專利名稱：：生物質(zhì)處理設備的制作方法
技術領域：
：提供了用于生物質(zhì)處理的設備，所述設備是一種通過移動生物質(zhì)同時保持其非壓實狀態(tài)的設備。還提供了用于生物質(zhì)處理的方法，其中將反應物加入在所述設備中的生物質(zhì)中。
背景技術：
：纖維質(zhì)的和木質(zhì)纖維質(zhì)的原料以及垃圾，例如農(nóng)業(yè)殘余物、木材、林業(yè)垃圾、來自造紙業(yè)的淤渣、和市政及工業(yè)固體垃圾，提供了潛力巨大的可再生原料以用于生產(chǎn)有價值的產(chǎn)品如燃料和其他化學品。由碳水化合物聚合物(包括纖維素、半纖維素、葡聚糖和木質(zhì)素)組成的纖維質(zhì)的和木質(zhì)纖維質(zhì)的原料以及垃圾一般用多種化學、機械和酶方法進行處理以釋放主要的己糖和戊糖，它們?nèi)缓竽苓M行發(fā)酵產(chǎn)生有用產(chǎn)物。首先，將生物質(zhì)原料進行處理以制備糖化酶更易利用的纖維質(zhì)和木質(zhì)纖維質(zhì)材料的碳水化合物聚合物，該過程通常稱為預處理。然后將預處理的生物質(zhì)在存在糖化酶的條件下進一步水解以在水解產(chǎn)物中釋放低聚糖和/或單糖。用于從預處理的生物質(zhì)中生產(chǎn)可發(fā)酵糖的糖化酶通常包括一種或多種糖苷酶，例如纖維素水解糖苷酶、半纖維素水解糖苷酶、和淀粉水解糖苷酶，以及肽酶、脂肪酶、木素酶和/或阿魏酸酯酶。用于生物質(zhì)處理的糖化酶和方法參見Lynd,L.R.等人(Microbiol.Mol.Biol.Rev.(2002)66506-577)。希望有一種用于經(jīng)濟有效地大規(guī)模處理生物質(zhì)的系統(tǒng)和/或方法。需要處理生物質(zhì)使之成為濃縮的高干重材料以經(jīng)濟地生產(chǎn)所需的高濃度可發(fā)酵糖，所述可發(fā)酵糖用于發(fā)酵成產(chǎn)品。因此將包括生物質(zhì)高干重部分移動通過反應器，同時保持處理反應物的透過能力并優(yōu)化用于糖化的生物質(zhì)的制備，此外還使用最少的化學品和能量輸入，這種移動材料的能力是生物質(zhì)處理過程的一個挑戰(zhàn)。還希望有一種包括低資本成本設備的系統(tǒng)或方法。包括不需要攪拌或反應器旋轉(zhuǎn)的反應器的系統(tǒng)或方法可提供更低的資本成本設備和更的能量輸入。不需要攪拌或反應器旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)和用于移動生物質(zhì)通過反應器的具體裝置已經(jīng)有所描述。US4186658公開用于傳送顆粒物質(zhì)的設備，所述顆粒物質(zhì)如木屑、麥秸、蔗渣、以及其他纖維材料，該設備將所述物質(zhì)壓實成一種固體“塊”狀。所述物質(zhì)用螺桿傳送器預壓，并用往復活塞進一步壓實。壓實的塊狀物非常致密使得它能夠有效地防止系統(tǒng)中的逆吹。然后可將所述塊狀物給料到裝置中用于材料加工。密實的生物質(zhì)材料塊對預處理反應物的透過未實現(xiàn)最優(yōu)化。同樣，US4136207公開了用于制備具有提高反芻動物消化性的纖維素材料的方法，該方法從機械壓實所述材料開始。然后它在不存在化學試劑的情況下經(jīng)過高壓蒸汽處理，并進一步壓實以形成生物質(zhì)固體塊，它阻止蒸汽從入口逸出。然后排出小部分材料，迅速降低壓力。將生物質(zhì)壓實成塊狀對預處理中使用的反應物的透過未實現(xiàn)最優(yōu)化。US6176176公開了用于處理纖維素材料的設備，該設備使用了安裝在擠出機圓筒中的可旋轉(zhuǎn)螺桿。將加壓的液氨裝入圓筒中，并與木質(zhì)纖維質(zhì)材料在圓筒中混合，然后使混合物通過加熱的模頭排出圓筒。由于液氨變成氣體，使得這種含氨的木質(zhì)纖維質(zhì)材料發(fā)生爆炸性膨脹。在大規(guī)模商業(yè)方法中使用擠出機將是非常昂貴的，因此所提供的不是經(jīng)濟型方法。需要用于處理生物質(zhì)的經(jīng)濟型反應器，將高干重生物質(zhì)移動通過低成本的反應器，同時保持最大的被反應物的透過性以使生物質(zhì)用于糖化的制備。發(fā)明概述本發(fā)明提供用于在糖化前處理生物質(zhì)的設備以及使用所述設備處理生物質(zhì)的方法。此外，本發(fā)明提供通過本發(fā)明的方法在本發(fā)明的設備中制備的處理過的生物質(zhì)，以及隨后通過糖化該預處理的生物質(zhì)來制備的包含可發(fā)酵糖的水解產(chǎn)物，所述設備包括a)圓柱形圓筒，該圓筒具有配備有活塞的第一末端和配備有排放閥的第二末端；b)任選的支管，所述支管的末端連接到靠近圓柱形圓筒第一末端，并且所述支管在未連接的支管末端具有可密封的閥門；c)在圓柱形圓筒或支管中的至少2個可密封的端口；d)任選的閥門，所述閥門在圓柱形圓筒中將圓筒分成單獨的第一室和第二室，所述第一室具有配備有活塞的圓筒第一末端，所述第二室具有配備有排放閥的圓筒第二末端；以及e)連接至圓筒第二末端的排放閥上的閃蒸槽，其中所述設備提供可密封的不可滲透圓筒和處理的生物質(zhì)的非壓實流。在另一方面，在所述設備中用于處理生物質(zhì)的方法包括a)使用非壓實性喂料機通過開口的第一末端或支管將生物質(zhì)裝入到圓柱形圓筒中；b)安裝所述活塞；c)任選地經(jīng)由圓柱形圓筒的至少一個端口來施加真空；d)經(jīng)由在圓柱形圓筒或支管的至少一個端口來加入至少一種除蒸汽之外的反應物；e)經(jīng)由圓柱形圓筒的至少一個端口來加入蒸汽以使圓筒內(nèi)達到合適的溫度；f)密封c)、d)、和e)的端口以及所有閥門以提供不可滲透的室；g)允許所述生物質(zhì)和至少一種反應物反應約30秒至約4小時的一段時間；以及h)打開排放閥并通過移動活塞到閃蒸槽中從不可滲透的室中移動來自步驟(g)的反應的生物質(zhì)產(chǎn)物；其中步驟a)和b)可以任一順序進行，其中d)和e)可以任何順序進行或同時進行，并且由此制備非壓實的處理的生物質(zhì)。本發(fā)明的附加方面涉及依照本發(fā)明的處理方法已經(jīng)在本發(fā)明的設備中制備的處理的生物質(zhì)，以及通過糖化生物質(zhì)制備的包含可發(fā)酵糖的水解產(chǎn)物，所述生物質(zhì)已經(jīng)在本發(fā)明的設備中通過本發(fā)明的方法進行了處理。生物質(zhì)指任何纖維質(zhì)和/或木質(zhì)纖維質(zhì)材料，可包括生物能作物、農(nóng)業(yè)殘余物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、庭園垃圾、木材、林業(yè)垃圾或它們的組合。為了減小尺寸，增加暴露的表面積，和/或提高存在于生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和/或低聚糖的可及性，可在步驟(a)之前施加能量到生物質(zhì)上。附圖概述圖1為本發(fā)明的設備的一個實施方案的示意圖。圖2為本發(fā)明的設備的第二實施方案的示意圖。圖3為用作排放閥的漸進擴展文丘里管的一個實施方案的示意圖，所述閥門關閉。圖4為圖3的漸進擴展文丘里管的實施方案的示意圖，所述閥門開啟。圖5為V型端口閥門漸進擴展文丘里管的一個實施方案的示意圖。圖6為旋啟式止回閥漸進擴展文丘里管的一個實施方案的示意圖，所述閥門在A中關閉，在B中開啟。發(fā)明詳述申請人:特別將所有引用的參考文獻的完整內(nèi)容并入到本公開內(nèi)容中。此外，當數(shù)量、濃度或其他數(shù)值或參數(shù)以范圍、優(yōu)選范圍或優(yōu)選上限數(shù)值和優(yōu)選下限數(shù)值的列表形式給出時，其應理解為具體地公開由任何范圍上限或優(yōu)選數(shù)值和任何范圍下限或優(yōu)選數(shù)值的任何一對所構(gòu)成的所有范圍，而不管所述范圍是否被單獨地公開。凡在本文中給出某一數(shù)值范圍之處，該范圍均旨在包含其端點，以及位于該范圍內(nèi)的所有整數(shù)和分數(shù)，除非另行指出。當定義一個范圍時，不旨在將本發(fā)明的范圍限定于所列舉的具體數(shù)值。本發(fā)明提供用于處理生物質(zhì)以使其經(jīng)過糖化來生產(chǎn)可發(fā)酵糖的設備。所述糖可經(jīng)過發(fā)酵來生產(chǎn)有價值的產(chǎn)品，例如燃料和其他化學品。通過預處理、糖化和發(fā)酵步驟，可使用可再生的生物質(zhì)包括垃圾生物質(zhì)來生產(chǎn)有價值的化學品，該化學品可減少對油的需求。定義在本公開中使用許多術語。給出了如下定義?！吧镔|(zhì)”指任何纖維質(zhì)或木質(zhì)纖維質(zhì)材料，并包括包含纖維素的材料，以及任選地還包含半纖維素、木質(zhì)素、淀粉、低聚糖和/或單糖的材料。生物質(zhì)也可包括附加組分如蛋白質(zhì)和/或脂質(zhì)。如本發(fā)明所述，生物質(zhì)可來源于單一來源，或者生物質(zhì)可包括來源于一種以上來源的混合物；例如，生物質(zhì)可包括玉米芯和玉米秸稈或纖維的混合物，或草和葉片的混合物。生物質(zhì)包括但不限于生物能作物、農(nóng)業(yè)殘余物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、來自造紙業(yè)的淤渣、庭園垃圾、木材和林業(yè)垃圾。生物質(zhì)的實例包括但不限于玉米粒、玉米芯、作物殘余如玉米殼、玉米秸稈、玉米纖維、草、小麥、小麥秸稈、干草、稻稈、柳枝稷、廢紙、蔗渣、高粱桿、大豆外殼或桿、獲取自谷物、樹、枝、根、葉、木屑、鋸末、灌木及矮樹叢、蔬菜、水果、花和反芻動物動物糞肥的研磨物的組分。在一個實施方案中，用于本發(fā)明的生物質(zhì)包括具有相對高的碳水化合物值的生物質(zhì)，它們相對密集，和/或相對易于收集、運輸、貯存和/或處理。在本發(fā)明的一個實施方案中，可用的生物質(zhì)包括玉米芯、玉米秸稈、玉米纖維和蔗渣。術語“可發(fā)酵糖”或“糖”指能易于被發(fā)酵成目標化學品的低聚糖和單糖。術語“木質(zhì)纖維質(zhì)”指包含木質(zhì)素和纖維素的材料。木質(zhì)纖維質(zhì)材料也可包含半纖維素。術語“纖維質(zhì)”指包含纖維素的材料。術語“糖化”指從多糖中生產(chǎn)可發(fā)酵糖。所謂生物質(zhì)的“干重”是指移除全部或基本上全部水分后的生物質(zhì)重量。干重通常依照美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標準E1756-01(StandardTestMethodforDeterminationofTotalSolidsinBiomass)或紙菜與造紙工業(yè)技術協(xié)會，Inc.