生物质自动化采样和分析的系统和方法
【专利说明】生物质自动化采样和分析的系统和方法
[0001] 优先权 根据35use§ 119(e)，本非临时专利申请要求2012年5月16日提交的系列号为 61/647598 且名称为"SYSTEMS AND METHODS FOR AUTOMATED BIOMASS SAMPLING AND ANALYSIS"的美国临时专利申请的优先权，该申请的全文以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0002] 谷物原料(例如玉米、高粱/蜀黍、大麦、小麦等)、糖(例如甘蔗、甜菜)和生物质(例 如木质纤维素原料，如柳枝稷、玉米棒和秣草、木料、其他植物材料，或藻类）可用于生产乙 醇。
[0003] 生物质包括可直接作为燃料/能源或作为原料在生物精炼厂（如乙醇工厂）加工 为其他生物产品(例如生物燃料，如纤维素乙醇）的植物材料。生物质可以包括，例如，收获 玉米粒期间或之后所得的玉米棒和秣草(例如茎杆和叶子)、来自玉米粒的纤维、柳枝稷、农 场或农业残余物、木片或其他木质废弃物、藻类和其他植物材料。从田地中收获并采集生物 质，并运输至使用或加工地点，以便使用或加工生物质。有效地收集和运输生物质的方法的 例子之一是生物质捆。生物质可以在谷物收获期间或之后进行收集和打捆。
[0004] 在从玉米生产乙醇的常规乙醇工厂中，用淀粉生产乙醇。与之相比，生物精炼厂用 于从生物质（例如纤维素原料）生产乙醇，以木质纤维素材料(例如纤维素和/或半纤维素） 生产乙醇。对生物质进行准备，从而可获得纤维素材料中的糖(例如来自纤维素的葡萄糖和 来自半纤维素的木糖）并发酵成为含有乙醇(及其他产物）的发酵产物。该发酵产物随后送 往蒸馏系统中，通过蒸馏和脱水来回收乙醇。其他生物产物，例如木质素和有机酸，同样可 以作为副产品回收。需要根据生物质的形式和种类或组成成分，来确定如何更有效地准备 和处理用于生产乙醇的生物质。
[0005] 例如，生物质捆的水分含量、碳水化合物含量和灰分随着收获条件、收获时机、 藏条件等而显著变化。关于送到设施的生物质材料的组成成分的信息，直接影响到向乙醇 生产流程中引入的水量、每份加工生物质重量的乙醇产量以及整体系统经济。因此，在购买 时知道生物质组成成分是有利的，因为生物质捆的价格通常根据干物质而定，且可能根据 灰分和碳水化合物含量而调整，从而激励农民实施优质的采集和贮藏过程。对于农民而言， 能够监控仓库中的生物质捆的成分，也是有利的。
[0006] 除了用于纤维素乙醇生产设施之外，生物质还类似地可用于各种各样的下游应用 中，例如作为农场牲畜饲料、肥料和堆肥材料、地表覆盖物等等。在每种应用中，确定生物质 的水分、碳水化合物和灰分含量，对于评估生物质产品的质量和/或定价都尤为重要。
[0007] 目前，为了确定生物质的水分、碳水化合物和灰分含量，必须将材料经过非常费力 且可能有害的湿化学分析。这些分析方法一般包括干燥生物质（需要大量时间）以确定水 分含量。所得的干燥生物质可以随后通过光谱法和/或湿化学法进行碳水化合物和灰分分 析。
[0008] 已知地，近红外光谱法（NIR)可用于测定样品的某些成分数据；但是，据证实，NIR 此前不足以用于生物质采样，因为生物质本身的不均匀性、校准困难以及采集生物样品的 后勤要求。
[0009] 因此，需要提供用于迅速而准确地以光谱学测定生物质组成成分的系统和方法。 此类系统和方法可以在使用生物质材料前，向生物质使用者提供更好的材料性质测定。
【发明内容】
[0010] 本发明涉及用于测定生物质组成成分的系统和方法。所述系统和方法可以用于衡 量用于任何指定目的的生物质的质量，且可以用于合理确定生物质交易价格。
[0011] 在一些实施例中，所述用于分析生物质组成成分的系统包括位于采样区域的取 芯探头、将所述取芯探头采集的芯样转运至分析站点的气动运输系统、均质化所述芯样的 样品均质器，以及已对所述生物质进行校准并为均质样品生成组成成分描述的近红外分析 仪。
[0012] 在一些实施例中，取芯探头的直径范围约3英寸且长度至少16英寸。它可以是螺 旋钻装置，或中空取芯锯。该取芯探头可以安装在用于控制该取芯探头的机械装置(例如伸 缩臂）上。
[0013] 样品均质器在芯样被移送至近红外分析仪之前，减小芯样的粒径并进行混合。近 红外分析仪生成的组成成分描述包括样品中的灰分、木质素和碳水化合物含量。近红外分 析仪针对生物质的校准，包括将近红外扫描结果与湿化学法结果进行对比。从开始到结束， 所述系统操作从抽取芯样到生成组成成分描述的时间低于约3-5分钟。
[0014] 注意，本发明的上述各种特征可以单独或组合实施。将在下文的发明详细说明中， 结合附图更详细地描述本发明的上述及其他特征。
