專(zhuān)利名稱(chēng)：加工材料的制作方法
加工材料相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求于2008年10月觀日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/109，159的優(yōu)先權(quán)。這個(gè)臨時(shí)申請(qǐng)的完整公開(kāi)內(nèi)容在此通過(guò)引用合并入本文。背景生物量特別是生物量廢物是可大量獲得的。由生物量和其他材料以衍生材料和燃料例如乙醇將是有用的。概述材料可以進(jìn)行加工以在一個(gè)多個(gè)水平上改變其結(jié)構(gòu)。經(jīng)加工的材料隨后可以用作其他材料和燃料的來(lái)源。本申請(qǐng)的許多實(shí)施方案使用Natural Force Chemistry (NFC)。Natural Force Chemistry方法使用物理力例如粒子束、重力、光等的控制應(yīng)用和處理，以產(chǎn)生預(yù)期結(jié)構(gòu)和化學(xué)分子改變。通過(guò)應(yīng)用Nature過(guò)程，可以產(chǎn)生新的有用物質(zhì)而無(wú)有害的環(huán)境干擾。本申請(qǐng)描述了新原料制備方法，其包括使無(wú)機(jī)添加劑與材料例如生物量、烴或煤組合，以調(diào)節(jié)例如增強(qiáng)對(duì)各種物理力例如粒子束和其他形式的輻射對(duì)生物量的作用。本文描述的用于改變?nèi)魏紊锪坎牧系姆肿雍?或超分子結(jié)構(gòu)的方法包括在加入無(wú)機(jī)添加劑后，用輻射處理生物量材料，所述無(wú)機(jī)添加劑例如一種或多種陶瓷、和/或一種或多種金屬、和/或一種或多種折射材料、和/或一種或多種粘土、和/或一種或多種礦物質(zhì)。特別地，輻射可以包括粒子束，特別是帶電粒子，例如電子束。帶電粒子包括離子，例如帶正電荷的離子，例如質(zhì)子、碳或氧離子。在某些情況下，帶電粒子可以比電子重或具有與電子不同的電荷(例如正電子)。輻射可以以足以改變生物量材料的分子結(jié)構(gòu)和/或超分子結(jié)構(gòu)的量應(yīng)用。其他材料例如含烴材料例如烴和煤可以以類(lèi)似方式進(jìn)行加工。當(dāng)利用煤時(shí)，它可以以固體形式例如粉煤，或它可以以液化形式。煤可以通過(guò)許多技術(shù)進(jìn)行液化，例如通過(guò) Bergius 過(guò)程、SRC-I 和 SRC-II (Solvent Refined Coal)過(guò)程和 NUS Corporation 加氫過(guò)程。當(dāng)利用煤時(shí)，它可以是褐煤、火焰煤、氣火焰煤、肥煤、鍛造煤、不粘煤、無(wú)煙煤或這些類(lèi)型煤中的任何一種或多種的混合物。例如，質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子可以用于修飾生物量的結(jié)構(gòu)，例如斷裂生物量的分子量或增加分子量。在某些實(shí)施方案中，與電子或光子比較，更重的粒子可以誘導(dǎo)更高量的斷鏈。此外，在某些情況下，由于其酸性，帶正電荷的粒子可以誘導(dǎo)比帶負(fù)電荷粒子更高量的斷鏈。起因于照射的材料，組合可以用于任何合適應(yīng)用中，例如本文描述的那些中的任何，例如用于燃料、食物或如在復(fù)合材料中使用。例如，本文描述的某些方法進(jìn)一步包括去除無(wú)機(jī)材料，并且隨后在足以使含碳水化合物的材料轉(zhuǎn)換為燃料例如乙醇或丁醇(例如， 正丁醇)的時(shí)間和條件下，使所得到的材料與酶和/或微生物接觸。在其他實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括在足以使含碳水化合物的材料轉(zhuǎn)換為燃料例如乙醇或丁醇的時(shí)間和條件下，使組合與酶和/或微生物接觸。在某些實(shí)施方案中，該方法包括使經(jīng)處理的生物量材料
4(連同或不連同無(wú)機(jī)材料)與使材料糖化的酶接觸，并且隨后用微生物接種經(jīng)糖化的材料以制備有用產(chǎn)物，例如燃料，例如乙醇、丁醇或烴。需要時(shí)，可以分離無(wú)機(jī)材料且再次在照射過(guò)程中使用。在特定方面，本發(fā)明的特征在于制備含碳水化合物的材料的方法，其包括使纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料與無(wú)機(jī)材料組合，所述無(wú)機(jī)材料例如金屬或金屬化合物、耐火材料、陶瓷或這些中的任何的混合物，以提供組合；且照射組合。照射可以例如用加速粒子例如電子例如以高于75%光速的速度。在某些實(shí)現(xiàn)中，纖維素或木質(zhì)纖維素材料可以選自紙、紙制品、木材、木材相關(guān)材料例如鋸屑和刨花板、草例如稻草和柳枝稷、稻殼、甘蔗渣、苜蓿、干草、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹、劍麻、馬尼拉麻；農(nóng)業(yè)廢物例如玉米軸、玉米秸稈、甘蔗渣和椰子毛；藻類(lèi)、海藻、污水、青貯飼料、合成纖維素、拉出的絲廢棄紡織品材料、破布及其混合物。例如通過(guò)使纖維素和/或木質(zhì)纖維素和無(wú)機(jī)材料一起干摻和或共粉碎，可以使纖維素和/或木質(zhì)纖維素和無(wú)機(jī)材料組合?？梢栽诿糠N材料冷卻至例如低于25°C、0°C、干冰的正常大氣升華溫度、或甚至在液氮的正常大氣沸點(diǎn)或之下時(shí)執(zhí)行共粉碎。在特定實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料可以是或包括金屬或金屬合金，例如堿金屬例如鐵、 鎳、鉛、銅或鋅，或黑色金屬例如熟鐵或生鐵，或貴金屬(noble metal)例如鉭、金、鉬或銠。 金屬或金屬合金也可以是或包括貴重金屬(precious metal)，例如釕、銠、鈀、鋨、銥或鉬、 或過(guò)渡金屬。金屬合金可以是例如鋼、黃銅、青銅、硬鋁或hastaloy。金屬可以是鋁。在特定實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料可以是或包括金屬化合物，例如鐵或鈷的無(wú)機(jī)化合物，并且無(wú)機(jī)化合物可以處于2+或3+氧化狀態(tài)。在其他實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料可以是或包括耐火材料，例如酸性、中性或堿性耐火材料。酸性耐火材料可以是鋯石、耐火粘土或硅石。中性耐火材料可以是礬土、鉻鐵礦、碳化硅、碳或mulitite。堿性耐火材料可以是或包括白云石或菱鎂礦。在某些實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料可以是或包括陶瓷，例如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物或高嶺土，并且氧化物可以是或包括氧化鋁例如礬土、氧化鋯、氧化硅、氧化鋅或氧化鈦例如二氧化鈦。在特定實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料包括在升高溫度下能夠離開(kāi)無(wú)機(jī)材料的水，例如水合氧化鋁。在某些實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料不具有熔點(diǎn)。在其他實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料具有大于約 400 0C 的熔點(diǎn)，例如大于約 500、600、700、800、900、1000、1200、1，400、1600、1800、 2000,2200,2400,2600 或甚至大于約。在本文描述的方法中有用的無(wú)機(jī)材料可以具有小于約1. 5的比熱容Cp，例如小于約1. 25、1. 0,0. 75,0. 50,0. 25或甚至小于約0. lJ/gK。例如，無(wú)機(jī)材料可以具有約1. 25-約 0. 2J/gK的比熱容Cp，例如約1. 15-約0. 25或約0. 85-0. 30J/gK。此外，無(wú)機(jī)材料可以具有約 0. 004-約 450W/mK、約 0. 04-約 250W/mK、約 0. 1-約 150 或約 0. 25-約 50ff/mK 的電導(dǎo)率，和大于約 1. 5g/cm3，例如大于約 2. 0,2. 5. 3. 0,5. 0,7. 0,8. 0,9. 0,12. 0,15. 0,18. 0 或甚至大于20. Og/cm3的密度。在其他實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料具有約3. 5g/cm3-約20. Og/cm3、約 4. Og/cm3-約 18g/cm3 或約 4. 5g/cm3-約 13g/cm3 的密度。在特定實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料可以以粒子的形式，其在形狀上是基本上球形的，并且平均粒子大小可以范圍為約0. 1微米-約100微米，約0. 25微米-約75微米或約0. 5微米-約50微米。組合的照射可以包括對(duì)組合實(shí)施加速電子，例如具有大于約2MeV、4MeV、6MeV或甚至大于約SMeV能量的電子。在某些實(shí)施方案中，組合包括約0. 05-約35、約0. 1_約20、或約0. 5_約10重量％ 的無(wú)機(jī)材料。某些方法進(jìn)一步包括在足以使含碳水化合物的材料轉(zhuǎn)換為燃料例如乙醇或丁醇的時(shí)間和條件下，使經(jīng)照射的纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料連同或不連同首先去除無(wú)機(jī)材料與酶和/或微生物接觸。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于物質(zhì)的組合物，其在組合例如同質(zhì)組合中包括粒狀含碳水化合物的材料和粒狀無(wú)機(jī)材料，所述無(wú)機(jī)材料例如金屬或金屬化合物、耐火材料、陶瓷或這些中的任何的混合物。一般地，無(wú)機(jī)材料對(duì)于含碳水化合物的材料是外源的。物質(zhì)的組合物可以包括例如至少約0. 5重量％無(wú)機(jī)材料，例如至少約1、3、5、10或25重量％無(wú)機(jī)材料，或約0. 5-約 25重量％無(wú)機(jī)材料，或約1-約15重量％無(wú)機(jī)材料。用于由生物量制備且加工材料的方法可以包括使生物量官能化。在某些情況下， 與未進(jìn)行官能化的生物量比較，官能化的生物量更可溶，并且更容易由微生物利用。此外， 本文描述的許多官能化的材料較不易于氧化，并且可以具有增強(qiáng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性(例如，在空氣中在環(huán)境條件下的氧化)。在某些實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)剪切生物量纖維來(lái)源以提供纖維材料，來(lái)制備生物量原料。例如，剪切可以用旋轉(zhuǎn)切割機(jī)來(lái)執(zhí)行。纖維材料的纖維可以具有例如大于5/1的平均直徑長(zhǎng)度比。纖維材料可以具有例如大于0.25m2/g的BET表面積。在某些情況下，生物量可以具有小于約0. 35g/cm3的堆密度。低堆密度材料可以被帶電粒子深入滲透。例如，對(duì)于以5MeV 平均能量的電子和具有0. 35g/cm3堆密度的材料，電子穿透深度可以是5-7英寸或更多。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于加工含烴材料的方法，該方法包括照射通過(guò)使含烴材料與無(wú)機(jī)材料組合形成的組合。