут быть найдены, например, в Ansel et al., Pharmaceutical Dosage Forms and Drug Delivery Systems, Seventh Edition, Lippincott, Williams, & Wilkins "Remington's Pharmaceutical Sciences", 18th Ed., Gennaro, ed., Mack Publishing Co., Easton, Pa., 1990.

В некоторых вариантах осуществления предварительно обработанные материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве фармацевтических ингредиентов, например, неактивных ингредиентов. Например, материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для изготовления, например, для солюбилизации, суспендирования, сгущения, разбавления, эмульгации, стабилизации, консервации, окрашивания, ароматизации и придания формы медицинским веществам с получением эффективных, имеющих приятный вкус и привлекательных дозированных форм. В таких случаях материалы, описанные в настоящем описании, можно смешивать с лекарственным средством и/или конъюгировать с лекарственным средством, так чтобы растворимость, концентрация, вязкость, стабильность эмульсии, срок годности, цвет и вкус лекарственного средства повышались или снижались.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации (например, повышения, снижения или сохранения) растворимости материала. Такие материалы можно использовать для облегчения введения лекарственного средства субъекту. Например, некоторые из новых предварительно обработанных материалов являются исключительно растворимыми в жидкостях, таких как вода, и их можно использовать, смешивая с активными ингредиентами для получения фармацевтической композиции, чтобы инертные ингредиенты легко растворялись в жидкостях.

Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для замедления, контроля или модификации высвобождения лекарственного средства после введения лекарственного средства субъекту. В таких случаях материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в твердых дозированных формах и/или системах для доставки лекарственных средств с контролируемым высвобождением; полутвердых и/или трансдермальных системах; фармацевтических вкладышах; жидких дозированных формах; стерильных дозированных формах и системах для доставки; и новых и усовершенствованных дозированных формах, системах для доставки и устройствах. Например, материалы, описанные в настоящем описании, можно изготавливать, например, в форме таблетки, капсулы (например, твердой капсулы, мягкой капсулы или микрокапсулы), суппозитория, инъецируемого (парентерального) раствора или суспензии, крема, мази, офтальмологического раствора или суспензии, раствора или суспензии глазных капель, ингалируемого раствора или суспензии, назального спрея, трансдермального пластыря, эмульсии, мази, крема, геля, суспензии, дисперсии, раствора (например, внутривенного раствора), имплантата, покрытия для имплантата, лосьона, пилюли, геля, порошка и пасты. В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно комбинировать с радиофармацевтическим средством.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материала, который можно конъюгировать с биологическим средством и/или фармацевтическим средством. Такие конъюгаты можно использовать для облегчения введения средства и усиления фармацевтических свойств средства.

Составы и способы введения можно адаптировать для подвергаемого лечению заболевания или нарушения, и для конкретного подвергаемого лечению человека. При использовании материалов, описанных в настоящем описании, в качестве фармацевтических ингредиентов, может быть необходимым определение оптимального состава и типа дозировки. Например, можно разрабатывать различные исходные составы и исследовать их в отношении желаемых признаков (например, профиля высвобождения лекарственного средства, биодоступности и клинической эффективности) и для предварительного исследования их производства и масштабирования продукции. Затем состав, который наилучшим образом удовлетворяет цели продукта (например, профиль высвобождения лекарственного средства, биодоступность и клиническая эффективность), можно выбирать в качестве основной формулы. Затем каждую последующую партию продукта можно изготавливать так, чтобы она удовлетворяла требованием основной формулы. Например, если продукт предназначен для системного применения и является желательным пероральное введение, обычно изготавливают таблетки и/или капсулы. Также при выборе дозированной формы можно учитывать возраст предполагаемого пациента. Например, для грудных детей и детей младше пяти лет, для перорального введения являются предпочтительными фармацевтические жидкости, а не твердые вещества. Кроме того, физические характеристики лекарственного средства или лекарственных средств, подлежащих включению в состав вместе с фармацевтическими ингредиентами, необходимо понять до разработки дозированной формы.

Фармацевтические композиции, содержащие одно или более соединений, описанных в настоящем описании, можно изготавливать согласно предполагаемому способу введения.

В некоторых случаях характер дозированной формы зависит от способа введения и ее легко может определить специалист в данной области. В некоторых вариантах осуществления дозированная форма является стерильной или поддающейся стерилизации. В частности, материалы, описанные в настоящем описании, часто являются стерильными, когда они предварительно обработаны радиационным облучением, как описано в настоящем описании.

В некоторых вариантах осуществления дозированные формы могут содержать носители или эксципиенты, многие из которых известны специалистам в данной области. Иллюстративные эксципиенты, которые можно использовать, включают буферы (например, цитратный буфер, фосфатный буфер, ацетатный буфер и бикарбонатный буфер), аминокислоты, мочевину, спирты, аскорбиновую кислоту, фосфолипиды, полипептиды (например, сывороточный альбумин), ЭДТА, хлорид натрия, липосомы, маннит, сорбит, воду и глицерин. Дозированные формы можно изготавливать, чтобы они были пригодными для любого стандартного способа введения. Например, введение может быть парентелальным, внутривенным, подкожным или пероральным, или оно может осуществляться любым способом введения, одобренным Federal Drug Administration (см. web-адрес во всемирной сети fda.gov/cder/dsm/DRG/drg00301.htm).

В дополнение к составам, описанным выше, композиции также можно изготавливать в качестве депо-препарата. Такие составы длительного действия можно вводить, например, путем имплантации (например, подкожно). Таким образом, например, композиции можно изготавливать с пригодными полимерными или гидрофобными материалами (например, в качестве эмульсии в приемлемом масле) или ионообменными смолами, или в качестве малорастворимых производных, например, малорастворимой соли.

Фармацевтические композиции, изготовленные для системного перорального введения, могут иметь форму таблеток или капсул, изготовленных общепринятыми способами с фармацевтически приемлемыми эксципиентами, такими как связующие вещества (например, прежелатинизированный кукурузный крахмал, поливинилпирролидон или гидроксипропилметилцеллюлоза); наполнители (например, лактоза, микрокристаллическая целлюлоза или фосфорнокислая соль кальция); смазывающие вещества (например, стеарат магния, тальк или диоксид кремния); дезинтегрирующие средства (например, картофельный крахмал или натрия крахмала гликолят); или смачивающие вещества (например, лаурилсульфат натрия). Многие из функций этих связующих веществ, наполнителей, смазывающих веществ и дезинтегрирующих веществ могут выполнять предварительно обработанные материалы, описанные в настоящем описании.

Таблетки можно покрывать способами, хорошо известными в данной области. Жидкие препараты для перорального введения могут иметь форму, например, растворов, сиропов или суспензий, или они могут быть представлены в виде сухого продукта для разбавления водой или другим пригодным носителем перед применением. Такие жидкие препараты можно получать общепринятыми способами с фармацевтически приемлемыми добавками, такими как суспендирующие вещества (например, сироп сорбита, производные целлюлозы или гидрогенизированные пищевые жиры); эмульгаторы (например, лецитин или гуммиарабик); неводные носители (например, миндальное масло, масляные сложные эфиры, этиловый спирт или фракционированные растительные масла); и консерванты (например, метил или пропил-п-гидроксибензоаты или сорбиновая кислота). Также препараты могут содержать буферные соли, вкусовые добавки, красители и подсластители, в зависимости от ситуации. Препараты для перорального введения можно пригодным образом изготавливать для обеспечения контролируемого высвобождения активного соединения.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве фармацевтических ингредиентов для применения в местном ионтофорезе, фонофорезе, в быстрорастворимых таблетках, лиофилизированной пленке, внутривагинальной системе для доставки лекарственного средства, вагинальном вкладыше, уретральном вкладыше или суппозитории, имплантируемом насосе для доставки лекарственного средства, наружном насосе для доставки лекарственного средства и липосоме.

Гидрогели

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать при изготовлении гидрогелей. Гидрогели представляют собой трехмерные сети гидрофильных полимерных цепей, которые являются поперечно-сшитыми либо посредством химических, либо посредством физических связей, являются нерастворимыми в воде и, как правило, являются сверхвпитывающими (например, могут содержать более 99% воды) и позволяют газообмен и обмен питательными веществами.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения гидрогеля. Например, для получения гидрогеля можно использовать моносахариды, олигосахариды и полисахариды, содержащиеся в материалах, описанных в настоящем описании. Альтернативно или дополнительно, материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения гидрогеля в комбинации с другими материалами, такими как гиалуронан, желатин, целлюлоза, силикон и один или несколько компонентов внеклеточного матрикса (ECM).

В некоторых вариантах осуществления гидрогели, содержащие материалы, описанные в настоящем описании, могут быть поперечно-сшитыми (например, химически поперечно-сшитыми) и/или окисленными. Альтернативно или дополнительно, гидрогели, содержащие материалы, описанные в настоящем описании, могут быть поперечно-сшитыми с использованием малоинтенсивного облучения. Дозы малоинтенсивного облучения низкого уровня, которые можно использовать для поперечного сшивания материалов, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, например, от 0,1 Мрад до 10 Мрад. Альтернативно или дополнительно, гидрогели, содержащие материалы, описанные в настоящем описании, могут быть поперечно-сшитыми с использованием комбинации химического поперечного сшивания, малоинтенсивного облучения и окисления.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации (например, повышения) средней молекулярной массы материалов биомассы, описанных в настоящем описании. Например, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения средней молекулярной массы материала биомассы, например, на 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 300% или до 500%.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации (повышения или снижения) коэффициента Пуассона гидрогеля.

В некоторых вариантах осуществления гидрогели, полученные с использованием материалов, описанных в настоящем описании, могут включать одну или несколько биологических клеток и/или одно или несколько биоактивных средств, таких как фармацевтическое средство или компонент ECM. Фармацевтические средства-кандидаты, могут включать, но не ограничиваться ими, терапевтическое антитело, анальгетик, анестетик, противовирусное средство, противовоспалительное средство, РНК, которая опосредует РНК-интерференцию, микроРНК, аптамер, пептид или пептидомиметик, иммунодепрессант, гидроксиапатит или биостекло.

Гидрогели, содержащие материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве биодеградируемых или небиодеградируемых имплантируемых (например, имплантируемых подкожно) трехмерных каркасов, например, при заживлении ран и инженерии тканей, имплантируемых протезов дисков, носителей для доставки лекарственных средств (например, носителей для доставки лекарственных средств с замедленным высвобождением), в повязках на рану, контактных линзах и в качестве сверхвпитывающих материалов (например, в подгузниках).

Гидрогели, содержащие материалы, описанные в настоящем описании, также можно комбинировать с медицинскими устройствами для обработки как наружных, так и внутренних ран. Гидрогели можно наносить на бинты для перевязки ран, таких как хронические незаживающие раны, или использовать в качестве подкожных имплантатов. Альтернативно данные гидрогели можно использовать при трансплантации органов, такой как трансплантация печени от живого донора, для стимуляции регенерации ткани. Гидрогели можно адаптировать к конкретным типам тканей путем уравновешивания содержания воды, кинетики биодеградации и коэффициента Пуассона с этими показателями ткани мишени, подлежащей репарации.

Способы получения гидрогелей хорошо известны в данной области и могут быть найдены, например, в U.S. 2006/0276608.

Поглощающие материалы

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения поглощающих материалов. Например, в некоторых вариантах осуществления биомассу можно перерабатывать с использованием одного или нескольких способов предварительной обработки, описанных в настоящем описании. Такие материалы могут иметь, например, модифицированную (повышенную, сниженную, поддерживаемую) растворимость, пористость, площадь поверхности, среднюю молекулярную массу, функционализацию (например, увеличенное количество гидрофильных групп). Альтернативно или дополнительно, эти материалы можно химически обрабатывать для усиления конкретного свойства поглощения. Например, материалы можно обрабатывать силанами для придания им липофильности. Эти материалы могут обладать способностью впитывать в 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 500 и 1000 раз больше жидкости, чем исходные материалы и/или в 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 500 и 1000 раз больше собственной массы материалов. В некоторых вариантах осуществления эти материалы можно использовать для адгезии (например, селективной) одного или нескольких материалов (например, биологических материалов в крови или плазме, токсинов, загрязнителей, материалов отходов, неорганических химических веществ и органических химических веществ), например, в растворе или в сухой среде.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве поглощающих материалов, например, для применения в качестве подстилки для животных, например, для небольших и крупных животных, и подстилающего слоя для животных. Способы изготовления подстилок для животных хорошо известны в данной области (см., например, патент США № 5352780).

В некоторых вариантах осуществления поглощающая подстилка для животных, кроме того, включает ароматизированный или душистый материал и/или устраняющий запах материал, как известно в данной области.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для поглощения разлитых химических веществ, например, путем прикладывания материала к разлитому веществу.

В некоторых вариантах осуществления материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в комбинации с фильтром, например, медицинским фильтром или немедицинским фильтром.

Материалы, описанные в настоящем описании, могут обеспечить пригодные поглощающие материалы вследствие высокой площади поверхности, высокой поглощающей способности, высоких свойств набухания и высокой пористости материалов, описанных в настоящем описании.

Борьба с загрязнением

В некоторых вариантах осуществления поглощающие материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для борьбы с загрязнением. Когда поглощающие материалы используют для таких применений, их можно использовать в форме твердого вещества, жидкости или газа. Например, материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать для поглощения масла и/или для очистки загрязненной окружающей среды, например, в воде, в воздухе и/или на суше. Материалы, описанные в настоящем описании, также можно использовать для обработки отработанной воды (например, промышленных отходов и сточных вод) и для очистки воды.

В некоторых вариантах осуществления поглощающие материалы, описанные в настоящем описании, можно использовать в комбинации с биологическими агентами (микроорганизмами, грибами, зелеными растениями или их ферментами) или химическими веществами для способствования удалению, инактивации или нейтрализации загрязнителя из окружающей среды, например, с использованием биологического восстановления.

В некоторых вариантах осуществления поглощающие материалы, описанные в настоящем описании, могут подвергаться деградации (например, биологической деградации). Такой процесс можно контролировать для достижения желаемой скорости деградации. В некоторых вариантах осуществления поглощающие материалы, описанные в настоящем описании, могут быть устойчивыми к деградации.

В некоторых случаях эти поглощающие материалы могут быть связаны со структурой или носителем, таким как сеть, мембрана, плавающее устройство, мешок, оболочка, фильтр, футляр или осуществляющее биодеградацию вещество. Необязательно, структура или носитель сами по себе могут быть изготовлены из материалов, описанных в настоящем документе.

Очистка воздуха

В некоторых вариантах осуществления биомасса, переработанная с использованием способов, описанных в настоящем описании, может нести заряд (например, положительный или отрицательный), или она может быть нейтральной. В некоторых вариантах осуществления заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать для удаления загрязняющих агентов (например, микроорганизмов, спор, спор плесени, пыли, пыльцы, аллергенов, сажистых частиц и остатков пылевого клеща) из воздуха. В некоторых вариантах осуществления заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать для улавливания загрязняющих агентов. Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать для устранения загрязняющих агентов. Например, в некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для повышения катионной степени материала. Как правило, катионные соединения обладают противомикробной активностью. В некоторых случаях заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно комбинировать с фенольными смолами, фармацевтическими веществами и/или токсинами (например, приведенными в настоящем документе) для устранения микроорганизмов и/или спор.

В некоторых вариантах осуществления заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать вместе с устройством, таким как устройство для очистки воздуха. Например, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно иммобилизовывать на поверхности в устройстве для очистки воздуха, например, фильтре (например, волокнистый фильтр, и/или волокнистый фильтр в форме слоя). Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы могут присутствовать в устройстве для очистки воздуха в форме газа и/или пара. Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать в системе для обработки воздуха (например, в кондиционере воздуха), например, c замкнутой средой, такой как в транспортном средстве (например, машине, автобусе, самолете и вагоне поезда), в комнате, офисе или здании. Например, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно иммобилизовывать на поверхности в системе для обработки воздуха, например, фильтре. Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы могут присутствовать в системе для обработки воздуха в форме газа и/или пара. Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать более локально. В таких случаях заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы могут находиться в контейнере и распределяться из контейнера, например, находящейся под давлением канистры или не находящегося под давления контейнера с помощью насоса. Альтернативно или дополнительно, заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать в системе для замедленного высвобождения, например, где заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы высвобождаются в воздух в течение периода времени. Такие системы для замедленного высвобождения известны в данной области и коммерчески доступны. В некоторых вариантах осуществления в таких системах с замедленным высвобождением для обеспечения высвобождения заряженных (например, положительно или отрицательно заряженных) материалов может использоваться тепло (например, генерируемое с использованием электричества).

В некоторых вариантах осуществления заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать вместе с воздушным фильтром.

В некоторых вариантах осуществления заряженные (например, положительно или отрицательно заряженные) материалы можно использовать в устройстве, предназначенном для фильтрации воздуха, вдыхаемого и/или выдыхаемого человеком (например, маски, фильтрующие шлемы и/или фильтрующие костюмы). В некоторых вариантах осуществления такие устройства можно использовать для уменьшения вдыхания одного или нескольких потенциальных загрязняющих агентов человеком. Альтернативно или дополнительно, такие устройства можно использовать для уменьшения выдыхания одного или нескольких потенциальных загрязняющих агентов человеком.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, пригодных в качестве ароматизаторов. Такие ароматизаторы можно комбинировать с любым из продуктов и сопродуктов, описанных в настоящем описании. Альтернативно или дополнительно, ароматизаторы можно использовать для изменения запаха или аромата материала (например, твердого или жидкого) и/или воздуха. В таких случаях ароматизаторы можно использовать в комбинации, например, со свечами, отдушками, детергентами, мылами, гелями, спреями и освежителями воздуха. Иллюстративные ароматизаторы, которые можно получать из биомассы, включают, например, лигнин и биоароматизаторы.

Консервирование продуктов питания

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, которые пригодны для консервирования продуктов питания или которые можно использовать для консервирования продуктов питания. В таких случаях пригодные материалы могут быть в форме газа, пара, жидкости и/или твердого вещества. В некоторых вариантах осуществления материалы (например, заряженные материалы) можно использовать для улавливания загрязняющих агентов. Альтернативно или дополнительно, материалы (например, заряженные материалы) можно использовать для устранения загрязняющих агентов. В некоторых случаях материалы (например, заряженные материалы) можно комбинировать с фенольными смолами и/или токсинами для устранения микроорганизмов и/или спор. Например, материалы (например, заряженные материалы) можно использовать для удаления загрязняющих агентов (например, микроорганизмов, спор и спор плесени) из среды, окружающей компоненты пищи, для предотвращения, ограничения или уменьшения порчи компонентов пищи. Например, материалы (например, заряженные материалы) могут находиться в контейнере, в котором транспортируются компоненты пищи. Альтернативно или дополнительно, материалы (например, заряженные материалы) могут находиться в контейнере (например, в упаковке или мешке), предназначенном для хранения компонента пищи. Такие компоненты могут продаваться с материалами (например, заряженными материалами), которые могут в них уже присутствовать, или материалы (например, заряженные материалы) можно добавлять при добавлении компонента пищи в контейнер. Альтернативно или дополнительно, материалы (например, заряженные материалы) могут находиться в охлаждаемом хранилище, таком как холодильник и/или морозильная камера.

Гербициды и пестициды

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения токсинов (например, природных токсинов), включая, но не ограничиваясь ими, гербициды и пестициды. Такие материалы включают, например, лектины, гликоалкалоиды, патулин, токсины водорослей, паралитический яд моллюсков (PSP), амнезийный яд моллюсков (ASP), диарейные яды моллюсков (DSP), витамин A и микотоксины.

Удобрение

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, которые можно применять в качестве удобрения. Биомасса обогащена питательными веществами и ее в настоящее время используют в качестве удобрения, однако исходный материал имеет низкую растворимость и пригоден в качестве удобрения только после частичного или полного разложения, оба из которых отнимают значительное количество времени, требуют некоторого слежения и требуют предоставления пространства для хранения на то время, пока происходит разложение. Это, главным образом, ограничивает применение биомассы в качестве удобрения.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации биомассы в материалы, например, с модифицированной (например, повышенной) растворимостью, которые можно использовать в качестве удобрений. Такие материалы можно распределять на территории, которой требуется удобрение, и они будут солюбилизироваться при контакте с раствором (например, водой и дождевой водой). Эта солюбилизация может сделать питательные вещества в материалах более доступными для территории, которой требуется удобрение.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для модификации биомассы в материалы для применения в качестве удобрений. Такие материалы можно комбинировать (например, смешивать) с семенами, нитратами, нитритами, азотом, фосфором, калием, кальцием, известью, витаминами, минералами, пестицидами и любыми их комбинациями. Альтернативно или дополнительно, такие материалы можно комбинировать с одним или несколькими микроорганизмами, способными осуществлять деградацию материалов и/или одного или нескольких ферментов, способных разрушать материалы. Эти компоненты могут быть предоставлены вместе или по отдельности в жидкой или сухой формах. В некоторых случаях эти материалы могут быть связаны со структурой или носителем, таким как сеть, мембрана, плавающее устройство, мешок, оболочка, фильтр, футляр или осуществляющее биодеградацию вещество. Необязательно, структура или носитель сами по себе могут быть изготовлены из материалов, описанных в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления эти материалы и комбинации этих материалов можно смешивать в емкости (например, мешке или твердом контейнере), например, для обеспечения разложения. Такие смеси можно предоставлять для применения в емкости (например, мешке или твердом контейнере).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, которые можно комбинировать с семенами растений. Например, материалы, полученные с использованием способа, описанного в настоящем описании, можно наносить на поверхность семян, например, для защиты семян от гниения, для защиты семян от микроорганизмов и/или для удобрения семян.