(TAPPI)標準T—412om-02(MoistureinPulp,PaperandPaperboard)進亍IlJfi0“含氨水溶液”是指在含水介質(zhì)中使用了氨氣(NH3)、包含銨離子的化合物(NH4+)如氫氧化銨或硫酸銨、當降解時釋放氨的化合物如尿素、以及它們的組合。術語“處理”指反應物作用于材料的過程，其中改變了所述材料的物理和/或化學性質(zhì)。術語“反應物”指能夠在處理加工使用的條件下改變目標材料的物理和/或化學性質(zhì)的組合物。用于糖化的“酶聚生體”是能作用于生物質(zhì)混合物以生產(chǎn)可發(fā)酵糖的各酶的組合。通常，糖化酶聚生體可包含一種或多種糖苷酶；所述糖苷酶可選自纖維素水解糖苷酶、半纖維素水解糖苷酶和淀粉水解糖苷酶。糖化酶聚生體中的其他酶可包括肽酶、脂肪酶、木素酶和阿魏酸酯酶。關于生物質(zhì)的術語“處理”或“預處理”在以下方法中相關聯(lián)。用反應物處理生物質(zhì)以形成經(jīng)處理的生物質(zhì)產(chǎn)品，也可將其稱作進行處理以形成預處理的生物質(zhì)或進行預處理以形成預處理的生物質(zhì)。使用“預”來區(qū)分在糖化生物質(zhì)之前進行的生物質(zhì)的處理。生物質(zhì)處理設備本發(fā)明的設備設計用于使用反應物來處理高濃度生物質(zhì)以制備用于糖化的生物質(zhì)的方法。在本發(fā)明的設備中成功進行了高濃度生物質(zhì)的處理，這是因為避免在任何階段壓實生物質(zhì)，并因此使得在包括生物質(zhì)壓實的過程中處理反應物具有對生物質(zhì)改善的穿透性。在其中壓實生物質(zhì)的設備中，能夠消除生物質(zhì)的壓實狀態(tài)，改善其與處理反應物的反應，但這需要高能量輸入并因此提高了運行設備的成本。當使用本發(fā)明的設備時，不需要消除壓實的功能。反應室的固定方面為本發(fā)明的設備提供了附加經(jīng)濟性。反應室不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，或者在室中無槳式攪拌器或其他攪拌器。因此本發(fā)明的設備令人驚訝地以低成本方式使處理反應物有效地穿過高濃度生物質(zhì)，用于高效制備預處理的生物質(zhì)。在本發(fā)明的設備中，非壓實的生物質(zhì)被加入到固定設備中，并移動通過所述設備而不被壓實。通過保持生物質(zhì)的非壓實狀態(tài)，生物質(zhì)材料的天然小孔和通道未被壓碎。在反應室中將處理反應物加入到生物質(zhì)中，使之能夠穿過非壓實的天然生物質(zhì)小孔和通道，對生物質(zhì)的纖維質(zhì)和木質(zhì)纖維質(zhì)材料提供迅速完全的效應。該設備高效生產(chǎn)預處理的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)經(jīng)過有效糖化來生產(chǎn)可發(fā)酵糖，因此它導致每酶劑量和單位反應時間內(nèi)生物質(zhì)碳水化合物到解聚糖的高轉(zhuǎn)化率。參考圖1和圖2中的示意圖可最好地理解本發(fā)明的生物質(zhì)處理設備，所述示意圖顯示活塞/圓筒型設備的兩個實施方案，以及以下在處理系統(tǒng)和/或方法中使用該設備的描述。為圖示清楚起見，對這些附圖進行了簡化，其中省略了一些元件如圖3和圖4中的凸緣。圖1中的設備是測試規(guī)模的反應器。它包括水平的圓柱形圓筒室(10)，所述圓筒室具有開放式第一末端以用于加入生物質(zhì)(11)，加入生物質(zhì)后通過插入可移動塞(12)將其密封，將該可移動塞用作某種類型的活塞。圓柱形室具有第一可密封端口(13)和第二可密封端口(14)以用于加入處理反應物到圓柱形室中的生物質(zhì)中，以及第三可密封端口(15)以用于施加真空。隔熱夾套(16)覆蓋所述圓柱形室。在裝入生物質(zhì)和施加真空之后，通常通過端口加入處理反應物和蒸汽，然后密封所有端口并保持所需溫度。在一段時間后，通過移動閥門軸(19)來開啟在圓柱形圓筒第二末端(18)中的以前關閉的排放閥(17)。閥門軸延伸穿過在鄰近閃蒸槽(21)中的向下的內(nèi)部分離彎管(20)中的孔，并穿過一個在閃蒸槽遠側(cè)的填料壓蓋(22)直至致動器(23)。通過將在圓柱形圓筒第一末端的塞子朝第一末端移動，把生物質(zhì)和反應物混合物擠過排放閥(17)。生物質(zhì)混合物通過排放閥并通過彎管(20)進入閃蒸槽(21)。覆蓋在閃蒸槽底部開口的上蓋(24)允許預處理的生物質(zhì)通過。在閃蒸槽頂部的端口(25)允許蒸汽逸出，并通過管子(26)連接到冷凝器(27)上。本文實例中的圖1所示設備及其使用的實施方案在下文中進行進一步描述。該大型筒式活塞反應器由配備有水平取向活塞的5.lcmX68.6cm的不銹鋼圓筒組成。用四個0形環(huán)將活塞密封到筒上，并在排放期間在活塞背面用氮氣給活塞加壓(最多約5600kPa)。68.6cm的圓筒配備有八個多用途端口，沿著頂部表面和底部表面各4個，它們允許應用真空、注入反應物、和插入熱電偶來測量筒內(nèi)溫度。反應器圓筒配備有蒸汽夾套以用于圓筒的均勻加熱。將反應器圓筒直接連接到垂直取向的15.2cmX61cm的不銹鋼閃蒸槽上。通過錐形噴嘴和底座末端剪切閥排列從閃蒸槽上分離圓筒。末端閥剪切模具的直徑是3.5cm。錐形噴嘴和底座上的背壓是可調(diào)的，大多數(shù)測試使用138kPa(測量壓力)的背壓進行，使其進入10.2cm直徑的空氣圓筒中，該圓筒與末端剪切閥的錐形嘴相連。末端剪切閥門的錐形嘴能縮回最多1.6cm,以允許排放閃蒸槽中的顆粒。在末端剪切閥出口的彎管引導處理的固體向下進入閃蒸槽的底部，其中所述固體可通過打開槽底部的圓頂螺栓輕易移除。閃蒸槽的上部汽室凸緣加入了一個具有被加工成與閃蒸槽軸線呈直角的狹槽的特殊出口，這引起釋放的蒸汽沿著拐角路徑進入排出裝置，有助于防止產(chǎn)生的生物質(zhì)顆粒遺留和水滴進入到排氣冷凝器中。沿著閃蒸槽加上三個帶狀電加熱器(設為60°C)和隔熱物，使得熱處理的固體閃蒸到加熱容器中，其更好地模擬了商業(yè)規(guī)模的方法。在另一個實施方案中，如上所述構(gòu)建一個小型筒式活塞反應器，它除了具有45.7cm的圓筒之外，無蒸汽夾套、三個帶狀電加熱器、一個覆蓋有充滿硅氧烷的玻璃纖維夾套的2.5cm厚玻璃纖維墊作隔熱用、以及三個多用途端口。其他部件包括閃蒸槽、剪切閥門、和彎管以用于大型圓筒活塞反應器。圖2所示的本發(fā)明的設備是商業(yè)規(guī)模的反應器設計。它包括在第一末端(33)裝配有活塞(34)并在第二末端(41)裝配有排放閥(40)的水平圓柱形圓筒。該圓筒進行過隔熱處理并具有不可滲透的壁。將支管(31)連接到靠近第一末端處，并且將進料閥門(35)設置在支管的未連接的末端上。將料斗(30)連接至支管的閥門末端。通過料斗加入生物質(zhì)?？梢杂梅菈簩嵉牧鲃右龑аb置來控制從料斗(30)將生物質(zhì)加入到支管(31)中。支管具有第一可密封端口(36)和第二可密封端口(37)，它們用于當處理反應物移動到圓柱形圓筒中時將它加入到支管中的生物質(zhì)中。第二閥門(38)將圓筒分成第一圓柱形室(32)和第二圓柱形室(39)。生物質(zhì)和反應物通過支管進入第一室，其中達到了所需的溫度和壓力。移動通過不可滲透的圓筒的活塞來推動生物質(zhì)和反應物混合物從第一室通過開啟的第二閥門(38)進入第二室，并將第二室(39)的內(nèi)容物通過開啟的排放閥(40)轉(zhuǎn)移到閃蒸槽(42)中。第二室的內(nèi)容物是以前移動到該室中并保持在使用條件下處理反應必需時間的生物質(zhì)和反應物。然后關閉第二閥門(38)并拉回活塞(34)以便第一圓柱形室(32)能夠再裝載物質(zhì)并重復循環(huán)過程。在閃蒸槽(42)中，生物質(zhì)移動通過向下的彎管(43)。覆蓋在閃蒸槽底部開口的上蓋(44)允許預處理的生物質(zhì)通過。在閃蒸槽頂部的端口(45)允許蒸汽逸出，并通過管子(46)連接到冷凝器(47)上。圖1和2中顯示的實施方案功能相似，加入生物質(zhì)并使其在非壓實狀態(tài)下移動通過反應器。具有一個室的圖1的實施方案是一次加工一個生物質(zhì)樣本的批量系統(tǒng)。圖2的實施方案具有通過閥門分開的兩個室，允許半連續(xù)或補料分批運行，其中同時進行多次生物質(zhì)的裝載。在該第二實施方案中，當?shù)诙覞M載荷之后，其中每個連續(xù)生物質(zhì)裝載進入第二室的每個活塞位移循環(huán)伴隨著通過排放孔來排放對應的體積。第二室中一次時間內(nèi)活塞位移循環(huán)的次數(shù)，以及因此的第二室尺寸，與每個生物質(zhì)樣本所需的停留時間有關。停留時間在下文中將參照使用本發(fā)明的設備以本發(fā)明的方法處理的溫度和時間進行進一步討論。因此，室二相對于室一的尺寸可取決于使用的特定處理所需的特定條件發(fā)生變化，本領域的技術人員很容易決定該尺寸。本發(fā)明的設備和處理方法尤其適合處理相對于處理反應的生物質(zhì)、反應物和蒸汽混合物重量計生物質(zhì)干重高的生物質(zhì)。希望以高干重濃度來處理生物質(zhì)以提供生產(chǎn)糖化之后高糖濃度水解產(chǎn)物的生物質(zhì)。本發(fā)明的設備的特點是所提供的生物質(zhì)不受擠壓，因此允許有效處理高干重濃度的生物質(zhì)。本發(fā)明的設備和處理方法使用的生物質(zhì)的初始干重為處理反應的生物質(zhì)、反應物和蒸汽混合物總重的至少約15%。更典型地，生物質(zhì)的干重為至少約20%并可以是為至少約30%，45%，50%，或更高。生物質(zhì)的干重百分比可以發(fā)生變化，并且不同類型生物質(zhì)的最佳百分比可以不同。例如，當使用玉米芯時期望至少約24%的干重百分比，以提供糖化的預處理的生物質(zhì)來用于生產(chǎn)濃度足以發(fā)酵成乙醇的可發(fā)酵糖。更合適的是至少約30%的玉米芯生物質(zhì)。本領域的技術人員易于決定用于生產(chǎn)高糖水解產(chǎn)物的本發(fā)明的方法中的特定類型生物質(zhì)的優(yōu)選干重百分比?？芍苯邮褂毛@取自來源的生物質(zhì)，或向生物質(zhì)施加能量以減小尺寸、增加暴露的表面積、和/或提高存在于生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和/或低聚糖的可用性。用于該目的的能量裝置包括那些不壓碎或壓實生物質(zhì)的裝置以便不破壞生物質(zhì)的超微結(jié)構(gòu)。例如，可切碎、剁碎、或削碎生物質(zhì)。