用于各種生物質(zhì)的環(huán)境溫度分級(jí)和提取的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于將生物質(zhì)分級(jí)成其單獨(dú)組分的方法。該方法包括對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理可包括機(jī)械改變纖維和/或使生物質(zhì)與溶劑接觸，以提供流態(tài)化的生物質(zhì)?？墒菇?jīng)預(yù)處理的流態(tài)化的生物質(zhì)經(jīng)受高頻脈沖和剪切力而沒有使生物質(zhì)的一種或更多種組分變性，以提供第一液態(tài)級(jí)分和第一分級(jí)生物質(zhì)。隨后可從第一分級(jí)生物質(zhì)中離析或分離第一液態(tài)級(jí)分。可將生物質(zhì)分離、離析或純化成木質(zhì)素、用在藥物或營養(yǎng)品中的提取物、纖維素、半纖維素和其它糖及蛋白質(zhì)。
【專利說明】用于各種生物質(zhì)的環(huán)境溫度分級(jí)和提取的方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)對(duì)2013年8月12日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/864,853和2013年11月27 日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/909,418要求優(yōu)先權(quán)，通過引用將上述專利申請(qǐng)的公 開內(nèi)容如被陳述般以其整體并入本文。
[0002] 發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及將生物質(zhì)分級(jí)和/或提取成其組分的方法。在該方法中提供的級(jí)分和提取 物的實(shí)例包括木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、其它糖、蛋白質(zhì)、果膠和用作藥物或營養(yǎng)品 (nutraceuticals)的提取物的提取、離析（isolation)和制備。
[0003] 發(fā)明背景 天然的纖維素原料被典型地稱作"生物質(zhì)"。已將很多類型的生物質(zhì)，包括木材、紙、農(nóng) 業(yè)殘?jiān)⒉荼咀魑锖湍举|(zhì)纖維素城市和工業(yè)固體廢棄物視作用于生產(chǎn)和制備各種各樣的物 品的原料。因此，生物質(zhì)作為化學(xué)原料的成功商業(yè)用途取決于其各種成分的分離。在生物質(zhì) 的生產(chǎn)、收獲、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處理中經(jīng)常需要很多步驟，以產(chǎn)生有用的產(chǎn)品。處理中的一個(gè)步 驟是將生物質(zhì)分離或分級(jí)成其主要的組分:該生物質(zhì)的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。已調(diào)查 研究了很多方法來解開(生物質(zhì)的)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，這些方法中很多要求使用苛刻的、對(duì)環(huán) 境不友好的化學(xué)品和/或條件，以將生物質(zhì)分解成其單獨(dú)組分。
[0004] -旦已實(shí)現(xiàn)分離成各組分，那么就打開了用于將各組分進(jìn)一步處理成可銷售的產(chǎn) 品的各種各樣的途徑。例如，從生物質(zhì)生產(chǎn)諸如生物燃料、聚合物和膠乳替代品之類的產(chǎn)品 的可能性近來已受到很多關(guān)注。這種關(guān)注歸因于大量纖維素原料的可利用性、使廢棄纖維 素材料的燃燒或填埋最少化的需求以及糖和纖維素作為取代基于油的產(chǎn)品的原材料的有 用性。諸如來自天然纖維素原料的木質(zhì)素、提取物和蛋白質(zhì)之類的其它生物質(zhì)成分也具有 潛在的市場價(jià)值。
[0005] 因此，對(duì)用于將固態(tài)生物質(zhì)分離成其構(gòu)成組分的改善的系統(tǒng)和方法存在著需求， 該系統(tǒng)和方法考慮了諸如事關(guān)環(huán)境和能量(的因素）、效率和成本有效性之類的因素。
[0006] 發(fā)明概述 應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，提供本概述以采取簡單化形式引入一系列概念，在以下詳述中進(jìn)一步描 述這些概念。本概述不意欲鑒別本公開內(nèi)容的關(guān)鍵特征或必需特征，也不意欲限制本發(fā)明 的范圍。