在某些方面，含烴材料選自焦油或油砂、油頁(yè)巖、原油、浙青、煤、石油氣、液化天然和/或合成氣、和柏油。含烴材料例如烴和煤與生物量的組合(例如，摻和物)可以以類(lèi)似方式進(jìn)行加工。當(dāng)微生物用于本文描述的過(guò)程中時(shí)，它可以是天然微生物或經(jīng)改造的微生物。例如，微生物可以是細(xì)菌例如分解纖維素的細(xì)菌、真菌例如酵母、植物或原生生物例如藻類(lèi)、 原生動(dòng)物或真菌樣原生生物例如粘菌。當(dāng)生物相容時(shí)，可以利用混合物。一般地，通過(guò)對(duì)材料起作用，例如使材料發(fā)酵，各種微生物可以生產(chǎn)許多有用產(chǎn)物，例如燃料。例如，發(fā)酵或其他過(guò)程可以用于生產(chǎn)醇、有機(jī)酸、烴、氫、蛋白質(zhì)或這些材料中的任何的混合物?？梢陨a(chǎn)的產(chǎn)物的例子包括單和多功能C1-C6烷基醇、單和多功能羧酸、C1-C6烴及其組合。合適醇的具體例子包括甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1，4_ 丁二醇、甘油及其組合。合適羧酸的具體例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕櫚酸、 硬脂酸、草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、油酸、亞油酸、羥乙酸、乳酸、Y -羥基丁酸及其組合。 合適烴的例子包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其組合。這些產(chǎn)物中的許多可以用作燃料。
如本文描述的，改變生物量原料的分子結(jié)構(gòu)意指改變化學(xué)鍵合排列，例如官能團(tuán)類(lèi)型和數(shù)量或結(jié)構(gòu)構(gòu)象。例如，分子結(jié)構(gòu)中的改變可以包括改變材料的超分子結(jié)構(gòu)、材料的氧化、改變平均分子量、改變平均結(jié)晶度、改變表面積、改變聚合度、改變多孔性、改變支化度、移植在其他材料上、改變結(jié)晶域大小或改變總體結(jié)構(gòu)域大小。除非另有定義，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解相同的含義。盡管下文描述了合適方法和材料，但與本文描述的那些相似或等價(jià)的方法和材料都可以用于本發(fā)明的實(shí)踐或測(cè)試中。本文提及的所有出版物、專(zhuān)利申請(qǐng)、專(zhuān)利和其他參考文獻(xiàn)通過(guò)引用整體合并入本文。在沖突的情況下，以本說(shuō)明書(shū)包括定義為準(zhǔn)。此外，材料、方法和實(shí)施例僅是舉例說(shuō)明性的，并且不意欲是限制性的。本申請(qǐng)將下述專(zhuān)利的完整內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文于2007年10月沈日提交的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2007/022719 ；上述要求關(guān)于其的優(yōu)先權(quán)的申請(qǐng)；各自于2008年 4 月 30 日提交的序列號(hào) 61/049，391、61/049，395、61/049，419、61/049，415、61/049，413、 61/049, 407,61/049, 404,61/049, 394 和 61/049，405。本申請(qǐng)還將具有下述序列號(hào)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用整體合并=12/486, 436、12/429，045、12/417，904、 12/417，900,12/417,880,12/417,840,12/417,786,12/417,731,12/417,723,12/417,720、 12/417，707、12/417，699 和 12/374，549。下述出版物各自的完整內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文J.R. Adney等人，IEEE Transactions on Nuclear Science,第 NS-32 卷，第 1841-1843 頁(yè)(1985) J. R. Adney 等人，Proceedings of the 1989 IEEE ParticleAccelerator Conference,第 1 卷，第 348-350 M (1989) ;J. A. Ferry 等人，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,第 B64 卷，第 309-312 頁(yè)(1992) ;J. Ferry, in Handbook of Accelerator Physicsand Engineering,第 16-17 頁(yè)(1999) ；J. A. Ferry 等人，NuclearInstruments and Methods in Physics Research A, H 382 H 316-320 M (1996) ;J. A. Ferry, Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A,第 328 卷，第 28—33 頁(yè)(1993)； Τ· Μ· Hauser 等人，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,第 249 卷，第 932-934 頁(yè)(2006) ；R. G. Herb, in Encyclopedia of Physics,第 3-8 頁(yè)(1981)； R. G. Herb 等人，in Encyclopedia of Applied Physics,第 1 卷，第 27-42 頁(yè)(1991)； R. G. Herb, IEEE Transactions on NuclearScience，第 NS-30 卷，第 1359-1362 頁(yè)(1983)； R. G. Herb, Proceedingsof the Third International Conference on Electrostatic AcceleratorTechnology(1981) ；G. Μ. Klody 等人，Nuclear Instruments andMethods in Physics Research B,第 56-57 卷，第 704-707 頁(yè)(1991) ；G. Μ. Klody 等人，Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch B,第 240 第 463-467 M (2005)； R. L. Loger, Applicationof Accelerators in Research and Industry, Proceedings of the FifteenthInternational Conference，第 640-643 頁(yè)(1999) ；G. A. Norton 等人， Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,第 40-41 卷，第 785-789 頁(yè) (1989) ；G. A. Norton 等人，Application of Acceleratorsin Research and Industry, Proceedings of the FourteenthInternational Conference,第 1109-1114 頁(yè)(1997)； G. Norton 等人’ Handbook of Accelerator Physics and Engineering,第 24-26 頁(yè) (1999) ；G. A. Norton 等人，Symposium of North Eastern AcceleratorPersonnel,第
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圖1是舉例說(shuō)明生物量轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物和共同產(chǎn)物的方框圖。圖2是舉例說(shuō)明纖維來(lái)源轉(zhuǎn)變成第一種和第二種纖維材料的方框圖。圖3是旋轉(zhuǎn)切割機(jī)的橫斷面視圖。圖4是舉例說(shuō)明纖維來(lái)源轉(zhuǎn)變成第一種、第二種和第三種纖維材料的方框圖。詳述下文描述了可以使用各種生物量材料以形成有用產(chǎn)物的系統(tǒng)和過(guò)程。生物量材料可以與一種或多種無(wú)機(jī)材料組合，所述無(wú)機(jī)材料例如陶瓷、金屬、粘土和/或礦物質(zhì)，并且照射組合。與不存在無(wú)機(jī)材料時(shí)應(yīng)用相同能量比較，無(wú)機(jī)材料的添加調(diào)節(jié)(增加/增強(qiáng)或降低)輻射對(duì)生物量的作用。例如，無(wú)機(jī)材料的存在可以通過(guò)增加由照射產(chǎn)生的熱而增強(qiáng)輻射對(duì)生物量材料的作用。例如，相對(duì)于其中無(wú)機(jī)材料在輻射處理過(guò)程中不存在的情況，伴隨照射過(guò)程中存在的無(wú)機(jī)材料，對(duì)于給定輻射劑量，纖維素或木質(zhì)纖維素材料對(duì)結(jié)構(gòu)改變的不順應(yīng)程度可以減少至更大程度。例如，當(dāng)與在照射過(guò)程中不存在無(wú)機(jī)材料的生物量輻射處理比較，照射生物量和無(wú)機(jī)材料的組合時(shí)，對(duì)于任何給定劑量，平均分子量和/或平均結(jié)晶度可以減少更大程度，例如10、20、30、40、50、60、或甚至75%更大。例如，當(dāng)與在照射過(guò)程中不存在無(wú)機(jī)添加劑比較，照射生物量和無(wú)機(jī)材料的組合時(shí)，對(duì)于任何給定劑量，生物量的表面積和/ 或多孔性可以增加更大程度，例如10、20、30、40、50、60、或甚至75%更大。不希望受任何具體理論束縛，認(rèn)為無(wú)機(jī)添加劑可以通過(guò)許多潛在機(jī)制調(diào)節(jié)輻射對(duì)生物量的作用，所述潛在機(jī)制包括熱效應(yīng)、活化效應(yīng)(例如，無(wú)機(jī)材料的反應(yīng)形式的形成)和二次輻射效應(yīng)(例如，軔致輻射X射線(xiàn))。熱效應(yīng)被認(rèn)為起于通過(guò)無(wú)機(jī)材料的生物量加熱，當(dāng)粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱時(shí)，所述無(wú)機(jī)材料在輻射場(chǎng)中被加熱。分子活化效應(yīng)被認(rèn)為起于無(wú)機(jī)材料轉(zhuǎn)化成化學(xué)上更活躍的種類(lèi)，這依次與生物量或氣體例如在輻射場(chǎng)中的空氣直接反應(yīng)。例如，在其中二氧化鈦存在于無(wú)機(jī)材料中的實(shí)施方案中，二氧化鈦可以在輻射場(chǎng)中活化至二氧化鈦的電子激發(fā)形式，這依次可以與空氣中的氧反應(yīng)以生成在生物量周?chē)某粞?。臭氧可以攻擊生物量，特別是生物量的木質(zhì)素部分。就電子束中對(duì)無(wú)機(jī)材料的熱效應(yīng)而言，物質(zhì)中的差異電子束吸收(dE/dx)由等式 ⑴描述dE/dx = -S(V) P (以 MeV/cm) (1)，其中S(V) (MeV · cm2/g)是材料對(duì)以能量V的電子的阻止能力，并且P是材料的質(zhì)量密度(以g/cm3)。