Способ ферментации низкомолекулярного сахара

Способ ферментации низкомолекулярного сахара

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Все патенты, патентные заявки и публикации, на которые в настоящем документе приводятся ссылки или которые прилагаются к настоящему документу в виде приложений A-E, полностью включены в настоящий документ в качестве ссылок.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к переработке биомассы и к продуктам, полученным из нее.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Различные углеводы, такие как целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, например, в волокнистой форме, производят, перерабатывают и используют в больших количествах во многих областях применения. Часто такие материалы используют однократно, а затем выбрасывают в качестве отходов или просто считают отходами, например, сточные воды, жмых, древесные опилки и солома.

Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их использование и области применения описаны в патентах США №№ 7307108, 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в различных патентных заявках США, включая "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, поданную 23 марта 2006 года, и "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", публикацию патентной заявки США № 2007/0045456.

Поскольку целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы широко доступны, а отходы целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов требуют утилизации, было бы выгодно найти таким материалам хорошее применение. Рассматривается применение целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов для получения биотоплив, таких как этанол, однако это пока еще не осуществлено коммерчески в большом масштабе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Главным образом, в настоящем документе описаны углеводсодержащие материалы (например, материал биомассы или получаемые из биомассы материалы), например, крахмальные материалы, целлюлозные материалы, лигноцеллюлозные материалы или материал биомассы, которые представляют собой низкомолекулярные сахара (например, моносахариды, дисахариды или трисахариды) или включают их значительные количества, и способы получения и переработки таких материалов для изменения их структуры, например, для функционализации этих материалов одним или несколькими желаемыми типами и количествами функциональных групп. Также описаны продукты, получаемые из структурно измененных материалов. Например, многие из способов, описанных в настоящем документе, могут обеспечить целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, которые имеют более низкую молекулярную массу и/или кристалличность относительно исходного материала. Многие из способов, описанных в настоящем документе, обеспечивают материалы, которые могут более легко утилизироваться различными микроорганизмами, продуцируя полезные продукты, такие как водород, спирты (например, этанол или бутанол), органические кислоты (например, уксусную кислоту), углеводороды, сопродукты (например, белки) или смеси любых из них.

В некоторых случаях функционализированная биомасса является более растворимой и легче утилизируемой микроорганизмами по сравнению с биомассой, которая не является функционализированной. Кроме того, многие из функционализированных материалов, описанных в настоящем документе, менее подвержены окислению и могут иметь улучшенную долгосрочную стабильность (например, окисление на воздухе в условиях окружающей среды). Многие из полученных продуктов, такие как этанол или н-бутанол, можно использовать в качестве топлива для энергоснабжения автомобилей, грузовых автомобилей, тракторов, кораблей или поездов, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в качестве сырья для топливного элемента. Многие из полученных продуктов также можно использовать для энергоснабжения воздушных судов, таких как самолеты, например, имеющие реактивные двигатели, или вертолеты. Кроме того, продукты, описанные в настоящем документе, можно использовать для генерирования электрической энергии, например, в общепринятых парогенераторных установках или в установках на основе топливных элементов.

Другой аспект изобретения вытекает из понимания того, что добавление биомассы, такой как функционализированный целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, к смеси, включающей низкомолекулярный сахар, может способствовать конверсии низкомолекулярного сахара в такой продукт, как сгораемое топливо, такое как этанол. Авторами изобретения выявлено, что включение биомассы в смесь с низкомолекулярным сахаром, растворителем или системой растворителей и микроорганизмом значительно повышает выход продукта, получаемого путем конверсии сахара, например спирта, такого как этанол, в некоторых случаях, без значительной конверсии или истощения самой биомассы. Включение биомассы также может предотвратить неполную, медленную или "застрявшую" конверсию продукта, например, путем ферментации.

Биомасса может сама по себе не конвертироваться в продукт (такой как этанол), или она может частично или полностью конвертироваться в продукт вместе с низкомолекулярным сахаром.

