ГЛИЦЕРИДЫ И СМЕСИ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к способам и композициям, полезным для зеленых технологий. Более конкретно, настоящее изобретение относится к глицеридам и смесям жирных кислот, полученным из процессов производства этанола в качестве сопродуктов или побочных продуктов. Эти смеси могут применяться во множестве применений. Одним из применений является обогащение, способ выделения полезных веществ из отходов. Другим применением является обезвоживание, отделение воды из материала. Другие применения выбраны из перечня, содержащего смазочные жидкости, прокатное масло, гидравлические жидкости, противовспениватели, пеногасители, буровой раствор, масло для покрытий, огнестойкие жидкости, контроль объемной плотности, контроль объемной плотности угля и контроль пыли.

Как описано, например, в патентах US 7,624,878 и 7,837,891 В2, и заявке на патент US 12/706091, обогащение использует разницу гидрофобности соответствующих компонентов. Во время этого процесса руду измельчают до определенного небольшого размера и суспендируют в воде. Суспензию помещают в устройство для флотации и продувают воздухом. Воздух предпочтительно присоединяется к гидрофобным частицам суспензии, заставляя их плавать в верхней части устройства. Всплывшие частицы собираются, обезвоживаются и аккумулируются в виде продаваемого конечного продукта. Гидрофильные частицы имеют тенденцию мигрировать к нижней части контактного сосуда, откуда они могут быть удалены в виде тяжелой фракции и переработаны в отходы водохранилищ. В других процессах, таких как обратная флотация, продаваемый конечный продукт может мигрировать вниз.

Для облегчения обогащения используют некоторые типы обычных реагентов, такие как пенообразователи, вещества, способные собирать частицы, промоторы и кондиционеры. Тем не менее, эти реагенты могут быть дорогими и токсичными, тем самым снижая стоимость-эффективность процессов обогащения. Дизельное топливо, топливо на основе смеси углеводородов, такое как керосин или мазут, является обычной обогатительной композицией; оно является токсичным и образуется из невозобновляемых ресурсов. Наоборот, настоящее изобретение является безопасным и образуется из возобновляемых ресурсов, оно может использоваться для замены дизельного топлива.

Следовательно, новым, полезным и неочевидным является обеспечение и использование экономически эффективных, безопасных и эффективных обогатительных композиций. Уровень техники, описанный в данном разделе, не предназначен для указания на то, что любой патент, публикация или иная информация, указанная в настоящем описании, является "уровнем техники" в отношении настоящего изобретения, если они специально не определены в качестве таковых. Кроме того, этот раздел не должен истолковываться так, как будто поиск был проведен или нет другой соответствующей информации, как определено в 37 CFR § 1.56 (a).

Краткое изложение сущности изобретения

По крайней мере один вариант осуществления изобретения относится к способу отделения первого материала от второго материала. Способ включает следующие стадии: (1) смешение первого материала и второго материала в суспензии с обогатительной композицией, (2) обеспечение пузырьков воздуха в суспензии с получением агрегатов частиц с пузырьками первого материала, и (3) отделение агрегатов частиц с пузырьками от второго материала. Обогатительная композиция включает по меньшей мере один глицерид и смесь жирных кислот, экстрагированных из процессов производства этанола.

Глицериды и смеси жирных кислот (GFA) могут содержать от 5 весовых процентов до 25 весовых процентов свободных жирных кислот. Глицериды и смеси жирных кислот могут включать один или несколько компонентов, выбранных из линолевой кислоты, фитостеринов, стеариловых эфиров гидроксициннамата, лютеина и зеаксантина. Глицерид и смеси жирных кислот могут экстрагироваться из жидкой барды производства кукурузного этанола сухим измельчением или из барды и растворимых веществ производства кукурузного этанола сухим измельчением. Концентрация стеариловых эфиров гидроксициннамата может варьироваться от 0,3 до 0,5 весовых процентов. Концентрация токоферолов может составлять менее 150 мг на 100 г глицеридов и смесей жирных кислот. В одном варианте осуществления концентрация токоферолов составляет 150 мг на 100 г глицеридов и смесей жирных кислот или менее.