[0007] 本發(fā)明提供用于將生物質(zhì)分級(jí)成其單獨(dú)組分的方法。本發(fā)明的方法可容易地適應(yīng) 于大規(guī)模生產(chǎn)，并可不使用對(duì)環(huán)境不友好的化學(xué)品和苛刻的處理?xiàng)l件(例如高溫和高壓)來 實(shí)施。該方法包括對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，其可包括機(jī)械改變纖維且/或使生物質(zhì)與溶劑接 觸，以提供流態(tài)化的生物質(zhì)。可使經(jīng)預(yù)處理的流態(tài)化的生物質(zhì)經(jīng)受高頻脈沖和剪切力而沒 有使生物質(zhì)的一種或更多種組分變性，以提供第一液態(tài)級(jí)分和第一分級(jí)生物質(zhì)。隨后可將 第一液態(tài)級(jí)分進(jìn)一步分離、離析或純化。
[0008] 附圖簡述 圖1描繪了流程圖，其概述了本發(fā)明方法的實(shí)施方式； 圖2描繪了流程圖，其概述了本發(fā)明方法的另一種實(shí)施方式。
[0009] 優(yōu)選實(shí)施方式的詳述 在以下詳述中，詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，以使得能夠?qū)嵺`本發(fā)明。雖然參考這 些具體的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)意識(shí)到，可以不同的形式來將本發(fā)明具體化，且不 應(yīng)將本發(fā)明解釋為局限于本文陳述的實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式以致本公開內(nèi)容 將是徹底且完整的，并將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。
[0010] 在本文發(fā)明的說明書中使用的術(shù)語僅用于描述特定實(shí)施方式的目的，且不意欲限 制本發(fā)明。除非上下文另外清楚地指明，否則如在本發(fā)明的說明書和所附的權(quán)利要求書中 所使用的單數(shù)形式"一種/個(gè)"（~〃、〃&11〃)和"所述/該"（'以〃)也意欲包括復(fù)數(shù)形式。本發(fā) 明包括從對(duì)以下詳述的考慮中將變得顯而易見的眾多替代物、修改和等價(jià)物。
[0011]應(yīng)理解，雖然術(shù)語"第一"、"第二"、"第三"、〃a)〃、〃b)〃和〃c)〃等在本文中可用于描 述本發(fā)明的各種要素，但是(本發(fā)明）不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將本發(fā)明的一 個(gè)要素與另一個(gè)要素相區(qū)別。因此，以下討論的第一要素可稱作一個(gè)要素方面，且類似地， 第三（要素）而沒有背離本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，術(shù)語"第一"、"第二"、"第三"、〃a)〃、〃b)〃和〃 c) 〃等不意欲必需將順序或其它等級(jí)傳達(dá)至相關(guān)的要素，而僅用于鑒別目的。除非另外具體 指明，否則操作(或步驟)的順序不局限于在權(quán)利要求書或附圖中所呈現(xiàn)的次序。
[0012] 除非另外定義，否則本文使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā) 明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常所理解的含義相同的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解，應(yīng)將術(shù)語(例如 在常用詞典中定義的那些)解釋為具有與它們?cè)诒旧暾?qǐng)的上下文和相關(guān)領(lǐng)域中的含義相一 致的含義，且不應(yīng)以理想化的或過度形式的意義來解釋，除非本文明確這樣地定義。在本文 發(fā)明的說明書中使用的術(shù)語僅用于描述特定的實(shí)施方式的目的，且不意欲限制本發(fā)明。通 過引用將本文提到的所有出版物、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)以其整體并入。在術(shù)語沖 突的情況下，以本說明書為準(zhǔn)。
[0013] 也如本文所使用的，"和/或"是指并包括一種或更多種相關(guān)的列舉項(xiàng)目的任何和 所有可能的組合，以及當(dāng)以二者擇一（"或"）解釋時(shí)，缺乏組合。
[0014] 除非上下文另外指明，否則明確意欲可以任何組合來使用本文描述的發(fā)明的各種 特征。此外，本發(fā)明還考慮在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，可排除或省略本文陳述的任何的特 征或特征組合。舉例說明而言，若說明書陳述復(fù)合物包含組分A、B和C，則明確意欲可省略和 不要求保護(hù)A、B或C中任一種，或它們的組合。