使用相同參數(shù)，由等式(2)約計(jì)其為能量Vtl的電子進(jìn)入材料內(nèi)的最大穿透距離的電子范圍(R) R = V0/S (V0) P (以 cm) (2).假定沒(méi)有熱傳導(dǎo)，用高能電子照射的材料中的溫度升高(以K的ΔΤ)與材料的比熱容(Cp)、材料密度(P)、單位面積(a)和厚度(d)成反比，并且與沉積能量密度(O成正比，如等式(3)中所示Δ T = ε /Cp P ad (以 K) (3).當(dāng)考慮熱傳導(dǎo)時(shí)，熱從加熱區(qū)傳導(dǎo)開(kāi)，并且在與材料的導(dǎo)熱率成反比的時(shí)標(biāo)(τ) 上平衡。如果能量在短于(τ)的時(shí)標(biāo)上流入材料內(nèi)，那么材料在溫度中將升高。用電子束可以局部升高被照射材料的溫度直至25，000°C或更高。合適無(wú)機(jī)材料的例子在下文材料節(jié)段中討論。在某些實(shí)現(xiàn)中，生物量材料通常通過(guò)原始材料的粉碎首先在物理上制備用于加工。在某些情況下，用一個(gè)或多個(gè)另外加工步驟處理生物量材料和/或組合，例如超聲處理、氧化、熱解或蒸汽爆炸。經(jīng)照射的生物量和無(wú)機(jī)材料組合可以單獨(dú)用作產(chǎn)物，或可以進(jìn)一步加工以形成一種或多種產(chǎn)物且在某些情況下形成共同產(chǎn)物，如下文將討論的。無(wú)機(jī)材料可以在進(jìn)一步加工之前、之時(shí)或之后去除，或可以保留在一種或多種最終產(chǎn)物中。用于處理生物量的系統(tǒng)圖1顯示用于將生物量轉(zhuǎn)變成由于產(chǎn)物和共同產(chǎn)物的系統(tǒng)100，所述生物量特別是具有顯著纖維素和木質(zhì)纖維素組分和/或淀粉質(zhì)組分的生物量。系統(tǒng)100包括進(jìn)料制備子系統(tǒng)110、組合單元113、處理子系統(tǒng)114、初級(jí)加工子系統(tǒng)118和后加工子系統(tǒng)122。進(jìn)料制備子系統(tǒng)110接受以其原始形式的生物量，在物理上制備生物量用于用作通過(guò)下游過(guò)程的原料(例如，減少生物量的尺寸且使生物量均質(zhì)化)，且以其原始和原料形式貯存生物量。在組合單元113中，使生物量與一般以粒子形式的無(wú)機(jī)材料組合。處理子系統(tǒng)114接受來(lái)自組合單元113的組合，并且制備原料用于在初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程例如發(fā)酵中使用，通過(guò)例如減少原料的平均分子量和結(jié)晶度。在處理子系統(tǒng)114中，照射組合，并且還可以實(shí)施其他處理，例如猝滅、熱解或氧化。初級(jí)加工子系統(tǒng)118接受來(lái)自預(yù)處理子系統(tǒng)114的處理的原料，并且將其用作原
9料以產(chǎn)生有用產(chǎn)物(例如，乙醇、其他醇類(lèi)、藥物和/或食物產(chǎn)物)。進(jìn)料制備系統(tǒng)、組合單元、處理子系統(tǒng)和初級(jí)加工子系統(tǒng)118可以在相同生產(chǎn)設(shè)施中，或可以在2個(gè)或更多個(gè)生產(chǎn)設(shè)施中。例如，生物量材料可以在第一個(gè)設(shè)施中進(jìn)行物理制備，在第二個(gè)設(shè)施中與無(wú)機(jī)材料組合且照射，并且在第二個(gè)設(shè)施或第三個(gè)設(shè)施中在初級(jí)加工中進(jìn)行加工。在某些情況下，初級(jí)加工子系統(tǒng)118的輸出是直接有用的，但在其他情況下，所有或部分輸出可能需要由后加工子系統(tǒng)122提供的進(jìn)一步加工，例如蒸餾。后加工子系統(tǒng)122 還可以提供用于來(lái)自其他子系統(tǒng)的廢物流的處理。在某些情況下，子系統(tǒng)114、118、122的共同產(chǎn)物也可以直接或間接用作次級(jí)產(chǎn)物和/或用于增加系統(tǒng)100的總效率。例如，后加工子系統(tǒng)122可以產(chǎn)生待再循環(huán)的經(jīng)處理的水用于用作其他子系統(tǒng)中的過(guò)程水，和/或可以產(chǎn)生可以用作燃料用于產(chǎn)生蒸汽和/或電的鍋爐的可燃廢物。無(wú)機(jī)材料在某些情況下可以通過(guò)分離單元120與經(jīng)處理的原料分離。分離單元 120可以在初級(jí)加工子系統(tǒng)118之前，如所示的，或可以在初級(jí)加工子系統(tǒng)或后加工子系統(tǒng)之后，或與這些子系統(tǒng)中的任一整合。在某些情況下，回收無(wú)機(jī)材料，例如以在過(guò)程中再使用或用作共同產(chǎn)物。在其他情況下，棄去無(wú)機(jī)材料。在某些實(shí)現(xiàn)中，無(wú)機(jī)材料不與生物量分離而是變成最終產(chǎn)物的部分。牛物量原料制備在某些情況下，進(jìn)料制備子系統(tǒng)110通過(guò)切割、研磨、剪切、切碎、機(jī)械撕開(kāi)或撕裂、針研磨、空氣碾磨或剁碎來(lái)制備原料。需要時(shí)，篩子和/或磁體可以用于去除超尺寸或不希望有的物體，例如來(lái)自進(jìn)料流的石頭或釘子。例如通過(guò)剪切的此類(lèi)物理制備可以“打開(kāi)”且壓迫纖維材料，使得材料的纖維素對(duì)斷鏈和/或結(jié)晶度減少更敏感。當(dāng)照射時(shí)，開(kāi)放材料還可以對(duì)氧化敏感。物理制備還可以使得更易于使生物量材料與無(wú)機(jī)材料組合，例如通過(guò)減少生物量材料的大小且致使其在尺寸和形狀中更同質(zhì)。在圖2中所示的例子中，例如在旋轉(zhuǎn)切割機(jī)中剪切生物量纖維來(lái)源210，以提供第一種纖維材料212。使第一種纖維材料212經(jīng)過(guò)具有1. 59mm或更少(1/16英寸，0. 0625英寸)的平均開(kāi)口尺寸的第一個(gè)篩子214，以提供第二種纖維材料216。需要時(shí)，生物量纖維來(lái)源可以在剪切前例如用切碎機(jī)或切紙機(jī)進(jìn)行切割，所述切碎機(jī)例如正反轉(zhuǎn)螺旋切碎機(jī)， 例如由Munson (Utica，N. Y.)制造的那些。在某些實(shí)現(xiàn)中，旋轉(zhuǎn)切割機(jī)用于同時(shí)剪切纖維來(lái)源且篩選第一種纖維材料。參考圖3，旋轉(zhuǎn)切割機(jī)220包括漏斗222，其可以裝載通過(guò)切碎纖維來(lái)源而制備的經(jīng)切碎的纖維來(lái)源224。經(jīng)切碎的纖維來(lái)源在固定葉片230和旋轉(zhuǎn)葉片232之間進(jìn)行剪切，以提供第一種纖維材料對(duì)0。使第一種纖維材料240經(jīng)過(guò)篩子M2，并且所得到的第二種纖維材料244 捕獲在箱250中。為了幫助收集第二種纖維材料，箱可以具有低于額定大氣壓的壓力，例如低于額定大氣壓至少10%、例如低于額定大氣壓至少25%、低于額定大氣壓至少50%、低于額定大氣壓至少75%。在某些實(shí)施方案中，真空來(lái)源252用于使箱維持在額定大氣壓下。 篩子的合適特征在例如美國(guó)序列號(hào)12/4 ，045中描述。纖維來(lái)源可以以干燥狀態(tài)、水合狀態(tài)(例如，具有高達(dá)10重量％的吸收水)、或濕潤(rùn)狀態(tài)例如具有約10重量約75重量％的水進(jìn)行剪切。纖維來(lái)源甚至可以在部分或全部沒(méi)入液體下時(shí)進(jìn)行剪切，所述液體例如水、乙醇、異丙醇。纖維來(lái)源還可以在氣體(例如除空氣外的氣體流或大氣)例如氧或氮或蒸汽中進(jìn)行剪切。需要時(shí)，根據(jù)其長(zhǎng)度、寬度、密度、材料類(lèi)型或這些屬性的某些組合，可以使纖維材料例如連續(xù)或分批分成部分。例如，為了形成復(fù)合物，通常希望具有相對(duì)狹窄的纖維長(zhǎng)度分布。纖維材料可以緊在其制備后進(jìn)行照射，或它們可以例如在約105°C下干燥4-18小時(shí)，從而使得在使用前含濕量例如小于約0. 5%。在某些實(shí)施方案中，使第二種纖維材料剪切且經(jīng)過(guò)第一個(gè)篩子，或不同尺寸的篩子。在某些實(shí)施方案中，使第二種纖維材料經(jīng)過(guò)其平均開(kāi)口尺寸等于或小于第一個(gè)篩子的第二個(gè)篩子。參考圖4，通過(guò)剪切第二種纖維材料216且使所得到的材料經(jīng)過(guò)具有小于第一個(gè)篩子214的平均開(kāi)口尺寸的第二個(gè)篩子222，可以由第二種纖維材料216制備第三種纖維材料220。剪切和篩選順序可以根據(jù)需要重復(fù)多次，以獲得特定纖維性質(zhì)。一般地，纖維材料的纖維可以具有相對(duì)大的平均直徑長(zhǎng)度比(例如大于20比1)， 即使它們已剪切大于一次。此外，本文描述的纖維材料的纖維可以具有相對(duì)窄的長(zhǎng)度和/ 或直徑長(zhǎng)度比分布。如本文使用的，平均纖維寬度(即直徑)是通過(guò)隨機(jī)選擇約5，000根纖維在光學(xué)上測(cè)定的那些。平均纖維長(zhǎng)度是校正長(zhǎng)度-加權(quán)長(zhǎng)度。BET (Brunauer,Emmet和1Teller)表面積是多點(diǎn)表面積，并且多孔性是通過(guò)水銀孔率法測(cè)定的那些。第二種纖維材料14的平均直徑長(zhǎng)度比可以例如大于8/1、例如大于10/1、大于 15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。第二種纖維材料14的平均長(zhǎng)度可以是例如約
0.5mm-2. 5mm、例如約0. 75mm-l. 0mm,并且第二種纖維材料14的平均寬度(例如直徑)可以 Mi列如約 5 μ m-50 μ m, M如約 10 μ m-30 μ m。在某些實(shí)施方案中，第二種纖維材料14的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差小于第二種纖維材料14的平均長(zhǎng)度的60%，例如小于平均長(zhǎng)度的50%、小于平均長(zhǎng)度的40%、小于平均長(zhǎng)度的25%、 小于平均長(zhǎng)度的10%、小于平均長(zhǎng)度的5%、或甚至小于平均長(zhǎng)度的1%。在某些實(shí)施方案中，材料具有小于0. 25g/cm3的堆密度，例如0. 20g/cm3、0. 15g/ cm3、0. 10g/cm3、0. 05g/cm3 或更少，例如 0. 025g/cm3。堆密度使用 ASTM D1895B 進(jìn)行測(cè)定。 簡(jiǎn)言之，該方法涉及用樣品填充具有已知體積的量筒，并且獲得樣品的重量。通過(guò)用以克表示的樣品重量除以以立方公分表示的圓筒的已知體積來(lái)計(jì)算堆密度。在某些實(shí)施方案中，第二種纖維材料的BET表面積大于0. lm2/g，例如大于0. 25m2/ g、大于 0. 5m2/g、大于 1. 0m2/g、大于 1. 5m2/g、大于 1. 75m2/g、大于 5. 0m2/g、大于 10m2/g、大于 25m2/g、大于 35m2/g、大于 50m2/g、大于 60m2/g、大于 75m2/g、大于 100m2/g、大于 150m2/g、大于200m2/g、或甚至大于250m2/g。第二種纖維材料14的多孔性可以是例如大于20%、大于 25%、大于35%、大于50%、大于60%、大于70%、例如大于80%、大于85%、大于90%、大于92%、大于94%、大于95%、大于97. 5%、大于99%、或甚至大于99. 5%。在某些實(shí)施方案中，第一種纖維材料的平均直徑長(zhǎng)度比與第二種纖維材料的平均直徑長(zhǎng)度比的比是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、小于1. 1、小于1.075、小于
