Спосіб очищення біомаси

1. Спосіб очищення біомаси, у якому: a) приймають суспензію біомаси, яка була оброблена з використанням сильного зсуву і/або кавітації для руйнування крупної структури біомаси, таким чином створюючи велику площу поверхні частинок біомаси в суспензії; і b) нагрівають суспензію біомаси до досягання принаймні однієї температури і тиску, які більші за температуру і тиск навколишнього середовища, протягом періоду часу, достатнього для розчинення біомаси, у якому суспензія біомаси має принаймні целюлозну фракцію, принаймні геміцелюлозну фракцію або одночасно целюлозну фракцію і геміцелюлозну фракцію. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що під час, і/або після етапу b у ньому до суспензії біомаси додатково застосовують сильний зсув і/або кавітацію для одержання високих відсотків гідролізу біомаси. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що у ньому одержану суспензію біомаси, яка містить частинки біомаси, попередньо подрібнюють у сухій формі механічним пристроєм або виконують зсув у вологій формі у подрібнювачі-насосі для суспензії для одержання малого розміру частинок, 2 (19) 1 3 96953 4 13. Спосіб за будь-яким із попередніх пунктів1-12, який відрізняється тим, що після реалізації етапу b концентрація розчиненої біомаси становить принаймні 6 мас.%. 14. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що після реалізації етапу b концентрація розчиненої біомаси становить 10 мас.% - 44 мас.%. 15. Спосіб за будь-яким із попередніх пунктів 1-14, який відрізняється тим, що етап b виконують протягом періоду часу, достатнього для розчинення принаймні 70 % геміцелюлозної фракції. 16. Спосіб за будь-яким із попередніх пунктів 1-15, який відрізняється тим, що етап b виконують протягом періоду часу, достатнього для розчинення принаймні 70 % біомаси. 17. Спосіб за будь-яким із попередніх пунктів 1-16, який відрізняється тим, що гідроліз біомаси завершують після розчинення приблизно 100 % усіх розчинюваних компонентів біомаси. 18. Спосіб за будь-яким із попередніх пунктів за виключенням п. 10, який відрізняється тим, що суспензія біомаси містить головним чином геміцелюлозну фракцію і жоден з наступних хімікатів, вибраних серед неорганічних кислот, мінеральних основ, зневодненого аміаку, гідроксиду амонію і лужних мінеральних хімікатів, не додається на етапі b. Представлений винахід відноситься до способів очищення біомаси. Більш точно, представлений винахід відноситься до способів руйнування клітинних структур біомаси та до умов гідролізу біомаси з одночасним збереженням і зменшенням енергії обробки та мінімізацією обладнання, необхідного при виготовленні висококонцентрованих продуктів за короткі проміжки часу. На даний момент, в США виробляють етанол з крохмалевмісних зерен кукурудзи, використовуючи ензими амілази для розчинення крохмалю з одержанням зброджуваних цукрів, які потім зброджуються з одержанням етанолу, використовуючи дріжджі. Загалом, в той час, коли крохмаль в кукурудзяних зернах використовується у виробництві етанолу, то решта кукурудзяної біомаси, з якої добувають зерна, тобто, листя, пучки кукурудзяного волосся і стебла, на даний момент не використовуються у виготовленні етанолу через відсутність практичного способу, пов'язаного з розчиненням некрохмальних компонентів кукурудзи з одержанням зброджуваних цукрів. Таким чином, лігноцелюлозні компоненти кукурудзяної біомаси представляють собою величезне джерело невивільненої енергії, що залишається невикористаною через труднощі і затрати на перетворення неї на зброджувані цукри. Однак, беручи до уваги ширшу перспективу використання біомаси, стебла кукурудзи і Η волосся представляють тільки малу частину всесвітньої потенційної біологічної сировини. Наприклад, об'єм і вартість тропічних трав, які ростуть в бідних країнах, міг би надавати цукри, достатні для виготовлення десятків мільярдів галонів біопалив, якщо б існував практичний спосіб. На даний момент, існує чотири основні технології, які досліджувалися щодо перетворення целюлози на зброджувані цукри, одна з яких має широке комерційне застосування. Ними є: гідроліз концентрованою кислотою, гідроліз розведеною кислотою, ферментація і газифікація біомаси та ензиматичний гідроліз. Концентрована кислота легко розчиняє біомасу. Відділення кислоти від цукрів і відновлення кислоти є важливими операціями, вартість яких анулювала широке застосування концентрованої кислоти. В минулому під час війни був комерціоналізований спосіб гідролізу концентрованою сірчаною кислотою, зокрема в колишньому Радянсь кому Союзі, Німеччині і Японії. Гідроліз розведеною кислотою відбувається на двох етапах для максимізації виходів цукру з геміцелюлозних і целюлозних фракцій біомаси. Перший етап виконується за м'якших умов для гідролізу геміцелюлози, тоді як другий етап оптимізується для гідролізу більш стійкої фракції целюлози. Рідкі гідролізати відновлюються з кожного етапу, нейтралізується щодо рН і зброджуються з одержанням етанолу. Однак, ці способи були успішними тільки протягом національної кризи, коли могла ігноруватися економічна конкурентноздатність виробництва етанолу. При зброджуванні і газифікації біомаси, біомасу перетворюють на синтез-газ, який головним чином