Жирный глицерид и смеси жирных кислот могут применяться в виде эмульсии. Глицериды и смеси жирных кислот могут объединяться с веществами, способными собирать частицы, и/или пенообразователями. По меньшей мере часть (до 100%) глицеридов и смесей жирных кислот может экстрагироваться из производства этанола. Глицериды и смеси жирных кислот могут дополнительно включать один или несколько компонентов, выбранных из линолевой кислоты, фитостеринов, токоферолов, стеариловых эфиров гидроксициннамата, лютеина, зеаксантина, каротиноидов и любых их комбинаций. Глицерид и смеси жирных кислот могут экстрагироваться из жидкой барды производства кукурузного этанола сухим измельчением или из барды и растворимых веществ производства кукурузного этанола сухим измельчением. Концентрация стеариловых эфиров гидроксициннамата может находиться в диапазоне от 0,3 до 0,5 весовых процентов. Концентрация токоферолов может составлять менее 150 мг на 100 г глицеридов и смесей жирных кислот.

Дополнительные особенности и преимущества описаны здесь и будут ясны из последующего подробного описания.

Подробное описание изобретения

Следующие определения приведены для определения терминов, используемых в настоящем описании, и, в частности, в формуле изобретения. Определения приведены только для удобства и не предназначены для ограничения определений какой-либо конкретной категории.

В целях настоящего описания определения терминов являются следующими:

"Обогащение" обозначает отделение полезных веществ из отходов, в частности гидрофобных веществ от гидрофильных веществ. Подходящие способы для достижения этого включают, но не ограничиваются ими, флотацию, обратную флотацию и подобные технологии.

"Глицериды и смеси жирных кислот" обозначают смеси, экстрагируемые из процесса производства этанола, включающие как глицериды, так и жирные кислоты.

В том случае, когда приведенные выше определения или описание, указанное в настоящем приложении, не согласуется со значением (явно или неявно), которое обычно используется в словаре или указано в источнике, включенном в качестве ссылки в данную заявку, термины заявки и формулы изобретения, в частности, понимаются в соответствии с определением или описанием настоящей заявки, а не в соответствии с общим определением, словарным определением или определением, которое включено в виде ссылки. В свете вышеизложенного, в том случае, когда термин может пониматься только на основании словаря, если этот термин определяется Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5-е издание, (2005), (опубликовано Wiley, John & Sons, Inc.), это определение определяет, как термин должен истолковываться в формуле изобретения.

По меньшей мере в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу отделения первого материала от второго материала. Например, способ может включать смешение первого материала и второго материала в суспензии с обогатительной композицией. Обогатительная композиция может включать один или несколько глицеридов и смесей жирных кислот, полученных из процесса производства этанола. Пузырьки воздуха могут обеспечиваться в суспензии с образованием агрегатов частиц с пузырьками с первым материалом, и агрегаты частиц с пузырьками могут отделяться от второго материала.

По меньшей мере в одном варианте осуществления глицериды и смеси жирных кислот могут быть получены из процесса производства этанола. При производстве этанола экстракция глицеридов и смесей жирных кислот может обозначаться как экстракция кукурузного масла. Одним из способов экстракции кукурузного масла является извлечение из барды и/или растворимых веществ и барды производства кукурузного этанола сухим измельчением. В одном варианте осуществления глицериды и смеси жирных кислот содержат от около 5 до около 25 весовых процентов свободных жирных кислот. В другом варианте осуществления GFA содержат 5 весовых % свободных жирных кислот или более. Линолевая кислота, как правило, является преобладающей жирной кислотой. Глицериды и смеси жирных кислот могут содержать другие компоненты, которые включают фитостерины, стеариловые эфиры гидроксициннамата, лютеин и зеаксантин.

По меньшей мере в одном варианте осуществления глицерид и смеси жирных кислот экстрагируются из процесса производства этанола. В одном варианте осуществления глицерид и смеси жирных кислот содержат линолевую кислоту.

