加工生物質(zhì)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供用于加工生物質(zhì)材料的方法，所述生物質(zhì)材料設(shè)置于一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體中，所述結(jié)構(gòu)或載體例如袋、殼、網(wǎng)、膜、網(wǎng)孔或這些的任何組合。以此方式含有所述材料允許其易于在加工期間在任一點(diǎn)并以任何順序添加或除去。
【專(zhuān)利說(shuō)明】加工生物質(zhì)
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[0002]本申請(qǐng)要求在2011年12月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/579，550和61/579, 562的權(quán)益。以上申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及在進(jìn)行微生物學(xué)、生物學(xué)以及生物化學(xué)反應(yīng)方面的改進(jìn)。
[0004]背景
[0005]隨著對(duì)石油的需求增加，對(duì)用于制造生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)的可再生原料的興趣也在增加。自20世紀(jì)70年代以來(lái)已對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)作為用于所述制造方法的原料的用途進(jìn)行了研究。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)因其豐富、可再生、在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，并且不與食品工業(yè)用途競(jìng)爭(zhēng)而具有吸引力。
[0006]現(xiàn)今可獲得許多潛在的木質(zhì)纖維素原料，包括例如農(nóng)業(yè)殘余物、木質(zhì)生物質(zhì)、城市廢物、油籽/油餅以及海草。目前這些材料用作動(dòng)物飼料、生物堆肥材料、在聯(lián)產(chǎn)設(shè)施中燃燒抑或被填埋。
[0007]木質(zhì)纖維素生物質(zhì)由于植物細(xì)胞壁具有堅(jiān)硬并且緊湊的結(jié)構(gòu)而難以降解。所述結(jié)構(gòu)包括嵌入半纖維素基質(zhì)中由木質(zhì)素圍繞著的晶體纖維素原纖維。這種緊湊基質(zhì)難以由酶以及其它化學(xué)、生物化學(xué)和生物方法接近。纖維素生物質(zhì)材料(例如，已基本上除去所有木質(zhì)素的生物質(zhì)材料)可以更易于由酶和其它轉(zhuǎn)化方法接近，但是即便如此，天然存在的纖維素材料當(dāng)與水解酶接觸時(shí)通常具有低產(chǎn)率(相對(duì)于理論產(chǎn)率)。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)甚至更難以受酶攻擊。此外，每種類(lèi)型的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有其自身特定的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。
[0008]雖然多種方法已試圖從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中提取結(jié)構(gòu)性碳水化合物，但其不是過(guò)于昂貴、生產(chǎn)產(chǎn)率過(guò)低、在所得產(chǎn)物中留有不期望的化學(xué)物質(zhì)，就是僅降解糖類(lèi)。
[0009]來(lái)自可再生生物質(zhì)源的單糖可以通過(guò)代替、補(bǔ)充或取代石油和其它化石原料而成為化學(xué)和燃料工業(yè)的基礎(chǔ)。然而，需要開(kāi)發(fā)將使得可大量并且以可接受的純度和價(jià)格獲得這些單糖的技術(shù)。
[0010]發(fā)明概述
[0011]本文提供用于產(chǎn)生產(chǎn)物的方法，所述方法包括將包含液體介質(zhì)、結(jié)構(gòu)或載體以及設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的不順應(yīng)性減小的纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的組合維持在允許分子離開(kāi)和/或進(jìn)入所述結(jié)構(gòu)或載體的條件下。
[0012]在另一個(gè)方面，本文提供一種用于產(chǎn)生產(chǎn)物的方法，其中所述方法包括:提供液體介質(zhì)；提供纖維素或木 質(zhì)纖維素生物質(zhì)，其中將所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中，并且其中所述結(jié)構(gòu)或載體具有被配置來(lái)允許分子通過(guò)的一個(gè)或多個(gè)孔；提供添加劑；將所述結(jié)構(gòu)或載體與所述添加劑組合在所述液體介質(zhì)中以制備一種組合；將所述組合維持在允許分子離開(kāi)和/或進(jìn)入所述結(jié)構(gòu)或載體的條件下；以及將所述組合維持在允許所述添加劑將所述分子轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)物的條件下；從而產(chǎn)生產(chǎn)物。[0013]另外，本文提供產(chǎn)生酶的方法，其中所述方法包括:提供液體介質(zhì)；提供纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)；提供能夠在所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)存在下產(chǎn)生酶的微生物；提供結(jié)構(gòu)或載體，其中所述結(jié)構(gòu)或載體具有被配置來(lái)允許分子通過(guò)的一個(gè)或多個(gè)孔；將所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)；將所述液體介質(zhì)、所述結(jié)構(gòu)或載體以及所述微生物組合以制備一種組合；以及將所述組合維持在允許所述微生物產(chǎn)生所述酶的條件下；從而產(chǎn)生酶。
[0014]本文還提供一種為微生物提供物質(zhì)的方法，其中所述方法包括:提供液體介質(zhì)；提供微生物；提供物質(zhì)；提供結(jié)構(gòu)或載體，其中所述結(jié)構(gòu)或載體具有被配置來(lái)允許所述物質(zhì)進(jìn)入和離開(kāi)所述結(jié)構(gòu)或載體的一個(gè)或多個(gè)孔；或者:通過(guò)將所述微生物設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)，并通過(guò)將所述液體介質(zhì)、所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的所述微生物以及所述物質(zhì)組合來(lái)形成一種組合，或通過(guò)將所述物質(zhì)設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)并通過(guò)將所述液體介質(zhì)、所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的所述物質(zhì)以及所述微生物組合來(lái)形成一種組合；以及將所述組合維持在允許所述物質(zhì)移出和移入所述結(jié)構(gòu)或載體并與所述微生物接觸的條件下；從而為所述微生物提供所述物質(zhì)。所述方法還可包括:提供第二結(jié)構(gòu)或載體；以及將所述微生物和所述物質(zhì)各設(shè)置于單獨(dú)的結(jié)構(gòu)或載體中。
[0015]本文還提供一種用于制備產(chǎn)物的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括:容器中的液體介質(zhì)；能夠產(chǎn)生產(chǎn)物的微生物；以及含有物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體，其中所述結(jié)構(gòu)或載體被配置來(lái)將所述物質(zhì)釋放到所述液體介質(zhì)中。
[0016]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，可將纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)，并且所述方法可進(jìn)一步包括:將所述添加劑設(shè)置于第二結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)；以及將含有所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的所述結(jié)構(gòu)或載體設(shè)置于所述第二結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)。
[0017]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，所述物質(zhì)可為糖，例如可設(shè)置于一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的糖。
[0018]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的產(chǎn)物可為分子、蛋白質(zhì)、糖、燃料或其組合。蛋白質(zhì)可為酶。
[0019]本文提供的任何方法或系統(tǒng)可進(jìn)一步包括將微生物設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體中?；蛘?，可將纖維素或木質(zhì)纖維素材料或添加劑設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體中?？蓪⒗w維素或木質(zhì)纖維素材料、添加劑或微生物設(shè)置于第二結(jié)構(gòu)或載體中。添加劑可為微生物、酶、酸、堿或其組合。
[0020]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)或載體可為袋、殼、網(wǎng)、膜、網(wǎng)孔或其組合。其中結(jié)構(gòu)或載體可包括袋，袋可由具有小于Imm的最大開(kāi)口尺寸的網(wǎng)孔材料形成?？蛇x地，網(wǎng)孔材料可具有約IOmm至Inm的平均孔徑。其中結(jié)構(gòu)或載體為袋，袋可由可生物侵蝕的聚合物制成?？缮锴治g的聚合物可選自由以下組成的組:聚乳酸、聚羥基丁酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚羥基丁酸酯-戊酸酯、聚己內(nèi)酯、聚羥基丁酸酯-己酸酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸己二酸丁酸酯(polybutyrate succinate adipate)、聚酰胺酯、聚己二酸丁二醇酯-共聚-對(duì)苯二酸酯、其混合物以及其層壓物。袋可由淀粉膜制成。
[0021]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，可將所述組合放置于包括葉輪的發(fā)酵容器中，并且其中將所述組合維持在其中由葉輪撕開(kāi)袋的條件下。
[0022]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，一種或多種微生物可包括里氏木霉菌株，例如，產(chǎn)生高產(chǎn)率纖維素酶的里氏木霉突變體，例如RUT-C30菌株。