Химические и биологические применения

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, пригодных для применения в качестве кислот, оснований и/или буферов. Такие материалы можно использовать, например, для изменения и/или забуферивания pH материала (например, твердого или жидкого), для которого требуется такая обработка. Такие материалы включают твердые вещества и жидкости, не пригодные для употребления, и/или твердые вещества и жидкости, предназначенные для употребления (например, продукты питания, такие как мясные продукты, напитки и молочные продукты).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для получения материалов, пригодных для применения в подержании или стимуляции роста микроорганизмов (например, бактерий, дрожжей, грибов, одноклеточных организмов, например, водорослей, простейших или подобных грибам одноклеточных организмов, например, слизистой плесени), и/или растений и деревьев.

Лигнин

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, также можно использовать для получения лигнина, например, лигнинового остатка.

Лигнин представляет собой фенольный полимер, который, как правило, связан с целлюлозой в биомассе, например, растений. В некоторых случаях в способах, описанных в настоящем описании, образуется лигнин, который может быть получен (например, выделен или очищен) из сырья биомассы, описанного в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления лигнин, полученный в любом из процессов, описанных в настоящем описании, можно использовать, например, в качестве пластификатора, антиоксиданта, в композите (например, композите волокон и смолы), в качестве наполнителя, в качестве армирующего материала и в любой из фармацевтических композиций, описанных в настоящем описании.

Кроме того, как описано выше, лигнинсодержащие остатки после процессов основной и предварительной обработки имеют ценность в качестве высоко/среднеэнергетического топлива и их можно использовать для генерирования энергии и пара для применения в производственных процессах. Однако такие остатки лигнина представляют собой новый тип твердого топлива, и потребность в нем за пределами предприятия может быть низкой, и стоимость высушивания его для транспортировки может уменьшить его потенциальную ценность. В некоторых случаях можно использовать газификацию остатков лигнина для конвертирования его в высокоценный продукт с более низкой стоимостью.

В некоторых вариантах осуществления лигнин можно комбинировать с одним или несколькими продуктами или сопродуктами, описанными в настоящем описании. Например, лигнин можно комбинировать с одним или несколькими гербицидами и/или пестицидами, например, для получения системы с замедленным высвобождением, например, где один или несколько гербицидов и/или пестицидов высвобождаются в течение периода времени. Такие системы с замедленным высвобождением можно комбинировать с удобрениями, описанными в настоящем описании. Альтернативно или дополнительно, лигнин можно комбинировать с заряженными (например, положительно или отрицательно заряженными) материалами для получения системы для очистки воздуха с замедленным высвобождением. В некоторых вариантах осуществления лигнин можно использовать, например, отдельно или в комбинации с одним или несколькими из продуктов и сопродуктов, описанных в настоящем описании, в качестве композита, например, для применения в качестве добавки в пластмассу и/или смолы. Пример структуры лигнина представлен ниже.

Другие продукты

Клеточный материал, фурфурол и уксусная кислота идентифицированы в качестве потенциальных сопродуктов установок по переработке биомассы в топливо. Интерстициальный клеточный материал может быть ценным, однако он может требовать существенной очистки. Рынки сбыта для фурфурола и уксусной кислоты являются актуальными.

Продукты биоконверсии

Как описано выше, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки биомассы для получения/продукции, например, пищевых продуктов (например, пищевых продуктов для животных (включая водных животных), человека и/или микроорганизмов), белков, жиров и масел, углеводов и сахаров, витаминов, минералов, золы, фармацевтических средств, нутрицевтиков и нутрацевтиков, фармацевтических дозированных форм, гидрогелей, поглощающих материалов, материалов для очистки воздуха, пищевых консервантов, гербицидов и пестицидов, удобрений, кислот, оснований и буферов, и лигнина. Как показано на ФИГ. 43A, как правило, эти способы вовлекают переработку биомассы, например, изменение (например, снижение) уровня неподатливости биомассы, для получения продуктов, например, получаемых непосредственно из биомассы, и/или для продукции продуктов, содержащих эти материалы.

Альтернативно или дополнительно, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, с получением второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для дополнительных процессов, например, для получения материалов и продуктов, присутствующих (например, по существу присутствующих) или избыточных в первом материале. В некоторых вариантах осуществления дополнительные процессы могут включать стадию биоконверсии, как показано на ФИГ. 43B. В некоторых вариантах осуществления стадия биоконверсии может включать применение микроорганизмов. Примеры способов, включающих стадию биоконверсии, описаны выше, например, при применении способов, описанных в настоящем описании, для продукции энергетических продуктов (например, этанола), спиртов и/или органических кислот, все из которых не обязательно присутствуют (например, по существу не присутствуют) или присутствуют в избыточном количестве в природной непереработанной биомассе. Дополнительные примеры таких способов описаны ниже.

Пищевые продукты

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять в комбинации со стадией биоконверсии (например, см. ФИГ. 43B) для продукции пищевого продукта (например, употребляемого внутрь продукта, такого как продукт питания, например, пищевой крахмал и/или белок) для применения у животных или человека. Одним из преимуществ таких способов над общепринятыми способами сельскохозяйственной продукции пищи является то, что способы, описанные в настоящем описании, не требуют больших площадей земли и их можно проводить в окружающих условиях, которые не являются благоприятными для общепринятых способов продукции.

Недостаточность питания, в частности недостаточность белковых калорий, является растущей проблемой по всему миру, особенно в развивающемся мире. Недостаточность калорий и белка приводят к увеличению инфекционных заболеваний, остановке физического роста и замедлению развития головного мозга и умственного развития. Эти проблемы недостаточности питания вызваны ростом популяций по всему миру в сочетании с ненадлежащим снабжением пищей в развивающихся странах и устареванием способов производства продуктов питания. Без изменения роста популяций, снабжения и способов производства продуктов питания, недостаточность питания также скоро станет серьезной проблемой в развитых странах. Одним из решений этих проблем является повышение снабжения пищей. Однако это может быть трудным при общепринятой сельскохозяйственной практике, вследствие ограниченной доступности земли для агрономии и документально подтвержденного глобального изменения климата. Кроме того, общепринятые сельскохозяйственные практики не являются благоприятными в определенных окружающих условиях, например, окружающих условиях, в которых присутствует чрезмерное тепло или ограниченное содержание кислорода и/или ограниченный солнечный свет. Альтернативным решением является модификация использования доступных в настоящее время материалов (например, биомассы) для создания альтернативных источников пищи, например, для повышения питательной ценности или пригодности уже доступных материалов.

Применение микробных белков в качестве продукта питания для употребления животными и человеком известно в данной области и его мониторинг осуществляет The Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). FAO в сотрудничестве с Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) опубликовала общедоступные отчеты, в которых изложены руководства и стандарты, требуемые для продуктов питания, получаемых с помощью биотехнологии (см., например, Joint FAO/WHO Expert Consultation on Foods Derived from Biotechnology, 1996; Steve Taylor, Joint FAO/WHO Expert Consultation on Foods Derived from Biotechnology, 2001 (Biotech 01/03); David Ow, Joint FAO/WHO Expert Consultation on Foods Derived from Biotechnology, 2000 (Biotech 00/14)). В этих руководствах изложены вопросы безопасности, которые необходимо учитывать при использовании микроорганизмов для продукции продуктов питания, типы организмов, которые пригодны для такого применения, и требования для продуцируемых белков (см., например, Commission of Genetic Resources for Food and Agriculture, 11^th Session, Rome June 11-15, 2007, опубликованная ссылка CGRFA-11/07/Circ.3).

Применение микроорганизмов и микробных белков в качестве источника пищи обосновано их известным длительным применением в качестве пищи. Например, индонезийское растение темпе комбинируют с грибом (например, плесенью) Rhizopus oligosporus и употребляют. Также в качестве источника пищи используют водоросли в популяциях побережья озера Чад и озера Текскоко в Мехико, и в настоящее время в Мехико продуцируется тысячи тонн спирулины в качестве богатого белком источника пищи. В середине 1960-х годов продуцировали четверть миллиона тонн пищевых дрожжей и к 1970 году Советский союз планировал ежегодную продукцию пищевых дрожжей 900000 тонн для компенсации дефицита сельскохозяйственного белка (Bunker, "New Food", 2nd Int. Congr. Food Sci. and Technol., Warsaw, p. 48 (1966)). Вследствие выраженных улучшений в продукции сельскохозяйственных культур, возросшей коммуникации между странами с избытками и недостатками продуктов питания и возросшей стоимости нефти, микробная продукция белка не развилась согласно прогнозам. Тем не менее, белок, получаемый из Fusarium venenatum в настоящее время одобрен для употребления в Европе и продается в США под торговым названием Quorn® (для обзора см. Wiebe, Mycologist, 18:17-20, 2004).

Применение микробных белков в качестве источника пищи для животных и человека дополнительно подтвердило наблюдение, что химический состав и уровни микробного белка из бактерий, грибов (например, дрожжей и плесени) и водорослей сравнимы с этими показателями в соевом шроте. Более того, описано, что аминокислотный состав и усвояемость (включая общую энергию (ккал/кг), исходя из данных, полученных на свиньях) микробных белков из дрожжей, бактерий, грибов и водорослей также с этими показателями в соевом шроте сравнимы (см., например, Young et al., патент США № 4938972).

В некоторых вариантах осуществления продукты питания, описанные ниже, можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, при котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям раствора для культивирования.

Белки

Способы получения микробных белков с использованием целлюлозных материалов описаны в данной области (см., например, Ramasamy et al., J. Appl. Biotechnol., 46:117-124, 1979, Young et al., Biotechnol Lett., 14:863-868, 1992, Anupama and Ravindra, Brazilian Archives or Biology and Biotechnol. 44:79-88, 2001, патенты США №№ 3627095, 4379844, 4447530, 4401680, 4526721, 5047332 и 4938972).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять в комбинации со стадией биоконверсии (например, см. ФИГ. 43B) для продукции белков. В некоторых вариантах осуществления в качестве субстрата для микроорганизмов используют второй материал, который конвертирует органический материал, присутствующий во втором материале, в белки, например, микробные белки (например, при комбинировании с источником азота). В некоторых вариантах осуществления белки можно использовать в качестве употребляемых внутрь продуктов (например, продуктах питания) или в них для употребления животными и/или человеком.

Термин "микробные белки" включает белки одноклеточных организмов (SCP), этот термин появился в 1960-х для охвата микробной биомассы, продуцируемой ферментацией, в которой микробные клетки, как правило, выделяют из субстрата, и продукты микробной биомассы (MBP), материал, в котором субстрат не очищен от SCP.

Иллюстративные микробные белки можно получать из клеток бактерий, грибов (например, дрожжей и плесени) и/или водорослей. При правильном культивировании эти клетки могут содержать свыше 40% белка в расчете на сухую массу. Одним из преимуществ использования микробных белков в качестве потенциального источника пищи является то, что микробный белок является легко обновляемым и легко получаемым ресурсом. Например, 1000 кг дрожжей могут продуцировать 12000 кг новых клеток, содержащих 6000 кг белка, за 24 часа.

В некоторых вариантах осуществления микробные белки можно продуцировать с использованием способов, описанных в настоящем описании, для переработки первого материала (например, биомассы) во второй материал (например, субстрат), который предоставляется одному или нескольким из бактерий, грибов (например, дрожжей и плесени) и/или водорослей, например, в присутствии азота или источника азота, в присутствии или отсутствии кислорода и при температуре и pH, требуемых организму или смеси организмов для синтеза белка (например, на уровне выше нормального уровня синтеза белка в клетке). Как правило, эти способы включают использование любого микроорганизма, который синтезирует белок в присутствии материалов, полученных с использованием способов, описанных в настоящем описании. Такие организмы, как правило, являются пригодными, или их можно сделать пригодными, для употребления животными и/или человеком. В некоторых вариантах осуществления микроорганизм может представлять собой непатогенный организм и/или организм, который общепризнан в качестве безопасного (GRAS). Дополнительные критерии выбора, учитываемые при выборе микроорганизма, могут включать, например, учет того, способен ли организм продуцировать большие количества белков (например, пищевых белков или белков, которые могут быть преобразованы в пищевые белки) или может ли он быть модифицирован, чтобы продуцировать их; являются ли выделенные культуры организма коммерчески доступными и/или можно ли организм эффективно выделять; можно ли микроорганизм легко поддерживать в культуре; является ли микроорганизм генетически стабильным; и может ли организм эффективно утилизировать субстраты, продуцируемые с использованием способов, описанных в настоящем документе (например, можно ли микроорганизм культивировать на предоставляемом субстрате).

В некоторых вариантах осуществления микроорганизмы могут быть модифицированными (например, способами инженерии) для экспрессии одного или нескольких рекомбинантных белков, например, белков, которые в норме не кодируются микроорганизмами. Например, эти белки могут представлять собой белки, о которых известно, что они имеют высокую питательную ценность для человека и/или животных (например, при определении путем оценки биологической ценности (BV) белка (например, доли остаточного всосавшегося азота) и/или использования чистого (NPU) белка (например, доли остаточного употребленного белка)). У экспериментальных животных NPU можно прямо оценивать путем анализа трупа, и величины, таким образом, вероятно, являются более точными, чем BV и NPU, полученные из данных баланса N в исследованиях, проводимых у человека. Неточность, присущая исследованиям баланса N, известна, и не имеет значения, насколько тщательно его проводят. Таким образом, NPU и BV, являются показателями одного и того же параметра (остаточного N, за исключением того, что BV вычисляют из всосавшегося N, а NPU из употребленного N (для обзора см., например, Bender, Relation Between Protein Efficiency and Net Protein Utiliization, Measurement of Protein Utilization, 10:135-143, 1956)). В некоторых вариантах осуществления белки с высокой питательной ценностью могут иметь высокую BV на употребляемом уровне (мг/кг), требуемом для удовлетворения рекомендованных суточных потребностей в белке животного и/или человека, и они могут содержать пригодные уровни незаменимых аминокислот (EAA), требуемых для образования белка в организме животного или человека (EAA включают, например, фенилаланин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 2,2 г); метионин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 2,2 г); лейцин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 2,2 г); валин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 1,6 г); лизин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 1,6 г); изолейцин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 1,4 г); треонин (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 1,0 г); и триптофан (рекомендованное FAO суточное употребление составляет 0,5 г)). В некоторых вариантах осуществления белки с высокой питательной ценностью могут представлять собой синтетические белки, например, предназначенные для того, чтобы иметь высокий BV при уровнях употребления, требуемых для удовлетворения рекомендованных суточных потребностей животного и/или человека, и они могут содержать пригодные уровни всех EAA, требуемых для образования белка в организме животного или человека. В некоторых вариантах осуществления белки с высокой питательной ценностью могут быть мечеными (например, маркированными), например, для облегчения идентификации и/или очистки белка. Такие белки также называют в настоящем документе микробными белками.

Иллюстративные грибы, которые можно использовать в способах, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, Aspergillus niger, A.funigatus, A. terreus, Cochliobolus specifer, Myrothecium verrucaria, Rhizoctonia solani, Spicaria fusispora, Penicillium sp., Gliocladium sp., Fusarium sp., Trichosporon cutaneum, Neurospora sitophila, Chaetomiium cellulolyticum, Fusarium venenatum (ранее F. graminearum) штамма A 3/5 (например, ATCC 20334). Пригодные условия культивирования для этого организма описаны в патенте США на растение № 4347 и патенте Европы № 123434). F. solani, F. oxysporium и Paecilomyces variotii, мицелий, Rhizopus oligosporus, Candida utilis и Saccharomyces cerevisiae. Иллюстративные водоросли, которые можно использовать в способах, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, Spirulina sp., Scenedesmus acutus, Spirulina maxima и Cosmarium turpinii. Иллюстративные бактерии, которые можно использовать в способах, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, Rhodospirillum sp., и Rhodopseudomonas sp., Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Alcaligenes faecalis, Thermomonospora fusca (Actinomycetaceae) и Pseudomonas JM127.

В некоторых вариантах осуществления микробные белки, такие как SCP, можно предоставлять для употребления в пищу животными и/или человеком, например, без выделения микроорганизма или смеси микроорганизмов. В таких случаях содержащие SCP клетки можно концентрировать с использованием, например, фильтрации, преципитации, коагуляции, центрифугирования и применения полупроницаемых мембран. Содержащие SCP клетки также можно сушить, например, до влагосодержания приблизительно 10% и/или их можно уплотнять и подкислять для ограничения порчи. В некоторых вариантах осуществления SCP можно предоставлять для употребления в пищу животными и/или человеку вскоре (например, в течение 12 часов, 24 часов, 48 часов) после продукции без дополнительной обработки SCP. В некоторых вариантах осуществления SCP могут быть употреблены в отсутствии дополнительных пищевых источников (см. публикацию FAO в отношении рекомендованного суточного употребления SCP животными и людьми). Альтернативно или дополнительно, SCP можно комбинировать, например, смешивать, с другими пищевыми источниками перед или одновременно с употреблением животным и/или человеком. Для получения смесей SCP, SCP можно комбинировать с сухими и/или влажными пищевыми источниками. В некоторых вариантах осуществления содержащие SCP смеси можно перерабатывать, например, как описано Tannenbaum (патент США № 3925562). Например, микроорганизмы SCP можно комбинировать с вспомогательным белком (например, растительным белком) и структурировать в пасту, пригодную для применения в качестве пищевой добавки. Такие способы можно использовать для добавления SCP свойств желаемой текстуры.

В некоторых вариантах осуществления утилизацию белка и усвояемость азота из белкового материала SCP можно повышать путем гомогенизации клеток (см., например, Yang et al., J. Food Sci., 42:1247-1250, 2006). Таким образом, в некоторых вариантах осуществления микробные белки можно экстрагировать или выделять из микроорганизма или смеси микроорганизмов перед употреблением животными и/или людьми. Например, микробные белки можно экстрагировать путем химического, ферментативного и/или механического разрушения стенки и/или мембран микробных клеток, например, для высвобождения внутриклеточного содержимого клеток. Затем микробные белки можно выделять или очищать от загрязняющих материалов с использованием способов выделения белка, известных в данной области. В некоторых вариантах осуществления микробные белки можно выделять или очищать посредством поддающейся детекции метки, слитой с белком.

В некоторых вариантах осуществления микробные белки могут быть модифицированными, например, гликозилироваными и/или свернутыми перед применением, например, чтобы они были более или менее антигенными.

В некоторых вариантах осуществления микробные белки можно выделять и гидролизовывать до отдельных аминокислот, пептидов и/или полипептидов, например, перед употреблением животными и/или людьми. Способы гидролиза белка известны в данной области.

В некоторых вариантах осуществления микробные белки можно очищать (до по меньшей мере 50%, например, до 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99% или 100% масс./масс., масс./об. или об./об.) и необязательно концентрировать. Затем структуру белков можно модифицировать, чтобы она была сходна с волокнистой структурой белков мышц животных, перед тем как продукту придают вкус мяса, с использованием мясных вкусовых добавок и жиров. В некоторых вариантах осуществления микробные белки можно использовать в качестве основного источника белка в аналоге мяса. Альтернативно микробные белки можно использовать для дополнения доступных в настоящее время аналогов мяса, например, аналогов мяса, продаваемых под торговым названием Quorn®, и продуктов на основе соевого белка.

Жиры, масла, липиды и углеводороды

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять в комбинации со стадией биоконверсии (например, см. ФИГ. 43B) для получения жиров и/или масел.

Рынок жиров и масел является большим и крайне разнообразным, в диапазоне от массовых товаров, используемых для пищевых и технических целей, до более специализированных масел. Применение микробных жиров и масел известно в данной области (для обзора по этой теме см., например, Pryde, New Sources of Fats and Oils, Amer Oil Chemists Society, (American Oil Chemist Society (AOCS), 1981).

В некоторых вариантах осуществления жиры и/или масла, получаемые с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно использовать, например, в качестве замен для животных и растительных жиров и масел, при продукции энергетических продуктов, горючих веществ (твердых и/или жидких), при производстве и приготовлении пищи, в качестве усилителей вкуса (например, для пищевых продуктов), в качестве корма для животных или в кормах для животных, в качестве добавок в пищу или в добавках в пищу, в качестве фармацевтических средств или в фармацевтических средствах, в качестве нутрицевтиков или в нутрицевтиках, в качестве косметических средств или в косметических средствах и в качестве питательной терапии после хирургической операции или в питательной терапии после хирургической операции.

В некоторых вариантах осуществления микробные жиры и/или масла можно продуцировать с использованием способов, описанных в настоящем описании, для переработки первого материала (например, биомассы) во второй материал (например, субстрат), который предоставляется одному или нескольким из бактерий, грибов (например, дрожжей и плесени) и/или водорослей, например, в присутствии азота или источника азота, в присутствии или отсутствии кислорода и при температуре и pH, требуемых организму или смеси организмов для синтеза жиров и/или масел (например, на уровне выше нормального уровня синтеза жиров и/или масел в клетке). Как правило, эти способы включают использование любого микроорганизма, который синтезирует жиры и/или масла в присутствии материалов, полученных с использованием способов, описанных в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления микроорганизм может представлять собой непатогенный организм и/или организм, который общепризнан в качестве безопасного (GRAS). Дополнительные критерии выбора, учитываемые при выборе микроорганизма, могут включать, например, учет того, способен ли организм продуцировать большие количества жиров и/или масел или может ли он быть модифицирован, чтобы продуцировать их; являются ли выделенные культуры организма коммерчески доступными и/или можно ли организм эффективно выделять; можно ли микроорганизм легко поддерживать в культуре; является ли микроорганизм генетически стабильным; и может ли организм эффективно утилизировать субстраты, продуцируемые с использованием способов, описанных в настоящем описании, (например, можно ли микроорганизм культивировать на предоставляемом субстрате).