По меньшей мере в одном варианте осуществления обеспечивается разделение гидрофобных и гидрофильных частиц в водной суспензии. Например, способ может включать добавление обогатительной композиции к водной суспензии для повышения гидрофобности гидрофобных частиц. Обогатительная композиция может включать глицериды и смеси жирных кислот. Водная суспензия может смешиваться для адсорбции глицеридов и смесей жирных кислот на поверхности гидрофобных частиц для того, чтобы повысить гидрофобность гидрофобных частиц. Пузырьки воздуха могут обеспечиваться в водной суспензии так, что гидрофобные частицы собираются на поверхности пузырьков воздуха, образуя агрегаты частиц с пузырьками. Агрегаты частиц с пузырьками могут всплывать на поверхность водной суспензии для отделения от гидрофильных частиц.

По меньшей мере в одном варианте осуществления обогатительная композиция содержит один или несколько глицеридов и смесей жирных кислот, полученных из процесса производства этанола. В одном варианте осуществления процесс производства этанола является процессом производства топливного этанола. В одном варианте осуществления процесс производства этанола представляет собой процесс производства пищевого или питьевого этанола.

Преимущество настоящего изобретения заключается в создании экономически эффективных способов разделения двух или более материалов.

Другим преимуществом настоящего изобретения является создание композиций, повышающих гидрофобность, которые могут использоваться в флотационных процессах, что позволит повысить экономию средств.

По меньшей мере в одном варианте осуществления обогатительная композиция включает глицериды и смеси жирных кислот. Глицериды и смеси жирных кислот могут включать линолевые кислоты и один или несколько компонентов, выбранных из группы, состоящей из фитостеринов, токоферолов, стеариловых эфиров гидроксициннамата, лютеина, зеаксантина и каротиноидов.

Неожиданно обнаружено, что глицериды и смеси жирных кислот (GFA) являются эффективными в качестве реагентов для использования в технологиях обогащения, таких как, например, флотационные процессы. Кроме того, эти глицериды и смеси жирных кислот, как правило, являются экологически безопасными и безвредными. Глицериды и смеси жирных кислот также являются негорючими и могут обеспечить преимущества в применениях, где присутствуют режимы с "высокой" температурой вспышки. Побочные продукты могут использоваться в дополнение или вместо обычных опасных веществ, способных собирать частицы, для флотационных процессов, таких как получение дизельного топлива, тем самым снижая зависимость от таких экологически вредных веществ. Дизельное топливо используется повсеместно в обогатительной промышленности. Большая часть отработанного дизеля из процессов наносит скрытый вред окружающей среде и здоровью человека. Настоящее изобретение имеет дополнительное преимущество в том, что не несет какой-либо опасности окружающей среде и или здоровью человека, если сливается под землю.

По меньшей мере в одном варианте осуществления глицериды и смеси жирных кислот являются сопродуктами или побочными продуктами производства этанола. Они считаются зелеными композициями, потому что они не являются опасными и получаются из природных, возобновляемых ресурсов. Эти возобновляемые ресурсы включают кукурузу.

Водоросли могут использоваться для производства этанола. GFA могут быть получены из водорослей.

Этанол может быть получен из кукурузы с использованием сухого измельчения, где всю массу кукурузы измельчают в муку и смешивают с водой. Ферменты добавляют для преобразования крахмала в сахар. Затем добавляют дрожжи для превращения сахара в этанол. Раствор, обычно называемый бурдой, питанием, пивной массой или кислой массой, затем перегоняют, отделяя этанол от остальной части или барды, обычно называемой как цельная барда, густая барда или густая масса. Неферментированные части отделяют. Твердые вещества объединяют в питательный совместный продукт, называемый высушенными растворимыми веществами барды (DDGS). Жидкую часть, которая может содержать некоторые твердые частицы, называют жидкой бардой. Глицериды и смеси жирных кислот могут экстрагироваться из жидкой барды и/или DDGS. GFA может обозначаться как «постферментативное кукурузное масло».

В опубликованной заявке на патент US 2009/0008301 раскрывается использование повышающих гидрофобность реагентов с применением природных липидов и триацилглицеридов, которые могут быть легко гидролизованы до жирных кислот. Так как растительные масла получают путем экстракции растворителем, некоторые примеси в сыром масле, такие как свободные жирные кислоты и фосфолипиды, удаляются из сырого растительного масла щелочной переработкой и осаждением. В опубликованной заявке на патент US 2009/0008301 не описаны GFA, полученные из процесса производства этанола.