[0023]在本文提供的任何方法或系統(tǒng)中，纖維素或木質(zhì)纖維素材料的不順應(yīng)性相對(duì)于處于其天然狀態(tài)下的材料可已有所減小。減小不順應(yīng)性的所述處理可為用電子轟擊、超聲處理、氧化、熱解、蒸汽爆炸、化學(xué)處理、機(jī)械處理、冷凍研磨或所述處理的組合。優(yōu)選地，纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的不順應(yīng)性已通過(guò)暴露于電子束來(lái)減小。
[0024]在所提供的任何方法或系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)化可為糖化并且產(chǎn)物可為糖溶液或懸浮液。所述方法可進(jìn)一步包括從所述糖溶液或懸浮液中分離糖。所分離的糖可為木糖。
[0025]在本文提供的任何系統(tǒng)或方法中，所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可為:紙、紙制品、廢紙、紙漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜志、印刷品、打印紙、多涂層紙、卡片材料、卡紙板、紙板、棉花、木材、刨花板、林業(yè)廢棄物、鋸末、楊木、木屑、草、柳枝稷、芒草、繩草、草蘆、谷物殘洛、稻殼、燕麥殼、小麥殼、大麥殼、農(nóng)業(yè)廢棄物、青忙飼料、油菜稻、小麥稻、大麥秸、燕麥秸、稻秸、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸桿、大豆秸桿、玉米纖維、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工殘?jiān)?、甘蔗渣、甜菜漿、龍舌蘭渣、海藻、海草、糞肥、污物、下水、秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草(oca)、西米、高粱、馬鈴薯、甘薯、芋頭、山藥、豆類(lèi)、蠶豆、扁豆、碗豆，或任何這些的混合物。纖維素或木質(zhì)纖維素材料可包括玉米穗軸。纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可例如通過(guò)干磨或通過(guò)濕磨粉碎。可處理纖維素或木質(zhì)纖維素材料以減小其堆積密度或增大其表面積。纖維素或木質(zhì)纖維素材料可具有小于約Imm的平均粒度或者約0.25mm至2.5mm的平均粒度。
[0026]應(yīng)理解，本發(fā)明不限于此概述中所公開(kāi)的實(shí)施方案，并且其旨在涵蓋在如由權(quán)利要求書(shū)所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改。
[0027]附圖簡(jiǎn)述
[0028]上文將由如附圖中所示的本發(fā)明的以下示例性實(shí)施方案的更具體的描述而顯而易見(jiàn)，在附圖中，相似參考標(biāo)號(hào)指所有不同視圖中的相同部分。附圖不必按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在示出本發(fā)明的實(shí)施方案上。
[0029]圖1是示出纖維素酶促水解成葡萄糖的圖表。纖維素底物(A)由內(nèi)切纖維素酶
(i)轉(zhuǎn)化為纖維素(B)，所述纖維素(B)由外切纖維素酶(ii)轉(zhuǎn)化為纖維二糖(C)，所述纖維二糖(C)由纖維二糖酶葡糖苷酶)(iii)轉(zhuǎn)化為葡萄糖(D)。
[0030]圖2為示出生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)物的流程圖。對(duì)原料進(jìn)行物理預(yù)處理(例如，減小其尺寸)(200)、進(jìn)行任選處理以減小其不順應(yīng)性(210)、進(jìn)行糖化以形成糖溶液(220)，將溶液運(yùn)送(230)到制造工廠(例如，通過(guò)管道、軌道車(chē))(或者如果在途中進(jìn)行糖化，則運(yùn)送原料、酶和水)，對(duì)糖化的原料進(jìn)行生物加工以產(chǎn)生所希望的產(chǎn)物(例如，醇)(240)，并且可以例如通過(guò)蒸餾對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步加工以產(chǎn)生最終產(chǎn)物(250)。用于不順應(yīng)性的處理可通過(guò)測(cè)量木質(zhì)素含量(201)并設(shè)定或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)(205)來(lái)改進(jìn)。使原料糖化
(220)可通過(guò)將原料與介質(zhì)和酶混合(221)來(lái)改進(jìn)。
[0031]圖3為示出第一生物質(zhì)的處理(300)、產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體的添加(310)、第二生物質(zhì)的添加(320)以及加工所得的糖以制備產(chǎn)物(例如，一種或多種醇、純糖)(330)的流程圖?？扇芜x將第一處理的生物質(zhì)分開(kāi)并將一部分作為第二生物質(zhì)(A)進(jìn)行添加。
[0032] 圖4為示出酶的產(chǎn)生的流程圖。將產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體添加到生長(zhǎng)培養(yǎng)基中(400)，添加(A)處理的第一生物質(zhì)(405)以制備混合物(410)，添加第二生物質(zhì)部分(420)，并且加工所得的糖以制備產(chǎn)物(例如，一種或多種醇、純糖)(430)。還可將第一生物質(zhì)(405)的部分添加到(B)第二生物質(zhì)(420)中。
[0033]詳述
[0034]本文提供通過(guò)使用可具有孔或其它開(kāi)口或可為可降解的一種或多種結(jié)構(gòu)或容器進(jìn)行生物學(xué)、微生物學(xué)以及生物化學(xué)反應(yīng)的方法。結(jié)構(gòu)可為袋、網(wǎng)或網(wǎng)孔、殼(例如，剛性或半剛性殼)、膜或這些結(jié)構(gòu)的組合(例如，一種或多種類(lèi)型的一種或多種結(jié)構(gòu)可設(shè)置于相同或另一種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)內(nèi))。結(jié)構(gòu)可容納涉及生物學(xué)、微生物學(xué)以及生物化學(xué)反應(yīng)的各種部分或組分。以此方式含有所述材料允許部分或組分(例如生物質(zhì)，如處理的生物質(zhì))易于在所述反應(yīng)期間在任一點(diǎn)并以任何順序添加或除去。本發(fā)明還允許簡(jiǎn)化產(chǎn)物(例如像，糖化或發(fā)酵的糖或其它產(chǎn)物)的純化，并且可有助于維持代謝物、糖或營(yíng)養(yǎng)物的水平。例如，結(jié)構(gòu)可用于為微生物提供一種或多種營(yíng)養(yǎng)物?？蓪I(yíng)養(yǎng)物放置于結(jié)構(gòu)中并將結(jié)構(gòu)放置于含有微生物的液體介質(zhì)中。營(yíng)養(yǎng)物從結(jié)構(gòu)釋放到介質(zhì)中，以由微生物所接近?；蛘?，可將微生物放置于結(jié)構(gòu)內(nèi)，并將結(jié)構(gòu)放置于含有營(yíng)養(yǎng)物的液體介質(zhì)中。
[0035]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)可含有微生物作用于其上的生物質(zhì)或微生物的產(chǎn)物(如酶或信號(hào)分子)。例如，可將生物質(zhì)放置于結(jié)構(gòu)中，隨后將所述結(jié)構(gòu)放置于具有微生物的液體介質(zhì)中。來(lái)自生物質(zhì)的物質(zhì)能夠從結(jié)構(gòu)中滲出并由微生物和微生物所分泌的酶接近，并且由微生物產(chǎn)生的酶可遷移到結(jié)構(gòu)中并作用于生物質(zhì)。
[0036]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及在生物質(zhì)材料存在下使用微生物產(chǎn)生酶。生物質(zhì)材料在酶產(chǎn)生過(guò)程中充當(dāng)纖維素酶合成的誘導(dǎo)劑，從而產(chǎn)生具有適合于特定生物質(zhì)材料的活性的纖維素酶復(fù)合物， 在一些實(shí)施方式中，所述特定生物質(zhì)材料是與由纖維素酶復(fù)合物糖化的材料相同的材料。
[0037]本發(fā)明的特征還在于一種方法，所述方法包括使設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中的纖維素或木質(zhì)纖維素材料在介質(zhì)中與添加劑接觸以產(chǎn)生產(chǎn)物。添加劑可為例如微生物、酶、酸、堿或任何這些的混合物。添加劑可以任何順序添加。產(chǎn)物可為例如分子、蛋白質(zhì)、糖、燃料或任何這些的混合物。產(chǎn)物可以任何順序產(chǎn)生。例如，可首先產(chǎn)生蛋白質(zhì)，隨后產(chǎn)生糖并最終產(chǎn)生燃料。任選地，蛋白質(zhì)可為酶。
[0038]物質(zhì)遷移入和遷移出結(jié)構(gòu)可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)可在介質(zhì)中隨著時(shí)間緩慢降解，結(jié)構(gòu)可由將營(yíng)養(yǎng)物釋放到介質(zhì)中的多孔材料制成，結(jié)構(gòu)可由通過(guò)微生物消耗的材料制成，結(jié)構(gòu)可由通過(guò)發(fā)酵容器底部的葉輪撕開(kāi)的材料制成，或者結(jié)構(gòu)可由在介質(zhì)中膨脹和爆裂的材料制成。
[0039]在本文所述方法的一個(gè)實(shí)施方案中，可將生物質(zhì)設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體之中、之上或放置于結(jié)構(gòu)或載體中。生物質(zhì)可在放置于結(jié)構(gòu)或載體中之前或之后進(jìn)行處理。也可將添加劑、營(yíng)養(yǎng)物以及產(chǎn)物設(shè)置于具有或不具有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體中。例如，生物質(zhì)與抗生素、微生物、酶以及糖可設(shè)置于結(jié)構(gòu)中并且可在所述方法期間以任何量和任何順序組合。
[0040]任選地，生物質(zhì)可處于結(jié)構(gòu)或載體外。例如,微生物可設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體之中、之內(nèi)(例如，構(gòu)建在所述結(jié)構(gòu)或載體中)或之上，所述結(jié)構(gòu)或載體與含有生物質(zhì)的介質(zhì)接觸。作為另一個(gè)實(shí)例，可在結(jié)構(gòu)或載體中存在一種生物質(zhì)并在結(jié)構(gòu)或載體外存在第二種生物質(zhì)。在所述方法期間在結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)和外可存在以任何組合和順序添加的多種生物質(zhì)。
[0041]在所述方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，可存在放置于介質(zhì)中或與介質(zhì)接觸的多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體?？稍谒龇椒ㄆ陂g將這些以任何順序和組合放置于介質(zhì)中。結(jié)構(gòu)或載體可以例如相對(duì)于彼此由相同材料或不同材料制成，具有相同形狀或不同形狀，并且可以任何組合使用。