складається з моноксиду вуглецю, діоксиду вуглецю і водню, за допомогою способу високотемпературної газифікації. Потім використовуються анаеробні бактерії для перетворення синтез-газу на етанол. Практичне поєднання механіко-хімічних обробок і ензимів не було комерціалізоване, хоча деякі високовартісні заходи фінансуються урядом США з деякою долею приватного капіталу. Структури біомаси природно стійкі до проникнення низьких рівнів хімікатів і/або до передачі технологічної теплоти, або до ензиматичного гідролізу, таким чином вимагаючи високі і неекономні рівні таких вхідних факторів для досягання високих рівнів і зростаючих відсотків гідролізу, і навіть з високими рівнями ензимів високовідсотковий гідроліз все ще важкодосяжний внаслідок опору біомаси. Типово, коли ензими використовуються внизу по ходу технологічного процесу на етапах з нижчою температурою, то вихід продукту типово має низьку концентрацію і спадні відсотки порівняно з виходом для гідролізу крохмалю або бродіння цукрів, одержаних з цукрової тростини, внаслідок біологічних обмежень ензимів, таким чином збільшуючи вартість усього процесу і типово значно подовжуючи його тривалість. Способи, які перетворюють цукри, що з'являються, на етанол, відомі як одночасне оцукрення/бродіння (SSF), розвивалися протягом приблизно 25 років і Національними Лабораторіями, які займаються проблемами відновлення енергії, було потрачено до 2 мільярдів доларів, але все ще не було доведено їх комерційну придатність. Відсотки SSF загальновідомо є 5 низькими, таким чином підвищуючи усі пов'язані з цим витрати. Поєднання гідролізу концентрованою кислотою, високотемпературного гідролізу розведеною кислотою, пара, середня температура/нейтральний рН, сухе подрібнення, сильний луг, рідкий зневоднений аміак, високі вмісти води у вапні, конічні роторно-статорні засоби, лабораторний пристрій для руйнування ультразвуком, струмінь рідини, сильний зсув і кавітаційні пристрої використовувалися для економного очищення біомаси. Проте до сьогоднішнього дня не було зроблено вдосконалень, які дозволяють зробити такі способи придатними до більш масового виробництва. Не існує несубсидованих або окремих економічних промислових способів для перетворення високих відсотків целюлозних частин природної некрохмальної біомаси на глюкозу, ксилозу та нижні продукти, одержані з продуктів, які містять органічні кислоти або етанол, етилацетат або корм для жуйних тварин, з одним виключенням, яким є малий об'єм, виділений з паперової маси, використовуваної для виготовлення клею. Існує декілька промислових способів, які можуть дешевим чином розчиняти біомасу з одержанням клеїв або біопластмас для конкурування з сировиною на основі нафти. Спосіб, який на даний момент використовується для виготовлення хімічних попередників з біомаси для клеїв або біопластмас, включає екстрагування олігомерів та мономерів глюкози, ксилози, арабінози, галактози і інших мікроелементних цукрів з паперової маси у вигляді "чорного лужного розчину", а також протеїнів і амінокислот. Способи одержання чорного лужного розчину вимагають етапу очищення для видалення проблемних сполук. Представлений винахід стосується способу очищення природної біомаси з одержанням надзвичайно дрібних і сильно деструктурованих частинок, використовуючи сильний зсув і/або кавітацію в поєднанні з високою температурою і високим або низьким рН, які розчиняють біомасу з великими відсотками. Спосіб представленого винаходу забезпечує великий відсоток гідролізу, у багатьох випадках біля теоретичних рівнів, за короткі періоди обробки з одночасною мінімізацією вхідних факторів по відношенню до інших способів, які використовують малі завантажувані порції хімікатів, і необов'язково без завантажуваних порцій хімікатів на певних етапах порівняно з існуючими способами. Спосіб представленого винаходу також використовує мінімальні кількості електроенергії, що підводиться, і зберігає теплову енергію в процесі та послаблює вимоги до обладнання з одночасним одержанням концентрованих продуктів. Згідно з представленим винаходом, надається спосіб суспендування і обладнання для створення біомаси, яка має надзвичайно малі розміри частинок і велику площу внутрішньої поверхні. Спосіб дозволяє перетворювати розчинені продукти на різні хімікати, клеї, пластмаси, гази, корм для жуйних тварин і протеїнові/амінокислотні концентрати. Гідроліз геміцелюлози може довільним чином здійснюватися поєднанням високої температури з рослинними кислотами з ацетильних груп без до 96953 6 давання неорганічних кислот або основ. Продукти геміцелюлози відділяються від решти целюлози. Потім целюлоза може додатково очищатися в процесі високотемпературної обробки, змішуватися з малими кількостями основних і кислих хімікатів або екстрагуватися для очищення целюлозними ензимами, і/або для годування жуйних тварин, таких як корови і вівці, або може використовуватися для прямого перетворення завдяки біохімічній активності мікроорганізмів на різні біохімікати або для газифікації. Інші переваги представленого винаходу стануть зрозумілішими завдяки наступному детальному опису, який супроводжується кресленнями, на яких: Фігура 1 зображає блок-схему, яка показує спосіб представленого винаходу; Фігура 2 зображає