Спосіб підготовки кормового матеріалу

Реферат: Винахід належить до способу підготовки кормового матеріалу, що складається з опромінення біомаси пучком електронів дозою опромінення щонайменше 5,0 Мрад та потужністю щонайменше 5 кВт, для одержання кормового матеріалу, що має середньочисельну молекулярну масу від 3000 Дальтон до 50000 Дальтон. UA 110317 C2 (12) UA 110317 C2 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ГАЛУЗЬ ТЕХНІКИ Цей винахід стосується переробки біомаси, композицій, що включають сахаридні елементи, організовані в молекулярний ланцюг, способів одержання амінокислот або антибіотиків, способів одержання харчового або імуностимулюючого матеріалу і продуктів, одержуваних такими способами. РІВЕНЬ ТЕХНІКИ Біомаса, зокрема відходи біомаси, широко доступна. Було б корисним одержання продуктів з біомаси. СУТЬ ВИНАХОДУ Ілюстративні продукти, які можна продукувати з використанням способів, представлених в даному описі, включають продукти харчування, придатні для вживання, наприклад, в їжу людиною і/або твариною, в аквакультурі, сільському господарстві, вирощуванні рослин без ґрунту (гідропоніка), фармацевтичних засобах, нутрицевтиках, носіях для доставки фармацевтичних засобів і дозованих формах, фармацевтичних ексципієнтах, фармацевтичних кон'югатах, поперечнозшитих матрицях, таких як гідрогелі, поглинаючих матеріалах, добривах і продуктах лігніну. Будь-який продукт, описаний в даному документі або продукований способами, описаними в даному документі, можна використовувати як є або як попередник або проміжний матеріал при одержанні іншого продукту. TM У багатьох варіантах здійснення продукти можна виробляти з використанням Natural Force TM Chemistry. У способах Natural Force Chemistry використовується контрольоване застосування фізичних сил, таких як пучки частинок, сила тяжіння, світло і т. д., і маніпулювання ними, для внесення в молекули передбачуваних структурних і хімічних змін. У переважних варіантах TM здійснення способи Natural Force Chemistry змінюють молекулярну структуру без хімічних реагентів або мікроорганізмів. З використанням природних процесів можна створювати новий корисний матеріал без шкоди навколишньому середовищу. У одному аспекті одержання харчового матеріалу включає зміну молекулярної структури полісахаридів біомаси, включаючи полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози або крохмалю, для одержання харчового матеріалу, який має доступність живильних елементів, що перевищує доступність живильних елементів біомаси. У одному аспекті даний винахід стосується способів підготовки харчових матеріалів для тварин (наприклад, людини і тварин, включаючи, але не обмежуючись ними, м'ясомолочну худобу, домашніх тварин, тварин зоопарків і т. д.) і для рослин (наприклад, сільськогосподарських рослин або культур або водних рослин, зокрема в гідропонному розчині або в аквакультурі), і для водних організмів (наприклад, риб, ракоподібних, молюсків і т. п.). Ці способи включають одержання першого матеріалу, який включає біомасу (наприклад, рослинну біомасу, тваринну біомасу, мікробну біомасу і біомасу міських відходів), що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю. Потім молекулярну структуру полісахаридів першого матеріалу модулюють (наприклад, збільшують, зменшують або зберігають) для одержання другого матеріалу з більшою доступністю живильних речовин (наприклад, білків, вуглеводів, жирів, вітамінів і/або мінералів), ніж в першому матеріалі. Необов'язково способи можуть включати надання другого матеріалу тваринам (наприклад, людині і/або тваринам, що не є людиною). У деяких варіантах здійснення способи, описані в даному документі, можна використовувати для одержання матеріалів, придатних для застосування для підтримання або стимуляції росту мікроорганізмів (наприклад, бактерій, дріжджів, грибів, одноклітинних організмів, наприклад водоростей або подібних грибам найпростіших, наприклад слизистої плісняви), водних організмів (наприклад, в аквакультурі) і/або рослин і дерев (наприклад, в сільському господарстві, вирощуванні рослин без ґрунту і лісівництві). У одному аспекті спосіб включає конвертування переробленого матеріалу з використанням мікроорганізму для одержання придатного в їжу матеріалу, амінокислоти або її похідного, антибіотика або імуностимулюючого матеріалу, причому перероблений матеріал одержують переробкою біомаси, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози або крохмалю, що має перший рівень неподатливості, з використанням щонайменше одного з радіаційного опромінення, обробки ультразвуком, піролізу і окислення, з одержанням переробленого матеріалу, що має рівень неподатливості нижче, ніж рівень неподатливості першого матеріалу, де неподатливість визначають шляхом інкубації в присутності целюлази. Деякі варіанти здійснення одержання придатного в їжу матеріалу включають виділення і/або очищення придатного в їжу матеріалу. Придатний в їжу матеріал може бути засвоюваним і/або всмоктуваним. Придатний в їжу матеріал може бути вибраний з групи, яка складається з 1 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фармацевтичних засобів, нутрицевтиків, білків, жирів, вітамінів, олій, волокон, мінералів, цукрів, вуглеводів і спирту. У деяких варіантах здійснення одержання амінокислоти або її похідного, амінокислоту або її похідне вибирають з групи, яка складається з L-амінокислот і D-амінокислот, таких як Lглутамінова кислота (глутамат мононатрію (MSG)), L-аспарагінова кислота, L-фенілаланін, Lлізин, L-треонін, L-триптофан, L-валін, L-лейцин, L-ізолейцин, L-метіонін, L-гістидин і Lфенілаланін, L-лізин, DL-метіонін і L-триптофан. Мікроорганізм може бути вибраний з групи, яка складається з молочнокислих бактерій (LAB), Е. coli, Bacillus subtilis і Corynebacterium glutamicum. У деяких варіантах здійснення одержання антибіотика, антибіотик вибирають з групи, яка складається з тетрацикліну, стрептоміцину, циклогексаміду, неоміцину, циклосерину, еритроміцину, канаміцину, лінкоміцину, ністатину, поліміксину В і бацитрацину. Мікроорганізм може бути вибраний з групи, яка складається з Streptomyces remosus, Streptomyces griseus, Streptomyces frodiae, Streptomyces orchidaceus, Streptomyces erythreus, Streptomyces kanamyceticus, Streptomyces, Streptomyces noursei, Bacillus polymyxa і Bacillus licheniformis. У деяких варіантах здійснення біомаса може бути вибрана з групи, яка складається з паперу, паперової продукції, паперових відходів, деревини, пресованої деревини, деревної тирси, сільськогосподарських відходів, стічних вод, силосу, трав, рисового лушпиння, макухи, бавовни, джуту, пеньки, льону, бамбука, сизалю, абаки, соломи, серцевин кукурудзяних качанів, кукурудзяної соломи, проса, люцерни, сіна, кокосових волокон, морської трави, водоростей і їх сумішей. У деяких випадках біомаса має внутрішні волокна і є роздробленою до такої міри, щоб внутрішні волокна були по суті оголені, і/або де біомаса має площу поверхні BET більше ніж 2 3 приблизно 0,25 м /г і об'ємну густину менше ніж приблизно 0,5 г/см . Переробка може включати опромінення іонізуючим випромінюванням. Перероблений матеріал можна піддавати ферментативному гідролізу. У одному аспекті поглинач включає перероблений матеріал біомаси, що включає сахаридні елементи, організовані в молекулярний ланцюг, де від приблизно 1 з кожних 2 до приблизно 1 з кожних 250 сахаридних елементів включає групу карбонової кислоти або її складного ефіру або солі. У деяких варіантах здійснення перероблений матеріал біомаси оброблений силаном для того, щоб поглинач був ліпофільним. У іншому аспекті фільтрувальний матеріал включає опромінений целюлозний або лігноцелюлозний матеріал, адаптований для затримання і фільтрації потоку. У іншому аспекті продукт включає конвертований матеріал, одержаний конвертуванням переробленого матеріалу з використанням мікроорганізму, з одержанням конвертованого матеріалу, причому перероблений матеріал одержують шляхом переробки біомаси, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози або крохмалю, що має перший рівень неподатливості, з використанням щонайменше одного з радіаційного опромінення, обробки ультразвуком, піролізу і окислення, для одержання переробленого матеріалу, що має рівень неподатливості більш низький, ніж рівень неподатливості першого матеріалу, де неподатливість визначають шляхом інкубації в присутності целюлази. У іншому аспекті даний винахід стосується способів поліпшення фармацевтичного профілю матеріалів. Ці способи включають одержання першого матеріалу, що включає біомасу (наприклад, рослинну біомасу, тваринну біомасу, мікробну біомасу і біомасу міських відходів), що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, і модулювання (наприклад, збільшення, зменшення або збереження) молекулярної структури полісахаридів першого матеріалу для одержання другого матеріалу, де одним з результатів способів є те, що фармацевтичний профіль другого матеріалу є кращим або вдосконаленим в порівнянні з фармацевтичним профілем першого матеріалу. У деяких випадках способи включають застосування перших матеріалів з невеликим фармацевтичним профілем або без нього перед модулюванням молекулярної структури першого матеріалу. Другі матеріали, одержані з використанням способів, описаних в даному документі, придатні для введення тварині. У наступному аспекті винахід стосується способів одержання фармацевтичного засобу рослинного походження. Ці способи включають переробку матеріалу, що включає біомасу (наприклад, рослинну біомасу, тваринну біомасу, мікробну біомасу і біомасу міських відходів), що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, що містить один або декілька продукованих в рослині фармацевтичних засобів, з використанням будь-якого одного або декількох з радіаційного опромінення, обробки ультразвуком, піролізу і окислення для одержання фармацевтичного засобу рослинного походження. У деяких випадках фармацевтичний препарат рослинного походження може бути виділеним і/або очищеним. 2 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У іншому аспекті даний винахід стосується способів одержання нутрицевтиків для вживання людиною і/або тваринною, що не є людиною. Ці способи включають переробку матеріалу, що містить біомасу (наприклад, рослинну біомасу, тваринну біомасу, мікробну біомасу і біомасу міських відходів), що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, так щоб змінювалася молекулярна структура полісахаридів матеріалу (наприклад, збільшувалася або зменшувалася молекулярна маса матеріалу). Ці способи необов'язково також можуть включати введення одержаних матеріалів людині і тварині, що не є людиною. У альтернативному аспекті винахід стосується способів одержання біологічних засобів і/або фармацевтичних засобів. Ці способи включають переробку матеріалу, який включає біомасу, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, щоб змінити молекулярну структуру полісахаридів матеріалу. Потім одержані матеріали можна комбінувати з одним або декількома біологічними засобами і/або одним або декількома фармацевтичними засобами, які можна вводити суб'єкту. Також даний винахід стосується способів одержання гідрогелів. Ці способи включають переробку матеріалу, який включає біомасу, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, і зміну молекулярної структури полісахаридів з одержанням матеріалу, який включає поперечнозшиті полімерні ланцюги. Крім того, спосіб може включати поперечне зшивання полімерних ланцюгів в переробленому матеріалі. У іншому аспекті даний винахід стосується способів одержання поглинаючого або адсорбуючого матеріалу. Ці способи включають переробку матеріалу, який включає біомасу, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, і зміну молекулярної структури полісахаридів для одержання поглинаючого матеріалу. Ці поглинаючі матеріали можуть бути зарядженими, наприклад позитивно або негативно зарядженими, і вони можуть мати ліпофільні і/або гідрофільні властивості. По суті, матеріали можна використовувати як підстилку або підстильний шар для тварин і/або поглинаючого матеріалу для зв'язування матеріалів в розчині (наприклад, забруднювачів). У деяких варіантах здійснення ці поглинаючі матеріали можна використовувати для зв'язування біологічних матеріалів в розчинах крові або плазми. У наступному аспекті даний винахід стосується способів одержання добрив. Ці способи включають переробку матеріалу, який включає біомасу, що містить полісахариди у формі целюлози, геміцелюлози і/або крохмалю, і зміну молекулярної структури полісахаридів з одержанням матеріалу, який має більш високу розчинність, ніж вихідний матеріал, і який придатний як добриво. Кожний з цих способів включає обробку біомаси з використанням одного або декількох з (наприклад, одного, двох, трьох або чотирьох з) зменшення розміру (наприклад, механічного зменшення розміру окремих фрагментів біомаси), радіаційного опромінення, обробки ультразвуком, піролізу і окислення для модулювання матеріалів. У деяких варіантах здійснення в способах використовується доза радіаційного випромінювання, наприклад, від 0,1 до 10 Мрад. У деяких варіантах здійснення в способах використовується доза радіаційного випромінювання, наприклад, від більше ніж 10 до 1000 Мрад. У деяких аспектах даний винахід також стосується композиції, виготовленої з використанням будь-якого зі способів, описаних в цьому документі. Наприклад, винахід стосується композиції, яка включає сахаридні елементи, організовані в молекулярний ланцюг, де від приблизно 1 з кожних 2 до приблизно 1 з кожних 250 сахаридних елементів містить групу карбонової кислоти або її складногоефіру або солі, і композиція придатна для вживання як харчового матеріалу. У деяких варіантах здійснення композиція включає множину таких ланцюгів. У деяких випадках від приблизно 1 з кожних 5 до приблизно 1 з кожних 250 сахаридних елементів кожного ланцюга містить групу карбонової кислоти або її складного ефіру або солі, зокрема від приблизно 1 з кожних 8 до приблизно 1 з кожних 100 або від приблизно 1 з кожних 10 до приблизно 1 з кожних 50 сахаридних елементів кожного ланцюга містить групу карбонової кислоти або її складного ефіру або солі. Кожний ланцюг може включати від приблизно 10 до приблизно 200 сахаридних елементів. Кожний ланцюг може включати геміцелюлозу або целюлозу, і/або кожний ланцюг може включати сахаридні елементи, які включають групи, вибрані з групи, яка складається з нітрозогруп, нітрогруп і нітрильних груп. Сахаридні елементи можуть включати 5 або 6 вуглецевих сахаридних елементів. Середня молекулярна маса композиції відповідно до стандартів PEG складає від 1000 до 1000000, зокрема менше 10000. Під "придатним для вживання як харчовий матеріал" мають на увазі, що композиція є нетоксичною, в умовах її передбачуваного застосування, для живого організму, якого нею годують, і забезпечує деяку поживну цінність організму, наприклад енергію і/або живильні речовини. 