[0042]例如，可將多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體設(shè)置于另一個(gè)結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)。各個(gè)結(jié)構(gòu)或載體可為相同類(lèi)型或可為不同類(lèi)型。多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體可依次設(shè)置，一個(gè)處于另一個(gè)內(nèi)部，例如，與“嵌套玩偶”相類(lèi)似。
[0043]例如，可便于使生物材料設(shè)置于具有一致尺寸和體積的多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體中，各自含有相同或相似量的生物質(zhì)。以此方式，全部數(shù)量或單位的結(jié)構(gòu)或載體可與介質(zhì)接觸，其中所使用的單位數(shù)目取決于方法中的批量大小。例如，如果所述一致體積的結(jié)構(gòu)或載體被設(shè)計(jì)成近似立方體的形狀以使得其可易于堆積，則所述一致體積的結(jié)構(gòu)或載體也可更便于儲(chǔ)存。
[0044]任選地，在一些實(shí)施方式中，含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體可與和結(jié)構(gòu)或載體組合的介質(zhì)接觸，所述結(jié)構(gòu)或載體被設(shè)計(jì)來(lái)緩慢釋放含于結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的添加劑，例如酶。例如，可通過(guò)具有可控孔徑(例如，小于10um，例如小于lum、小于0.1um的孔徑)來(lái)實(shí)現(xiàn)可控釋放。 [0045]作為另一個(gè)實(shí)例，一個(gè)或多個(gè)含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體以及一個(gè)或多個(gè)含有微生物的結(jié)構(gòu)或載體可同時(shí)或依次與介質(zhì)接觸。
[0046]作為另一個(gè)實(shí)例，在一些方法中，一個(gè)或多個(gè)含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體以及一個(gè)或多個(gè)含有添加劑的水可降解的結(jié)構(gòu)或載體與水性介質(zhì)接觸。
[0047]在所述方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，可在所述方法的任一點(diǎn)并以任何順序除去結(jié)構(gòu)或載體。例如，包括其內(nèi)容物的結(jié)構(gòu)或載體可在產(chǎn)物產(chǎn)生之后除去，和/或包括其內(nèi)容物的另外的結(jié)構(gòu)或載體可在產(chǎn)物產(chǎn)生期間添加。
[0048]作為另一個(gè)實(shí)例，將設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中的生物質(zhì)與水性介質(zhì)接觸，并將微生物添加到水性介質(zhì)中，這隨后產(chǎn)生產(chǎn)物。然后，可除去含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體，并且可在結(jié)構(gòu)或載體中添加第二個(gè)量的生物質(zhì)以產(chǎn)生更多的產(chǎn)物。任選地，可在添加第二生物質(zhì)之前或之后除去微生物。
[0049]在另一個(gè)實(shí)例中，可將生物質(zhì)設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中并將其與含有微生物的水性介質(zhì)接觸,這些的組合產(chǎn)生第一產(chǎn)物。可任選除去(例如,通過(guò)過(guò)濾或離心)或殺死(例如，通過(guò)應(yīng)用抗生素、熱量或紫外光)微生物并隨后添加不同的微生物，這使得第二產(chǎn)物產(chǎn)生。
[0050]在另一個(gè)實(shí)例中，可將生物質(zhì)設(shè)置于第一結(jié)構(gòu)或載體中?？蓪⒌谝唤Y(jié)構(gòu)或載體設(shè)置于含有微生物的第二結(jié)構(gòu)或載體中。可將兩個(gè)結(jié)構(gòu)或載體設(shè)置于介質(zhì)中。第二結(jié)構(gòu)或載體被設(shè)計(jì)成含有微生物(例如，具有小于約5um、小于約lum、小于約0.4um、小于約0.2um的孔徑)。所述組合產(chǎn)生可任選流出第二結(jié)構(gòu)或載體的產(chǎn)物。一旦產(chǎn)生了產(chǎn)物，可除去第一和第二結(jié)構(gòu)和內(nèi)容物，從而留下具有分散和/或溶解于其中的產(chǎn)物的介質(zhì)。具有其內(nèi)容物的第一和第二結(jié)構(gòu)或載體的組合可任選用于另一種介質(zhì)中以產(chǎn)生更多的產(chǎn)物。
[0051]本文所述的方法包括生物質(zhì)和生物質(zhì)材料的加工以及從所述加工中得到的中間體和產(chǎn)物。在至少一部分加工期間，可將生物質(zhì)材料設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中。
[0052]本文所述的方法包括在生物質(zhì)材料(例如纖維素或木質(zhì)纖維素材料)存在下使用微生物產(chǎn)生酶。由本文所述的方法制備的酶含有或制造各種纖維素分解酶(纖維素酶)、木質(zhì)素酶或各種小分子的破壞生物質(zhì)的代謝物。這些酶可為協(xié)同作用來(lái)降解生物質(zhì)的晶體纖維素或木質(zhì)素部分的酶的復(fù)合物。纖維素分解酶的實(shí)例包括:內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶以及纖維二糖酶(β-葡糖苷酶)。
[0053]如圖1所示，例如，在糖化期間，纖維素底物(A)由內(nèi)切葡聚糖酶⑴在隨機(jī)位置初始水解，以產(chǎn)生低聚中間體(例如，纖維素)(B)。這些中間體隨后為外切葡聚糖酶(ii)(如纖維二糖水解酶)的底物，以從纖維素聚合物的末端產(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖是水溶性的1，4-連接的葡萄糖二聚體。最后纖維二糖酶(iii)裂解纖維二糖(C)以得到葡萄糖(D)。因此，內(nèi)切葡聚糖酶特別有效于攻擊纖維素的晶體部分以及增加外切纖維素酶的效力以產(chǎn)生纖維二糖，這隨后需要纖維二糖的特異性來(lái)產(chǎn)生葡萄糖。因此，明顯的是，取決于纖維素底物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，可能需要改變?nèi)N不同酶的量和類(lèi)型。
[0054]在一些實(shí)施方式中，酶由真菌，例如由纖維素分解絲狀真菌里氏木霉的菌株產(chǎn)生。例如，可以使用高產(chǎn)率纖維素酶的里氏木霉突變體，例如，RUT-NG14、PC3-7、QM9414和/ 或 Rut_C30。所述菌株描述于例如 “Selective Screening Methods for the Isolationof High Yielding Cellulase Mutants of Trichoderma reesei, ^Montenecourt, B.S.和Everleigh, D.E.，Adv.Chem.Ser.181，289-301 (1979)，所述文獻(xiàn)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。也可以使用其它產(chǎn)生纖維素酶的微生物。
[0055]如以下將進(jìn)一步討論的，一旦已產(chǎn)生酶，則可將其用于糖化生物質(zhì)，在一些情況下所述生物質(zhì)為與已用于產(chǎn)生酶的生物質(zhì)材料相同類(lèi)型的生物質(zhì)材料。用于將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為所希望的產(chǎn)物或中間體的方法通常包括除此糖化步驟之外的其它步驟。所述步驟描述于例如2011年10月18日提交并且在2012年4月26日公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0100577A1中，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入本文。
[0056]例如，參考圖2，用于制造醇的方法可以包括例如任選機(jī)械處理原料例如以減小其尺寸(200)，在此處理之前和/或之后，任選用另一種物理處理處理原料以進(jìn)一步減小其不順應(yīng)性(210)，隨后使用酶復(fù)合物糖化原料以形成糖溶液(220)。任選地，所述方法還可包括例如通過(guò)管道、軌道車(chē)、卡車(chē)或駁船將溶液(或如果在途中進(jìn)行糖化的話，則為原料、酶和水)運(yùn)輸?shù)街圃旃S(230)。在一些情況下，可對(duì)糖化的原料進(jìn)行進(jìn)一步生物加工(例如，發(fā)酵)以產(chǎn)生所希望的產(chǎn)物,例如醇(240)。在一些實(shí)施方式中，此所得產(chǎn)物可例如通過(guò)蒸餾(250)進(jìn)行進(jìn)一步加工以產(chǎn)生最終產(chǎn)物。減小原料不順應(yīng)性的一種方法為通過(guò)原料的電子轟擊。如果需要，可在所述方法的各個(gè)階段進(jìn)行測(cè)量原料的木質(zhì)素含量(201)以及基于此測(cè)量設(shè)定或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)(205)的步驟，如在2010年8月12日公布的Medoff和Masterman的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2010/0203495A1中所描述，所述公布的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。使原料糖化(220)也可通過(guò)將原料與介質(zhì)和酶混合(221)來(lái)改進(jìn)。
[0057] 例如，參考圖3，任選處理第一生物質(zhì)(300)，例如以減小其尺寸和/或不順應(yīng)性，并且將其放置于結(jié)構(gòu)或載體中。任選地，可首先將第一生物質(zhì)放置于第一結(jié)構(gòu)或載體中并隨后進(jìn)行處理。隨后將含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體與水性介質(zhì)和產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體接觸(310)。在已過(guò)去足夠細(xì)胞生長(zhǎng)至所希望階段的時(shí)間并且已產(chǎn)生足夠的酶之后，可添加任選設(shè)置于第二結(jié)構(gòu)或載體中的第二生物質(zhì)(320)。任選地，可在添加第二生物質(zhì)之前或在之后的任一點(diǎn)除去含有第一生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體。酶對(duì)第二和任何剩余的第一生物質(zhì)的作用產(chǎn)生了可進(jìn)一步加工成有用產(chǎn)物的混合糖(330)。任選地，可在產(chǎn)生有用產(chǎn)物之前或之后除去含有第二生物質(zhì)的第二結(jié)構(gòu)或載體。第一生物質(zhì)和第二生物質(zhì)可為相同生物質(zhì)材料的部分。例如，可將所述生物質(zhì)的一部分放置于結(jié)構(gòu)或載體中并將其與含有產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體的介質(zhì)接觸。一旦產(chǎn)生了一些酶，則可將含有酶的介質(zhì)與第二生物質(zhì)組合(A)。任選地，可預(yù)處理第一生物質(zhì)和第二生物質(zhì)以減小不順應(yīng)性。第一生物質(zhì)和第二生物質(zhì)也可含于單一結(jié)構(gòu)或載體中。結(jié)構(gòu)或載體可形成用于生物反應(yīng)器的襯里。也可使用多個(gè)含有生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體。以下將討論水性介質(zhì)。在一些情況下，不是將第二生物質(zhì)添加到反應(yīng)器中，而是將酶收獲、儲(chǔ)存并用于后面的糖化過(guò)程中。