[0015] 將如本文所使用的連接短語"基本由……構(gòu)成"（和語法變體)解釋為包括所敘述 的材料或步驟"和不實(shí)質(zhì)上影響所要求保護(hù)的發(fā)明的基本的和新穎的一種或更多種特性的 那些"。參見，關(guān)于Herz, 537 F.2d 549，551-52，190 U.S.P.Q. 461，463 (CCPA 1976) (在原文中強(qiáng)調(diào)）；還參見MPEP § 2111.03。因此，不應(yīng)將如本文所使用的術(shù)語"基本由…… 構(gòu)成"解釋為等同于"包含"。
[0016] 當(dāng)涉及可測量的值(諸如，例如量或濃度等等)時(shí)，如本文所使用的術(shù)語"大約"意 味著包括所規(guī)定的量的±20%、± 10%、±5%、± 1%、±0.5%或甚至±0.1%的變化。本文提供的 可測量值的范圍可包括在其中的任何其它的范圍和/或單獨(dú)值。
[0017] 術(shù)語"生物質(zhì)"包括任何未變成化石的（即，可更新的）有機(jī)物質(zhì)。各種類型的生物 質(zhì)可包括植物生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)(任何的動(dòng)物副產(chǎn)品(animal by-product)、動(dòng)物廢棄物 等)和城市廢棄物生物質(zhì)(去除諸如金屬和玻璃之類的可回收物的住宅和小型商業(yè)垃圾）。
[0018] 術(shù)語"植物生物質(zhì)"或"木質(zhì)纖維素生物質(zhì)"實(shí)際上包括在可持續(xù)的基礎(chǔ)上能量可 利用的任何源自植物的有機(jī)物質(zhì)(木質(zhì)或非木質(zhì)的）。"源自植物的"必須包括牽涉種子的產(chǎn) 生的有性繁殖植物部分(例如花芽、花、果實(shí)和種子)和無性(vegetative)部分(例如葉、根、 葉芽和莖）二者。植物生物質(zhì)可包括但不限于農(nóng)作物廢棄物和殘?jiān)?，例如玉米秸桿（corn stover)、麥桿、稻草、甘鹿渣等等。植物生物質(zhì)進(jìn)一步包括但不限于木本能量作物、木材廢 棄物和殘?jiān)?，例如樹?tree)、針葉木林間伐材(softwood forest thinnings)、樹皮類廢 棄物、鋸肩、紙和紙漿工業(yè)廢料流、木纖維、草本植物材料釀造廢棄物等等。另外，草料作物 (grass crops)(例如柳枝稷(switchgrass)、冰草(wheatgrass)等等)具有以大規(guī)模量來生 產(chǎn)和提供另一種植物生物質(zhì)的重要來源的潛力。對(duì)于城市地區(qū)，最佳的潛在植物生物質(zhì)原 料包含庭院廢棄物（例如修剪的草肩（grass clippings)、葉、修剪的樹肩（tree clippings)、灌木叢等)和植物處理廢棄物。
[0019] 生物質(zhì)包含三種基本的化學(xué)組分/級(jí)分，即，半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。取決于該 生物質(zhì)，生物質(zhì)還可包括較少量的蛋白質(zhì)、提取物、果膠和灰分。具體地，半纖維素是包含戊 糖和己糖木聚糖（xylon)、葡糖醛酸木聚糖（glucuronoxylon)、阿拉伯木聚糖 (8抑13；[11(?71011)、葡甘露聚糖(8111001]^1111011)和木糖葡聚糖的聚合物(基質(zhì)多糖）。所述糖被 乙酸高度取代，且因其分支結(jié)構(gòu)，半纖維素是無定形的。半纖維素還易于經(jīng)由水解而裂解。 對(duì)比之下，纖維素是通過β-糖苷鍵將葡萄糖鍵合在一起以形成長的直鏈的線形聚合物（多 糖）。氫鍵合可發(fā)生在纖維素鏈之間，導(dǎo)致抗裂解的剛性晶體結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素是酚分子的聚合 物，并且是疏水性的。它為植物提供結(jié)構(gòu)完整性，即，它是維持植物完整的膠。
[0020] 在例如植物生物質(zhì)（例如玉米秸桿）中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的典型的范圍 是：
[0021] "環(huán)境溫度"包括本發(fā)明的方法發(fā)生的環(huán)境的溫度。環(huán)境溫度可包括但不限于"室 溫"和在10至40 °C (50至104 °F)范圍內(nèi)的任何溫度。
[0022] "醇"包括但不限于甲醇、乙醇、異丙醇、丙醇、異丁醇和丁醇。"短鏈醇" 一般包括& 至C4醇。
[0023] "7K"包括但不限于去離子水、泉水、蒸餾水、自來水和井水，以及它們的混合物。