В некоторых вариантах осуществления микроорганизмы, которые можно использовать в способах, описанных в настоящем описании, например, для получения или продукции микробных жиров и/или масел, включают, например, бактерии (например, микобактерии, коринебактерии и норкадии), водоросли (например, Chlorophyta (Cladophora rupestris, Blidingia minima, Enteromorpha intestinalis), Phaeophyta (Agarum cribrosum, Ascophyllum nodosum и Laminaria digitata) и Rhodophyta (Polysiphonia lanosa, palmaria palmate, Halosaccion ramentaceum и Porphyra leucosticte)), морские водоросли и морские травы, дрожжи (например, Candida 107, Crytococcus terricolus, Hansenula saturnus, Lipomyces lipofera, L. starkeyi, Rhodotorula gracilis, R. toruloides и Candida curvata) и плесени (например, Aspergillus nidulans, A. terreus, Fusarium monoiliforme, Mucor circinelloides, Penicillium spinulosum, Rhizopus sp).

В некоторых вариантах осуществления перед применением микробные жиры и/или масла, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно отделять от микробных клеток, например, выделять из них. Альтернативно или дополнительно, микробные жиры и масла, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно использовать без отделения от микробных клеток.

Некоторые микроорганизмы можно использовать для продукции углеводородов. Например, как рассмотрено в разделе "Уровень техники" U.S. 2008/0293060, содержание которого включено в настоящий документ в качестве ссылки, множество организмов, таких как бактерии, водоросли и растения, могут синтезировать углеводороды, например н-алканы с различной длиной углеродной цепи, как описано ранее (Dennis, M. W. & Kolattukudy, P. E. (1991) Archives of biochemistry and biophysics 287, 268-275; Kunst, L. & Samuels, A. L. (2003) Progress in lipid research 42, 51-80; Tillman, J. A., Seybold, S. J., Jurenka, R. A., & Blomquist, G. J. (1999) Insect biochemistry and molecular biology 29, 481-514; Tornabene, T. G. (1982) Experientia 38, 1-4, каждый из которых включен в качестве ссылки).

Иллюстративные виды, которые синтезируют углеводороды, представлены в таблице A и таблице B, ниже.

Углеводы, сахара, биополимеры и предшественники полимеров

Большое количество биополимеров, например, таких как полисахариды, полиэфиры и полиамиды, естественным образом продуцируются микроорганизмами (для обзора см. Microbial Production of Biopolymers and Polymer Precursors, Rehm, ed, (Caister Academic Press, 2009)). Эти биополимеры варьируют от вязких растворов до пластмасс, и их физические свойства зависят от состава и молекулярной массы полимера.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять в комбинации со стадией биоконверсии (например, см. ФИГ. 43B) для получения углеводов, сахаров, биополимеров и предшественников полимеров. В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы) для получения второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей и плесени) и/или водорослей), способных продуцировать, например, ксантан, альгинат, целлюлозу, цианофицин, поли(гамма-глутаминовую кислоту), леван, гиалуроновую кислоту, органические кислоты, олигосахариды и полисахариды, и полигидроксиалканоаты. Применение таких углеводов, сахаров, биополимеров и предшественников полимеров включает, например, применение в качестве пищевых добавок, в косметических средствах, в изготовлении пластмасс, в изготовлении тканей и в фармацевтических средствах и нутрацевтиках.

Как правило, эти способы включают применение любого микроорганизма, который синтезирует один или несколько углеводов, сахаров, биополимеров и/или предшественников полимеров в присутствии материалов, полученных с использованием способов, описанных в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления эти способы включают применение любого микроорганизма, который синтезирует один или несколько из ксантана, альгината, целлюлозы, цианофицина, поли(гамма-глутаминовой кислоты), левана, гиалуроновой кислоты, органических кислот, олигосахаридов и полисахаридов и полигидроксиалканоатов в присутствии материалов, полученных с использованием способов, описанных в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления пригодные организмы пригодны, или их можно модифицировать, чтобы они были пригодны, для употребления животными и/или человеком, или они могут быть общепризнанными в качестве безопасного (GRAS).

Дополнительные критерии выбора, учитываемые при выборе микроорганизма, могут включать, например, учет того, способен ли организм продуцировать большие количества углеводов, сахаров, биополимеров и/или предшественников полимеров (например, ксантана, альгината, целлюлозы, цианофицина, поли(гамма-глутаминовой кислоты), левана, гиалуроновой кислоты, органических кислот, олигосахаридов и полисахаридов и полигидроксиалканоатов) или может ли он быть модифицирован, чтобы продуцировать их; являются ли выделенные культуры организма коммерчески доступными и/или можно ли организм эффективно выделять; можно ли микроорганизм легко поддерживать в культуре; является ли микроорганизм генетически стабильным; и может ли организм эффективно утилизировать субстраты, продуцируемые с использованием способов, описанных в настоящем документе (например, можно ли микроорганизм культивировать на предоставляемом субстрате).

Витамины

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять в комбинации со стадией биоконверсии (например, см. ФИГ. 43B) для получения витаминов, например, включая, но не ограничиваясь ими, витамин рибофлавин (витамин B2), витамин B12 и витамин C.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Ashbya gossifyii, и продуцируемый витамин представляет собой рибофлавин (витамин B2).

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмами Bacillus megatherium, Pseudomonas denitrificans и/или видами рода Propionibacterium, и продуцируемый витамин представляет собой витамин B12.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Saccharomyces sp., и продуцируемый витамин представляет собой витамин C.

В некоторых вариантах осуществления продукты в виде витаминов можно продуцировать с использованием серийного процесса ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Съедобные грибы

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для культивирования или выращивания съедобных грибов. Эти грибы можно использовать в качестве более высококачественного источника пищи, чем первый материал (например, биомасса) и второй материал, который может быть употреблен животными и/или человеком в качестве пищи.

Съедобные грибы представляют собой грибы, которые растут над землей на подходящем источнике питательных веществ. Как используют в настоящем описании, термин "съедобный гриб" относится к пригодным в пищу грибам, включающим, но не огранивающимся ими, грибы с ножкой (пеньком), шляпкой (зонтиком) и спороносным слоем (пластинкой) на нижней стороне шляпки, и грибы без ножек, свежеплодоносящие тела некоторых Ascomycota, древесные или кожистые плодоносящие тела некоторых Basidiomycota, и споры пригодных в пищу грибов. В некоторых вариантах осуществления термин съедобный гриб включает грибы, съедобные для животных.

В некоторых вариантах осуществления пригодные съедобные грибы по настоящему изобретению, включают, но не ограничиваются ими, например, грибы, мицелий грибов и споры грибов Pleurotus sajor-caju, Basidiomycota, Agaricomycetes, Vilvariella volvacea (гриб padi), Pleurotus ostreatus (вешенка обыкновенная), Agaricus bisporus, Flammulina velutipes, Pleurotus eryngii, грибы Ganoderma и Cordyceps.

Способы культивирования съедобных грибов известны в данной области (см., например, патент США № 6737065). После культивирования съедобные грибы можно собирать и хранить для последующего применения или их можно использовать сразу. Грибы имеют относительно низкое содержание белка (например, 2-5%) в расчете на сырую массу, однако, содержание белка в съедобных грибах может быть повышено путем высушивания съедобных грибов (например, 30-50% в расчете на сухую массу). Таким образом, в некоторых вариантах осуществления съедобные грибы, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно сушить (например, лиофилизировать) или обезвоживать перед применением, например, употреблением внутрь. В некоторых вариантах осуществления съедобные грибы можно смешивать со вспомогательным белком и связующим веществом и можно текстурировать.

Выращивание растений без почвы

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в выращивании растений без почвы. Выращивание растений без почвы представляет собой способ выращивания растений с использованием растворов минеральных питательных веществ без почвы. Растения можно выращивать с их корнями только в растворе минеральных питательных веществ (культура в растворе), или в инертной среде (культура в среде), такой как перлит, гравий или минеральная вата. Тремя основными типами культивирования в растворе являются статическая культура в растворе, культура в растворе с постоянным течением и аэропоника. Материалы, полученные с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно использовать отдельно или в комбинации с микроудобрениями, например, нитратом калия, нитратом кальция, фосфатом калия и сульфатом магния, с получением гидропонного раствора. Различные микроудобрения также могут быть включены для обеспечения незаменимых элементов, например, Fe (железо), Mn (марганец), Cu (медь), Zn (цинк), B (бор), Cl (хлор) и Ni (никель). Хелатирующие агенты можно добавлять для повышения растворимости железа. На протяжении жизненного цикла растений можно использовать различные гидропонные растворы для усиления условий роста.

Аквакультура

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в аквакультуре. Например, второй материал можно использовать для кормления или иного поддержания водных видов. Аквакультура представляет собой разведение организмов пресной воды и соленой воды, включая моллюсков, ракообразных и водные растения. В отличие от ловли рыбы, аквакультура, также известная как водное разведение, предполагает культивирование водных популяций в контролируемых условиях. Марикультура относится к аквакультуре, осуществляемой в морской среде. Конкретные типы аквакультуры включают культивирование водорослей (выращивание бурых водорослей/морской травы и других водорослей), разведение рыб, разведение креветок, разведение устриц и выращивание культивированного жемчуга. Аквапоника сочетает разведение рыб и разведение растений с использованием симбионтного культивирования растений и водных животных в рециркуляционной среде.

Продукция пищевых Fusarium venenatum

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для получения пищевых Fusarium venenatum (например, которые поставляются на рынок под торговым названием Quorn®). Способы продукции Quorn® описаны, например, в патентах США №№ 5935841, 6270816, 5980958 и 3809614, и рассмотрены в Weibe (Weibe, Mycologist, 18:17-20, 2004). В современных способах продукции Quorn® используется глюкоза в качестве основного источника углерода. Замена глюкозы субстратом, описанным в настоящем описании, может снизить затраты, ассоциированные с продукцией Quorn®, поскольку субстраты, предоставленные в настоящем описании, обеспечивают более дешевый источник углерода, чем глюкоза.

Алкогольные напитки

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для получения спирта, который пригоден для употребления человеком. Такие спирты можно использовать в качестве алкогольных напитков или в их продукции. Например, спирты, продуцируемые с использованием способов, описанных в настоящем описании, можно использовать в производстве пива, вин, крепких спиртных напитков и/или газированных напитков, содержащих алкоголь.

Продукты для здоровья

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для получения продуктов для здоровья для применения у животных или человека. Такие продукты для здоровья могут включать, например, фармацевтические средства, нутрицевтики, косметические средства, лечебно-косметические средства и продукты для красоты (например, кремы и лосьоны (например, для нанесения на кожу и/или волосы)). В некоторых вариантах осуществления эти продукты для здоровья могут включать, например, функциональные продукты питания, которые не обязательно обеспечивают какую-либо питательную ценность, но которые повышают двигательную активность желудочно-кишечного тракта, или которые можно использовать для снижения уровней холестерина (например, продукты с высоким содержанием волокон, включающие растворимые и/или нерастворимые волокна, и продукты, содержащие растворимые и/или нерастворимые волокна).

Аминокислоты и производные аминокислот

Биотехнологические способы использовали в промышленной продукции аминокислот в течение 50 лет (для последнего обзора см. Leuchtenberger et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 69:1-8, 2005). Основные продукты включают усилители вкуса и кормовые продукты для животных, такие как L-лизин, L-треонин и L-триптофан, которые обычно продуцируют с использованием высокоэффективных штаммов Corynebacterium glutamicum (см. Kinoshita et al., Gen. Appl. Microbiol., 3:193-205, 1957, и Kalinowshki et al., J. Biotechnol., 104:5-25, 2003) и Escherichia coli, и субстраты, такие как мелассы, сахароза или глюкоза (Leuchtenberer, выше).

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать аминокислоты и/или производные аминокислот (например, при объединении с источником азота). Эти аминокислоты и производные можно использовать, например, в качестве усилителей вкуса (например, для пищевых продуктов), в кормах для животных, в качестве добавок в пищу, и при производстве фармацевтических средств, нутрицевтиков, косметических средств и при послеоперационной питательной терапии.

В некоторых вариантах осуществления аминокислоты и производные аминокислот, которые можно экспрессировать с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, например, L-аминокислоты и D-аминокислоты, такие как L-глутаминовая кислота (глутамат мононатрия (MSG)), L-аспарагиновая кислота, L-фенилаланин, L-лизин, L-треонин, L-триптофан, L-валин, L-лейцин, L-изолейцин, L-метионин, L-гистидин и L-фенилаланин, L-лизин, DL-метионин и L-триптофан.

Например, ароматические аминокислоты триптофан, фенилаланин и тирозин биосинтезируют из глюкозы через каскад шикимовой кислоты (представленный ниже).

Каскад биосинтеза ароматических аминокислот

Каскад шикимовой кислоты конвертирует простые предшественники углеводов, образующиеся при гликолизе и в пентозофосфатном каскаде, в ароматические аминокислоты. Одним из промежуточных соединений каскада является шикимовая кислота, которая дала свое название всей последовательности реакций. Каскад шикимовой кислоты существует в растениях, грибах и бактериях, но не встречается у животных. Животные не имеют путей синтеза трех ароматических аминокислот - фенилаланина, тирозина и триптофана, которые, таким образом, являются незаменимыми питательными веществами в рационах животных.

В некоторых вариантах осуществления эти аминокислоты можно модифицировать с получением производных аминокислот. Производные аминокислот включают, но, безусловно, не ограничиваются ими, следующие группы.

Аминоспирты

Аминоальдегиды

Аминолактоны

N-метиламинокислоты

В некоторых вариантах осуществления микроорганизмы (например, бактерии, грибы (например, дрожжи и плесень) и/или водоросли), пригодные для применения для получения аминокислот, могут представлять собой, но не ограничиваться ими, непатогенные организмы и/или организмы, которые являются GRAS. Дополнительные критерии выбора, учитываемые при выборе микроорганизма, могут включать, например, учет того, способен ли организм продуцировать большие количества отдельного продукта или может ли он быть модифицирован, чтобы продуцировать их; являются ли выделенные культуры организма коммерчески доступными и/или можно ли организм эффективно выделять; можно ли микроорганизм легко поддерживать в культуре; является ли микроорганизм генетически стабильным; и можно ли культивировать организм на предоставляемом субстрате. Альтернативно или дополнительно, микроорганизм может представлять собой организм дикого типа (например, немодифицированный) или генетически модифицированный микроорганизм (например, мутант), например, микроорганизм, который модифицирован или может быть модифицирован для сверхэкспрессии одной или нескольких выбранных аминокислот и/или производных аминокислот. Иллюстративные микроорганизмы включают, но не ограничиваются ими, молочнокислые бактерии (LAB), E. coli, Bacillus subtilis и Corynebacterium glutamicum (например, ATCC 13032).

В некоторых вариантах осуществления аминокислоты и производные аминокислот можно экспрессировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям раствора для культивирования. В некоторых вариантах осуществления способы и/или материалы, описанные в настоящем описании, могут быть включены в способы, в настоящее время используемые в Ajinomoto (Япония), ADM (США), Cheil-Jedang (Южная Корея), Global BioChem (Китай) и BASF and Degussa (Германия) для получения аминокислот и производных аминокислот.

Антибиотики

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, с получением второго материала, который может быть использован в качестве субстрата микроорганизмами (например, бактериями, грибами (например, дрожжами и плесенью) и/или водорослями), способными продуцировать антибиотики, например, включая, но не ограничиваясь ими, тетрациклин, стрептомицин, циклогексамид, неомицин, циклосерин, эритромицин, канамицин, линкомицин, нистатин, полимиксин B, бацитрацин, даптомицин, ванкомицин и ансамицины или природные продукты, представленные ниже.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces remosus, и продуцируемый антибиотик представляет собой тетрациклин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces griseus, и продуцируемый антибиотик представляет собой стрептомицин и/или циклогексамид. Биосинтез стрептомицина проиллюстрирован ниже, начиная с D-глюкозы.

Биосинтез стрептомицина

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces frodiae, и продуцируемый антибиотик представляет собой неомицин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces orchidaceus, и продуцируемый антибиотик представляет собой циклосерин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces erythreus, и продуцируемый антибиотик представляет собой эритромицин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces kanamyceticus, и продуцируемый антибиотик представляет собой канамицин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces lincolnensis, и продуцируемый антибиотик представляет собой линкомицин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces noursei, и продуцируемый антибиотик представляет собой нистатин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Bacillus polymyxa, и продуцируемый антибиотик представляет собой полимиксин B.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Bacillus licheniformis, и продуцируемый антибиотик представляет собой бацитрацин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Streptomyces roseosporus, и продуцируемый антибиотик представляет собой даптомицин.

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Amycolatopsis orientalis, и продуцируемый антибиотик представляет собой ванкомицин. Биосинтез ванкомицина описан ниже, начиная с производного глюкозы.

Биосинез ванкомицина

В некоторых вариантах осуществления субстрат используется двумя штаммами Streptomyces hygroscopicus, и продуцируемые антибиотики относятся к семейству ансамицина. Биосинтез ансамицина описан ниже, начиная с производного глюкозы.

Биосинтез ансамицина

Каротиноиды

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы) с получением второго материала, который может быть использован в качестве субстрата микроорганизмами (например, бактериями, грибами, дрожжами, плесенью и/или водорослями), способными продуцировать каротиноиды, включая, например, β-каротин, ликопен и астаксантин. Каротиноиды представляют собой растворимые в воде натуральные пигменты с 30-50 атомами углерода. Промышленное применение каротиноидов вовлекает их применение в питательных добавках, для фармацевтических целей, в качестве пищевых красителей и в кормах для животных.

Иллюстративные каротиноиды в промышленности

В некоторых вариантах осуществления антибиотические продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Вакцины

В некоторых вариантах осуществления вакцины представляют собой иммуностимулирующие молекулы (например, низкомолекулярные соединения, пептиды и/или антигенные молекулы). В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать вакцины, включая, например, вакцину против гриппа (например, универсальную вакцину против гриппа, например, универсальную вакцину против гриппа VaxInnate M2e)

В некоторых вариантах осуществления вакцинные продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Специализированные химические вещества

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать специализированные химические вещества, например, загустители, ксантан (E 415), регуляторы кислотности, лимонная кислота (E 330), натамицин (E 235), низин (E 234) и лизоцим (E 1105). В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для продукции чистых химических веществ, например, вкусовых добавок и ароматизаторов.

В некоторых вариантах осуществления химические продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Спирты

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать спирты, в дополнение к энергетическим продуктам (например, этанолу), описанным выше, например, включая, но не ограничиваясь ими, ацетон и бутанол. В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Clostridium acetobutylicum, и продуцируемый спирт представляет собой ацетон. В некоторых вариантах осуществления субстрат используется мутантом микроорганизма Clostridium acetobutylicum IFP 904 (ATCC 39058), и продуцируемые спирты представляют собой ацетон и бутанол.

В некоторых вариантах осуществления спиртовые продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Кислоты и основания

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать кислоты и основания. В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмами Acetobacter и/или Gluconobacter, и продуцируемая кислота представляет собой уксусную кислоту (например, для применения в изготовлении уксуса).

В некоторых вариантах осуществления кислотные и основные продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Ферменты

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать ферменты.

Иллюстративные ферменты, которые можно продуцировать с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, например, сычужные ферменты, глюкоамилазу, полигалактуроназу, целлюлазу, альфа-амилазу, протеазу, бета-глюканазу, пуллуланазу, амилоглюкозидазу, фосфолипазу, ксиланазу, моноглюкозаоксидазу, новолипазу, ультралипазу, липазу, мальтогенную амилазу, альфа-ацетодекарбоксилазу, мягкую протеазу, пектинэстеразу, карбогидразу, целлобиозаоксидазу, липазу, пектинлиазу, моноксиланазу, трансферазу, ксиланазу пшеницы, фитазу, субтилизин, lt-1-альфа-амилазу, пектат, маннаназу, трипсин и лакказу. Применение таких ферментов (например, отдельно или в комбинациях из одного или нескольких ферментов), например, в производстве соков, пивоваренной промышленности, крахмальной промышленности, пекарной промышленности, промышленности масел и жиров, мясной промышленности, молочной промышленности, спиртовой промышленности, промышленности кормов для животных, промышленности по производству детергентов, текстильной промышленности и промышленности средств личной гигиены, известно в данной области.

В некоторых вариантах осуществления ферментные продукты можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Факторы роста

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать факторы роста.

Иллюстративные факторы роста, которые можно получать с использованием способов, описанных в настоящем описании, включают, но не ограничиваются ими, инсулиноподобный фактор роста, фактор роста кератиноцитов (KGF)-1 и -2, эпидермальный фактор роста, фибробластный фактор роста, гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор, гормон роста человека, интерлейкин-1, тромбоцитарный фактор роста и трансформирующий фактор роста-β.