В случаях, когда биомасса частично конвертируется, площадь поверхности и пористость биомассы увеличиваются относительно площади поверхности и пористости исходной биомассы, что может эффективно повысить скорость конверсии низкомолекулярного сахара в продукт.

В некоторых случаях биомасса может представлять собой остатки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, подвергнутого осахариванию, например, лигнин и/или другие материалы, которые остаются после конвертирования целлюлозы в сахар.

Таким образом, в одном аспекте изобретение 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 продукт, например, отличный от сахара. Примеры растворителей или систем растворителей включают воду, гексан, гексадиен, глицерин, хлороформ, толуол, этилацетат, петролейный эфир, сжиженный нефтяной газ (LPG), ионные жидкости и их смеси. Растворитель или система растворителей могут быть в форме одной фазы или двух или более фаз. Биомасса может быть, например, в волокнистой форме.

В некоторых случаях наличие материала биомассы (например, обработанного любым способом, описанным в настоящем документе, или необработанного), присутствующего в процессе производства продукта, такого как этанол, может повысить скорость получения продукта. Без связи с какой-либо конкретной теорией полагают, что наличие присутствующего твердого вещества, такого как твердое вещество с большой площадью поверхности и/или высокой пористостью, может повысить скорости реакции путем увеличения эффективной концентрации растворенных веществ и предоставления субстрата, на котором может протекать реакция.

Например, облученный или необлученный материал биомассы, например, бумажное волокно, можно добавлять в процесс ферментации, например в процессе ферментации кукуруза-этанол или ферментации экстракта сахарного тростника, для повышения скорости продукции на 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100% или более, например, на 150%. Материал биомассы может иметь большую площадь поверхности, высокую пористость и/или низкую объемную плотность. В некоторых вариантах осуществления биомасса присутствует в смеси в количестве от приблизительно 0,5% до приблизительно 50 масс.%, таком как от приблизительно 1 масс.% до приблизительно 25 масс.% или от приблизительно 2 масс.% до приблизительно 12,5 масс.%. В других вариантах осуществления биомасса присутствует в количествах более чем приблизительно 0,5 масс.%, например, более чем приблизительно 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или даже более чем приблизительно 10 масс.%. Например, в некоторых вариантах осуществления в процесс ферментации низкомолекулярного сахара может быть добавлен окисленный, обработанный ультразвуком, подвергнутый паровому взрыву и/или подвергнутый пиролизу материал биомассы, такой как бумага или хлопковое волокно, например, для повышения скорости ферментации и выхода.

Поскольку материал биомассы сам по себе не расходуется в процессе конверсии, материал биомассы можно повторно использовать в многократных серийных процессах или его можно использовать непрерывно для производства относительно большого объема продукта.

Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из следующих признаков.

Биомасса может содержать волокнистый материал. Конвертирование может включать предоставление микроорганизму возможности конвертировать по меньшей мере часть низкомолекулярного сахара в этанол. Например, конвертирование может включать ферментацию. Микроорганизм может включать дрожжи, например, выбранные из группы, состоящей из S. cerevisiae и P. stipitis, или бактерию, такую как Zymomonas mobilis. Конвертирование может проявлять % продуктивности по меньшей мере 140%, в некоторых случаях, по меньшей мере 170%.

Способ может дополнительно включать облучение волокнистого материала перед смешиванием, например, ионизирующим излучением, например, в общей дозе по меньшей мере 5 Мрад. Облучение можно проводить с использованием пучка частиц. Облучение можно проводить в условиях, выбранных для снижения молекулярной массы биомассы.

Биомасса может иметь объемную плотность менее чем приблизительно 0,5 г/см³. Биомасса может иметь площадь поверхности BET более чем 0,25 м²/г и/или отношение длины к диаметру по меньшей мере 5. Биомасса может иметь пористость более 50%, например, более 70%.

Способ может дополнительно включать предварительную физическую обработку биомассы, например, путем дробления или уменьшения размера биомассы путем жернового помола, механического разрезания или отрывания, измельчения на стержневой мельнице или измельчения растиранием на воздухе. Биомасса может иметь внутренние волокна, и ее можно дробить до такой степени, чтобы ее внутренние волокна были по существу обнажены.