[0024] 現(xiàn)在參照?qǐng)D1，將描述根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的用于分級(jí)和提取各種生物質(zhì) 的操作?？扇芜x地在環(huán)境溫度下進(jìn)行預(yù)處理步驟90?？墒股镔|(zhì)經(jīng)受預(yù)浸漬步驟100和/或 分解步驟110。預(yù)浸漬步驟100可包括與溶劑接觸。分解步驟110可包括將生物質(zhì)機(jī)械分解， 以提供處于流態(tài)化或可流動(dòng)狀態(tài)或條件的生物質(zhì)。在預(yù)處理步驟90之后，可使生物質(zhì)經(jīng)受 高頻脈沖120和高剪切力，以經(jīng)由例如在2014年8月8日提交的共同待決美國專利申請(qǐng)序列 號(hào)14/454,833(代理人案號(hào)1237-3)中描述的生物質(zhì)分級(jí)裝置和方法進(jìn)行分級(jí)或提取，通過 引用將該專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容以其整體并入。此類分級(jí)不使生物質(zhì)的一種或更多種組分變 性。換句話說，脈沖(pulsation)和剪切力避免改變單獨(dú)組分的化學(xué)特性。使用高頻脈沖和 高剪切力的分級(jí)步驟120提供了級(jí)分或提取產(chǎn)物以及經(jīng)分級(jí)或提取的生物質(zhì)。可使級(jí)分或 提取產(chǎn)物以及經(jīng)分級(jí)或提取的生物質(zhì)經(jīng)受分離（即，伴隨或不伴隨攪拌的過濾或篩選125)， 這將級(jí)分或提取產(chǎn)物與經(jīng)分級(jí)或提取的生物質(zhì)分離。接著過濾步驟125之后，可使經(jīng)分級(jí)或 提取的生物質(zhì)經(jīng)受壓縮力130,且隨后接著是伴隨或不伴隨攪拌的另外的過濾和/或分離 140,以分離另外的級(jí)分或提取產(chǎn)物。該級(jí)分或提取產(chǎn)物可用于提供所需的產(chǎn)物流150。注意 到，可在所述方法的較早的（時(shí)間）點(diǎn)收集初始級(jí)分或提取產(chǎn)物，且將此類之前收集的級(jí)分 與所述級(jí)分或提取產(chǎn)物流合并。
[0025] 如以上簡要討論的，在初始的預(yù)處理步驟90中，可將生物質(zhì)預(yù)浸漬并使之與溶劑 接觸，例如與醇、含水醇(aqueous alcohol )、水或甘油或共溶劑或它們的混合物接觸，以便 開始生物質(zhì)的分級(jí)或提取。生物質(zhì)在該預(yù)處理步驟90期間可溶脹。隨后，可例如通過在與溶 劑接觸1〇〇之前的砍剁、切割、磨損、摩擦或破碎來將生物質(zhì)分解110。在特定的實(shí)施方式中， 若生物質(zhì)是例如新鮮的植物生物質(zhì)或草本植物材料，則可使所述材料與醇接觸。若生物質(zhì) 是干的植物生物質(zhì)或草本植物材料，則可使其與含水醇溶液接觸?？稍诓煌瑵舛鹊暮?中實(shí)施該含水醇提取。合適的醇可為短鏈醇，例如但不限于甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇 和異丁醇。在特定的實(shí)施方式中，所述醇是乙醇。所述醇可為共溶劑混合物，例如醇與水的 混合物。含水醇溶液可包含0-100% (v/v)的醇。更特別地，含水醇溶液可包含25-95% (v/v) 的醇。在特定的實(shí)施方式中，含水醇溶液為25% (v/v)或更多的醇。在另一特定的實(shí)施方式 中，含水醇可為60% (v/v)的醇。在另一實(shí)施方式中，含水醇溶液可為70% (v/v)的醇。在又 一實(shí)施方式中，含水醇溶液可為86%或更多(v/v)的醇。在其它實(shí)施方式中，用于分級(jí)或提取 生物質(zhì)的方法可包括使生物質(zhì)與甘油或甘油水溶液接觸。在又一實(shí)施方式中，用于提取生 物質(zhì)的方法可包括使生物質(zhì)與水接觸。典型地，在本發(fā)明的其它實(shí)施方式中，與所使用的溶 劑/液體接觸的生物質(zhì)/固體的比率可為1:1至1:10的固體比液體。在與溶劑(醇或水)接觸 期間，生物質(zhì)的纖維可溶脹。
[0026] 關(guān)于分解纖維，通過砍剁、切割、磨損、摩擦或破碎生物質(zhì)來打開纖維，并由此提供 處于流態(tài)化或可流動(dòng)形式的生物質(zhì)。例如，可在機(jī)械高稠度流化機(jī)(mechanical high consistency fluidization machine)例如精磨機(jī)(refiner)或盤磨（disk mill)中處理生 物質(zhì)纖維。示例性的盤磨可獲得自Sprout Waldron、Beloit或Andritz。通過利用精磨機(jī)或 盤磨，可改變生物質(zhì)且特別是其纖維材料，而沒有破壞纖維材料的纖維性質(zhì)，以致分級(jí)裝置 的高頻脈沖和剪切力可接近纖維材料。所述處理可持續(xù)如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的影響該 步驟所必需的任何必需的時(shí)間量發(fā)生。在特定的實(shí)施方式中，將分解處理實(shí)施1分鐘或更 短。