В некоторых вариантах осуществления продукты в виде факторов роста можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Пластмассы

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать пластмассы или предшественники пластмасс. В некоторых вариантах осуществления субстрат используется микроорганизмом Alcaligenes eutrophas, и продуцируемые молекулы представляют собой поли-B-гидроксибутират и поли-B-гидроксивалерат.

В некоторых вариантах осуществления продукты в виде пластмасс можно продуцировать с использованием процесса серийной ферментации с подпиткой, в котором питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора.

Удобрения

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), способных продуцировать материалы, которые можно использовать в качестве удобрений или в удобрениях (например, белки, жиры и масла, углеводы и/или минералы). В некоторых вариантах осуществления удобрения, продуцированные с использованием способов, описанных в настоящем описании, могут представлять собой удобрения на основе белка или обогащенные белком удобрения (см. Paungfoo-lonhienne et al., PNAS, 104:4524-4529, 2008, для обзора удобрений на основе белков).

Способы культивирования

Как подробно описано выше, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей) для получения материалов и продуктов, не обязательно присутствующих (например, по существу не присутствующих) или присутствующих в большом количестве в первом материале.Выбор микроорганизмов будет зависеть от продуцируемых продуктов.

Выбор микроорганизма

При выборе пригодных микроорганизмов для применения в способах, описанных в настоящем описании, также можно учитывать несколько дополнительных факторов. Например, если микроорганизмы предстоит использовать для получения продукта для здоровья для применения у животных или человека, или если микроорганизмы предстоит использовать в качестве пищи или при продукции пищи, выбираемые микроорганизмы, как правило, являются непатогенными и/или общепризнанными в качестве безопасных (GRAS). Кроме того, выбранные микроорганизмы должны быть способны продуцировать большие количества желаемого продукта, или они должны быть способны к тому, чтобы быть модифицированными для продукции больших количеств желаемого продукта. В некоторых вариантах осуществления микроорганизмы также могут быть коммерчески доступными и/или эффективно выделяемыми, легко поддерживаемыми в культуре, генетически стабильными и/или хорошо охарактеризованными. Выбираемые микроорганизмы могут представлять собой микроорганизмы дикого типа (например, немодифицированные) или генетически модифицированные микроорганизмы (например, мутантные микроорганизмы). В некоторых вариантах осуществления генетически модифицированный микроорганизм можно адаптировать для повышения им продуцирования желаемого продукта и/или для повышения толерантности микроорганизмов к одному или нескольким факторам окружающей среды и/или экспериментальных условий, например, микроорганизм может быть модифицированным (например, способами инженерии), чтобы он выдерживал температуру, pH, кислоты, основания, азот и уровни кислорода за пределами диапазона, обычно переносимого микроорганизмом. Альтернативно или дополнительно, микроорганизмы можно модифицировать (например, способами инженерии), чтобы они переносили присутствие дополнительных микроорганизмов. В некоторых вариантах осуществления микроорганизмы можно модифицировать (например, способами инженерии) для роста с желаемой скоростью при желаемых условиях.

Культуральные растворы

Как подробно описано выше, способы, описанные в настоящем описании, можно использовать для переработки первого материала (например, биомассы), например, для изменения (например, снижения) уровня неподатливости биомассы, для продукции второго материала, который можно использовать в качестве субстрата для микроорганизмов (например, бактерий, грибов (например, дрожжей или плесени) и/или водорослей), например, в культуральном растворе. Как правило, культуральные растворы могут быть изготовлены, исходя из их способности поддерживать рост выбранных микроорганизмов. В дополнение к субстратам на основе биомассы, получаемых, как описано в настоящем описании, культуральные растворы также необязательно могут включать дополнительный источник углерода (например, глюкозу), воду, соли, аминокислоты или источник аминокислот. В некоторых вариантах осуществления культуральные растворы включают дополнительный источник азота. pH этих культуральных растворов можно адаптировать к потребностям выбранного микроорганизма. Культуральные растворы также необязательно могут включать один или несколько антибиотиков для предотвращения контаминации.

Некоторые культуральные растворы являются коммерчески доступными, например, коммерчески доступные среды для роста включают среду Luria Bertani (LB), среду terrific broth (TB), бульон для дрожжей и плесени (YM) (дрожжевой экстракт 3 г/л, экстракт солода 3 г/л, пептон 5 г/л и декстроза 10 г/л и pH 6,0-pH 8,0), среду YPG (дрожжевой экстракт, 3 г; микологический пептон, 5 г; D-глюкоза, 10 г на литр воды) и бактопептон. Среды для роста можно приобретать в коммерческих источниках (например, Sigma Aldrich или Difco). Культуральные растворы, пригодные в настоящих способах, описаны в данной области, например, в Ramasamy et al., J. Appl. Biotechnol., 46:117-124, 1979, Young et al., Biotechnol Lett., 14:863-868, 1992, Anupama and Ravindra, Brazilian Archives or Biology and Biotechnol., 44:79-88, 2001, патентах США №№ 3627095, 4379844, 4447530, 4401680, 4526721, 5047332 и 4938972. В некоторых вариантах осуществления любой из этих коммерчески доступных или опубликованных культуральных растворов можно дополнять субстратами биомассы, получаемыми, как описано в настоящем описании.

Однако в некоторых вариантах осуществления применение коммерчески доступных сред не является наиболее экономически целесообразным вариантом. В таких случаях культуральные растворы можно получать вручную. В некоторых вариантах осуществления культуральные растворы могут содержать, в дополнение к субстратам биомассы, полученным, как описано в настоящем описании, на литр воды при pH 4-7,5: 1,88-2,357 г (NH₄)₂SO₄, 0,75-1,5 г KH₂PO₄, 0,25-5 г MgSO₄⋅7H₂O, 0,25-0,5 г FeS)₄⋅7H₂O, 0,25-0,5 ZnSO₄⋅7H₂O, 0,1-1 мл раствора микроэлементов. В некоторых вариантах осуществления культуральный раствор, кроме того, может включать 114 мг борной кислоты, 480 мг молибдата аммония, 780 мг сульфата меди и 144 мг хлорида марганца. В некоторых вариантах осуществления культуральный раствор может дополнительно содержать 0,5 г экстракта дрожжей и его можно использовать для культивирования дрожжей. В некоторых вариантах осуществления культуральный раствор может дополнительно содержать 1,0 г дрожжевого экстракта и его можно использовать для культивирования Zymomonas mobilis. В некоторых вариантах осуществления культуральный раствор может быть адаптирован для ферментации этанола и может содержать, в дополнение к субстратам биомассы, получаемым, как описано в настоящем описании, на литр воды: сахара, эквивалентно 80-160 г глюкозы, 1 г KH₂PO₄, 1,5 г NH₄Cl, 0,16 г MgSO₄⋅7H2O, 0,08 г CaCl₂ и 1,0 г дрожжевого экстракта.

В некоторых вариантах осуществления выбранный микроорганизм может представлять собой дрожжи, и среда для роста может содержать, в дополнение к субстратам биомассы, полученным, как описано в настоящем описании, 1,7 г/л азотистого основания дрожжей, 2,27 г/л мочевины, 6,56 г/л пептона при pH 5,0.

В некоторых вариантах осуществления выбранные микроорганизмы можно культивировать в присутствии источника азота и/или дополнительного источника азота (например, когда желаемые продукты представляют собой белки или аминокислоты). В таких случаях источник азота может включать любой источник азота, например, отходы животноводства (например, помет птиц), отходы человека, источники неорганического азота, нитрит, нитрат, безводный аммиак, нитрат аммония, фосфат диаммония, фосфат моноаммония, говядину или дрожжевой экстракт. В некоторых вариантах осуществления отходы животноводства и отходы человека можно стерилизовать (например, фильтровать или автоклавировать) перед применением.

Выбранные микроорганизмы можно культивировать в небольшом масштабе (например, с использованием стандартного лабораторного оборудования и способов, известных в данной области) или в большом масштабе (например, с использованием способов ферментации или промышленной ферментации). Выбор культурального раствора зависит от желаемого масштаба культивирования.

Условия культивирования

Условия культивирования клеток (например, температура, pH и потребности в кислороде) для большинства организмов известны в данной области и, если требуется, их можно легко оптимизировать, при необходимости. Например, культивирование можно проводить в серийных или непрерывных условиях. Температуру, используемую для культивирования клеток, можно выбирать согласно выбранным микроорганизмам, так чтобы получить приемлемые выходы и скорости конверсии субстрата, в частности углерода. Иллюстративные температуры находятся в диапазоне 25-40°C. Аналогично значение pH, используемое для культивирования клеток, можно поддерживать в диапазоне, при котором выбранные микроорганизмы проявляют максимальный рост. Иллюстративные диапазоны pH составляют pH 5,0-8,0, например, pH 6,0-7,0. Кроме того, уровни оксигенации можно корректировать, чтобы они поддерживались на уровне, который обеспечивает оптимальный рост выбранного микроорганизма. Например, аэробные организмы можно культивировать в содержащей кислород среде. Альтернативно анаэробные организмы можно культивировать в анаэробной среде.

Способы культивирования

В некоторых вариантах осуществления выбранные микроорганизмы можно культивировать без применения оборудования для ферментации. Например, первый материал лигноцеллюлозной биомассы с первым уровнем неподатливости можно перерабатывать для получения второго материала с измененным (например, сниженным) уровнем неподатливости. Затем этот второй материал можно использовать на стадии биоконверсии для получения продукта, не присутствующего в первом материале лигноцеллюлозной биомассы. В некоторых вариантах осуществления этот второй материал можно комбинировать (например, в жидкой среде или в культуре) во флаконе для культивирования клеток с одним или несколькими микроорганизмами в условиях, пригодных для роста микроорганизмов и образования продукта. Затем культуру можно инкубировать в течение периода времени, достаточного для образования продукта.

В некоторых вариантах осуществления все оборудование для культивирования клеток стерилизуют, или оно является стерильным перед применением.

Мелкомасштабные способы

В некоторых вариантах осуществления выбранные микроорганизмы можно культивировать с использованием настольного оборудования для ферментации. Например, первый материал лигноцеллюлозной биомассы с первым уровнем неподатливости можно перерабатывать с получением второго материала с измененным (например, сниженным) уровнем неподатливости. Затем этот второй материал можно использовать на стадии биоконверсии для получения продукта, не присутствующего в первом материале лигноцеллюлозной биомассы. В некоторых вариантах осуществления второй материал можно комбинировать с выбранными микроорганизмами и культивировать в настольном ферментере, ферментере Braun (B. Braun Biotech, Aylesbury, Bucks) Biostat ER3 с рабочим объемом 2,8 литров, в среде для роста и в условиях культивирования, пригодных для роста микроорганизмов и образования продукта. Затем процесс можно поддерживать в течение периода времени, достаточного для образования продукта. Иллюстративные задаваемые параметры включают: температуру 20-45°С; pH 3-9 (которую можно поддерживать автоклавированием); с определенными скоростями встряхивания и скоростями потока воздуха (например, приблизительно 1000 об./мин и 2 л/мин, соответственно). Кроме того, вспенивание необязательно можно подавлять путем добавления в определенное время пеногасителя, например, противопенного масла на основе полипропиленгликоля.

Крупномасштабные способы

В некоторых вариантах осуществления выбранные микроорганизмы можно культивировать с использованием оборудования для крупномасштабной ферментации. Например, первый материал лигноцеллюлозной биомассы с первым уровнем неподатливости можно перерабатывать с получением второго материала с измененным (например, сниженным) уровнем неподатливости. Затем этот второй материал можно использовать на стадии биоконверсии для получения продукта, не присутствующего в первом материале лигноцеллюлозной биомассы. В некоторых вариантах осуществления второй материал можно комбинировать с выбранными микроорганизмами и культивировать, например, в биореакторе с перемешивающейся емкостью (например, биореакторе с перемешивающейся емкостью объемом 300 л). Альтернативно или дополнительно, второй материал можно комбинировать с выбранными микроорганизмами и культивировать в эрлифтном (цикл изменения давления) биореакторе (например, в эрлифтном биореакторе объемом 40000 л, изготавливаемом RHM и ICI для продукции Quorn®). В обоих случаях второй материал можно комбинировать с выбранными микроорганизмами в культуральном растворе в условиях культивирования, пригодных для роста микроорганизмов и образования продукта. Затем процесс можно поддерживать в течение периода времени, достаточного для образования продукта.

В некоторых вариантах осуществления выбранные микроорганизмы можно культивировать с использованием серийной ферментации с подпиткой (например, серийная ферментация с подпиткой с фиксированным объемом или серийная ферментация с подпиткой с переменным объемом), при которой питательные вещества добавляют контролируемым образом согласно потребностям культурального раствора (см. ФИГ. 44 и ФИГ. 45). В процессе серийной ферментации с подпиткой ограничивающие рост субстраты добавляют в культуральный раствор в высоко концентрированной форме или в газообразной форме, которая не изменяет объем культурального раствора. После достижения ферментацией определенной стадии, объем культурального раствора необязательно можно удалять и заменять свежим культуральным раствором. На такой стадии объем культурального раствора, не удаленного из ферментера, служит в качестве исходной культуры для следующего цикла, и удаленный объем содержит желаемый продукт. Такой процесс называют в данной области циклическим культивированием с подпиткой для культуры с фиксированным объемом. Одним из преимуществ применения циклического культивирования с подпиткой для культуры с фиксированным объемом является то, что желаемые продукты можно получать до завершения процесса ферментации. Кроме того, циклическое культивирование с подпиткой для процесса культивирования с фиксированным объемом может быть непрерывным. В процессе серийной ферментации с подпиткой с переменным объемом, ограничивающие рост субстраты добавляют по мере необходимости для стимуляции дальнейшего роста культуры в концентрации, равной концентрации исходной культуры. Следовательно, общий объем культуры возрастает. Этот процесс можно повторять до тех пор, пока объем культуры не достигнет емкости ферментера. В этом способе являются преимущественными более крупные емкости для ферментации, поскольку такие емкости вмещают более крупные объемы культурального раствора. Затем из культурального раствора можно получать желаемые продукты, например, в конце процесса ферментации. Оба этих серийных процесса с подпиткой позволяют оптимальные выходы и продуктивность. В некоторых вариантах осуществления процесс может включать предоставление постоянно оксигенируемой воды, например, с использованием эрлифтной системы ферментации.

Серийные процессы с подпиткой также описаны в патентной заявке Европы № 533039.

После ферментации выбранный микроорганизм и/или продукт можно собирать и необязательно выделять и/или очищать. Способы сбора микроорганизмов из культуральных растворов включают, например, центрифугирование и/или фильтрацию.

Дополнительная переработка для получения продуктов питания

Культуры для применения, например, в качестве употребляемой внутрь пищи для животных и/или людей можно дополнительно перерабатывать, например, с использованием способов, описанных в патентах США №№ 5935841; 6270816; 5980958 и 3809614. Альтернативно или дополнительно, собранный организм можно обрабатывать для снижения содержания в нем нуклеиновых кислот, например, с использованием способа патента Великобритании № 1440642; отделять, если желательно, например, с использованием способа патента Великобритании № 1473654, или путем фильтрации или центрифугирования; и можно модифицировать его вкус, например, с использованием способов патентов Великобритании №№ 1508635; 1502455; 1496113 и/или 1587828.

Люди не обладают ферментом уриказой для катализа конверсии мочевой кислоты в растворимый аллантоин. Употребление микробных клеток, которые содержат высокие уровни нуклеиновой кислоты, таким образом, может привести к повышенным уровням мочевой кислоты, и к осложнениям, ассоциированным с ними у человека. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления нуклеиновые кислоты можно удалять или можно снижать их количество в образцах, содержащих микробные клетки или продукты питания, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла и углеводы), перед употреблением человеком, например, с использованием способов, описанных Lawford и Lewis (патент США № 4330464). В некоторых вариантах осуществления нуклеиновые кислоты можно удалять или можно снижать их количество в образцах, содержащих микробные клетки или продукты питания, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла и углеводы), перед употреблением человеком, например, с использованием способов, описанных в патенте США № 6270816. Например, микробные клетки можно уничтожать и одновременно уменьшать количество их нуклеиновых кислот путем быстрого нагревания культурального раствора до по меньшей мере 60°C. Этот процесс можно использовать для стимуляции потери жизнеспособности и выхода части клеточных нуклеиновых кислот (например, ДНК и РНК) в супернатант. После нагревания культуральный раствор можно центрифугировать и промывать для удаления нуклеиновых кислот.

В некоторых вариантах осуществления соотношение белок:РНК для белка в образце для употребления человеком должно составлять по меньшей мере 12:1. В некоторых вариантах осуществления общее содержание нуклеиновых кислот в образце для употребления человеком можно снижать до приблизительно 2% (например, 2%, менее чем 2%, 0,1-2,0%, 0,1-1,5%, 0,1-1%, 0,1-0,5%, 0,1-0,3%, 0,1%) сухой массы образца.

В некоторых вариантах осуществления перед употреблением животными (например, для каждого конкретного вида) можно проводить оценку питательных свойств и/или токсикологическую оценку образцов, содержащих микробные клетки или пищевые продукты, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла, и углеводы).

В некоторых вариантах осуществления микробные белки могут быть высушенными, лиофилизированными, или они могут быть в растворе, и они могут присутствовать в выделенной форме или в присутствии одного или нескольких дополнительных пищевых источников.

В некоторых вариантах осуществления образцы, содержащие микробные клетки или пищевые продукты, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла, и углеводы), можно изготавливать в виде пищевых гелей. Качество геля можно оценивать с использованием тестов напряжения и растяжения, например, с использованием торсионного способа Wu et al., J. Tex. Studies, 16:53-74 (1985), или с помощью гелеметра модели Rheo Tex AP-83 (Sun Sciences Co. Seattle, WA, USA). Как правило, величины напряжения (упругий компонент) более чем от 1,9 до 2,0 и величины растяжения 30-35 кПа являются достоверным признаком прочности геля.

В некоторых вариантах осуществления образцы, содержащие микробные клетки или продукты питания, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла, и углеводы), можно ароматизировать и/или окрашивать, например, для повышения вкусовой привлекательности для данных видов.

В некоторых вариантах осуществления образцы, содержащие микробные клетки или пищевые продукты, полученные из микробных клеток (например, белки, жиры и масла, и углеводы), можно использовать в качестве аналогов мяса или при получении аналогов мяса. "Аналог мяса" представляет собой промышленный термин для заместителей мяса или синтетического мяса, изготовленного, главным образом, из неживотного источника, например, растительных белков.

В некоторых вариантах осуществления перед употреблением животными и/или человеком учитывают ценность в отношении здоровья и питательную ценность пищевых продуктов, полученных из микробных клеток (например, белков, жиров и масел, и углеводов), описанных в настоящем описании.

Составы продуктов

В некоторых вариантах осуществления пищевые продукты, описанные в настоящем описании, можно использовать в качестве пищевых продуктов или для их получения (например, твердых или жидких пищевых продуктов). В некоторых вариантах осуществления пищевые продукты можно использовать отдельно или можно комбинировать. В некоторых вариантах осуществления пищевые продукты можно комбинировать с материалами, улучшающими текстуру (например, белок пшеницы). В некоторых вариантах осуществления пищевые продукты, описанные в настоящем описании, можно изготавливать в качестве альтернатив мяса (см., например, Quorn®, изготавливаемый Marlow Foods, UK). В некоторых вариантах осуществления пищевые продукты, описанные в настоящем описании, можно комбинировать с другими белками, источниками белков или продуктами питания, например, микобелком, текстурованным растительным белком, тофу, темпе, мисо, соевыми продуктами и/или пшеничным белком.

В некоторых вариантах осуществления любой из продуктов и сопродуктов, описанных в настоящем описании, можно комбинировать с вкусовыми добавками и/или красителями, например, тонкими химическими вкусовыми добавками и ароматизаторами.

Переработка воды

В процессах, описанных в настоящем описании, когда в любом процессе используют воду, она может представлять собой бытовые сточные воды, например, городские сточные воды, или фекальные воды. В некоторых вариантах осуществления бытовые или фекальные воды стерилизуют перед применением. Стерилизацию можно проводить с использованием любого желательного способа, например, стерилизацией путем облучения, с помощью пара или химической стерилизацией.

ПРИМЕРЫ

Представленные ниже примеры предназначены для иллюстрации и не ограничивают идеи этого описания.

Пример 1 - Получение волокнистого материала из бумаги с многослойным покрытием

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистых картонных коробок для сока объемом полгалона (1,9 л), изготовленного из белого крафт-картона без печати, имеющего объемную плотность 20 фунт/фут³ (0,32 г/см³), получают от International Paper. Каждую картонную коробку складывают до плоского состояния, а затем подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала (приблизительно 0,075 дюймов (0,2 см)).

Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Модель SC30 оборудована четырьмя вращающимися лезвиями, четырьмя фиксированными лезвиями и разгрузочным ситом, имеющим отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Волокнистый материал имеет площадь поверхности BET 0,9748 м²/г +/- 0,0167 м²/г, пористость 89,0437% и объемную плотность (при 0,53 фунт/кв. дюйм-абс. (3,7 кПа)) 0,1260 г/мл. Средняя длина волокон составляет 1,141 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,027 мм, давая среднее L/D 42:1. Снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала представлен на ФИГ. 26.