блок-схему, яка показує етап автогідролізу способу представленого винаходу; Фігура 3 зображає блок-схему, яка показує етап загущення суміші ксилоза-глюкоза-олігомер способу представленого винаходу; і Фігура 4 зображає блок-схему, яка показує етап гідролізу целюлози способу представленого винаходу. Представлений винахід надає способи, які використовують етапи енергозбереження для обробки і гідролізу біомаси з одночасним наданням дуже дрібних частинок, які мають велику площу внутрішньої поверхні. Широкий діапазон умов, які включають високі температури, кислоти або основи і необов'язково використання недоданих кислот або основних хімікатів з короткими періодами гідролізу, і високі концентрації продукту, використовується для перетворення високих відсотків біомаси на розчинені продукти за короткі проміжки часу. Термін "біомаса", як він тут використовується, включає будь-який органічний матеріал (увесь, його фракції і/або будь-які його компоненти), доступний на відновлюваній основі, такий як спеціальні енергетичні сільськогосподарські культури і дерева, сільськогосподарські харчові і кормові культури, відходи і залишки сільськогосподарських культур, відходи і залишки деревини, водорості, тваринні відходи, міські відходи і інші відходи. Відповідно, сировинні матеріали включають, але не обмежуються, целюлозовмісними матеріалами, природними або обробленими, такими як волокно кукурудзи, сіно, макуха цукрової тростини, крохмаловмісний целюлозний матеріал, такий як зерно, залишки сільськогосподарської культури, газетний папір, папір, неочищені стічні води, водорості, тирса, дворові відходи, біомасу, яка включає, але не обмежується, попередньо обробленою біомасою, її компонентами, її фракціями і будь-яким іншими сировинними матеріалами або матеріалами біомаси, відомими для фахівців у цій галузі. Лігноцелюлозовмісне волокно, яке, у випадку зерен, містить крохмаль, який тут називається "біомасою", може очищатися з одержанням цукру, протеїну і лігніну та хімікатів для газифікації з одержанням метану або водню. Целюлозні і лігноцелюлозні сировинні матеріали та відходи, такі як сільськогосподарські залишки, деревина, відходи лісництва, 7 осад з паперового виробництва і міські та промислові тверді відходи, надають потенційно велику кількість відновлюваної сировини для виготовлення хімікатів, пластмас, палив і кормів. Целюлозні і лігноцелюлозні сировинні матеріали і відходи, які складаються з карбогідратних полімерів, які містять целюлозу, геміцелюлозу, глюкани і лігнін, головним чином обробляються різновидом хімічних, механічних і ензиматичних засобів для вивільнення первинних гексозних і пентозних цукрів, які можуть потім зброджуватися з одержанням корисних продуктів. Ринок для цукрів, який включає олігомери і мономери глюкози і ксилози, хімікати і палива, одержані з них, арабінозу, жири, масла, лігнін, нараховує десятки мільярдів доларів на рік і може, врешті решт, зростати до $100-200 мільярдів на рік у всьому світі, оскільки постачання нафтопродуктів скорочується і інші фактори впливають на існуюче постачання палива. Оскільки ціни на нафту зростають, маючи потенціал до подальшого зростання, то потреба в альтернативі бензину і дизельному паливу зростає. Високовідсотковий гідроліз може досягатися у суспензії при температурах 160°С -300°С на одній або більшій кількості стадій. Перед високотемпературними етапами, використовуваними для розчинення інших компонентів біомаси, один етап може довільним чином включати екстрагування протеїну і амінокислоти при нижчих температурах під час застосування сильного зсуву і/або кавітації або за допомогою хімікатів або ензимів протеази для розчинення протеїну, який видаляється фільтруванням або іншими способами. Видалення протеїну природної біомаси допомагає запобігати протіканню реакцій Мейяра, які виникають з поєднання високої температури, цукру, кислих або основних станів і амінокислот, які одержуються з гідролізу протеїну. На багатьох субстратах, сильний зсув і/або кавітація можуть досягатися, використовуючи рядні гомогенізатори без застосування хімікатів для одержання відсотків гідролізу біомаси, що становлять 15%-52%, до яких головним чином входять компоненти геміцелюлози, ксилози, деяка частина глюкози, таніни, мікроелементні цукри, жири, деяка кількість лігніну, деяка кількість оцтової кислоти, деякі мінерали і інші мікроелементи. Решта твердих речовин можуть екстрагуватися з використанням очисного фільтра Есо Self, роздільної системи для дрібних частинок (яка продається компаніями Russell Finex, Inc., Pineville, North Carolina) після гідролізу геміцелюлози і розділення для подальшої високотемпературної і хімічної обробки або вони можуть подаватися для їжі жуйним тваринам або розчинятися коктейлями целюлозного ензиму після екстрагування з процесу високотемпературної обробки. Альтернативно, відфільтровані тверді речовини "можуть залишатися в суспензії, оскільки температура суспензії зберігається або підвищується з і без застосування додаткового сильного зсуву і/або кавітації, і з додаванням кислоти або основних мінеральних хімікатів або зневодненого аміаку, або гідроксиду амонію, або інших лужних мінеральних хімікатів для досягання високого відсотку гідролізу біомаси. 