[0027]總的預(yù)處理步驟90可持續(xù)對(duì)于分級(jí)或提取處理足夠的任何時(shí)間段發(fā)生，并可在任 何適用于使生物質(zhì)與溶劑接觸和/或分解纖維的器皿、容器或混合器中發(fā)生。在一些實(shí)施方 式中，預(yù)處理步驟可為介于例如15分鐘、30分鐘或1小時(shí)和72小時(shí)之間的任何時(shí)間長度。在 另一實(shí)施方式中，預(yù)處理步驟可為15分鐘或更短。預(yù)處理步驟可為1分鐘或更短。在預(yù)處理 步驟中，可使與溶劑接觸的生物質(zhì)任選地經(jīng)受壓縮力，其可促進(jìn)溶劑被吸收進(jìn)入生物質(zhì)中。 預(yù)處理步驟90中的壓縮可根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到的任何技術(shù)發(fā)生。在本發(fā)明的實(shí)施 方式中，在預(yù)處理步驟期間的壓縮可受螺旋壓力機(jī)影響。
[0028]在另一實(shí)施方式中，預(yù)處理可包括添加酸使生物質(zhì)預(yù)水解，以促進(jìn)半纖維素的去 除。用于酸化預(yù)處理溶液(溶劑）的合適的酸包括無機(jī)酸，例如硝酸、鹽酸和磷酸，以及有機(jī) 酸，例如乙酸或甲酸。若希望酸化/水解，則溶液的pH將為約0.5至7.0，且通?？山橛诩s1.0 至5 · 0之間。還可使用多價(jià)螯合劑（sequestering agent)或螯合劑（chelating agent)，例 如氨基羧酸或氨基多磷酸。
[0029] 另外，可包括幫助催化脫木質(zhì)素的化合物。在一個(gè)實(shí)施方式中，可利用蒽醌(AQ)。 示例性的蒽醌及其衍生物包括卜甲基蒽醌（11161：11713111：11抑211；[110116)、2-甲基蒽醌、2-乙基 蒽醌、2-甲氧基蒽醌、2，3-二甲基蒽醌（2，3-dimethylantraquinone)和2，7-二甲基蒽醌 (2,7- dimethylantraquinone)0
[0030] 在另一實(shí)施方式中，可包括堿性緩沖劑，例如堿金屬氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽或 硼。合適的氫氧化物包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鎂、碳酸鈉和硼酸鈉。可使用氫氧化物 的混合物或共混物。若添加堿金屬氫氧化物，則pH可介于約7.0至13.0之間，并通?？山橛?約8.0至11.0之間。
[0031]可在環(huán)境溫度下、升高的溫度(30°C至90°C)下或使用蒸汽/蒸氣（大于100°C)進(jìn)行 預(yù)處理步驟90。
[0032] 總的來說，希望提供以下形式的纖維：其中使用分級(jí)裝置的高剪切力和脈沖可容 易地使纖維的組分分級(jí)。對(duì)預(yù)處理步驟90的條件例如溶劑選擇、溫度、壓力、時(shí)間、添加劑等 等的選擇將取決于生物質(zhì)和欲分級(jí)和離析的那種生物質(zhì)的組分，并將在本領(lǐng)域技術(shù)人員的 技術(shù)范圍之內(nèi)，而沒有過度的實(shí)驗(yàn)。
[0033] 接著分解110之后，可使用剪切力和脈沖使處于流體或可流動(dòng)形式的生物質(zhì)經(jīng)受 分級(jí)120,以分級(jí)或提取生物質(zhì)。將意識(shí)到，在特定的實(shí)施方式中，在以下情況下使用剪切力 和脈沖:其中生物質(zhì)的組分不變性或不改變的，并維持了單獨(dú)組分的化學(xué)性質(zhì)，其中可從生 物質(zhì)中分離出一部分級(jí)分或提取物。使生物質(zhì)經(jīng)受剪切力和高頻脈沖（的步驟)可持續(xù)如本 領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到的影響該步驟所必需的任何必需的時(shí)間量發(fā)生。在特定的實(shí)施方式 中，該步驟可發(fā)生1分鐘或更短。在操作中，在大于1000次脈沖每秒的能量下，使流態(tài)化的生 物質(zhì)從約4 mph快速加速至約120 mph，同時(shí)避免生物質(zhì)顆粒的摩擦。這促進(jìn)了生物質(zhì)的細(xì) 胞結(jié)構(gòu)從生物質(zhì)的復(fù)雜而纏結(jié)的結(jié)構(gòu)中釋放其各種級(jí)分或成分的能力，而沒有使組分的化 學(xué)性質(zhì)和特性變性。