Пример 2 - Получение волокнистого материала из отбеленного крафт-картона

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут³ (0,48 г/см³), получают от International Paper. Материал складывают до плоского состояния, а затем подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала (приблизительно 0,075 дюймов (0,2 см)). Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Волокнистый материал имеет площадь поверхности BET 1,1316 м²/г +/- 0,0103 м²/г, пористость 88,3285% и объемную плотность (при 0,53 фунт/кв. дюйм-абс. (3,7 кПа)) 0,1497 г/мл. Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1. Снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала представлен на ФИГ. 27.

Пример 3 - Получение дважды раздробленного волокнистого материала из отбеленного крафт-картона

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут³ (0,48 г/см³), получают от International Paper. Материал складывают до плоского состояния, а затем подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства для измельчения материал напоминает конфетти (см. выше). Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/16 дюйма (0,16 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Материал, полученный после первого дробления, снова подают в ту же описанную выше установку, и снова дробят. Полученный волокнистый материал имеет площадь поверхности BET 1,4408 м²/г +/- 0,0156 м²/г, пористость 90,8998% и объемную плотность (при 0,53 фунта на кв. дюйм абс. (3,7 кПа)) 0,1298 г/мл. Средняя длина волокон составляет 0,891 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,026 мм, давая среднее L/D 34:1. Снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала представлен на ФИГ. 28.

Пример 4 - Получение трижды раздробленного волокнистого материала из отбеленного крафт-картона

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут³ (0,48 г/см³), получают от International Paper. Материал складывают до плоского состояния, а затем подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства для измельчения материал напоминал конфетти (см. выше). Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты краями лезвий. Материал, полученный после первого дробления, снова подают в ту же описанную выше установку, и сито заменяют ситом с отверстиями 1/16 дюйма (0,16 см). Материал дробят. Материал, полученный после второго дробления, снова подают в ту же описанную выше установку, и сито заменяют ситом с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Этот материал дробят. Полученный волокнистый материал имеет площадь поверхности BET 1,6897 м²/г +/- 0,0155 м²/г, пористость 87,7163% и объемную плотность(при 0,53 фунта на кв. дюйм абс. (3,7 кПа)) 0,1448 г/мл. Средняя длина волокон составляет 0,824 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0262 мм, давая среднее L/D 32:1. Снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 25X, волокнистого материала представлен на ФИГ. 29.

Пример 5 - Получение уплотненного волокнистого материала из отбеленной крафт-бумаги без добавления связующего вещества

Волокнистый материал получают согласно примеру 2. Приблизительно 1 фунтом (454 г) воды обрызгивают каждые 10 фунтов (4540 г) волокнистого материала. Волокнистый материал уплотняют с использованием пресса для гранулирования California Pellet Mill 1100, действующего при 75°C. Получают гранулы, имеющие объемную плотность в диапазоне от приблизительно 7 фунтов/фут³ (0,11 г/см³) до приблизительно 15 фунтов/фут³ (0,24 г/см³).

Пример 6 - Получение уплотненного волокнистого материала из отбеленного крафт-картона со связующим веществом

Волокнистый материал получают согласно примеру 2.

Приготавливают исходный раствор POLYOX™ WSR N10 (полиоксиэтилен) в воде в концентрации 2 масс.%.

Приблизительно 1 фунтом (454 г) сток-раствора обрызгивают каждые 10 фунтов (4540 г) волокнистого материала. Волокнистый материал уплотняют с использованием пресса для гранулирования California Pellet Mill 1100, действующего при 75°C. Получают гранулы, имеющие объемную плотность в диапазоне от приблизительно 15 фунтов/фут³ (0,24 г/см³) до приблизительно 40 фунтов/фут³ (0,64 г/см³).

Пример 7 - Уменьшение молекулярной массы целлюлозы в волокнистой крафт-бумаге гамма-излучением при минимальном окислении

Волокнистый материал получают согласно примеру 4, а затем уплотняют согласно примеру 5.

Уплотненные гранулы помещают в стеклянную ампулу, имеющую максимальную вместимость 250 мл. Стеклянную ампулу вакуумируют под высоким вакуумом (10^-5 торр) в течение 30 минут, а затем обратно заполняют газообразным аргоном. Ампулу запаивают под аргоном. Гранулы в ампуле облучают гамма-излучением в течение приблизительно 3 часов при уровне дозы приблизительно 1 Мрад в час с получением облученного материала, в котором целлюлоза имеет более низкую молекулярную массу, чем в исходном материале волокнистой крафт-бумаги.

Пример 8 - Уменьшение молекулярной массы целлюлозы в волокнистой крафт-бумаге гамма-излучением при максимальном окислении

Волокнистый материал получают согласно примеру 4, а затем уплотняют согласно примеру 5.

Уплотненные гранулы помещают в стеклянную ампулу, имеющую максимальную вместимость 250 мл. Стеклянную ампулу запаивают в атмосфере воздуха. Гранулы в ампуле облучают гамма-излучением в течение приблизительно 3 часов при уровне дозы приблизительно 1 Мрад в час с получением облученного материала, в котором целлюлоза имеет более низкую молекулярную массу, чем в исходном материале волокнистой крафт-бумаги.

Пример 9 - Способы определения молекулярной массы целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов с помощью гель-проникающей хроматографии

Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы для анализа обрабатывают согласно примеру 4. Материалы образцов, представленные в следующих таблицах, включают крафт-бумагу (P), пшеничную солому (WS), люцерну (A) и просо (SG). Число "132" в ID образца относится к размеру частиц материала после дробления через сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Число после дефиса относится к дозировке радиационного излучения (Мрад), и "US" относится к ультразвуковой обработке. Например, ID образца "P132-10" относится к крафт-бумаге, которую подвергали дроблению до размера частиц калибра 132 и облучали дозой 10 Мрад.

Таблица 1 Пиковая средняя молекулярная масса облученной крафт-бумаги Источник образца ID образца Дозировка¹ Мрад Ультразвук² Средняя ММ ± Стандартное отклонение Крафт-бумага Р132 0 Нет 32853±10006 Р132-10 10 “ 61398±2468** Р132-100 100 “ 8444±580 Р132-181 181 “ 6668±77 Р132-US 0 Да 3095±1013 ** Низкие дозы облучения, по-видимому, повышают молекулярную массу некоторых материалов
¹Уровень дозировки = 1 Мрад/ч
²Обработка в течение 30 минут ультразвуком 20 кГц с использованием рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции, где материал диспергирован в воде

Таблица 2 Пиковая средняя молекулярная масса облученных материалов ID образца № пика Дозировка¹ Мрад Ультразвук² Средняя ММ ± Стандартное отклонение WS132 1 0 Нет 1407411±175191 2 “ “ 39145±3425 3 “ “ 2886±177 WS132-10* 1 10 “ 26040±3240

WS132-100* 1 100 “ 23620±453 А132 1 0 “ 1604886±151701 2 “ “ 37525±3751 3 “ “ 2853±490 А132-10* 1 10 “ 50853±1665 2 “ “ 2461±17 А132-100* 1 100 “ 38291±2235 2 “ “ 2487±15 SG132 1 0 “ 1557360±83693 2 “ “ 42594±4414 3 “ “ 3268±249 SG132-10* 1 10 “ 60888±9131 SG132-100* 1 100 “ 22345±3797 SG132-10-US 1 10 Да 86086±43518 2 “ “ 2247±468 SG132-100-US 1 100 “ 4696±1465 * Пики объединяются после обработки
** Низкие дозы облучения, по-видимому, повышают молекулярную массу некоторых материалов
¹Уровень дозировки = 1 Мрад/ч
²Обработка в течение 30 минут ультразвуком 20 кГц с использованием рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции, где материал диспергирован в воде

Гель-проникающую хроматографию (GPC) используют для определения распределения молекулярной массы полимеров. В ходе анализа GPC раствор образца полимера пропускают через колонну, заполненную пористым гелем, улавливающим небольшие молекулы. Образец разделяется на основе размера молекул, причем более крупные молекулы элюируются быстрее молекул меньших размеров. Время удержания каждого компонента наиболее часто определяют с помощью индекса рефракции (RI), рассеяния света при испарении (ELS) или ультрафиолетового излучения (UV) и сравнивают с калибровочной кривой. Затем полученные данные используют для вычисления распределения молекулярной массы для образца.

Распределение молекулярной массы используют для охарактеризации синтетических полимеров вместо индивидуальной молекулярной массы. Для охарактеризации этого распределения используют статистические средние значения. Наиболее распространенным из этих средних значений являются "среднечисленная молекулярная масса" (M_n) и "средневзвешенная молекулярная масса" (M_w). Способы вычисления этих величин описаны, например, в примере 9 PCT/US/2007/022719.

Индекс полидисперсности или PI определяют как отношение M_w/M_n. Чем более высоким является PI, тем более широким или более дисперсным является распределение. Наиболее низкое значение, которое может иметь PI, составляет 1. Оно соответствует монодисперсному образцу; т.е. полимеру, в котором все молекулы в распределении имеют одинаковую молекулярную массу.

Пиковое значение молекулярной массы (Mp) является другим описательным признаком, определяемым как мода распределения молекулярной массы. Оно означает молекулярную массу, которая наиболее распространена в распределении. Эта величина также дает представление о распределении молекулярной массы.

Большинство измерений GPC проводят относительно различных стандартов полимеров. Точность результатов зависит от того, насколько близко характеристики анализируемого полимера совпадают с характеристиками используемого стандарта. Ожидаемая ошибка воспроизводимости между различными сериями определений, калиброванными по отдельности, составляет приблизительно 5-10% и является характерной для ограниченной точности определений GPC. Таким образом, результаты GPC являются наиболее пригодными, когда проводят сравнение между распределениями молекулярной массы различных образцов в ходе одной серии определений.

Для лигноцеллюлозных образцов перед анализом GPC требуется подготовка. Сначала приготавливают насыщенный раствор (8,4% по массе) хлорида лития (LiCl) в диметилацетамиде (DMAc). Приблизительно 100 мг каждого образца добавляют приблизительно к 10 г свежеприготовленного насыщенного раствора LiCl/DMAc, и смеси нагревают приблизительно до 150°C-170°C при перемешивании в течение 1 часа. Полученные растворы имеют цвет, главным образом, от светло-желтого до темно-желтого. Температуру растворов снижают приблизительно до 100°C и их нагревают в течение дополнительных 2 часов. Затем температуру растворов снижают приблизительно до 50°C, и растворы образцов нагревают в течение приблизительно от 48 до 60 часов. Следует отметить, что образцы, облученные при 100 Мрад, легче солюбилизировать по сравнению с их необработанными аналогами. Кроме того, раздробленные образцы (обозначенные числом 132) имеют немного более низкую среднюю молекулярную массу по сравнению с ненарезанными образцами.

Полученные растворы образцов разбавляют 1:1 с использованием DMAc в качестве растворителя и фильтруют через 0,45-мкм фильтр PTFE. Затем отфильтрованные растворы образцов анализируют с помощью GPC. Пиковая средняя молекулярная масса (Mp) образцов, при определении гель-проникающей хроматографией (GPC), обобщенно представлена в таблицах 1 и 2, как указано выше, в условиях анализа, представленных в таблице 3. Каждый образец приготавливают в двух экземплярах, и каждый препарат образца анализируют в двух параллелях (две инъекции), всего с четырьмя инъекциями на образец. Для получения калибровочной кривой для шкалы молекулярной массы приблизительно от 580 до 750000 Дальтон используют полистироловые стандарты PS1A и PS1B EasiCal.

Таблица 3 Условия анализа GPC Устройство: Waters Alliance GPC 2000
Plgel 10 μ Mixed-B Колонны (3): S/N’s: 10M-MB-148-83; 10M-MB-148-84; 10M-MB-174-129 Подвижная фаза (растворитель) 0,5% LiCl в DMAc (1,0 мл/мин) Температура колонки/детектора 70°С Температура инжектора 70°С Размер петли образца 323,5 мкл

Пример 10 - Определение кристалличности облученного материала посредством рентгенодиффракции

Рентгенодиффракция (XRD) представляет собой способ, посредством которого кристаллический образец облучают моноэнергетическими рентгеновскими лучами. Регистрируют взаимодействие структуры решетки образца с этими рентгеновскими лучами, и оно дает информацию о подвергаемой облучению кристаллической структуре. Полученный характерный "отпечаток" позволяет идентификацию кристаллических соединений, присутствующих в образце. С использованием анализа соответствия по всему паттерну (the Rietvelt Refinement) можно проводить количественные анализы образцов, содержащих более одного кристаллического соединения.

Каждый образец помещают на держатель с нулевым фоном и помещают в диффрактометр Phillips PW1800, использующий радиационное излучение Cu. Затем проводят сканирование в диапазоне от 5° до 50° с размером шага 0,05° и временем подсчета 2 часа в каждом случае.

После получения дифрактограмм идентифицируют фазы с помощью Powder Diffraction File, опубликованного International Centre for Diffraction Data. Во всех образцах идентифицированная кристаллическая фаза представляет собой целлюлозу - Ia, которая имеет триклинную структуру.

Отличительными признаками для 20 образцов является ширина пика, которая связана с размером кристаллического домена. Экспериментальную ширину пика используют для вычисления размера домена и процентной кристалличности, которые представлены в таблице 4.

Таблица 4 Данные XRD, включающие размер домена и % кристалличность ID образца Размер домена (Å) % Кристалличность Р132 55 55 Р132-10 46 58 Р132-100 50 55 Р132-181 48 52 Р132-US 26 40 А132 28 42 А132-10 26 40 А132-100 28 35 WS132 30 36 WS132-10 27 37 WS132-100 30 41 SG132 29 40 SG132-10 28 38 SG132-100 28 37 SG132-10-US 25 42 SG132-100-US 21 34

Процентую кристалличность (X_c %) определяют как отношение площади для кристаллической фазы к общей площади под пиками рентгенодиффракции, и она равна 100% x (A_c/A_a+A_c), где

A_c = Площадь для кристаллической фазы

A_a = Площадь для аморфной фазы

X_c = Процент кристалличности

Для определения процентной кристалличности каждого образца необходимо сначала определить количество аморфной фазы. Это проводят путем оценки площади каждой дифрактограммы, которая может быть отнесена к кристаллической фазе (отображаемой более острыми пиками) и некристаллической фазе (отображаемой широкими буграми под паттерном и имеющей центр при 22° и 38°).

Для минимизации ошибки в этих вычислениях вследствие широких кристаллических пиков, а также высокой интенсивности фона используют систематический процесс. Во-первых, применяют линейный фон, а затем отменяют его. Во-вторых, каждый из двух гауссовых пиков с центром при 22° и 38° с шириной 10-12° приводят в соответствие с буграми под кристаллическими пиками. В-третьих, определяют площадь под двумя широкими гауссовыми пиками и остальной части паттерна. Наконец, вычисляют процентную кристалличность путем деления площади под кристаллическим пиком на общую интенсивность (после вычитания фона). Размер домена и % кристалличность образцов при определении путем рентгенодиффракции (XRD) представлены в таблице 4, выше.

Пример 11 - Анализ посредством порометрии

Ртутный анализ размера пор и объема пор (таблица 5) основан на пропускании ртути (несмачивающей жидкости) в пористую структуру при строго контролируемых давлениях. Поскольку ртуть не смачивает большинство веществ и не проникнет в поры самопроизвольно вследствие капиллярного действия, ее необходимо загонять в пустоты образца с использованием внешнего давления. Давление, требуемое для заполнения пустот, обратно пропорционально размеру пор. Для заполнения крупных пустот требуется только небольшая величина силы или давления, в то время как для заполнения очень маленьких пор требуется значительно более высокое давление.

AutoPore 9520, устройство для определения плотности пор, может достигать максимального давления 414 МПа или 60000 фунт/кв. дюйм абс. В нем имеются четыре станции низкого давления для приготовления образца и сбора данных о макропорах при от 0,2 фунт/кв. дюйм абс. (1,4 кПа) до 50 фунт/кв. дюйм абс. (345 кПа). В нем имеются две камеры высокого давления, которые собирают данные при от 25 фунт/кв. дюйм абс. (172 кПа) до 60000 фунт/кв. дюйм абс. (414 МПа). Образец помещают в чашеобразное устройство, называемое пенетрометром, которое соединено со стеклянным капиллярным стержнем с металлическим покрытием. По мере проникновения ртути в пустоты в образце и вокруг него, она продвигается вниз по капиллярному стержню. Потеря ртути из капиллярного стержня приводит к изменению электроемкости. Изменение электроемкости в процессе эксперимента конвертируется в объем ртути, исходя из известного объема стержня применяемого пенетрометра. Доступно множество пенетрометров с различными размерами чаши (образца) и капилляров для адаптации к большинству размеров и конфигураций образцов. В таблице 6, ниже, определены ключевые параметры, вычисляемые для каждого образца.

Таблица 6 Определение параметров Параметр Описание Общий проникающий объем Общий объем ртути, проникающей в ходе эксперимента. Он может включать интерстициальное заполнение между небольшими частицами, пористость образца и объем сжатия образца Общая площадь пор Общий проникающий объем, конвертированный в площадь, предполагая цилиндрическую форму пор Срединный диаметр пор (Объем) Размер на 50-ом перцентиле графика совокупного объема Срединный диаметр пор (площадь) Размер на 50-ом перцентиле графика совокупной площади Средний диаметр пор Общий объем пор, деленный на общую площадь пор (4V/A)

Объемная плотность Масса образца, деленная на полный объем. Полный объем определяется при давлении заполнения, как правило, 0,5 фунт./кв. дюйм абс. (3,45 кПа) Кажущаяся плотность Масса образца, деленная на объем образца, измеренный при наиболее высоком давлении, как правило, 60000 фунт./кв. дюйм абс. (414 МПа) Пористость (Объемная плотность/Кажущаяся плотность) x 100%

Пример 12 - Анализ размера частиц

Способ определения размера частиц посредством рассеяния света основан на теории Ми (которая также охватывает теорию Фраунгофера). Теория Ми предсказывает взаимосвязь интенсивности и угла в качестве функции размера сферических рассеивающих частиц, при условии, что другие переменные системы известны и поддерживаются постоянными. Этими переменными являются длина волны падающего света и относительный показатель преломления материала образца. Применение теории Ми дает детальную информацию о размере частиц. В таблице 7 обобщенно представлен размер частиц при использовании в качестве параметров срединного диаметра, среднего диаметра и модального диаметра.

Размер частиц определяют посредством рассеяния лазерного излучения (дисперсия сухого образца), применяя Malvern Mastersizer 2000, с использованием следующих условий:

Скорость подачи: 35%

Давление диспергатора: 4 Бар

Оптическая модель: (2,610, 1,000i), 1,000

Соответствующее количество образца подают на вибрационный лоток. Скорость подачи и давление воздуха корректируют для обеспечения того, чтобы частицы были надлежащим образом диспергированы. Ключевым компонентом является выбор давления воздуха, которое разбивает агломераты, но не нарушает целостность образца. Требуемое количество образца варьирует, в зависимости от размера частиц. Как правило, образцы с мелкими частицами требуют меньшего количества материала, чем образцы с крупными частицами.

Пример 13 - Анализ площади поверхности

Площадь поверхности каждого образца анализируют с использованием системы Micromeritics ASAP 2420 Accelerated Area and Porosimetry System. Образцы приготавливают путем первоначального дегазирования в течение 16 часов при 40°C. Далее, вычисляют свободное пространство (как теплое, так и холодное) с гелием, а затем пробирку с образцом вновь вакуумируют для удаления гелия. Сбор данных начинается после этого второго вакуумирования, и он состоит в установлении заданного давления, которое контролирует, сколько газа дозировано в образец. При каждом заданном давлении определяют и записывают количество адсорбированного газа и истинное давление. Давление внутри пробирки с образцом измеряют с помощью датчика давления. Дополнительные дозы газа продолжают поступать до достижения заданного давления и обеспечения уравновешивания. Количество адсорбированного газа определяют суммированием множества доз для образца. Давление и количество определяют изотерму адсорбции газа и их используют для вычисления ряда параметров, включая площадь поверхности BET (таблица 8).

Модель BET для изотерм представляет собой широко используемую теорию для вычисления удельной площади поверхности. Анализ вовлекает определение емкости монослоя поверхности образца путем вычисления количества, требуемого для покрытия всей поверхности одним плотно упакованным слоем криптона. Для определения общей площади поверхности емкость монослоя умножают на поперечную площадь молекулы пробного газа. Удельная площадь поверхности представляет собой площадь поверхности аликвоты образца, деленную на массу образца.

Пример 14 - Определение длины волокон

Тестирование распределения длин волокон проводили в трех параллелях на представленных образцах с использованием системы Techpap MorFi LB01. Средняя длина и ширина представлены в таблице 9.

Пример 15 - Ультразвуковая обработка облученного и необлученного проса

Просо дробят согласно примеру 4. Просо обрабатывают только ультразвуком или облучением гамма-лучами в дозе 10 Мрад или 100 Мрад с последующей обработкой ультразвуком. Полученные материалы соответствуют G132-BR (необлученному), G132-10-BR (10 Мрад и обработка ультразвуком) и G132-100-BR (100 Мрад и обработка ультразвуком), как показано в таблице 1. Обработку ультразвуком проводят для каждого образца в течение 30 минут с использованием ультразвука частотой 20 кГц из рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции. Каждый образец диспергируют в воде в концентрации приблизительно 0,10 г/мл.