3 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У деяких варіантах здійснення сировину біомаси попередньо обробляють. У деяких варіантах здійснення способи, описані в даному документі, можуть включати попередню обробку для зниження одного або декількох розмірів окремих фрагментів біомаси. Наприклад, попередня обробка може включати зменшення одного або декількох розмірів окремих фрагментів, наприклад дроблення, нарізання, подрібнення, роздавлювання або розтирання. У всіх способах, описаних в даному документі, можна застосовувати тиск. Наприклад, щонайменше один зі способів обробки, наприклад радіаційне опромінення, можна проводити на біомасі під тиском більше ніж приблизно 2,5 атмосфери (0,25 МПа), наприклад більше ніж 5 або 10 атмосфер (0,5 або 1 МПа). Приклади біомаси (яка також називається "сировиною біомаси" або "сировиною") включають целюлозні або лігноцелюлозні матеріали, такі як папір, паперова продукція, паперові відходи, деревина, пресована деревина, деревна тирса, сільськогосподарські відходи, стічні води, силос, трави, рисове лушпиння, макуха, бавовна, джут, пенька, льон, бамбук, сизаль, абака, солома, серцевини кукурудзяних качанів, кукурудзяна солома, просо, люцерна, сіно, кокосові волокна, маніока і синтетична целюлоза і/або їх суміші. У деяких випадках біомаса може включати одноклітинні і/або багатоклітинні організми. Ілюстративні організми включають, але не обмежуються ними, наприклад, одноклітинні організми (наприклад, тварини (наприклад, найпростіші, такі як джгутикові, амебоподібні, інфузорії і споровики) і рослини (наприклад, водорості, такі як альвеолобіонти, хлорарахніофіти, криптомонади, евгленіди, глаукофіти, гаплофіти, червоні водорості, страмінопіли і зелені водорості)), морську траву, планктон (наприклад, макропланктон, мезопланктон, мікропланктон, нанопланктон, пікопланктон і фемптопланктон), фітопланктон, бактерії (наприклад, грампозитивні бактерії, грамнегативні бактерії і екстремофіли), дріжджі і/або їх суміші. У деяких випадках біомаса може включати одноклітинні або багатоклітинні організми, одержані з океану, озер і водоймищ, що включають солону воду і прісну воду. У деяких випадках біомаса може включати органічні матеріали відходів, такі як відходи тваринництва або екскременти тварин або відходи або екскременти людини (наприклад, компост і стічні води). У деяких випадках біомаса може включати будь-яку комбінацію будь-яких з них. Інші матеріали біомаси описані в даному документі. Інші матеріали біомаси, які включають целюлозу, описані в патентах, патентних заявках і публікаціях, які включені в даний опис як посилання. У деяких випадках біомаса може бути, наприклад, в розчині, сухою і замороженою. Якщо біомаса являє собою або включає мікроорганізми, ці мікроорганізми, як правило, включають вуглеводи, наприклад целюлозу. Ці мікроорганізми можуть бути в розчині, сухими, замороженими, в активному і/або неактивному стані. У деяких варіантах здійснення ці мікроорганізми можуть вимагати додаткової переробки перед впливом на них способами, описаними в даному документі. Наприклад, мікроорганізми можуть бути в розчині і їх можна витягати з розчину, наприклад, центрифугуванням і/або фільтрацією. Альтернативно або додатково, мікроорганізми можна піддавати способам, описаним в даному документі, без цих додаткових стадій, наприклад мікроорганізми можна використовувати в розчині. У деяких випадках біомаса може являти собою або може включати природний або синтетичний матеріал. Опромінення, наприклад, можна проводити з використанням іонізуючого випромінювання, такого як гамма-промені, пучок електронів або ультрафіолетове С-випромінювання, що має довжину хвилі від приблизно 100 нм до приблизно 280 нм. Іонізуюче випромінювання може включати випромінювання пучка електронів. Наприклад, радіаційне випромінювання можна застосовувати в загальній дозі від приблизно 10 Мрад до приблизно 150 Мрад, наприклад при рівні дози від приблизно 0,5 до приблизно 10 Мрад/добу або від 1 Мрад/с до приблизно 10 Мрад/с. У деяких варіантах здійснення опромінення включає застосування двох або більше джерел випромінювання, таких як гамма-промені і пучок електронів. У деяких варіантах здійснення біомаса виявляє перший рівень неподатливості, і вуглеводний матеріал виявляє другий рівень неподатливості, який є більш низьким, ніж перший рівень неподатливості. Наприклад, другий рівень неподатливості може бути нижчим, ніж перший рівень неподатливості щонайменше приблизно на 10 % (наприклад, на 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 99, 100 %). У деяких варіантах здійснення рівень неподатливості може бути знижений на 50-90 %. Біомасу можна одержувати дробленням біомаси (наприклад, джерела волокон біомаси) для забезпечення волокнистого матеріалу. Наприклад, дроблення можна проводити за допомогою різального пристрою з обертовим ножем. Волокна волокнистого матеріалу можуть мати, наприклад, середнє відношення довжини до діаметра (L/D) більше 5/1. Волокнистий матеріал 2 може мати, наприклад, площу поверхні BET більше 0,25 м /г (наприклад, 0,3, 0,35, 0,35, 0,4, 0,5, 2 2 1, 1,5, 2, 3, 10, 25 м /г або більше ніж 25 м /г). 4 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У деяких варіантах здійснення вуглевод може включати один або декілька β-1,4-зв'язків і мати середньочислову молекулярну масу від приблизно 3000 до 50000 дальтон. У деяких прикладах попередньо оброблений матеріал біомаси може додатково включати буфер, такий як бікарбонат натрію або хлорид амонію, електроліт, такий як хлорид калію або хлорид натрію, фактор росту, такий як біотин, і/або пару основ, таких як урацил, поверхневоактивна речовина, мінерал або хелатуючий агент. Для сприяння зниженню молекулярної маси целюлози в будь-якому зі способів, описаних в даному документі, можна використовувати фермент, наприклад целюлолітичний фермент, і/або засіб, що викликає набухання. Коли використовують мікроорганізм, він може являти собою природний мікроорганізм або одержаний способами інженерії мікроорганізм (наприклад, генетично модифікований мікроорганізм (GMM)). Наприклад, мікроорганізм може являти собою бактерію, наприклад целюлолітичну бактерію, гриб, наприклад дріжджі, рослину або одноклітинний організм, наприклад водорості, найпростіші або подібні грибам одноклітинні організми, наприклад слизисту плісняву, одноклітинні організми (наприклад, тварини (наприклад, найпростіші, такі як джгутикові, амебоподібні, інфузорії і споровики) і рослини (наприклад, водорості, такі як альвеолобіонти, хлорарахніофіти, криптомонади, евгленіди, глаукофіти, гаплофіти, червоні водорості, страмінопіли і зелені водорості)), морську траву, планктон (наприклад, макропланктон, мезопланктон, мікропланктон, нанопланктон, пікопланктон і фемптопланктон), фітопланктон і/або їх суміші. У деяких варіантах здійснення мікроорганізм являє собою білочервону плісняву. У деяких випадках мікроорганізм може включати одноклітинні і/або багатоклітинні організми, наприклад організми з океану, озер і водоймищ, що включають солону воду і прісну воду. Коли організми є сумісними, можна використовувати їх суміші. Як правило, різні мікроорганізми можуть продукувати ряд корисних продуктів шляхом функціонування на матеріалах, конвертування, біоконвертування або ферментації матеріалів. Наприклад, за допомогою ферментації або інших способів можна одержувати спирти, органічні кислоти, вуглеводні, водень, білки, вуглеводи, жири/олії/ліпіди, амінокислоти, вітаміни або суміші будь-яких з цих матеріалів. Приклади продуктів, які можна одержувати з використанням способів, описаних в даному документі, включають моно- і поліфункціональні C1-C6-алкілспирти, моно- і поліфункціональні карбонові кислоти, C1-C6-вуглеводні і їх комбінації. Конкретні приклади придатних спиртів включають метанол, етанол, пропанол, ізопропанол, бутанол, етиленгліколь, пропіленгліколь, 1,4-бутандіол, гліцерин і їх комбінації. Конкретні приклади придатних карбонових кислот включають мурашину кислоту, оцтову кислоту, пропіонову кислоту, масляну кислоту, валеріанову кислоту, капроєву кислоту, пальмітинову кислоту, стеаринову кислоту, щавлеву кислоту, малонову кислоту, янтарну кислоту, глутарову кислоту, олеїнову кислоту, ліноленову кислоту, гліколеву кислоту, молочну кислоту, γ-гідроксимасляну кислоту і їх комбінації. Приклади придатних вуглеводнів включають метан, етан, пропан, пентан, н-гексан і їх комбінації. Інший аспект винаходу стосується способу, який включає конвертування низькомолекулярного цукру, або матеріалу, який включає низькомолекулярний цукор, в суміші з біомасою, мікроорганізмом і розчинником або системою розчинників, наприклад водою або сумішшю води і органічного розчинника, в будь-який продукт, описаний в даному документі. Без зв'язку з якою-небудь конкретною теорією, вважають, що наявність твердої речовини, такої як тверда речовина з високою площею поверхні і/або високою пористістю, може підвищити швидкості реакції шляхом збільшення ефективної концентрації розчинених речовин і надання субстрату, на якому може протікати реакція. Докладний опис такої конверсії представлений в патентній заявці США № 12/417840, поданій 3 квітня 2009 року, повний зміст якої включений в даний опис як посилання в повному об'ємі. Термін "волокнистий матеріал", як використовують в даному описі, являє собою матеріал, який включає множину пухких, дискретних і роздільних волокон. Наприклад, волокнистий матеріал може бути одержаний з джерела волокон, що являє собою відбілений крафт-папір, шляхом дроблення, наприклад, за допомогою різального пристрою з обертовим ножем. Термін "сито", як використовують в даному описі, означає елемент, здатний просівати матеріал відповідно до розміру. Приклади сит включають пластину, циліндр з отворами або подібне, або дротяне сито або матер'яну тканину. Термін "піроліз", як використовують в даному описі, означає руйнування зв'язків в матеріалі з використанням теплової енергії. Піроліз може відбуватися, коли матеріал, що розглядається, знаходиться у вакуумі або занурений в газоподібну речовину, таку як окислювальний газ, наприклад повітря або кисень, або відновний газ, такий як водень. 5 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вміст кисню визначають за допомогою елементного аналізу шляхом піролізу зразка в печі, працюючій при 1300 °C або вище. Для цілей цього опису, вуглеводи являють собою матеріали, які повністю складаються з одного або декількох сахаридних елементів або які включають один або декілька сахаридних елементів. Сахаридні елементи можуть бути функціоналізованими в області кільця за допомогою однієї або декількох функціональних груп, таких як групи карбонових кислот, аміногрупи, нітрогрупи, нітрозогрупи або нітрильні групи, і, проте, вважатися вуглеводами. Вуглеводи можуть бути полімерними (наприклад, рівними 10-меру, 100-меру, 1000-меру, 10000меру або 100000-меру або перевищуючими їх), олігомерними (наприклад, рівними 4-меру, 5меру, 6-меру, 7-меру, 8-меру, 9-меру або 10-меру або перевищуючими їх), тримерними, димерними або мономерними. Коли вуглеводи утворені з більше ніж одного повторюваного елемента, всі елементи можуть бути однаковими або різними. Приклади полімерних вуглеводів включають целюлозу, ксилан, пектин і крохмаль, в той час як прикладами димерних вуглеводів є целобіоза і лактоза. Приклади мономерних вуглеводів включають глюкозу і ксилозу. Вуглеводи можуть бути частиною надмолекулярної структури, наприклад, ковалентно приєднаної до структури. Приклади таких матеріалів включають лігноцелюлозні матеріали, такі як матеріали, що знаходяться в дереві. Крохмальний матеріал є матеріалом, який являє собою крохмаль або похідне крохмалю або включає значні кількості крохмалю або похідного крохмалю, наприклад більше ніж приблизно 5 мас. % крохмалю або похідного крохмалю. Для цілей цього опису, крохмаль являє собою матеріал, який включає амілозу, амілопектин або їх фізичну і/або хімічну суміш, наприклад суміш амілози і пектину, що складає 20:80 або 30:70 мас. %. Наприклад, рис, кукурудза і їх суміші являють собою крохмальні матеріали. Похідні крохмалю включають, наприклад, мальтодекстрин, кислотно-модифікований крохмаль, основно-модифікований крохмаль, відбілений крохмаль, окислений крохмаль, ацетильований крохмаль, ацетильований і окислений крохмаль, фосфатно-модифікований крохмаль, генетично модифікований крохмаль і крохмаль, який є стійким до розщеплення. Для цілей цього опису, низькомолекулярний цукор являє собою вуглевод або його похідне, які мають молекулярну масу по формулі (за винятком вологовмісту) менше ніж приблизно 2000, наприклад менше ніж приблизно 1800, менше ніж приблизно 1600, менше ніж приблизно 1000, менше ніж приблизно 500, менше ніж приблизно 350 або менше ніж приблизно 250. Наприклад, низькомолекулярний цукор може являти собою моносахарид, наприклад глюкозу або ксилозу, дисахарид, наприклад целобіозу або сахарозу, або трисахарид. Засоби, що викликають набухання, як використовують в даному описі, являють собою матеріали, які викликають видиме набухання, наприклад підвищення об'єму целюлозних і/або лігноцелюлозних матеріалів відносно ненабухлого стану, що становить 2,5 %, при застосуванні до таких матеріалів як розчину, наприклад, водного розчину. Приклади включають лужні речовини, такі як гідроксид натрію, гідроксид калію, гідроксид літію і гідроксиди амонію, підкислювачі, такі як мінеральні кислоти (наприклад, сірчана кислота, хлористоводнева кислота і фосфорна кислота), солі, такі як хлорид цинку, карбонат кальцію, карбонат натрію, сульфат бензилтриметиламонію, і основні органічні аміни, такі як етилендіамін. У деяких варіантах здійснення перед опроміненням до біомаси не додають ніяких хімічних реагентів, наприклад засобів, що викликають набухання. Наприклад, в деяких з цих варіантів здійснення перед опроміненням або іншою переробкою не додають ніяких лужних речовин (таких як гідроксид натрію, гідроксид калію, гідроксид літію і гідроксиди амонію), підкислювачів (таких як мінеральні кислоти (наприклад, сірчана кислота, хлористоводнева кислота і фосфорна кислота)), солей, таких як хлорид цинку, карбонат кальцію, карбонат натрію, сульфат бензилтриметиламонію, або основних органічних амінів, таких як етилендіамін. У деяких випадках не додають додаткової води. Наприклад, біомаса перед переробкою може мати менше 0,5 мас. % доданих хімічних реагентів, наприклад менше ніж 0,4, 0,25, 0,15 або 0,1 мас. % доданих хімічних реагентів. У деяких випадках біомаса перед опроміненням має не більше ніж слідові кількості, наприклад менше 0,05 мас. %, доданих хімічних реагентів. У інших випадках біомаса перед опроміненням по суті не має доданих хімічних реагентів або засобів, що викликають набухання. Уникнення застосування таких хімічних реагентів також може поширюватися на переробку, наприклад, протягом всього часу перед ферментацією або протягом всього часу. Термін "харчовий", як використовують в даному описі, означає придатний для вживання як їжі. 6 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 "Роздроблений матеріал", як використовують в даному описі, являє собою матеріал, який включає окремі волокна, в яких щонайменше приблизно 50 % окремих волокон мають відношення довжина/діаметр (L/D) щонайменше приблизно 5 і які мають об'ємну густину в 3 нестисненому стані менше ніж приблизно 0,6 г/см . У деяких варіантах здійснення зміна молекулярної структури біомаси, як використовують в даному описі, означає зміну розташування хімічних зв'язків, наприклад типу і кількості функціональних груп, або конформації структури. Наприклад, зміна молекулярної структури може включати зміну рівня неподатливості матеріалу, зміну надмолекулярної структури матеріалу, окислення матеріалу, зміну середньої молекулярної маси, зміну середньої кристалічності, зміну площі поверхні, зміну міри полімеризації, зміну пористості, зміну міри розгалуження, прищеплену співполімеризацію з іншими матеріалами, зміну розміру кристалічного домену або зміну розміру всього домену. Якщо не визначено інакше, всі технічні і наукові терміни, використовувані в даному описі, мають те ж значення, яке звичайно мають на увазі фахівці в галузі, до якої належить цей винахід. Незважаючи на те, що на практиці або при тестуванні даного винаходу можна використовувати способи і матеріали, схожі або еквівалентні способам або матеріалам, описаним в даному документі, придатні способи і матеріали описані нижче. Всі публікації, патентні заявки, патенти і інші посилання, згадані в даному описі, включені як посилання в повному об'ємі. У випадку суперечності, потрібно керуватися даним описом. Крім того, матеріали, способи і приклади є тільки ілюстративними і не призначені для обмеження. Як використовують в даному описі, термін "суб'єкт" використовують протягом описі для опису тварини, яка є людиною або яка не є людиною. Термін включає, але не обмежується ними, птахів, плазунів, риб, рослини, земноводних і ссавців, наприклад людей, інших приматів, свиней, гризунів, таких як миші і щури, кролики, морські свинки, хом'яки, а також корів, коней, кішок, собак, овець і кіз. Повний зміст WO 2008/073186 включений в даний опис як посилання в повному об'ємі. Повний опис кожної з наступних патентних заявок США включений в даний опис як посилання: попередні заявки США з серійними номерами 61/049391; 61/049394; 61/049395; 61/049404; 61/049405; 61/049406; 61/049407; 61/049413; 61/049415 і 61/049419, подані 30 квітня 2008 року; попередні заявки США з серійними номерами 61/073432; 61/073436; 61/073496; 61/073530; 61/073665 і 61/073674, подані 18 червня 2008 року; попередня заявка США з серійним номером 61/106861, подана 20 жовтня 2008 року; попередні заявки США з серійними номерами 61/139324 і 61/139453, обидві подані 19 грудня 2008 року, і патентні заявки США з серійними номерами 12/417707; 12/417720; 12/417840; 12/417699; 12/417731; 12/417900; 12/417880; 12/417723; 12/417786 і 12/417904, всі подані 3 квітня 2009 року. Будь-який вуглеводний матеріал, описаний в даному документі, можна використовувати в будь-якому застосуванні або способі, описаному в будь-якому патенті або патентній заявці, включені в даний опис як посилання. У будь-якому зі способів, описаних в даному документі, радіаційне випромінювання можна застосовувати з пристрою, який знаходиться в сховищі. Інші ознаки і переваги винаходу стануть очевидними з представленого нижче докладного опису і формули винаходу. ОПИС КРЕСЛЕНЬ На Фіг. 1 представлена блок-схема, що ілюструє конверсію біомаси в продукти і побічні продукти. На Фіг. 2 представлена блок-схема, що ілюструє конверсію джерела волокна в перший і другий волокнистий матеріал. На Фіг. 3 представлений поперечний переріз різального пристрою з обертовим ножем. На Фіг. 4 представлена блок-схема, що ілюструє конверсію джерела волокна в перший, другий і третій волокнистий матеріал. На Фіг. 5 представлена блок-схема, що ілюструє ущільнення матеріалу. На Фіг. 6 представлене перспективне зображення преса для гранулювання. На Фіг. 7A представлений ущільнений волокнистий матеріал у формі гранул. На Фіг. 7B представлений поперечний переріз порожнистих гранул, в яких центр порожнини знаходиться на одній лінії з центром гранули. На Фіг. 7C представлений поперечний переріз порожнистої гранули, в якій центр порожнини зміщений відносно центра гранули. На Фіг. 7D представлений поперечний переріз тридольної гранули. На Фіг. 8 представлена блок-схема, що ілюструє послідовність обробки для переробки сировини. 