专利名称：使用电子束生产生物燃料的方法
技术领域：
本发明涉及一种生产生物燃料的方法，更确切地，涉及一种使用电子束 生产生物燃料的方法。
背景技术：
生物燃料是一种由存在于自然界的生物质生成的可持续能源。生物质是 生物体有机物质的总称，它的种类很多，例如，在农业和林业中由各种植物 和动物产生的副产品，垃圾，餐饮垃圾，基于生物体的工业垃圾，和种植的 用于生产生物燃料的作物(能源作物)。
通过使用物理的、化学的、和生物的技术，能够将生物质转化成固态的、 液态的、或气态的生物燃料。具有代表性的生物燃料的例子包括生物乙醇、 生物丁醇、生物柴油、生物气、和其它固体燃料。生物燃料能够用于发电和 运输业，并且由于在流动性和环境特性方面的优势，用于运输业的生物燃料 正在积极地发展。
生物乙醇通常是通过发酵玉米淀粉或甘蔗而得到的，而生物柴油通常是 从豆类或菜籽油中提取的。由于生物燃料具有以下优点，即与化石燃料相比 生物燃料的能效并没有下降很多，具有环境友好的特性，并且能够使用现有 的化石燃料设施，因此其作为一种替代能源引起了广泛的关注。
与化石燃料相比，生物燃料能够大幅度地减少污染物如细颗粒和硫化合 物的排放。由生物燃料释放的碳的氧化物被植物吸收和固定，并且这种单纯 地排放碳的氧化物基本不会发生。与化石燃料相比，硫化合物或碳氢化合物 的排放显著地降低，因此烟雾和臭氧的产生将大大地减少，因此，生物燃料 十分适合作为交通工具的燃料。在巴西、美国、欧洲、丹麦、和印度尼西亚，通过对能产生乙醇的谷物 进行发酵来生产乙醇的替代能源技术已经发展成为国家产业，并且，发展替 代能源以准备在半个世纪后减少化石燃料，已经作为一种国家性的问题被提 出。
通过使用动物饲料或集中在基于谷物如玉米的基于玉米的乙醇，已经研 制出了第一代生物燃料。然而，谷物的产量无法满足乙醇需求的增长，从而
存在很难持续生产的问题。以美国为例，生产的玉米约15%被用于乙醇生产， 因而存在食物短缺的可能性。并且，即使使用美国生产的全部玉米，乙醇也 仅仅能够替代约20%的汽油。
集中在基于从不消耗食物资源的木材中提取的纤维素的基于纤维素的 乙醇，已经发展出了第二代生物燃料。美国每年能够从各种农业副产品中生 产约500亿加仑的乙醇，并且技术改进的可能性很高；与基于玉米的乙醇相 比，其制造成本更加有利润，因而，作为下一代生物燃料其受到了广泛的关 注。
然而，基于木材的生物质具有键能较高的强共价键。这是由于纤维素不 易水解，并且木质素和半纤维素的可及度(accessibility)较差且生产过程冗长， 因而，迫切需要一种能够进行大规模生产的生产方法。
发明内容
本发明是关于一种生产生物燃料的方法，其中，使用作为可持续能源的 木材而有效地生成了基于纤维素的生物燃料。
本发明提供了一种使用电子束生产生物燃料的方法，该方法包括
使用电子束对植物聚合物进行照射以对植物聚合物进行分解和消毒，从 而促进植物聚合物向生物质的转化。
所述植物聚合物包括纤维素和木质素。所述电子束包括Y射线、x射线、和离子束。
根据本发明，通过使用电子束对植物聚合物进行处理，改变了构成植物 聚合物的纤维素和木质素的几何结构，从而显著地减少了将植物聚合物转化 成生物燃料所需要的时间。因此，使得替代化石燃料的生物能源的大规模生 产成为可能。
图1为流程图，该流程图说明了根据本发明的一个示例性实施方式使用 电子束生产生物燃料的方法。
具体实施例方式
下文中，将对本发明的示例性实施方式进行详细地描述。然而，本发明 并不限制于以下公开的示例性实施方式，可以通过各种方式进行应用。因此， 提供本示例性实施方式用于对本发明进行充分公开，并且向本领域技术人员 充分地告知本发明的范围。