當以不壓碎超微結(jié)構(gòu)的方式剪切生物質(zhì)時，還可使用顎式破碎機。在以本發(fā)明的方法處理之前，還可使用齒狀盤式精煉器來減小生物質(zhì)的尺寸。在本發(fā)明的設備和處理方法中使用非壓實性喂料機將生物質(zhì)移動到圓柱形圓筒中。如果在圓筒中有兩個室，可裝載到第一室中。在最簡單的情況下，非壓實性喂料機是指用手來裝載生物質(zhì)。該方法描述于本文實施例中，使用如圖1所示的設備。在圖2的設備中示出的非壓實性喂料機是料斗。料斗可以是自卸式和/或可配備不提供壓實力的流動引導裝置。例如可使用多種類型的活底箱導流輪，隨后使用流量計量輸送器如多種類型的牽引鏈、鏈斗升降機、或螺旋旋轉(zhuǎn)輸送器(如Acrison裝置)。在第一圓柱形室中裝入的生物質(zhì)的量是有限的，以便留出允許生物質(zhì)膨脹的空間，所述膨脹可能在加入處理反應物時發(fā)生?？墒┘诱婵盏桨镔|(zhì)的圓柱形圓筒上。如果在圓筒中有兩個室，可將真空施加于包含生物質(zhì)的第一室。通常如果施加真空，壓力減少到小于約20kPa。通過在圓柱形圓筒中的一個或多個端口或者支管加入至少一種反應物(可加入一種以上的反應物)。如果在圓筒中有兩個室，則將反應物加入包含生物質(zhì)的第一室。本領域的技術人員已知，可在利用多種類型的反應物的處理方法中使用本發(fā)明的設備。例如，反應物可以是酸、堿、有機溶齊U、氧化劑、蒸汽、或這些物質(zhì)的各種組合。更合適地，在本發(fā)明的設備的處理方法中可單獨使用蒸汽，或與酸、酸和氧化劑、堿、堿和氧化劑、或有機溶劑組合使用。用低濃度氨和蒸汽作為反應物來處理高濃度生物質(zhì)的實例在共有的和共同未決的USNA11/402757中有所描述。在用低濃度氨和蒸汽處理高生物質(zhì)的方法中使用本發(fā)明的設備在共有的和共同未決的美國專利申請CL3950中描述如下。通過在第一圓柱形室中的一個或多個端口或者支管加入含氨水溶液，加入的量使得氨相對于室中生物質(zhì)的干重為小于約12重量％。可以使用分布好的一個以上的端口以便氨溶液大體上平均分配到生物質(zhì)中與其接觸。加入的氨的量相對于室中生物質(zhì)的干重還可介于約4%和約6%之間?？深A熱氨溶液，這將有助于提高生物質(zhì)的溫度。在一個可供選擇的實施方案中，氨水溶液在裝入第一圓柱形室之前與生物質(zhì)預混。生物質(zhì)和氨水可在容器中預混并裝入第一圓柱形室中。例如，可將氨水泵入通過一個內(nèi)嵌式加熱器，然后進入包含生物質(zhì)的槳式攪拌器中。然后將生物質(zhì)和氨水混合物裝入到第一圓柱形室中，其中在關閉室后注入蒸汽。注入蒸汽以達到介于85°C和約180°C之間的所需溫度。反應時間可以介于幾分鐘和約四小時之間，這取決于所用的溫度和特定的生物質(zhì)。所需時間隨溫度升高而減少。就低濃度氨處理而言，包含玉米芯的生物質(zhì)通常合適的條件包括在介于約120°C和約160°C之間的溫度下處理約60分鐘至約5分鐘。尤其合適的條件是在介于約140°C和約150°C之間的溫度下處理約30分鐘至約10分鐘。Teymouri等人(BioresourceTechnology,962014-2018(2005))描述了用高濃度氨進行的處理，其中生物質(zhì)用無水氨在合適溫度下處理較短時間。例如，這一處理可在本發(fā)明的設備中用以下方法進行。裝入未壓實成預混物的生物質(zhì)。將水加入到生物質(zhì)中以產(chǎn)生約60%的含水量。然后加入液氨，其量等于生物質(zhì)的干重。將該混合物轉(zhuǎn)移到本發(fā)明的單室設備的第一圓柱形室中，然后將其密封。注入蒸汽以使室溫升至90°C。將混合物在該溫度保持5分鐘，然后通過活塞位移使其在非壓實狀態(tài)下移動通過排放孔進入到閃蒸槽中。也可使用二室設備，它進行多次生物質(zhì)裝載并在第一和第二圓柱形室之間通過活塞位移進行非壓實的移動。Aden等人(NationalRenewableEnergyLaboratoryreportTP-510-32438(2002))描述了酸處理方法的實例。在該方法中將稀釋H2SO4加入到生物質(zhì)中并通過直接注入蒸汽來將混合物加熱到所需溫度。該方法可以用連續(xù)方法或批量方法進行。例如，酸處理可在本發(fā)明的設備中用以下方法進行。通過非壓碎裝置將生物質(zhì)裝入該單室反應器的第一圓柱形室中，然后通過至少一個端口加入稀釋硫酸(約或更低的w/w)以達到在總混合物中的約30%的干生物質(zhì)濃度。通過端口注入蒸汽以使室溫升至約190°C。將生物質(zhì)與酸的混合物在室中保持約5分鐘，然后通過活塞位移使其在非壓實狀態(tài)下移動通過排放閥進入到閃蒸槽中。也可使用二室設備，它進行多次生物質(zhì)裝載并在第一和第二圓柱形室之間通過活塞位移進行非壓實性的移動。僅用蒸汽進行生物質(zhì)處理的實例描述于LloydandWyman(Appl.Biochem.andBiotechnol.10553-57(2003)和BioresourceTechnol.961967-1977(2005))中，其中將50%干生物質(zhì)濃度的玉米秸稈裝入到蒸汽噴射反應器中，然后注入蒸汽以將混合物溫度升至150°C至210°C。將混合物在該溫度下保持2至107分鐘，然后爆發(fā)性地排放出來。例如，這種類型的處理可在本發(fā)明的設備中用以下方法進行。在非壓實狀態(tài)下將在水中約50%(w/w)干生物質(zhì)濃度的生物質(zhì)裝入到本發(fā)明的單室設備的第一圓柱形室中。通過端口將蒸汽注入到室中以使室溫升至210°C。將混合物在該溫度保持10分鐘，然后通過活塞位移使其在非壓實狀態(tài)下移動通過排放閥進入到閃蒸槽中。也可使用二室設備，它進行多次生物質(zhì)裝載并在第一和第二圓柱形室之間通過活塞位移進行非壓實的移動。US4409032描述了有機溶劑生物質(zhì)處理的一個實例，其中纖維素材料在壓力容器中用包含小量無機酸的水溶劑混合物進行處理。處理后，迅速冷卻混合物以防止糖降解成非糖物質(zhì)。例如，這種類型的處理可在本發(fā)明的設備中用以下方法進行。將生物質(zhì)裝入到本發(fā)明的單室設備的第一圓柱形室中，并通過至少一個端口加入包含0.25%H2S04&6040體積比率的丙酮與水。通過端口將蒸汽注入到室中以使室溫升至約200°C。將混合物在該溫度下保持10分鐘，然后通過活塞位移使其在非壓實狀態(tài)下移動通過排放孔將納入到閃蒸槽中。預處理的生物質(zhì)的冷卻發(fā)生在閃蒸槽中。也可使用二室設備，它進行多次生物質(zhì)裝載并在第一和第二圓柱形室之間通過活塞位移進行非壓實的移動。US4859283描述了堿性過氧化物處理木質(zhì)纖維質(zhì)底物的一個實例，其中處理的第一階段使用堿溶液，隨后加入鎂離子和過氧化物。整個處理的溫度介于25°C和100°C之間。例如，這種類型的處理可在本發(fā)明的設備中用以下方法進行。生物質(zhì)在非壓實狀態(tài)下裝入到預混機中，并加入NaOH溶液，使其濃度按生物質(zhì)干重計為10%NaOH。加入硫酸鎂使鎂離子濃度按初始生物質(zhì)干重計為0.2%，隨后加入H2O2使其濃度為按初始生物質(zhì)干重計5%H202。在非壓實狀態(tài)下將混合良好的生物質(zhì)混合物裝入到本發(fā)明的單室設備的第一圓柱形室中，然后將其密封。通過端口將蒸汽注入到室中以使室溫升至約95°C。將混合固體在95°C下保持1小時，然后通過活塞位移使其在非壓實狀態(tài)下移動通過排放孔進入到閃蒸槽中。也可使用二室設備，它進行多次生物質(zhì)裝載并在第一和第二圓柱形室之間通過活塞位移進行非壓實的移動。在所有這些處理方法中，可使用多個端口將反應物和/或蒸汽導入生物質(zhì)中?？赏ㄟ^一個或多個端口加入多個反應物。反應物可在導入前進行預熱以便它有助于提高生物質(zhì)的溫度。反應物和生物質(zhì)可在裝入到第一圓柱形室中之前進行預熱，例如在裝入第一圓柱形室的容器中預熱。就任何類型的處理而言，本發(fā)明的設備可以用與處理中使用的特定反應物和條件相容的材料來制造。在多數(shù)情況下，可使用碳鋼或不銹鋼來制造該設備。然而當使用酸作為反應物時，使用能經(jīng)受酸腐蝕的材料。例如，反應器室可使用高性能合金制造，如Hastelloy。材料相容性是本領域的技術人員所熟知的。在本發(fā)明的設備中，圓柱形圓筒可以如圖1和2所示是水平式的，或者可以是豎式的。如圖2所示的具有豎式圓筒的支管和料斗將進行改裝以允許裝載生物質(zhì)到圓筒室中，例如在小于90度的角度。本領域的技術人員將能夠容易地配置該具有豎式圓筒的設備。例如，可將豎式圓筒定位在閃蒸槽上面并進行連接，該連接不通過向下的彎管，因為流經(jīng)排放閥將已經(jīng)是向下定向了。確定閃蒸槽是豎式的還是水平式的也在本領域的技術人員的能力范圍內(nèi)。所需取向?qū)⒆钸m合設備中使用的特定處理。例如，豎式槽更適合氨處理，它有利于移除和捕集閃蒸槽中釋放的氨氣。因為在本發(fā)明的設備和方法中為非壓實的生物質(zhì)，它不會阻塞蒸汽通道，而在使用壓實生物質(zhì)的系統(tǒng)中會阻塞蒸汽通道。因此加入蒸汽的室在蒸汽注入前關閉。將除一個或多個加入蒸汽的端口之外的其他端口密封。將圓筒第一末端的活塞或作為活塞使用的塞子放置到位，關閉閥門。使用的閥門可以是任何開啟或關閉型閥門，如提升閥或旋轉(zhuǎn)刀閘閥。通過在第一圓柱形圓筒中的一個或多個閥門或者支管加入蒸汽，需要加入的蒸汽量能使生物質(zhì)與反應物的混合物的溫度升至所需溫度點。更合適的是使用一個以上的端口，并且端口間有一定間距以便蒸汽分配到生物質(zhì)中與其接觸。加入蒸汽以使生物質(zhì)與反應物的混合物的溫度提高到介于85°C和約300°C之間。更典型的溫度介于約85°C和約275°C之間，這取決于設備中使用的特定處理方法。一些使用溫度處理的實例如上文所述，附加處理是本領域的技術人員所熟知的。如果需要，附加蒸汽可通過第二圓柱形室(如果存在的話)中的端口加入以保持所需溫度。本發(fā)明的設備可包括加熱夾套、蒸汽夾套、帶狀加熱器、或隔熱夾套以利于提高和/或保持溫度。加熱夾套或蒸汽夾套尤其適合小型反應器，然而隔熱夾套適合大型反應器。加熱可在不同階段進行，包括在處理或預處理前預熱圓筒。在不同溫度和時間進行不同處理，這在上文描述中對特定反應物進行了例示。需要處理的生物質(zhì)類型也能影響本發(fā)明的設備和方法中處理的最佳時間和溫度，本領域的技術人員能夠容易地對其進行評估。在本發(fā)明的設備中可使用范圍廣泛的時間和溫度。在圖2設備中使用的分批給料循環(huán)功能需要足夠的時間來進行多次給料。因此期望選擇用于有時間限制的特定處理的時間和溫度組合，該組合的時間足夠使用設備的實施方案發(fā)揮功能，而適中的溫度可提供經(jīng)濟型方法。