7 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 9 представлений вигляд в розрізі гамма-випромінювача, що знаходиться в бетонному сховищі. На Фіг. 10 представлений збільшений вигляд області R з Фіг. 9. На Фіг. 11 представлена блок-схема, що ілюструє послідовність попередньої обробки сировини опроміненням пучком електронів. На Фіг. 11A представлене схематичне представлення іонізованої біомаси, а потім окисленої або гашеної. На Фіг. 11B представлений схема (вигляд збоку) системи для опромінення матеріалу з низькою об'ємною густиною, а на Фіг. 11C представлений поперечний переріз системи по лінії 11C-11C. На Фіг. 11D схематично представлений вигляд поперечного перерізу системи з псевдозрідженим шаром для опромінення матеріалу з низькою об'ємною густиною. На Фіг. 11E представлена схема (вигляд збоку) іншої системи для опромінення матеріалу з низькою об'ємною густиною. На Фіг. 12 представлена схема системи для обробки ультразвуком технологічного потоку целюлозного матеріалу в рідкому середовищі. На Фіг. 13 представлена схема пристрою для обробки ультразвуком, що має два перетворювачі, приєднані до одного рупора. На Фіг. 14 представлена блок-схема, що ілюструє систему для піролітичної попередньої обробки сировини. На Фіг. 15 представлений поперечний переріз (вигляд збоку) камери для піролізу. На Фіг. 16 представлений поперечний переріз (вигляд збоку) камери для піролізу. На Фіг. 17 представлений поперечний переріз (вигляд збоку) піролізера, який включає нагрітий волосок. На Фіг. 18 схематично представлений поперечний переріз (вигляд збоку) піролізера по точці Кюрі. На Фіг. 19 схематично представлений поперечний переріз (вигляд збоку) пічного піролізера. На Фіг. 20 схематично представлений поперечний переріз (вигляд зверху) лазерного пристрою для піролізу. На Фіг. 21 схематично представлений поперечний переріз (вигляд зверху) пристрою для миттєвого піролізу з вольфрамовим волоском. На Фіг. 22 представлена блок-схема, що ілюструє систему для окислювальної попередньої обробки сировини. На Фіг. 23 представлена блок-схема, що ілюструє загальний вигляд процесу конвертування джерела волокна в продукт, наприклад етанол. На Фіг. 24 представлений вигляд поперечного перерізу пристроюдля парового вибуху. На Фіг. 25 схематично представлений вигляд поперечного перерізу гібридного пристрою для обробки пучком електронів/ультразвуком. На Фіг. 26 представлений знімок, одержаний за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 25X, волокнистого матеріалу, одержаного з паперу з багатошаровим покриттям. Волокнистий матеріал одержували на різальному пристрої з обертовим ножем з використанням сита з отворами 1/8 дюйма (0,32 см). На Фіг. 27 представлений знімок, одержаний за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 25X, волокнистого матеріалу, одержаного з відбіленого крафткартону. Волокнистий матеріал одержували на різальному пристрої з обертовим ножем з використанням сита з отворами 1/8 дюйма (0,32 см). На Фіг. 28 представлений знімок, одержаний за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 25X, волокнистого матеріалу, одержаного з відбіленого крафткартону. Волокнистий матеріал двічі дробили на різальному пристрої з обертовим ножем з використанням сита з отворами 1/16 дюйма (0,16 см) при кожному дробленні. На Фіг. 29 представлений знімок, одержаний за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 25X, волокнистого матеріалу, одержаного з відбіленого крафткартону. Волокнистий матеріал три рази дробили на різальному пристрої з обертовим ножем. У ході першого дроблення використовували сито з отворами 1/8 дюйма (0,32 см); в ході другого дроблення використовували сито з отворами 1/16 дюйма (0,16 см) і в ході третього дроблення використовували сито з отворами 1/32 дюйма (0,08 см). На Фіг. 30 схематично представлений вигляд збоку пристрою для обробки ультразвуком, а на Фіг. 31 представлений вигляд поперечного перерізу через комірку для переробки з Фіг. 30. На Фіг. 32 представлений знімок, одержаний за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 1000X, волокнистого матеріалу, одержаного шляхом дроблення 8 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 проса на різальному пристрої з обертовим ножем, а потім пропускання роздробленого матеріалу через сито з отворами 1/32 дюйма (0,08 см). На Фіг. 33 і 34 представлені знімки, одержані за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 1000X, волокнистого матеріалу з Фіг. 32 після опромінення гаммапроменями в дозі 10 Мрад і 100 Мрад, відповідно. На Фіг. 35 представлені знімки, одержані за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 1000X, волокнистого матеріалу з Фіг. 32 після опромінення дозою 10 Мрад і обробки ультразвуком. На Фіг. 36 представлені знімки, одержані за допомогою скануючого електронного мікроскопа при збільшенні 1000X, волокнистого матеріалу з Фіг. 32 після опромінення дозою 100 Мрад і обробки ультразвуком. На Фіг. 37 представлений інфрачервоний спектр крафт-паперу, нарізаного на різальному пристрої з обертовим ножем. На Фіг. 38 представлений інфрачервоний спектр крафт-паперу з Фіг. 37 після опромінення гамма-випромінюванням в дозі 100 Мрад. На Фіг. 39 представлена схема процесу конверсії біомаси. На Фіг. 40 представлена схема іншого процесу конверсії біомаси. На Фіг. 41 представлена схема пересувної установки для переробки біомаси на базі вантажного автомобіля. На Фіг. 42 представлена схема пересувної установки для переробки біомаси на базі поїзда. На Фіг. 43A і 43B представлені схеми, на яких показані стадії переробки для одержання продуктів і співпродуктів з біомаси (А) і для одержання продуктів з використанням стадії біоконверсії. На Фіг. 44 представлена схема, на якій показаний процес ферментації з підживленням із змінним об'ємом. На Фіг. 45 представлена схема, на якій показаний процес ферментації з підживленням з фіксованим об'ємом. На Фіг. 46 представлена схема, на якій показані стадії переробки, необхідні для одержання продуктів 1, 2 і 3. Зірочками показано, що стадія є необов'язковою. Чорна стрілка вказує на те, що можна проводити необов'язкову стадію ущільнення. ДОКЛАДНИЙ ОПИС Біомасу (наприклад, рослинну біомасу, тваринну біомасу, мікробну біомасу і біомасу міських відходів) можна переробляти для одержання корисних продуктів з використанням способів, описаних в даному документі, таких як продукти харчування. Крім того, можна одержувати функціоналізовані матеріали, що мають бажані типи і кількості функціональних груп, таких як групи карбонових кислот, альдегідні групи, кетонові групи, нітрильні групи, нітрогрупи або нітрозогрупи, які можна одержувати з використанням способів, описаних в даному документі. Такі функціоналізовані матеріали можуть бути, наприклад, більш розчинними, легше утилізовними різними мікроорганізмами або вони можуть бути більш стабільними протягом тривалого часу, наприклад менш схильними до окислення. У даному описі, нижче, описані системи і процеси, в яких можуть використовуватися різні матеріали біомаси, наприклад целюлозні матеріали, лігноцелюлозні матеріали, крохмальні матеріали або матеріали, які являють собою або які включають низькомолекулярні цукри, як матеріали сировини. Матеріали біомаси часто є легкодоступними, але можуть бути важко перероблюваними, наприклад шляхом ферментації, або вони можуть давати неоптимальні виходи при досить низькій швидкості, наприклад, шляхом ферментації. Матеріали біомаси спочатку попередньо обробляють, часто шляхом зменшення розміру матеріалів вихідної сировини. Потім піддану попередній обробці біомасу можна обробляти з використанням одного або декількох з радіаційного опромінення (в умовах контрольованої температури), обробки ультразвуком, окислення, піролізу і парового вибуху. Різні системи і способи для попередньої обробки можуть використовувати в комбінаціях по дві, три або навіть чотири з цих технологій. Альтернативно або додатково, даний винахід оснований, щонайменше частково, на спостереженні, що способи, описані в даному документі, можна застосовувати для конвертування біомаси в неенергетичні матеріали і композиції. Такі матеріали і композиції включають, але не обмежуються ними, продукти харчування (наприклад, придатні для вживання людиною і/або тваринами), фармацевтичні засоби, нутрицевтики, носії для доставки фармацевтичних засобів і дозовані форми, фармацевтичні ексципієнти, фармацевтичні кон'югати, поперечнозшиті матриці, такі як гідрогелі, поглинаючі матеріали, добрива і продукти лігніну. 60 9 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ТИПИ БІОМАСИ Як правило, будь-який матеріал біомаси, який являє собою або включає вуглеводи, які повністю складаються з одного або декількох сахаридних елементів або включають один або декілька сахаридних елементів, можна переробляти будь-яким зі способів, описаних в даному документі. Як використовують в даному описі, біомаса включає целюлозні, геміцелюлозні, крохмальні матеріали і матеріали, що містять лігнін. Наприклад, матеріал біомаси може являти собою целюлозні або лігноцелюлозні матеріали або крохмальні матеріали, такі як зерна кукурудзи, зерна рису або інші корми, або матеріали, які являють собою або включають один або декілька низькомолекулярних цукрів, такого як сахароза або целобіоза. Наприклад, такі матеріали можуть включати папір, паперову продукцію, деревину, родинні деревині матеріали, пресовану деревину, трави, рисове лушпиння, макуху, бавовну, джут, пеньку, льон, бамбук, сизаль, абаку, солому, серцевини кукурудзяних качанів, кокосові волокна, водорості, морську траву (наприклад, гігантські морські водорості), водяний гіацинт, маніоку, кавові зерна, мелені кавові зерна (звичайні мелені кавові зерна), синтетичну целюлозу або суміші будь-яких з них. Джерела волокон включають целюлозні джерела волокон, включаючи папір і паперові продукти (наприклад, папір з багатошаровим покриттям і крафт-папір), і лігноцелюлозні джерела волокон, включаючи деревину і родинні деревині матеріали, наприклад пресовану деревину. Інші придатні джерела волокон включають природні джерела волокон, наприклад трави, рисове лушпиння, макуху, джут, пеньку, льон, бамбук, сизаль, абаку, солому, серцевини кукурудзяних качанів, кокосові волокна; джерела волокон з високим вмістом α-целюлози, наприклад бавовну; і синтетичні джерела волокон, наприклад екструдовану пряжу (орієнтовану пряжу або неорієнтовану пряжу). Природні або синтетичні джерела волокон можна одержувати з клаптів первинних текстильних матеріалів, наприклад залишків, або вони можуть являти собою використані відходи, наприклад лахміття. Коли як джерела волокон використовують паперову продукцію, вона може являти собою натуральні матеріали, наприклад шматки первинних матеріалів, або вона може являти собою використані відходи. Крім первинних вихідних матеріалів, також як джерела волокон можна використовувати відходи використаних продуктів, промислові (наприклад, субпродукти) відходи і відходи переробки (наприклад, скидні води від переробки паперу). Також джерело волокон може бути одержане або утворене з відходів людини (наприклад, стічні води), тварин або рослин. Додаткові джерела волокон описані в даній галузі техніки, наприклад, див. патенти США №№ 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 і 5952105. Мікробні джерела включають, але не обмежуються ними, будь-який мікроорганізм і/або організм, що зустрічається в природі або генетично модифікований, який містить або здатний забезпечувати джерело вуглеводів (наприклад, целюлози), наприклад одноклітинні організми (наприклад, тварини (наприклад, найпростіші, такі як джгутикові, амебоподібні, інфузорії і споровики) і рослини (наприклад, водорості, такі як альвеолобіонти, хлорарахніофіти, криптомонади, евгленіди, глаукофіти, гаплофіти, червоні водорості, страмінопіли і зелені водорості)), морську траву, планктон (наприклад, макропланктон, мезопланктон, мікропланктон, нанопланктон, пікопланктон і фемптопланктон), фітопланктон, бактерії (наприклад, грампозитивні бактерії, грамнегативні бактерії і екстремофіли), дріжджі і/або їх суміші. У деяких випадках мікробну біомасу можна одержувати з природних джерел, наприклад з океану, озер, водоймищ, наприклад з солоною водою або прісною водою, або з джерел на суші. Альтернативно або додатково, мікробну біомасу можна одержувати з культуральних систем, наприклад великомасштабних сухих і вологих культуральних систем. Приклади біомаси включають оновлюваний органічний матеріал, такий як рослинна біомаса, мікробна біомаса, тваринна біомаса (наприклад, будь-який побічний продукт тваринництва, відходи тваринництва і т. д.) і біомаса міських відходів, включаючи будь-які і всі комбінації цих матеріалів біомаси. Рослинна біомаса і лігноцелюлозна біомаса включають органічний матеріал, що походить з рослин (деревний або недеревний), особливо матеріал, доступний на постійній основі. Приклади включають біомасу сільськогосподарських або продовольчих культур (наприклад, цукрову тростину, цукровий буряк або кукурудзяні зерна) або їх екстракт (наприклад, цукор з цукрової тростини і кукурудзяний крохмаль з кукурудзи), сільськогосподарські відходи і залишки, такі як кукурудзяна солома, пшенична солома, рисова солома, макуха цукрової тростини, бавовна і т. п. Крім того, рослинна біомаса включає, але не обмежується ними, дерева, деревні енергетичні культури, деревні відходи і залишки, такі як тріски хвойного дерева, відходи з кори, деревна тирса, потоки відходів паперової і целюлозної промисловості, деревне волокно і т. п. Крім того, як інше джерело рослинної біомаси потенційно можна у великому масштабі 10 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 вирощувати кормову посівну траву, таку як просо і т. п. Для міських територій найкраща потенційна рослинна сировина біомаси включає відходи садівництва (наприклад, скошена трава, листя, обрізана частини дерев і вітролом) і відходи переробки овочів. У деяких варіантах здійснення біомаса включає лігноцелюлозну сировину, яка може являти собою рослинну біомасу, таку як, але не обмежуючись ними, біомаса недеревних рослин, сільськогосподарські культури, такі як, але не обмежуючись ними, трави, наприклад, але не обмежуючись ними, C4-трави, такі