Биомасса может представлять собой или включать целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Например, 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.

Способ может дополнительно включать воздействие на биомассу ферментативным гидролизом и, в некоторых случаях, конвертирование гидролизованного материала в продукт.

В другом аспекте изобретение относится к способу растворения целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, включающему смешивание целлюлозного или лигноцеллюлозного материала с системой растворителей, содержащей ДМСО и соль.

Системы растворителей для целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов включают системы ДМСО-соль. Такие системы включают, например, ДМСО в сочетании с солью лития, магния, калия, натрия или цинка. Соли лития включают LiCl, LiBr, LiI, перхлорат лития и нитрат лития. Соли магния включают нитрат магния и хлорид магния. Соли калия включают йодид и нитрат калия. Примеры солей натрия включают йодид и нитрат натрия. Примеры солей цинка включают хлорид и нитрат цинка. Любая соль может быть безводной или гидратированной. Типичные загрузки соли в ДМСО составляют от приблизительно 1 до приблизительно 50%, например, от приблизительно 2 до 25, от приблизительно 3 до 15 или от приблизительно 4 до 12,5 масс.%.

В других вариантах осуществления соль может представлять собой фторидную соль, например фторид тетрабутиламмония. Способ может дополнительно включать облучение целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал может быть выбран 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 целлюлозный или лигноцеллюлозный материал имеет объемную плотность менее чем приблизительно 0,5 г/см³ (перед добавлением в систему растворителей) и пористость по меньшей мере 50%.

В настоящем документе описаны материалы, которые включают множество сахаридных звеньев, организованных в виде молекулярной цепи, где от приблизительно 1 из каждых 2 до приблизительно 1 из каждых 250 сахаридных звеньев включают группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира, или соли. В другом аспекте материалы включают множество таких молекулярных цепей. Например, приблизительно 1 из каждых 8, 1 из каждых 10, 1 из каждых 50 или 1 из каждых 100 сахаридных звеньев каждой цепи может включать группу карбоновой кислоты или ее сложного эфира, или соли. В некоторых вариантах осуществления сахаридные звенья могут включать 5 или 6 углеродных сахаридных звеньев. Такая цепь может иметь от приблизительно 10 до приблизительно 200 сахаридных звеньев, например, от приблизительно 10 до приблизительно 100 или от приблизительно 10 до приблизительно 50. Например, каждая цепь может включать гемицеллюлозу или целлюлозу. В некоторых вариантах осуществления каждая цепь также включает сахаридные звенья, которые включают нитрозогруппы, нитрогруппы или нитрильные группы.

В некоторых вариантах осуществления средняя молекулярная масса материалов относительно стандартов PEG может составлять от приблизительно 1000 до приблизительно 1000000, например, от 1500 до 200000 или от 2000 до 10000. Например, средняя молекулярная масса материалов относительно стандартов PEG может составлять менее чем приблизительно 10000.

В настоящем документе описаны способы изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры сырья биомассы, которые включают 1) облучение сырья биомассы радиационным излучением, таким как фотоны, электроны или ионы с энергией, достаточной для ионизации сырья биомассы, с созданием первого уровня радикалов, например, которые поддаются детекции с помощью спектрометра электронного спинового резонанса; 2) гашение радикалов до такой степени, чтобы радикалы были на втором более низком уровне, чем первый уровень, таком как уровень, который более не поддается детекции с помощью спектрометра электронного спинового резонанса, например, такой как уровень менее чем приблизительно 10¹⁴ спинов; и 3) переработку облученного сырья биомассы с получением продукта. Если желательно, перед облучением и/или после облучения сырье биомассы может быть подготовлено путем уменьшения одного или нескольких размеров отдельных фрагментов сырья биомассы.

В некоторых вариантах осуществления стадия переработки включает получение продукта, такого как топливо, такое как сгораемое топливо, такое как топливо для двигателей, авиационное топливо или топливо для топливного элемента, например, для генерирования электричества, путем конвертирования облученного сырья биомассы с помощью микроорганизма, способного конвертировать по меньшей мере часть, например, по меньшей мере приблизительно 1 масс.%, биомассы в продукт.