[0034]接著分級(jí)120之后，隨后使生物質(zhì)經(jīng)受伴隨或不伴隨攪拌的過濾或篩選125,并因 此提供與經(jīng)分級(jí)或提取的生物質(zhì)材料分離的級(jí)分或提取產(chǎn)物。隨后可使經(jīng)分級(jí)的生物質(zhì)材 料任選地在另外的溶劑的存在下經(jīng)受壓縮力130(例如破碎力或浸漬力（macerating force)，其中壓縮力去除液態(tài)級(jí)分用于收集，同時(shí)排放主要是纖維素的低液體(含量）的固 體餅?？筛鶕?jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員意識(shí)到的任何技術(shù)來施加壓縮力。在特定的實(shí)施方式中，壓縮 力受到浸漬分級(jí)的生物質(zhì)的螺旋壓力機(jī)的螺桿的影響。由該壓縮步驟可提供從經(jīng)之前分級(jí) 或提取的生物質(zhì)中分離的第二級(jí)分或提取物。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，可使生物質(zhì)與 另外的溶劑接觸，并經(jīng)受第二壓縮力，以提供第二提取物。該步驟的壓縮可持續(xù)如本領(lǐng)域技 術(shù)人員將意識(shí)到的影響該步驟所必需的任何必需的時(shí)間量發(fā)生。
[0035]可將來自壓縮步驟的液態(tài)級(jí)分或提取物和來自先前步驟的級(jí)分或提取物進(jìn)行合 并，并伴隨或不伴隨攪拌進(jìn)行過濾140來去除任何剩余的纖維，以提供濾液或分級(jí)物 (fractionate)?？赏ㄟ^本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法、使用適用于從提取物中過濾并去 除任何剩余的固態(tài)物質(zhì)的任何設(shè)備來實(shí)施提取物的過濾/篩選。由根據(jù)本發(fā)明的方法提供 的級(jí)分或提取物可用來提供所需的級(jí)分或提取產(chǎn)物流150。所提供的產(chǎn)物流將取決于原料 生物質(zhì)和在分級(jí)或提取方法中使用的預(yù)處理步驟溶劑。例如，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，若溶 劑是乙醇或含水乙醇，則可提供木質(zhì)素或藥物(medicinals)的分級(jí)或提取。在另一實(shí)施方 式中，若溶劑是水，則可提供糖或半纖維素的分級(jí)或提取?？墒褂媚?如基于分子量）、離心、 沉淀等等將液態(tài)級(jí)分進(jìn)一步進(jìn)行分離、離析或純化，以提供處于實(shí)質(zhì)上純化形式的一種或 更多種組分。
[0036] 可如圖2中所概述般進(jìn)一步處理根據(jù)本發(fā)明提供的級(jí)分或提取物?？墒菇?jīng)篩選的 液體(例如液態(tài)級(jí)分)與另外的生物質(zhì)接觸，所述生物質(zhì)經(jīng)分解210、分級(jí)220、篩選240、經(jīng)受 壓縮力230以及將主要是纖維素的固態(tài)分級(jí)生物質(zhì)與液態(tài)分級(jí)產(chǎn)物流分離250。在一個(gè)特定 的實(shí)施方式中，當(dāng)從纖維素含量高的生物質(zhì)中離析出該級(jí)分時(shí)，可將經(jīng)分級(jí)的生物質(zhì)制成 用于紙或化學(xué)品制造的紙漿。
[0037] 可用各種各樣的途徑來使用經(jīng)分離、離析或純化的單獨(dú)組分。依照本發(fā)明的實(shí)施 方式提供的木質(zhì)素可用于諸如涂料和粘合劑之類的產(chǎn)品的制備中。在另外實(shí)施方式中，分 級(jí)或提取提供糖和/或半纖維素。依照本發(fā)明的實(shí)施方式提供的糖、纖維素和/或半纖維素 可進(jìn)一步用于生物燃料(例如乙醇)的制備中，或用于聚合物/塑料的制備中?？蓪⒓?jí)分用作 原料以提供另外的產(chǎn)品，或?qū)⑵渲苯邮褂?。例如，另一?shí)施方式是，對(duì)所提供的級(jí)分進(jìn)行發(fā) 酵以生產(chǎn)乙醇。在另一實(shí)施方式中，聚合物是聚乳酸(PLA)。在另一實(shí)施方式中，可將木質(zhì)素 進(jìn)一步分離，用于進(jìn)一步處理。因?yàn)槟举|(zhì)素未經(jīng)受高溫，所以其官能基團(tuán)未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 且經(jīng)離析的木質(zhì)素可能更具活性。在實(shí)施方式中，進(jìn)一步的精制和處理可提供適用于紙制 品和/或紙張涂層的紙漿(纖維素）。在又一實(shí)施方式中，所提供的級(jí)分或提取物可用于漆添 加劑中。在又一特定的實(shí)施方式中，生物質(zhì)是草本植物材料。以整葉、莖、柄、根等等的形式 提供用于提取的草本植物材料，并在處理之前將其研磨或切割。草本植物材料可為有機(jī)的、 栽培的或野生的。