як просо, спартина, райграс, міскантус, двокитичник тростинний або їх комбінації, або залишки переробки цукру, такі як макуха або бурякова пульпа, сільськогосподарські залишки, наприклад соєва солома, кукурудзяна солома, рисова солома, рисове лушпиння, ячмінна солома, серцевина кукурудзяного качана, пшенична солома, солома каноли, вівсяна солома, вівсяне лушпиння, кукурудзяне волокно, утилізоване волокно деревної пульпи, деревна тирса, тверда деревина, наприклад дерево і тирса осики, м'яка деревина або їх комбінації. Крім того, лігноцелюлозна сировина може включати целюлозні матеріали відходів, такі як, але не обмежуючись ними, газетний папір, картон, деревна тирса і т. п. Лігноцелюлозна сировина може включати один тип сировини або, альтернативно, лігноцелюлозна сировина може включати суміш волокон, які можуть походити з різної лігноцелюлозної сировини. Більше того, лігноцелюлозна сировина може включати свіжу лігноцелюлозну сировину, частково висушену лігноцелюлозну сировину, повністю висушену лігноцелюлозну сировину або їх комбінацію. Мікробна біомаса включає біомасу, яка одержана з одноклітинних організмів і/або багатоклітинних організмів, які зустрічаються в природі або генетично модифіковані, наприклад організмів з океану, озер, водоймищ, наприклад з солоною водою або прісною водою, або організмів суші, і містить джерело вуглецю (наприклад, целюлози). Мікробна біомаса може включати, але не обмежуватися ними, наприклад, одноклітинні організми (наприклад, тварини (наприклад, найпростіші, такі як джгутикові, амебоподібні, інфузорії і споровики) і рослини (наприклад, водорості, такі як альвеолобіонти, хлорарахніофіти, криптомонади, евгленіди, глаукофіти, гаплофіти, червоні водорості, страмінопіли і зелені водорості)), морську траву, планктон (наприклад, макропланктон, мезопланктон, мікропланктон, нанопланктон, пікопланктон і фемптопланктон), фітопланктон, бактерії (наприклад, грампозитивні бактерії, грамнегативні бактерії і екстремофіли), дріжджі і/або їх суміші. У деяких випадках мікробну біомасу можна одержувати з природних джерел, наприклад з океану, озер, водоймищ, наприклад з солоною водою або прісною водою, або з джерел на суші. Альтернативно або додатково, мікробну біомасу можна одержувати з культуральних систем, наприклад великомасштабних сухих і вологих культуральних систем. Біомаса тварин включає будь-який органічний матеріал відходів, такий як одержаний з тварин матеріал відходів або екскременти, або матеріал відходів або екскременти людини (наприклад, компост і стічні води). У деяких варіантах здійснення вуглевод являє собою або включає матеріал, який має один або декілька β-1,4-зв'язків і має середньочислову молекулярну масу приблизно від 3000 до 50000. Такий вуглевод являє собою або включає целюлозу (I), яка утворена з β-глюкози 1 шляхом конденсації β-(1→4)-глікозидних зв'язків. Цей зв'язок протилежний α-(1→4)-глікозидним зв'язкам, присутнім в крохмалі і інших вуглеводах. 45 11 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 Крохмальні матеріали включають сам крохмаль, наприклад кукурудзяний крохмаль, пшеничний крохмаль, картопляний крохмаль або рисовий крохмаль, похідне крохмалю або матеріал, який включає крохмаль, такий як продукт харчування або сільськогосподарська культура. Наприклад, крохмальний матеріал може являти собою аракчу, гречку, банан, ячмінь, маніоку, кудзу, кислицю, саго, сорго, звичайну домашню картоплю, солодку картоплю, таро, ямс або одне або декілька бобових, таких як кінські боби, сочевиця або горох. Також крохмальними матеріалами є суміші цих і/або інших крохмальних матеріалів. У конкретних варіантах здійснення крохмальний матеріал одержаний з кукурудзи. Різні кукурудзяні крохмалі і їх похідні описані в "Corn Starch", Corn Refiners Association (11 видання, 2006 рік). Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть включати, наприклад, щонайменше приблизно 0,5 мас. % низькомолекулярного цукру, наприклад щонайменше приблизно 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 мас. % або навіть щонайменше приблизно 95 мас. % низькомолекулярного цукру. У деяких випадках біомаса по суті складається з низькомолекулярного цукру, наприклад, більше ніж на 95 мас. %, наприклад 96, 97, 98, 99 мас. % або по суті 100 мас. % низькомолекулярного цукру. Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть являти собою сільськогосподарські продукти або харчові продукти, такі як цукрова тростина або цукровий буряк, або їх екстракт, наприклад сік цукрової тростини або цукрового буряка. Матеріали біомаси, які включають низькомолекулярні цукри, можуть являти собою по суті чисті екстракти, такі як нерафінований або кристалізований столовий цукор (сахароза). Низькомолекулярні цукри включають похідні цукрів. Наприклад, низькомолекулярні цукри можуть бути олігомерними (наприклад, рівними 4-меру, 5-меру, 6-меру, 7-меру, 8-меру, 9-меру або 10-меру або перевищуючими їх), тримерними, димерними або мономерними. Коли вуглеводи утворені більше ніж одним повторюваним елементом, всі повторювані елементи можуть бути однаковими або різними. Конкретні приклади низькомолекулярних цукрів включають целобіозу, лактозу, сахарозу, глюкозу і ксилозу, а також їх похідні. У деяких випадках похідні цукрів більш швидко розчиняються в розчині або утилізуються мікробами для продукції корисного матеріалу. Декілька таких цукрів і похідних цукрів представлені нижче. 30 12 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 Для одержання будь-яких продуктів, описаних в даному документі, можна використовувати комбінації (наприклад, самостійно або в комбінації з будь-яким матеріалом біомаси, компонентом, продуктом і/або співпродуктом, одержаним з використанням способів, описаних в даному документі) будь-яких матеріалів біомаси, описаних в цьому документі. Наприклад, суміші целюлозних матеріалів і крохмальних матеріалів можна використовувати для одержання будь-якого продукту, описаного в даному документі. СИСТЕМИ ДЛЯ ОБРОБКИ БІОМАСИ На Фіг. 1 представлена система для конвертування біомаси 100, зокрема біомаси зі значними кількостям целюлозних і лігноцелюлозних компонентів і/або крохмальних компонентів, в корисні продукти і побічні продукти. Система 100 включає підсистему для підготовки вихідного матеріалу 110, підсистему для попередньої обробки 114, підсистему для первинної переробки 118 і підсистему для подальшої переробки 122. У підсистему для підготовки вихідного матеріалу 110 подається біомаса в сирій формі, і в ній біомаса фізично підготовлюється для застосування як сировини для подальших процесів (наприклад, зменшення розміру і гомогенізація біомаси) і зберігається як в сирій формі, так і у формі сировини. Сировина біомаси зі значними кількостями целюлозних і/або лігноцелюлозних компонентів або крохмальних компонентів може мати високу середню молекулярну масу і кристалічність, які можуть ускладнювати переробку сировини в корисні продукти (наприклад, ферментацію сировини для одержання етанолу). Таким чином, є корисною обробка сировини біомаси, наприклад, з використанням способів обробки, описаних в даному документі. Як описано в даному документі, в деяких варіантах здійснення при обробці біомаси не використовують кислоти, основи і/або ферменти для переробки біомаси, або використовують таку обробку тільки в невеликих або каталітичних кількостях. У підсистему для обробки 114 подається сировина біомаси з підсистеми для підготовки сировини 110 і в ній сировина підготовлюється для застосування в основних процесах продукції, 13 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наприклад, шляхом зменшення середньої молекулярної маси і кристалічності сировини. З підсистеми для обробки 114 оброблена сировина подається в підсистему для первинної переробки 118 і в ній продукуються корисні продукти (наприклад, етанол, інші спирти, фармацевтичні препарати і/або продукти харчування). У деяких випадках продукт підсистеми для первинної переробки 118 є придатним безпосередньо, однак в інших випадках він вимагає додаткової переробки, здійснюваної підсистемою для подальшої переробки 122. Підсистема для подальшої переробки 122 забезпечує подальшу переробку потоку продукту з системи для первинної переробки 118, яка потрібна для нього (наприклад, дистиляція і денатурація етанолу), а також обробку потоків відходів з інших підсистем. У деяких випадках співпродукти підсистем 114, 118, 122 також можуть бути прямо або непрямо придатні як вторинні продукти і/або для підвищення загальної ефективності системи 100. Наприклад, підсистема для подальшої переробки 122 може виробляти оброблену воду для рециркуляції як технічної води в інших підсистемах, і/або вона може виробляти спалювані відходи, які можна використовувати як паливо для котлів, що генерують пару і/або електрику. На оптимальний розмір установки для конверсії біомаси впливають фактори, що включають економічність масштабу і тип і доступність біомаси, використовуваної як сировина. Збільшення розміру установки має тенденцію до збільшення економічності масштабу, асоційованої з процесами в установці. Однак зростаючий розмір установки також має тенденцію до підвищення витрат (наприклад, витрат на транспортування) на одиницю сировини. Дослідження, що аналізують ці фактори, вказують на те, що прийнятний розмір установок для конверсії біомаси може варіювати від 100 до 1000 або більше, наприклад 10000 тонн сухої сировини на добу, залежно, щонайменше частково, від типу використовуваної сировини. Тип сировини біомаси також може впливати на вимоги по зберіганню на установці, де установки, призначені, головним чином, для переробки сировини, доступність якої сезонно варіює (наприклад, кукурудзяна солома), вимагають в більшій мірі зберігання сировини на місці, ніж за межами установки, в порівнянні з установками, призначеними для переробки сировини, доступність якої є відносно постійною (наприклад, макулатура). ПОПЕРЕДНЯ ОБРОБКА БІОМАСИ У деяких випадках способи попередньої обробки починаються з фізичної підготовки біомаси, наприклад зменшення розміру матеріалів сировини біомаси, наприклад, нарізанням, розтиранням, подрібненням, роздавлюванням, дробленням або рубанням. У деяких варіантах здійснення способи (наприклад, механічні способи) використовують для зменшення розміру і/або розмірів окремих фрагментів біомаси. У деяких випадках пухку сировину (наприклад, перероблений папір або просо) попередньо обробляють дробленням або розрізанням. Для видалення з потоку сировини дуже великих об'єктів або небажаних об'єктів, наприклад таких як камені або цвяхи, можна використовувати сита і/або магніти. Системи для попередньої обробки вихідного матеріалу можуть бути адаптовані для продукції потоків сировини з конкретними характеристиками, наприклад конкретними максимальними розмірами, конкретними співвідношеннями довжини і ширини або конкретними співвідношеннями площ поверхонь. Як частина попередньої обробки вихідного матеріалу, можна регулювати об'ємну густину сировини (наприклад, підвищувати). Зменшення розміру У деяких варіантах здійснення біомаса має форму волокнистого матеріалу, який включає волокна, одержувані дробленням біомаси. Наприклад, дроблення можна проводити за допомогою різального пристрою з обертовим ножем. Наприклад, і посилаючись на Фіг. 2, джерело волокна біомаси 210 дроблять, наприклад в різальному пристрої з обертовим ножем, з одержанням першого волокнистого матеріалу 212. Перший волокнистий матеріал 212 пропускають через перше сито 214, що має середній розмір отворів 1,59 мм або менше (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), з одержанням другого волокнистого матеріалу 216. Якщо бажано, джерело волокна можна подрібнювати перед дробленням, наприклад за допомогою пристрою для подрібнення. Наприклад, коли як джерело волокна використовують папір, папір спочатку можна подрібнювати до смужок шириною, наприклад, від 1/4 до 1/2 дюйма (від 0,64 до 1,28 см), з використанням пристрою подрібнення, наприклад пристрою для подрібнення з гвинтами з зустрічним обертанням, такого як пристрій, виготовлений Munson (Utica, N.Y.). Як альтернатива подрібненню, розмір паперу можна зменшувати нарізанням до бажаного розміру з використанням гільйотинного різального пристрою. Наприклад, гільйотинний різальний пристрій можна використовувати для нарізання паперу на листи, наприклад, шириною 10 дюймів (25,4 см) і довжиною 12 дюймів (30,5 см). 14 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У деяких варіантах здійснення дроблення джерела волокна і пропускання одержаного першого волокнистого матеріалу через перше сито проводять одночасно. Дроблення і пропускання також можна проводити в послідовному процесі. Наприклад, різальний пристрій з обертовим ножем можна використовувати для одночасного дроблення джерела волокна і просіювання першого волокнистого матеріалу. Посилаючись на Фіг. 3, різальний пристрій з обертовим ножем 220 включає лійку 222, в яку можна поміщати подрібнене джерело волокна 224, одержане стандартними способами. Подрібнене джерело волокна дробиться між стаціонарними лезами 230 і обертовими лезами 232 з одержанням першого волокнистого матеріалу 240. Перший волокнистий матеріал 240 пропускається через сито 242, і одержаний другий волокнистий матеріал 244 збирається в кошик 250. Для полегшення збирання другого волокнистого матеріалу, кошик може мати тиск нижче номінального атмосферного тиску, наприклад щонайменше на 10 % нижче номінального атмосферного тиску, наприклад щонайменше на 25 % нижче номінального атмосферного тиску, щонайменше на 50 % нижче номінального атмосферного тиску або щонайменше на 75 % нижче номінального атмосферного тиску. У деяких варіантах здійснення для підтримання тиску в кошику нижче номінального атмосферного тиску використовують джерело вакууму 252. Дроблення може бути переважним для "розкриття" і "напруження" волокнистих матеріалів, роблячи целюлозу матеріалів більш чутливою до розділення ланцюгів і/або зниження кристалічності. Розкриті матеріали також можуть бути більш чутливими до окислення при опроміненні. У деяких варіантах здійснення дроблення може бути переважним для "розкриття" і "напруження" волокнистих матеріалів, роблячи целюлозу матеріалів більш чутливою до розщеплення і всмоктування у жуйних тварин. Джерело волокна можна дробити в сухому стані, в гідратованому стані (наприклад, маючи аж до десяти процентів по масі абсорбованої води) або у вологому стані, наприклад, маючи від приблизно 10 мас. % до приблизно 75 мас. % води. Джерело волокна можна дробити навіть при частковому або повному зануренні в рідину, таку як вода, етанол або ізопропанол. Джерело волокна також можна дробити в атмосфері газу (такого як потік або атмосфера газу, відмінного від повітря), наприклад в кисні або азоті або парі. Інші способи одержання волокнистих матеріалів включають, наприклад, жорновий помел, механічне розпушення або розривання, подрібнення на стрижневому млині або подрібнення розтиранням на повітрі. Якщо бажано, волокнисті матеріали можна розділяти, наприклад постійно або партіями, на фракції згідно з їх довжиною, шириною, густиною, типом матеріалу або деякою комбінацією цих ознак. Наприклад, чорні метали можна відділяти від будь-якого волокнистого матеріалу пропусканням волокнистого матеріалу, який включає чорний метал, мимо магніту, наприклад електромагніту, а потім пропусканням одержаного волокнистого матеріалу через серію сит, де кожне сито має отвори відмінного розміру. Волокнисті матеріали також можна розділяти, наприклад, з використанням високошвидкісного газу, наприклад повітря. У такому підході, волокнисті матеріали розділяють відведенням різних фракцій, які, якщо бажано, можна піддати фотонній характеризації. Такий пристрій для розділення розглянутий в Lindsey et al., патент США № 6883667. Волокнисті матеріали можна попередньо обробляти безпосередньо відразу після їх підготовки, або їх можна висушувати, наприклад, при приблизно 105 °C протягом 4-18 годин, так щоб перед застосуванням вміст вологи складав, наприклад, менше ніж приблизно 0,5 %. Якщо бажано, з волокнистих матеріалів, які включають лігнін, лігнін можна видаляти. Також для полегшення руйнування матеріалів, які включають целюлозу, матеріал