1.05、小于1. 025、或甚至基本上等于1。本文描述的任何纖維材料或纖維材料與無(wú)機(jī)材料的任何混合物都可以在照射前或后進(jìn)行致密化，例如用于轉(zhuǎn)運(yùn)或貯存，并且隨后通過(guò)本文描述的一種或多種方法“打開(kāi)”用于進(jìn)一步加工。致密化例如在美國(guó)序列號(hào)12/4 ，045中描述。牛物量材料與無(wú)機(jī)材料的組合在某些實(shí)施方案中，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料和無(wú)機(jī)材料在照射前通過(guò)例如在鼓中的干摻和進(jìn)行組合。在其他實(shí)施方案中，使纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料和無(wú)機(jī)材料共粉碎。例如，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料和無(wú)機(jī)材料可以在混合物照射前在研磨機(jī)中一起研磨。在特定實(shí)施方案中，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料和無(wú)機(jī)材料在冷凍研磨機(jī)中共粉碎，從而使得每種材料冷卻至低于25°C的溫度，例如在0°C或之下，例如在干冰的正常大氣升華溫度或之下、或在液氮的正常大氣沸點(diǎn)或之下。在冷凍研磨機(jī)中研磨生物量在名稱(chēng)為“Cooling andProcessing Materials”美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/081，709中描述，其通過(guò)引用整體合并入本文。處理處理包括照射物理制備的生物量材料和無(wú)機(jī)材料的組合。在某些情況下，處理可以進(jìn)一步包括超聲處理、氧化、熱解和蒸汽爆炸中的一種或多種，這些中的任何都可以通過(guò)使用如本文描述的無(wú)機(jī)添加劑得到調(diào)節(jié)例如增強(qiáng)。輻射處理照射組合可以包括對(duì)組合實(shí)施加速電子，例如具有大于約2MeV、4MeV、6MeV或甚至大于約8MeV能量的電子。因此，考慮范圍例如2. 0-8. OMeV和4. 0-6. OMeV的范圍。在某些實(shí)施方案中，使電子加速至例如大于75%光速，例如大于85、90、95或99%光速的速度。在某些情況下，以大于約0. 25Mrad/秒的劑量率執(zhí)行照射，例如大于約0. 5、0. 75、 1. 0,1. 5,2. 0，或甚至大于約2. 5Mrad/秒。在某些實(shí)施方案中，以5. 0-1500. 0千拉德/小時(shí)的劑量率執(zhí)行照射，例如10. 0-750. 0千拉德/小時(shí)，或50. 0-350. 0千拉德/小時(shí)。在某些實(shí)施方案中，執(zhí)行照射(用任何輻射源或源的組合)直至材料接受至少 0. 25Mrad的劑量,例如至少1. OMracU至少2. 5Mrad、至少5. OMrad或至少10. OMrad0在某些實(shí)施方案中，執(zhí)行照射直至材料接受1. OMrad-6. OMrad的劑量，例如1. 5Mrad_4. OMrad。所應(yīng)用的劑量依賴(lài)于所需效應(yīng)和具體原料。例如，高劑量的輻射可以破壞原料組分內(nèi)的化學(xué)鍵，并且低劑量的輻射可以增加原料組分內(nèi)的化學(xué)鍵合(例如，交聯(lián))。輻射可以應(yīng)用于干燥或濕潤(rùn)，或甚至在液體例如水中分配的任何樣品。例如，照射可以對(duì)這樣的纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料執(zhí)行，其中小于約25重量％的纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料具有由液體例如水潤(rùn)濕的表面。在某些實(shí)施方案中，照射對(duì)這樣的纖維素和 /或木質(zhì)纖維素材料執(zhí)行，其中基本上無(wú)一纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料由液體例如水潤(rùn)濕。在某些實(shí)施方案中，本文描述的任何加工在纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料根據(jù)需要保持干燥或已例如使用熱和/或減壓干燥后發(fā)生。例如，在某些實(shí)施方案中，在25°C下和在50%相對(duì)濕度下測(cè)量，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料具有小于約5重量％的保留水。輻射可以在纖維素和/或木質(zhì)纖維素暴露于空氣、富氧空氣、或甚至氧其自身時(shí)應(yīng)用，或通過(guò)惰性氣體例如氮、氬或氦覆蓋。當(dāng)需要最大限度氧化時(shí)，利用氧化環(huán)境，例如空氣或氧，并且使與輻射源的距離最佳化，以使反應(yīng)氣體形成達(dá)到最大，例如臭氧和/或氮氧化物。輻射可以在大于約2. 5個(gè)大氣壓的壓力下應(yīng)用，例如大于5、10、15、20或甚至大于
12約50個(gè)大氣壓。利用電離輻射例如Y射線(xiàn)，χ射線(xiàn)，高能紫外線(xiàn)輻射例如具有約IOOnm-約^Onm 波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)C輻射，粒子束例如電子、慢中子或α粒子束，可以執(zhí)行照射。在某些實(shí)施方案中，照射包括2個(gè)或更多個(gè)輻射源，例如γ射線(xiàn)和電子束，這可以以任何次序或同時(shí)應(yīng)用。在某些實(shí)施方案中，從其原子軌道中釋放電子的材料中沉積的能量用于照射材料。輻射可以通過(guò)下述提供1)重帶電粒子，例如α粒子或質(zhì)子，幻例如在β衰變或電子束加速器中產(chǎn)生的電子，或3)電磁輻射，例如Y射線(xiàn)、χ射線(xiàn)或紫外射線(xiàn)。在一種方法中， 通過(guò)放射性物質(zhì)產(chǎn)生的輻射可以用于照射原料。在某些實(shí)施方案中，可以利用以(1)到(3) 的任何次序或同時(shí)的任何組合。在某些情況下，當(dāng)希望斷鏈和/或希望聚合鏈官能化時(shí)，可以利用比電子重的粒子，例如質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。當(dāng)需要開(kāi)環(huán)斷鏈時(shí)，由于其路易斯(Lewis)酸性質(zhì)，帶正電的粒子可以用于增強(qiáng)的開(kāi)環(huán)斷鏈。在某些實(shí)施方案中，經(jīng)照射的生物量具有比照射前生物量的數(shù)量平均分子量 (tMni)低大于約10%的數(shù)量平均分子量(Mn2)，例如低15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至大于約75%。在某些實(shí)施方案中，起始數(shù)量平均分子量(在照射前)是約200，000-約 3，200，000，例如約250，000-約1，000，000或約250，000-約700，000，并且在照射后的數(shù)量平均分子量是約50，000-約200，000，例如約60，000-約150，000或約70，000-約125，000。 然而，在某些實(shí)施方案中，例如在廣泛照射后，它可以具有小于約10，000或甚至小于約 5，000的數(shù)量平均分子量。在某些情況下，經(jīng)照射的生物量具有這樣的纖維素，其具有比照射前生物量的纖維素結(jié)晶度(tC1)低的結(jié)晶度(tC2)。例如，(tC2)可以比(tC1)低大于約10%，例如15、20、 25,30,35,40或甚至大于約50%。在某些實(shí)施方案中，起始結(jié)晶度指數(shù)(在照射前)是約40-約87.5%，例如約 50-約75%或約60-約70%，并且在照射后的結(jié)晶度指數(shù)是約10-約50%，例如約15-約 45%或約20-約40%。然而，在某些實(shí)施方案中，例如在廣泛照射后，它可以具有低于5% 的結(jié)晶度指數(shù)。在某些實(shí)施方案中，在照射后的材料是基本上無(wú)定形的。在某些實(shí)施方案中，經(jīng)照射的生物量可以具有比照射前生物量的氧化水平(tO1) 高的氧化水平(tO2)。材料的更高氧化水平有助于其分散性、膨脹性和/或可溶性，進(jìn)一步增強(qiáng)材料對(duì)化學(xué)、酶促或微生物攻擊的敏感性。經(jīng)照射的生物量材料還可以具有更多羥基、 醛基、酮基、酯基或羧酸基團(tuán)，這可以增加其親水性。電離輻射每種形式的輻射經(jīng)由特定相互作用使生物量電離，如通過(guò)輻射的能量測(cè)定的。重帶電粒子主要經(jīng)由庫(kù)侖(Coulomb)散射使物質(zhì)電離；此外，這些相互作用產(chǎn)生可以進(jìn)一步使物質(zhì)電離的高能電子。α粒子與氦原子的核等同，并且通過(guò)各種放射性核的α衰變產(chǎn)生，例如鉍、釙、砹、氡、鈁、鐳、幾種錒系元素例如錒、釷、鈾、镎、鋦、锎、镅和钚的同位素。當(dāng)利用粒子時(shí)，它們可以是中性(不帶電)、帶正電或帶負(fù)電的。當(dāng)帶電時(shí)，帶電粒子可以具有單個(gè)正或負(fù)電荷，或多個(gè)電荷，例如1、2、3或甚至4個(gè)或更多個(gè)電荷。在其中需要斷鏈的情況下，部分由于其酸性性質(zhì)，帶正電的粒子可以是希望的。當(dāng)利用粒子時(shí)， 粒子可以具有靜止電子的質(zhì)量或更大，例如是靜止電子質(zhì)量的500、1000、1500或2000或更多，例如10，000或甚至100，000倍。例如，粒子可以具有約1個(gè)原子單位-約150個(gè)原子單位的質(zhì)量，例如約1個(gè)原子單位-約50個(gè)原子單位，或約1-約25，例如1、2、3、4、5、 10、12或15amu。用于加速粒子的加速器可以是靜電DC、電動(dòng)力學(xué)DC、RF線(xiàn)性、磁感應(yīng)線(xiàn)性或連續(xù)波。例如，回旋加速器型加速器可從IBA，比利時(shí)獲得，例如Rhodatron 系統(tǒng)， 而DC型加速器可從RDI現(xiàn)在的IBA Industrial獲得，例如Dynamitron 。示例性離子禾口離子力口速器在下述中討論 introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons，Inc. (1988)，Krsto Prelec, FIZIKA B 6(1997)4,177-206, Chu, William Τ. , "Overview of Light-Ion Beam Therapy，，，Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y.等人，‘‘Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion MedicalAccelerators，，，Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland,禾口 Leitner, C. Μ.等人，"Status of the Superconducting ECR Ion SourceVenus，，，Proceedings of EPAC 2000，Vienna，奧地利。