[0015] 在一个方面中，本发明涉及一种用于分析生物质组成成分的系统。该系统包括：能 够从一批生物质中取得样品的装置；能够将所述样品从所述装置转移到分析站点的运输系 统；能够均质化所述样品以产生均质样品的均质机；以及经校准以用于分析所述生物质组 成成分的近红外分析仪。所述近红外分析仪能够生成所述均质样品的组成成分描述。
[0016] 在另一个方面中，本发明涉及一种用于分析生物质的方法，所述方法包括：从一批 生物质中取得至少一个样品；将所述至少一个样品转运至分析站点；均质化所述至少一个 样品以生成均质样品；以及以近红外分析仪分析所述均质样品以生成组成成分描述。
【附图说明】
[0017] 为了更清楚地确定本发明，下面将以举例方式，通过引用以下附图来描述一些实 施例： 图1是包含纤维素乙醇生产设施的生物精炼厂的透视图。
[0018] 图2是用于在纤维素乙醇生产设施中接收和准备生物质的系统的原理示意图。
[0019] 图3是一种用于准备、预处理和分离生物质的装置的系统方框图。
[0020] 图4是一个实施例中，用于对生物质样品进行收集、处理和近红外分析的系统的 系统方框图。
【具体实施方式】
[0021] 下面将引用如附图所示的数个实施例，对本发明进行详细说明。下文中列举了许 多具体细节，用于提供对本发明的实施例的透彻理解。但显然，对于本领域技术人员而言， 可以在无需一些或全部所述具体细节的情况下实施这些实施例。在其他一些实施例中，为 了避免使本发明变得不必要地含糊不明，省略了一些众所周知的工艺步骤和结构的详细细 节。通过附图和以下说明，可以更好地理解实施例的特征和有益效果。
[0022] 本发明涉及对生物质样品的收集、处理和近红外（NIR)分析，以便可在生产过程中 使用该生物质之前(例如在生物质预处理的初始步骤之前)，测定大宗生物质的性质。在一 些实施例中，取样并测试的所述大宗生物质可以包括仍处于送达用户设施(例如纤维素乙 醇生产设施)时的形式、基本尚未处理的生物质材料。该送达的大宗生物质的形式可以是散 装或成捆的农业残余物、柳枝稷或其他生物质农作物或其他有机材料。
[0023] 该生物质可在纤维素生物精炼厂中最终处理为乙醇或其他生物源化学物质。可选 地，该生物质可用作动物铺垫、牲畜饲料、地表覆盖或肥料，以及其他已知或未来可知的应 用。本公开主要将集中在生物质作为纤维素乙醇生产原材料的用途上，其中对用于乙醇生 产的生物质的详细公开的目的仅在于提供该生物质用途的实施示例，这些示例不应当以任 何方式将这些实施例的范围限制在用于任何特定目的的生物质上。
[0024] 基于以上任一目的，生物质成分的信息有助于获得合理的处理条件、准确且性价 比高的材料支付方式以及适当的配量/利用率。例如，在生产乙醇的生物精炼厂中，碳水化 合物含量高的生物质在购买时可以获得溢价，乙醇产量更高，且与碳水化合物含量较低的 材料相比，获得预期效能所需的投放率更低。相反，对于特定的饲养目的，也可能同样需要 高纤维含量。通过测定生物质性质，能够最好地利用材料。
[0025] 如上所述，可以使用多种方法来测定生物质组成和质量。这些系统和方法的缺点 在于，长期来看成本高昂（在采集过大量样本后)，需要专门人员的操作，具有潜在危害，且 由于规模原因和材料的不均匀性质而无法有效地应用于大宗生物质货物。因此，在此公开 了用于克服这些技术和后勤困难的机构，从而在从前认为不实际的规模上提供生物质性质 测定的可靠方法。
[0026] 本方法使用光谱法，包括红外尤其是近红外光谱法，来进行生物质的化学分析或 组成成分描述(即对生物质各种生物成分的类型和含量的描述)。
[0027] 希望在组成成分描述中标识的生物质样品化学成分及其含量或相对含量的例子 包括以下的一种或多种：水(水分含量)、纤维素(葡聚糖)、木质素、半纤维素、淀粉、灰分、木 聚糖、阿拉伯聚糖、醋酸纤维等其他所需成分。该分析(即组成成分描述)的结果对关于受试 生物质的价值或其使用或处理方式的相关决策均是有用的，例如：对受试生物质应支付的 价值或价格；该生物质的用途(例如，是否将该生物质处理形成乙醇，用该生物质来提取或 处理不同的化学成分，或用该生物质当做青贮饲料）；或确定处理条件，或随后处理步骤中 向该生物质添加的添加剂及其用量。
[0028] 优选地，在开始生物质处理之前测试生物质并产生组成成分描述。从生物质中采 得生物质样品；该样品可以在大宗生物质送达生产或处理设施时从该大宗生物质中获取； 该样品可以是从该设施接收到的一批生物质中抽取的样品(例如芯样)，例如当该生物质仍 位于运载车辆(例如卡车、拖车、轨道车或其他运输或运载车辆）上时采样。
[0029] 该样品可以通过样品均质化来处理，例如研磨该样品，并混合研磨后的样品以获 得可