在本發(fā)明的設備中使用適中溫度的有益效果是可使用壓力更低的蒸汽，而低壓蒸汽的成本更低。反應器室中的生物質(zhì)保持在所需溫度的時間是停留時間。當使用只有第一室的設備時，停留時間發(fā)生在第一室中。當使用具有第一室和第二室的設備時，第一室中的時間足以在移動混合物至第二室前使生物質(zhì)和反應物結(jié)合，批量停留時間發(fā)生在第二室中。在該情況下，第一室中的時間可以是約30秒，第二室中的時間可以介于約2分鐘和4小時之間。在本發(fā)明的設備中使用蒸汽使生物質(zhì)達到所述溫度導致圓筒室中壓力介于約60kPA和約8600kPa之間。使用的更典型的壓力介于約300kPA和約4700kPA之間，或介于約300kPA和約2200kPA之間，這取決于所使用的處理反應物。在本發(fā)明的設備和方法中，在非壓實狀態(tài)下將生物質(zhì)移動通過第一室和第二室(如果存在的話)。這可使用活塞和不可滲透的圓柱形室來完成。對于本公開內(nèi)容而言，活塞可包括任何可用作活塞的制品，如推入室中的塞子，以及任何類型的標準活塞?？梢允褂萌魏问┘幼阋砸苿由镔|(zhì)的壓力的方法，將圖1中例示的設備的類型的塞子推入室中。尤其合適的方法是在插入塞子后提供室末端的靜態(tài)閉合，例如螺栓連接的圓柱體頭部，然后在閉合和塞子之間導入氮氣以積聚壓力并移動塞子。所述塞子可通過其他裝置移動，例如使用連接到液壓式、氣動式、或電動式致動器上的推桿。所述設備的圓筒是不可滲透的(關閉所有端口和閥門)，其中無未密封的壁滲透，因此液體不流出圓筒。液體保留使得活塞在不壓實生物質(zhì)的情況下移動它們。設備中使用的處理方法中的液體是有限的，所述液體用于潤滑室壁，使得非壓實的流動響應于活塞壓力而發(fā)生。事實上，活塞壓力可臨時輕微地擠壓生物質(zhì)，如同海綿一樣，不把生物質(zhì)擠壓到小孔和通道塌陷的程度。當移除活塞壓力的時候，生物質(zhì)可再吸收液體進入不受擠壓的小孔和通道中。為了幫助生物質(zhì)流動，可將潤滑液體如植物油皂導入室中。可通過在室內(nèi)壁上刻出膛線來提高流動性，其中加裝不連續(xù)部分如成角的凹槽可減少摩擦，因此降低屈服應力并改善生物質(zhì)流動性。非壓實的生物質(zhì)的移動保持了處理生成的充滿液體的孔，這會促進隨后的糖化。在本發(fā)明的設備中，在所需溫度下處理所需時間之后，將生物質(zhì)和反應物的混合物移動通過在圓柱形圓筒末端的排放閥進入到閃蒸槽中。在生物質(zhì)在所需溫度下與反應物反應期間關閉排放閥，然后開啟排放閥使生物質(zhì)通過。如圖2所示，在兩室反應器中，在活塞在第一室中產(chǎn)生壓力之后，為了用第一室內(nèi)容物來置換第二室的全部內(nèi)容物，排放閥開啟與在第一和第二室之間的閥門開啟同時進行?？墒褂玫呐欧砰y用V型端口回轉(zhuǎn)閥、旋啟式止回閥、和提升排放閥進行例示。如圖1所示，在小型反應器中尤其有用的是活塞驅(qū)動的提升閥型排放閥，其中閥門底座的硬面上游側(cè)是排放孔，而閥門底座的更軟下游側(cè)則緊抵著硬面的閥門壓桿密封。當閥門壓桿縮回以開啟閥門時，流動區(qū)域持續(xù)增加，越過了閥門底座。最合適的提升閥型排放閥將連接一個漸進擴展文丘里管。漸進擴展文丘里管提升閥的一個實施方案在圖3中示出，該文丘里管排放閥適用于如圖1所示的小型反應器。這個閥門結(jié)合了圓錐形噴嘴和底座末端剪切閥排列。為了避免堵塞，將如圖3(關閉位置)和圖4(打開位置)所示的漸進擴展文丘里管設計為加速固體通過在文丘里管的固定外圓錐(50)和文丘里管的可移動內(nèi)圓錐(51)之間的平穩(wěn)擴大的間隙，其中可移動內(nèi)圓錐安裝在閥門軸(52)的末端上。文丘里管外圓錐是夾在在反應器室(54；等同于圖1中的10)出口的凸緣(53)和閃蒸槽入口凸緣(55)之間的一般呈環(huán)形的文丘里管。文丘里管內(nèi)圓錐(51)是在反應器出口閥門軸(52)的末端的鼻形物。文丘里管內(nèi)圓錐和閥門軸位于排放彎管(56;等同于圖1中的20)內(nèi)部，排放彎管位于閃蒸槽(57；等同于圖1中的21)內(nèi)部。將閥門軸連接到致動器(58)上以控制移動。致動器可以是能夠前后平移動閥門軸的任何裝置，如電動式、氣動式或液壓式馬達、氣動式閥門致動器、或液壓式活塞。當閥門軸在其最遠的左側(cè)位置時，內(nèi)圓錐底座的外邊緣靠著外圓錐內(nèi)邊緣以在處理期間密封反應器的排放末端。當?shù)搅伺欧攀覂?nèi)的內(nèi)容物的時候，向右移動閥門軸以提供閃蒸文丘里管所需大小的開口。該設計提供一定長度的閃蒸區(qū)域，該區(qū)域在流動方向上平穩(wěn)地擴展。在該設計中，生物質(zhì)固體沿著漸進開口的環(huán)形錐形嘴的軸線加速，這避免了導致堵塞的突然徑向擴展。漸進擴展文丘里管的另一個實施方案在圖5中示出，該文丘里管適合作為排放閥使用，尤其是在如圖2所示的大型設備中使用。這是一個V型端口旋塞的實施方案，其中將閃蒸擴展文丘里管機器加工到閥體中。在閃蒸文丘里管固定主體(70)中有一個從反應室(72)出口端開始的狹窄部分(71)和擴展至閃蒸槽(74)入口的擴展部分(73)。在旋塞的旋轉(zhuǎn)中心(75)是一個成角的開口(76)，它當在開口位置時與反應器室狹窄部分(71)對齊，并擴展至閃蒸槽(73)。將旋轉(zhuǎn)中心(75)旋上一半以阻止靠近閥門的旋塞的對齊。漸進擴展文丘里管的另一個實施方案在圖6中示出，該文丘里管適合作為排放閥使用，尤其是在如圖2所示的大型反應器中使用。這是旋啟式止回閥的實施方案，它有一個錐形嘴(80)，適合在反應器室(72)和閃蒸槽(74)入口之間的狹窄接頭(81)(圖6A)。該錐形嘴位于連接到軸(83)的臂(82)上，所述軸穿過填料壓蓋直至回轉(zhuǎn)閥致動器。該軸的旋轉(zhuǎn)方向如虛線箭頭所示，它逆時針旋轉(zhuǎn)移動臂以開啟接頭，形成漸進擴展的文丘里管(圖6B)。在用于漸進擴展文丘里管的旋啟式止回閥的另一個實施方案中，錐形嘴的直徑可以是若干英尺，它逆時針移動一段距離以開啟僅有幾英寸的閥門(小于8cm)。生物質(zhì)和反應物移動通過排放閥進入閃蒸槽，該閃蒸槽能夠保持真空。當使用包括氨在內(nèi)的處理時，從處理的生物質(zhì)中釋放出氨并在閃蒸槽中冷卻生物質(zhì)，為糖化作準備?？墒褂萌魏蔚湫偷拈W蒸槽，它具有切向或螺旋形入口，為分離彎管提供最合適的功能。尤其合適的是以不同壓力依次施加幾次閃蒸以從處理過的生物質(zhì)中釋放氨。例如，第一次閃蒸的壓力接近大氣壓，通常移除大多數(shù)游離氨并將材料冷卻至約100°c。第二次閃蒸壓力小于約20kPa，移除剩余的游離氨并將材料冷卻至約50°C，該溫度是糖化所需的溫度。在閃蒸槽中從通過排放閥的生物質(zhì)和氨混合物中釋放的氨蒸汽可從閃蒸槽來回收并可循環(huán)利用。來自低壓閃蒸的蒸汽可以使用無中間冷卻的標準蒸汽再壓縮設備(如渦輪或蒸汽噴射泵)循環(huán)利用。因此，氨蒸汽可不經(jīng)冷凝而直接循環(huán)用于處理，或者可在再使用前進行冷凝。在后一種情況下，將收集的蒸汽喂入到如圖1所示的冷凝器中。減少處理的生物質(zhì)中的氨將會降低PH并減少酸用量，所述酸用于調(diào)節(jié)PH使其達到令糖化酶活性使人滿意的水平。這是令人期望的，因為大量加入酸可導致形成鹽，其濃度對糖化酶或?qū)ξ⑸锷L造成抑制。另一方面，生物質(zhì)中殘留的氨可用作氮源以維持發(fā)酵期間微生物的生長。因此，剩余的氨可減少或消除在發(fā)酵期間用氮源補充培養(yǎng)基的需要。通常移除至少一部分氨，這降低了PH但留下一些氮，這些氮用于為隨后的發(fā)酵提供此種營養(yǎng)物質(zhì)。當使用其他反應物時，閃蒸蒸汽將包括水和任何存在的揮發(fā)組分。預處理的生物質(zhì)在閃蒸槽中冷卻。當預處理的生物質(zhì)在閃蒸槽底部積聚時，可以用槳式攪拌器攪拌，所述槳式攪拌器可連接到閃蒸槽的底部。通常通過打開槽底部的覆蓋件從閃蒸槽中移除預處理的生物質(zhì)。用于連續(xù)提取預處理的生物質(zhì)的活底機械裝置尤其適用。為了在本發(fā)明的設備中處理多批生物質(zhì)，一批生物質(zhì)和反應物可以在圓筒室內(nèi)，而另一批在閃蒸槽內(nèi)。在兩室設備中，批料可以同時在兩室內(nèi)和閃蒸槽內(nèi)。此外，可以在移除前在閃蒸槽內(nèi)收集多批預處理的生物質(zhì)。在處理后，產(chǎn)品通常包括反應物的混合物、部分降解的生物質(zhì)和一些可發(fā)酵糖?？蓮拈W蒸槽中移除包括可溶性部分和不溶性部分的全部預處理的生物質(zhì)并在糖化反應中利用它們。作為另外一種選擇，在糖化前可以從預處理的生物質(zhì)混合物中排走一些液體以便糖化反應中的生物質(zhì)干重保持高水平。處理后可能存在過多的液體，尤其是當需要大量蒸汽來提高并維持生物質(zhì)處理的溫度時更是如此。在一些處理中，過多的液體可能包含可分離用于發(fā)酵的糖，或所述含糖液體可在發(fā)酵期間使用。在另一個可供選擇的實施方案中，生物質(zhì)固體可在本發(fā)明的設備和方法中通過處理再循環(huán)。'ML來自本發(fā)明的設備的預處理的生物質(zhì)在存在糖化酶(可稱為糖化酶聚生體)的情況下進一步進行水解，以釋放水解產(chǎn)物中的低聚糖和/或單糖。用于生物質(zhì)處理的糖化酶和方法參見Lynd，L.R.等人(Microbiol.Mol.Biol.Rev.(2002)66:506-577)。在糖化之前，可處理經(jīng)預處理的生物質(zhì)以改變pH、組合物或溫度使得糖化酶聚生體中的酶將有活性。可通過加入固體或液體形式的酸或堿來改變PH。作為另外一種選擇，可利用可從發(fā)酵中回收的二氧化碳(CO2)來降低pH。例如，如果存在足夠液體，可從發(fā)酵罐中收集CO2并將其通入閃蒸槽中的預處理產(chǎn)物頂部空間或起泡通過預處理的生物質(zhì)，同時監(jiān)控PH直至達到所需的pH?？墒箿囟冗_到下文提到的適合糖化酶活性的溫度?？杉尤胩腔^程中使用的酶活性所需的任何輔因子。糖化酶聚生體包括一種或多種酶，所述酶主要選自(但非排他的)“糖苷酶”類，所述酶水解二糖、單糖、和多糖的醚鍵，存在于廣義“水解酶”(EC3.)的分類酶EC3.2.1.x中(EnzymeNomenclature1992,AcademicPress,SanDiego,CAwithSupplement1(1993),Supplement2(1994)，Supplement3(1995，Supplement4(1997)andSupplement5[分別^hEur.J.Biochem.(1994)2231-5,Eur.J.Biochem.(1995)2321-6,Eur.J.Biochem.