96953 8 Біомаса у нагрітій суспензії на будь-якому етапі може необов'язково піддаватися швидким змінам тиску, сильному зсуву і кавітації у поєднанні з усіма можливими вищевказаними комбінаціями протягом коротких періодів обробки, таким чином руйнуючи і гідролізуючи свою клітинну структуру з одночасною мінімізацією продуктів розщеплення, які можуть інгібувати нижні процеси бродіння або які можуть створювати неприємні запахи для тварин, які харчуються обробленою біомасою. Також надається пристрій або пристрої і параметри для використання пристрою або пристроїв для реалізації способу, у якому пристрій має пристрій для виконання сильного зсуву і/або кавітації і руйнування клітинної структури, розташований в пристрої для здійснення сильного зсуву і/або кавітації для створення великої площі поверхні і руйнування клітинної структури та оголення внутрішніх клітин. Спосіб перетворює компоненти біомаси на їх субкомпоненти протеїну і/або амінокислот, олігомери і/або мономери глюкози і ксилози, інші цукри, таніни, оцтову кислоту і лігнін з одночасним виділенням, і/або використанням лігніну для клеїв, біопластмас і вироблення енергії, відновлення мінералів, і відновлення попелу, який використовується в бетоні та інших продуктах як зв'язувальна речовина, роблячи все це схильним до подальшого очищення з одержанням хімікатів, газу, клеїв, пластмас, полімерів і дерев'яних композитів. В представленому винаході, комбінації сильного зсуву і/або кавітації, температури і станів рН та розмірів проходів можуть довільним чином поєднуватися на багатьох послідовних стадіях для мінімізації капіталовкладень. Представлений винахід також надає пристрої, механічні робочі параметри пристроїв, форми компонентів таких пристроїв, розміри проходів, хімікати, концентрації хімікатів, стани рН, значення тиску, діапазон вищих температур і періоди обробки для реалізації вищеописаного способу, у якому пристрої мають пристрої для формування струменя рідини, сильного зсуву і кавітації та пристрої для руйнування клітинної структури в пристроях для здійснення сильного зсуву і/або кавітації для руйнування клітинної структури і виділення цінних компонентів в клітині, для нагрівання хімікатів і розчинення ензимів, при цьому пристрої працюють в різних діапазонах станів і конфігурацій в залежності від субстрату і цільових показників та виходів гідролізу для комерційних цілей. Фрази "пристрій для руйнування клітин", пристрій для здійснення сильного зсуву або кавітаційний пристрій, як вони тут використовуються, передбачені для позначення пристрою, придатного до створення великої площі поверхні на або всередині біомаси за вказаних тут вірних умов, до руйнування трав'яної структури і головної стінки клітини та розчинення більшості компонентів біомаси, залишаючи головним чином нерозчинений або повторно розчинений лігнін і мінерали. Такі пристрої можуть називатися по черзі міксеромнасосом-гомогенізатором та іншими назвами, використовуваними окремими виробниками. Міксернасос-гомогенізатор є роторно-статорним при 9 строєм для здійснення сильного зсуву, інколи індукування кавітації, придатним до змішування, закачування і розділення суспензій для підготовки до наступних етапів, використовуючи вдосконалені моделі кавітаційних пристроїв, які вимагають малі розміри частинок на вході для уникнення забивання в одностадійних або багатостадійних пристроях. Рядний міксер-гомогенізатор-насос значно зменшує розмір частинок для надання можливості рівномірного проходження крізь менший сопловий пристрій з отворами, достатньо малими для індукування сильного зсуву і/або кавітації, переважно менші 2 мм, проте можуть бути більшими в залежності від загальних умов. Прикладами цього типу пристрою є пристрій HED™, який виготовляється і продається на ринку компанією Ika Works, Inc. of Wilmington, N.С. Традиційні пристрої на основі багатостадійних машин типу Supraton, які використовують більші щілини або круглі отвори, можуть надавати дуже дрібні і деструктуровані частинки з більших зрізаних на полі волокон. Рядний міксерподрібнювач-насос може мати конічні, зубчасті і камерні, квадратні або прямокутні засоби, і може також мати соплові засоби, більші за 2 мм, для індукування навіть більшого зсуву, а ніж у випадку зубчастих і камерних засобів, для підготовки до додаткової обробки за умов найбільш сильного зсуву і кавітації в одностадійних або багатостадійних пристроях. Після адекватного зменшення розміру частинок біомаси з використанням одного або більшої кількості засобів і описаних тут способів, суспензію пропускають крізь пристрій для здійснення сильного зсуву або пристрій для здійснення сильного зсуву і кавітації з сопловими отворами, діаметр яких типово менший 2 мм, переважно з коловою швидкістю приблизно 50-200 футів в секунду або з вищими швидкостями у новіших системах. Пристрій або пристрої можуть використовуватися перед високотемпературною обробкою або у високотемпературних системах. Термін "колова швидкість" в описі функціонування роторностаторного пристрою означає швидкість, з якою точка на роторі роторно-статорного пристрою проходить фіксовану точку на відповідному статорі, якщо така траєкторія була проведена по прямій і відстань по ній вимірюється у футах або метрах. Перевага надається