冷却和加工材料的制作方法
【专利说明】冷却和加工材料
[0001] 本申请是申请号为200980122657. 2的专利申请的分案申请。
【背景技术】
[0002] 生物质、特别是生物质废弃物可丰富获得。可有用的是由生物质获得材料和燃料 例如乙醇。
[0003] 还可有用的是更有效地加工含石油的材料W获得燃料和其它产物。
[0004] 概述
[0005] 可通过冷却和加工将例如生物质和其它材料（如石油产品材料）的材料进行处理 W按一种或多种程度改变它们的结构。加工的材料然后可例如用作其它材料和燃料的来 源。
[0006] 本申请的许多实施方案利用化化ralForce?化学。化化ralForce?化学方法利 用物理力例如粒子束、重力、光、溫度等的控制施加和操控来产生预期的结构和化学分子变 化。
[0007] 许多不同类型生物质中存在的木质素（包括纤维素生物质和木质纤维素生物质） 可W使为改变生物质W形成用于转化为较简单糖类和最终产品例如醇的中间原料的努力 复杂化。结果，产物例如由生物质获得的乙醇的产率小于运类产物的最大理论产率（在一 些情形中低相当多）。
[0008] 本文公开的方法采用材料的冷却和加工，例如单独的低溫冷却或者与一种或多种 其它加工技术组合，所述其它加工技术例如一个或多个可W包括如研磨、娠磨、揽拌、磨蚀、 短切、剪切、水刀切割、气刀切割、蒸汽刀切割在内的加工步骤，一个或多个福射加工步骤 (例如暴露于带电粒子例如电子和/或离子），一个或多个超声处理加工步骤，一个或多个 化学加工步骤（例如使用试剂如酸、碱、氧化剂、还原剂和/或溶剂），和/或一个或多个热 加工步骤（例如在氧化剂和/或其它试剂存在下和/或在减压环境中热解）。运些其它加 工技术如果使用时则可在冷却之前、期间或之后进行。
[0009] 通过冷却生物质或其它材料，可提高生物质或其它材料各组分（例如，半纤维素 和/或木质素和/或蛋白质和/或果胶和/或无机物）的脆性，从而显著提高用于改变该 材料的加工技术的有效性。通过提高材料的脆性，可由于各种加工步骤而使材料破裂（例 如，可使纤维的边缘破裂）或断裂。破裂可例如是微破裂。
[0010] 此外，材料冷却可具有由材料各组分差异的膨胀和/或收缩速率引起的其它效 果。例如，某些组分（例如存在有水的木质素）相比于与其相关的其它组分（例如半纤维 素、纤维素）可按较快的速率或者W不同的量收缩或膨胀。其结果是，可使主题材料变弱， 促进其各组分的分离（例如，相分离，分层，界面断裂，断裂，或破裂如微破裂）。运些加工 (其可独立于其它加工技术或者结合其它加工技术进行）还可提高产物的产率，所述产物 例如由与木质素分离的半纤维素或纤维素获得的乙醇。从材料分离出木质素降低材料的抗 降解性，促进材料的纤维素组分转化成糖溶液（通过酶糖化纤维素）。不希望受理论束缚， 认为材料的破裂可使酶在破裂位置渗入材料，从而加速糖化。然后可使糖化材料转化为产 物，例如发酵为乙醇。
[0011] 当将冷却与其它加工技术例如福射和/或氧化结合时，可较小程度地使用所述其 它技术获得等效结果。例如，当冷却与福射一起使用时，能够W较低的剂量使用福射来提供 相同的抗降解性降低程度。
[0012] 在用于使材料改变和/或转化成其它材料的各种加工技术期间，材料中可产生明 显量的热。为避免燃烧或W其它方式引发不希望的材料热变，可使用本文公开的冷却方法 来散逸或抵消过量的热。可根据材料加工期间产生的热量改变冷却程度（例如，从材料 除去的热量）。还可调节冷却程度W调节生物质材料的某些性能例如其脆性，从而提高某 些随后加工步骤的效率。例如，本文公开的方法可增强半纤维素、纤维素和木质素的粉碎 (communution)W及运些组分的分离。