图1为流程图，该流程图说明了根据本发明的一个示例性实施方式使用 电子束的生产生物燃料的方法。
参考图1，对用于使用电子束分解的植物聚合物进行预处理步骤。例如，
对所述植物聚合物进行粉碎(S110)。所述植物聚合物包括含有纤维素和木质
素的木材、草本植物、源自草本植物的产品或废弃木材、或纸。植物聚合物 的粉碎形式包括破碎机切割的木片或在木材加工过程中产生的木屑压制而 成的圆柱形木质颗粒。
为了从植物聚合物如木材或草中提取生物燃料，将植物聚合物转化成生 物质的过程是必需的。大多数的植物聚合物均具有强共价键，因此不容易将 其转化成生物质。更具体地说，木材的化学组成取决于树木的种类，因此，为了使所述化 学组成系统化，提取物被分类为次要组分，细胞壁物质被分类为主要组分。 组成细胞壁物质的组分包括纤维素、半纤维素、和木质素。纤维素为化学式
如(C6H,oOs)n所示的直链连接的P-[1，4] D-葡萄糖分子的均聚物。纤维素的抗 碱性强，但可以被酸水解成为葡萄糖。
半纤维素是通过从多糖中除去果胶物质而得到的，并且构成了根、根茎、 种子、和果实的细胞。半纤维素可以通过使用碱溶液从除去了果胶物质的细 胞壁中提取到，其主要成分为木聚糖(由多个为戊糖的木糖分子结合形成)、 葡聚糖、木糖葡聚糖、和葡甘露聚糖。木质素是与纤维素和半纤维素一起构 成木材物质的组分。木质素的化学结构尚不清楚，但推测处于dsH240u和 C40H45C)i8之间。
用电子束对粉碎的具有这些组分的植物聚合物进行照射，从而使用电子 束对植物聚合物进行分解和灭菌(S120)。所述电子束包括Y射线、x射线、 和离子束。当电子束照射到植物聚合物时，部分的植物聚合物可以在短时间 内被转化为蔗糖或淀粉。
更具体地说，所有的原料都是由原子或分子之间的键组成的，如果加速 的电子照射到键上，分子之间的键很容易被破坏。通过这个原理，当具有高 能量的电子束照射到材料上时，能量使材料的化学结构发生改变，因而提高 了材料的价值，或者消灭或除去了有害的细菌。也就是说，通过使用电子束， 植物聚合物的聚合物组分能够被分解为单体。
通过电子束，纤维素、半纤维素和木质素分子间的键被破坏，从而使植 物聚合物能够被迅速分解。例如，在几分钟至数十分钟内，通过能量为2-10 电子伏特(MeV)的电子束以几十至几百千戈瑞(kGy)的剂量对粉碎的植 物聚合物进行照射。当电子束的能量密度较高时，分解和灭菌作用更强，但 对工业电子束加速器来说，根据欧洲标准(EN552)，该密度限制于等于或小于10MeV，因此，所述电子束的能量密度优选等于或小于10MeV。
所述电子束的特征在于加工厚度取决于密度(以密度为l为基准，0.35 cm/MeV)，并且当电子束与材料相互作用时产生x-射线，它与，射线具有相 似的特征(以密度为l作基准，24cm)，具有较强的材料穿透力。与y-射线 相比，所述电子束具有相对较大的照射范围，并且能够显著地减少处理时间， 还能够改变能量。对于，射线来说，通常使用的核素CO60的发射能量为 1.17-1.33MeV (平均为1.25 MeV)，核素Cs137的发射能量为恒量0.667MeV。 如上所述，通过使用电子束，除了电子束的特点，额外生成的x-射线或 Y-射线可以促进反应以抵消加工厚度的缺点。因此，可以显著地减少加工时 间。
另外，存在于构成植物聚合物的原材料表面的细菌可以被杀灭。通过在 生物燃料的生产中加入酶或菌种可以使反应平稳地进行，从而提高了生物燃 料如乙醇的产率。这是因为对于谷物来说，约25%的谷物都被能干扰酵母生 长的真菌毒素所污染，而对酵母生长的抑制使生物燃料的生产被阻碍。