На ФИГ. 30 и 31 представлено устройство, используемое для обработки ультразвуком. Устройство 500 включает преобразователь 502, соединенный с бустером 504, соединяющимся с рупором 506, изготовленным из титана или сплава титана. Рупор, который имеет изоляцию 510, изготовленную из VITON®, по его периметру на его осуществляющей обработку стороне, образует не проницаемое для жидкости уплотнение с ячейкой для переработки 508. Осуществляющая обработку сторона рупора погружена в жидкость, такую как вода, в которой диспергирован образец, подлежащий обработке ультразвуком. Мониторинг давления в ячейке проводят с помощью датчика давления 512. В рабочем состоянии каждый образец продвигается насосом 517 из емкости 516 через ячейку для переработки и обрабатывается ультразвуком. После обработки ультразвуком образец собирается в емкости 520. Процесс может быть обратимым в том, что содержимое емкости 520 может быть отправлено через ячейку для переработки и собрано в емкости 516. Этот процесс можно повторять несколько раз до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень переработки образца.

Пример 16 - Снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, необлученного проса по сравнению с облученным, и облученным и обработанным ультразвуком просом

Образцы проса для снимков, получаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа, наносят на углеродную ленту и покрывают распылением золота (70 секунд). Изображения получают с помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией JEOL 6500.

На ФИГ. 32 представлен снимок, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала, полученного дроблением проса на резательном устройстве с вращающимся ножом, а затем пропусканием раздробленного материала через сито 1/32 дюйма (0,08 см).

На ФИГ. 33 и 34 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения гамма-лучами дозой 10 Мрад и 100 Мрад, соответственно.

На ФИГ. 35 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения 10 Мрад и обработки ультразвуком.

На ФИГ. 36 представлены снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении 1000X, волокнистого материала с ФИГ. 32 после облучения 100 Мрад и обработки ультразвуком.

Пример 17 - Инфракрасный спектр облученной крафт-бумаги по сравнению с необлученной крафт-бумагой

Анализ FT-IR проводили с использованием стандартных способов на Nicolet/Impact 400. Результаты указывают на то, что все образцы, представленные в таблице 1, соответствуют материалу на основе целлюлозы.

На ФИГ. 37 представлен инфракрасный спектр крафт-картона, раздробленного согласно примеру 4, а на ФИГ. 38 представлен инфракрасный спектр крафт-бумаги с ФИГ. 37 после облучения гамма-излучением в дозе 100 Мрад. Облученный образец демонстрирует дополнительный пик в области A (с центром приблизительно на уровне 1730 см^-1), который не выявляется в необлученном материале.

Пример 18 - Комбинирование предварительной обработки пучком электронов и ультразвуком

Просо используют в качестве сырья и дробят резательным устройством с вращающимся ножом Munson на волокнистый материал. Затем волокнистый материал равномерно распределяют на открытом лотке, изготовленном из олова, с площадью более 500 дюймов² (12,7 м²). Волокнистый материал распределяют так, чтобы он имел толщину приблизительно 1-2 дюйма (2,5-5 см) в открытом лотке. Волокнистый материал можно распределять в пластмассовые мешки при более низких дозах облучения (менее 10 Мрад), и оставлять открытым на металлическом лотке при более высоких дозах облучения.

Затем отдельные образцы волокнистого материала подвергают последовательным дозам облучения пучком электронов для достижения общей дозы 1 Мрад, 2 Мрад, 3, Мрад, 5 Мрад, 10 Мрад, 50 Мрад и 100 Мрад. Некоторые образцы поддерживают в тех же условиях, что и остальные образцы, но не облучают, чтобы они служили в качестве контролей. После охлаждения облученный волокнистый материал отправляют на дальнейшую переработку через устройство для обработки ультразвуком.

Устройство для обработки ультразвуком включает преобразователь, соединенный с бустером, соединяющим рупор, изготовленный из титана или сплава титана. Рупор, который имеет изоляцию, изготовленную из VITON®, по его периметру на его осуществляющей обработку стороне, образует не проницаемое для жидкости уплотнение с ячейкой для переработки. Осуществляющая обработку сторона рупора погружена в жидкость, такую как вода, в которой диспергирован образец, подлежащий обработке ультразвуком. Мониторинг давления в ячейке проводят с помощью датчика давления. В рабочем состоянии каждый образец продвигается насосом из емкости через ячейку для переработки и обрабатывается ультразвуком.

Для приготовления облученного волокнистого материала для обработки ультразвуком, облученный волокнистый материал извлекают из любого контейнера (например, пластмассовых мешков) и диспергируют в воде в концентрации приблизительно 0,10 г/мл. Обработку ультразвуком проводят на каждом образце в течение 30 минут с использованием ультразвука с частотой 20 кГц из рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции. После обработки ультразвуком облученный волокнистый материал собирается в емкости. Этот процесс может повторяться множество раз до достижения желаемого уровня переработки, исходя из мониторинга структурных изменений проса. Также, некоторые облученные образцы держат в тех же условиях, что и остальные образцы, но не обрабатывают ультразвуком, чтобы они служили в качестве контролей. Кроме того, также в качестве контролей выступают некоторые образцы, которые не облучали или не обрабатывали ультразвуком. Таким образом, некоторые контроли не обрабатывают, некоторые только облучают, а некоторые только обрабатывают ультразвуком.

Пример 19 - Тестирование предварительно обработанной биомассы с помощью микроорганизов

Конкретные лигноцеллюлозные материалы, предварительно обработанные, как описано в настоящем описании, анализируют в отношении токсичности для распространенных штаммов дрожжей и бактерий, используемых в биотопливной промышленности для стадии ферментации при получения этанола. Кроме того, исследуют содержание сахаров и совместимость с целлюлазными ферментами для определения эффективности процесса обработки. Тестирование предварительно обработанных материалов проводят в две фазы следующим образом.

I. Токсичность и содержание сахаров

Токсичность предварительно обработанных трав и бумажного сырья определяют в дрожжах Saccharomyces cerevisiae (винные дрожжи) и Pichia stipitis (ATCC 66278), а также в бактериях Zymomonas mobilis (ATCC 31821) и Clostridium thermocellum (ATCC 31924). Для каждого из организмов проводят исследование роста для определения оптимального времени инкубации и забора образцов.

Затем каждое сырье инкубируют, в двух параллелях, с S. cerevisiae, P. stipitis, Z. mobilis и C. thermocellum в стандартной микробиологической среде для каждого организма. Для двух штаммов дрожжей, S. cerevisiae и P. Stipitis, используют бульон YM. Для Z. mobilis используют среду RM и для C. thermocellum используют среду CM4. Для сравнения используют положительный контроль, с добавлением чистого сахара, но без сырья. В процессе инкубации в течение 12-часового периода получают всего пять образцов в моменты времени 0, 3, 6, 9 и 12 часов и анализируют их в отношении жизнеспособности (подсчет в чашках для Z. mobilis и прямой подсчет для S. cerevisiae) и концентрации этанола.

Содержание сахара в сырье определяют с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), оборудованной либо колонкой Shodex® sugar SP0810, либо колонкой Biorad Aminex® HPX-87P. Каждое сырье (приблизительно 5 г) смешивают с водой для обратимого осмоса (RO) в течение 1 часа. Жидкую часть смеси удаляют и анализируют в отношении содержания глюкозы, галактозы, ксилозы, маннозы, арабинозы и целлобиозы. Анализ проводят согласно протоколу Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass из National Bioenergy Center.

II. Совместимость целлюлазы

Сырье тестируют, в двух параллелях, с помощью коммерчески доступного ферментного комплекса Accellerase® 1000, который содержит комплекс ферментов, который восстанавливает лигноцеллюлозную биомассу до ферментируемых сахаров, включающий два различных целлюлазных препарата, Trichoderma reesei и Aspergillus nidulans, при рекомендованной температуре и концентрации во флаконе Erlenmeyer. Флаконы инкубируют при умеренном встряхивании при приблизительно 200 об./мин в течение 12 часов. В ходе этого периода времени получают образцы каждые три часа в моменты времени 0, 3, 6, 9 и 12 часов для определения концентрации восстанавливающих сахаров (Hope and Dean, Biotech J., 1974, 144:403) в жидкой части флаконов.

Пример 20 - Продукция спирта с использованием предварительной обработки в виде облучения-обработки ультразвуком

На оптимальный размер установок для конверсии биомассы влияют факторы, включающие экономию за счет масштаба и типа и доступности биомассы, используемой в качестве сырья. Увеличение размера установки имеет тенденцию к повышению экономии за счет масштаба, ассоциированную с производственными процессами. Однако увеличение размера установки также имеет тенденцию к увеличению затрат (например, затрат на транспортировку) на единицу сырья биомассы. Исследования, в которых анализируются эти факторы, указывают на то, что приемлемый размер установок по конверсии биомассы может находиться в диапазоне от 2000 до 10000 тонн сухой массы сырья биомассы в сутки. Установка, описанная ниже, масштабирована для переработки 2000 тонн сухого сырья биомассы в сутки.

На ФИГ. 39 представлена технологическая схема системы для конверсии биомассы, адаптированной для переработки проса. Подсистема подготовки исходного материала перерабатывает сырое сырье биомассы для удаления чужеродных объектов и обеспечивает частицы постоянного размера для дальнейшей переработки. Подсистема для предварительной обработки изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность) сырья биомассы посредством облучения сырья биомассы, смешивания облученного сырья биомассы с водой с образованием суспензии и применения ультразвуковой энергии к суспензии. Облучение и обработка ультразвуком преобразуют целлюлозный и лигноцеллюлозный компоненты сырья биомассы в поддающиеся ферментации материалы. Подсистема основной переработки ферментирует глюкозу и другие низкомолекулярные сахара, присутствующие после предварительной обработки, с образованием спиртов.

Подготовка исходного материала

Выбранный уровень заданного исходного материала для предприятия составляет 2000 тонн сухого материала биомассы проса в сутки. Заданный исходный материал представляет собой порубленное и/или раздробленное просо.

Сырье биомассы, в форме связок проса, доставляют на установку. В некоторых случаях связки проса обернуты пластмассовой сетью для обеспечения того, чтобы они не распадались при транспортировке, и также они могут быть завернуты в пластмассовую пленку для защиты связки от погодных условий. Связки имеют либо квадратную, либо округлую форму. Связки доставляют на установки из отдаленного хранилища на больших грузовых автомобилях с прицепами. Когда грузовые автомобили прибывают, их взвешивают и разгружают вилочными погрузчиками. Некоторые связки отправляют в местное хранилище, а другие помещают непосредственно на конвейеры.

Поскольку просо доступно только сезонно, требуется длительное хранение для обеспечения установки исходным материалом круглый год. Длительное хранилище может состоять из 400-500 акров непокрытых сгруппированных связок в районе (или нескольких районах), целесообразно близком к установке по производству этанола. Местное кратковременное хранилище, эквивалентное 72 часам производства, обеспечивают на открытых площадках. Связки и окружающие подъездные пути, а также транспортирующие конвейеры находятся на бетонной плите. Бетонную плиту используют вследствие требуемого объема грузооборота для доставки требуемого большого количества сырья биомассы. Бетонная плита минимизирует количество стоячей воды в области хранения, а также уменьшение воздействия на сырье биомассы грязи. Хранящийся материал обеспечивает кратковременное снабжение на выходные дни, праздничные дни и когда нормальная прямая доставка материала на переработку прерывается.

Связки разгружают вилочными погрузчиками и помещают прямо на конвейеры для транспортировки связок или на площадку кратковременного хранения. Связки также извлекают из кратковременного хранилища вилочными погрузчиками и погружают на конвейеры для транспортировки связок.

Связки направляют к одной из двух станций для разворачивания. Развернутые связки разбивают с использованием расправляющей планки, а затем их выгружают на конвейер, который проходит мимо магнитного сепаратора для удаления металла перед дроблением. Для улавливания случайного магнитного металла предоставляют железный магнит с примесями, а приемное решето удаляет чрезмерно большой и чужеродный материал перед множеством систем устройство для нарезания-устройство для дробления, которые уменьшают размер сырья биомассы до надлежащего размера для предварительной обработки. Системы устройство для нарезания-устройство для дробления включают устройства для нарезания и резательные устройства с вращающимся ножом. Устройства для нарезания уменьшают размер исходного сырья биомассы и подают полученный материал в резательные устройства с вращающимся ножом. Резательные устройства с вращающимся ножом одновременно дробят сырье биомассы и просеивают полученный материал. В конце сырье биомассы можно транспортировать в систему для предварительной обработки.

Для ограничения общего времени простоя вследствие требуемого обслуживания и/или перерывов в работе системы для подготовки исходного материала предоставляют три силоса для хранения. Каждый силос может содержать приблизительно 55000 кубических футов (1560 м³) сырья биомассы (~3 часа работы установки).

Предварительная обработка

Конвейерная лента перемещает сырье биомассы от подсистемы для подготовки исходного материала 110 в подсистему для предварительной обработки 114. Как показано на ФИГ. 40, в подсистеме для предварительной обработки 114 сырье биомассы облучают с использованием излучателей электронных пучков, смешивают с водой с образованием суспензии и подвергают воздействию ультразвуковой энергии. Как рассмотрено выше, облучение сырья биомассы изменяет молекулярную структуру (например, снижает неподатливость, среднюю молекулярную массу и кристалличность) сырья биомассы. Перемешивание облученного сырья биомассы в суспензию и применение ультразвуковой энергии к суспензии далее изменяет молекулярную структуру сырья биомассы. Применение последовательно радиационного облучения и обработки ультразвуком может иметь синергические эффекты, поскольку комбинация способов, по-видимому, обеспечивает более значительные изменения молекулярной структуры (например, снижает неподатливость, среднюю молекулярную массу и кристалличность), по сравнению с изменениями, которые может эффективно обеспечить любой из способов самостоятельно. Без связи с теорией, в дополнение к снижению полимеризации сырья биомассы путем разрушения внутримолекулярных связей между сегментами целлюлозных и лигноцеллюлозных компонентов сырья биомассы, облучение может делать общую физическую структуру сырья биомассы более хрупкой. После перемешивания хрупкого сырья биомассы в суспензию, применение ультразвуковой энергии далее изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность), а также может уменьшать размер частиц сырья биомассы.

Облучение пучком электронов

Конвейерная лента 491, несущая сырье биомассы в подсистему для предварительной обработки, распределяет сырье биомассы на множество потоков исходного материала (например, 50 потоков исходного материала), каждый из которых ведет к отдельным излучателям электронных пучков 492. В этом варианте осуществления сырье биомассы облучают в сухом состоянии. Каждый поток исходного материала переносят на отдельной конвейерной ленте к связанному с ней излучателю электронного пучка. Каждая конвейерная лента для облучения сырья может иметь ширину приблизительно один метр. Перед достижением излучателя электронного пучка в каждой конвейерной ленте индуцируют локализованную вибрацию для равномерного распределения сухого сырья биомассы по поперечной ширине конвейерной ленты.

Излучатель электронного пучка 492 (например, устройства для облучения пучком электронов, коммерчески доступные от Titan Corporation, San Diego, CA) адаптирован для применения дозы электронов 100 килоГрэй, применяемой при мощности 300 кВт. Излучатели электронных пучков представляют собой устройства со сканирующим лучом с шириной сектора 1 метр, соответствующей ширине конвейерной ленты. В некоторых вариантах осуществления используют излучатели электронного пучка с большой фиксированной шириной пучка. Факторы, включающие ширину ленты/пучка, желаемую дозу, плотность сырья биомассы и применяемую мощность, регулируют количество излучателей электронного пучка, требуемых для установки для переработки 2000 тонн сухого исходного материала в сутки.

Обработка ультразвуком

Перед применением ультразвуковой энергии облученное сырье биомассы перемешивают с водой с получением суспензии. Для каждого потока исходного материала после обработки пучком электронов может существовать отдельная система для обработки ультразвуком, или несколько потоков после обработки пучком электронов могут собираться в качестве исходного материала для одной системы для обработки ультразвуком.

В каждой системе для обработки ультразвуком облученное сырье биомассы подают в емкость 1214 через первое впускное отверстие 1232, и воду подают в емкость 1214 через второе впускное отверстие 1234. Соответствующие клапаны (ручные или автоматические) контролируют поток сырья биомассы и поток воды для получения желаемого соотношения сырья биомассы и воды (например, 10% целлюлозного материала, масса по объему). Каждая емкость 1214 включает смеситель 1240 для перемешивания содержимого объема 1236 и диспергирования сырья биомассы в воде.

В каждой системе для обработки ультразвуком суспензию перекачивают (например, с использованием насоса с вихревым рабочим колесом 1218) из емкости 1214 в и через проточную ячейку 1224, включающую ультразвуковой преобразователь 1226. В некоторых вариантах осуществления насос 1218 адаптирован для встряхивания суспензии 1216, так чтобы смесь сырья биомассы и воды была по существу однородной во входном канале 1220 проточной ячейки 1224. Например, насос 1218 может встряхивать суспензию 1216, создавая турбулентный поток, который сохраняется на протяжении трубопровода между первым насосом и входным каналом 1220 проточной ячейки 1224.

В проточной ячейке 1224 ультразвуковой преобразователь 1226 передает ультразвуковую энергию на суспензию 1216, по мере того, как суспензия протекает через проточную ячейку 1224. Ультразвуковой преобразователь 1226 преобразует электрическую энергию в высокочастотную механическую энергию (например, ультразвуковую энергию), которая затем доставляется в суспензию через бустер 48. Ультразвуковые преобразователи (например, от Hielscher USA, Inc. of Ringwood, New Jersey), которые способны доставлять постоянную мощность 16 киловатт, являются коммерчески доступными.

Ультразвуковая энергия, проходящая через бустер 1248 в объеме реактора 1244, создает серию сжатий и разрежений в технологическом потоке 1216 с интенсивностью, достаточной для обеспечения кавитации в технологическом потоке 1216. Кавитация осуществляет дезагрегацию компонентов сырья биомассы, включая, например, целлюлозный и лигноцеллюлозный материал, диспергированный в технологическом потоке 1216 (например, суспензии). Кавитация также приводит к образованию свободных радикалов в воде технологического потока 1216 (например, суспензии). Эти свободные радикалы действуют, далее разрушая целлюлозный материал в технологическом потоке 1216. Как правило, к технологическому потоку 1216, содержащему фрагменты тополиных опилок, применяют ультразвуковую энергию приблизительно 250 МДж/м³. К другому сырью биомассы можно применять другие уровни ультразвуковой энергии (от приблизительно 5 до приблизительно 4000 МДж/м³, например, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 или 3000). После воздействия ультразвуковой энергии в объеме реактора 1244 технологический поток 1216 выходит из проточной ячейки 24 через выходной канал 1222.

Проточная ячейка 1224 также включает теплообменник 1246 в тепловом контакте по меньшей мере с частью объема реактора 1244. Охлаждающая текучая среда 1248 (например, вода) поступает в теплообменник 1246 и поглощает тепло, сгенерированное, когда технологический поток 1216 (например, суспензия) облучается в объеме реактора 1244. В некоторых вариантах осуществления поток охлаждающей текучей среды 1248 в теплообменник 1246 контролируют для поддержания приблизительно постоянной температуры в объеме реактора 1244. Дополнительно или альтернативно, температуру охлаждающей текучей среды 1248, поступающей в теплообменник 1246, контролируют для поддержания приблизительно постоянной температуры в объеме реактора 1244.

Выпускной канал 1242 проточной ячейки 1224 расположен вблизи дна емкости 1214 для индукции подачи под действием силы тяжести технологического потока 1216 (например, суспензии) из емкости 1214 в направлении входного канала второго насоса 1230, который перекачивает технологический поток 1216 (например, суспензию) в направлении подсистемы основной переработки.

Системы для обработки ультразвуком могут включать один путь течения (как описано выше) или несколько параллельных путей течения, каждый из которых ассоциирован с индивидуальными элементами для обработки ультразвуком. Множественные элементы для обработки ультразвуком также могут быть расположены последовательно для увеличения энергии облучения, применяемой к суспензии.

Основная переработка

Перед ферментацией вакуумный фильтр с вращающимся барабаном удаляет из суспензии твердые частицы. Жидкость из фильтра выкачивают в охлажденном состоянии перед поступлением в ферментеры. Отфильтрованные твердые частицы проходят через подсистему последующей переработки для дальнейшей переработки.

Емкости для ферментации представляют собой большие емкости из нержавеющей стали, под низким давлением, с коническим дном и медленными мешалками. Несколько емкостей для первой стадии ферментации могут быть расположены последовательно. Температуру в емкостях для первой стадии ферментации регулируют до 30 градусов Цельсия с использованием внешних теплообменников. Дрожжи добавляют к емкости для первой стадии ферментации в начале каждой серии емкостей, и они проходят через другие последовательно расположенные емкости.

Вторая стадия ферментации состоит из двух последовательных непрерывных ферментеров. Оба ферментера постоянно перемешивают медленными механическими мешалками. Температуру контролируют охлажденной водой во внутренних теплообменниках при постоянной рециркуляции. Рециркуляционные насосы представляют собой насосы с перемещающимися полостями, поскольку концентрация твердых частиц является высокой.

Отходящие газы из емкостей для ферментации и ферментеров перед выходом в атмосферу объединяют и промывают в колонке со встречным потоков воды. Отходящие газы промывают для выделения этанола, а не для контроля выброса в атмосферу.