Настоящее изобретение отличается от коммерческих растительных масел. Коммерческие растительные масла являются рафинированными, отбеленными и дезодорированными (RBD). Как правило, RBD коммерческого кукурузного масла не содержат свободных жирных кислот. В результате предшествующий уровень техники не раскрывает какого-либо намерения использовать глицериды и смеси жирных кислот, полученных из процесса производства этанола.

В патентах US 7,497,955 и 7,566,469 и заявке на патент US 12/949850 описаны способы обезвоживания жидкой барды от производства этанола, используя полимеры. GFA могут экстрагироваться с различных фаз процесса производства этанола. Различные способы описаны для повышения эффективности извлечения масла из нескольких потоков процесса производства этанола, таких как процесс сухого измельчения получения пищевого и топливного этанола из кукурузы. По меньшей мере в одном варианте осуществления в процессе производства этанола, этанол извлекается из пивной массы в отпарной колонне, а оставшиеся твердые вещества кукурузной барды обезвоживаются, и обогащенную массу глицеридов и смесей жирных кислот извлекают из сухой кукурузной барды.

По меньшей мере в одном варианте осуществления глицериды и смеси жирных кислот получают в качестве побочного продукта из процесса производства этанола. Как описано в опубликованной статье «The Composition of Crude Corn Oil Recovered after Fermentation via Centrifugation from a Commercial Dry Grind Ethanol Process», Journal of the American Oil Chemists Society, T.87, cc.895-902, Robert Moreau, Kevin Hicks, David Johnston и Nathan Laun, 26.07.2010, состав этих побочных продуктов существенно отличается от коммерческого кукурузного масла и нерафинированного кукурузного масла, и в результате заметная эффективность GFA является неожиданной. Например, уровни свободных жирных кислот в постферментативном кукурузном масле являются более высокими по сравнению с уровнями масла RBD или нерафинированного масла. Уровни свободных стеринов и стеариловых эфиров гидроксициннамата в GFA также являются более высокими по сравнению с уровнями в коммерческом масле. Уровни стеариловых эфиров гидроксициннамата в GFA колеблются от 0,3 до 0,5 весовых %, в то время как гидроксициннамат в коммерческом кукурузном масле не обнаружен. Кроме того, уровни каротиноидов намного выше в GFA при концентрации выше 250 мкг на грамм GFA. В одном варианте осуществления уровень каротиноидов составляет 250 мкг на грамм GFA или более.

Кроме того, из-за воздействия на все предыдущие процессы производства топливного этанола, включая высокотемпературное сжижение, осахаривание и ферментацию, побочные продукты имеют пониженные уровни токоферолов. Токоферолы в коммерческом растительном масле, которое является нерафинированным, как сообщается, содержатся в количестве около 319 мг на 100 г масла. Токоферолы в настоящем изобретении содержатся в среднем около 100 мг на 100 г масла.

Последние федеральные постановления позволяют использовать в торговле 15 миллиардов галлонов кукурузного этанола к 2022 году. ЕРА, позволяющий осуществлять экстракцию глицеридов и потоков жирных кислот из процессов производства топливного этанола, является полезным с точки зрения усовершенствования процесса этанола и снижения выбросов парниковых газов из целостного цикла производства этанола. Одним из преимуществ является использование глицеридов и смесей жирных кислот в качестве исходного материала для получения биодизельного топлива. По оценкам, от 0,5 фунта до 1,4 фунта глицеридов и смесей жирных кислот могут быть получены из бушеля кукурузы, используемой для производства этанола.

По меньшей мере в одном варианте осуществления изобретение относится к способам повышения гидрофобности соединений в определенных процессах обогащения. Например, обогатительные композиции, включающие глицериды и смеси жирных кислот, могут быть полезны при обогащении следующих материалов, включая, но не ограничиваясь ими, уголь, полимеры, песок и гравий, фосфаты, алмазы и другие минеральные руды или искусственные материалы. В альтернативных вариантах обогатительные композиции могут использоваться в процессах повышения гидрофобности частиц материалов, в частности в таких применениях, как флотация в результате обогащения угля, фосфатов, алмазных руд и им подобных. Обогатительные композиции также могут использоваться в сочетании с другими подходящими флотационными веществами, способными собирать частицы, и промоторами.