[0058]現(xiàn)參考圖4，產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體(400)可在生長(zhǎng)介質(zhì)中生長(zhǎng)一段時(shí)間，以達(dá)到特定的生長(zhǎng)期。例如，此生長(zhǎng)期可延長(zhǎng)超過(guò)若干天或甚至若干周的時(shí)間。將預(yù)處理的第一生物質(zhì)(405)放置于結(jié)構(gòu)或載體中并且可隨后將其與產(chǎn)生酶的細(xì)胞(410)接觸，以使在一段時(shí)間之后產(chǎn)生酶。酶的產(chǎn)生也可發(fā)生在延長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)。隨后可將含有酶的溶液與第二生物質(zhì)組合(420)。任選地，在添加第二生物質(zhì)之前或在添加第二生物質(zhì)之后的任一點(diǎn)，可除去含有第一生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或載體。酶對(duì)第二和剩余的第一生物質(zhì)的作用產(chǎn)生可進(jìn)一步加工成有用產(chǎn)物(430)的混合糖。第一生物質(zhì)和第二生物質(zhì)可為相同生物質(zhì)的部分，或者可為相似但不同的(例如，預(yù)處理和未預(yù)處理的)材料(B)。此外，如果需要，可收獲并儲(chǔ)存酶，而不是立即將其與第二生物質(zhì)一起使用。
[0059]連同以上所討論的方法一起，產(chǎn)生纖維素的有機(jī)體可在與第一預(yù)處理的生物質(zhì)組合之前收獲。收獲可包括部分或幾乎完全除去溶劑和生長(zhǎng)介質(zhì)組分。例如，可通過(guò)離心收集細(xì)胞并隨后用水或另一種溶液進(jìn)行洗滌。
[0060]在另一個(gè)實(shí)施方案中，在產(chǎn)生酶之后，可從含有酶的介質(zhì)中除去結(jié)構(gòu)或載體并且可將酶濃縮。濃縮可通過(guò)任何有用的方法進(jìn)行，所述有用的方法包括色譜法、離心、過(guò)濾、滲析、提取、溶劑蒸發(fā)、 噴霧干燥以及吸附到固體載體上?？蓪饪s的酶儲(chǔ)存一段時(shí)間并且隨后通過(guò)添加到第二生物質(zhì)中以產(chǎn)生有用的產(chǎn)物來(lái)使用。
[0061]在所述方法的另一個(gè)實(shí)施方式中，在生物質(zhì)材料存在下，在液體(例如，水性)介質(zhì)中通過(guò)選擇的微生物產(chǎn)生酶。為了在介質(zhì)內(nèi)含有生物質(zhì)材料,可將生物質(zhì)材料設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中，例如具有開(kāi)口或孔的網(wǎng)袋或其它多孔容器?？讖绞沟迷诿府a(chǎn)生期間優(yōu)選生物質(zhì)材料的至少80% (更優(yōu)選至少90%、至少95%或至少99%)的不可溶部分保留在結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)。例如，在酶產(chǎn)生期間，生物質(zhì)材料的至少80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99% 的不可溶部分保留在結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)。
[0062]優(yōu)選的是，容器的孔徑或網(wǎng)孔尺寸使得在酶產(chǎn)生期間基本上沒(méi)有生物質(zhì)材料的不可溶部分流出容器。優(yōu)選的是，孔徑大到足以允許如糖、可溶性多糖、蛋白質(zhì)以及生物分子的分子通過(guò)。優(yōu)選地，孔徑足夠大使得如蛋白質(zhì)的大分子在酶產(chǎn)生過(guò)程期間不會(huì)淤塞或阻塞孔 ο
[0063]因此，通常優(yōu)選的是，標(biāo)稱(chēng)孔徑或網(wǎng)孔尺寸小于所有生物質(zhì)材料粒子中的大多數(shù)。在一些實(shí)施方式中，絕對(duì)孔徑小于生物質(zhì)材料粒子的50 % (優(yōu)選小于60 %、70 %、80 %、90%、95%、98%或99% )。例如，絕對(duì)孔徑可小于生物質(zhì)材料粒子的50%、51%、52%、53 %、54 %、55 %、56 %、57 %、58 %或59 %。優(yōu)選地，絕對(duì)孔徑可小于生物質(zhì)材料粒子的60%,61 %,62%,63%,64%,65%,66%,67%,68%,69%,70%,71 %,72%,73%,74%,75%,76%,77%,78%,79%,80%,81 %,82%,83%,84%,85%,86%,87%,88%,89%,90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%。
[0064]在以上所述方法中使用的水性介質(zhì)可含有添加的酵母提取物、玉米漿、蛋白胨、氨基酸、銨鹽、磷酸鹽、鉀鹽、鎂鹽、鈣鹽、鐵鹽、錳鹽、鋅鹽以及鈷鹽。除這些組分之外，生長(zhǎng)介質(zhì)通常含有O %至10%葡萄糖(例如，1%至5%葡萄糖)作為碳源。誘導(dǎo)劑介質(zhì)除先前所討論的生物質(zhì)之外可含有其它誘導(dǎo)劑。例如，一些已知誘導(dǎo)劑為乳糖、純纖維素以及槐糖。在加工期間可添加和去除多種組分以?xún)?yōu)化所希望的有用產(chǎn)物的產(chǎn)生。
[0065]通常用于誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的生物質(zhì)的濃度大于0.1wt% (例如，大于或等于1% )并且小于或等于50wt% (小于或等于40wt%、小于或等于30wt%、小于或等于20wt%、小于或等于10wt%、小于或等于5wt% )。例如，用于酶誘導(dǎo)的生物質(zhì)的濃度可為0.1wt
0.2wt% >0.3wt% >0.4wt% >0.5wt% >0.6wt% >0.7wt% >0.8wt% >0.9wt%或 1.0wt %。生物質(zhì)的濃度可為 2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%或 IOwt %。生物質(zhì)的濃度可為 15wt %、20wt %、25wt %、30wt %、35wt %、40wt %、45wt % 或 50wt %。
[0066]本文所述的任何方法可作為分批方法、分批補(bǔ)料方法或連續(xù)方法進(jìn)行。所述方法特別適用于例如具有至少50升、優(yōu)選至少100升、更優(yōu)選至少500升、甚至更優(yōu)選至少1，000升、具體來(lái)說(shuō)至少5，000升或50，000升或500，000升的培養(yǎng)基的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。所述方法可在有氧或厭氧情況下進(jìn)行。一些酶通過(guò)深層培養(yǎng)產(chǎn)生并且一些通過(guò)表面培養(yǎng)產(chǎn)生。
[0067]在本文所述的任何方法中，可制造并儲(chǔ)存酶，并隨后在稍后日期和/或在不同位置處將其用于糖化反應(yīng)。
[0068]本文所述的任何方法可在攪拌下進(jìn)行。在一些情況下，可使用噴射混合進(jìn)行攪拌，如于2010年5月18日提交并且于2012年11月25日公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2010/0297705A1、于2011年11月10日提交并且于2012年4月26日公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0100572A1、于2011年11月10日提交并且于2012年4月19日公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0091035A1中所描述，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0069]選擇產(chǎn)生酶的有機(jī)體的生長(zhǎng)溫度以提高有機(jī)體生長(zhǎng)。例如，對(duì)于里氏木霉，最佳溫度通常在20°C與40°C之間(例如，30°C)，并且可針對(duì)所述方法中的那部分對(duì)用于酶產(chǎn)生的溫度進(jìn)行優(yōu)化。例如，對(duì)于里氏木霉，用于酶產(chǎn)生的最佳溫度在20°C與40°C之間(例如，27 0C )。
[0070]結(jié)構(gòu)或載體
[0071]結(jié)構(gòu)或載體可為例如袋、網(wǎng)、膜、殼或任何這些的組合。
[0072]結(jié)構(gòu)或載體可用熱塑性樹(shù)脂制成，所述熱塑性樹(shù)脂例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丁烯、熱塑性聚酯、聚醚、熱塑性聚氨酯、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酰胺或這些的任何組合。
[0073]結(jié)構(gòu)或載體也可由編織或非編織纖維制成。一些優(yōu)選的合成纖維或非纖維材料為例如聚酯、芳族聚酰胺、聚烯烴、PTFE、聚苯硫醚、聚氨酯、聚酰亞胺、丙烯酸、尼龍以及這些的任何組合。
[0074]結(jié)構(gòu)或載體可由可生物降解和/或水溶性聚合物制成，例如，脂族聚酯、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚-3-羥基丁酸酯、聚羥基戊酸酯、聚羥基己酸酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸己二酸丁二醇酯、聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇、聚酐、淀粉衍生物、纖維素酯、乙酸纖維素、硝基纖維素以及這些的任何組合。
[0075]涵蓋的用于結(jié)構(gòu)或載體的其它材料包括例如金屬(例如，鋁、銅)、合金(例如，黃銅、不銹鋼)、陶瓷(例如，玻璃、氧化鋁)、熱固性聚合物(例如，酚醛樹(shù)脂)、復(fù)合材料(例如，纖維玻璃)、生物聚合物以及這些的任何組合。可組合任何結(jié)構(gòu)材料(例如，如以上所公開(kāi)的)以提供結(jié)構(gòu)或載體。
[0076]結(jié)構(gòu)或載體可由可生物降解的、可生物侵蝕的和/或水溶性的聚合物制成?？蓪?duì)聚合物進(jìn)行選擇以在指定時(shí)間或接近指定時(shí)間在其中降解并釋放材料?？蓪?duì)聚合物進(jìn)行選擇以使其將充當(dāng)正在培養(yǎng)的微生物的碳源或營(yíng)養(yǎng)源。例如，聚羥基脂肪酸酯易于由很多堆肥真菌和細(xì)菌所消耗。PHA可為被設(shè)計(jì)成將其內(nèi)容物釋放到所述有機(jī)體的培養(yǎng)物中的結(jié)構(gòu)或載體的良好選擇。
[0077]可選地，結(jié)構(gòu)或載體可被配置由發(fā)酵系統(tǒng)的葉輪撕開(kāi)并由意在由發(fā)酵系統(tǒng)的葉輪撕開(kāi)的材料制成?？砂才虐l(fā)酵混合循環(huán)以將結(jié)構(gòu)或載體在完整狀態(tài)下維持一段時(shí)間并且隨后對(duì)其進(jìn)行改變以使得結(jié)構(gòu)或載體與葉輪接觸。