[0013]所述冷却和加工方法还可用于处理其它类型的材料例如含控材料（如含石油的 材料）。可使用本文公开的方法冷却和加工各种类型含石油的材料（包括重质和轻质原油、 天然气、油砂、油母岩、焦油砂、渐青、煤和/或各种控共混物）W促进材料各组分的提取、裂 化、粉碎、分离和精制，W及调节精制，转化和纯化加工例如裂化、重整（催化和非催化）、蒸 馈和催化转化期间的溫度。
[0014]如本文所使用的低溫"材料是处于200KW下（例如，170KW下、150KW下、130K W下、120KW下、110KW下、100KW下、90KW下、80KW下、70KW下、60KW下、50KW下、40K W下、30KW下）溫度的材料。因此，例如，"低溫液体"是具有200KW下溫度的液体。
[0015]如下面将进一步详细讨论的，各种材料可用于冷却，包括例如液氮、二氧化碳和 冰。
[0016]本文公开的方法可制备具有如下长径比的材料颗粒（例如纤维）：5:1W上（例如 6:1W上、8:1W上、10:1W上、12:1W上或 15:1W上、20:1W上）。
[0017] 本文公开的方法还可制备最大尺寸例如直径小于如下的颗粒：例如2000nm、 1000、750、500、250、100、50、25、20、10、5 或甚至Inm。
[0018]本文公开的方法可制备具有降低的堆密度的材料。例如，使用本文公开的方法制 备的材料的堆密度可W为0. 8g/cm3w下（例如0. 6、0. 5、0. 4、0. 3、0. 2W下，如0.Ig/cm3)。
[0019]本文公开的方法可制备具有相对薄的横截面的材料，运是由于冷却材料W提高其 脆性和使用任何一种或多种本文公开的技术加工该材料的组合作用。一般而言，具有薄横 截面的材料比具有较厚横截面的材料可更有效地得到冷却；其结果是，可降低用于材料加 工的费用（例如能量消耗，例如，特别是加工技术中能量消耗的费用）。
[0020] 在一方面，本发明的特征在于包括如下的方法：冷却具有多于一种组分的材料和 所述组分之间的界面至所述组分在该界面处分离的溫度。然后可加工冷却的材料W制备不 同的产物，例如在化学方面与该材料本身不同。例如，可冷却生物质并然后将其加工制备乙 醇。
[0021] 一些实施方式包括一个或多个W下特征。材料可W是或包括生物质，例如，在一些 情形中材料包含木质纤维素材料。组分可包括木质素和纤维素。溫度可低于或等于材料的 脆点。该方法还可包括例如用电子束福射来福照材料。该方法还可包括例如通过研磨、娠 磨或粉碎将材料进行机械处理。例如，材料的机械处理可包括冷冻研磨或冷冻娠磨该材料。 冷却可包括在冷冻研磨或冷冻娠磨之前预冷却该材料。各组分可具有不同的热膨胀系数。 该方法可w包括使材料溫度周期变化。该材料可w是或包括含控材料。
[0022] 在另一方面，本发明的特征在于包括如下的方法：将材料进行加工W制备产物，所 述材料通过将起始材料进行处理W使该起始材料脆化制得，和将脆化的材料进行加工W制 备与该脆化的材料不同的产物。在一些实施方案中，该方法还包括研磨或粉碎脆化的材料。
[0023] 一些实施方式包括一个或多个W下特征。处理可包括将起始材料冷却。替代地或 另外地，处理可包括将材料进行福照或氧化。起始材料可包括生物质或含控材料。处理与 研磨或粉碎可例如在冷冻研磨装置或冷冻娠磨装置中同时进行。将材料进行加工可包括使 该材料与酶和/或微生物接触。处理可包括使该起始材料溫度周期变化。生物质可包括木 质纤维素材料，该方法还可包括将木质素与纤维素分离。