(1996)237:l-5,Eur.J.Biochem.(1997)250:1_6，andEur.J.Biochem.(1999)264610-650中])。本發(fā)明的方法中可用的糖苷酶能根據(jù)它們水解的生物質(zhì)組分進行分類。本發(fā)明的方法可用的糖苷酶包括纖維素水解糖苷酶(例如，纖維素酶、內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶)、半纖維素水解糖苷酶(例如，木聚糖酶、內(nèi)木聚糖酶、外木聚糖酶、β-木聚糖苷酶、阿拉伯糖基木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、果膠酶、葡糖醛酸酶)、和淀粉水解糖苷酶(例如，淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、異淀粉酶)。此外，它可用于將其他活性加入糖化酶聚生體中，如肽酶(EC3.4.x.y)、脂肪酶(EC3.1.1.x和3.1.4.χ)、木素酶(EC1.11.1.χ)、和阿魏酸酯酶(EC3.1.1.73)，以幫助從生物質(zhì)的其他組分中釋放多糖。本領域熟知生產(chǎn)多糖水解酶的微生物常常表現(xiàn)出某種活性，如纖維素降解，該活性由若干種酶或一組具有不同底物特異性的酶催化。因此，來自微生物的“纖維素酶”可包括一組酶，所有酶可有助于纖維素降解活性。取決于獲取酶時利用的純化方案，商業(yè)或非商業(yè)酶制劑如纖維素酶可包括多種酶。因此，本發(fā)明方法的糖化酶聚生體可包括酶活性，如“纖維素酶”，然而人們認識到該活性可被一種以上的酶催化。糖化酶可商業(yè)獲取，如獲取自SpezymeCP的纖維素酶(Genencorlnternational,Rochester,NY)禾口Milltifect的木聚糖醇(Genencor)。此夕卜，糖化酶可通過生物方法制備，包括使用重組微生物方法。本領域的技術人員將懂得如何測定在復合酶中使用的酶的有效量以及如何調(diào)節(jié)條件以獲得最佳酶活性。本領域的技術人員也將懂得如何優(yōu)化在復合酶中的此類酶的所需活性以在選擇條件下獲得給定預處理產(chǎn)物的最佳糖化效果。優(yōu)選地，糖化反應在糖化酶的最佳溫度和PH下或接近該最佳PH和溫度的條件下進行。在本發(fā)明的方法中糖化酶聚生體使用的最佳溫度在約15°C至約100°C的范圍內(nèi)。在另一個實施方案中，最佳溫度在約20°C至約80°C的范圍內(nèi)。最佳pH可在約2至約11的范圍內(nèi)。另一個實施方案中，在本發(fā)明的方法中糖化酶聚生體使用的最佳PH在約4至約10的范圍內(nèi)。糖化可進行約若干分鐘至約120小時，優(yōu)選約若干分鐘至約48小時。反應時間將取決于酶濃度和比活性、已經(jīng)使用的底物和環(huán)境條件如溫度和PH。本領域的技術人員能夠容易地決定特定底物和糖化酶聚生體使用的溫度、PH和時間的最佳條件。糖化可分批進行或以連續(xù)方法進行。糖化也可一步進行或多步進行。例如，糖化所需的不同酶可表現(xiàn)出不同的最佳PH或溫度。可用酶在某個溫度和pH下進行首次處理，隨后使用不同酶在不同溫度和/或PH下進行第二次或第三次(或更多次)處理。此外，用不同酶在連續(xù)步驟中進行的處理可以在相同PH和/或溫度下進行，或在不同pH和溫度下進行，例如使用在更高PH和溫度下穩(wěn)定的和活性更高的半纖維素酶處理，隨后用在更低pH和溫度下有活性的纖維素酶處理。糖化之后來自生物質(zhì)的糖的溶解度可通過測量釋放的單糖和低聚糖進行監(jiān)控。測量單糖和低聚糖的方法是本領域熟知的。例如，還原糖的濃度能使用1，3_二硝基水楊酸(DNS)檢測分析法(Miller,G.L.，Anal.Chem.(1959)31:426_428)進行測定。作為另外一種選擇，如本文在一般方法部分所述，可通過HPLC使用合適柱來測量糖。2M.合適的微生物能夠使用生物質(zhì)釋放的可發(fā)酵糖來生產(chǎn)目標化學品。在糖化之后，但是在發(fā)酵之前，可通過例如蒸發(fā)來濃縮糖化混合物以提高可發(fā)酵糖的濃度。任選地，在糖化產(chǎn)物中的液體可從分批或連續(xù)方法中的固體中分離。任選地，液體或全部糖化產(chǎn)物可在發(fā)酵前滅菌。取決于發(fā)酵期間使用的微生物和糖化期間使用的pH，可將PH調(diào)節(jié)到適于發(fā)酵的水平。此外，可用微生物生長所需的附加營養(yǎng)物質(zhì)來補充糖化混合物。補充劑可包括例如酵母提取物、特定氨基酸、磷酸鹽、氮源、鹽、和痕量元素。也可包括通過特定生物催化劑生產(chǎn)特定產(chǎn)品所需的組分，如用于保留質(zhì)粒的抗生素或酶催化反應所需的輔因子。也可包括附加的糖以提高總糖濃度?？墒褂锰腔旌衔镒鳛榘l(fā)酵肉湯的組分，例如，制備介于約100%和約10%之間的最終培養(yǎng)基。取決于發(fā)酵微生物使用的條件，也可調(diào)節(jié)溫度和/或頂部空間氣體。發(fā)酵可以是有氧的或厭氧的。發(fā)酵可以在糖化之后發(fā)生，或可以通過同步糖化和發(fā)酵(SSF)與糖化同時發(fā)生。SSF能夠使糖化生產(chǎn)的糖含量保持低水平，因此減少潛在的糖化酶產(chǎn)物抑制，減少污染微生物的糖可用性，并改善預處理的生物質(zhì)到單糖和/或低聚糖的轉(zhuǎn)化?？赏ㄟ^發(fā)酵制備的目標化學品包括例如酸、醇、烷烴、烯烴、芳族、醛、酮、生物高聚物、蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、維生素、抗生素和藥物。醇包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇、甘油、赤蘚醇、木糖醇和山梨醇。酸包括乙酸、乳酸、丙酸、3_羥基丙酸、丁酸、葡萄糖酸、衣康酸、檸檬酸、琥珀酸和乙酰丙酸。氨基酸包括谷氨酸、天冬氨酸、甲硫氨酸、賴氨酸、甘氨酸、精氨酸、蘇氨酸、苯基丙氨酸和酪氨酸。附加的目標化學品包括甲烷、乙烯、丙酮和工業(yè)酶?？赏ㄟ^一種或多種合適的生物催化劑在一步或多步發(fā)酵中把糖發(fā)酵成目標化學品。生物催化劑可以是選自細菌、絲狀真菌和酵母的微生物。生物催化劑可以是野生型微生物或重組微生物，并包括埃希氏菌屬、發(fā)酵單胞菌屬、糖酵母屬、假絲酵母屬、畢赤酵母屬、鏈霉菌屬、芽孢桿菌屬、乳酸桿菌屬、和梭菌屬。在另一個實施方案中，生物催化劑可以選自重組大腸桿菌、運動發(fā)酵單胞菌、嗜熱脂肪芽胞桿菌、啤酒糖酵母、嗜熱梭菌、高溫產(chǎn)氫菌、和樹干畢赤酵母。已經(jīng)描述了多種用于發(fā)酵生產(chǎn)目標化學品的生物催化劑，并發(fā)現(xiàn)通過突變生產(chǎn)、或通過重組方法工程化其他生物催化劑。任何使用利用本發(fā)明的設備和方法糖化預處理的生物質(zhì)生產(chǎn)的可發(fā)酵糖的生物催化劑可被用于制備已知可通過發(fā)酵生產(chǎn)的目標化學品。生產(chǎn)包括乙醇和丁醇在內(nèi)的生物燃料的生物催化劑是尤其受關注的。例如，通過產(chǎn)溶劑梭菌將碳水化合物發(fā)酵成丙酮、丁醇、和乙醇(ABE發(fā)酵)是為人熟知的(Jones和Woods(1986)Microbiol.Rev.50484-524)。US5192673描述了用于使用丙酮丁醇梭菌突變株生產(chǎn)高含量丁醇、丙酮和乙醇的發(fā)酵方法。US6358717描述了用于使用拜氏梭菌突變株生產(chǎn)高含量丁醇、丙酮和乙醇的方法。共有的和共同未決的專利申請W02007/041269和WO2007/050671分別公開了在遺傳工程的微生物宿主中生產(chǎn)1-丁醇和異丁醇。共有的和共同未決的美國專利申請#11/741892和#11/741916公開了在遺傳工程的微生物宿主中生產(chǎn)2-丁醇。通過微生物宿主按照公開的方法可以從使用本發(fā)明的設備和方法生產(chǎn)的水解產(chǎn)物中發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇、1-丁醇或2-丁醇。已經(jīng)使用遺傳修飾的大腸桿菌菌株作為乙醇生產(chǎn)的生物催化劑(Underwood等人，(2002)Appl.Environ.Microbiol.68:6263_6272)。在US2003/0162271Al中描述了已經(jīng)改善了乙醇生產(chǎn)的遺傳修飾運動發(fā)酵單胞菌菌株。在共有的和共同未決的美國專利申請60/847813和60/847856中分別描述了用于乙醇生產(chǎn)的進一步工程化的運動發(fā)酵單胞菌乙醇生產(chǎn)菌株及其作用。通過運動發(fā)酵單胞菌按照公開的方法可以從使用本發(fā)明的設備和方法生產(chǎn)的水解產(chǎn)物中發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。通過大腸桿菌重組菌株(Zhou等人，(2003)Appl.Environ.Microbiol.69399-407)，芽孢桿菌屬天然菌株(US20050250192)，和米根霉(Tay和Yang(2002)Biotechnol.Bioeng.801-12)在發(fā)酵過程中生產(chǎn)乳酸。已經(jīng)使用大腸桿菌重組菌株作為生物催化劑在發(fā)酵中生產(chǎn)1，3丙二醇(US6013494，US6514733)和己二酸(Niu等人，(2002)Biotechnol.Prog.18201-211)使用重組梭菌(Cheryan等人，(1997)Adv.Appl.Microbiol.431-33)和新鑒定的酵母菌株(Freer(2002)WorldJ.Microbiol.Biotechnol.18:271-275)通過發(fā)酵來制備乙酸。在US6159738中公開了通過重組大腸桿菌和其他細菌來生產(chǎn)琥珀酸，在Lin等人，(2005)Metab.Eng.7116-127)中公開了通過突變型重組大腸桿菌來生產(chǎn)琥珀酸。已經(jīng)通過光滑球擬酵母突變株(Li等人，(2001)Appl.Microbiol.Technol.55680-685)和大腸桿菌突變株(Yokota等人，(1994)Biosci.Biotech.Biochem.582164-2167)制備了丙酮酸。已經(jīng)使用大腸桿菌重組菌株作為生物催化劑用于生產(chǎn)對羥基肉桂酸(US20030170834)和奎尼酸(US20060003429)。