[0078]容器或載體可具有任何合適的形狀，例如，超環(huán)面、球體、立方體、橢圓形、長(zhǎng)方體、狗骨形、圓柱體、六角棱柱、圓錐體、基于正方形的棱錐、信封或這些的組合。
[0079]容器或結(jié)構(gòu)可具有可密封開(kāi)口并且在一些情況下為可再密封開(kāi)口，如拉鏈、Velcro?鉤環(huán)緊固件、熱封件、夾子、壓敏粘合劑、紐扣或系帶(例如，具有繩或束帶)。
[0080]結(jié)構(gòu)或容器可為剛性、半剛性或非剛性。非剛性容器預(yù)期通常在大多數(shù)方向上是柔性的。半剛性容器可預(yù)期在大多數(shù)方向上有一定柔性。在一些實(shí)施方式中，容器包括柔性織物袋。
[0081]所述袋可具有一些剛性組分，如由金屬線或剛性聚合物制成的框架。容器或載體可具有表面紋理，例如，凹槽、波紋以及縫紋。
[0082]容器可具有分區(qū)，例如，其可具有用相同或不同材料制成的不同小袋和/或可存在相互嵌套的兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)或載體。
[0083]可設(shè)計(jì)容器或載體以便漂浮在介質(zhì)頂部或者可部分浸入其中，或者可將其設(shè)計(jì)成完全浸入介質(zhì)中。例如，袋可具有鉤、環(huán)或粘合劑以允許其粘附至生物反應(yīng)器、罐或其它容器的壁。它還可具有重量，用以保持其部分或全部浸入介質(zhì)中，和/或具有浮力部件，用以使其部分保持在介質(zhì)上方。容器或載體可設(shè)計(jì)成游離在介質(zhì)中。
[0084]結(jié)構(gòu)或載體可具有孔。關(guān)于孔徑，已知可滲透材料可含有孔徑的分布。通常，孔徑被評(píng)級(jí)為絕對(duì)或標(biāo)稱(chēng)。絕對(duì)孔徑評(píng)級(jí)是指使得特定大小的攻擊物質(zhì)或有機(jī)體將以100%效率被保留的孔徑。標(biāo)稱(chēng)孔徑描述了可滲透材料保留大多數(shù)微粒(例如，60%至98% )的能力。兩種評(píng)級(jí)均取決于工藝條件，如壓差、溫度或濃度。
[0085]在一些實(shí)施方式中，容器具有小于約10_，例如小于1000um、750um、500um、250um、100um、75um、50um、25um、10um、lum、0.lum、IOnm 或甚至小于 Inm 的標(biāo)稱(chēng)孔徑或網(wǎng)孔尺寸。在一些實(shí)施方式中，容器具有大于Inm,例如大于10nm、0.lum、10um、25um、50um、75um、100um、250um、500um、750um、1_ 或甚至 10mm 的標(biāo)稱(chēng)孔徑或網(wǎng)孔。
[0086] 如果結(jié)構(gòu)或載體由聚合物制成，則可通過(guò)單軸抑或雙軸地拉伸聚合物來(lái)形成孔。用于配制和拉伸聚合物以制成具有特定孔徑的膜的所述方法在本領(lǐng)域是已知的。[0087]結(jié)構(gòu)或載體可被設(shè)計(jì)成允許插入例如混合裝置、監(jiān)測(cè)裝置、取樣裝置或任何這些的組合。所述設(shè)計(jì)可包括例如被配置來(lái)接收所述裝置的可密封開(kāi)口或配件。監(jiān)測(cè)裝置可為例如PH探頭、氧探頭、溫度探頭、化學(xué)探頭或這些的任何組合。任選地，監(jiān)測(cè)裝置可遠(yuǎn)程操作(例如，通過(guò)無(wú)線連接)并且可游離或者附接到結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)或載體可具有加標(biāo)簽裝置，例如，具有識(shí)別的字母數(shù)字標(biāo)記或識(shí)別的顏色的標(biāo)簽。
[0088]在一些實(shí)施方式中，優(yōu)選的是，結(jié)構(gòu)或載體具有足夠的表面積，例如，以允許結(jié)構(gòu)或載體的內(nèi)容物與介質(zhì)或其它外部組分之間，例如添加劑與生物質(zhì)材料之間的良好交換。具有高表面積還有利于提供微生物(例如，產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體)可任選附著的大面積。
[0089]介質(zhì)
[0090]在本文所述的方法中，結(jié)構(gòu)或載體與介質(zhì)接觸或放置于介質(zhì)中。介質(zhì)可為例如液體、氣體、化學(xué)溶液、懸浮液、膠體、乳液、非均質(zhì)多相系統(tǒng)(例如，與疏水相分層的親水相)以及這些的任何組合。在所述方法期間或之后可對(duì)介質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步操作；例如，可以例如通過(guò)過(guò)濾、離心和/或照射來(lái)對(duì)其進(jìn)行純化和再利用。任選地，介質(zhì)可含有例如以任何組合和順序添加的營(yíng)養(yǎng)物、微粒(例如，含無(wú)機(jī)物或有機(jī)物)、低聚物(例如，粘度調(diào)節(jié)劑)、碳源、表面活性劑(例如，消泡劑)、脂質(zhì)、脂肪、提取物(例如，酵母提取物、酪蛋白提取物和或蔬菜提取物)、金屬離子(例如，F(xiàn)e2+、Mg2+、Mn2+、Cu2+、Na1+、Ca2+、K1+)、陰離子、氮源(例如，氨基酸、氨、尿素)、維生素、蛋白質(zhì)(例如，蛋白胨、酶)、緩沖劑(例如，磷酸鹽)。
[0091]添加劑
[0092]在本文所公開(kāi)的方法中使用的添加劑可包括例如微生物、營(yíng)養(yǎng)物、孢子、酶、酸、堿、氣體、抗生素、藥物以及這些的任何組合。添加劑可在所述方法期間以任何順序和組合添加。所述添加劑可以任何組合或 順序設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體中或者設(shè)置于結(jié)構(gòu)或載體外。
[0093]酶
[0094]在所述方法的一個(gè)實(shí)施方案中，添加劑為由絲狀真菌或細(xì)菌產(chǎn)生的酶。
[0095]酶由廣泛多種真菌、細(xì)菌、酵母以及其它微生物產(chǎn)生并且存在很多用于優(yōu)化纖維素酶的產(chǎn)生和使用的方法。
[0096]產(chǎn)生纖維素酶的絲狀真菌或細(xì)菌通常需要碳源和用于產(chǎn)生纖維素酶的誘導(dǎo)劑。在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，碳源通常為葡萄糖并且誘導(dǎo)劑通常為純纖維素。除了純葡萄糖和純纖維素的成本之外，通過(guò)這種方法產(chǎn)生的分泌型酶用于糖化生物質(zhì)可能較差。在不受任何理論限制的情況下，認(rèn)為這種情況的原因在于所產(chǎn)生的酶特別適用于糖化用于誘導(dǎo)其產(chǎn)生的底物，并且因此如果誘導(dǎo)劑為纖維素，則酶可能不十分適用于降解木質(zhì)纖維素材料。
[0097]產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體的生長(zhǎng)速率和狀態(tài)通過(guò)具體生長(zhǎng)條件來(lái)確定。當(dāng)將宿主細(xì)胞培養(yǎng)物引入含有碳源的發(fā)酵培養(yǎng)基中時(shí)，接種的培養(yǎng)物經(jīng)過(guò)多個(gè)階段。最初沒(méi)有出現(xiàn)生長(zhǎng)。此時(shí)期稱(chēng)為停滯期并且可視為適應(yīng)期。在被稱(chēng)為“指數(shù)期”的下一個(gè)階段期間，宿主細(xì)胞培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速率逐漸增大并且消耗碳源。在最快生長(zhǎng)期之后，速率停止并且培養(yǎng)物進(jìn)入穩(wěn)定期。再過(guò)一段時(shí)間之后，培養(yǎng)物進(jìn)入死亡期并且活細(xì)胞數(shù)目下降。其中在生長(zhǎng)期，纖維素酶的表達(dá)取決于纖維素酶和宿主細(xì)胞。例如，可在指數(shù)期、在指數(shù)期與穩(wěn)定期之間的過(guò)渡期或者可選地在穩(wěn)定期和/或僅在孢子形成之前表達(dá)纖維素酶。也可在一個(gè)以上的以上所提到的時(shí)期產(chǎn)生纖維素酶。
[0098]當(dāng)與生物質(zhì)接觸時(shí)，產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體將傾向于產(chǎn)生釋放有利于有機(jī)體的生長(zhǎng)的分子(如葡萄糖)的酶。這通過(guò)酶誘導(dǎo)的現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于在具體生物材料中存在多種底物，所以存在多種纖維素酶，例如先前所討論的內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及纖維二糖酶。通過(guò)選擇特定木質(zhì)纖維素材料作為誘導(dǎo)劑，可以調(diào)節(jié)這些酶的相對(duì)濃度和/或活性，以使得所得酶復(fù)合物將有效作用于用作誘導(dǎo)劑的木質(zhì)纖維素材料或類(lèi)似材料。例如，與具有很少晶體纖維素的生物材料相比，具有較高部分的晶體纖維素的生物材料可誘導(dǎo)更有效或更大量的內(nèi)切葡聚糖酶。
[0099]由于纖維素不可溶并且對(duì)有機(jī)體不可滲透，已表明在使用纖維素作為誘導(dǎo)劑時(shí)，一種或多種可溶性寡糖(如纖維二糖)實(shí)際上是纖維素酶的直接誘導(dǎo)劑。基礎(chǔ)水平的表達(dá)允許少量纖維素酶將纖維素水解為可溶性寡糖或誘導(dǎo)劑。一旦誘導(dǎo)劑進(jìn)入細(xì)胞，其觸發(fā)由激活蛋白和激活元件介導(dǎo)的纖維素酶基因的完全轉(zhuǎn)錄(full-scale transcription)。在纖維素降解之后，釋放出大量的葡萄糖，這造成代謝物阻遏。
[0100]木質(zhì)纖維素材料包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的不同組合。纖維素是形成相當(dāng)堅(jiān)硬的線性結(jié)構(gòu)而沒(méi)有大量卷繞的葡萄糖的線性聚合物。由于這個(gè)結(jié)構(gòu)以及可形成氫鍵的羥基的布置，纖維素含有晶體和非晶體部分。晶體部分還可具有不同類(lèi)型，例如取決于鏈之間的氫鍵的位置標(biāo)注為I ( α )和I ( β )。聚合物長(zhǎng)度本身可發(fā)生改變從而導(dǎo)致纖維素形式的更多種類(lèi)。半纖維素是若干雜聚物中的任一種，如木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿糖基木聚糖以及木糖葡聚糖。存在的主要糖單體是木糖，但是也存在其他單體，如甘露糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖。通常，半纖維素形成具有低于纖維素的分子量的分支結(jié)構(gòu)。因此，半纖維素是通常易于進(jìn)行酶促水解的無(wú)定形材料。木質(zhì)素通常為復(fù)合的高分子量雜聚物。盡管所有木質(zhì)素顯示出其組成的不同，但是已將其描述為苯基丙烯單元的無(wú)定形枝狀網(wǎng)絡(luò)聚合物。特定生物材料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的量取決于生物材料的來(lái)源。例如，源自木材的生物材料取決于類(lèi)型可為約38% -49%纖維素、7% -26%半纖維素和23% -34%木質(zhì)素。草通常為33% -38%纖維素、24% -32%半纖維素以及17% -22%木質(zhì)素。顯然，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)構(gòu)成一大類(lèi)底物。