[0024] 在其它方面，本发明的特征在于包括如下的方法：将生物质材料进行冷却W降低 材料的抗降解性，和在冷却后，将冷却的材料进行加工W制备与所述生物质材料不同例如 化学方面不同的产物。在一些实施方案中加工包括使材料与酶和/或微生物接触，例如，用 酶使该材料糖化或用微生物使该材料发酵。
[00巧]一些实施方式包括一个或多个W下特征。材料可包括纤维素，使材料接触可包括 利用酶使纤维素糖化。该方法还可包括将生物质材料进行福照。可在冷冻研磨装置或冷冻 娠磨装置中进行冷却。使材料接触可包括利用微生物来制备醇。冷却可包括将材料冷却至 低于材料脆点的溫度。
[0026] 在其它方面，本发明的特征在于包括如下加工的方法：例如通过机械加工，将生物 质材料或含石油的材料进行加工W降低生物质材料或石油产品的尺寸例如粒径；和或者在 加工之前将材料冷却至273KW下的溫度，或者在加工期间维持材料处于273KW下的溫度。
[0027] 在一些实施方案中，该方法还包括使经加工的材料与酶和/或微生物接触。在一 些情形中，该方法包括将材料进行超声处理，和/或带电粒子处理材料。冷却可W使材料变 脆，运可W导致材料组分在界面处分离。
[0028] 本发明的特征还在于通过本文所述任何方法形成的产物。
[0029]除非特别定义，本文使用的所有技术和科学术语都与本发明所属技术领域技术人 员所通常理解的含义相同。尽管与本文描述的那些相似或等效的方法和材料可W用于本发 明的实践或检验中，但下面描述了合适的方法和材料。本文中提到的所有出版物、专利申 请、专利W及其它参考文献W其全文引为参考。在有冲突的情况下，W本说明书、包括定义 为准。此外，材料、方法和实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的。
[0030] 本申请通过引用将下面申请每一个的全部内容并入本文：W02008/073186; W及 U.S.序列号 12/417, 699、12/417, 707、12/417, 720、12/417, 723、12/417, 731、12/417, 786、 12/417, 840、12/417, 880、12/417, 900、12/417, 904、12/429, 045 和 12/486, 436。
[0031] 由说明书、附图和权利要求，本发明的其它特征和优点将变得明显。
【附图说明】
[0032] 图1是显不生物质加工系统的不意图。
[0033] 图2是显示生物质加工系统的示意图。
[0034] 图3是显示娠磨单元的示意图。
【具体实施方式】
[0035]某些类型的材料，包括纤维素的和/或木质纤维素材料，可包含在复杂聚合物 骨架结构中与纤维素和/或半纤维素键合的明显木质素部分。不希望受理论束缚，一 些证据暗示在材料中木质素可W与纤维素和半纤维素二者共价键合（见例如Karlsson 等，JournalofPulpandPaperScience27:196-201(2001))。此外，通常观测到将木质 素与纤维素和/或半纤维素分离提高糖类、醇W及衍生自纤维素和/或半纤维素进一步加 工的其它产物的产率。此外，木质素与纤维素和半纤维素分离产生有价值的副产物即木质 素本身。
[0036] 生物质材料的实例可包括可W通过本文描述的任何方法加工的任何生物质材料， 该生物质材料是或包括完全由一个或多个糖单元构成的碳水化合物，或者包括一个或多个 糖单元。例如，生物质材料可W是纤维素材料或木质纤维素材料，淀粉材料例如玉米粒，米 粒或其它食物，或者该材料为或包括一种或多种低分子量糖类例如薦糖或纤维素二糖。
[0037]例如，运类生物质材料可包括纸