已經(jīng)在發(fā)酵過程中使用丙酸丙酸桿菌突變株生產(chǎn)丙酸(Suwarmakham和Yang(2005)Biotechnol.Bioeng.91:325_337)，并已經(jīng)使用酪丁酸梭菌制備丁酸(Wu和Yang(2003)Biotechnol.Bioeng.8293-102)。已經(jīng)通過發(fā)酵從梭菌屬菌株17crl(Janssen(2004)Arch.Microbiol.182482-486)的蘇氨酸中制備了丙酸鹽和丙醇。已經(jīng)使用酵母樣普魯蘭出芽短梗霉(Anantassiadis等人，(2005)Biotechnol.Bioeng.91494-501)，通過曲霉菌曲霉突變株(Singh等人，(2001)IndianJ.Exp.Biol.391136-43)制備葡萄糖酸。通過氧化葡萄糖酸桿菌突變株制備5-酮基-D-葡萄糖酸(Elfari等人，(2005)ApplMicrobiol.Biotech.66:668_674)，通過土曲霉突變株制備衣康酸(Reddy和Singh(2002)Bioresour.Technol.85:69_71)，通過曲霉菌曲霉突變株生產(chǎn)檸檬酸(Ikram-Ul-Haq等人，(2005)Bioresour.Technol.96:645_648)，并通過高里假絲酵母FTI20037生產(chǎn)木糖醇(Mussatto和Roberto(2003)J.Appl.Microbiol.95:331_337)。通過重組紅串紅球菌和富養(yǎng)羅爾斯通氏菌(Gorenflo等人，(2001)Biomacromolecules2:45-57)生產(chǎn)包含4-羥基戊酸乙酯和顯著量3-羥基丁酸3-羥基戊酸的生物聚酯。通過重組大腸桿菌(Ui等人，(2004)Lett.Appl.Microbiol.39:533_537)制備L_2，3_丁二醇?？赏ㄟ^使用棒狀桿菌、短桿菌、和沙雷氏菌的營養(yǎng)缺陷型菌株和氨基酸類似物抗性菌株發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸。例如，日本專利公布8596/81描述了使用組氨酸類似物抗性菌株生產(chǎn)組氨酸，EP136359描述了使用重組菌株生產(chǎn)組氨酸。日本專利公布4505/72和1937/76描述了使用色氨酸類似物抗性菌株生產(chǎn)色氨酸。日本專利公布38995/72、6237/76、32070/79描述了使用異亮氨酸類似物抗性菌株生產(chǎn)異亮氨酸。日本專利公布10035/81描述了使用苯基丙氨酸類似物抗性菌株生產(chǎn)苯基丙氨酸。已經(jīng)描述了使用需要苯基丙氨酸生長的酪氨酸抗性菌株(Agr.Chem.Soc.Japan50(1)R79-R87(1976)，或重組菌株(EP263515，EP332234)來生產(chǎn)酪氨酸，以及使用L-精氨酸類似物抗性菌株來生產(chǎn)精氨酸(Agr.Biol.Chem.(1972)361675-1684，日本專利公布37235/79和150381/82)。還通過在大腸桿菌菌株ATCC31882、31883、和31884中通過發(fā)酵來生產(chǎn)苯基丙氨酸。US6962805描述了在重組棒狀桿菌中生產(chǎn)谷氨酸。在Okamoto和Ikeda(2000)J.BiosciBioeng89:87_79中描述了通過大腸桿菌突變株生產(chǎn)蘇氨酸。通過百合棒狀桿菌突變株生產(chǎn)甲硫氨酸(Kumar等人，(2005)Bioresour.Technol.96:287_294)。通過生物催化劑也已經(jīng)制備出有用的肽、酶、和其他蛋白質(zhì)(例如參見US6861237、US6777207、US6228630)。在本文實施例5中舉例說明預處理和糖化生物質(zhì)成可發(fā)酵糖，隨后將所述糖發(fā)酵成目標化學品以用于從預處理的玉米芯中生產(chǎn)乙醇，使用運動發(fā)酵單胞菌作為將糖發(fā)酵成乙醇的生物催化劑。本發(fā)明的方法也能用于從生物質(zhì)中生產(chǎn)1，3_丙二醇。如共有的和共同未決的美國專利申請#11/403087的實施例10所述，使用本發(fā)明的設備和方法處理的生物質(zhì)可進行糖化；在糖化之后，使用大腸桿菌生產(chǎn)1，3-丙二醇。通過生物催化劑在發(fā)酵過程中制備的目標化學品可使用多種本領域已知的方法進行回收?？赏ㄟ^離心、過濾、微量過濾、和納濾從其他發(fā)酵組分中分離產(chǎn)品?？赏ㄟ^離子交換、溶劑萃取、或電透析提取產(chǎn)品?？墒褂眯跄齽椭a(chǎn)品分離。一個具體實例是可使用ABE發(fā)酵領域已知的方法從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離生物生產(chǎn)的1-丁醇(參見例如Durre，Appl.Microbiol.Biotechnol.49:639_648(1998)，Groot等人，Process.Biochem.2761-75(1992)，以及本文參考)。例如，可通過離心、過濾、潷析等方法從發(fā)酵培養(yǎng)基中移除固體。然后，可使用諸如蒸餾、共沸蒸餾、液液萃取、吸附、汽提、膜蒸發(fā)、或全蒸發(fā)的方法從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離1-丁醇。通過使反應混合物經(jīng)過有機溶劑、蒸餾、和柱層析提取，可以從發(fā)酵培養(yǎng)基中純化1，3-丙二醇(美國專利5，356，812)。就該方法而言尤其好的一種有機溶劑是環(huán)己烷(美國專利5，008，473)。氨基酸可以通過如離子交換樹脂吸附和/或結(jié)晶的方法從發(fā)酵培養(yǎng)基中收集。實施例一般方法和材料使用以下縮寫“HPLC”是高效液相色譜，“C”是攝氏度，“kPa”是千帕斯卡，“m”是米，“mm”是毫米，“kW”是千瓦，“μm，，是微米，“μL”是微升，“mL”是毫升，“L”是升，“min”是分鐘，“rnM”是毫摩爾，“cm”是厘米，“g”是克，“kg”是千克，“wt”是重量，“hr”是小時，“temp”或“Τ”是溫度，"theoret"是理論，"pretreat"是預處理，“DWB”是生物質(zhì)干重，“ASME”是美國機械工程師學會(AmericanSocietyofMechanicalEngineers)，“s.s.”是不銹鋼，"in，，或“"”是英寸。硫酸、氫氧化銨、乙酸、乙酰胺、酵母提取物、葡萄糖、木糖、山梨醇、MgSO4·7H20、磷酸和檸檬酸從Sigma-Aldrich(St.Louis,MO)商購獲得。在所述實施例中將處理稱為預處理。小型筒式活塞反應器小型筒式活塞反應器(活塞/筒式反應器)由配備有水平取向活塞的5.lcmX45.7cm的不銹鋼圓筒組成。用四個0形環(huán)將活塞密封到筒上，并在排放期間在活塞背面用氮氣給活塞加壓。45.7cm的圓筒配備有三個多用途端口，允許應用真空、氨水注射、蒸汽注射、和插入熱電偶來測量筒內(nèi)溫度。當注入蒸汽時為了避免蒸汽冷凝過多，用三個帶狀加熱器加熱圓筒外部，并用一個覆蓋有充滿硅氧烷的玻璃纖維夾套的2.5cm厚的玻璃纖維墊隔熱。將反應器圓筒直接連接到垂直取向的15.2cmX61cm的不銹鋼閃蒸槽上。通過錐形噴嘴和底座末端剪切閥排列從閃蒸槽上分離圓筒。末端閥剪切模頭的直徑是3.5cm。將錐形噴嘴和底座上的背壓調(diào)節(jié)到約138kPa(測量壓力)的背壓進行，使其進入10.2cm直徑的空氣圓筒中，該圓筒與末端剪切閥的錐形嘴相連。末端剪切閥門的錐形嘴能縮回最多1.6cm，允許排放閃蒸槽中的顆粒。在末端剪切閥出口的彎管引導預處理固體向下進入閃蒸槽的底部，其中所述固體可通過打開槽底部的圓頂螺栓輕易移除。閃蒸槽的上部汽室凸緣加入一個具有被加工成與閃蒸槽軸線呈直角的狹槽的特殊出口，這引起釋放的蒸汽沿著拐角路徑進入排出裝置，有助于防止產(chǎn)生的生物質(zhì)顆粒遺留和水滴進入到排氣冷凝器中。大型筒式活塞反應器將活塞反應器(印有代碼ASME)的第二圓筒加工成直徑相同(5.Icm)但長度更長(68.6cm)以保持附加體積的生物質(zhì)。用四個0形環(huán)將活塞密封到筒上，并在排放期間在活塞背面用氮氣給活塞加壓。68.6cm的圓筒配備有八個多用途端口，沿著頂部表面和底部表面各4個，它們允許應用真空、氨水注射、蒸汽注射、和插入熱電偶來測量筒內(nèi)溫度。反應器圓筒配備有蒸汽夾套用于圓筒的均勻加熱。將反應器圓筒直接連接到垂直取向的15.2cmX61cm的不銹鋼閃蒸槽上。通過錐形噴嘴和底座末端剪切閥排列從閃蒸槽上分離圓筒。末端閥剪切模具的直徑是3.5cm。錐形噴嘴和底座上的背壓是可調(diào)的，大多數(shù)測試使用138kPa(測量壓力)的背壓進行，使其進入10.2cm直徑的空氣圓筒中，該圓筒與末端剪切閥的錐形嘴相連。末端剪切閥門的錐形嘴能縮回最多1.6cm，允許排放閃蒸槽中的顆粒。在末端剪切閥出口的彎管引導預處理固體向下進入閃蒸槽的底部，其中所述固體可通過打開槽底部的圓頂螺栓輕易移除。閃蒸槽的上部汽室凸緣加入一個具有被加工成與閃蒸槽軸線呈直角的狹槽的特殊出口，這引起釋放的蒸汽沿著拐角路徑進入排出裝置，有助于防止產(chǎn)生的生物質(zhì)顆粒遺留和水滴進入排氣冷凝器中。沿著閃蒸槽加上三個帶狀電加熱器(設為60°C)和隔熱物，使得熱預處理的固體閃蒸到加熱容器中以便更好地模擬商業(yè)規(guī)模的方法。蒸汽噴射反應器分批消化系統(tǒng)4升蒸汽噴射反應器(AutoclaveEngineers,Erie,PA)是一種蒸汽套反應器，由長度為102mm，壁厚schedule80的Haste1loy管組成，用兩個球形閥閉合。將附加電加熱器置于反應器所有暴露的、不帶夾套的表面上，并將溫度控制至預設溫度。也可直接注入蒸汽以使生物質(zhì)迅速達到預處理溫度。調(diào)節(jié)并控制汽壓以保持所需的預處理溫度。將反應器底部頸縮至51mm。所有預處理的材料通過反應器底部的可置換模頭放出，并收集在一個尼龍(Hotfi11)0.21m3袋中，該尼龍袋套在一個厚壁、帶夾套尼龍的低溫閃蒸槽中。預處理和酶水解反應器(PEHReactor)9LPEHReactor(產(chǎn)自NREL，Golden,CO；參見共同未決的美國專利申請11/402464)具有大約15cmX51cm的不銹鋼反應容器，而3.2LPEHReactor具有15cmX18cm的不銹鋼反應容器。每個容器具有穿過反應容器的縱向中心用于導入處理反應物的噴槍。使用旋轉(zhuǎn)接頭將噴槍連接到容器一端覆蓋件的端口上，該容器具有用于容器連接的附加端口。四個導流板與容器壁等長，垂直連接到壁上。當容器旋轉(zhuǎn)時，導流板和3.2cmX3.2cm的陶瓷研磨介質(zhì)滾筒(E.R.AdvancedCeramics,EastPalestine，OH)、在容器中的自由漂浮物一起對生物質(zhì)和反應物施加機械混合，促使反應物同化到生物質(zhì)中。