電子經(jīng)由通過(guò)電子速度中的改變產(chǎn)生的庫(kù)侖散射和軔致輻射相互作用。電子可以通過(guò)經(jīng)歷β衰變的放射性核產(chǎn)生，例如碘、銫、锝和銥的同位素。備選地，電子槍可以經(jīng)由熱電子發(fā)射用作電子源。電磁輻射經(jīng)由3個(gè)過(guò)程相互作用光電吸收、康普頓(Compton)散射和電子偶的產(chǎn)生。主要相互作用通過(guò)入射輻射的能量和材料的原子數(shù)來(lái)確定。促成纖維素材料中的吸收輻射的相互作用總和可以通過(guò)質(zhì)量吸收系數(shù)表示(參見(jiàn)PCT/US2007/022719中的 ‘‘ IonizationRadiation，，)。依賴(lài)于其波長(zhǎng)，電磁輻射可以再分類(lèi)為Y射線(xiàn)、X射線(xiàn)、紫外射線(xiàn)、紅外射線(xiàn)、微波或無(wú)線(xiàn)電波。γ輻射具有進(jìn)入樣品中的各種材料的顯著穿透深度的優(yōu)點(diǎn)。Y射線(xiàn)的來(lái)源包括放射性核，例如鈷、鈣、锝、鉻、鎵、銦、碘、鐵、氪、釤、硒、鈉、鉈)和氙的同位素。χ射線(xiàn)的來(lái)源包括與金屬靶(例如鎢或鉬或合金)或致密光源(例如由Lyncean 商業(yè)生產(chǎn)的那些)的電子束碰撞。用于紫外線(xiàn)輻射的來(lái)源包括氘或鎘光燈。用于紅外線(xiàn)輻射的來(lái)源包括藍(lán)寶石、鋅或硒化物窗陶瓷燈。用于微波的來(lái)源包括速調(diào)管，Slevin型RF來(lái)源，或采用氫、氧或氮?dú)獾脑邮鴣?lái)源。電子束在某些實(shí)施方案中，電子束用作輻射源。電子束具有高劑量率(例如，1、5或甚至 IOMrad/秒)、高流通量、較少防范和較少限制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。電子還可以在引起斷鏈方面更有效。此外，具有4-lOMeV能量的電子可以具有5-30mm或更多例如40mm的穿透深度。例如通過(guò)靜電發(fā)生器、級(jí)聯(lián)發(fā)生器、感應(yīng)變頻機(jī)、具有掃描系統(tǒng)的低能加速器、具有線(xiàn)性陰極的低能加速器、線(xiàn)性加速器和脈沖加速器，可以產(chǎn)生電子束。電子作為電離輻射源可以是有用的，例如用于相對(duì)薄堆的材料，例如小于0. 5英寸，例如小于0. 4英寸、 0. 3英寸、0. 2英寸、或小于0. 1英寸。在某些實(shí)施方案中，電子束的每個(gè)電子的能量是約0. 3MeV-約 2. OMeV (百萬(wàn)電子伏特)，例如約 0. 5MeV-約 1. 5MeV,或約 0. 7MeV-約 1. 25MeV。在某些實(shí)施方案中，用于處理生物量材料的電子可以具有0.05c或更多(例如， 0. IOc或更多、0. 2c或更多、0. 3c或更多、0. 4c或更多、0. 5c或更多、0. 6c或更多、0. 7c或更多、0. 8c或更多、0. 9c或更多、0. 99c或更多、0. 9999c或更多)的平均能量，其中c與真空光速對(duì)應(yīng)。電子束照射裝置可以由 Ion Beam Applications、Louvain-la-Neuve、比利時(shí)或 Titan Corporation、San Diego、CA 商購(gòu)獲得。一般的電子能可以是 lMeV、2MeV、4. 5MeV、 7. 5MeV或10MeV。一般的電子束照射裝置功率可以是lkW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、 250kff或500kW。原料漿解聚的有效性依賴(lài)于所使用的電子能和所應(yīng)用的劑量，而暴露時(shí)間依賴(lài)于功率和劑量。一般的劑量可以采取1 kGy、5kGy、1 OkGy、20kGy、50kGy、1 OOkGy或 200kGy 的值。在考慮電子束照射裝置功率規(guī)格中的權(quán)衡包括操作成本、資本成本、折舊和裝置占地面積。考慮電子束照射的暴露劑量水平中的權(quán)衡將是能量成本以及環(huán)境、安全和健康 (ESH)關(guān)注?？紤]電子能中的權(quán)衡包括能量成本；此處，較低電子能在促進(jìn)特定原料漿解聚中可以是有利的(參見(jiàn)例如，Bouchard，等人，Cellulose (2006) 13 :601-610)。提供電子束照射的雙通路可以是有利的，以便提供更有效的解聚過(guò)程。例如，原料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置可以將原料(以干燥或漿形式)在下面和以反方向?qū)蚱渥畛蹀D(zhuǎn)運(yùn)方向。雙通路系統(tǒng)可以允許加工較稠的原料漿，并且可以提供通過(guò)原料漿稠度的更均勻解聚。電子束照射裝置可以產(chǎn)生固定束或掃描束。掃描束用大掃描掃掠長(zhǎng)度和高掃描速度可以是有利的，因?yàn)檫@將有效地代替大的固定束寬度。此外，0. 5m、lm、aii或更多的可用掃掠寬度是可用的。離子粒子束比電子重的粒子可以用于照射碳水化合物或包括碳水化合物的材料，例如纖維素材料、木質(zhì)纖維素材料、淀粉質(zhì)材料、或本文描述的這些和其他中的任何的混合物。例如，可以利用質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。在某些實(shí)施方案中，比電子重的粒子可以誘導(dǎo)更高量的斷鏈。在某些情況下，由于其酸性，與帶負(fù)電的粒子相比較，帶正電的粒子可以誘導(dǎo)更高量的斷鏈。例如使用線(xiàn)性加速器或回旋加速器，可以產(chǎn)生更重的粒子束。在某些實(shí)施方案中， 束的每個(gè)粒子的能量是約1. OMeV/原子單位-約6，OOOMeV/原子單位，例如約3MeV/原子單位-約4，800MeV/原子單位，或約IOMeV/原子單位-約1，OOOMeV/原子單位。離子束處理在美國(guó)序列號(hào)12/417，699中詳細(xì)討論。電磁輻射在其中照射用電磁輻射執(zhí)行的實(shí)施方案中，電磁輻射可以具有例如大于102eV的能量/光子(以電子伏特)，例如大于103、104、105、106、或甚至大于107eV。在某些實(shí)施方案中，電磁輻射具有IO4-IO7的能量/光子、例如ιο5-ιο%ν。電磁輻射可以具有例如大于 1016hz的頻率，大于1017hz、1018、1019、102°或甚至大于1021hz。在某些實(shí)施方案中，電磁輻射具有 1018-1022hz 的頻率，例如 1019-1021hz。輻射處理組合在某些實(shí)施方案中，使用2個(gè)或更多個(gè)輻射源，例如2個(gè)或更多個(gè)電離輻射。例
15如，樣品可以以任何次序進(jìn)行處理，用電子束，隨后為Y輻射和具有約IOOnm-約^Onm的 UV線(xiàn)。在某些實(shí)施方案中，樣品用3個(gè)電離輻射源進(jìn)行處理，例如電子束、γ輻射和高能UV 線(xiàn)。牛物量的粹滅和控制官能化在用一種或多種電離輻射處理后，所述電離輻射例如光輻射(例如，X射線(xiàn)或、 射線(xiàn))、電子束輻射或者帶正電或帶負(fù)電的比電子重的粒子(例如質(zhì)子或碳離子)，本文描述的含碳水化合物的材料和無(wú)機(jī)材料的混合物中的任何變得電離；即，它們包括在用電子自旋共振光譜儀可檢測(cè)的水平上的原子團(tuán)。目前的原子團(tuán)實(shí)際檢測(cè)極限是在室溫下約IO14 自旋。在電離后，可以猝滅已電離的任何生物量材料，以減少經(jīng)電離的生物量中的原子團(tuán)水平，例如從而使得原子團(tuán)用電子自旋共振光譜儀不再可檢測(cè)。例如，通過(guò)給生物量應(yīng)用足夠壓力和/或通過(guò)利用與經(jīng)電離的生物量接觸的流體，所述流體例如氣體或液體，與原子團(tuán)反應(yīng)(猝滅)，可以使原子團(tuán)猝滅。使用至少幫助原子團(tuán)猝滅的氣體或液體也允許操作者以所需量和種類(lèi)的官能團(tuán)控制經(jīng)電離的生物量官能化，所述官能團(tuán)例如羧酸基團(tuán)、烯醇基團(tuán)、 醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、環(huán)烷基或氯氟烷基。在某些情況下，此類(lèi)猝滅可以改善某些經(jīng)電離的生物量材料的穩(wěn)定性。例如，猝滅可以改善生物量對(duì)氧化的抗性。通過(guò)猝滅官能化也可以改善本文描述的任何生物量的可溶性，可以改善其熱穩(wěn)定性，這在復(fù)合物制造中可以是重要的，并且可以改善通過(guò)各種微生物的材料利用。例如，通過(guò)猝滅對(duì)生物量材料賦予的官能團(tuán)可以充當(dāng)用于通過(guò)微生物附著的受體位點(diǎn)，例如以增強(qiáng)通過(guò)各種微生物的纖維素水解。如果經(jīng)電離的生物量保留在大氣中，那么它將氧化例如至通過(guò)與大氣氧反應(yīng)產(chǎn)生羧酸基團(tuán)的程度。在對(duì)于某些材料的某些情況下，此類(lèi)氧化是需要的，因?yàn)樗梢詭椭妓衔锏纳锪康姆肿恿恐械倪M(jìn)一步下降，并且在某些情況下，氧化基團(tuán)例如羧酸基團(tuán)對(duì)于可溶性和微生物利用可以是有幫助的。然而，因?yàn)樵訄F(tuán)可以在照射后“存活”一定時(shí)間，例如長(zhǎng)于1天、5天、30天、3個(gè)月、6個(gè)月或甚至長(zhǎng)于1年，所以材料性質(zhì)可以繼續(xù)隨著時(shí)間過(guò)去改變，這在某些情況下，可以是不希望有的。通過(guò)電子自旋共振光譜儀檢測(cè)經(jīng)照射的樣品中的原子團(tuán)和此類(lèi)樣品中的原子團(tuán)壽命在 Bartolotta 等人，Physics in Medicine andBiology，46 (2001)，461-471，和 Bartolotta 等人，Radiation ProtectionDosimetry,第 84 Nos. 1-4,第 293-296 M (1999)中討論，其各自的內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。超聲處理、熱解、氧化一個(gè)或多個(gè)超聲處理、熱解和/或氧化加工順序可以用于加工來(lái)自廣泛多樣不同來(lái)源的原始原料，以從原料中提取有用物質(zhì)，并且提供部分降解的有機(jī)材料，其充當(dāng)關(guān)于進(jìn)一步加工步驟和/或順序的輸入。此類(lèi)加工可以減少原料和生物量的分子量和/或結(jié)晶度，所述原料和生物量例如一種或多種碳水化合物來(lái)源，例如纖維素或木質(zhì)纖維素材料、或淀粉質(zhì)材料。這些過(guò)程在美國(guó)序列號(hào)12/4 ，045中詳細(xì)描述。其他過(guò)程蒸汽爆炸可以不連同本文描述的過(guò)程中的任何單獨(dú)使用，或與本文描述的過(guò)程中的任何組合使用。本文描述的任何加工技術(shù)可以在大于或低于正常、實(shí)際(earth-bound)大氣壓的壓力下使用。例如，可以在高壓下執(zhí)行任何過(guò)程，這可以增加反應(yīng)速率，所述任何過(guò)程利用輻射、超聲處理、氧化、熱解、蒸汽爆炸或這些過(guò)程中的任何的組合，以提供包括碳水化合物的材料。例如，任何過(guò)程或過(guò)程的組合可以在大于約大于25MPa的壓力下執(zhí)行，例如大于 50MPa、75MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、350MPa、500MPa、750MPa、l，OOOMPa、或大于 1，500MPao初級(jí)加工和后加工隨后可以對(duì)使用本文描述的過(guò)程中的任何處理的材料實(shí)施其他過(guò)程，例如初級(jí)加工例如發(fā)酵和氣化，和/或后加工步驟例如蒸餾、廢水加工過(guò)程、廢物燃燒等。