合適的草本植物材料包括但不限于卡法椒（kava kava)、紫錐花 (echinacea)、圣約翰草（St. John's wort)、繳草根（valerian root)、水飛薊軒（milk thistle seed)、西伯利亞人參（Siberian ginseng)、蕁麻葉、銀杏、積雪草(gotu kola)、極 品銀杏/積雪草（ginkgo/gotu kola supreme)、黃"^(astragalus)、白毛茛（goldenseal)、 當(dāng)歸（dong quai)、人參、極品金絲桃（St. John's supreme)、極品紫錐花/白毛茛 (echinacea/goldenseal supreme)、覆盆子（bilberry)、綠茶、山楂（hawthorne)、姜、姜黃 (turmeric)、黑升麻（black cohosh)、貓爪草（cats claw)、春黃菊（chamomile)、蒲公英 (dandelion)、蔓荊子（chaste tree berry)、小白菊、大蒜、七葉樹（horse chestnut)、甘 草、小米草、育亨賓樹（y oh imbe)、極品黃苗（astragal us supreme)、極品結(jié)I草罌粟 (valerian poppy supreme)和平靜酏劑(serenity elixir)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中， 可在環(huán)境溫度下不加熱來提取草本植物材料或茶葉。
[0038] 雖然已公開了本發(fā)明經(jīng)選擇的實(shí)施方式用于說明目的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意 識(shí)到各種修改、添加和替換是可能的，而沒有背離如在所附權(quán)利要求書中所公開的本發(fā)明 的范圍和精神。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于將生物質(zhì)分級(jí)成所述生物質(zhì)的一種或更多種組分的方法，所述方法包括： a) 對(duì)所述生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以提供流態(tài)化的生物質(zhì)； b) 使經(jīng)預(yù)處理的流態(tài)化的生物質(zhì)經(jīng)受高頻脈沖和剪切力而沒有使所述生物質(zhì)的一種 或更多種組分變性，以提供第一液態(tài)級(jí)分和第一分級(jí)生物質(zhì);和 c) 從所述第一分級(jí)生物質(zhì)中離析所述第一液態(tài)級(jí)分。2. 權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括使所述第一分級(jí)生物質(zhì)經(jīng)受與步驟b)相同的 高頻脈沖和剪切力的步驟c)，以提供互相離析的第二液態(tài)級(jí)分和第二分級(jí)生物質(zhì)。3. 權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述第一液態(tài)級(jí)分從所述第一分級(jí)生物質(zhì)中離析的 步驟c)包括向所述第一分級(jí)生物質(zhì)施加壓縮力。4. 權(quán)利要求2所述的方法，其包括向所述第二分級(jí)生物質(zhì)施加壓縮力。5. 權(quán)利要求2所述的方法，其中對(duì)所述第一液態(tài)級(jí)分和所述第二液態(tài)級(jí)分進(jìn)行過濾和 合并。6. 權(quán)利要求2所述的方法，其中使所述第一液態(tài)級(jí)分和所述第二液態(tài)級(jí)分經(jīng)受基于分 子量的膜分離，以提供所述生物質(zhì)的實(shí)質(zhì)上純化形式的一種或更多種組分。7. 權(quán)利要求1所述的方法，其中在環(huán)境溫度下進(jìn)行各步驟。8. 用于將生物質(zhì)分級(jí)成所述生物質(zhì)的一種或更多種組分的方法，其包括： a) 機(jī)械改變所述生物質(zhì)的纖維，并任選地使所述生物質(zhì)與溶劑接觸，以提供流態(tài)化的 生物質(zhì)； b) 使所述流態(tài)化的生物質(zhì)經(jīng)受高頻脈沖和剪切力而沒有使所述生物質(zhì)的一種或更多 種組分變性，以提供第一液態(tài)級(jí)分和第一分級(jí)生物質(zhì);和 c) 將所述第一液態(tài)級(jí)分從所述第一分級(jí)生物質(zhì)中離析。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述溶劑是選自短鏈醇、甘油和水中的任一種，或 其任何組合的共溶劑混合物。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述溶劑是乙醇或含水乙醇。11. 權(quán)利要求8所述的方法，其中所述溶劑是水。12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述高頻脈沖為每秒至少1000次脈沖。13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述級(jí)分包含選自以下中的任一種的組分:半纖 維素、木質(zhì)素、提取物和蛋白質(zhì)、纖維或其任何組合。