在小型反應器中使用七個滾筒，在大型反應器中使用二十二個滾筒。將PEHReactor置于提供旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的BelIcoCelI-ProductionRollerApparatus(BelIcoTechnology,Vineland，NJ)上，該反應器具有滾軸設備，位于提供加熱的溫度控制艙中。可通過將外部來源連接到上蓋中的噴槍連接端口上來對反應容器施加真空和壓力。分批補料糖化反應器分批補料糖化反應器是一個15L發(fā)酵罐(B.BraunBiotechInternational,Allentown,PA)，通過BioStatED數(shù)據(jù)控制單位對其進行控制，并且關聯(lián)控制模塊，所述模塊包含循環(huán)泵、酸泵和堿泵、螺線管閥門、用于溫度控制的換熱器、蒸汽供應、處理水、供氣控制閥門和過濾、和背壓控制閥門以及排氣過濾器。該發(fā)酵罐配備有兩個11.4cm直徑的三葉片高效LigntninA-310葉輪。底部葉輪距反應器底部7.6cm(它不能更靠近底部，因為靠近軸底部存在一個大的密封件系統(tǒng)用于底部_傳動軸滲透)，上部葉輪距反應器底部22.9cm。該發(fā)酵罐容器具有19.Ocm的直徑和55.9cm的最大高度。安裝四個可移除的導流板，每個導流板具有1.6cm的寬度和48.3cm的長度，并且從容器底部至頂部約7.6cm。將由APV凸輪泵(M1/028/06型)、1-1/2英寸(3.81cm)的撓性軟管和特氟隆流動觀測指示器組成的泵循環(huán)回路接到發(fā)酵罐系統(tǒng)的頂部和底部端口上。泵循環(huán)回路用具有CF8M閥體、316s.s.球體、和PTFE底座的1-1/2英寸(3.81cm)Valmicro和SVF全端口球形閥從發(fā)酵容器上分離。此外，V形端口剪切閥(Triac控制)位于凸輪泵下游，在將泵從發(fā)酵罐頂部端口分離的球形閥之前。在再循環(huán)期間，該閥門逐漸接近最多60°以提供更大的再循環(huán)預處理固體剪切。分析方法纖維素定量使用本領域熟知的方法如ASTME1758-01"StandardmethodforthedeterminationofcarbohydratesbyHPLC”來測定在每個起始生物質(zhì)樣本中的纖維素的量。測量糖、乙酰胺、乳酸和乙酸含量通過HPLC(AgilentModel1100，AgilentTechnologies，PaloAlto，CA)使用Bio-RadHPX-87P和Bio-RadHPX-87H柱(Bio-RadLaboratories，Hercules，CA)以及合適的保護柱來測量糖化液體或發(fā)酵肉湯中的可溶性糖(葡萄糖、纖維二塘、木糖、半乳糖、阿拉伯糖、和甘露糖)、乙酸、和乙醇。如需要的話，測量樣本PH并用硫酸將其調(diào)節(jié)到5-6。然后，使樣本通過0.2μm的注射過濾器直接進入到HPLC小瓶中。HPLC運行條件如下HPX-87P(用于碳水化合物)注射體積10-50μL，取決于濃度和檢測器限制流動相HPLC級水，0.2μm,過濾并脫氣流速0.6mL/分鐘柱溫80-85°C，保護柱柱溫<60°C檢測器溫度盡可能地接近主柱柱溫檢測器折射指數(shù)運行時間35分鐘數(shù)據(jù)采集時間加上15分鐘的后運行時間(對后來的洗脫化合物進行可能的調(diào)節(jié))BioradAminexHPX-87H(用于碳水化合物、乙酸和乙醇)注射體積5_10μL，取決于濃度和檢測器限制流動相0.OlN硫酸，0.2μm，過濾并脫氣流速0.6mL/分鐘柱溫55°C檢測器溫度盡可能地接近柱溫檢測器折射指數(shù)運行時間25_75分鐘的數(shù)據(jù)采集時間運行結(jié)束后，根據(jù)標準曲線來測定每個化合物在樣本中的濃度。實施例1在小型筒式活塞反應器中來預處理玉米芯用顎間距為大約0.95cm的顎式粉碎機(2.2kW馬達)來處理完整玉米芯，然后用破碎機(1.5kW馬達，F(xiàn)ranklinMillerInc.，Livingston,NJ)處理，隨后用配備1.9cm有美國標準篩網(wǎng)的Sweco篩網(wǎng)進行篩分，使完整玉米芯破碎成更小的塊。在小型筒式活塞反應器(如一般方法所述)中裝入115g(基于干重)破碎的玉米芯，用手將玉米芯置于移除活塞的反應器末端。把活塞放回原處以堵上末端。將反應容器抽真空以減壓到<IOkPa(0.Ibar)，將稀釋氫氧化銨溶液注入到反應器中，使氨濃度為4g或6g每IOOg生物質(zhì)干重(如表1所示)，生物質(zhì)干重濃度為50g每IOOg總生物質(zhì)與氨水混合物。在注入氨溶液后，將蒸汽注入到反應器中以將溫度升至145°C。生物質(zhì)在該溫度下保持20分鐘，然后開啟活塞將其排入閃蒸槽中。在20分鐘預處理期間監(jiān)控溫度，如果需要的話注入蒸汽。通過閃蒸槽底部來收獲預處理的玉米芯。移除過多的游離液體，剩余下來的固體用于糖化。如一般方法所述，將約470g的預處理的生物質(zhì)加入3.2LPEHR反應器用于糖化。通過注入PH4.8的IM檸檬酸緩沖液加上加入一水合檸檬酸，將內(nèi)容物的pH調(diào)節(jié)到大約5.5。達到所需的pH之后，將l2.9mg/g纖維素或25.8mg/g纖維素的Spezymecp纖維素Sl(GenencorInternational,Rochester,NY)禾口4.2mg活性蛋白/g纖維素或8.4mg活性蛋白/g纖維素的半纖維素酶酶聚生體(Diversa；SanDiego,CA)加入到反應器中，所述酶聚生體由β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、β-木聚糖苷酶和阿拉伯糖苷酶組成。加入緩沖液、酶和水使得反應器中的最終混合物由23g干生物質(zhì)/IOOg預處理的生物質(zhì)與糖化酶聚生體混合物組成。反應器在培養(yǎng)箱中50°C、19rpm旋轉(zhuǎn)下培養(yǎng)72小時。下表1中給出的收率是以理論收率百分比形式的給出的釋放量。表1甚/丨、雜彩舌無隨Φ予麵里駐紘艦少碰赫。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>實施例2不同時丨旬在大型筒式活HZi應器中的予頁處王里將蒸汽加到圓筒夾套中將大型筒式活塞反應器的圓筒(如一般方法所述)預熱至約130°C。用帶狀加熱器將閃蒸接收器預熱至約60°C。如實施例1所述來制備破碎的玉米芯。用手將這些玉米芯(175g，基于干重)裝入大型筒式反應器中，將其置于移除活塞的反應器末端。把活塞放回原處以堵上末端。將反應容器和閃蒸接收器抽真空以減壓到<IOkPa,將稀釋氫氧化銨溶液注入到反應器中，使氨濃度為6g/100g生物質(zhì)干重，生物質(zhì)的干重濃度為45g/100g總生物質(zhì)與氨水混合物。注入氨之后，將蒸汽注入到反應器中以將溫度升至145°C。通過監(jiān)控溫度以及如需要的話注入蒸汽來使混合物保持該溫度10或20分鐘，然后開啟活塞將其排入預熱閃蒸槽中。將閃蒸槽抽真空直至閃蒸接收器達到59°C。進行三個10分鐘預處理和六個20分鐘預處理，最后所有材料預處理相同的時間。當從閃蒸接收器收獲產(chǎn)品時，將游離液體從預處理固體中分離出來，并且不把它們再加回去用于糖化。隨后如實施例1所述在小型PEHReactor中來糖化預處理的玉米芯的樣本。所有糖化用12.9mg/g纖維素的SpezymeCP纖維素酶和4.2mg活性蛋白/g纖維素的半纖維素酶聚生體(Diversa)在50°C，pH5.5條件下進行72小時，所述酶聚生體包含木聚糖酶、β-木糖苷酶、阿拉伯糖苷酶、和葡萄糖苷酶。下表2中給出的收率是以理論收率百分比形式給出的釋放量。表2:在大型筒式活H/i應器Φ予頁處理的玉米少后的IHr率。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>.實施例3汽蕭(steamgun)白狄雜彩舌無隨Φ傭予麵里如實施例1所述來制備粒度減小的玉米芯。如實施例2所述在大型筒式活塞反應器中進行預處理。為了在蒸汽噴射中進行預處理，首先把玉米芯裝入9LPEHReactor。通過外表面旋轉(zhuǎn)接觸冰將反應器冷卻至4°C。將反應容器抽真空并將稀釋氫氧化銨溶液注入到反應器中，所述氫氧化銨在4°C冷室中預冷并通過管子浸入冰水浴中，反應器中氨濃度為6g/100g生物質(zhì)干重，生物質(zhì)的干重濃度為45g/100g總生物質(zhì)與氨水混合物。在旋轉(zhuǎn)反應容器表面施加冰并在4°C下旋轉(zhuǎn)30分鐘，將裝入氨和玉米芯的PEHReactor冷卻至4°C。此時將內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到如一般方法所述的蒸汽噴射反應器中。蒸汽噴射反應器中載入了氨與玉米芯混合物之后，通過直接注入蒸汽使溫度升至145°C。玉米芯與氨混合物在該溫度下保持20分鐘，然后將混合物排入閃蒸槽中。從大型筒式活塞反應器和蒸汽噴射反應器中采集預處理的玉米芯樣本，如實施例1所述進行糖化。糖化用12.9mg/g纖維素的SpezymeCP纖維素酶(Genencor)和4.2mg活性蛋白/g纖維素的半纖維素酶聚生體(Diversa)進行，所述酶聚生體由β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、和β-木糖苷酶、和阿拉伯糖苷酶組成。反應器在50°c培養(yǎng)箱中、19rpm下培養(yǎng)72小時。在每個反應器中的預處理材料所得的葡萄糖的收率如下表3所示。表3射雜彩舌無隨驢汽蕭G隨Φ予麵里駐紘隨碰氣<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>實施例4在大型筒式活塞反應器中預處理玉米芯和纖維共混物如實施例1所述來制備破碎玉米芯。在大型筒式活塞反應器中單獨預處理破碎的玉米芯，以及預處理破碎的玉米芯和CargillBran80(Cargill,Minnetonka,MN)的共混物。將破碎的玉米芯和CargillBranSO玉米纖維混合使得所述纖維占混合樣本總干生物質(zhì)的大約33%。在任何情況下，將175g(基于干重)的原料加入到反應器中?；救鐚嵤├?所述進行預處理。然而，在這些實驗中，在加入氨溶液之后，在注入蒸汽將溫度升至145°C之前保持反應器內(nèi)容物10分鐘。在注入蒸汽后，通過在需要時注入蒸汽使溫度在145°C下保持10分鐘。在預處理后，開啟活塞將樣本排入閃蒸槽中。