此類(lèi)過(guò)程在已通過(guò)引用合并入本文的專(zhuān)利申請(qǐng)例如12/4 ，045中詳細(xì)描述。產(chǎn)物/共同產(chǎn)物使用此類(lèi)初級(jí)加工和/或后加工，經(jīng)處理的生物量可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N或多種產(chǎn)物， 例如醇，例如甲醇，乙醇，丙醇，異丙醇，丁醇例如正、仲或叔丁醇，乙二醇、丙二醇，1，4- 丁二醇，丙三醇或這些醇的混合物；有機(jī)酸，例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕櫚酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、油酸、亞油酸、羥乙酸、乳酸、Y-羥基丁酸或這些酸的混合物；食物產(chǎn)物；動(dòng)物飼料；藥物；或營(yíng)養(yǎng)制品?？梢援a(chǎn)生的共同產(chǎn)物包括木質(zhì)素殘?jiān)?。MM無(wú)機(jī)材料在某些實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料是或包括金屬或金屬合金。例如，金屬可以包括堿金屬例如鐵、鎳、鉛、銅或鋅，黑色金屬例如熟鐵或生鐵，貴金屬例如鉭、金、鉬或銠，貴重金屬例如釕、銠、鈀、鋨、銥或鉬、或過(guò)渡金屬例如來(lái)自元素周期表的元素21-30(包括端點(diǎn)在內(nèi))、39-48(包括端點(diǎn)在內(nèi))、71-80(包括端點(diǎn)在內(nèi))和103-112。在具體實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料是或包括金屬合金，例如二元或三元合金。在特定實(shí)施方案中，合金是或包括鋼、黃銅、青銅、硬鋁、hastaloy、Al-Li合金、鋁鎳鈷合金、nambe合金、鋁硅鑄造合金、AA-8000和鎂鋁合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料是或包括鋁，例如包括鋁層的廢物包裝。在其他實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料是或包括金屬化合物，例如鐵或鈷的無(wú)機(jī)化合物， 例如其中鐵或鈷處于2+或3+氧化狀態(tài)的無(wú)機(jī)鐵或鈷化合物。此類(lèi)鐵化合物的例子包括硫酸亞鐵銨(II)六水合物、硫酸亞鐵銨(II)溶液、硫酸亞鐵銨(III)十二水合物、硫酸鐵銨(III)、硫酸亞鐵(II)七水合物、硫酸亞鐵(II)水合物、硫酸亞鐵(II)溶液、和硫酸鐵 (III)水合物。在另外其他的實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料是或包括耐火材料，例如酸性、中性或堿性耐火材料。酸性耐火材料的例子包括鋯石、耐火粘土和硅石。中性耐火材料的例子包括礬土、 鉻鐵礦、碳化硅、碳和mulitite。堿性耐火材料的例子包括白云石或菱鎂礦。在另外其他的實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料包括陶瓷，例如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物或高嶺土(例如，天然、中性、酸性、堿性或增白的)。例如，氧化物可以是氧化鋁例如礬土、氧化鋯、氧化硅、氧化鋅或氧化鈦例如二氧化鈦。在某些實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)添加劑在其中和/或其上包括約0. 25-約25重量％的水。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料包括在升高溫度下能夠離開(kāi)無(wú)機(jī)材料的水合水，例如水合氧化鋁。
有用無(wú)機(jī)材料的其他例子包括碳酸鈣、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、膨潤(rùn)土粘土、磷酸二鈣、無(wú)水磷酸二鈣、磷酸二鈣二水合物、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、沉淀碳酸鈣、正磷酸鎂、磷酸三鎂、羥磷灰石、合成磷灰石、水合硅石干凝膠、 金屬鋁硅酸鹽復(fù)合物、硅酸鋁鈉、硅酸鋯、砂、玻璃、石頭、巖石、蒙脫石和頁(yè)巖。在某些實(shí)施方案中，無(wú)機(jī)材料具有大于約400°C的熔點(diǎn)，例如大于約500、600、 700、800、900、1000、1200、1，400、1600、1800、2000、2200、2400、2600 或甚至大于約 2800°C。 在其他情況下，無(wú)機(jī)材料不具有熔點(diǎn)或不包括具有熔點(diǎn)的材料。在某些情況下，無(wú)機(jī)材料具有小于約1. 5J/gK的比熱容Cp，例如小于約1. 25,1. 0、 0. 75、0. 50、0. 25或甚至小于約0. lJ/gK。在各種例子中，無(wú)機(jī)材料可以具有約1. 25-約 0. 2J/gK 的比熱容 Cp，例如約 1. 15-約 0. 25 或約 0. 85-0. 30J/gK。無(wú)機(jī)材料可以具有約0. 004-約 450W/mK、約 0. 04-約 250W/mK、約 0. 1-約 150W/mK 或約0. 25-約50W/mK的導(dǎo)熱率。無(wú)機(jī)材料可以具有大于約1. 5g/cm3，例如大于約2. 0,2. 5,3. 0,5. 0,7. 0,8. 0,9. 0、
12. 0,15. 0,18. 0或甚至大于20. Og/cm3的密度。無(wú)機(jī)材料可以具有約大于3. 5g/cm3-約 20. Og/cm3、約 4. Og/cm3-約 18g/cm3 或約 4. 5g/cm3-約 13g/cm3 的密度。在某些情況下，無(wú)機(jī)材料是或包括這樣的粒子，其在形狀上是基本上球形的，并且可以具有范圍為約0. 1微米-約100微米，約0. 25微米-約75微米或約0. 5微米-約50 微米的平均粒子大小，例如直徑。在某些情況下，粒子大小可以范圍為約IOmm-約1000mm。 粒子還可以以纖維、板的形式或具有其他形態(tài)。粒子可以具有例如約0. 5-500m2/g的表面積。為了使無(wú)機(jī)添加劑的效應(yīng)降到最低，組合可以具有約0. 05-約35重量％的無(wú)機(jī)材料，例如約0. 1-約20重量％的無(wú)機(jī)材料，或約0. 5-約10重量％的無(wú)機(jī)材料生物量材料一般地，其是或包括碳水化合物的任何生物量材料可以通過(guò)本文描述的方法中的任何進(jìn)行加工，所述碳水化合物完全由一個(gè)或多個(gè)糖單位組成或包括一個(gè)或多個(gè)糖單位。 例如，生物量材料可以是纖維素、木質(zhì)纖維素、淀粉或糖。例如，此類(lèi)材料可以包括纖維材料，例如紙、紙制品、木材、木材相關(guān)材料、刨花板、
草、稻殼、甘蔗渣、棉花、黃麻、大麻、亞麻、竹、劍麻、馬尼拉麻、稻草、玉米軸、稻殼、椰子毛、 藻類(lèi)、海藻、棉花、合成纖維素或這些中的任何的混合物。在某些情況下，生物量是微生物材料。微生物來(lái)源包括但不限于任何天然存在或遺傳修飾的微生物或者包含或能夠提供碳水化合物(例如纖維素)來(lái)源的生物，例如原生生物(例如動(dòng)物(例如原生動(dòng)物，例如鞭毛蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和孢子蟲(chóng))和植物 (例如藻類(lèi)，例如alveolates、chlorarachniophytes、隱藻、裸藻、灰綠藻、定鞭藻、紅藻、 stramenopiles和virida印lantae))、海藻、浮游生物(例如大型浮游生物、中型浮游生物、 小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物和超微微型浮游生物)、浮游植物、細(xì)菌(例如革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌和極端微生物)、酵母和/或這些的混合物。在某些情況下， 微生物生物量可以得自天然來(lái)源，例如海洋、湖泊、水體例如鹽水或淡水、或在陸地上。備選地或另外地，微生物生物量可以得自培養(yǎng)系統(tǒng)，例如大規(guī)模干和濕培養(yǎng)系統(tǒng)。其他生物量材料在上文通過(guò)引用合并的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中討論。
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其他實(shí)施方案低劑量照射和復(fù)合物雖然照射已主要在上文減少生物量的分子量和結(jié)晶度背景中討論，但在某些實(shí)施方案中，相對(duì)低劑量的輻射可以交聯(lián)、移植或以其他方式增加含碳水化合物的材料的分子量。具有增加分子量的此類(lèi)材料例如在制備具有改善的機(jī)械性質(zhì)的復(fù)合物中可以是有用的，所述機(jī)械性質(zhì)例如耐磨損性、耐壓強(qiáng)度、抗斷裂性、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲模量和斷裂伸度。具有增加分子量的此類(lèi)材料例如在制備組合物中可以是有用的。成形復(fù)合物在WO 2006/102543以及美國(guó)序列號(hào)12/417，720和12/429, 045中描述。備選地，在與無(wú)機(jī)材料的混合物中具有第一個(gè)分子量的材料，例如包括第一種纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料的纖維材料，可以與樹(shù)脂組合以提供復(fù)合物，并且隨后可以用相對(duì)低劑量的輻射照射復(fù)合物，以便提供具有高于第一個(gè)分子量的第二個(gè)分子量的第二種纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料。例如，如果Y輻射用作輻射來(lái)源，那么可以應(yīng)用約 IMrad-約IOMrad的劑量。使用這種方法增加了材料當(dāng)其在樹(shù)脂基質(zhì)內(nèi)時(shí)的分子量。在某些實(shí)施方案中，樹(shù)脂是可交聯(lián)樹(shù)脂，并且像這樣它在含碳水化合物的材料在分子量中增加時(shí)交聯(lián)，這可以提供協(xié)同效應(yīng)，以對(duì)復(fù)合物提供有利的機(jī)械性質(zhì)。含碳水化合物的材料的處理在某些實(shí)施方案中，本文公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以用于加工含烴材料，例如焦油或油砂，油頁(yè)巖，原油(例如重原油和/或輕原油)，浙青，煤例如泥煤、褐煤、次煙煤、煙煤和無(wú)煙煤，石油氣(例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷)，液化天然和/或合成氣，柏油，和包括各種類(lèi)型烴的其他天然材料。例如，用于含烴材料的加工設(shè)施接受原始材料的供應(yīng)。原始材料可以例如通過(guò)傳送帶和/或軌道車(chē)系統(tǒng)由礦山直接遞送，并且在特定實(shí)施方案中，加工設(shè)施可以與礦山相對(duì)緊密接近或甚至在礦山頂上構(gòu)建。在某些實(shí)施方案中，原始材料可以經(jīng)由鐵路貨車(chē)或另一種摩托化轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至加工設(shè)施，和/或經(jīng)由管道抽泵至加工設(shè)施。