[0101]生物質(zhì)材料的多樣性可通過(guò)預(yù)處理，例如通過(guò)改變聚合物的結(jié)晶度和分子量進(jìn)一步增加。生物質(zhì)組成的變化也因地理和季節(jié)性變化(即，何地和何時(shí)收集材料)而增加。
[0102]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可通過(guò)添加酵母提取物、玉米漿、蛋白胨、氨基酸、銨鹽、磷酸鹽、鉀鹽、鎂鹽、鈣鹽、鐵鹽、錳鹽、鋅鹽、鈷鹽或其它添加劑和/或營(yíng)養(yǎng)物和/或碳源來(lái)對(duì)由微生物產(chǎn)生酶進(jìn)行優(yōu)化。在加工期間可添加和去除多種組分以?xún)?yōu)化所希望的有用產(chǎn)物的產(chǎn)生。
[0103]對(duì)于微生物生長(zhǎng)和酶產(chǎn)生最佳的溫度、pH和其它條件通常是本領(lǐng)域已知的。
[0104]生物質(zhì)材料
[0105]如本文使用的術(shù)語(yǔ)“生物質(zhì)材料”包括木質(zhì)纖維素、纖維素、淀粉以及微生物材料。
[0106]木質(zhì)纖維素材料包括但不限于木材、刨花板、林業(yè)廢棄物(例如,鋸末、楊木、木屑)、草(例如，柳枝稷、芒草、繩草、草蘆)、谷物殘?jiān)?例如，稻殼、燕麥殼、小麥殼、大麥殼)、農(nóng)業(yè)廢棄物(例如，青貯飼料、油菜秸、小麥秸、大麥秸、燕麥秸、稻秸、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸桿、大豆秸桿、玉米纖維、苜蓿、干草、椰子毛)、糖加工殘?jiān)?例如，甘蔗渣、甜菜漿、龍舌蘭渣)、海藻、海草、糞肥、污物、以及任何這些的混合物。[0107]在一些情況下，木質(zhì)纖維素材料包括玉米穗軸。磨碎或錘磨粉碎的玉米穗軸可以相對(duì)均勻厚度的層進(jìn)行鋪展以用于照射，并且在照射之后易于分散在介質(zhì)中以進(jìn)行進(jìn)一步加工。為了促進(jìn)收獲和收集，在一些情況下，使用整個(gè)玉米植株，包括玉米秸桿、玉米粒，并且在一些情況下甚至包括所述植株的根系統(tǒng)。
[0108]有利地，在玉米穗軸或含有顯著大量玉米穗軸的纖維素或木質(zhì)纖維素材料的發(fā)酵期間不需要另外的營(yíng)養(yǎng)物(除了氮源，例如尿素或氨之外)。
[0109]玉米穗軸在粉碎之前和之后也更易于輸送和分散，并且與如干草和草的其它纖維素或木質(zhì)纖維素材料相比，具有較小的在空氣中形成爆炸混合物的傾向。
[0110]纖維素材料包括例如紙、紙制品、廢紙、紙漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜志、印刷品(例如，書(shū)、目錄、手冊(cè)、標(biāo)簽、日歷、賀卡、小冊(cè)子、內(nèi)容說(shuō)明書(shū)、新聞?dòng)眉?、打印紙、多涂層紙、卡片材料、卡紙板、紙板、具有高α -纖維素含量的材料(如棉花)，以及任何這些的混合物。例如，如美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/396,365(在2012年2月14日提交的Medoff等的“Magazine Feedstocks”)中所述的紙制品,所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0111]纖維素材料還可包括已脫木質(zhì)化的木質(zhì)纖維素材料。
[0112]淀粉材料包括淀 粉本身(例如玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉或米淀粉)、淀粉衍生物或者包括淀粉的材料(如可食用的食物產(chǎn)品或農(nóng)作物)。例如，淀粉材料可以是秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草、西米、高粱、普通家用馬鈴薯、甜薯、芋頭、山藥，或一種或多種豆類(lèi)，如蠶豆、扁豆或豌豆。任何兩種或更多種淀粉材料的共混物也是淀粉材料。還可使用淀粉、纖維素和或木質(zhì)纖維素材料的混合物。例如，生物質(zhì)可以是整個(gè)植株、植株的一部分或植株的不同部分，例如，小麥植株、棉花植株、玉米植株、水稻植株或樹(shù)?？赏ㄟ^(guò)本文所述的任何方法處理淀粉材料。
[0113]微生物材料包括但不限于含有或能夠提供碳水化合物(例如，纖維素)源的任何天然存在或基因修飾的微生物或有機(jī)體，例如原生生物，例如動(dòng)物原生生物(例如，原生動(dòng)物，如鞭毛蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和孢子蟲(chóng))和植物原生生物(例如,海藻,如alveolates、chlorarachniophytes>隱藻、裸藻、灰藻、定鞭藻、紅藻、不等鞭毛藻、以及綠色植界(viridaeplantae))。其它實(shí)例包括海草、浮游生物(例如,大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物以及超微微型浮游生物)、浮游植物、細(xì)菌(例如，革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌以及極端微生物)、酵母和/或這些的混合物。在一些情況下，微生物生物質(zhì)可從天然來(lái)源獲得，例如海洋、湖泊、水體(例如，咸水或淡水)或在陸地上。或者或另外，微生物生物質(zhì)可從培養(yǎng)系統(tǒng)獲得，例如大規(guī)模干燥與濕潤(rùn)培養(yǎng)和發(fā)酵系統(tǒng)。
[0114]生物質(zhì)材料還可包括下水和類(lèi)似來(lái)源的材料。
[0115]在其它實(shí)施方案中，如纖維素、淀粉和木質(zhì)纖維素原料材料的生物質(zhì)材料可從已相對(duì)于野生型品種修飾的轉(zhuǎn)基因微生物和植物獲得。所述修飾可例如通過(guò)選擇和育種的迭代步驟來(lái)在植物中獲得所希望的性狀。此外，所述植物相對(duì)于野生型品種可已被去除、修飾、沉默和/或添加遺傳材料。例如,遺傳修飾的植物可通過(guò)重組DNA方法產(chǎn)生，其中遺傳修飾包括引入或修飾來(lái)自親本品種的特定基因；或者例如通過(guò)使用轉(zhuǎn)基因育種來(lái)產(chǎn)生，其中將一個(gè)或多個(gè)特定基因從不同品種的植物和/或細(xì)菌中引入到植物中。形成遺傳變異的另一種方式是通過(guò)突變育種，其中新的等位基因由內(nèi)源基因人工形成。人工基因可通過(guò)多種方式形成，所述方式包括用例如化學(xué)誘變劑(例如，使用烷化劑、環(huán)氧化物、生物堿、過(guò)氧化物、甲醛)、照射(例如，X-射線、Y射線、中子、β粒子、α粒子、質(zhì)子、氘核、UV輻射)以及溫度沖擊或其它外部應(yīng)力處理植株或種子，以及隨后的選擇技術(shù)。提供修飾的基因的其它方法是通過(guò)易錯(cuò)PCR和DNA改組，隨后將所希望的修飾的DNA插入到所希望的植株或種子中。在種子或植株中引入所希望的遺傳變異的方法包括例如細(xì)菌載體的使用、基因槍、磷酸鈣沉淀法、電穿孔、基因剪接、基因沉默、脂轉(zhuǎn)染、微量注射以及病毒載體。另外的遺傳修飾的材料已在2012年2月14日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/396，369中描述，所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0116]可使用本文所述的任何生物質(zhì)材料的混合物實(shí)踐本文所述的任何方法。
[0117]生物質(zhì)材料制備-機(jī)械處理
[0118]生物質(zhì)可處于干燥形式，例如具有小于約35%含濕量(例如，小于約20%、小于約15 %、小于約10%、小于約5%、小于約4 %、小于約3%、小于約2%或甚至小于約1% )。生物質(zhì)還可在濕潤(rùn)狀態(tài)下例如作為濕固體、具有至少約10wt%固體的漿液或懸浮液(例如，至少約20wt.%、至少約30wt.%、至少約40wt.%、至少約50wt.%、至少約60wt.%、至少約70wt.% )遞送。
[0119]本文公開(kāi)的方法可利用低堆積密度材料，例如已物理預(yù)處理成具有小于約0.75g/cm3，例如小于約 0.7,0.65,0.60,0.50,0.35,0.25,0.20,0.15,0.10,0.05 或更小，例如小于
約0.025g/cm3的堆積密度的纖維素或木質(zhì)纖維素原料。使用ASTM D1895B確定堆積密度。簡(jiǎn)單地說(shuō)，所述方法涉及用樣品填充具有已知體積的量筒以及獲得樣品的重量。堆積密度通過(guò)用樣品重量(克)除以已 知的量筒體積(立方厘米)來(lái)計(jì)算。如果需要，可通過(guò)Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，971，809中所述的方法對(duì)低堆積密度材料進(jìn)行致密化，所述專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0120]在一些情況下，預(yù)處理加工包括生物質(zhì)材料的篩選?？赏ㄟ^(guò)具有所希望的開(kāi)口尺寸的網(wǎng)或多孔板進(jìn)行篩選，所述開(kāi)口尺寸例如小于約6.35mm(l/4英寸，0.25英寸)(例如，小于約3.18mm(1/8英寸,0.125英寸)、小于約1.59mm(1/16英寸,0.0625英寸)、小于約0.79mm(l/32英寸，0.03125英寸)、例如小于約0.51mm(l/50英寸，0.02000英寸)、小于約
0.40mm (1/64 英寸，0.015625 英寸)、小于約 0.23mm (0.009 英寸)、小于約 0.20mm (1/128 英寸，0.0078125英寸)、小于約0.18mm (0.007英寸)、小于約0.13mm (0.005英寸)，或甚至小于約0.10mm(l/256英寸，0.00390625英寸))。在一種配置中，所希望的生物質(zhì)通過(guò)穿孔或篩網(wǎng)掉落，并且因此不照射大于穿孔或篩網(wǎng)的生物質(zhì)。這些較大材料可以例如通過(guò)粉碎來(lái)重新加工或者可簡(jiǎn)單地將其從加工中去除。在另一種配置中，照射大于穿孔的材料并且通過(guò)篩選方法去除較小材料或?qū)⑵湓傺h(huán)。在這種配置中，輸送器本身(例如，輸送器的一部分)可為有穿孔的或者用網(wǎng)制成。例如，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，生物質(zhì)材料可以是濕的并且穿孔或網(wǎng)允許在照射之前將水從生物質(zhì)中排出。
[0121]材料的篩選還可通過(guò)手動(dòng)方法，例如通過(guò)去除不想要的材料的操作員或機(jī)械體(例如，配備有顏色、反射率或其它傳感器的機(jī)器人)進(jìn)行。篩選還可通過(guò)磁篩選進(jìn)行，其中將磁鐵設(shè)置在輸送的材料附近并且通過(guò)磁力去除磁性材料。
[0122]任選預(yù)處理加工可包括加熱材料。例如，輸送器的一部分可傳送通過(guò)加熱區(qū)域。加熱區(qū)域可例如通過(guò)IR輻射、微波、燃燒(例如，氣體、煤、油、生物質(zhì))、電阻性加熱和/或感應(yīng)線圈來(lái)形成?？蓮闹辽僖粋€(gè)側(cè)面或一個(gè)以上側(cè)面施加熱量，熱量可以是連續(xù)的或間斷的，并且可僅用于部分材料或者用于所有材料。例如，可通過(guò)使用加熱套來(lái)加熱輸送溜槽的一部分。可以例如出于干燥材料的目的進(jìn)行加熱。在干燥材料的情況下，在加熱或不加熱的情況下，這還可通過(guò)在正在輸送生物質(zhì)時(shí)，氣體(例如，空氣、氧氣、氮?dú)?、He、CO2、氬氣)在生物質(zhì)上和/或通過(guò)所述生物質(zhì)的移動(dòng)來(lái)促進(jìn)。