коловій швидкості, що перевищує 120 футів за секунду, особливо перевага надається швидкості, що становить 140 футів за секунду - 200 футів за секунду. Цей етап може повторюватися як попередня обробка або у високотемпературній обробці з і без доданих хімікатів в залежності від типу біомаси, яка обробляється, або частини біомаси, яка розчиняється, спеціально зв'язаної з вмістом лігніну, і, в деяких випадках, з вмістом діоксиду кремнію. Коли суспензія біомаси закачується під тиском в камеру засобу для здійснення сильного зсуву або кавітації за допомогою міксера-подрібнювача-насоса, то вона зіштовхується з одним або більшою кількістю концентричних шарів засобів в камері при вичавлюванні в радіальному напрямі. Тиск на суспензію створює бічна радіальна сила, коли вона закачується в камеру міксером-подрібнювачем-насосом і доцен 96953 10 тровою силою, яка створюється обертальним ротором. Суспензія проходить крізь щілини між зубцями або крізь сопло, коли ротор повертається в сторону щілин або сопел статора. В багатостадійних пристроях, результатом є пульсуючий потік з швидкодіючою послідовністю стискувальних, кавітаційних та розширювально-стискувальних сил. Лігноцелюлозний матеріал в суспензії піддається дії цих періодичних сил, оскільки доцентрова сила прискорює його крізь щілини і отвори в напрямі до зовнішнього краю камери. Коли суспензія рухається в напрямку до зовнішнього краю камери, то доцентрові сили зростають, таким чином збільшуючи сили, створені в щілинах. У зовнішньому кільці або кільцях, суспензія вичавлюється крізь щілинний або сопловий засіб з найвищим тиском в системі. Тиск, прикладений до суспензії, усувається, коли біомаса виходить з сопла або сопел і призводить до сильного зсуву і/або кавітації у тучних і ембріональних клітинних структурах біомаси в залежності від попередньо описаних умов. Періодичні стискувальні і декомпресійні сили створюють, за допомогою кавітації, бульбашки в суспензії у зонах з великою енергією. Нагріті лігноцелюлозні тучні волоконні структури і, найважливіше, ембріональні клітини, подрібнюються ззовні і видуваються зсередини кавітаційними силами, оскільки нагріта вода сильно випаровується з тучних клітинних структур, а потім інтенсивно повторно перетворюється на рідину з проходженням ротора. Підраховано, що у великому кавітаційному пристрої в секунду відбувається півмільярда таких подій. Аморфні геміцелюлозні компоненти швидко руйнуються і розчиняються при вищевказаній температурі і рН. Представлений винахід може використовувати температури з величинами від температури навколишнього середовища до більш ніж 300 градусів Цельсія по всій послідовності етапів обробки, як це показано на доданих фігурах. Однією перевагою представленого винаходу є мінімізація періоду обробки при розчиненні геміцелюлози з одержанням ксилози і глюкози та інших цукрів, протеїну, оцтової кислоти та екстракту лігніну, та при розчиненні целюлози з одержанням глюкози і інших компонент біомаси для перетворення високих відсотків біомаси на високоякісні продукти. Представлений винахід головним чином, проте не завжди, складається з 4 основних етапів, які включають 1) зменшення початкового розміру частинок, 2) гідроліз геміцелюлози і відновлення продукту, 3) гідроліз целюлози і відновлення продукту, та 4) відновлення лігніну. В спеціальному прикладі, в сухій природній біомасі зменшують розмір частинок молотковою дробаркою або іншою придатною дробаркою, такою як Megamill, яка виготовляється компанією Prater Sterling of Bolingbrook, Illinois. Якщо волога біомаса використовується як сировина, як наприклад неочищені стічні води або свіжа трава, то, як приклади, пристрій для зменшення розміру частинок суспензії, такий як рядний гомогенізатор HED, який виготовляється компанією ІKА та іншими компаніями, може використовуватися для зменшення розміру частинок. Головним чином, після 11 послідовності дій по зменшенню розміру частинок, яка починається або з способу вологого подрібнення або способу сухого подрібнення з водою, яка додається для створення суспензії, вологі частинки здатні послідовно проходити крізь отвори, квадратні, прямокутні або круглі по формі у високошвидкісних гомогенізаторах суспензії із зменшенням розміру від 0,75мм - до 0,5мм. Головним чином, проте не завжди, оскільки частинки можуть проходити отвір розміром 1,5 мм, то отвір є круглим як практична інженерна конструкція. Коли суспензія, яка містить частинки біомаси, проходить крізь отвір, то частинки стають завжди меншими і мають зруйновану внутрішню структуру, оскільки в менших дірчастих засобах в гомогенізаторі(ах) індукується сильний зсув і кавітація. Кінцевий отвір малого розміру в такому пристрої обмежується такими факторами як в'язкість, завантажувані порції твердих речовин, тип біомаси, вік біомаси і іншими факторами. Перевага надається кінцевому розміру отворів гомогенізатора, який не менший ніж 0,75 мм, хоча в деяких застосуваннях менший отвір повинен бути практичним. В певній конфігурації способу, більші отвори забезпечують достатній зсув і кавітацію для досягання високих рівнів гідролізу. На багатьох субстратах, розмір отворів 2 мм або більше придатний для процесу ефективного розчинення при поєднанні з іншими вхідними факторами, такими