можна обробляти перед опроміненням нагріванням, хімічним реагентом (наприклад, мінеральною кислотою, основою або сильним окислювачем, таким як гіпохлорит натрію) і/або ферментом. У деяких варіантах здійснення середній розмір отвору першого сита складає менше 0,79 мм (1/32 дюйма, 0,03125 дюйма), наприклад менше 0,51 мм (1/50 дюйма, 0,02000 дюйма), менше 0,40 мм (1/64 дюйма, 0,015625 дюйма), менше 0,23 мм (0,009 дюйма), менше 0,20 мм (1/128 дюйма, 0,0078125 дюйма), менше 0,18 мм (0,007 дюйма), менше 0,13 мм (0,005 дюйма) або навіть менше 0,10 мм (1/256 дюйма, 0,00390625 дюйма). Сито виготовляють переплетенням мононитки, що має відповідний діаметр для одержання бажаного розміру отвору. Наприклад, мононитки можуть бути виготовлені з металу, наприклад нержавіючої сталі. По мірі зменшення розмірів отворів, структурні вимоги для мононитки підвищуються. Наприклад, для розмірів отворів менше 0,40 мм, може бути переважним виготовлення сит з монониток, виготовлених з матеріалу, відмінного від нержавіючої сталі, наприклад титану, сплавів титану, аморфних 15 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 металів, нікелю, вольфраму, родію, ренію, кераміки або скла. У деяких варіантах здійснення сито виготовляють з пластини, наприклад металевої пластини, що має отвори, наприклад, вирізані в пластині з використанням лазера. У деяких варіантах здійснення площа отворів в ситі складає менше 52 %, наприклад менше 41 %, менше 36 %, менше 31 %, менше 30 %. У деяких варіантах здійснення другий волокнистий матеріал дроблять і пропускають через перше сито або сито з відмінним розміром. У деяких варіантах здійснення другий волокнистий матеріал пропускають через друге сито, що має середній розмір отворів, який дорівнює або менше ніж розмір отворів першого сита. Посилаючись на Фіг. 4, третій волокнистий матеріал 220 можна одержувати з другого волокнистого матеріалу 216 дробленням другого волокнистого матеріалу 216 і пропусканням одержаного матеріалу через друге сито 222, що має середній розмір отворів, менший ніж у першого сита 214. Як правило, волокна волокнистих матеріалів можуть мати відносно високе середнє співвідношення довжини і діаметра (наприклад, більше 20 до 1), навіть якщо їх піддавали дробленню більше одного разу. Крім того, волокна волокнистих матеріалів, описані в даному документі, можуть мати відносно вузький розподіл довжини і/або співвідношення довжини і діаметра. Як використовують в даному описі, середню ширину волокон (наприклад, діаметр) визначають оптично, випадковим чином вибравши приблизно 5000 волокон. Середня довжина волокон являє собою кориговані довжини, зважені по довжині. Площа поверхні BET (Brunauer, Emmet і Teller) являє собою багатоточкову площу поверхні, і пористість являє собою величину, що визначається ртутною порометрією. Середнє співвідношення довжини і діаметра другого волокнистого матеріалу 14 може складати, наприклад, більше ніж 5/1, більше ніж 8/1, наприклад більше ніж 10/1, більше ніж 15/1, більше ніж 20/1, більше ніж 25/1 або навіть більше ніж 50/1. Середня довжина другого волокнистого матеріалу 14 може складати, наприклад, приблизно від 0,5 до 2,5 мм, наприклад приблизно від 0,75 до 1,0 мм, і середня ширина (тобто діаметр) другого волокнистого матеріалу 14 може складати, наприклад, приблизно від 5 до 50 мкм, наприклад приблизно від 10 до 30 мкм. У деяких варіантах здійснення стандартне відхилення довжини другого волокнистого матеріалу 14 складає менше 60 % від середньої довжини другого волокнистого матеріалу 14, наприклад менше 50 % від середньої довжини, менше 40 % від середньої довжини, менше 25 % від середньої довжини, менше 10 % від середньої довжини, менше 5 % від середньої довжини або навіть менше 1 % від середньої довжини. У деяких варіантах здійснення площа поверхні BET другого волокнистого матеріалу 2 2 2 2 перевищує 0,1 м /г, наприклад перевищує 0,25 м /г, перевищує 0,5 м /г, перевищує 1,0 м /г, 2 2 2 2 перевищує 1,5 м /г, перевищує 1,75 м /г, перевищує 5,0 м /г, перевищує 10 м /г, перевищує 25 2 2 2 2 2 м /г, перевищує 35 м /г, перевищує 50 м /г, перевищує 60 м /г, перевищує 75 м /г, перевищує 2 2 2 2 100 м /г, перевищує 150 м /г, перевищує 200 м /г або навіть перевищує 250 м /г. Пористість другого волокнистого матеріалу 14 може, наприклад, перевищувати 20 %, перевищувати 25 %, перевищувати 35 %, перевищувати 50 %, перевищувати 60 %, перевищувати 70 %, наприклад перевищувати 80 %, перевищувати 85 %, перевищувати 90 %, перевищувати 92 %, перевищувати 94 %, перевищувати 95 %, перевищувати 97,5 %, перевищувати 99 % або навіть перевищувати 99,5 %. У деяких варіантах здійснення співвідношення середнього відношення довжини і діаметра першого волокнистого матеріалу і середнього відношення довжини і діаметра другого волокнистого матеріалу складає, наприклад, менше 1,5, наприклад менше 1,4, менше 1,25, менше 1,1, менше 1,075, менше 1,05, менше 1,025 або навіть по суті дорівнює 1. У конкретних варіантах здійснення другий волокнистий матеріал знов дроблять і одержаний волокнистий матеріал пропускають через друге сито, що має середній розмір отворів, менший ніж у першого сита, з одержанням третього волокнистого матеріалу. У таких випадках співвідношення середнього відношення довжини до діаметра другого волокнистого матеріалу і середнього відношення довжини до діаметра третього волокнистого матеріалу може складати, наприклад, менше 1,5, наприклад менше 1,4, менше 1,25 або навіть менше 1,1. У деяких варіантах здійснення третій волокнистий матеріал пропускають через третє сито з одержанням четвертого волокнистого матеріалу. Четвертий волокнистий матеріал можна, наприклад, пропускати через четверте сито з одержанням п'ятого матеріалу. Аналогічні процеси просіювання можна повторювати стільки разів, скільки бажано, для одержання бажаного волокнистого матеріалу, що має бажані властивості. Ущільнення 16 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Як використовують в даному описі, ущільнення стосується збільшення об'ємної густини матеріалу. Ущільнені матеріали можна переробляти, або будь-які перероблені матеріали можна ущільнювати будь-яким з описаних в даному документі способів. Матеріал, наприклад волокнистий матеріал, що має низьку об'ємну густину, можна ущільнювати до продукту, що має більш високу об'ємну густину. Наприклад, композицію 3 матеріалу, що має об'ємну густину 0,05 г/см , можна ущільнювати ізолюванням волокнистого матеріалу у відносно газонепроникній структурі, наприклад мішку, виготовленому з поліетилену, або мішку, виготовленому з шарів поліетилену, що чергуються, і нейлону, з подальшим видаленням зі структури газу, що в ній міститься, наприклад повітря. Після видалення повітря зі 3 структури волокнистий матеріал може мати, наприклад, об'ємну густину більше 0,3 г/см , 3 3 наприклад 0,5, 0,6, 0,7 г/см або більше, наприклад 0,85 г/см . Після ущільнення продукт можна попередньо обробляти будь-яким зі способів, описаних в даному документі, наприклад опроміненням, наприклад гамма-випромінюванням. Це може бути переважним, коли бажано транспортувати матеріал в інше місце, наприклад на віддалене виробниче підприємство, де композиція волокнистого матеріалу може бути додана в розчин, наприклад, для одержання етанолу. Після проколювання по суті газонепроникної структури, ущільнений волокнистий матеріал може повернутися практично до його первинної об'ємної густини, наприклад щонайменше 60 % від його первинної об'ємної густини, наприклад 70, 80, 85 % або більше, наприклад 95 % від його первинної об'ємної густини. Для зменшення статичної електрики у волокнистому матеріалі, в матеріал можна додавати засіб, що знімає статичні заряди. У деяких варіантах здійснення структура, наприклад переносник, такий як мішок, виготовлена з матеріалу, який розчиняється в рідині, такій як вода. Наприклад, структура може бути виготовлена з полівінілового спирту, так що вона розчиняється при контакті з водним розчином. Такі варіанти здійснення дозволяють додавати ущільнені структури прямо в розчини, які включають мікроорганізм, без первинного вивільнення вмісту структури, наприклад, розрізанням. Посилаючись на Фіг. 5, матеріал біомаси можна комбінувати з будь-якими бажаними добавками і зв'язуючим засобом, а потім ущільнювати із застосуванням тиску, наприклад, пропускаючи матеріал через певний зазор між притискними валиками із зустрічним обертанням або пропускаючи матеріал через прес для гранулювання. Під час застосування тиску необов'язково можна застосовувати нагрівання для полегшення ущільнення волокнистого матеріалу. Потім ущільнений матеріал можна опромінювати. У деяких варіантах здійснення матеріал перед ущільненням має об'ємну густину менше 0,25 3 3 3 г/см , наприклад менше 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 г/см або менше, наприклад 0,025 г/см . Об'ємну густину визначають з використанням ASTM D1895B. У короткому викладі, спосіб включає заповнення мірного циліндра з відомим об'ємом зразком і визначення маси зразка. Об'ємну густину обчислюють діленням маси зразка в грамах на відомий об'єм циліндра в кубічних сантиметрах. Переважні зв'язуючі речовини включають зв'язуючі речовини, які є розчинними у воді, набухають під дією води або які мають температуру переходу в склоподібний стан менше 25 °C, при визначенні диференціальною скануючою калориметрією. Розчинні у воді зв'язуючі речовини мають розчинність у воді щонайменше приблизно 0,05 мас. %. Набухаючі у воді зв'язуючі речовини являють собою зв'язуючі речовини, об'єм яких зростає більше ніж на 0,5 % під дією води. У деяких варіантах здійснення зв'язуючі речовини, які є розчинними у воді або набухають при її впливі, включають функціональні групи, які здатні утворювати зв'язок, наприклад водневий зв'язок, з волокнами волокнистого матеріалу, наприклад целюлозного волокнистого матеріалу. Наприклад, функціональна група може являти собою групу карбонової кислоти, карбоксилатну групу, карбонільну групу, наприклад альдегіду або кетону, групу сульфонової кислоти, сульфонатну групу, групу фосфорної кислоти, фосфатну групу, амідну групу, аміногрупу, гідроксильну групу, наприклад спирту, і комбінації цих груп, наприклад групи карбонової кислоти і гідроксильної групи. Конкретні приклади мономерів включають гліцерин, гліоксаль, аскорбінову кислоту, сечовину, гліцин, пентаеритрит, моносахарид або дисахарид, лимонну кислоту і виннокам'яну кислоту. Придатні сахариди включають глюкозу, сахарозу, лактозу, рибозу, фруктозу, манозу, арабінозу і еритрозу. Приклади полімерів включають полігліколі, поліоксіетилен, полікарбонові кислоти, поліаміди, поліаміни і полісульфонові кислоти, полісульфонати. Конкретні приклади полімерів включають поліпропіленгліколь (PPG), поліетиленгліколь (PEG), поліоксіетилен, наприклад POLYOX®, співполімери оксиду етилену і оксиду пропілену, поліакрилову кислоту (PAA), поліакриламід, поліпептиди, поліетиленімін, 17 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 полівінілпіридин, полі(натрій-4-стиролсульфонат) і полі(2-акриламідометил-1пропансульфонову кислоту). У деяких варіантах здійснення зв'язуючий засіб включає полімер, який має температуру переходу в склоподібний стан менше 25 °C. Приклади таких полімерів включають термопластичні еластомери (TPE). Приклади TPE включають поліефір-блок-аміди, такі як поліефір-блок-аміди, доступні під торговою назвою PEBAX®, поліефірні еластомери, такі як поліефірні еластомери, доступні під торговою назвою HYTREL®, і стирольні блок-співполімери, такі як блок-співполімери, доступні під торговою назвою KRATON®. Інші придатні полімери, що мають температуру переходу в склоподібний стан менше 25 °C, включають співполімер етилену і вінілацетату (EVA), поліолефіни, наприклад поліетилен, поліпропілен, співполімери етиленпропілен і співполімери етилену і альфа-олефінів, наприклад 1-октену, такі як співполімери, доступні під торговою назвою ENGAGE®. У деяких варіантах здійснення, наприклад, коли матеріал являє собою перетворений у волокнисту масу папір з багатошаровим покриттям, матеріал ущільнюють без додавання спеціального полімеру з низькою температурою переходу в склоподібний стан. У конкретному варіанті здійснення зв'язуюча речовина являє собою лігнін, наприклад природний або синтетично модифікований лігнін. Придатна кількість зв'язуючої речовини, що додається до матеріалу, обчислена з розрахунку на масу сухої речовини, складає, наприклад, від приблизно 0,01 % до приблизно 50 %, наприклад 0,03, 0,05, 0,1, 0,25, 0,5, 1,0, 5, 10 % або більше, наприклад 25 %, з розрахунку на загальну масу ущільненого матеріалу. Зв'язуючу речовину можна додавати до матеріалу як нерозбавлену чисту рідину, як рідину, в якій розчинена зв'язуюча речовина, як сухий порошок зв'язуючої речовини або як гранули зв'язуючої речовини. Ущільнений волокнистий матеріал можна виготовляти в пресі для гранулювання. Посилаючись на Фіг. 6, прес для гранулювання 300 має лійку 301 для утримання неущільненого матеріалу 310, який включає вуглеводовмісні матеріали, такі як целюлоза. Контейнер сполучений зі шнеком 312, який приводиться в рух двигуном із змінною швидкістю 314, так щоб неущільнений матеріал міг транспортуватися в пристрій для перемішування 320, в якому неущільнений матеріал перемішується лопатями 322, які обертаються за допомогою двигуна 330 пристрою для перемішування. Інші інгредієнти, наприклад будь-які добавки і/або наповнювачі, описані в даному документі, можна додавати через вхідний канал 332. Якщо бажано, під час знаходження волокнистого матеріалу в пристрої для перемішування можна додавати нагрівання. Після перемішування матеріал виводиться з пристрою для перемішування через рукав 340 до іншого шнека 342. Рукав, контрольований привідний механізмом 344, дозволяє безперешкодне проходження матеріалу з пристрою для перемішування до шнека. Шнек обертається під дією двигуна 346 і контролює подачу волокнистого матеріалу у вузол матриці з роликами 350. Конкретно, матеріал подається в порожнисту циліндричну матрицю 352, яка обертається навколо горизонтальної осі і яка має радіальні отвори 250. Матриця 352 обертається навколо осі під дією двигуна 360, який включає прилад для вимірювання потужності, що вказує загальну енергію, споживану двигуном. Ущільнений матеріал 370, наприклад, в формі гранул, падає з жолоба 372 і збирається і переробляється, наприклад, опроміненням. Зручно, щоб після ущільнення матеріал мав форму гранул або стружки, що приймають різну форму. Потім гранули можна опромінювати. У деяких варіантах здійснення гранули або стружка мають циліндричну форму, наприклад, маючи максимальний поперечний розміром, наприклад, 1 мм або більше, наприклад 2, 3, 5, 8, 10, 15 мм або більше, наприклад 25 мм. Інші зручні форми включають гранули або стружку, які мають пластинчату форму, наприклад, маючи товщину 1 мм або більше, наприклад 2, 3, 5, 8, 10 мм або більше, наприклад 25 мм; ширину, наприклад, 5 мм або більше, наприклад 10, 15, 25, 30 мм або більше, наприклад 50 мм; і довжину 5 мм або більше, наприклад 10, 15, 25, 30 мм або більше, наприклад 50 мм. Далі, посилаючись на Фіг. 7A-7D, гранули можна виготовляти так, щоб вони мали всередині порожнину. Як показано, порожнина може бути розташована, головним чином, на одній лінії з центром гранули (Фіг. 7B) або вона може бути зміщена від центра гранули (Фіг. 7C). Виготовлення гранули, порожнистої всередині, може підвищити швидкість розчинення в рідині після опромінення. Далі, посилаючись на Фіг. 7D, гранула може мати, наприклад, поперечну форму, яка є багатодольною, наприклад тридольною, як показано, або чотиридольною, п'ятидольною, шестидольною або десятидольною. Виготовлення гранул з такою поперечною формою також може підвищити швидкість розчинення в розчині після опромінення. 