Флотационные процессы являются одними из наиболее широко используемых методов отделения ценных материалов от бесполезных материалов, присутствующих, например, в частицах или угольной мелочи. Например, в этом процессе мелкие частицы диспергированы в воде или другом подходящем растворе, и мелкие пузырьки воздуха вводят в суспензию так, что гидрофобные частицы могут селективно собираться на поверхности воздушных пузырьков и извлекаться из суспензии (например, всплывая на поверхность), а гидрофильные частицы остаются ниже. Гидрофильные частицы также могут опускаться на дно суспензии и собираться в виде шлама.

Глицериды и смеси жирных кислот могут использоваться для разделения материалов, например, любым подходящим способом флотации. Следует иметь в виду, что целевые конечные продукты могут подниматься на поверхность во время флотации и/или опускаться на дно, например, в обратных процессах флотации. Например, в процессе флотации кремнезема целевой продукт может опускаться на дно суспензии, и побочный продукт может подниматься в верхнюю часть суспензии.

По крайней мере в одном варианте осуществления способ включает отделение первого материала от второго материала. Например, способ может включать смешение первого материала и второго материала в суспензии с обогатительной композицией. Первым материалом может быть вода, а второй материал обезвоживается. Композиция обезвоживания может включать один или несколько глицеридов и смесей жирных кислот.

По меньшей мере в одном варианте осуществления глицериды и смеси жирных кислот применяются в виде эмульсии. Эмульсии глицеридов и смесей жирных кислот могут помочь диспергировать смеси, полученные аналогично в менее активной концентрации. Эмульсия может содержать стабилизирующий эмульсию реагент.

Разделяемые материалы могут иметь любой подходящий размер. Например, и никоим образом не ограничивая концепцию изобретения, размер материалов может варьироваться от 2 мм до 0,1 мм. Суспензия может также содержать до 50% твердых веществ. Любые подходящие механические или химические силы могут использоваться для введения частиц суспензии в контакт с обогатительными композициями настоящего изобретения. Плавающий продукт и неплавающие отходы могут собираться любым подходящим способом, известным в настоящее время в уровне техники.

Примеры

Вышеизложенное лучше разъясняется со ссылкой на следующие примеры, которые представлены с целью иллюстрации и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.

Пример 1. Образец угольной суспензии, взятый из местоположения заказчика, подвергали флотации в лаборатории с использованием флотационного устройства Denver. Тесты разрабатывали для определения полезности глицеридов и смесей жирных кислот в качестве автономных веществ, способных собирать частицы. Суспензию угля подавали в флотационную камеру, затем разделяя на два потока концентрата и остатка. Проводили три теста образцов. Пять концентрированных образцов и один образец остатка собирали для каждого теста. % Золы и % выхода приведен в таблице 1 для отдельных образцов, а также для совокупных образцов. Процент золы совокупного образца и процент выхода объединяли в процент золы индивидуального образца и процент выхода. Зола представляет неиспользуемую часть угольной суспензии; концентрат или процентный выход составляет полезную часть суспензии. Глицериды и смеси жирных кислот тестировали в отношении дизельного топлива, стандартного вещества, способного собирать частицы. В некоторых случаях характерно добавлять пенообразователи в процесс для облегчения образования пузырьков, повышая образование агрегатов частиц с пузырьками. В примере 1 в качестве пенообразователя использовали смесь спиртов, содержащих метилизобутилкарбинол. Дозировки вещества, способного собирать частицы, и пенообразователя приведены в таблице 1.

% Золы и % выхода сравнивали с использованием дизельного топлива вместо глицеридов и смеси жирных кислот. % Выход концентрата был сопоставим для дизельного топлива и глицеридов и смесей жирных кислот для всех трех наборов данных. Аналогично, % золы близко соответствует при использовании двух веществ, способных собирать частицы. Результаты показывают, что глицериды и смеси жирных кислот также эффективны, как дизельное топливо в тех же условиях. Среднее содержание золы (%) составило 43%.