як теплота і хімікати. Другим етапом у переважному варіанті виконання є гідроліз геміцелюлози. При одержанні головним чином меншого розміру частинок, застосовуючи вищеописаний(ні) спосіб(и), сухі частинки або вологі частинки вводяться в реакційну трубу для суспензії, при цьому головним чином суспензія досягає середньої температури 150°С - 300°С. Коли суспензія біомаси з дрібними частинками знаходиться в трубі для гідролізу геміцелюлоз або іншій реакційній посудині, то суспензія проходить крізь машини, які створюють надзвичайно сильний зсув і кавітацію. Окрім того, коли кавітація відбувається в діапазоні температур 150°С-300°С, ацетильні групи стають оцтовою кислотою для здійснення розчинення геміцелюлозної фракції біомаси. Застосовуючи кавітацію за вищеописаних умов, темпи гідролізу є надзвичайно швидкими, починаючи від секунд до менш ніж 5 хвилин, в залежності від субстратів. Оскільки цей етап не руйнує продукти відновлення ксилози і олігомерів глюкози, то подовжені періоди, більші 5 хвилин, які вимагаються для більш стійких субстратів, можуть застосовуватися для досягнення високих рівнів гідролізу геміцелюлоз. Результатом типового процесу обробки в пристрої Supratron, як одному з прикладів пристрою для здійснення сильного зсуву і/або кавітації, є 10 мас.% - 12 мас.% суспензії біомаси при манометричному тиску 190 фунтів на квадратний дюйм (psig) і 200 °С (392°F), хоча на деяких дешевих субстратах набагато менші концентрації можуть бути практичними. Деякі субстрати з більшим вмістом лігніну і попелу можуть вимагати нижчих концентрацій, вищих температур і інших агресивніших факторів, тоді як нижчі лігнінові матеріали можуть гарно протікати при вищих кон 96953 12 центраціях і гідролізуватися швидше з менш агресивними вхідними факторами. Після поміщення попередньо подрібненої сухої біомаси з бункера для зберігання у резервуар для зберігання суспензії, біомасу змішують з водою і рециркульованою парою низького тиску (атмосферного) та конденсатом. Альтернативно, суспензії, які містять біомасу, такі як неочищені стічні води, можуть бути вихідною сировиною. Цей спосіб рекуперує теплоту пари атмосферного тиску і конденсату зовні кавітаційного контуру високого тиску з сильним зсувом, у якому використовується пристрій типу Supraton. Рециркульована пара низького тиску має атмосферний тиск і одержується з нижніх потоків пари високого тиску. Ця пара атмосферного тиску безпосередньо вводиться під поверхню у резервуар для зберігання суспензії для мінімізації парів, які випускаються з резервуару. Конденсат є гарячим конденсатом атмосферного тиску з тих самих потоків. Завдяки азоту в резервуарі для зберігання суспензії створюється малий тиск для конденсації будь-яких парів, одержаних з нагрівання біомаси. Однак, манометричний тиск утримується меншим 15 фунтів на квадратний дюйм (psig). Абсолютний тиск встановлюють рівним 28 фунтів на квадратний дюйм (psia) або приблизно 13 фунтів на квадратний дюйм (psig). При цьому тиску суспензія буде нагріватися до приблизно 228°F перед підвищенням тиску. Мішалка зберігає біомасу суспендованою і робить її більш однорідною. Вищеописана пара високого тиску створюється з використанням відновленої технологічної води в котлі або теплогенеруючому пристрої, який надає теплоту, необхідну для досягання температури 392F. В переважному способі застосування пари або конденсованої пари, одержаної з системи реакційних труб, у якій підводиться енергія із збереженням тиску, дуальна функція видалення води з реакційних труб для збереження високої концентрації продукту в реакційних трубах або інших камерах, і перенесення води до холоднішої маси, що надходить, зберігає енергію в усьому процесі. Деякий тип палива повинен підводитися з швидкістю 12 приблизно 9x10 БТО/год. Робочий тиск кавітаційного пристрою досягається поступово зростаючою порожниною, такою як насос типу Моуnо. На вході в кавітаційний пристрій тиск випускання досягає величини 220 psig. Припущені перепади тиску у двох теплообмінниках становлять 5 фунтів на квадратний дюйм (psi), кожен з яких забезпечує тиск на виході насосу, що становить 230 psig (245 psia). Цей тиск необхідний для перешкоджання витіканню води в суспензії при температурі 392°F. Передбачаються два теплообмінника для рекуперації теплоти з нижнього обладнання для сушіння продуктових потоків і забезпечується подача C матеріалу при температурі 392 F до ділянки обробки пристрою Supratron системи. Перший теплообмінник рекуперує теплоту з пари, тиск якої змінюється з 210 - 100 psig. Другий теплообмінник використовує пару, одержану котлом або теплогенеруючим пристроєм. Конденсат високого тиску з обох теплообмінників подається в два етапи із зниженням тиску до величини атмосферного тиску 13 і повертається до резервуару для зберігання суспензій. Конденсат з цих теплообмінників не подається в пристрої для сушіння потоків продукту, через те, що до продукту додається вода. Пристрій Supratron і реактор/розчинювальний пристрій виробляють продукт на основі цукрів, який подається до пристрою Eco-Filter. Трубчатий реактор розчиняє геміцелюлозну частину біомаси. Період обробки в реакторі може обраховуватися для заданого діаметра і довжини труби. Цукровий продукт на основі