14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述生物質(zhì)是草本植物材料。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述草本植物材料選自卡法椒、紫錐花、圣約翰 草、繳草根、水飛薊籽、西伯利亞人參、蕁麻葉、銀杏、積雪草、黃苗、白毛茛、當(dāng)歸、人參、覆盆 子、綠茶、山楂、姜、姜黃、黑升麻、貓爪草、春黃菊、蒲公英、蔓荊子、小白菊、大蒜、七葉樹、甘 草、小米草、育亨賓樹和纈草罌粟。16. 用于提取生物質(zhì)的方法，所述方法包括： a) 對(duì)所述生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以提供流態(tài)化的生物質(zhì)； b) 使所述流態(tài)化的生物質(zhì)與溶劑接觸； c) 使與所述溶劑接觸的所述流態(tài)化的生物質(zhì)經(jīng)受高頻脈沖和剪切力而沒有使所述生 物質(zhì)的一種或更多種組分變性，以提供第一提取物和經(jīng)提取的生物質(zhì)； d) 使所述經(jīng)提取的生物質(zhì)經(jīng)受破碎力，同時(shí)與另外的溶劑接觸，以提供從經(jīng)之前提取 的生物質(zhì)中分離的第二提取物;和 e)將所述第一提取物和所述第二提取物合并在一起。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中進(jìn)一步包括過濾合并的所述第一提取物和所述 第二提取物的步驟e)，以去除任何固體材料。18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在環(huán)境溫度下進(jìn)行每一步驟。19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述溶劑是選自短鏈醇、甘油和水中的任一種， 或其任何組合的共溶劑混合物。20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述溶劑是乙醇或含水乙醇。21. 權(quán)利要求16所述的方法，其中所述溶劑是水。22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述高頻脈沖為至少1000次脈沖每秒。23. 權(quán)利要求16所述的方法，其中使所述第一液態(tài)級(jí)分和所述第二液態(tài)級(jí)分經(jīng)受基于 分子量的膜分離，以提供所述生物質(zhì)的實(shí)質(zhì)上純化形式的一種或更多種組分。24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中一種或更多種組分包含選自以下的實(shí)質(zhì)上純化 形式的組分:半纖維素、木質(zhì)素、提取物和蛋白質(zhì)、纖維或其任何組合。25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述生物質(zhì)是草本植物材料。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述草本植物材料選自卡法椒、紫錐花、圣約翰 草、繳草根、水飛薊籽、西伯利亞人參、蕁麻葉、銀杏、積雪草、黃苗、白毛茛、當(dāng)歸、人參、覆盆 子、綠茶、山楂、姜、姜黃、黑升麻、貓爪草、春黃菊、蒲公英、蔓荊子、小白菊、大蒜、七葉樹、甘 草、小米草、育亨賓樹和纈草罌粟。27. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述純化形式的一種或更多種組分用于制備聚 合物。28. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中對(duì)所述純化形式的一種或更多種組分進(jìn)行發(fā)酵， 以提供乙醇。29. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述純化形式的一種或更多種組分用于制備涂 料或粘合劑。30. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述純化形式的一種或更多種組分用于制備紙 張涂層、紙漿或紙。31. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述純化形式的一種或更多種組分用于制備用 于紙或化學(xué)品制造的紙漿。
【文檔編號(hào)】C12P19/00GK105960462SQ201480055897
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2014年8月11日
【發(fā)明人】M·米切爾
【申請(qǐng)人】綠色萃取技術(shù)有限公司