В некоторых вариантах осуществления облучение проводят на сырье биомассы при одновременном воздействии на сырье биомассы воздухом, азотом, кислородом, гелием или аргоном. В некоторых вариантах осуществления предварительная обработка может включать предварительную обработку сырья биомассы способом парового взрыва.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает уменьшение одного или нескольких размеров отдельных фрагментов биомассы, например путем дробления, влажного или сухого измельчения, нарезания, сжатия, прессования или комбинации любого из этих способов. Например, дробление можно проводить с помощью резательного устройства с вращающимся ножом. Дробление может обеспечить получение волокон, имеющих среднее отношение длины к диаметру, превышающее 5/1 или составляющее по меньшей мере 5. В некоторых вариантах осуществления подготовленная биомасса может иметь площадь поверхности BET более 0,25 м²/г. В некоторых случаях биомасса имеет внутренние волокна, и биомассу можно дробить до такой степени, чтобы внутренние волокна биомассы были по существу обнажены. Биомассу можно дробить до такой степени, чтобы она имела объемную плотность менее чем приблизительно 0,35 г/см³.

В некоторых вариантах осуществления способ не включает гидролиз биомассы кислотой или основанием. Например, по меньшей мере приблизительно 70 масс.% биомассы могут быть негидролизованными, например, по меньшей мере 95 масс.% биомассы являются негидролизованными. В конкретных вариантах осуществления биомасса по существу не является гидролизованной.

В некоторых вариантах осуществления облучение проводят на биомассе, в которой менее чем приблизительно 25 масс.% биомассы смочено жидкостью, такой как вода. Конкретно, в некоторых вариантах осуществления осуществляют по меньшей мере один способ предварительной обработки биомассы, в котором биомассу по существу не смачивают жидкостью, такой как вода. Биомасса может иметь, например, менее чем приблизительно 5 масс.% удерживаемой воды, измеренной при 25°C и относительной влажности 50%.

В некоторых вариантах осуществления облучение проводят на биомассе, в которой менее чем приблизительно 25 масс.% биомассы находится в набухшем состоянии, причем набухшее состояние характеризуется наличием объема, превышающего более чем приблизительно на 2,5% объем в ненабухшем состоянии. В других вариантах осуществления биомассу смешивают с вызывающим набухание средством или она включает его.

В любом из способов, описанных в настоящем документе, можно применять давление. Например, облучение можно проводить на биомассе под давлением более чем приблизительно 2,5 атмосферы (0,25 МПа), например, более чем приблизительно 5 или 10 атмосфер (0,5 или 0,1 МПа).

В другом аспекте смесь включает низкомолекулярный сахар, материал биомассы и растворитель. В некоторых случаях смесь также включает микроорганизм.

Примеры сырья биомассы включают бумагу, бумажную продукцию, бумажные отходы, древесину, прессованную древесину, древесные опилки, сельскохозяйственные отходы, сточные воды, силос, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, кукурузную солому, просо, люцерну, сено, рисовую шелуху, кокосовые волокна, хлопок, синтетические целлюлозы, морскую траву, водоросли или их смеси. Биомасса может представлять собой или включать синтетический материал.

Примеры сортов топлива включают один или несколько компонентов, выбранных из водорода, спиртов и углеводородов. Например, спирты могут представлять собой этанол, н-пропанол, изопропанол, н-бутанол или их смеси.

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. Облучение можно проводить с использованием множества способов применения радиационного облучения. 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 включает первую целлюлозу, имеющую первую среднечисленную молекулярную массу, и углеводный материал содержит вторую целлюлозу, имеющую вторую среднечисленную молекулярную массу, которая ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Например, вторая среднечисленная молекулярная масса ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса, более чем приблизительно в один раз. В некоторых вариантах осуществления, первая целлюлоза имеет первую кристалличность, а вторая целлюлоза имеет вторую кристалличность, более низкую, чем первая кристалличность. Например, вторая кристалличность может быть ниже, чем первая кристалличность, более чем приблизительно на 10%.