геміцелюлози, одержаний з Eco-filter, для виготовлення хімікатів, включаючи довільне використання як олігомерного цукрового адгезивного продукту/адгезивного продукту на основі таніну або біопластмасового продукту плюс вода, спрямовується до котла або теплогенеруючого пристрою, де паливо використовується або споживається процесом для вироблення тепла, необхідного для нагрівання корму до температури 392°F. Пара з цього котла спрямовується до вищезгаданого другого теплообмінника, тоді як донні осади котла спрямовуються на етап сушіння потоку першого продукту. Котел виробляє пару з тиском 235 psig (250 psia) при температурі 401 °F для забезпечення приблизно температури 9°F в другому теплообміннику. Перший потік знижує тиск з 235 psig до 100 psig (115 psia). Пара з цього потоку надходить до першого теплообмінника. Донні осади є продуктом, який потрапляє до другого потоку. Другий потік знижує тиск з 100 psig до атмосферного тиску. Пара атмосферного тиску з цього потоку подається назад до резервуару для зберігання суспензій низького тиску зовні герметичного контуру. Донні осади з цього потоку містять продукт в кількості приблизно 10 мас.% і можуть вимагати подальшого сушіння. Тверді частинки целюлози з Eco-filter подаються до міксера, де додається сірчана кислота або вибраний основний хімікат. Ця пара становить приблизно 65 мас.% води. Кислота додається в пропорції 0,009 фунтів на фунт усієї маси, тоді як ряд основних хімікатів може застосовуватися в залежності від бажаної швидкості і степеня бажаної очистки. В залежності від типу біомаси, порції кислоти можуть становити від 0,025% до 2%, переважно 0,5%-0,9% сірчаної кислоти. Гідроліз протікає дуже швидко з високими відсотками, які досягаються в інтервалі від декількох секунд до 5 хвилин, переважно менше ніж через 1 хвилину, для мінімізації розщеплення з одержанням гідроксиметилфурфуралу та інших інгібіторів бродіння. Застосування сильного зсуву і кавітації в реакційній трубі, яка містить слабку кислоту, прискорює реакцію, завдяки якій деякі субстрати будуть розчинятися менше ніж за 1 хвилину з одержанням комерційно важливих відсотків. Целюлозу розчиняють в трубчастому або баковому реакторі. Після розчинення целюлози кислотою, додають аміак (один моль NH3 на моль сірчаної кислоти) або застосовують обернену формулу з основними хімікатами і нейтралізуючу кислоту. 10%-30% водний розчин аміаку використовують для нейтралізації кислоти, хоча в деяких способах можуть використовуватися вищі концен 96953 14 трації. Для усіх добавок вимагаються два дозувальні насоси високого тиску. Тепер суспензія проходить крізь два потоки, які знижують тиск і подібні до обговорених вище потоків для геміцелюлозного продукту. Потік високого тиску виробляє більше пари для першого теплообмінника, тоді як потік атмосферного тиску додатково знижує тиск так, що пара і конденсат можуть додаватися до резервуару для зберігання суспензії низького тиску, який розташований зовні контуру високого тиску. Продукт на основі целюлози становить приблизно 56% води і може або може не вимагати подальшої обробки. Нерозчинена біомаса може додатково оброблятися при тій же температурі з додаванням інших речовин. В одному переважному варіанті виконання, нерозчинені тверді речовини, які головним чином складаються з целюлози і лігніну, розділяються фільтрувальною системою, наприклад використовуючи фільтр, такий як Eco-Filter. Тверді речовини повинні переноситися під тиском 1 атмосфера для використання у нижніх процесах або як окремий продукт, який може використовуватися в багатьох продуктах, які включають клеї на основі біологічних матеріалів і біопластмаси та палива. Усі вищезгадані завантажувані речовини завантажуються перед або після і/або в поєднанні з сильним зсувом або об'єднаними сильним зсувом та кавітацією в певному діапазоні колових швидкостей обладнання і значень тиску, індукованих в широкому діапазоні підвищених значень тиску на вході з спеціально сформованими отворами з певними розмірами, і вихідними зонами низького тиску в системах. Вищеописані умови процесу є одним прикладом. Усі вхідні дані можуть поєднуватися в багатьох співвідношеннях в залежності від субстрату, бажаних результатів і різних стратегій екстрагування продукту. Представлений винахід може також використовуватися для екстрагування протеїну з біомаси для запобігання протіканню реакції розщеплення Мейяра в усьому процесі, коли це бажано і придатно до застосування, і для одержання протеїнових, поліпептидних або амінокислотних продуктів з таких екстрактів. Спосіб представленого винаходу створює, як супутній продукт, гарнозасвоюваний корм для жуйних тварин після екстрагування або як частково гідролізований або повністю попередньо оброблений продукт. Реакція Мейяра, також відома як неензиматичне підсмажування, включає теплову реакцію між алдозою або кетозою і альфа-амінокислотами або амінокислотними залишками в протеїнах для надання одержуваної основи Шиффа. Залишки основи Шиффа можуть піддаватися наступній перебудові для формування більш стабільної структури, відомої як продукт Амадорі. Подальша реакція може призводити до формування незасвоюваних меланоїдинів. Використання ранніх етапів реакції Мейяра призводить до одержання амінокислотних або протеїнових залишків, які захищаються від бродіння в мікрофлорі рубця і, тому, мають тенденцію до уникнення бродіння в рубці з метаболізацією в інших відділеннях травної системи жуйних тварин. 