Последующая переработка

Дистилляция

Дистилляцию и адсорбцию на молекулярные сита используют для извлечения этанола из сырой ферментационной бражки и получения 99,5% этанола. Дистиляцию проводят в двух колоннах - первая, называемая бражной колонной, удаляет растворенный CO₂ и большую часть воды, а вторая концентрирует этанол практически до азеотропной смеси.

Всю воду из практически азеотропной смеси удаляют адсорбцией на парофазные молекулярные сита. Регенерация адсорбционных колонн требует, чтобы смесь этанол-вода рециркулировала на дистилляцию для выделения.

Отходящие при ферментации газы (содержащие, главным образом CO₂, но также немного этанола), а также отходящий из бражной колонны газ очищают в водяном скруббере, извлекающем практически весь этанол. Выходящий из скруббера газ подают в первую колонну для дистилляции вместе с ферментационной бражкой.

Осадок после первой дистилляции содержит все неконвертированные нерастворимые и растворенные твердые вещества. Нерастворимые твердые вещества обезвоживают фильтром, работающим под давлением, и отправляют в камеру сгорания. Жидкость из фильтра, работающего под давлением, которую не используют повторно, концентрируют в многокорпусном испарителе с использованием сбросного тепла от дистилляции. Концентрированный сироп из испарителя смешивают с твердыми веществами, отправляемыми в камеру сгорания, и конденсат испарителя используют в качестве относительно чистой оборотной воды для переработки.

Поскольку количество воды для дистилляции, которая может рециркулировать, ограничено, в процесс включен испаритель. Общее количество воды из фильтра, работающего под давлением, которая прямо рециркулирует, установлено на 25%. В этом потоке находятся органические соли, такие как ацетат или лактат аммония, накопленные компоненты жидкости, не утилизируемые организмом, или неорганические соединения в биомассе. Рециркуляция слишком большого количества этого материала может приводить к уровням ионной силы и осмотического давления, которые могут быть вредоносными для эффективности ферментирующего организма. Для воды, которая не рециркулирует, испаритель концентрирует растворенные твердые вещества в сироп, который может быть отправлен в камеру сгорания, минимизируя нагрузку при обработке отработанной воды.

Обработка отработанной воды

Отделение обработки отработанной воды обрабатывает технологическую воду для повторного применения для снижения потребностей установки в добавочной воде. Отработанную воду сначала просеивают для удаления крупных частиц, которые собираются в мусорный контейнер и отправляются на мусорную свалку. После просеивания проводят анаэробное расщепление и аэробное расщепление для расщепления органического материала в потоке. Анаэробное расщепление приводит к потоку биогаза, богатому метаном, который подается в камеру сгорания. Аэробное расщепление приводит к относительно чистому потоку воды для повторного применения в процессе, а также к отстою, который, главным образом, состоит из клеточной массы. Отстой также сгорает в камере сгорания. Эта схема просеивания/анаэробного расщепления/аэробного расщепления является стандартной в современной промышленности по производству этанола и оборудование в диапазоне 1-5 миллионов галлонов в сутки, может быть получено от поставщиков в качестве "готовых" единиц.

Камера сгорания, паровой котел и турбогенератор

Назначением системы камеры сгорания, котла и турбогенератора является сжигание различных потоков побочных продуктов для генерирования пара и электричества. Например, некоторая часть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы остается неконвертированной в ходе предварительной обработки и основных процессов. Большая часть отработанной воды из процесса концентрируется в сироп с высоким содержанием растворимых твердых веществ. Анаэробное расщепление оставшейся отработанной воды приводит к образованию биогаза с высоким содержанием метана. Аэробное расщепление приводит к небольшому количеству сбросной биомассы (отстоя). Сжигание этих потоков побочных продуктов для генерирования пара и электричества позволяет установке быть автономной с точки зрения энергии, снижает стоимость утилизации твердых отходов и обеспечивает дополнительную прибыль посредством продаж избыточного электричества.

Три потока первичного топлива (твердые вещества после дистилляции, биогаз и сироп испарителя) подают в камеру сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Небольшое количество сбросной биомассы (отстоя) после обработки отработанной воды также отправляют в камеру сгорания. Вентилятор подает воздух в камеру сгорания. Обработанная вода попадает в контур теплообменника в камере сгорания и выпаривается и подвергается избыточному нагреванию до пара при 510°C (950°F) и 86 атм. (1265 фунт/кв. дюйм абс. (8,7 МПа)). Печные газы из камеры сгорания предварительно нагревают входящий в камеру сгорания воздух, а затем проникают в тканевый фильтр для удаления частиц, которые отправляют на мусорную свалку. Газ выходит через дымовую трубу.

Для генерирования электричества используют многоступенчатую турбину. Из турбины выходит пар в трех различных состояниях для инжекции в реактор для предварительной обработки и теплообмена при дистилляции и выпаривании. Остальной пар конденсируют охлаждающей водой и возвращают в систему воды питания котла вместе с конденсатом из различных теплообменников в процессе. В качестве добавочной воды для замены потока, используемого в прямой инжекции, используют воду из скважины.

Пример 21 - Получение корма для животных из проса

Стапель проса массой 1500 фунтов (680 кг) приобретают на ферме и транспортируют в место переработки. Материал подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Требуемые количества гранул в сутки скармливают корове.

Пример 22 - Получение корма для животных из проса

Стапель проса массой 1500 фунтов (680 кг) приобретают на ферме и транспортируют в место переработки. Материал подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Таблица 10 Параметры Rhodotron® TT 200 Пучок Генерируемый пучок: Ускоренные электроны Энергия пучка: Номинал (максимум): 10 МэВ (+0 кэВ - 250 кэВ) Рассеивание энергии при 10 МэВ Полная ширина на уровне полумаксимума (FWHM) 300 кэВ Мощность пучка при 10 МэВ Гарантированный рабочий диапазон от 1 до 80 кВт Потребление энергии Состояние готовности (вакуум и охлаждающий ON): <15 кВт При мощности пучка 50 кВт: <210 кВт При мощности пучка 80 кВт: <260 кВт Система RF Частота: 107,5 ± 1 МГц Тип тетрода: Thomson TH781 Сканирующий рупор Номинальная длина сканирования (измеренная при 25-35 см от окна): Диапазон сканирования: От 30% до 100% от номинальной длины сканирования

Номинальная частота сканирования (при максимальной длине сканирования) 100 Гц ± 5% Единообразие сканирования (на протяжении 90% номинальной длины сканирования) ±5%

Таблица 11 Дозировки, доставляемые образцам Общая дозировка (Мрад) 1 3 5 7 10 15 20 30 50 70 100

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 23 - Получение корма для животных из люцерны

Стапель люцерны массой 1500 фунтов (680 кг) приобретают на ферме и транспортируют в место переработки. Материал подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 24 - Получение корма для животных из проса

Стапель люцерны массой 1500 фунтов (680 кг) приобретают на ферме и транспортируют в место переработки. Материал подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 25 - Получение корма для животных из бумаги

Стапель бумаги массой 1500 фунтов (680 кг) складывают до плоского состояния и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 26 - Получение корма для животных из проса

Стапель бумаги массой 1500 фунтов (680 кг) складывают до плоского состояния и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 27 - Получение корма для животных из травы

Стапель травы массой 1500 фунтов (680 кг) подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 28 - Получение корма для животных из травы

Стапель травы массой 1500 фунтов (680 кг) подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 29 - Получение корма для животных из пшеничной соломы

Стапель пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 30 - Получение корма для животных из пшеничной соломы

Стапель пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 31 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) по отдельности подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 32 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) по отдельности подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 33 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) смешивают и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 34 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) смешивают и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Эти переработанные образцы уплотняют с образованием гранул, пригодных для употребления коровами и другим домашним скотом. Гранулы распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 35 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) смешивают и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Переработанные образцы комбинируют с сухой бардой (DDG) с получением смеси, пригодной для употребления коровами и другим домашним скотом. Эти смеси распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 36 - Получение корма для животных из биомассы

Стапели проса, люцерны, бумаги, травы и пшеничной соломы массой 1500 фунтов (680 кг) смешивают и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Образцы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Переработанные образцы комбинируют с сухой бардой (DDG) с получением смеси, пригодной для употребления коровами и другим домашним скотом. Эти смеси распространяют на фермах и хранят в силосах для хранения. Эти гранулы скармливают коровам и другому домашнему скоту.

Пример 37 - Автономное сельское хозяйство

Фермер собирает урожай проса и отправляет его на переработку на обрабатывающую установку. Просо перерабатывается, как описано в примере 21. Переработанный материал поставляют фермеру в форме гранул, которые скармливают принадлежащим его коровам и другому скоту.

Пример 38 - Автономное сельское хозяйство

Фермер собирает урожай проса и отправляет его на переработку на обрабатывающую установку. Просо перерабатывается, как описано в примере 22. Переработанный материал поставляют фермеру в форме гранул, которые скармливают принадлежащим его коровам и другому скоту.

Пример 39 - Автономное сельское хозяйство

Фермер собирает урожай проса и перерабатывает его с использованием оборудования, расположенного на ферме. Просо перерабатывается, как описано в примере 21. Переработанный материал поставляют фермеру в форме гранул, которые скармливают принадлежащим его коровам и другому скоту.

Пример 40 - Автономное сельское хозяйство

Фермер собирает урожай проса и перерабатывает его с использованием оборудования, расположенного на ферме. Просо перерабатывается, как описано в примере 22. Переработанный материал поставляют фермеру в форме гранул, которые скармливают принадлежащим его коровам и другому скоту.

Пример 41 - Ферментация во вращающейся колбе с использованием Pichia stipitis

Краткое изложение

Ферментацию во вращающейся колбе с использованием различных ферментов и Pichia stipitis проводили с применением физической обработки.

Протокол

Эксперименты проводили согласно параметрам, приведенным в таблице 13.

Получение посевного материала

Рабочий банк клеток P. stipitis NRRL Y-7124 получают из регидратированной лиофилизированной культуры, полученной от ARS Culture Collection. Криофлаконы, содержащие культуру P. stipitis в 15% об./об. глицерине, хранят при -75°C. Часть размороженного материала банка клеток наносят штрихами на бульон для дрожжей и плесени (YM) + 20 г/л агар (pH 5,0) и инкубируют при 30°C в течение 2 суток. Чашки выдерживают в течение 2 суток при 4°C перед применением.

В колбу Эрленмейера объемом 250 мл, содержащую 100 мл среды (40 г/л глюкозы, 1,7 г/л азотистого основания дрожжей, 2,27 г/л мочевины, 6,56 г/л пептона, 40 г/л ксилозы, pH 5,0), инокулируют одну колонию и ее инкубируют в течение 24 часов при 25°C и 150 об./мин. После роста в течение 23 часов отбирают образцы и анализируют их в отношении оптической плотности (600 нм в УФ-спектрофотометре) и чистоты (краситель Грама). Исходя из этих результатов, две посевные колбы, каждая из которых имеет оптическую плотность (OD) от 4 до 8, объединяют для инокуляции всех колб для выращивания.

Иллюстративные эксперименты

Эксперименты проводят для 1) определения точной мощности устройства для обработки ультразвуком и регулирования температуры (ниже 60°C) и 2) подтверждения концентрации Celluclast 1.5 FG и Novozyme 188 с Pluronic F-68 и без него.

Пятьсот миллилитров воды добавляют в аналитический стакан объемом 1 л. Рупор устройства для облучения Branson Model 450 Sonifier помещают на 1/2 дюйма (1,25 см) в стакан и устанавливают на максимальную постоянную мощность на 60 минут. Температуру воды измеряют каждые 10 минут в течение 60 минут обработки ультразвуком.

Эксперимент проводят для определения того: 1) является ли концентрация Celluclast 1.5 FG и Novozyme 188 (0,5 мл и 0,1 мл на грамм биомассы, соответственно) достаточной для экспериментов с вращающимися колбами, и 2) усиливает ли добавление Pluronic F68 гидролиз целлюлозы. Приготавливают четыре 250-мл колбы со 100 мл стерильного бульона (1,7 г/л азотистых оснований дрожжей, 2,27 г/л мочевины, 6,56 г/л пептона, pH 5,0). Дублированные колбы содержат 1% масс./об. Pluronic F-68. В колбы добавляют кристаллическую целлюлозу Solka Floс (6 г) и позволяют пропитаться при комнатной температуре в течение 14 часов. Добавляют Celluclast 1.5 FG и Novozyme 188 (0,5 мл и 0,1 мл на грамм Solka Floс, соответственно) и каждую колбу инкубируют при 50°C в течение 24 часов при 100 об./мин. Взятие образцов из всех четырех колб проводят перед добавлением фермента и через 24 часа после добавления фермента и их анализируют в отношении концентрации глюкозы с использованием анализатора YSI Biochem (YSI, Interscience). Один миллилитр содержимого посевной колбы с Pichia stipitis добавляют к четырем колбам и их инкубировали при 25°C и 125 об./мин в течение 24 часов. Взятие образцов проводят из каждой колбы перед инокуляцией и после инкубации в течение 24 часов и их анализируют в отношении концентрации этанола с использованием анализатора YSI Biochem (YSI, Interscience).

Тестируемые колбы

Тестируемые колбы представляют собой 2,8-л колбы Фернбаха, в которых содержалось 900 мл бульона (1,7 г/л азотистых оснований дрожжей, 2,27 г/л мочевины, 6,56 г/л пептона, pH 5,0). Контрольные колбы представляют собой 250-мл колбы, содержащие 100 мл бульона (40 г/л глюкозы, 1,7 г/л азотистых оснований дрожжей, 2,27 г/л мочевины, 6,56 г/л пептона, 40 г/л ксилозы, pH 5,0). Точные характеристики каждой колбы определяют в Xyleco, и они описаны в таблице 80, ниже.

Образцы не стерилизуют перед началом эксперимента. Все образцы добавляют в колбы и им позволяют пропитываться в течение 15 часов при комнатной температуре. Некоторые из образцов обрабатывают ультразвуком в течение одного часа с использованием устройства для обработки ультразвуком Branson Model 450 Sonifier, оборудованного дезинтегрирующим рупором размером 1/2 дюйма (1,25 см). Первоначально планировалось разделить содержимое колб на две части, и каждую половину обрабатывать ультразвуком непрерывно при максимальной мощности оборудования вплоть до 450 ватт (допустимая мощность зависит от вязкости образца) в течение 1 часа. Параметр мощности 3 и коэффициент использования импульса 90% были достаточными для смешивания содержимого стакана. При параметре мощности 3 показания счетчика составляют от 30 до 40. Вычисленная мощность составляет 40-60 ватт.

Исходно планировалось перемешивать несколько образцов (см. таблицу 80) в течение различных периодов времени с использованием лабораторного гомогенизатора POLYTRON PT 10/35 (или ротора/статора) при 25000 об./мин в течение различных периодов времени. Образцы #22 и #23 разделяют на два стакана и обрабатывают в течение 30 минут с использованием большого Kinematica Polytron PT 10/35. Генератор (наконечник) представляет собой PTA 20 с диаметром статора 20 мм. Устройство работает со скоростью 11000 об./мин. Работа при выше 11000 об./мин приводит к разбрызгиванию содержимого стакана, смещению стакана и чрезмерному нагреванию оборудования. После образцов #23 и #24 Polytron PT 10/35 прекратил работать, предположительно вследствие чрезмерного использования с довольно вязкими образцами. Таким образом, использут портативный Polytron PT1200C. Генератор (наконечник) представляет собой PT-DA 1212 с диаметром статора 12 мм. Устройство могло работать при 25000 об./мин. Оператор заметил, что на портативном устройстве при 25000 об./мин наблюдали сходную степень перемешивания по сравнению с более крупной моделью при 11000 об./мин. Оператор периодически перемешивает образец для обеспечения равномерного перемешивания. Образцы с 19 по 22 перемешивают с помощью портативного Polytron PT 1200C.

Ферментативная предварительная обработка включает: 1) ферментный комплекс E1 = Accellerase® 1000 при плотности загрузки 0,25 мл на грамм субстрата и 2) E2 = Celluclast 1.5 FG и Novozyme 188 при концентрации загрузки 0,5 и 0,1 мл на грамм субстрата, соответственно. После физической предварительной обработки (см. таблицу 80, ниже) добавляют соответствующий фермент(ы) и колбы выдерживают при 50°C и 125 об./мин в течение 20 часов. После 20 часов колбы охлаждают до комнатной температуры в течение 1 часа перед добавлением P. stipitis.

Анализ

Образец отбирают из каждой колбы после физической и/или ферментативной предварительной обработки (непосредственно перед добавлением P. stipitis) и анализируют их в отношении концентрации глюкозы с использованием анализатора YSI Biochem (YSI, Interscience). Образцы центрифугируют при 14000 об./мин в течение 20 минут и супернатант хранят при -20°C. Перед анализом образцы разбавляют до уровня глюкозы 0-25,0 г/л. Стандарт глюкозы анализируют приблизительно после каждых 30 образцов, чтобы убедиться в сохранении целостности мембраны.

Из каждой колбы отбирают всего пять образцов через 0, 12, 24, 48 и 72 часов и анализируют их в отношении концентрации этанола с использованием анализатора YSI Biochem на основе анализа алкогольдегидрогеназы (YSI, Interscience). Образцы центрифугируют при 14000 об./мин в течение 20 минут и супернатант хранят при -20°C, а перед анализом разбавляют до концентрации этанола 0-3 г/л. Стандарт в виде этанола в концентрации 20 г/л анализируют приблизительно после каждых 30 образцов для того, чтобы убедиться в том, что целостность мембраны сохранялась на протяжении анализа.

Образец посевной колбы анализируют для определения исходной концентрации клеток в тестируемых колбах. Кроме того, из каждой колбы после инкубации в течение 72 часов отбирают по одному образцу и анализируют их в отношении концентрации клеток. Пригодным образом разбавленные образцы смешивают с 0,05% трипановым синим и наносят в гемоцитометр Neubauer. Клетки подсчитывают при увеличении 40X.

Результаты

Эксперименты

Результаты эксперимента с устройством для обработки ультразвуком представлены в таблице 81. Не было проблем с чрезмерным нагреванием воды.

Таблица 15 Эксперимент с устройством для обработки ультразвуком Время Температура (ºС) 0 18 10 18 20 19 30 19 40 19 50 19 60 19

Результаты эксперимента по подтверждению концентрации Celluclast 1.5 FG и Novozyme 188 с Pluronic F-68 и без него представлены в таблицах 82 и 83. В каждую колбу добавляют целлюлозу в концентрации 60 г/л (Solka Floс). После инкубации в течение 24 часов получают от 33,7 до 35,7 г/л глюкозы (от 30,3 до 32,1 г/л расщепленной целлюлозы).

После инкубации в течение 24 часов с P. stipitis в колбах оставалось 23,2-25,7 г/л глюкозы. Это указывает на то, что не вся глюкоза была использована при инкубации в течение 24 часов.

Не было данных о токсичности Pluronic F-68 в отношении P. stipitis. Однако не было увеличения количества глюкозы после обработки ферментом в течение 24 часов при добавлении Pluronic F-68.

В ходе первой недели тестирования посевная колба имеет оптическую плотность (600 нм) 9,74 и концентрацию клеток 4,21×10⁸ клеток/мл. Девять мл материала посевной колбы добавляют в каждую из тестируемых колб и 1 мл добавляют в контрольные колбы (1% об./об.). Таким образом, исходная концентрация клеток в каждой колбе составляет 4,21×10⁶/мл.

В ходе второй недели тестирования посевная колба имеет оптическую плотность (600 нм) 3,02 и концентрацию клеток 2,85×10⁸ клеток/мл. Для того чтобы учесть различия в количествах клеток и OD, 12 мл материала посевной колбы добавляют в каждую из тестируемых колб и 1,5 мл добавляют в контрольные колбы (1,5% об./об.). Таким образом, начальная концентрация клеток в каждой колбе составляет 3,80×10⁶/мл.

Концентрация этанола в колбах представлена в таблице 84. Наиболее высокую концентрацию этанола наблюдают в колбе #6 (Образец XP, пропитывание в течение ночи, обработка E2 при 50°C в течение 21 часа). Полученная в течение 48 часов концентрация из исходных 35 граммов составляет 19,5 г/л (17,55 г/на колбу). Выход этанола (граммы этанола/граммы субстрата) в колбе #6 составляет 0,50.

Результаты анализа глюкозы представлены в таблице 85. После обработки ферментом в течение 21 часов наиболее высокая концентрация глюкозы составляет 19,6 г/л (17,6 грамм на колбу) в колбе #6 (образец XP, пропитывание в течение ночи, обработка E2 при 50°C в течение 21 часа). Эта колба также представляет собой колбу с наиболее высокой концентрацией этанола (см. таблицу 84). Через 72 часа в колбах оставалось очень небольшое количество глюкозы. Не было выявлено глюкозы в колбах 1 и 2.

Результаты прямого подсчета клеток представлены в таблице 86. Концентрация жизнеспособных клеток была выше, чем в контрольных колбах. Наиболее низкие количества клеток наблюдают в колбах 1-4.