當(dāng)原始材料進(jìn)入加工設(shè)施時(shí)，原始材料可以機(jī)械和/或化學(xué)斷裂以獲得原材料。 作為例子，原始材料可以包括衍生自油砂且含有粗浙青的材料。浙青隨后可以使用本文公開(kāi)的方法加工成一種或多種烴產(chǎn)物，例如通過(guò)使浙青與如本文描述的無(wú)機(jī)材料混合且照射混合物。在某些實(shí)施方案中，油砂材料可以從露天礦山例如露天礦中提取。在特定實(shí)施方案中，使用從砂粒中取出油的熱水浮選法，并且隨后加入石腦油以允許油抽泵至加工設(shè)施， 可以提取表面下油砂材料。例如，為了加工來(lái)自油砂的浙青，在任何機(jī)械斷裂步驟前、在一種或多種斷裂步驟后、在裂化前、在裂化后和/或在加氫處理(hydrotreatment)前和在加氫處理后，可以使用本文公開(kāi)的一種或多種技術(shù)。作為另一個(gè)例子，為了加工油頁(yè)巖，本文公開(kāi)的一種或多種技術(shù)可以在上文討論的蒸發(fā)和純化步驟的任一或兩者前使用。在將產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)出加工設(shè)施之前 (例如，經(jīng)由摩托化轉(zhuǎn)運(yùn)或經(jīng)由管道)，衍生自基于烴的原始材料的產(chǎn)物可以再次用技術(shù)的任何組合進(jìn)行處理。本文公開(kāi)的技術(shù)可以應(yīng)用于加工以干燥形式、在溶液或漿中或以氣體形式(例如，加工在升高溫度下的烴蒸氣)的原始和/或中間材料。在溶液和漿中的原始或中間產(chǎn)物的可溶性可以通過(guò)一種或多種試劑的選擇性添加加以控制，所述試劑例如酸、堿、氧化劑、還原劑和鹽。一般而言，本文公開(kāi)的方法可以用于起始和/或維持原始和/或中間含烴材料的反應(yīng)，從原始材料中提取中間材料(例如，從其他固體或液體組分中提取烴組分)，原始和/或中間材料的分布，和中間材料與原始材料分離(例如，含烴組分與其他固體基質(zhì)組分分離，以增加烴組分的濃度和/或純度和/或同質(zhì)性)。此外，在照射前或后，微生物可以用于加工原始或中間材料。合適的微生物包括各種類(lèi)型的細(xì)菌、酵母及其混合物，如先前公開(kāi)的?？梢耘鋫浼庸ぴO(shè)施以去除起因于原始或中間材料加工的有害副產(chǎn)物，包括對(duì)人操作者有害的氣體產(chǎn)物，和對(duì)人和/或各種微生物有害的化學(xué)副產(chǎn)物。在某些實(shí)施方案中，本文公開(kāi)的一種或多種技術(shù)的使用導(dǎo)致被加工的原始或中間材料中的一種或多種組分的分子量減少。因此，各種較低重量烴物質(zhì)可以由一種或多種較高重量烴物質(zhì)產(chǎn)生。在特定實(shí)施方案中，本文公開(kāi)的一種或多種技術(shù)的使用導(dǎo)致被加工的原始或中間材料中的一種或多種組分的分子量增加。例如，本文公開(kāi)的各種技術(shù)可以誘導(dǎo)組分分子之間的鍵形成，導(dǎo)致增加數(shù)量的特定產(chǎn)物的形成，和甚至新的更大重量產(chǎn)物的形成。除烴產(chǎn)物外，可以從原始材料中提取各種其他化合物，包括基于氮的化合物(例如， 銨)、基于硫的化合物、以及硅石和其他基于硅的化合物。在特定實(shí)施方案中，從原始材料中提取的一種或多種產(chǎn)物可以燃燒，以生成過(guò)程熱用于加熱水、原始或中間材料，生成電力， 或用于其他應(yīng)用。在某些實(shí)施方案中，通過(guò)與無(wú)機(jī)材料混合且照射混合物來(lái)加工原始和/或中間材料可以導(dǎo)致其他加工步驟的效率中的改善(和甚至消除)。例如，使用本文公開(kāi)的一種或多種技術(shù)加工油砂材料(包括浙青)可以導(dǎo)致更有效的浙青裂化和/或加氫處理。作為另一個(gè)例子，加工油頁(yè)巖可以導(dǎo)致從油頁(yè)巖中更有效的提取各種產(chǎn)物，包括頁(yè)巖油和/或頁(yè)巖氣。在特定實(shí)施方案中，步驟例如裂化或蒸發(fā)甚至可能是不必要的，如果本文公開(kāi)的技術(shù)首先用于處理原始材料。進(jìn)一步地，在某些實(shí)施方案中，通過(guò)處理原始和/或中間材料，產(chǎn)物可以使得在特定溶劑中更可溶，在用于在溶液中的后續(xù)加工步驟的制備中(例如蒸汽爆炸、超聲處理)。改善產(chǎn)物的可溶性可以改善后續(xù)基于溶液的處理步驟的效率。通過(guò)改善其他加工步驟(例如浙青的裂化和/或加氫處理，油頁(yè)巖的蒸發(fā))的效率，可以減少加工原始材料中消耗的總能量，使得原始材料的提取和加工在經(jīng)濟(jì)上可行。在特定實(shí)施方案中，離子束在加工原始含烴材料中可以是特別有效的。例如，由于離子束起始聚合和解聚反應(yīng)、沉積經(jīng)照射的材料中的熱、以及噴射或以其他方式置換經(jīng)照射的材料的原子的能力，可以處理烴材料例如油砂、油頁(yè)巖、原油、柏油和其他材料，以改善用于這些材料的另外加工步驟和/或從材料中提取有用產(chǎn)物。衍生自加工含烴材料的產(chǎn)物可以包括適合于用作燃料的一種或多種化合物。燃料化合物可以現(xiàn)場(chǎng)使用(例如燃燒以生成電力)，和/或可以轉(zhuǎn)運(yùn)至另一個(gè)設(shè)施用于貯存和/ 或使用。原油加工除了常規(guī)煉油技術(shù)或作為常規(guī)煉油技術(shù)的備選方案，本文公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以用于加工原油。特別地，單獨(dú)或與本文公開(kāi)的其他方法中的任何組合的離子束處理方法可以用于低溫油裂化、重整、官能化和其他過(guò)程。一般地，使用本文公開(kāi)的方法(包括例如單獨(dú)或與一種或多種其他方法組合的離子束處理)處理原油和/或其組分可以用于修改經(jīng)處理的材料的分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、粘度、 可溶性、密度、蒸氣壓和其他物理性質(zhì)?？梢杂糜谔幚碓秃?或其組分的一般離子可以包括質(zhì)子、碳離子、氧離子和本文公開(kāi)的其他類(lèi)型離子中的任何。此外，用于處理原油和/或其組分的離子可以包括金屬離子；特別地，催化特定精煉過(guò)程(例如，催化裂化)的金屬離子可以用于處理原油和/或其組分。示例性金屬離子包括但不限于，鉬離子、鈀離子、銥離子、銠離子、釕離子、鋁離子、錸離子、鎢離子和鋨離子。在某些實(shí)施方案中，可以使用多個(gè)離子暴露步驟。第一次離子暴露可以用于處理原油(或其組分)，以實(shí)現(xiàn)分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、粘度、密度、蒸氣壓、可溶性和其他性質(zhì)中的一種或多種中的第一次改變。隨后，一次或多次另外的離子暴露可以用于實(shí)現(xiàn)性質(zhì)中的另外改變。作為例子，第一次離子暴露可以用于將基本部分的一種或多種高沸點(diǎn)重組分轉(zhuǎn)換為具有較低沸點(diǎn)的低分子量化合物。隨后，一次或多次另外的離子暴露可以用于引起其余量的重組分從組分混合物中沉淀。一般而言，根據(jù)原料組成和物理性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)大量不同加工方案。在特定實(shí)施方案中，多次離子暴露可以包括暴露于唯一一種類(lèi)型的離子。在某些實(shí)施方案中，多次離子暴露可以包括暴露于大于一種類(lèi)型的離子。離子可以具有相同電荷、或不同電荷量級(jí)和/或標(biāo)記。在某些實(shí)施方案中，原油和/或其組分可以在暴露于離子束的過(guò)程中官能化。例如，可以選擇一種或多種離子束的組成，以促進(jìn)特定官能團(tuán)對(duì)原油原料的特定組分(或所有組分)的添加。一種或多種官能化試劑(例如，銨)可以加入原料中，以引入特定官能團(tuán)。 通過(guò)使原油和/或其組分官能化，可以增加官能化化合物內(nèi)的離子遷移率(導(dǎo)致在暴露過(guò)程中更大的有效離子穿透)，并且可以改變?cè)秃?或其組分的物理性質(zhì)例如粘度、密度和可溶性。通過(guò)改變?cè)秃?或原油組分的一種或多種物理性質(zhì)，可以調(diào)整后續(xù)精煉步驟的效率和選擇性，并且可以控制可用的產(chǎn)物流。此外，原油和/或原油組分的官能化可以導(dǎo)致在后續(xù)精煉步驟中使用的催化劑的活化效率改善。一般而言，本文公開(kāi)的方法-包括原油和原油組分的離子束暴露-可以在本文公開(kāi)的其他精煉步驟中的任何之前、之時(shí)或之后，和/或在用于精煉原油的任何其他步驟之前、之時(shí)或之后執(zhí)行。本文公開(kāi)的方法還可以在精煉完成之后和/或在精煉開(kāi)始之前使用。 在特定實(shí)施方案中，本文公開(kāi)的方法包括離子束暴露可以用于甚至在從油田中提取原油的過(guò)程中加工原油。在某些實(shí)施方案中，當(dāng)原油和/或其組分暴露于一種或多種離子束時(shí)，暴露的材料也可以暴露于與離子束暴露同時(shí)存在的一種或多種氣體。原油的特定組分例如包括芳環(huán)的組分對(duì)于離子束暴露可以比非芳香族組分相對(duì)更穩(wěn)定。一般地，例如，離子束暴露導(dǎo)致由烴形成反應(yīng)性中間產(chǎn)物例如原子團(tuán)。烴隨后可以與其他反應(yīng)性較少的烴反應(yīng)。為了減少暴露材料的平均分子量，反應(yīng)性產(chǎn)物和反應(yīng)性較少的烴之間的反應(yīng)導(dǎo)致分子鍵破壞事件，由較長(zhǎng)鏈分子產(chǎn)生較低重量片段。然而，較穩(wěn)定的反應(yīng)性中間產(chǎn)物(例如，芳香烴中間產(chǎn)物) 可能不與其他烴反應(yīng)，并且可以甚至經(jīng)歷聚合，導(dǎo)致形成較重重量的化合物。為了減少離子束暴露的原油和/或原油組分中的聚合程度，在離子束暴露過(guò)程中可以引入一種或多種原子團(tuán)猝滅劑。原子團(tuán)猝滅劑可以給反應(yīng)性中間產(chǎn)物加帽，阻止已被入射離子破壞的化學(xué)鍵的再形成。合適的原子團(tuán)猝滅劑包括氫供體例如氫氣。
21