В некоторых вариантах осуществления первая целлюлоза может иметь первый уровень окисления, а вторая целлюлоза имеет второй уровень окисления, превышающий первый уровень окисления.

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.

В некоторых вариантах осуществления способы включают предварительную обработку одним или несколькими способами предварительной обработки в дополнение к облучению. Например, два или более различных способов предварительной обработки могут включать радиационное облучение и обработку ультразвуком, радиационное облучение и окисление, и радиационное облучение и пиролиз. Необязательно, предварительная обработка биомассы может включать паровой взрыв.

Для дальнейшего содействия снижению молекулярной массы биомассы с любым способом, описанным в настоящем документе, может быть использован фермент, например, целлюлолитический фермент, или химический реагент, например, гипохлорит натрия, кислота, основание или вызывающее набухание средство. Ферментативную и/или химическую обработку можно проводить до, в процессе или после облучения или другой предварительной обработки.

Если используют микроорганизм, то он 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 простейшие, например, слизистую плесень. Если организмы являются совместимыми, то могут быть использованы смеси. Как правило, различные микроорганизмы могут продуцировать ряд полезных продуктов, таких как топливо, путем действия на материалы, например, ферментации. Например, путем ферментации или других процессов можно получать спирты, органические кислоты, углеводороды, водород, белки или смеси любых из этих материалов.

Примеры продуктов, которые можно продуцировать с использованием способов, описанных в настоящем документе, включают моно- и полифункциональные C₁-C₆ алкиловые спирты, моно- и полифункциональные карбоновые кислоты, C₁-C₆ углеводороды и их комбинации. Конкретные примеры подходящих спиртов включают метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол, этиленгликоль, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, глицерин и их комбинации. Конкретные примеры подходящих 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, линолевую кислоту, гликолевую кислоту, молочную кислоту, γ-гидроксимасляную кислоту и их комбинации. Примеры подходящих углеводородов включают метан, этан, пропан, пентан, н-гексан и их комбинации. Многие из этих продуктов можно использовать в качестве топлива. Другие продукты описаны в предварительной заявке США с серийным номером 61/139453, полное содержание которой включено в настоящий документ в качестве ссылки. Продуцируемые продукты или сопродукты могут представлять собой продукты, предназначенные для применения в продуцированном виде, или продуцированные продукты могут представлять собой промежуточные продукты для любого другого процесса, описанного в настоящем документе, или любого процесса, описанного в заявке, включенной в настоящий документ в качестве ссылки.

Примеры микроорганизмов, которые можно использовать для получения полезных продуктов, включают бактерии, дрожжи и их комбинации. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например, целлюлолитическую бактерию, гриб, например, дрожжи, растение или одноклеточный организм, например, водоросли, простейшие или подобные грибам простейшие, например, слизистую плесень.

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

Термин "волокнистый материал", как используют в настоящем документе, 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 документе, означает элемент, способный просеивать материал в соответствии с размером. Примеры сит включают пластину с отверстиями, цилиндр или тому подобное, или проволочное сито, или матерчатую ткань.

Термин "пиролиз", как используют в настоящем документе, означает разрушение связей в материале путем применения 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 элементным анализом путем пиролиза образца в печи, работающей при 1300°C или выше.

Термин "биомасса" включает любое нефоссилизированное, т.е. возобновляемое, органическое вещество. Различные типы биомассы включают растительную биомассу (определенную ниже), микробную биомассу, животную биомассу (любой побочный продукт животноводства, отходы животноводства и т.д.) и биомассу городских отходов (жилые отходы и отходы легкой промышленности с подлежащими вторичной переработке материалами, такими как выброшенный металл и стекло). Также термин "биомасса" включает исходные или использованные целлюлозные материалы, такие как тряпье и полотенца, изготовленные из хлопка или хлопковой смеси.