Пример 42 - Получение продуктов биоконверсии из биомассы

Стапель биомассы массой 1500 фунтов (680 кг) подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подают в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Материалы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Переработанные материалы распределяют в настольные стерилизуемые ферментеры New Brunswick Scientific в форме жидкой среды, которую изготавливают для поддержания роста, размножения и/или активности микроорганизма, выбранного вследствие его способности продуцировать требуемый продукт биоконверсии. Различные концентрации переработанных материалов добавляют в комбинации с различными количествами других вспомогательных материалов, которые обычно являются необходимыми для роста, размножения и/или активности выбранных микроорганизмов. Также в среду добавляют источник азота. Концентрацию или количество переработанных материалов и каждого из вспомогательных материалов (включая источник азота) записывают на лабораторном ноутбуке или на компьютерном жестком диске.

Стартовую культуру выбранного микроорганизма добавляют в каждый из различных культуральных растворов в ферментерах. Каждый из инокулированных культуральных растворов инкубируют при температуре от приблизительно 15°C до приблизительно 40°C в течение от 4 до 48 часов в аэробных или анаэробных условиях. После культивирования микроорганизмы и супернатанты клеток собирают и необязательно разделяют с использованием центрифугирования. Затем образцы либо замораживают для хранения, либо оценивают для определения уровня биоконверсии продукта в клетках или супернатанте. Результаты записывают, и эксперименты повторяют до получения максимального выхода продукта биоконверсии. Культуральный раствор и условия, использованные для получения этого максимального выхода, масштабируют для применения в крупномасштабной ферментации.

Пример 43 - Крупномасштабное получение продуктов биоконверсии из биомассы

Стапель биомассы массой 1500 фунтов (680 кг) смешивают и подают в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства материал для измельчения напоминает конфетти с шириной от 0,1 дюйма (0,25 см) до 0,5 дюйма (1,3 см), длиной от 0,25 дюйма (0,6 см) до 1 дюйма (2,5 см) и толщиной, эквивалентной толщине исходного материала. Похожий на конфетти материал подается в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имеет отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливают приблизительно на 0,020 дюйма (0,05 см). Резательное устройство с вращающимся ножом дробит похожие на конфетти фрагменты остриями лезвия, разрывая фрагменты и высвобождая волокнистый материал со скоростью приблизительно один фунт в час (454 грамм в час). Средняя длина волокон составляет 1,063 мм, и средняя ширина волокон составляет 0,0245 мм, давая среднее L/D 43:1.

Материалы обрабатывают пучком электронов с использованием находящегося в хранилище ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 10 описаны использованные параметры. В таблице 11 описана номинальная использованная доза.

Переработанные материалы используют для получения культурального раствора, определенного в примере 42. Выбранный микроорганизм и культуральный раствор комбинируют в ферментере с фиксированным объемом с подпиткой большого объема и поддерживают с использованием условий и в течение периода времени, определенных в примере 42. Концентрированный культуральный раствор, содержащий переработанные материалы, добавляют при необходимости в ферментер. Кроме того, продукт биоконверсии и микроорганизмы удаляют из ферментера и перерабатывают для хранения или применения.

Пример 44 - Крупномасштабное получение продуктов биоконверсии из биомассы с использованием отходов животноводства в качестве источника азота

Продукты биоконверсии получают, как описано в примере 43, с использованием отходов животноводства в качестве источника азота. Перед применением отходы животноводства стерилизуют с использованием стерилизации фильтрацией или паром и высоким давлением. Перед добавлением в культуральный раствор стерилизованные отходы животноводства сушат.

Пример 45 - Крупномасштабное получение Fusarium venenatum (ATCC 20334) из биомассы

Fusarium venenatum культивируют с использованием способа, описанного в примере 43. Собранные F. venenatum комбинируют с регидратированным яичным белком, луковицами, текстурированным пшеничным белком (пшеничный белок, пшеничный крахмал) и маслом канолы и перерабатывают для применения в качестве корма для человека.

ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Описан ряд вариантов осуществления изобретения. Тем не менее, понятно, что можно проводить различные модификации без отклонения от сущности и объема изобретения.

В некоторых вариантах осуществления относительно низкие дозы радиационного излучения, необязательно в комбинации со звуковой энергией, например, с ультразвуковой энергией, применяют для поперечного сшивания, прививки или иного увеличения молекулярной массы природного или синтетического углеводсодержащего материала, такого как любой из материалов в любой форме (например, волокнистой форме), описанных в настоящем описании, например, раздробленных или нераздробленных целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, таких как целлюлоза. Поперечное сшивание, прививку или иное увеличение молекулярной массы природного или синтетического углеводсодержащего материала можно проводить контролируемым или предопределенным образом путем выбора типа или типов используемого радиационного излучения (например, e-пучок и ультрафиолетовое излучение или e-пучок и гамма-излучение) и/или дозы или количества доз применяемого радиационного излучения.

Например, волокнистый материал, который включает первый целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, имеющий первую молекулярную массу, можно облучать так, чтобы получить второй целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, имеющий вторую молекулярную массу, превышающую первую молекулярную массу. Например, если в качества источника излучения используют гамма-излучение, можно использовать дозу от приблизительно 0,2 Мрад до приблизительно 10 Мрад, например, от приблизительно 0,5 Мрад до приблизительно 7,5 Мрад, или от приблизительно 2,0 Мрад до приблизительно 5,0 Мрад. Если используют облучение e-пучком, можно использовать меньшую дозу (относительно гамма-излучения), такую как доза от приблизительно 0,1 Мрад до приблизительно 5 Мрад, например, от приблизительно 0,2 Мрад до приблизительно 3 Мрад, или от приблизительно 0,25 Мрад до приблизительно 2,5 Мрад.

К волокнистым материалам, уплотненным волокнистым материалам или к любым другим материалам и композитам, описанным в настоящем описании, можно добавлять одну из представленных ниже добавок. Можно добавлять добавки, например, в форме твердого вещества, жидкости или газа. Добавки включают наполнители, такие как карбонат кальция, диоксид кремния и тальк; неорганические ингибиторы горения, такие как тригидрат оксида алюминия или гидроксид магния; органические ингибиторы горения, такие как хлорированные и бромированные органические соединения. Другие добавки включают лигнин, отдушки, средства, улучшающие совместимость, технологические добавки, антиоксиданты, замутнители, термостабилизаторы, красители, пенообразующие вещества, полимеры, например, деградируемые полимеры, фотостабилизаторы, биоциды и антистатические средства, например, стеараты или этоксилированные амины жирных кислот. Пригодные антистатические соединения включают проводящие углистые вещества, углеродное волокно, металлические наполнители, катионные соединения, например, четвертичные соединения аммония, например, хлорид N-(3-хлор-2-гидроксипропил)триметиламмония, алканоламиды и амины. Иллюстративные деградируемые полимеры включают полигидроксикислоты, например, полилактиды, полигликолиды и сополимеры молочной кислоты и гликолевой кислоты, поли(гидроксимасляную кислоту), поли(гидроксивалериановую кислоту), сополимер лактида и e-капролактона, сополимер гликолида и e-капролактона, поликарбонаты, поли(аминокислоты), поли(гидроксиалканоат)ы, полиангидриды, сложные полиортоэфиры и смеси этих полимеров.

Когда описанные добавки включены, они могут присутствовать в количествах, вычисленных в расчете на сухую массу, составляющих от менее 1% вплоть до 80% в расчете на общую массу волокнистого материала. Более конкретно, количества находятся в диапазоне от приблизительно 0,5 масс.% до приблизительно 50 масс.%, например, 5%, 10%, 20%, 30% или более, например, 40%.

Любые добавки, описанные в настоящем описании, могут быть инкапсулированными, например, высушенными распылительной сушкой, или микроинкапсулированными, например, для защиты добавок от нагревания или влажности в процессе хранения.

Волокнистые материалы, уплотненные волокнистые материалы, смолы или добавки можно окрашивать. Например, волокнистый материал можно окрашивать до комбинирования со смолой и смешивания с получением композитов. В некоторых вариантах осуществления это окрашивание может быть полезно при маскировании или скрывании волокнистого материала, особенно крупных агломератов волокнистого материала, в подвергнутых формованию или экструзии частях, когда это желательно. Такие крупные агломераты, когда они присутствуют в относительно высоких концентрациях, могут выглядеть как крупинки на поверхностях, подвергнутых формованию или экструзии частей.

Например, желаемый волокнистый материал можно окрашивать с использованием кислотного красителя, прямого красителя или реактивного красителя. Такие красители доступны от Spectra Dyes, Kearny, NJ или Keystone Aniline Corporation, Chicago, IL. Конкретные примеры красителей включают SPECTRA™ LIGHT YELLOW 2G, SPECTRACID™ YELLOW 4GL CONC 200, SPECTRANYL™ RODAMINE 8, SPECTRANYL™ NEUTRAL RED B, SPECTRAMINE™ BENZOPERPURINE, SPECTRADIAZO™ BLACK OB, SPECTRAMINE™ TURQUOISE G и SPECTRAMINE™ GREY LVL 200%, каждый из которых доступен от Spectra Dyes.

В некоторых вариантах осуществления с красителями смешивают концентраты красителей в смолах, содержащих пигменты. Когда такие смеси затем смешивают с желательным количеством волокнистого материала, волокнистый материал может окрашиваться in situ в процессе перемешивания. Концентраты красителей доступны от Clariant.

Может быть преимущественным добавление в волокнистый материал, уплотненный волокнистый материал или композиты ароматизатора или отдушки.

Передвижная переработка биомассы

Описаны стационарные установки для переработки биомассы. Однако, в зависимости от источника сырья биомассы и продуктов, продуцируемых из него, может быть преимущественной переработка биомассы в передвижных установках, которые могут быть расположены вблизи источника сырья и/или вблизи рынков сбыта продуктов, получаемых из сырья. В качестве примера, в некоторых вариантах осуществления, в качестве сырья биомассы используют различные травы, такие как просо. Транспортировка больших объемов проса из областей, где оно растет, на перерабатывающие установки на расстоянии сотен или даже тысяч миль может быть как энергетически расточительной, так экономически дорогостоящей (например, стоимость транспортировки сырья на поезде оценивается от $3,00 до $6,00 за тонну на 500 миль). Более того, некоторые из продуктов переработки сырья проса могут быть пригодны для рынков в областях, где выращивают сырье биомассы (например, корм для жвачных животных). Так же, транспортировка корма для жвачных животных на сотни или даже тысячи миль на рынок не может быть экономически целесообразной.

Таким образом, в некоторых вариантах осуществления системы для переработки, описанные в настоящем описании, осуществлены в качестве передвижных переналаживаемых установок по переработке. Один из вариантов осуществления такой передвижной установки показан на ФИГ. 63. Установка по переработке 8000 включает пять транспортных грузовых автомобилей 8002, 8004, 8006, 8008 и 8010 (хотя на ФИГ. 63 показано пять грузовых автомобилей, как правило, можно использовать любое количество грузовых автомобилей). Грузовой автомобиль 8002 включает источник воды и системы переработки и системы электрического питания для других грузовых автомобилей. Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 адаптированы для параллельной переработки сырья биомассы.

Грузовой автомобиль 8002 включает входное отверстие 8012 для источника воды для получения воды из постоянного источника (такого как водопроводная сеть) или емкости (например, емкости на другом грузовом автомобиле, или емкости или другом резервуаре, расположенном в области переработки). Технологическая вода циркулирует в каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 через водопроводные трубы 8020 для водоснабжения. Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает часть водопроводной трубы 8020. Когда грузовики располагаются рядом друг с другом, организуя передвижную установку для переработки, части водопроводный трубы 8020 соединяются, образуя непрерывный водопровод для транспортировки воды. Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает входное отверстие для воды 8022 для снабжения технологической водой, и выходное отверстие для воды 8024 для удаления технологической воды. Выходные отверстия для воды 8024 в каждом из грузовиков 8004, 8006, 8008 и 8010 ведут во фрагментированный непрерывный водопровод 8026 для сброса воды, который аналогичным образом соединен в непрерывный водопровод, когда грузовые автомобили располагаются рядом. Отработанная технологическая вода циркулирует в устройство для переработки воды 8028 в грузовом автомобиле 8002, которое обрабатывает воду для удаления вредных материалов отходов, а затем осуществляет рециркуляцию обработанной воды через водопроводную трубу 8030 обратно в подающую водопроводную трубу 8020. Сбросные материалы, удаленные из использованной технологической воды, могут быть выброшены за пределами данной территории, или они могут храниться (например, в другом грузовом автомобиле, не показано) и транспортироваться в складское сооружение.

Грузовой автомобиль 8002 также включает станцию снабжения электричеством 8016, которая обеспечивает электрическое питание каждого из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010. Станция электрического питания 8016 может быть соединена с внешним источником питания через соединение 8014. Альтернативно или дополнительно, станция электрического питания может быть адаптирована для генерирования энергии (например, путем сжигания источника топлива). Электрическая энергия подается в каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 через электрический питающий кабель 8040. Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает терминал электрического питания 8018, с которым соединены устройства на грузовом автомобиле, требующие электрического питания.

Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает входное отверстие 8042 для сырья и выходное отверстие 8044 для отходов. Сырье биомассы поступает в каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 через входное отверстие 8042, где оно перерабатывается согласно способам, описанным в настоящем описании. После переработки материал отходов удаляется через выходное отверстие 8044. Альтернативно, в некоторых вариантах осуществления, каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 может быть соединен с общим входным отверстием для сырья (например, расположенным в грузовом автомобиле 8002), и каждый грузовой автомобиль может сбрасывать материал отходов через общее выходное отверстие (например, также расположенное в грузовом автомобиле 8002).

Каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 может включать различные типы перерабатывающих модулей; например, на конфигурации, представленной на ФИГ. 63, каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает ускоритель ионов 8032 (например, горизонтальный тандемный изогнутый ускоритель на базе пелетрона), станцию нагревания/пиролиза 8034, модуль для влажной химической переработки 8036 и модуль для биологической переработки 8038. Как правило, каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 может включать любую из систем переработки, описанных в настоящем описании. В определенных вариантах осуществления каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 включает одинаковые системы переработки. Однако в некоторых вариантах осуществления один или несколько грузовых автомобилей могут иметь различные системы переработки.

Кроме того, некоторые или все грузовые автомобили могут иметь определенные встроенные системы переработки, которые не используются, в зависимости природы исходного материала. Как правило, компоновка различных встроенных систем переработки на каждом из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 является переналаживаемой согласно типу перерабатываемого материала.

Установка для переработки 8000 является иллюстративной установкой для параллельной переработки; каждый из грузовых автомобилей 8004, 8006, 8008 и 8010 перерабатывает сырье биомассы параллельно. В определенных вариантах осуществления передвижные установки по переработке осуществлены в качестве установок по последовательной переработке. Один из вариантов осуществления последовательной передвижной установки по переработке 8500 представлен на ФИГ. 64. Установка по переработке 8500 включает три железнодорожных вагона 8502, 8504 и 8506 (как правило, можно использовать любое количество железнодорожных вагонов), каждый из которых адаптирован для проведения одной или нескольких стадий переработки во всем процессе переработки биомассы. Железнодорожный вагон 8502 включает входное отверстие для сырья для подачи сырья из хранилища (например, здания хранилища или другого железнодорожного вагона). Сырье транспортируется с одного перерабатывающего модуля на другой, среди трех железнодорожных вагонов через непрерывную конвейерную систему. Железнодорожный вагон 8502 также включает станцию электрического питания 8514 для снабжения электрическим питанием каждого из железнодорожных вагонов 8502, 8504 и 8506.

Железнодорожный вагон 8502 включает устройство для грубой механической переработки 8516 и устройство для тонкой механической переработки 8518 для конвертирования исходного сырья в тонкоизмельченный волокнистый материал. Третье устройство для механической переработки 8520 раскатывает волокнистый материал в плоский непрерывный пласт. Затем пласт волокнистого материала транспортируется в ускоритель ионов 8522 на железнодорожном вагоне 8504, в котором волокнистый материал подвергается действию пучка ионов. После обработки пучком ионов волокнистый материал транспортируется в низкоэнергетический ускоритель электронов 8524.

Затем волокнистый материал транспортируется в модуль химической переработки 8526 в железнодорожном вагоне 8506 для одной или нескольких стадий химической переработки. Железнодорожный вагон 8506 включает входное отверстие для технологической воды 8532, в которое подается технологическая вода из внешнего резервуара (например, емкости или другого железнодорожного вагона).

После химической обработки в перерабатывающем модуле 8526, материал транспортируется в модуль для биологической переработки 8528 для запуска ферментации высвобожденных из материала сахаров. После завершения биологической переработки материал транспортируется в сепаратор 8530, который отводит полезные продукты в трубопровод 8510 и сбросные материалы в трубопровод 8512. Трубопровод 8510 может быть соединен с модулем хранения (например, автомобилем-цистерной или с внешней емкостью для хранения). Аналогично продукты отходов могут транспортироваться через трубопровод 8512 в модуль хранения, такой как автомобиль-цистерна и/или во внешнее сооружение для хранения. Сепаратор 8530 также осуществляет рециркуляцию чистой технологической воды для последующей доставки в модуль химической переработки 8536 и/или модуль биологической переработки 8528.

Как рассмотрено выше, установка для переработки 8500 является примером последовательной конфигурации передвижной установки для переработки; каждый из железнодорожных вагонов 8502, 8504 и 8506 включает отличающийся набор систем переработки; и технологический поток сырья из каждого вагона соединен со следующим вагоном последовательно для завершения последовательности переработки.

Как правило, для переработки сырья биомассы можно использовать множество различных конфигураций переработки. Установки для переработки, как на основе грузовых автомобилей, так и на основе поездов, могут быть адаптированы как для последовательной, так и для параллельной работы. Как правило, компоновка различных модулей переработки является переналаживаемой, и для конкретного сырья могут использоваться не все модули переработки. Когда конкретный модуль переработки не используется для конкретного сырья, модуль переработки может быть отведен от технологического потока. Альтернативно модуль переработки может оставаться в общем технологическом потоке, однако он может быть выключен, так что сырье проходит через выключенный модель быстро, без осуществления модификации.

Передвижные установки для переработки могут включать одно или несколько электронных устройств контроля, которые автоматизируют некоторые или все аспекты процесса переработки биомассы и/или порядок настройки передвижной установки. Например, электронное устройство контроля может быть адаптировано для получения входной информации о материале сырья, которое подлежит переработке, и может генерировать различную выходную информацию, включая предлагаемую конфигурацию передвижной установки для переработки, и/или величины для одного или нескольких параметров переработки, вовлеченных в процесс переработки биомассы, которые будут реализованы.

Хотя выше описана транспортировка на грузовом автомобиле, часть установки для переработки или вся установка для переработки может быть транспортирована любым другим способом, например, по железной дороге или на морском судне, например, корабле, барже, лодке, доке или плавающей платформе. Также транспортировку можно проводить с использованием более чем одного вида транспорта, например, с использованием контейнера, как на корабле, так и на тракторе с прицепом или поезде.

В некоторых вариантах осуществления способы, описанные в настоящем описании, можно осуществлять с использованием, например, угля (например, древесного угля).

Таким образом, другие варианты осуществления находятся в объеме представленной ниже формулы изобретения.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ получения корма для животных, обогащенного аминокислотами и производными аминокислот. Осуществляют обработку лигноцеллюлозного биомассового материала путем облучения пучком электронов дозой, составляющей от приблизительно 10 Мрад до 150 Мрад. Облучение снижает среднечисленную молекулярную массу биомассового материала от 200-320 кДа до менее чем 10 кДа. Осахаривают облученный биомассовый материал. Объединяют обработанный материал с микроорганизмом, который генетически модифицирован для сверхэкспрессии одной или нескольких аминокислот или производных аминокислот, с получением продукта. Уплотняют и высушивают продукт с получением корма для животных. Полученный пищевой материал имеет доступность питательных веществ по аминокислоте, превышающую доступность питательных веществ исходной биомассы. Такая переработанная биомасса легче гидролизуется в желудке животного. 7 з.п. ф-лы, 46 ил., 21 табл., 45 пр.

1. Способ получения корма для животных, обогащенного аминокислотами и производными аминокислот, включающий:

(a) обработку лигноцеллюлозного биомассового материала путем облучения пучком электронов дозой, составляющей от приблизительно 10 Мрад до 150 Мрад, где обработка путем облучения пучком электронов снижает среднечисленную молекулярную массу биомассового материала от приблизительно 200-320 кДа до менее чем приблизительно 10 кДа, и осахаривание облученного пучком электронов биомассового материала, и

(b) соединение обработанного материала с микроорганизмом, который был генетически модифицирован для сверхэкспрессии одной или нескольких аминокислот или производных аминокислот с получением продукта,

(c) уплотнение и высушивание продукта со стадии (b) с получением корма для животных.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение включает облучение биомассового материала с помощью более чем одного устройства, создающего пучок электронов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осахаривание включает обработку облученного пучком электронов биомассового материала целлюлолитическим ферментом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осахаривание включает химический гидролиз.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что биомассу выбирают из группы, состоящей из бумаги, бумажной продукции, бумажных отходов, древесины, прессованной древесины, древесных опилок, сельскохозяйственных отходов, сточных вод, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, джута, пеньки, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, сердцевин кукурузных початков, кукурузной соломы, проса, люцерны, сена, кокосовых волокон, хлопка, морской травы, водорослей и их смесей.

6. Способ по п. 1, дополнительно включающий уменьшение размеров материала биомассы.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микроорганизм выбирают из группы, состоящей из Е. coli, Bacillus subtilis и Corynebacterium glutamicum.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что биомасса получена из генетически модифицированного растения.