Примеры 2 и 3. Флотационные тесты проводили в флотационном устройстве Denver объемом 1,5 л для демонстрации того, что GFA (глицериды и смеси жирных кислот) могут применяться для флотации угля. Образцы угля, трудные для флотации и легкие для флотации, использовали для испытаний. GFA использовали в качестве вещества, способного собирать частицы, в виде масла или в эмульсиях. Эмульсии GFA получали механическим перемешиванием, добавляя эмульгаторы (соевый лецитин и Tween 81) и пенообразователь. Следующие составы являются типичными эмульсиями GFA:

Эмульсия А: 36% GFA, 10% пенообразователя, 2% соевого лецитина, 2% Tween 81 и 50% воды;

Эмульсия В: 26% GFA, 10% #2 дизельного топлива, 10% пенообразователя, 2% соевого лецитина, 2% Tween 81 и 50% воды;

Эмульсия С: 4 6% GFA, 10% пенообразователя, 2% соевого лецитина, 2% Tween 81 и 40% воды;

Эмульсия D: 33% GFA, 13% #2 дизельного топлива, 10% пенообразователя, 2% соевого лецитина, 2% Tween 81 и 40% воды.

В примерах 2 и 3 приведены данные по извлечению. Извлечение определяется как процент ценного минерала в порции, основываясь на концентрате.

Пример 2. В таблице 2 приведены результаты, полученные с образцом суспензии угля, легким для флотации. GFA и их эмульсии использовали в качестве веществ, способных собирать частицы, в различных дозах. Без веществ, способных собирать частицы, флотационное извлечение составляет 86%. Это показывает, что этот уголь легок для флотации. При добавлении # 2 дизельного топлива максимальное флотационное извлечение составляло 88%. При добавлении GFA и эмульсий А, В, С, D, максимальное флотационное извлечение достигало 90-91%. Эти результаты показывают, что GFA и их эмульсии являются более эффективными по сравнению с #2 дизельным топливом в качестве веществ, способных собирать частицы, для угля, легкого для флотации.

Пример 3. В таблице 3 приведены результаты, полученные с образцом суспензии угля, трудным для флотации. GFA и эмульсии использовали в качестве коллекторов в различных дозах. Без коллектора флотационное извлечение составляет 13%. Это показывает, что этот уголь является трудным для флотации. При добавлении #2 дизельного топлива максимальное флотационное извлечение составляло 70%. При добавлении GFA и эмульсий А, В, С, D, максимальное флотационное извлечение достигало 80%. Эти результаты показывают, что GFA и их эмульсии являются более эффективными по сравнению с #2 дизельным топливом в качестве коллектора для угля, трудного для флотации.

Хотя настоящее изобретение может быть воплощено в многочисленных различных формах, подробно описаны конкретные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение является иллюстрацией принципов изобретения и не предназначено для ограничения изобретения конкретными проиллюстрированными вариантами осуществления. Все патенты, патентные заявки, научные публикации и любые другие упомянутые здесь материалы включены в качестве ссылки во всей их полноте.

Кроме того, изобретение охватывает любые возможные комбинации некоторых или всех различных описанных здесь вариантов осуществления, и они включены в настоящее описание.

Приведенное выше описание предназначено для иллюстрации и не является исчерпывающим. Это описание предполагает многочисленные модификации и альтернативы, ясные специалисту в данной области техники. Все эти альтернативы и модификации включены в объем формулы изобретения, где термин "содержащий" означает "включающий, но не ограничиваясь ими". Специалисту в данной области техники понятны другие эквиваленты описанных здесь конкретных вариантов осуществления, которые также предназначены для включения в объем изобретения.

Все описанные здесь диапазоны и параметры следует понимать как включающие любые и все поддиапазоны, входящие в указанный диапазон, и каждое число между конечными точками. Например, указанный диапазон «от 1 до 10» следует рассматривать как включающий любые и все поддиапазоны между (и включительно) минимальным значением 1 и максимальным значением 10, то есть все поддиапазоны, начинающиеся с минимального значения 1 или более (например, от 1 до 6,1) и заканчивающиеся максимальным значением 10 или менее (например, от 2,3 до 9,4, от 3 до 8, от 4 до 7), и, наконец, каждое число 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, содержащееся в диапазоне.

Это полное описание предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления изобретения. Специалистам в данной области техники понятны другие эквиваленты приведенных здесь конкретных вариантов осуществления, где эквиваленты охватываются приведенной формулой изобретения.