Термин "растительная биомасса" и "лигноцеллюлозная биомасса" относятся практически к любому происходящему от растений органическому материалу (древесному или недревесному). Растительная биомасса может включать, но ими не ограничиваясь, сельскохозяйственные или продовольственные культуры (например, сахарный тростник, сахарную свеклу или кукурузные зерна), или их экстракт (например, сахар из сахарного тростника и кукурузный крахмал из кукурузы), сельскохозяйственные культуры и 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.

"Лигноцеллюлозное сырье" представляет собой любой тип растительной биомассы, такой как, но не ограничиваясь перечисленным, биомасса недревесных растений, возделываемые культуры, такие как, но не ограничиваясь ими, травы, например, но не ограничиваясь ими, C4-травы, такие как просо, спартина, плевел, мискант (китайский тростник), двукисточник тростниковидный (канареечник трубковидный) 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 конолы, 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 отходы производства, такие как, но не ограничиваясь ими, газетная бумага, картон, древесные опилки и т.п.

Лигноцеллюлозное сырье может включать один вид волокна или, альтернативно, лигноцеллюлозное сырье может включать смесь волокон, источником которых является различное лигноцеллюлозное сырье. Кроме того, лигноцеллюлозное сырье может содержать свежее лигноцеллюлозное сырье, частично высушенное лигноцеллюлозное сырье, полностью высушенное лигноцеллюлозное сырье или их комбинацию.

Для целей данного описания, углеводы представляют собой материалы, которые полностью состоят из одного или нескольких сахаридных звеньев или которые включают один или несколько сахаридных звеньев. Сахаридные звенья могут быть функционализированными в области кольца посредством одной или нескольких функциональных групп, таких как группы карбоновой кислоты, 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. Если углеводы образованы из более чем одного повторяющегося звена, то 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 данного 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 данного 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.

Сгораемое топливо представляет собой материал, способный сгорать в присутствии кислорода. Примеры сгораемых видов топлива включают этанол, н-пропанол, н-бутанол, водород и смеси любых двух или более из них.

Вызывающие набухание средства, как используют в настоящем документе, представляют собой материалы, которые вызывают видимое набухание, например, увеличение объема целлюлозных и/или лигноцеллюлозных материалов относительно ненабухшего состояния, составляющее 2,5%, когда такие материалы применяют в качестве раствора, например, водного раствора. Их 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.

"Раздробленный материал", как используют в настоящем документе, 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. Таким образом, раздробленный материал отличается от материала, который является нарезанным, порубленным или растертым.

Изменение молекулярной структуры сырья биомассы, как используют в настоящем документе, означает изменение расположения химических связей, например, типа и количества функциональных групп или конформации структуры. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение надмолекулярной структуры материала, окисление материла, изменение средней молекулярной массы, изменение средней кристалличности, изменение площади поверхности, изменение степени полимеризации, изменение пористости, изменение степени разветвления, привитую сополимеризацию с другими материалами, изменение размера кристаллического домена или изменение размера всего домена.

Данная заявка включает в качестве ссылки полное содержание международной заявки № PCT/US2007/022719, поданной 26 октября 2007 года. Полное описание каждой из следующих патентных заявок США включено в настоящий документ в качестве ссылок: предварительные заявки США с серийными номерами 61/049391; 61/049394; 61/049395; 61/049404; 61/049405; 61/049406; 61/049407; 61/049413; 61/049415; и 61/049419, все поданы 30 апреля 2008 года; предварительные заявки США с серийными номерами 61/073432; 61/073436; 61/073496; 61/073530; 61/073665; и 61/073674, все поданы 18 июня 2008 года; предварительная заявка США с серийным номером 61/106861, поданная 20 октября 2008 года; предварительная заявка 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.

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют те же значения, которые обычно подразумевают специалисты в области, к которой относится данное 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 документе, подходящие способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, полностью включены в качестве ссылок. В случае противоречия следует руководствоваться настоящим описанием, включая определения. Кроме того, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

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

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЕЙ

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 представлен вид в поперечном разрезе резательного устройства с вращающимся ножом.

На ФИГ. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая конверсию источника во