18 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Альтернативно ущільнений матеріал може мати будь-яку іншу бажану форму, наприклад ущільнений матеріал може мати форму пластини, циліндра або брикету. Приклади ущільнення У одному прикладі як сировину можна використовувати картонні коробки для соку об'ємом 3 півгалона (1,9 л), виготовлені з білого крафт-картону, що має об'ємну густину 20 фунт/фут (0,32 3 г/см ). Картон можна складати до плоского стану, а потім подавати в пристрій для подрібнення для одержання схожого на конфеті матеріалу, що має ширину від 0,1 дюйма (0,25) до 0,5 дюйма (1,27 см), довжину від 0,25 дюйма (0,63 см) до 1 дюйма (2,54 см) і товщину, еквівалентну товщині вихідного матеріалу (приблизно 0,075 дюйма (0,19 см)). Схожий на конфеті матеріал можна подавати в різальний пристрій з обертовим ножем, який дробить схожі на конфеті фрагменти, розриваючи фрагменти і вивільняючи волокнистий матеріал. У деяких випадках декілька систем пристрій для подрібнення-пристрій для дроблення можуть бути розташовані з послідовною продукцією. У одному варіанті здійснення дві системи пристрій для подрібнення-пристрій для дроблення можуть бути розташовані послідовно, де продукт першого пристрою для дроблення подається як вхідний матеріал у другий пристрій для подрібнення. У іншому варіанті здійснення три системи пристрій для подрібнення-пристрій для дроблення можуть бути розташовані послідовно, де продукт першого пристрою для дроблення подається як вхідний матеріал у другий пристрій для подрібнення і продукт другого пристрою для дроблення подається як вхідний матеріал в третій пристрій для подрібнення. Очікується, що декілька проходжень через системи пристрій для подрібнення-пристрій для дроблення можуть зменшити розмір частинок і збільшити загальну площу поверхні в потоці вихідних матеріалів. У іншому прикладі волокнистий матеріал, одержаний подрібненням і дробленням картонних коробок для соку, можна обробляти для збільшення його об'ємної густини. У деяких випадках, волокнистий матеріал можна оббризкувати водою або розбавленим маточним розчином TM POLYOX WSR N10 (поліоксіетилен), приготованим у воді. Потім змочений волокнистий матеріал можна переробляти в пресі для гранулювання, діючому при кімнатній температурі. Прес для гранулювання може збільшувати об'ємну густину потоку вихідного матеріалу більше ніж на один порядок. ОБРОБКА Попередньо оброблену біомасу можна обробляти для застосування в основних процесах продукції, наприклад, шляхом зменшення середньої молекулярної маси, кристалічності і/або підвищення площі поверхні і/або пористості біомаси. У деяких варіантах здійснення біомасу можна обробляти для зниження неподатливості біомаси. Процеси обробки можуть включати щонайменше один (наприклад, один, два, три, чотири або п'ять) з опромінення, обробки ультразвуком, окислення, піролізу і парового вибуху. Неподатливість являє собою термін, використовуваний в даній галузі, як використовують в даному описі, який в широкому значенні стосується протидії матеріалу біомаси доступу деградуючих полісахариди агентів (наприклад, мікроорганізмів і/або ферментів (наприклад, мікробних ферментів)) до полісахаридів, що містяться в біомасі (див., наприклад, Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 і National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/BR-510-40742, March, 2007). Наприклад, доступність полісахаридів (наприклад, целюлози і геміцелюлози) в першому матеріалі біомаси з першим рівнем неподатливості є більш низькою, ніж доступність полісахаридів (наприклад, целюлози і геміцелюлози) в тому ж лігноцелюлозному матеріалі після обробки для зниження рівня неподатливості матеріалу. Іншими словами, рівень полісахаридів, доступних деградуючим полісахариди агентам, є більш високим після обробки для зменшення неподатливості. Оцінка рівнів неподатливості лігноцелюлозної біомаси Рівень неподатливості лігноцелюлозного матеріалу можна оцінювати з використанням ряду відомих в даній галузі способів. Приклади таких способів включають, але не обмежуються ними, способи характеризації поверхні, ферментативні способи і функціональні способи. Ілюстративні способи характеризації поверхні, які можна використовувати для оцінки рівня неподатливості лігноцелюлозних матеріалів, відомі в даній галузі (для огляду див. Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 і Ding et al., Microscopy and Microanalysis, 14:1494-1495, 2004). Наприклад, рівень неподатливості лігноцелюлозних матеріалів можна оцінювати з використанням мікроскопічних і/або спектроскопічних способів аналізу поверхні (наприклад, з використанням одного або декількох способів аналізу поверхні, описаних нижче) для ідентифікації, оцінки і/або кількісного визначення змін (наприклад, структурних змін) в лігноцелюлозних матеріалах, які вказують на 19 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зниження неподатливості матеріалу. Ілюстративні зміни, які можна використовувати як ознаки зниження неподатливості лігноцелюлозних матеріалів, включають зовнішній вигляд ямок або пор, і/або поверхні розгорнутих мікрофібрил. Див., наприклад, Himmel et al., National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/TP-510-37902, August, 2005 і Ding et al., Microscopy and Microanalysis, 14:1494-1495, 2004, де описані наступні способи: (1) Скануючу електронну мікроскопію (SEM) можна використовувати для візуалізації морфології поверхні біологічних і небіологічних матеріалів в широкому діапазоні збільшень (збільшення до 20000Х) і з високою глибиною поля (див., наприклад, Gomez et al., Biotechnology for Biofuels, 1, October 23, 2008; Sivan et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 72:346-352, 2006). Як правило, біологічні зразки, такі як зразки лігноцелюлозної біомаси, перед аналізом покривають тонким шаром електроннощільного матеріалу, такого як вуглець або атомізоване золото. Наприклад, зразки можна поміщати в муфти SEM і покривати золотом/паладієм. Потім ці поміщені зразки можна спостерігати з використанням відомих способів і пристроїв, наприклад JEOL JSM 6940LV SEM (Jeol Ltd., Tokyo, Japan), при прискорюючому напруженні 5 кВ. (2) Пізніше були розроблені способи для аналізу зразків, що містять природну вологу спосіб, названий SEM в режимі природного середовища (ESEM), наприклад, з використанням Quanta FEG 400 ESEM (FEI Company). Застосування ESEM в аналізі клітин дріжджів описане Ren et al., Investigation of the morphology, viability and mechanical properties of yeast cells in environmental SEM, Scanning, published online August 5, 2008). Такі способи в режимі природного середовища можна використовувати для аналізу лігноцелюлозної біомаси, що містить вологу, без застосування електроннощільних покриттів. (3) Також можна використовувати атомно-силову мікроскопію (AFM), наприклад, з використанням DI-Veeco MultiMode PicoForce system (див., наприклад, Stieg et al., Rev. Sci. Instrum., 79:103701, 2008). AFM ефективно дозволяє аналізувати топографію поверхні при дуже високому збільшенні, одночасно також дозволяючи аналіз сил притягання і відштовхування між вершиною скануючого зонда і поверхнею зразка, таким чином, забезпечуючи зображення висоти і фазове зображення. AFM в зростаючій мірі використовують для аналізу біологічних зразків внаслідок її високого атомного рівня розрізнення і її простоти застосування (зразки не вимагають тривалої підготовки). Крім того, AFM можна використовувати для спостереження за сухими і гідратованими поверхнями безпосередньо з використанням простукувального зонда. (4) Трансмісійна електронна мікроскопія (TEM), наприклад, з використанням FEI Tecnai F20, дозволяє визначення внутрішніх структур біологічних і небіологічних матеріалів аж до збільшення щонайменше 350000Х. Як правило, визначення внутрішніх структур може бути полегшене з використанням тіньових способів зображення або забарвлення висококонтрастними сполуками. Також можна проводити композиційний аналіз матеріалів шляхом моніторингу вторинних рентгенівських променів, що утворюються при взаємодії електрон-зразок, з використанням енергодисперсного рентгенівського мікроаналізу. Способи на основі TEM для аналізу рівня неподатливості лігноцелюлозного матеріалу описані в даній галузі (див., наприклад, Rhoads et al., Can. J. Microbiol, 41:592-600, 1995). (5) Оптична мікроскопія ближнього поля (NFSOM) з використанням, наприклад, DI-Aurora-3 NSOM (Nikon), дозволяє спостереження поверхонь за допомогою світлового мікроскопа з довгою глибиною поля, який адаптований для проведення вторинного спектрофотометричного аналізу, такого як UV/VIS, флуоресцентний аналіз і аналіз за допомогою лазера Рамана. У деяких варіантах здійснення NFSOM можна проводити з використанням інвертаційного мікроскопа Olympus 1 × 71, обладнаного камерою CCD з високим розрізненням DP70, для проведення мікроскопії окремих молекул. (6) Конфокальну мікроскопію (CFM) і конфокальну скануючу лазерну мікроскопію (CSLM) (див., наприклад, National Renewable Energy Laboratory (NREL) Technical Report NREL/BR-51040742, March, 2007) можна використовувати для одержання оптичних зрізів, які можна використовувати для побудови тривимірного зображення поверхні і внутрішніх структур. Як правило, CFM і CSLM проводять в поєднанні зі способами мічення, наприклад, флуоресцентними барвниками (див., наприклад, Sole et al., Microb. Ecol., Published online on November 4, 2008). У деяких варіантах здійснення рівень неподатливості лігноцелюлозного матеріалу можна оцінювати з використанням одного або декількох способів, відомих в даній галузі, наприклад способів, описаних в цьому документі. Потім той же зразок або його частину можна оцінювати після обробки для виявлення зміни (наприклад, структурної зміни) неподатливості. У деяких варіантах здійснення поява або спостереження ямок або пор, і/або поверхневе розгортання мікрофібрил в першому лігноцелюлозному матеріалі з першим рівнем неподатливості або на 20 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ньому є меншим, ніж поява або спостереження ямок або пор, і/або розгортання поверхні мікрофібрил в зразку після обробки для зменшення рівня неподатливості матеріалу. Альтернативно або додатково, зміну (наприклад, зниження) рівня неподатливості лігноцелюлозного матеріалу можна аналізувати з використанням ферментативних способів. Наприклад, лігноцелюлозний матеріал можна інкубувати в присутності однієї або декількох целюлаз, наприклад, до або після обробки з використанням способів, описаних в цьому документі. У деяких варіантах здійснення збільшення руйнування целюлози целюлазою вказує на зміну рівня неподатливості матеріалу, наприклад зниження неподатливості матеріалу. У деяких варіантах здійснення підвищення руйнування целюлози целюлазою приводить до збільшення кількості моносахаридів і/або дисахаридів в зразку. У деяких варіантах здійснення кількість (наприклад, концентрація) моносахаридів і/або дисахаридів внаслідок активності ферменту (наприклад, целюлази) в зразку, що містить перший лігноцелюлозний матеріал з першим рівнем неподатливості, є більш низьким, ніж кількість (наприклад, концентрація) моносахаридів і/або дисахаридів внаслідок активності ферменту (наприклад, целюлази) в тому ж зразку після обробки для зниження рівня неподатливості матеріалу. Альтернативно або додатково, зміну (наприклад, зниження) рівня неподатливості лігноцелюлозного матеріалу можна аналізувати з використанням функціональних способів. Наприклад, лігноцелюлозний матеріал можна культивувати в присутності ферментуючого цукри мікроорганізму, наприклад, з використанням способів культивування, описаних в даному документі, до і після обробки з використанням способів, описаних в цьому документі. У деяких варіантах здійснення підвищення рівня одного або декількох продуктів, продукованих мікроорганізмом, вказує на зміну рівня неподатливості матеріалу, наприклад на зниження неподатливості матеріалу. У деяких варіантах здійснення швидкість росту мікроорганізму і/або продукування продукту мікроорганізмом в зразку, що містить перший лігноцелюлозний матеріал з першим рівнем неподатливості, є більш низькою, ніж швидкість росту мікроорганізму і/або утворення продукту мікроорганізмом в тому ж зразку після зниження рівня неподатливості матеріалу. У деяких варіантах здійснення зміну рівня неподатливості матеріалу можна виражати як (1) співвідношення (наприклад, показник рівня неподатливості матеріалу до обробки відносно рівня неподатливості матеріалу після обробки); (2) процентну зміну (наприклад, зниження) рівня неподатливості матеріалу; (3) процентну зміну (наприклад, зниження) рівня полісахариду, доступного деградуючому полісахарид агенту (наприклад, ферменту) після обробки, в порівнянні з рівнем до обробки, на одиницю маси вихідного матеріалу біомаси; або (4) процентну зміну (наприклад, підвищення) розчинності матеріалу в конкретному розчиннику. T У деяких випадках другий матеріал містить целюлозу, яка має кристалічність ( C2), яка є T T більш низькою, ніж кристалічність ( C1) целюлози першого матеріалу. Наприклад, ( C2) може T бути більш низькою ніж ( C1) більше ніж приблизно на 10 %, наприклад 15, 20, 25, 30, 35, 40 % або навіть більше ніж приблизно на 50 %. У деяких варіантах здійснення вихідний індекс кристалічності (перед опроміненням) складає від приблизно 40 % до приблизно 87,5 %, наприклад від приблизно 50 % до приблизно 75 % або від приблизно 60 % до приблизно 70 %, і індекс кристалічності після опромінення складає від приблизно 10 % до приблизно 50 %, наприклад від приблизно 15 % до приблизно 45 % або від приблизно 20 % до приблизно 40 %. Однак, в деяких варіантах здійснення, наприклад після екстенсивного опромінення, індекс кристалічності може складати менше ніж 5 %. У деяких варіантах здійснення матеріал після опромінення є по суті аморфним. У деяких варіантах здійснення вихідна середньочислова молекулярна маса (перед опроміненням) складає від приблизно 200000 до приблизно 3200000, наприклад від приблизно 250000 до приблизно 1000000 або від приблизно 250000 до приблизно 700000, і середньочислова молекулярна маса після опромінення складає від приблизно 50000 до приблизно 200000, наприклад від приблизно 60000 до приблизно 150000 або від приблизно 70000 до приблизно 125000. Однак, в деяких варіантах здійснення, наприклад після екстенсивного опромінення, середньочислова молекулярна маса може складати менше ніж приблизно 10000 або навіть менше ніж приблизно 5000. T У деяких варіантах здійснення другий матеріал може мати рівень окислення ( O2), що T перевищує рівень окислення ( O1) першого матеріалу. Більш високий рівень окислення матеріалу може сприяти його здатності до диспергування, набухання і/або розчинення, далі посилюючи схильність матеріалів до хімічного, ферментативного або біологічного впливу. У деяких варіантах здійснення для підвищення рівня окислення другого матеріалу відносно першого матеріалу, опромінення проводять в окислювальній атмосфері, наприклад в атмосфері 21 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 повітря або кисню, одержуючи другий матеріал, який є більш окисленим, ніж перший матеріал. Наприклад, другий матеріал може мати більшу кількість гідроксильних груп, альдегідних груп, груп кетонів, груп складних ефірів або груп карбонових кислот, які можуть підвищувати його гідрофільність. Комбінована обробка У деяких варіантах здійснення біомасу можна обробляти з використанням щонайменше одного (наприклад, двох, трьох, чотирьох або п'яти) зі способів обробки, описаних в даному документі, таких як два або більше з радіаційного опромінення, обробки ультразвуком, окислення, піролізу і парового вибуху, або з попередньою, проміжною або подальшою підготовкою біомаси, як описано в даному документі, або без неї. Способи обробки можна застосовувати до біомаси, наприклад целюлозного і/або лігноцелюлозного матеріалу, в будьякому порядку, багато разів (наприклад, два або більше застосувань способу обробки) або одночасно. У інших варіантах здійснення матеріали, які включають вуглевод, підготовляють застосуванням трьох, чотирьох або більше будь-яких зі способів, описаних в даному документі (в будь-якому порядку або одночасно). Наприклад, вуглевод можна одержувати, застосовуючи до целюлозного і/або лігноцелюлозного матеріалу радіаційне опромінення, обробку ультразвуком, окислення, піроліз і, необов'язково, паровий вибух (в будь-якому порядку або одночасно). Потім одержаний вуглеводовмісний матеріал можна конвертувати за допомогою одного або декількох мікроорганізмів, таких як бактерії (наприклад, грампозитивні бактерії, грамнегативні бактерії і екстремофіли), дріжджі або суміші дріжджів і бактерій, в ряд бажаних