所述电子束可以通过电子束加速器产生。所述电子束加速器通过强磁场 聚集了由阴极发出的热电子，通过加速管将低能电子转化成为高能电子束。 聚集的电子束经过扫描喇叭(scanning hom)被均匀地照射至目标材料。对目 标材料的照射剂量可以通过使用输送机调整辐射时间来进行控制。与从核素 连续发出的，射线相比，所述电子束加速器可以被开启或关闭。因此，由于 可以仅仅在需要时产生电子束，可以很容易地进行维修和操作，并且能够容 易和精确地调整辐射剂量。
如上所述，与使用常规的分解过程如热分解的预处理过程相比，显著地 减少了处理时间，并具有灭菌作用。也就是说，无需常规技术中所必需的额 外的灭菌步骤。
接着，对被分解的植物聚合物进行发酵以提取生物燃料。将所述被分解的植物聚合物与酶进行混合(S130)。例如，将被分解的植物聚合物，含有糖 化淀粉酶(saccharifing amylase)的酶如酵母菌(S. cerevisiae IFO, S. formosensis nov, S. robustus nov邻,等)、运动发酵单孢菌(zymomonas mobilis)、里祖酶(rhizozyme)，和菌株进行混合。
然后，对植物聚合物与酶的混合物进行发酵(S140)。为了促进该混合物 的发酵，提供了优选使用的适当的温度、适当的压力和适当的电磁波。例如， 将植物聚合物与酶的混合物在温度为15°C-45°C，适当的湿度和压力，以及 氧(02)、氢(H2)和氨氮的大气压下进行发酵。在此，为了促进该混合物的发 酵，可以额外地加入菌种和无菌水。如上所述，由于通过电子束的照射已经 将腐生物进行了灭菌，可以使发酵过程有效地进行。
最后，从发酵的混合物中提取生物燃料(S150)。用于从发酵的混合物中 提取生物燃料的技术为本领域技术人员所公知。可以被提取的生物燃料包括 生物气、生物乙醇、和生物丁醇。
如上所述，根据本发明的使用电子束的生产生物燃料的方法，使用电子 束对植物聚合物进行照射，从而杀灭了细菌并促进了不容易被分解的纤维素 和木质素的糖化作用。另外，如果加入酶，并且提供适当的温度、湿度和气 体压力如氧气的条件，可以转化成如蔗糖的生物质，从该生物质中可以提取 出生物燃料。
结果，显著地降低了生产生物燃料的加工时间，并且能够有效地生产第 二代替换能源，该种能源能够减轻全球变暖效应，并从而减少了化石燃料的 使用，引领了巨大的经济普及效应。
权利要求
1、一种使用电子束生产生物燃料的方法，该方法包括使用电子束对植物聚合物进行照射以对该植物聚合物进行分解和消毒，从而促进该植物聚合物向生物质的转化。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述植物聚合物包括纤维素和 木质素。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述电子束包括Y射线、x射线、 和离子束。
全文摘要
公开了一种使用电子束的生产生物燃料的方法。该生产生物燃料的方法包括使用电子束对植物聚合物进行照射以对植物聚合物进行分解和消毒；从而与传统的方法相比，促进了植物聚合物向生物质的转化。
文档编号C10L1/32GK101426889SQ200780001271
公开日2009年5月6日 申请日期2007年10月2日 优先权日2007年6月25日
发明者李康玉, 郑基亨 申请人:韩国加速器与等离子体研究协会