[0123]任選地，預(yù)處理加工可包括冷卻所述材料。冷卻材料在Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，900, 857中描述，所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。例如，可通過(guò)將冷卻流體，例如水(例如，具有甘油)或氮(例如，液氮)供應(yīng)至輸送溜槽的底部來(lái)進(jìn)行冷卻?；蛘?，可將冷卻氣體，例如冷凍氮?dú)獯邓偷缴镔|(zhì)材料上或輸送系統(tǒng)下。
[0124]另一種任選的預(yù)處理加工方法可包括向生物質(zhì)添加一種材料。所述另外的材料可以(例如)通過(guò)在輸送所述生物質(zhì)時(shí)將材料噴淋、噴灑和或傾倒至生物質(zhì)上來(lái)添加?？商砑拥牟牧习ɡ缃饘佟⑻沾珊?或離子，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2010/0105119A1 (2009年10月26日提交)和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2010/0159569A1(2009年12月16日提交)中所描述，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文?？商砑拥娜芜x材料包括酸和堿?？商砑拥钠渌牧蠟檠趸瘎?例如，過(guò)氧化物、氯酸鹽)、聚合物、可聚合單體(例如，含有不飽和鍵)、水、催化劑、酶和/或有機(jī)體?？衫缫约兊男问?、作為在溶劑(例如，水或有機(jī)溶劑)中的溶液和/或作為溶液添加材料。在一些情況下，溶劑是揮發(fā)性的并且可例如通過(guò)加熱和/或吹送如先前所述的氣體使其蒸發(fā)。添加的材料可在生物質(zhì)上形成均勻涂層或者為不同組分(例如，生物質(zhì)和另外的材料)的均勻混合物。添加的材料可通過(guò)增加照射效率、阻尼照射或改變照射效果(例如，從電子束至X-射線或加熱)來(lái)調(diào)節(jié)隨后的照射步驟。所述方法可不影響照射，但可對(duì)進(jìn)一步的下游加工有用。添加的材料可例如通過(guò)降低粉塵水平來(lái)幫助輸送材料。
[0125]生物質(zhì)可通過(guò)皮帶輸送機(jī)、氣動(dòng)輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、料斗、管、手動(dòng)或者通過(guò)這些的組合遞送至輸送機(jī)?？赏ㄟ^(guò)任何這些方法將生物質(zhì)例如滴加、傾倒和/或放置在輸送機(jī)上。在一些實(shí)施方案中，使用封閉的材料分配系統(tǒng)將材料遞送至輸送機(jī)，以幫助維持低氧氣氛和/或控制粉塵和細(xì)粉。漂浮的或空氣懸浮的生物質(zhì)細(xì)粉和粉塵是不希望的，因?yàn)檫@些可形成爆炸隱患或損害電子槍的窗口箔(如果所述裝置用于處理材料)。
[0126]可使材料均衡以形成在約0.0312英寸與5英寸之間的統(tǒng)一厚度(例如，在約
0.0625英寸與2.000英寸之間、在約0.125英寸與I英寸之間、在約0.125英寸與0.5英寸之間、在約0.3英寸與0.9英寸之間、在約0.2英寸與0.5英寸之間、在約0.25英寸與
1.0英寸之間、在約0.25英寸與0.5英寸之間、0.100+/-0.025英寸、0.150+/-0.025英寸、0.200+/-0.025 英寸、0.250+/-0.025 英寸、0.300+/-0.025 英寸、0.350+/-0.025 英寸、0.400+/-0.025 英寸、0.450+/-0.025 英寸、0.500+/-0.025 英寸、0.550+/-0.025 英寸、0.600+/-0.025 英寸、0.700+/-0.025 英寸、0.750+/-0.025 英寸、0.800+/-0.025 英寸、
0.850+/-0.025 英寸、0.900+/-0.025 英寸、0.900+/-0.025 英寸)。
[0127] 一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)選盡可能快地將材料輸送通過(guò)電子槍以使流通量最大化。例如，可以至少lft/min的速率，例如至少2ft/min、至少3ft/min、至少4ft/min、至少5ft/min、至少10ft/min、至少15ft/min、20、25、30、35、40、45、50ft/min的速率輸送材料。輸送速率與射束電流相關(guān)，例如對(duì)于I/4英寸厚的生物質(zhì)和IOOmA,輸送機(jī)可以約20ft/min移動(dòng)以提供有用的照射劑量，在50mA下，輸送機(jī)可以約10ft/min移動(dòng)以提供近似相同的照射劑量。
[0128]生物質(zhì)材料在輸送通過(guò)輻射區(qū)域之后，可進(jìn)行任選后處理加工。任選后處理加工可以是例如相對(duì)于預(yù)照射加工所描述的方法。例如，生物質(zhì)可進(jìn)行篩選、加熱、冷卻和/或與添加劑組合。對(duì)于后照射獨(dú)特的是可發(fā)生自由基的淬滅，例如通過(guò)添加流體或氣體(例如，氧氣、一氧化二氮、氨、液體)、使用壓力、加熱和/或添加自由基清除劑進(jìn)行自由基的淬滅。例如，可將生物質(zhì)輸送出封閉的輸送機(jī)并將其暴露于氣體(例如，氧氣)，其在所述氣體中淬滅，從而形成羧基化基團(tuán)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在照射反應(yīng)性氣體或流體期間暴露生物質(zhì)。已照射的生物質(zhì)的淬滅在Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8，083, 906中描述,所述專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0129]如果需要，可使用除照射之外的一種或多種機(jī)械處理以進(jìn)一步減小生物質(zhì)材料的不順應(yīng)性。可在照射之前、期間和或之后應(yīng)用這些方法。
[0130]在一些情況下，機(jī)械處理可包括如通過(guò)粉碎(例如切割、研磨、剪切、磨粉或斬切)來(lái)初始制備所接收的原料，如材料的尺寸縮減。例如，在一些情況下，通過(guò)剪切或切剁來(lái)制備疏松原料(例如，再循環(huán)的紙、淀粉材料或柳枝稷)。機(jī)械處理可減小生物質(zhì)材料的堆積密度、增加生物質(zhì)材料的表面積和/或降低生物質(zhì)材料的一個(gè)或多個(gè)尺寸。
[0131]或者或另外，原料材料可首先通過(guò)一種或多種其它物理處理方法(例如化學(xué)處理、輻射、超聲處理、氧化、熱解或蒸汽爆炸)進(jìn)行物理處理，并隨后進(jìn)行機(jī)械處理。這個(gè)順序可以是有利的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)一種或多種其它處理(例如照射或熱解)進(jìn)行處理的材料傾向于更脆，并且因此可更易于通過(guò)機(jī)械處理進(jìn)一步改變材料的結(jié)構(gòu)。例如，可如本文所述使用輸送機(jī)將原料材料輸送通過(guò)電離輻射并且隨后進(jìn)行機(jī)械處理?；瘜W(xué)處理可除去一些或全部木質(zhì)素(例如，化學(xué)制漿)并且可使材料部分或完全水解。所述方法還可用于預(yù)先水解的材料。所述方法還可用于未預(yù)先水解的材料。所述方法可用于水解材料和未水解材料的混合物，例如具有約50%或更多的未水解材料、具有約60%或更多的未水解材料、具有約70%或更多的未水解材料、具有約80%或更多的未水解材料或甚至具有90%或更多的未水解材料的混合物。
[0132]除了尺寸縮減(可在加工期間初期和/或后期進(jìn)行)之外，機(jī)械處理還可有利地“打開(kāi)”、“壓緊”、破壞或破碎生物質(zhì)材料，從而使材料的纖維素在物理處理期間更易于斷鏈和/或晶體結(jié)構(gòu)破裂。
[0133]機(jī)械處理生物質(zhì)材料的方法包括例如碾磨或研磨?？墒褂美缒シ蹤C(jī)、球磨機(jī)、膠體磨、圓錐或錐形磨、盤(pán)磨機(jī)、輪碾機(jī)、威利磨(Wiley mill)、谷物碾磨機(jī)或其它磨進(jìn)行碾磨?？墒褂美缜懈?沖擊型研磨機(jī)進(jìn)行研磨。一些示例性研磨機(jī)包括石料研磨機(jī)、銷(xiāo)棒研磨機(jī)、咖啡研磨機(jī)以及磨盤(pán)式研磨機(jī)。研磨或碾磨可以例如通過(guò)使銷(xiāo)棒或其它元件往復(fù)移動(dòng)來(lái)提供，在銷(xiāo)棒碾磨機(jī)中就是這樣。其它機(jī)械處理方法包括機(jī)械撕破、撕裂、剪切或斬切、對(duì)纖維施加壓力的其它方法以及空氣摩擦碾磨。合適的機(jī)械處理進(jìn)一步包括繼續(xù)進(jìn)行由先前的加工步驟引發(fā)的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂的任何其它技術(shù)。
[0134]機(jī)械進(jìn)料制備系統(tǒng)可被配置成產(chǎn)生具有特定特征(例如像特定最大尺寸、特定長(zhǎng)寬比或特定表面積比)的進(jìn)料流。物理制備可提高反應(yīng)速率、改善材料在輸送機(jī)上的移動(dòng)、改善材料的照射曲線、提高材料的輻射均勻度、或者減少打開(kāi)材料并使其對(duì)于方法和/或試劑(如溶液中的試劑)更易接近所需要的加工時(shí)間。
[0135]可以控制(例如，增大)原料的堆積密度。在一些情況下，可希望例如通過(guò)使材料致密化(例如，致密化可使將其運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)位置更容易并且成本更低)以及隨后使材料恢復(fù)到較低堆積密度狀態(tài)(例如，在運(yùn)輸之后)來(lái)制備低堆積密度材料?？墒共牧现旅芑鐝男∮诩s0.2g/cc至大于約0.9g/cc (例如，小于約0.3g/cc至大于約0.5g/cc、小于約0.3g/cc至大于約0.9g/cc、小于約0.5g/cc至大于約0.9g/cc、小于約0.3g/cc至大于約0.8g/cc、小于約0.2g/cc至大于約0.5g/cc)。例如，可通過(guò)在Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，932，065和國(guó)際公布號(hào)W02008/073186(2007年10月26日提交，以英語(yǔ)公布并且指定美國(guó))中公開(kāi)的方法和設(shè)備來(lái)使材料致密化，所述專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文?？赏ㄟ^(guò)本文所述的任何方法加工致密化的材料，或者由本文所述的任何方法加工的任何材料可隨后致密化。
[0136]在一些實(shí)施方案中，待加工的材料呈纖維材料的形式，所述纖維材料包括通過(guò)剪切纖維來(lái)源提供的纖維。例如，可用旋轉(zhuǎn)切割機(jī)進(jìn)行剪切。
[0137]例如，可以例如在旋轉(zhuǎn)切割機(jī)中剪切例如具有不順應(yīng)性的或其不順應(yīng)性水平已減小的纖維來(lái)源，以提供第一纖維材料。使第一纖維材料通過(guò)例如具有1.59_或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的平均開(kāi)口尺寸的第一篩網(wǎng)，提供第二纖維材料。如果需要，可在剪切之前例如用切碎機(jī)切割纖維來(lái)源。例如，當(dāng)使用紙作為纖維來(lái)源時(shí)，可首先用切碎機(jī)，例如反相旋轉(zhuǎn)螺旋切碎機(jī)(如由Munson (Utica, N.Y.)制造的那些)將紙切割成例如1/4-英寸至1/2-英寸寬的條。作為切碎的替代，可通過(guò)使用閘刀式切紙機(jī)切割至所希望的尺寸來(lái)減小紙的尺寸。例如，閘刀式切紙機(jī)可用于將紙切割成例如10英寸寬X 12英寸長(zhǎng)的片。
[0138]在一些實(shí)施方案中，纖維來(lái)源的剪切和使所得的第一纖維材料通過(guò)第一篩網(wǎng)是同時(shí)進(jìn)行的。也可以在 間歇型過(guò)程中進(jìn)行剪切和通過(guò)。