продуктів, як описано в даному документі. Комплексні способи можуть забезпечити матеріали, які можуть більш легко утилізуватися різними мікроорганізмами внаслідок їх більш низької молекулярної маси, більш низької кристалічності і/або підвищеної розчинності. Комплексні способи можуть забезпечити синергію і можуть знизити загальні необхідні витрати енергії, в порівнянні з будь-яким окремим способом. Наприклад, в деяких варіантах здійснення може бути надана сировина біомаси, яка включає вуглевод, що продукований способом, який включає опромінення і обробку ультразвуком (в будь-якому порядку або одночасно) матеріалу біомаси, способом, який включає опромінення і окислення (в будь-якому порядку або одночасно) матеріалу біомаси, способом, який включає опромінення і піроліз (в будь-якому порядку або одночасно) матеріалу біомаси, способом обробки, який включає опромінення і піроліз (в будь-якому порядку або одночасно) матеріалу біомаси, або способом, який включає опромінення і паровий вибух (в будь-якому порядку або одночасно) матеріалу біомаси. Потім надану сировину біомаси можна вводити в контакт з мікроорганізмом, здатним конвертувати щонайменше частину, наприклад щонайменше приблизно 1 мас. %, біомаси в продукт. У деяких варіантах здійснення спосіб не включає гідроліз біомаси, наприклад, кислотою, основою і/або ферментом, наприклад мінеральною кислотою, такою як хлористоводнева або сірчана кислота. Якщо бажано, частина біомаси може включати гідролізований матеріал, або біомаса може не включати його. Наприклад, в деяких варіантах здійснення щонайменше приблизно сімдесят процентів по масі біомаси являє собою негідролізований матеріал, наприклад щонайменше 95 мас. % сировини являє собою негідролізований матеріал. У деяких варіантах здійснення по суті вся біомаса являє собою негідролізований матеріал. У деяких варіантах здійснення 100 % біомаси являє собою негідролізований матеріал. Будь-яка сировина або будь-який реактор або ферментер, завантажений сировиною, може включати буфер, такий як бікарбонат натрію, хлорид амонію або Tris; електроліт, такий як хлорид калію, хлорид натрію або хлорид кальцію; фактор росту, такий як біотин, і/або пару основ, таких як урацил або його еквівалент; поверхнево-активну речовину, таку як Tweenо або поліетиленгліколь; мінерал, такий як кальцій, хром, мідь, йод, залізо, селен або цинк; або хелатуючий агент, такий як етилендіамін, етилендіамінтетраоцтова кислота (ЕДТО) (або її форма солі, наприклад ЕДТО натрію або калію) або димеркапрол. Коли використовують радіаційне опромінення, його можна застосовувати до будь-якого зразка, який є сухим або вологим, або навіть диспергованим в рідині, такій як вода. Наприклад, опромінення можна проводити на матеріалі біомаси, в якому менше ніж приблизно 25 мас. % матеріалу біомаси має поверхню, змочену рідиною, такою як вода. У деяких варіантах здійснення опромінення проводять на матеріалі біомаси, в якому матеріал біомаси по суті не змочений рідиною, такою як вода. У деяких варіантах здійснення будь-яку переробку, описану в даному документі, проводять на матеріалі біомаси, що залишається сухим в одержаному вигляді або після висушування матеріалу, наприклад з використанням нагрівання і/або зниженого тиску. Наприклад, в деяких 22 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 варіантах здійснення матеріал біомаси має менше ніж приблизно п'ять процентів по масі утримуваної води, виміряної при 25 °C і при відносній вологості п'ятдесят процентів. Якщо бажано, в будь-якому способі, описаному в даному документі, можна використовувати засіб, що викликає набухання, як визначено в даному описі. У деяких варіантах здійснення, коли целюлозний і/або лігноцелюлозний матеріал переробляють з використанням радіаційного опромінення, менше ніж приблизно 25 мас. % матеріалу біомаси знаходиться в набухлому стані, де набухлий стан характеризується як наявність об'єму, який більше ніж на 2,5 % перевищує об'єм в ненабухлому стані, наприклад більше ніж на 5,0, 7,5, 10 або 15 % перевищує об'єм в ненабухлому стані. У деяких варіантах здійснення, коли до матеріалу біомаси застосовують радіаційне опромінення, матеріал біомаси по суті не знаходиться в набухлому стані. У конкретних варіантах здійснення, коли використовують радіаційне опромінення, матеріал біомаси включає засіб, що викликає набухання, і набухлий матеріал біомаси одержує дозу менше ніж приблизно 10 Мрад. Коли в будь-якому способі використовують радіаційне опромінення, його можна застосовувати при одночасному впливі на біомасу повітря, збагаченого киснем повітря або навіть кисню, або в атмосфері інертного газу, такого як азот, аргон або гелій. Коли є бажаним максимальне окислення, використовують окислювальне середовище, таке як повітря або кисень. Коли використовують радіаційне опромінення, його можна застосовувати до біомаси, такої як целюлозний і/або лігноцелюлозний матеріал, під тиском більше ніж приблизно 2,5 атмосфери (253 кПа), наприклад більше ніж 5 (506 кПа), 10 (1012 кПа), 15 (1518 кПа), 20 (2036 кПа) або навіть більше ніж приблизно 50 атмосфер (5060 кПа). Опромінення може підвищувати розчинність, здатність до набухання або здатність до диспергування біомаси в розчиннику. У конкретних варіантах здійснення спосіб включає опромінення і обробку ультразвуком, і опромінення передує обробці ультразвуком. У інших конкретних варіантах здійснення обробка ультразвуком передує опроміненню, або опромінення і обробку ультразвуком проводять по суті одночасно. У деяких варіантах здійснення спосіб включає опромінення і обробку ультразвуком (в будьякому порядку або одночасно) і, крім того, включає окислення, піроліз або паровий вибух. Коли спосіб включає радіаційне опромінення, опромінення можна проводити з використанням іонізуючої радіації, такої як гамма-промені, пучок електронів або ультрафіолетове С-випромінювання, що має довжину хвилі від приблизно 100 нм до приблизно 280 нм, пучок частинок, такий як пучок електронів, повільні нейтрони або альфа-частинки. У деяких варіантах здійснення опромінення включає два або більше джерел випромінювання, такі як гамма-промені і пучок електронів, які можна застосовувати в будь-якому порядку або одночасно. У конкретних варіантах здійснення обробку ультразвуком можна проводити з частотою від приблизно 15 кГц до приблизно 25 кГц, наприклад від приблизно 18 до 22 кГц, з використанням рупора потужністю 1 кВт або більше, наприклад рупора потужністю 2, 3, 4, 5 кВт або навіть 10 кВт. У деяких варіантах здійснення біомаса має першу середньочислову молекулярну масу, і одержаний вуглевод включає другу целюлозу, що має другу середньочислову молекулярну масу, більш низьку, ніж перша середньочислова молекулярна маса. Наприклад, друга середньочислова молекулярна маса є більш низькою, ніж перша середньочислова молекулярна маса більше ніж приблизно на двадцять п'ять процентів, наприклад зниження становить 2×, 3×, 5×, 7×, 10×, 25× або навіть 100×. У деяких варіантах здійснення перша целюлоза має першу кристалічність, а друга целюлоза має другу кристалічність, більш низьку ніж перша кристалічність, наприклад більше ніж приблизно на два, три, п'ять, десять, п'ятнадцять або двадцять п'ять процентів більш низьку кристалічність. У деяких варіантах здійснення перша целюлоза має перший рівень окислення, а друга целюлоза має другий рівень окислення, більш високий ніж перший рівень окислення, наприклад більш високий на два, три, чотири, п'ять, десять або навіть двадцять п'ять процентів. У деяких варіантах здійснення перша біомаса має перший рівень неподатливості, і кінцева біомаса має другий рівень неподатливості, більш низький, ніж перший рівень. Обробка радіаційним випромінюванням Для переробки біомаси з широкої множини різних джерел можна використовувати одну або декілька послідовностей переробки з метою екстракції з сировини корисних речовин і з метою одержання часткове деградованого органічного матеріалу, який виконує функцію вхідного 23 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потоку при подальших стадіях і/або послідовностях переробки. Опромінення може знижувати неподатливість, молекулярну масу і/або кристалічність сировини. У деяких варіантах здійснення для опромінення матеріалів використовують енергію, накопичену в матеріалі, яка вивільняє електрон з його атомної орбіталі. Радіаційне опромінення можна здійснювати за допомогою 1) важких заряджених частинок, таких як альфа-частинки або протони, 2) електронів, утворених, наприклад, при бета-розпаді або в прискорювачах електронних пучків, або 3) електромагнітного радіаційного випромінювання, наприклад гаммапроменів,рентгенівських променів або ультрафіолетових променів. У одному підході, для опромінення сировини можна використовувати радіаційне випромінювання, що генерується радіоактивними речовинами. У деяких варіантах здійснення можна використовувати будь-яку комбінацію з (1)-(3) в будь-якому порядку або одночасно. У іншому підході, для опромінення сировини можна використовувати електромагнітне випромінювання (наприклад, генероване з використанням джерел електронних пучків). Застосовувані дози залежать від бажаного ефекту і конкретної сировини. Наприклад, високі дози радіаційного опромінення можуть руйнувати хімічні зв'язки в компонентах сировини, а низькі дози радіаційного опромінення можуть підвищити утворення хімічних зв'язків (наприклад, поперечне зшивання) в компонентах сировини. У деяких випадках, коли є бажаним розділення ланцюгів і/або є бажаною функціоналізація ланцюгів полімерів, можна використовувати частинки важче електронів, такі як протони, група ядер гелію, іони аргону, іони кремнію, іони неону, іони вуглецю, іони фосфору, іони кисню або іони азоту. Коли є бажаним розділення ланцюгів з розмиканням циклу, для посиленого розмикання циклу можна використовувати позитивно заряджені частинки внаслідок їх властивостей кислот Льюїса. Посилаючись на Фіг. 8, в одному способі перший матеріал 2, який являє собою або включає T целюлозу, що має першу середньочислову молекулярну масу ( MN1), опромінюють, наприклад обробкою іонізуючим випромінюванням (наприклад, у формі гамма-випромінювання, рентгенівського випромінювання, ультрафіолетового (УФ) світла від 100 до 280 нм, пучка електронів або інших заряджених частинок) з одержанням другого матеріалу 3, який включає T целюлозу, що має другу середньочислову молекулярну масу ( MN2) нижче ніж перша середньочислова молекулярна маса. Другий матеріал (або перший і другий матеріал) можна змішувати з мікроорганізмом (наприклад, бактерією або дріжджами), який може утилізувати другий і/або перший матеріал, продукуючи продукт 5. Оскільки другий матеріал 3 має целюлозу, що має знижену неподатливість, молекулярну масу відносно першого матеріалу, і, в деяких випадках, знижену кристалічність, другий матеріал, як правило, є більш дисперговним, набухаючим і/або розчинним в розчині, що містить мікроорганізм. Ці властивості роблять другий матеріал 3 більш схильним до хімічного, ферментативного і/або біологічного впливу (наприклад, мікроорганізму) відносно першого матеріалу 2, що може значною мірою підвищити швидкість продукції і/або рівень продукції бажаного продукту, наприклад етанолу. Радіаційне опромінення також може стерилізувати матеріали. Т У деяких варіантах здійснення друга середньочислова молекулярна маса ( MN2) є більш T низькою, ніж перша середньочислова молекулярна маса ( MN1) більше ніж приблизно на 10 %, наприклад 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60 % або навіть більше ніж приблизно на 75 %. Іонізуюче випромінювання Кожна форма радіаційного випромінювання іонізує біомасу через конкретні взаємодії, що визначаються енергією радіаційного випромінювання. Важкі заряджені частинки в основному іонізують речовину через кулонівське розсіяння; більше того, ці взаємодії генерують енергетичні електрони, які можуть далі іонізувати речовину. Альфа-частинки ідентичні ядру атома гелію і утворюються шляхом альфа-розпаду різних радіоактивних ядер, таких як ізотопи вісмуту, полонію, астату, радону, францію, радію, декількох актиноїдів, таких як актиній, торій, уран, нептуній, кюрій, каліфорній, америцій і плутоній. Коли використовують частинки, вони можуть бути нейтральними (незарядженими), позитивно зарядженими або негативно зарядженими. Коли вони є зарядженими, заряджені частинки можуть нести позитивний або негативний заряд, або декілька зарядів, наприклад один, два, три або навіть чотири або більше зарядів. У випадках, коли є бажаним розділення ланцюгів, можуть бути бажаними позитивно заряджені частинки, частково, внаслідок їх кислотного характеру. Коли використовують частинки, частинки можуть мати масу спочиваючого електрона або більшу масу, наприклад в 500, 1000, 1500 або 2000 або більше разів перевищуючу масу спочиваючого електрона. Наприклад, частинки можуть мати масу від приблизно 1 атомної одиниці до приблизно 150 атомних одиниць, наприклад від приблизно 1 атомної одиниці до приблизно 50 атомних одиниць або від приблизно 1 до приблизно 25, 24 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наприклад 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 або 15 атомних одиниць. Прискорювачі, використовувані для прискорення частинок, можуть бути DC-електростатичними, DC-електродинамічними, RFлінійними, лінійними з магнітною індукцією або безперервними. Наприклад, циклотронні прискорювачі доступні від IBA, Бельгія, такі як система Rhodotron®, а прискорювачі DC-типу доступні від RDI, на даний час IBA Industrial, такі як Dynamitron®. Іони і прискорювачі іонів розглянуті в Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA В 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William Т., "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, і Leitner, C.M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. Як правило, генератори містяться в сховищі, наприклад зі свинцю або бетону. Електрони взаємодіють шляхом кулонівського розсіювання і гальмування радіаційного випромінювання, що викликається змінами швидкості електронів. Електрони можуть генеруватися радіоактивними ядрами, які піддаються бета-розпаду, такими як ізотопи йоду, цезію, технецію і іридію. Альтернативно як джерело електронів можна використовувати електронну гармату з використанням термоіонної емісії. Електромагнітне радіаційне випромінювання впливає через три процеси: фотоелектричне поглинання, комптонівське розсіяння і утворення пар. Переважаючий вплив визначається енергією падаючого радіаційного випромінювання і атомного числа матеріалу. Сума взаємодій, що приводять до поглинання радіаційного випромінювання в целюлозному матеріалі, може бути виражена за допомогою масового коефіцієнта поглинання (див. "Ionization Radiation" в PCT/US2007/022719). Електромагнітне випромінювання поділяють на гамма-промені, рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, інфрачервоні промені, мікрохвилі або радіохвилі, залежно від довжини хвилі. Наприклад, для опромінення матеріалів можна використовувати гамма-випромінювання. Посилаючись на Фіг. 9 і 10 (збільшений вигляд області R), гамма-випромінювач 10 включає 60 джерела гамма-випромінювання 408, наприклад таблетки Co, робочий стіл 14 для утримання матеріалів, що підлягають опроміненню, і накопичувач 16, наприклад, виготовлений з множини залізних пластин, які всі знаходяться в камері з бетонним захистом (сховище) 20, яка включає вхід у вигляді лабіринту 22 позаду освинцьованих дверей 26. Накопичувач 16 включає множину каналів 30, наприклад шістнадцять або більше каналів, що дозволяють джерелам гаммавипромінювання проходити на своєму шляху через накопичувач поблизу робочого стола. У процесі роботи зразок, що підлягає опроміненню, поміщають на робочий стіл. Опромінювач адаптований для того, щоб доставляти бажаний рівень дози і щоб з експериментальним блоком 31 було сполучено керуюче обладнання. Потім оператор покидає захисну камеру, проходячи через вхід у вигляді лабіринту і через освинцьовані двері. Оператор займає контрольну панель 32, інструктуючи комп'ютер 33 до приведення джерел радіаційного випромінювання 12 в робоче положення з використанням циліндра 36, приєднаного до гідравлічного насоса 40. Гамма-випромінювання має перевагу значної