在特定實(shí)施方案中，反應(yīng)化合物可以在離子束暴露過(guò)程中引入，以進(jìn)一步促進(jìn)原油和/或原油組分的降解。反應(yīng)化合物可以幫助各種降解(例如，鍵破壞)反應(yīng)，導(dǎo)致暴露材料的分子量中的減少。示例性反應(yīng)化合物是臭氧，這可以作為氣體直接引入，或經(jīng)由對(duì)含氧供應(yīng)氣體(例如，氧氣、空氣)應(yīng)用高壓或含氧供應(yīng)氣體暴露于離子束和/或電子束原位生成。在某些實(shí)施方案中，在流體例如氧氣或空氣的存在下，原油和/或原油組分的離子束暴露可以導(dǎo)致臭氧氣體的形成，這也幫助暴露材料的降解。在精煉廠中蒸餾之前和/或之后，原油和/或其組分可以經(jīng)歷各種其他精煉過(guò)程， 以純化組分和/或?qū)⒔M分轉(zhuǎn)換成其他產(chǎn)物，例如催化裂化、烷基化、催化重整和異構(gòu)化、和催化加氫裂化。需要時(shí)，本文描述的方法可以與此類(lèi)精煉過(guò)程整合。例如，本文公開(kāi)的方法可以在催化裂化之前、之時(shí)和/或之后使用，以處理原油的組分。特別地，離子束暴露(單獨(dú)或與其他方法組合)可以用于在注入提升管之前預(yù)處理原料，在裂化過(guò)程中處理烴(包括烴蒸氣)，和/或處理催化裂化過(guò)程的產(chǎn)物。裂化催化劑一般包括材料例如酸處理的天然鋁硅酸鹽、無(wú)定形合成硅石-礬土組合、和結(jié)晶合成硅石-礬土催化劑(例如沸石)。在催化裂化過(guò)程期間，原油的組分可以暴露于來(lái)自一種或多種離子束的離子，以增加這些催化劑的效率。例如，原油組分可以暴露于一種或多種不同類(lèi)型的金屬離子，其通過(guò)參與催化反應(yīng)而改善催化劑活性。備選地或另外地，原油組分可以暴露于清除一般的催化劑毒物的離子，所述催化劑毒物例如氮化合物、 鐵、鎳、釩和銅，以確保催化劑效率保留很高。此外，在裂化或催化劑再生過(guò)程中，離子可以與在催化劑表面上形成的焦炭反應(yīng)以去除焦炭(例如，通過(guò)例如噴射過(guò)程和/或經(jīng)由化學(xué)反應(yīng))。本文公開(kāi)的方法可以在烷基化之前、之時(shí)和/或之后使用，以處理原油的組分。特別地，在烷基化過(guò)程中的離子束暴露(單獨(dú)或與其他方法組合)可以幫助烯烴和異鏈烷烴之間的加成反應(yīng)。在某些實(shí)施方案中，原油組分的離子束暴露可以減少或甚至消除對(duì)于硫酸和/或氫氟酸催化劑的需要，減少烷基化過(guò)程的成本和危險(xiǎn)性質(zhì)?？梢哉{(diào)整離子類(lèi)型、離子束暴露數(shù)目、暴露持續(xù)時(shí)間和離子束流，以?xún)?yōu)先促進(jìn)烯烴和異鏈烷烴之間的1+1加成反應(yīng)，且阻礙延長(zhǎng)的聚合反應(yīng)發(fā)生。在催化重整過(guò)程中，烴分子結(jié)構(gòu)可以重排以形成較高辛烷芳香族化合物用于產(chǎn)生汽油；發(fā)生相對(duì)較小量的裂化。在重整過(guò)程中，導(dǎo)致形成芳香族化合物的主要反應(yīng)是環(huán)烷的脫氫和石蠟的脫氫環(huán)化。本文公開(kāi)的方法可以在催化重整之前、之時(shí)和/或之后使用，以處理原油的組分。特別地，離子束暴露(單獨(dú)或與其他方法組合)可以用于起始且維持環(huán)烷的脫氫反應(yīng)和/或石蠟的脫氫環(huán)化反應(yīng)，以形成芳香烴。原油組分單次或多次暴露于一種或多種不同類(lèi)型的離子可以用于改善催化重整過(guò)程的得率。例如，在特定實(shí)施方案中，脫氫反應(yīng)和/或脫氫環(huán)化反應(yīng)經(jīng)由起始奪氫進(jìn)行。暴露于負(fù)電荷，堿性離子可以增加此類(lèi)奪取發(fā)生的速率，促進(jìn)更有效的脫氫反應(yīng)和/或脫氫環(huán)化反應(yīng)。在某些實(shí)施方案中，異構(gòu)化反應(yīng)可以在酸性環(huán)境中有效進(jìn)行，并且暴露于帶正電荷的酸性離子(例如，質(zhì)子)可以增加異構(gòu)化反應(yīng)的速率。在催化重整中使用的催化劑一般包括在礬土基礎(chǔ)上支持的鉬。錸可以與鉬組合以形成更穩(wěn)定的催化劑，其允許重整過(guò)程的較低壓力操作。不希望受理論束縛，認(rèn)為鉬充當(dāng)用于加氫和脫氫反應(yīng)的催化位點(diǎn)，并且氯化礬土提供了用于異構(gòu)化、環(huán)化和加氫裂化反應(yīng)的酸位點(diǎn)。一般而言，催化劑活性通過(guò)焦炭沉積和/或來(lái)自礬土支持物的氯化物喪失而減少。 催化劑活性的恢復(fù)可以經(jīng)由沉積焦炭的高溫氧化，隨后支持物的氯化而發(fā)生。在某些實(shí)施方案中，通過(guò)在重整反應(yīng)發(fā)生之時(shí)和/或之后處理催化劑材料，離子束暴露可以改善催化重整過(guò)程的效率。例如，催化劑粒子可以暴露于與催化劑表面上沉積的焦炭反應(yīng)且使其氧化的離子，去除焦炭且使催化劑維持/返回活性狀態(tài)。離子還可以與重整反應(yīng)器中的未沉積焦炭直接反應(yīng)，阻止在催化劑粒子上的沉積。此外，礬土支持物可以暴露于適當(dāng)選擇的離子(例如，氯離子)，以使支持物表面再氯化。通過(guò)使催化劑維持活性狀態(tài)更長(zhǎng)時(shí)間段和/或清除重整副產(chǎn)物，離子束暴露可以導(dǎo)致催化重整過(guò)程的處理量改善和/或操作成本減少。本文公開(kāi)的方法可以在催化加氫裂化之前、之時(shí)和/或之后使用，以處理原油的組分。特別地，離子束暴露(單獨(dú)或與其他方法組合)可以用于起始加氫和/或裂化過(guò)程。 通過(guò)使具體暴露條件適應(yīng)于各種過(guò)程步驟，原油組分單次或多次暴露于一種或多種不同類(lèi)型的離子可以用于改善加氫裂化的得率。例如，在某些實(shí)施方案中，原油組分可以暴露于氫陰離子以幫助加氫過(guò)程。裂化過(guò)程可以通過(guò)使組分暴露于反應(yīng)離子例如質(zhì)子和/或碳離子得到促進(jìn)。在特定實(shí)施方案中，通過(guò)在裂化發(fā)生之時(shí)和/或之后處理催化劑材料，離子束暴露可以改善加氫裂化過(guò)程的效率。例如，催化劑粒子可以暴露于與催化劑表面上的沉積物反應(yīng)且使其氧化的離子，去除沉積物且使催化劑維持/返回活性狀態(tài)。原油組分也可以暴露于與用于加氫裂化的某些或全部金屬對(duì)應(yīng)的離子，包括鉬、鈀、鎢和鎳。這種暴露于催化劑離子可以增加加氫裂化過(guò)程的總速率。在原油精煉過(guò)程期間發(fā)生的各種其他過(guò)程也可以通過(guò)本文公開(kāi)的方法得以改善或取代。例如，本文公開(kāi)的方法包括原油組分的離子束處理，可以在精煉過(guò)程之前、之時(shí)和 /或之后使用，所述精煉過(guò)程例如煉焦、熱處理(包括熱裂化)、氫加工和聚合，以改善效率和總得率，并且減少由此類(lèi)過(guò)程生成的廢物。其他實(shí)施方案在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種加工含碳水化合物的材料的方法，所述方法包括照射通過(guò)使含碳水化合物的材料與無(wú)機(jī)材料組合形成的組合。
2.權(quán)利要求1的方法，其中照射用加速粒子執(zhí)行。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述粒子包含加速至大于75%光速的電子。
4.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述含碳水化合物的材料包含纖維素或木質(zhì)纖維素材料。
5.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中使所述含碳水化合物的材料與所述無(wú)機(jī)材料組合包括干摻和或共粉碎。
6.權(quán)利要求5的方法，其中使所述含碳水化合物的材料與所述無(wú)機(jī)材料組合包含在每種材料冷卻至低于25°C的溫度時(shí)使所述材料共粉碎。
7.權(quán)利要求6的方法，其中使所述材料冷卻至0°C或低于0°C的溫度。
8.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括金屬或金屬合金。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述金屬或金屬合金選自黑色金屬、堿金屬、貴金屬、貴重金屬和過(guò)渡金屬。
10.權(quán)利要求8的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括鋁金屬。
11.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括金屬化合物。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述金屬化合物包括處于2+或3+氧化狀態(tài)的鐵或鈷。
13.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括耐火材料。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述耐火材料選自鋯石、耐火粘土、硅石、礬土、鉻鐵礦、 碳化硅、碳、mulitite、白云石和菱鎂礦。
15.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括陶瓷。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述陶瓷選自氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物和高嶺土。
17.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括在升高溫度下能夠離開(kāi)所述無(wú)機(jī)材料的水。
18.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料不具有熔點(diǎn)。
19.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料具有大于約400°C的熔點(diǎn)。
20.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料具有小于約1.5的比熱容Cp。
21.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料具有約0.004-約450W/mK的電導(dǎo)率。
22.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料具有大于約1.5g/cm3的密度。
23.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括具有約0.1微米-約100微米的平均粒子大小的粒子。
24.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述組合包括約0.05-約35重量％的無(wú)機(jī)材料。
25.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括在照射后， 去除所述無(wú)機(jī)材料，和使用酶和/或微生物將所述經(jīng)照射的含碳水化合物的材料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)物。
26.權(quán)利要求25的方法，其中所述產(chǎn)物包括乙醇。
27.權(quán)利要求25或25的方法，其中去除在轉(zhuǎn)換后發(fā)生。
28.權(quán)利要求25-27中任一項(xiàng)的方法，其中所述微生物包括酵母。
29.—種加工含烴材料的方法，所述方法包括照射通過(guò)使含烴材料與無(wú)機(jī)材料組合形成的組合。
30.權(quán)利要求四的方法，其中所述含烴材料選自焦油或油砂、油頁(yè)巖、原油、浙青、煤、 石油氣、液化天然和/或合成氣、和柏油。
31.權(quán)利要求四或30的方法，其中所述含烴材料包括固體、粒子、粉末、液體、氣體或其組合。
32.權(quán)利要求31的方法，其中所述固體包括煤。
33.權(quán)利要求31的方法，其中所述液體包括煤。
34.權(quán)利要求四-33中任一項(xiàng)的方法，其中所述無(wú)機(jī)材料包括金屬、金屬合金、金屬化合物、耐火材料或陶瓷。
全文摘要
加工生物量(例如，植物生物量、動(dòng)物生物量和城市廢物生物量)以產(chǎn)生有用產(chǎn)物，例如燃料。例如，描述了可以使用原料材料例如纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料和/或淀粉質(zhì)材料的系統(tǒng)，以例如通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和/或丁醇。含烴材料也用作原料。
文檔編號(hào)C08J11/04GK102197068SQ200980142821
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者M·梅多夫 申請(qǐng)人:希樂(lè)克公司