從大型筒式活塞反應器的閃蒸槽中采集預處理的玉米芯和玉米芯與纖維共混物的樣本，并在如實施例1所述的小型PEHReactor中進行糖化。將生物質(zhì)加入直至充滿反應器體積的20%。用12.9mg/g纖維素的SpezymeCP纖維素酶(Genencor)和15mg/g纖維素的Multifect木聚糖酶(Genencor)進行糖化。PEHReactor在50°C培養(yǎng)箱中、19rpm下培養(yǎng)72小時。預處理材料的所得的葡萄糖和木糖的收率如下表4所示。表4射雜彩舌無隨Φ予麵里駐紘禾旺U/麥夫脾雜艦赫。<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>實施例5雜彩舌無隨Φ予麵享如實施例2所述來預處理玉米芯10分鐘。進行總共17次此類預處理。將來自4次預處理的預處理玉米芯注入以用于糖化，從而提供用于分批補料糖化的初始水解產(chǎn)物。將來自其余13次生產(chǎn)運行的預處理的玉米芯注入以用于分批補料糖化。為了開始分批補料糖化，在如一般方法所述的分批補料糖化反應器中首先加入水解產(chǎn)物直至裝滿反應器第一葉輪的底部。該水解產(chǎn)物通過在2.8L搖瓶中糖化預處理的玉米芯進行制備。在這些搖瓶中，裝入465g預處理的固體，IOOOmL去離子水，以及28.4mgSpezymeCP/g纖維素和4.2mg活性蛋白/g纖維素的半纖維素酶聚生體(Diversa)，該酶聚生體包括β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和阿拉伯糖苷酶。在加入酶之前，用8.5%H3POJfpH調(diào)節(jié)至5。將搖瓶保持在50°C并在旋轉(zhuǎn)振蕩器中以150rpm振蕩48小時，此時將水解產(chǎn)物裝入到分批補料反應器中。加入初始水解產(chǎn)物之后，將預處理的生物質(zhì)與氨混合物(700g)的第一等分試樣加入到反應器中。加入8.5%H3POJfpH保持設定值5.5。將pH再調(diào)節(jié)至設定值之后，加入28.4mgSpezymeCP/g纖維素和4.2mg活性蛋白/g纖維素的半纖維素酶聚生體(Diversa)，該酶聚生體包括β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和阿拉伯糖苷酶。在t=4、8、12、22、26、30和34小時加入預處理的生物質(zhì)與氨混合物的附加等分試樣、SpezymeCP纖維素酶和半纖維素酶酶聚生體。一般在加入酶約1小時后開啟泵循環(huán)回路，并運行約1小時直至在第22小時加入固體。在26小時和30小時加料后，在加入酶后約50分鐘開啟泵并運行30分鐘。在34小時加料后，在加入酶后約3小時開啟泵并運行30分鐘。泵也在t=29、33、47和49小時運行30分鐘。總糖化時間為120小時。此時水解產(chǎn)物包含60g/L葡萄糖單體、25g/L木糖單體和10g/L乙酸。該水解產(chǎn)物用于運動發(fā)酵單胞菌菌株ZW800或ZW658(ATCC#PTA-7858)發(fā)酵。ZW658是運動發(fā)酵單胞菌菌株，它已經(jīng)被工程化以用于將木糖發(fā)酵成乙醇，在共有的和共同未決的美國專利申請60/847813中對此進行了描述。ZW658通過經(jīng)由序貫轉(zhuǎn)座事件將兩個操縱子整合到ZW1(ATCC#31821)基因組中，然后通過包含木糖的選擇培養(yǎng)基篩選進行構(gòu)建，所述操縱子是PgapXylAB和Pgaptaltkt，它們包含四個編碼木糖異構(gòu)酶、木酮糖激酶、轉(zhuǎn)醛醇酶和轉(zhuǎn)酮醇酶的木糖利用基因。ZW800是具有編碼葡萄糖果糖氧化還原酶滅活基因的ZW658菌株，它也在共有的和共同未決的美國專利申請60/847813中進行了描述。發(fā)酵在滅菌的1升發(fā)酵罐(BIOSTATB-DCU系統(tǒng)，SartoriusBBISystemInc.，Bethlehem,Pennsylvania,USA)中進行，初始工作體積為500mL。將種菌加入到發(fā)酵罐中，含量為10%(ν/ν)，使得加樣后肉湯的OD6tltl1。水解產(chǎn)物與水的平衡比例為80%或40%(ν/ν)0加入附加葡萄糖和木糖以使它們在肉湯中的終濃度分別為92g/L和82g/L。肉湯也補充有IOmm山梨醇和lg/LMgSO4·7Η20。在33°C，pH5.8，攪拌速度150rpm的條件下進行72小時的發(fā)酵。ZW800菌株的最終乙醇滴定度為在40%的水解產(chǎn)物中8g/L，在80%的水解產(chǎn)物中7g/L。ZW658的最終乙醇滴定度為在40%的水解產(chǎn)物中8g/L，在80%的水解產(chǎn)物中6.5g/L。權利要求用于處理生物質(zhì)的設備，所述設備組合包括a)圓柱形圓筒，所述圓柱形圓筒具有配備有活塞的第一末端和配備有排放閥的第二末端；b)任選的支管，所述支管末端連接到靠近所述圓柱形圓筒第一末端的圓柱形圓筒上，并且所述支管在未連接的支管末端具有可密封的閥門；c)至少2個可密封的端口，所述可密封的端口在所述圓柱形圓筒中或在所述支管中；d)任選的閥門，所述閥門在所述圓柱形圓筒中將所述圓筒分成單獨的第一室和第二室，所述第一室具有配備有所述活塞的圓筒第一末端，所述第二室具有配備有排放閥的圓筒第二末端；以及e)閃蒸槽，所述閃蒸槽連接至在所述圓筒的第二末端的排放閥；其中所述設備提供可密封的不可滲透圓筒和非壓實的處理過的生物質(zhì)流。2.權利要求1的設備，其中所述圓柱形圓筒為水平取向，并且位于所述閃蒸槽中的具有第一末端和第二末端的向下的彎管連接至在所述圓筒的第二末端處的排放閥，其中所述第一彎管末端圍繞所述圓筒的第二末端中的排放閥，并且所述第二彎管末端開口于所述閃蒸槽中。3.權利要求1的設備，其中所述圓筒覆蓋有隔熱夾套、蒸汽夾套、帶狀加熱器、或它們的組合。4.權利要求1的設備，其中所述(b)的任選支管是存在的，并且料斗連接至所述支管的閥門末端。5.權利要求4的設備，其中所述料斗連接至非壓實性導流輪上。6.權利要求1的設備，其中所述排放閥是漸進擴展文丘里管。7.權利要求6的設備，其中所述漸進擴展文丘里管為V型端口閥或旋啟式止回閥。8.權利要求1的設備，其中所述(e)的閃蒸槽在所述閃蒸槽的底部包括至少一個可密封端口。9.權利要求1的設備，其中槳式攪拌器連接至所述閃蒸槽的底部。10.權利要求1的設備，其中所述(e)的閃蒸槽在所述閃蒸槽的頂部包括至少一個可密封端口。11.權利要求10的設備，其中冷凝器通過管子連接至在所述閃蒸槽的頂部的所述端12.用于在權利要求1的設備中處理生物質(zhì)的方法，所述方法包括a)使用非壓實性喂料機通過所述開口的第一末端或支管，將生物質(zhì)裝入到所述圓柱形圓筒中；b)安裝所述活塞；c)任選地經(jīng)由在所述圓柱形圓筒中的至少一個端口來施加真空；d)經(jīng)由在所述圓柱形圓筒或支管中的至少一個端口來加入除蒸汽之外的至少一種反應物；e)經(jīng)由所述圓柱形圓筒中的至少一個端口來加入蒸汽以使所述圓筒內(nèi)達到合適的溫度；f)密封所述c)、d)、和e)的端口以及所有閥門以提供不可滲透的室；g)允許所述生物質(zhì)和至少一種反應物反應約30秒至約4小時的一段時間；以及h)打開所述排放閥并通過將所述活塞移位到閃蒸槽中來從所述不可滲透的室中移動來自步驟(g)的反應的生物質(zhì)；其中步驟a)和b)可以任一順序進行，其中d)和e)可以任何順序進行或可同時進行，并且由此制備了非壓實的處理過的生物質(zhì)。13.權利要求12的方法，其中i)所述圓柱形圓筒包括將所述圓筒分成單獨的第一室和第二室的閥門，所述第一室具有配備有所述活塞的所述圓筒第一末端，并且所述第二室具有配備有所述排放閥的所述圓筒第二末端；)所述閥門在步驟(f)中關閉，由此致使所述第一室不可滲透；iii)步驟(g)發(fā)生在所述第一不可滲透的室中；以及iv)在步驟(h)之前，通過將所述活塞位移將來自所述不可滲透的第一室的生物質(zhì)產(chǎn)品移動到所述第二室中并在所述第二室中保持約2分鐘至約4小時的一段時間，其中所述生物質(zhì)未被壓實。14.權利要求12或13的方法，其中不包括消除壓實狀態(tài)的步驟。15.權利要求12或13的方法，其中(g)中所述生物質(zhì)的干重相對于生物質(zhì)、反應物和蒸汽混合物的重量為至少約15%的高固體濃度。16.權利要求15的方法，其中(g)中所述生物質(zhì)的干重相對于生物質(zhì)、反應物和蒸汽混合物的重量為至少約20%的高固體濃度。17.權利要求16的方法，其中(g)中裝載的所述生物質(zhì)的干重相對于生物質(zhì)、反應物、和蒸汽混合物的重量為至少約30%的高固體濃度。18.權利要求12的方法，其中所述合適的溫度介于約85°C和約300°C之間。19.權利要求18的方法，其中所述溫度介于約120°C和約210°C之間。20.權利要求12或13的方法，其中所述生物質(zhì)選自柳枝稷、廢紙、來自造紙業(yè)的淤渣、玉米粒、玉米芯、玉米殼、玉米秸稈、玉米纖維、草、小麥、小麥秸稈、干草、大麥、大麥秸稈、稻稈、蔗渣、高粱、大豆、獲取自谷物、樹、枝、根、葉、木屑、鋸末、灌木及矮樹叢、蔬菜、水果、花和動物糞肥的研磨物的組分。21.權利要求20的方法，其中生物質(zhì)選自玉米芯、玉米秸稈、玉米纖維、玉米殼、蔗渣、鋸末、柳枝稷、小麥秸稈、干草、稻稈和草。22.權利要求21的方法，其中生物質(zhì)選自玉米芯、玉米秸稈、玉米纖維、鋸末和蔗渣。23.權利要求12或13的方法，其中所述生物質(zhì)來源于多種原料。24.權利要求12或13的方法，其中所述生物質(zhì)與至少一種反應物預混。25.權利要求12或13的方法，其中所述反應物選自堿、酸、有機溶劑、氧化劑、蒸汽以及堿、酸、有機溶劑、氧化劑和蒸汽的組合。26.由如權利要求12或13的方法生產(chǎn)的處理過的生物質(zhì)。27.通過將由權利要求12或13的方法生產(chǎn)的處理過的生物質(zhì)進行糖化而生產(chǎn)的水解產(chǎn)物。全文摘要本發(fā)明開發(fā)了用于處理生物質(zhì)的設備，其中將反應物加入到生物質(zhì)中并使所述生物質(zhì)混合物在非壓實活塞(34)的作用下以非壓實狀態(tài)移動通過所述設備。在該反應器中使用的處理系統(tǒng)產(chǎn)生出有效處理過的生物質(zhì)，所述生物質(zhì)尤其適用于隨后的糖化以生產(chǎn)可發(fā)酵糖。文檔編號C12M1/16GK101802165SQ200880103562公開日2010年8月11日申請日期2008年8月18日優(yōu)先權日2007年8月22日發(fā)明者J·弗里恩德,M·P·塔克三世,R·C·利昂斯,R·T·埃蘭德申請人:納幕爾杜邦公司;可持續(xù)能源聯(lián)盟有限責任公司