15 В одному варіанті виконання, який використовує біомасу, яка містить протеїн, протеїн біомаси розчиняється при високій температурі в поєднанні з кислотою і одержуваними цурками, які стають "карамелізованими" в "реакції Мейяра", таким чином, має місце втрата цукрів і протеїну, якщо задачею є добування зброджуваних цукрів. Коли реакція Мейяра є вигідною як один спосіб одержання попередників клею і біопластмас, для одержання цукру, щоб одержати ферментовані хімікати, екстрагування або видалення протеїну є важливим, навіть критичним питанням перед гідролізом для запобігання їх втраті внаслідок реакції Мейяра. Введення ензимів протеази при низькій температурі для екстрагування застосовується для видалення протеїну перед високотемпературною обробкою слабкою кислотою для запобігання протіканню реакції Мейяра. Попередньо оброблена біомаса з використанням представленого способу підвищує ензиматичне екстрагування протеїну внаслідок збільшеної площі поверхні. Біомасу змішують з водою, якщо вона все ще не перебуває у формі суспензії. Суспензію спершу піддають високотемпературній екстракції і коагуляції або альтернативно дії ензимів протеази, хлориду калію, слабкої кислої основи або їх сумішей або послідовному видаленню протеїну з біомасу, коли вона виходить. Після оптимального екстрагування протеїну, суспензію центрифугують або фільтрують, протеїн і/або амінокислоти розділяють і відновлюють, а надосадову рідину рециркулюють як живильну воду для наступної біомаси. Протеїни або амінокислоти екстрагують з надосадової рідини промисловою хроматографією, пропускають їх крізь процес обробки активними органічними речовинами, які можуть метаболізувати їх, або інший спосіб видалення протеїну і амінокислот як продукту для продажу як корму для тварин або як поживного продукту для людини. Масштабна гаряча обробка біомаси з використанням представленого винаходу буде надавати нові неочікувані об'єми протеїну, поліпептиду і/або амінокислот для додавання до місцевих дієт, які, як відомо, бідні на поживні речовини на основі протеїну. Спосіб представленого винаходу може також використовуватися для змішування кінцевих розчинених або частково розчинених продуктів біомаси з пластмасами для створення унікальних структурних матеріалів, які включають рейкові шпали, корпусні деталі і будівельні матеріали, і так далі. Представлений винахід передбачає швидкий, повний і/або майже повний гідроліз біомаси, який використовує мінімальні або нехімічні і мінімальні 96953 16 механічні вхідні фактори з одночасною вибірковою мінімізацією розщеплення субстрату на продукти, такі як гідроксиметилфурфурал і інші менш бажані продукти, коли такі продукти не бажані. І навпаки, в стратегіях одержання ціннішого продукту, можуть одержуватися фурфурал і інші продукти, одним прикладом яких є одержання гідроксиметилфурфуралу для використання як компоненти клеїв або біопластмас. Спосіб виробляє глюкозу і інші продукти у високих концентраціях, які мають велике значення в процесах бродіння, де низькі концентрації продукту є проблематичними з економічної точки зору. Спосіб представленого винаходу може необов'язково виробляти зброджувані цукри та інші продукти без використання дорогих ензимів, застосування яких є затратним і обмежуючим концентрацію продукту. Спосіб також може видаляти інгібітори бродіння, що можуть одержуватися під час очищення біомаси. Спосіб представленого винаходу може також використовуватися для підвищення виробництва "синтетичного газу" за допомогою високотемпературного піролізу або газифікації. Спосіб може також використовуватися для газифікації відходів. Спосіб представленого винаходу включає зберігання теплової енергії спеціалізованим чином за допомогою збільшення накопичення продукту на кінцевому етапі екстрагування продукту з ділянок високого тиску для утилізації енергії, застосовуваної на етапі накопичення, для попереднього нагрівання свіжої біомаси, що надходить, до температур гідролізу, при яких не застосовуються ензими, з одночасним збільшенням швидкостей гідролізу, таким чином використовуючи менше енергії для механічної обробки і досягання високих відсотків перетворення при застосуванні малих кількостей мінеральних і аміачних каталізаторів. У цій заявці, публікації, на які робиться посилання, включаючи патенти США, містять ім'я автора і рік публікації. Увесь список публікацій наведений нижче. На ці публікації і патенти робиться посилання у заявці для більш повного опису рівня техніки, до якого відноситься цей винахід. Винахід описаний ілюстративним чином і слід розуміти, що використовувана термінологія передбачена скоріше для чіткішого опису, а ніж для обмеження. Очевидно, що у світлі вищенаведеної інформації можливі багато модифікацій і варіантів представленого винаходу. Тому, зрозуміло, що в об'ємі доданої формули винаходу винахід може реалізовуватися іншим чином, як це спеціально описано. 17 96953 18 19 96953 20 21 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 96953 Підписне 22 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601