глибини проникнення в різні матеріали зразка. Джерела гамма-променів включають радіоактивні ядра, такі як ізотопи кобальту, кальцію, технецію, хрому, галію, індію, йоду, заліза, криптону, самарію, селену, натрію, талію і ксенону. Джерела рентгенівських променів включають зіткнення електронного пучка з металевими мішенями, такими як вольфрам або молібден, або сплави, або компактні джерела світла, такі як джерела світла, що комерційно виробляються Lyncean. Джерела ультрафіолетового випромінювання включають дейтерієві або кадмієві лампи. Джерела інфрачервоного радіаційного випромінювання включають керамічні лампи з вікном з сапфіра, цинку або селенідів. Джерела мікрохвиль включають клістрони, джерела Slevin RF-типу або джерела атомних пучків, в яких використовується газоподібний водень, кисень або азот. У способах, описаних в даному документі, можна використовувати різні інші пристрої для опромінення, включаючи польові іонізаційні джерела, електростатичні сепаратори іонів, польові іонізаційні генератори, джерела з термоіонною емісією, джерела іонів з надвисокочастотним розрядом, рециркуляційні або статичні прискорювачі, динамічні лінійні прискорювачі, прискорювачі Ван-де-Граафа і зігнені тандемні прискорювачі. Такі пристрої розкриті, наприклад, в попередній заявці США з серійним номером 61/073665, повний зміст якої включений в цей документ як посилання. Електронні пучки 25 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 У деяких варіантах здійснення як джерело радіаційного випромінювання використовують пучок електронів. Пучок електронів має перевагу високих рівнів доз (наприклад, 1, 5 або навіть 10 Мрад за секунду), високої продуктивності, меншої захисної ізоляції і меншої кількості ізолюючого обладнання. Електрони також можуть бути більш ефективними відносно забезпечення розділення ланцюгів. Крім того, електрони, що мають енергію 4-10 МеВ, можуть мати глибину проникнення від 5 до 30 мм або більше, наприклад 40 мм. Електронні пучки можна генерувати, наприклад, за допомогою електростатичних генераторів, каскадних генераторів, трансформаторних генераторів, низькоенергетичних прискорювачів зі скануючою системою, низькоенергетичних прискорювачів з лінійним катодом, лінійних прискорювачів і імпульсних прискорювачів. Електрони можуть бути придатні як джерело іонізуючого випромінювання, наприклад, для відносно тонких стосів матеріалів, наприклад менше ніж приблизно 0,5 дюйма (1,27 см), наприклад менше ніж 0,4 дюйма (1,02 см), 0,3 дюйма (0,76 см), 0,2 дюйма (0,51 см) або менше ніж 0,1 дюйма (0,25). У деяких варіантах здійснення енергія кожного електрона в електронному пучку складає від приблизно 0,3 МеВ до приблизно 2,0 МеВ (мегаелектронвольт), наприклад від приблизно 0,5 МеВ до приблизно 1,5 МеВ або від приблизно 0,7 МеВ до приблизно 1,25 МеВ. На Фіг. 11 представлена принципова технологічна схема 3000, яка включає різні стадії в послідовності попередньої обробки сировини пучком електронів. На першій стадії 3010 суха сировина подається з джерела вихідного матеріалу. Як розглянуто вище, суха сировина з джерела вихідного матеріалу може бути попередньо перероблена перед доставкою до пристроїв для опромінення пучком електронів. Наприклад, якщо сировина одержана з рослинних джерел, певні частини рослинного матеріалу можуть бути видалені перед збиранням рослинного матеріалу і/або перед доставкою рослинного матеріалу за допомогою пристрою для транспортування сировини. Альтернативно або додатково, як відображено на необов'язковій стадії 3020, сировину біомаси можна піддавати механічній переробці (наприклад, для зменшення середньої довжини волокон в сировині) перед доставкою до пристроїв для опромінення пучком електронів. На стадії 3030 суха сировина переміщається в пристрій для транспортування сировини (наприклад, на конвеєрну стрічку) і розподіляється по поперечній довжині пристрою для транспортування сировини приблизно рівномірно по об'єму. Це можна здійснювати, наприклад, вручну або шляхом індукції локалізованого вібраційного руху в деякій точці пристрою для транспортування сировини перед переробкою шляхом опромінення пучком електронів. У деяких варіантах здійснення змішувальна система подає хімічний реагент 3045 в сировину в необов'язковому процесі 3040, в якому утворюється суспензія. Об'єднання води з переробленою сировиною в стадії змішування 3040 приводить до водної суспензії сировини, яку можна транспортувати, наприклад, через систему труб, а не з використанням, наприклад, конвеєрної стрічки. Наступна стадія 3050 являє собою цикл, який охоплює вплив на сировину (в сухій формі або у формі суспензії) опромінення пучком електронів з одного або декількох (наприклад, N) пристроїв для опромінення пучком електронів. Суспензія сировини переміщається через кожний з N "потоків" електронних пучків на стадії 3052. Рух через потоки або між ними може відбуватися з постійною швидкістю, або під час проходження крізь кожний потік може бути пауза, з подальшим швидким переміщенням до наступного потоку. На стадії 3053 невелика частина суспензії сировини піддається впливу кожного потоку протягом деякого заданого часу впливу. Пристрої для опромінення пучком електронів можуть бути комерційно придбані від Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгія, або Titan Corporation, Дієго, CA. Типова енергія електронів може становити 1, 2, 4,5, 7,5 або 10 МеВ. Типова потужність пристрою для опромінення пучком електронів може становити 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250 або 500 кВт. Ефективність деполімеризації суспензії сировини залежить від використовуваної енергії електронів і застосовуваної дози, в той час як час впливу залежить від потужності і дози. Типові дози можуть мати значення 1, 5, 10, 20, 50, 100 або 200 кГр. При виборі оптимальних характеристик потужності пристрою для опромінення пучком електронів враховуються витрати на роботу, капітальні витрати, амортизаційні витрати і зона розміщення пристрою. При виборі оптимальних рівнів експозиційної дози опромінення пучком електронів враховуються витрата енергії і питання екології, безпеки і здоров'я (ESH). При виборі оптимальної енергії електронів враховують витрату енергії; в цьому випадку, більш низька енергія електронів може бути переважною з точки зору сприяння деполімеризації якої-небудь суспензії сировини (див., наприклад, Bouchard, et al., Cellulose (2006) 13:601-610). 26 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для забезпечення більш ефективного процесу деполімеризації, може бути переважним проведення опромінення електронним пучком з подвійним проходженням. Наприклад, пристрій для транспортування сировини може направляти сировину (в сухій формі або у формі суспензії) вниз і в зворотному напрямку відносно його первинного напрямку транспортування. Системи з подвійним проходженням можуть забезпечити переробку більш густих суспензій сировини і можуть забезпечити більш однорідну деполімеризацію крізь товщину суспензії сировини. Пристрій для опромінення пучком електронів може генерувати або фіксований промінь, або скануючий промінь. Переважним може бути скануючий промінь з великою довжиною розгортки сканування і високими швидкостями сканування, оскільки це може ефективно замінити велику ширину фіксованого променя. Крім того, доступна довжина розгортки 0,5, 1, 2 м або більше. Один з придатних пристроїв описаний в прикладі 22. Після транспортування частини суспензії сировини через N пристроїв для опромінення пучком електронів, в деяких варіантах здійснення може бути необхідним, як на стадії 3060, механічне розділення рідких і твердих компонентів суспензії сировини. У цих варіантах здійснення з рідкої частини суспензії сировини відфільтровуються залишкові тверді частинки і їх повертають на стадію приготування суспензії 3040. Потім тверда частина суспензії сировини переміщається на наступну стадію переробки 3070 за допомогою пристрою для транспортування сировини. У інших варіантах здійснення для подальшої переробки сировина підтримується у формі суспензії. Пучок важких іонних частинок Для опромінення вуглеводів або матеріалів, які включають вуглеводи, наприклад целюлозних матеріалів, лігноцелюлозних матеріалів, крохмальних матеріалів або сумішей будь-яких з цих і інших матеріалів, описаних в даному документі, можна використовувати частинки важче електронів. Наприклад, можна використовувати протони, групу ядер гелію, іони аргону, іони кремнію, іони неону, іони вуглецю, іони фосфору, іони кисню або іони азоту. У деяких варіантах здійснення частинки важче електронів можуть індукувати більш високі рівні розділення ланцюгів. У деяких випадках позитивно заряджені частинки можуть індукувати більш високі рівні розділення ланцюгів, ніж негативно заряджені частинки, внаслідок їх кислотності. Більш важкі пучки можна генерувати, наприклад, з використанням лінійних прискорювачів або циклотронів. У деяких варіантах здійснення енергія кожної частинки в пучку складає від приблизно 1,0 МеВ/атомну одиницю до приблизно 6000 МеВ/атомну одиницю, наприклад від приблизно 3 МеВ/атомну одиницю до приблизно 4800 МеВ/атомну одиницю або від приблизно 10 МеВ/атомну одиницю до приблизно 1000 МеВ/атомну одиницю. Електромагнітне випромінювання У варіантах здійснення, в яких опромінення проводять за допомогою електромагнітного випромінювання, електромагнітне випромінювання може мати енергію на фотон (в 2 3 4 5 6 електроновольтах), наприклад, більше 10 еВ, наприклад більше 10 , 10 , 10 , 10 еВ або навіть 7 більше 10 еВ. У деяких варіантах здійснення електромагнітне випромінювання має енергію на 4 7 5 6 фотон від 10 до 10 еВ, наприклад від 10 до 10 еВ. Електромагнітне випромінювання може 17 18 19 20 21 мати частоту, наприклад, більше 1016 Гц, більше 10 , 10 , 10 , 10 Гц або навіть більше 10 18 22 Гц. У деяких варіантах здійснення електромагнітне випромінювання має частоту від 10 до 10 19 21 Гц, наприклад від 10 до 10 Гц. Дози У деяких варіантах здійснення опромінення (з будь-яким джерелом радіаційного випромінювання або комбінацією джерел) проводять доти, поки матеріал не одержує дозу щонайменше 0,25 Мрад, наприклад щонайменше 1,0 Мрад, щонайменше 2,5 Мрад, щонайменше 5,0 Мрад або щонайменше 10,0 Мрад. У деяких варіантах здійснення опромінення проводять доти, поки матеріал не одержує дозу щонайменше від 1,0 до 6,0 Мрад, наприклад від 1,5 до 4,0 Мрад. У деяких варіантах здійснення опромінення проводять при рівні дози від 5,0 до 1500,0 кілорад/годину, наприклад від 10,0 до 750,0 кілорад/годину або від 50,0 до 350,0 кілорад/годину. У деяких варіантах здійснення використовують два або більше джерел радіаційного випромінювання, таких як два або більше джерел іонізуючого випромінювання. Наприклад, зразки можна обробляти, в будь-якому порядку, пучком електронів, а потім гаммавипромінюванням і УФ-випромінюванням, що має довжину хвилі від приблизно 100 нм до приблизно 280 нм. У деяких варіантах здійснення зразки обробляють трьома джерелами іонізуючого випромінювання, такими як пучок електронів, гамма-випромінювання і енергетичне УФ-випромінювання. 27 UA 110317 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Альтернативно, в іншому прикладі, волокнистий матеріал біомаси, який включає целюлозний і/або лігноцелюлозний матеріал, опромінюють і, необов'язково, обробляють звуковою енергією, наприклад ультразвуком. У одному прикладі застосування радіаційного випромінювання як обробки, як сировину використовують картонні коробки для соку об'ємом в півгалона (1,9 л), виготовлені з білого 3 3 крафт-картону, що має об'ємну густину 20 фунт/фут (0,32 г/см ). Картон можна складати до плоского стану, а потім подавати в послідовність з трьох систем пристрій для подрібненняпристрій для дроблення, розташованих послідовно, де продукт першого пристрою для дроблення подається як вхідний матеріал у другий пристрій для подрібнення і продукт другого пристрою для дроблення подається як вхідний матеріал в третій пристрій для подрібнення. Одержаний волокнистий матеріал можна оббризкувати водою і переробляти за допомогою преса для гранулювання, працюючого при кімнатній температурі. Ущільнені гранули можна поміщати в скляну ампулу, з якої відкачують повітря при високому вакуумі, а потім знову заповнюють газоподібним аргоном. Ампулу запаюють в атмосфері аргону. Гранули в ампулі опромінюють гамма-випромінюванням протягом приблизно 3 годин при рівні дози приблизно 1 Мрад на годину з одержанням опроміненого матеріалу, в якому целюлоза має більш низьку молекулярну масу, ніж вихідний матеріал. Гасіння і контрольована функціоналізація біомаси Після обробки одним або декількома типами іонізуючого випромінювання, такими як фотонне випромінювання (наприклад, рентгенівські промені і гамма-промені), опромінення пучком електронів або частинками важче електронів, які позитивно або негативно заряджені (наприклад, протони або іони вуглецю), будь-які з вуглеводовмісних матеріалів або сумішей, описаних в даному документі, стають іонізованими; тобто вони включають радикалів на рівнях, які піддаються детекції за допомогою спектрометра електронного парамагнітного резонансу. 14 Сучасна межа детекції радикалів становить приблизно 10 спінів при кімнатній температурі. Після іонізації будь-який матеріал біомаси, який є іонізованим, можна гасити для зниження рівня радикалів в іонізованій біомасі, наприклад, так, щоб радикали більше не піддавалися детекції за допомогою спектрометра електронного парамагнітного резонансу. Наприклад, радикалів можна гасити, застосовуючи достатній тиск на біомасу і/або використовуючи текуче середовище, що контактує з іонізованою біомасою, таке як газ або рідина, що реагує (гасить) з радикалами. Застосування газу або рідини щонайменше для сприяння гасінню радикалів можна використовувати для функціоналізації іонізованої біомаси бажаною кількістю і типом функціональних груп, таких як групи карбонових кислот, енольні групи, альдегідні групи, нітрогрупи, нітрильні групи, аміногрупи, алкіламіногрупи, алкільні групи, хлоралкільні групи або хлорфторалкільні групи. У деяких випадках таке гасіння може підвищити стабільність деяких з іонізованих матеріалів біомаси. Наприклад, гасіння може підвищити стійкість біомаси до окислення. Функціоналізація шляхом гасіння також може підвищити розчинність будь-якої біомаси, описаної в даному описі, може підвищити її термічну стабільність, яка може підвищити утилізацію матеріалу різними мікроорганізмами. Наприклад, функціональні групи, які надаються матеріалу біомаси гасінням, можуть діяти як рецепторні ділянки для зв'язування мікроорганізмами, наприклад для посилення гідролізу целюлози різними мікроорганізмами. На Фіг. 11A проілюстрована зміна молекулярної і/або надмолекулярної структури сировини біомаси шляхом попередньої обробки сировини біомаси іонізуючим випромінюванням, таким як електрони або іони з енергією, достатньою для іонізації сировини, для забезпечення першого рівня радикалів. Як показано на Фіг. 11A, якщо іонізована біомаса залишається в атмосфері, вона окислюється, наприклад, до такої міри, що утворюються групи карбонових кислот шляхом реакції з атмосферним киснем. У деяких випадках для деяких матеріалів таке окислення є бажаним, оскільки воно може сприяти подальшому зниженню молекулярної маси вуглеводовмісної біомаси, і окислювальні групи, наприклад групи карбонових кислот, в деяких випадках можуть бути корисними для розчинності і утилізації мікроорганізмом. Однак оскільки радикали можуть "жити" протягом деякого часу після опромінення, наприклад більше 1 доби, 5 діб, 30 діб, 3 місяців, 6 місяців або навіть більше 1 року, властивості матеріалу можуть продовжувати змінюватися з перебігом часу, що в деяких випадках може бути небажаним. Детекція радикалів в опромінених зразках за допомогою спектроскопії електронного парамагнітного резонансу і час життя радикалів в таких зразках розглянуті в Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 і Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). Як представлено на Фіг. 11A, іонізовану біомасу можна гасити для функціоналізації і/або стабілізації іонізованої біомаси. У будь-який момент часу, наприклад, коли матеріал є "живим" (все ще має суттєву кількість реактивних проміжних 28