[0139]例如，旋轉(zhuǎn)切割機(jī)可用于同時(shí)剪切纖維來(lái)源和篩選第一纖維材料。旋轉(zhuǎn)切割機(jī)包括可裝載有通過(guò)切碎纖維來(lái)源制備的切碎的纖維來(lái)源的料斗。切碎的纖維來(lái)源。
[0140]在一些實(shí)施方式中，在糖化和/或發(fā)酵之前對(duì)原料進(jìn)行物理處理。物理處理方法可包括一種或多種本文所述的任何那些方法，如機(jī)械處理、化學(xué)處理、照射、超聲處理、氧化、熱解或蒸汽爆炸。處理方法可與兩種、三種、四種或甚至所有這些技術(shù)組合使用(以任何順序)。當(dāng)使用一種以上的處理方法時(shí)，所述方法可同時(shí)或不同時(shí)應(yīng)用。改變生物質(zhì)原料的分子結(jié)構(gòu)的其它方法也可單獨(dú)使用或與本文所公開(kāi)的方法組合使用。
[0141]可使用的機(jī)械處理以及機(jī)械處理的生物質(zhì)材料的特征在2011年10月18日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0100577A1中進(jìn)一步詳細(xì)描述，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入本文。
[0142]生物質(zhì)材料的處理一粒子轟擊
[0143]用高能粒子轟擊進(jìn)行的一種或多種處理可用于加工來(lái)自廣泛多種不同來(lái)源的生原料，以從原料中提取有用物質(zhì)，并且提供充當(dāng)進(jìn)一步的加工步驟和/或順序的輸入物的部分降解的有機(jī)材料。粒子轟擊可減小原料的分子量和/或結(jié)晶度。在一些實(shí)施方案中，使用在從其原子軌道釋放電子的材料中沉積的能量處理材料?？赏ㄟ^(guò)重帶電粒子(如α粒子或質(zhì)子)、電子(例如，在β衰變或電子束加速器中產(chǎn)生的)或電磁輻射(例如，Y射線、X射線或紫外線)提供轟擊?？蛇x地，可使用通過(guò)放射性物質(zhì)產(chǎn)生的輻射來(lái)處理原料。可以任何順序或同時(shí)利用這些處理的任何組合。在另一種方法中，可使用電磁輻射(例如，使用電子束發(fā)射器產(chǎn)生的)來(lái)處理原料。
[0144]每種形式的能量經(jīng)由特定的相互作用使生物質(zhì)電離。重帶電粒子主要經(jīng)由庫(kù)侖散射使物質(zhì)電離；此外，這些相互作用產(chǎn)生可進(jìn)一步使物質(zhì)電離的高能電子。α粒子與氦原子核相同并且由各種放射性核的α衰變產(chǎn)生，所述放射性核如鉍、針、砹、氡、鈁、鐳、一些錒系(如錒、娃、鈾、镎、鋦、锎、镅、以及钚)的同位素。
[0145]當(dāng)利用粒子時(shí)，其可以是中性(不帶電)、帶正電或帶負(fù)電的。當(dāng)帶電時(shí)，帶電粒子可攜帶單個(gè)正電荷或負(fù)電荷，或多個(gè)電荷，例如一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或甚至四個(gè)或更多個(gè)電荷。在其中希望斷鏈的情況下，帶正電的粒子部分由于其酸性特性而可為所希望的。當(dāng)利用粒子時(shí),粒子可具有靜止電子的質(zhì)量,或者更大,例如靜止電子質(zhì)量的500、1000、1500或2000或更多倍。例如，粒子可具有約I原子單位至約150原子單位,例如,約I原子單位至約50原子單位或約I原子單位至約25原子單位，例如1、2、3、4、5、10、12或15原子單位的質(zhì)量。用于加速粒子的加速器可為靜電DC、電動(dòng)力學(xué)DC、RF線性波、磁感應(yīng)線性波或連續(xù)波。例如，回旋型加速器可從IBA(離子束加速器,Louvain-1a-Neuve,比利時(shí))購(gòu)得,如Rhodotron?系統(tǒng),而DC型加速器可從RDI (現(xiàn)在的IBA Industrial)購(gòu)得,如Dynamitron?。在以下中討論了離子和離子加速器！Introductory Nuclear Physics, Kenneth S.Krane,John ffiley&Sons,Inc.(1988)，Krsto Prelec, FIZIKA B6(1997)4，177-206 ；Chu, William T., “Overview of Light-1on Beam Therapy，，，Columbus-Ohio, ICRU-1AEA Meeting, 18-202006 年 3 月；Iwata，Y.等，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL forHeavy-1on Medical Accelerators，，，Proceedings of EPAC2006,愛(ài)丁堡，蘇格蘭；以及Leitner, C.Μ.等，“Status of the Superconducting ECR 1n Source Venus，，, Proceedingsof EPAC2000,維也納，奧地利。
[0146]劑量取決于所希望的效果和具體原料來(lái)應(yīng)用。例如，高劑量可使原料組分內(nèi)的化學(xué)鍵斷開(kāi)，而低劑量可增加原料組分內(nèi)的化學(xué)鍵合(例如，交聯(lián))。
[0147]在一些情況下，當(dāng)希望斷鏈和/或希望聚合物鏈官能化時(shí)，可利用比電子重的粒子，如質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。當(dāng)需要開(kāi)環(huán)斷鏈時(shí)，帶正電粒子由于其路易斯酸特性而可用于增強(qiáng)開(kāi)環(huán)斷鏈。例如，當(dāng)需要含氧官能團(tuán)時(shí)，可在氧存在下進(jìn)行處理或甚至用氧離子進(jìn)行處理。例如，當(dāng)需要含氮官能團(tuán)時(shí)，可在氮存在下進(jìn)行處理或甚至用氮離子進(jìn)行處理。
[0148]其它形式的能量
[0149]電子經(jīng)由庫(kù)侖散射和由電子速度的改變產(chǎn)生的軔制輻射相互作用。電子可由經(jīng)歷β衰變的放射性核(如碘、銫、锝和銥的同位素)產(chǎn)生?？蛇x地，電子槍可經(jīng)由熱電子發(fā)射而用作電子源。
[0150]電磁輻射經(jīng)由三個(gè)過(guò)程相互作用:光電吸收、康普頓散射、以及對(duì)產(chǎn)生。通過(guò)入射輻射的能量和材料的原子序數(shù)確定主要相互作用。促成纖維材料中的所吸收輻射的相互作用的總和可由質(zhì)量吸收系數(shù)表示。
[0151]電磁輻射根據(jù)波長(zhǎng)細(xì)分為Y射線、X射線、紫外線、紅外線、微波或無(wú)線電波。
[0152]例如，可采用Y輻射處理材料。Y輻射具有進(jìn)入樣品的各種材料中的顯著穿透深度的優(yōu)點(diǎn)。Y射線源包括放射性核，如鈷、鈣、锝、鉻、鎵、銦、碘、鐵、氪、釤、硒、鈉、鉈以及氙的同位素。
[0153]X射線源包括電子束與金屬靶(如鎢或鑰或合金)的碰撞或緊湊光源，如由Lyncean商業(yè)化生產(chǎn)的那些。
[0154]紫外輻射源包括氘燈或鎘燈。
[0155]紅外輻射源包括藍(lán)寶石、鋅、或硒化物窗口陶瓷燈。
[0156]微波源包括速調(diào)管、Slevin型RF源、或采用氫氣、氧氣或氮?dú)獾脑邮础?br> [0157]在本文所公開(kāi)的方法中可使用多種其它裝置，包括場(chǎng)致電離源、靜電離子分離器、場(chǎng)致電離發(fā)生器、熱電子發(fā)射源、微波放電離子源、再循環(huán)或靜電加速器、動(dòng)態(tài)線性加速器、范德格拉夫加速器(van de Graaff accelerator)以及折疊式串列加速器。所述裝置公開(kāi)于例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，931，784B2中，所述專(zhuān)利的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0158]生物質(zhì)材料的處理一電子轟擊
[0159]可用電子轟擊處理原料以改變其結(jié)構(gòu)并且從而減小其不順應(yīng)性。所述處理可例如減小原料的平均分子量、改變?cè)系木w結(jié)構(gòu)，和/或增加原料的表面積和/或孔隙率。
[0160]通常優(yōu)選經(jīng)由電子束的電子轟擊，因?yàn)槠涮峁┓浅８叩牧魍坎⑶乙驗(yàn)橄鄬?duì)低電壓/高功率電子束裝置的使用消除了對(duì)昂貴的混凝土穹頂屏蔽物的需要，因?yàn)樗鲅b置是“自屏蔽的”并且提供安全有效的方法。雖然“自屏蔽的”裝置確實(shí)包括屏蔽物(例如，金屬板屏蔽物)，但是其不需要構(gòu)建混凝土穹頂，這大大減少了資本支出并且常常允許使用現(xiàn)有制造設(shè)施而無(wú)需昂貴的修改。電子束加速器可從例如IBA(1n BeamApplications, Louvain-la-Neuve, I:匕利時(shí))、Titan Corporation (San Diego,加州,USA)以及 NHV Corporation (Nippon High Voltage,日本)購(gòu)得。
[0161]可使用電子束裝置進(jìn)行電子轟擊，所述電子束裝置具有小于lOMeV、例如小于7MeV、小于 5MeV、或小于 2MeV、例如約 0.5MeV 至 1.5MeV、約 0.8MeV 至 1.8MeV、約 0.7MeV 至IMeV或約IMeV至3MeV的標(biāo)稱(chēng)能量。在一些實(shí)施方式中，標(biāo)稱(chēng)能量為約500keV至800keV。
[0162]電子束可具有相對(duì)高的總束功率(所有加速頭的組合束功率，或者如果使用多個(gè)加速器，則為所有加速器和所有頭的組合束功率)，例如，至少25kW，例如至少30、40、50、60、65、70、80、100、125*150kW。在一些情況下，功率甚至高達(dá) 500kW、750kW 或甚至 1000kW或更大。在一些情況下，電子束具有1200kW或更大的束功率。
[0163]這種高的總束功率通常通過(guò)利用多個(gè)加速頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，電子束裝置可包括兩個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)加速頭。各自具有相對(duì)低的束功率的多個(gè)頭的使用防止材料中的溫度過(guò)度上升，從而防止材料燃燒并且還增加貫穿材料層厚度的劑量均勻性。
[0164]在一些實(shí)施方式中，希望在電子轟擊期間冷卻材料。例如，可在例如通過(guò)螺桿擠出機(jī)或其它輸送設(shè)備輸送材料時(shí)冷卻所述材料。
[0165]為了減少不順應(yīng)性減小過(guò)程中所需要的能量，希望盡可能快地處理材料。一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)選以大于約0.25毫拉德(Mrad)/秒，例如大于約0.5,0.75、1、1.5、2、5、7、10、12、15或甚至大于約20毫拉德/秒，例如約0.25至2毫拉德/秒的劑量速率進(jìn)行處理。更高劑量速率通常需要更高線速度，以避免材料的熱分解。在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于約20_的樣品厚度(例如，具有0.5g/cm3的堆積密度的粉碎的玉米穗軸材料)，將加速器設(shè)定為3MeV、50mAmp射束電流并且線速度為24英尺/分鐘。
[0166] 在一些實(shí)施方案中，進(jìn)行電子轟擊直到材料接收至少0.5毫拉德，例如至少5、10、20,30或至少40毫拉德的總劑量。在一些實(shí)施方案中，進(jìn)行處理直到材料接收約0.5毫拉德至約150毫拉德、約I毫拉德至約100毫拉德、約2毫拉德至約75毫拉德、10毫拉德至約50毫拉德，例如約5毫拉德至約50毫拉德、約20毫拉德至約40毫拉德、約10毫拉德至約35毫拉德、或約25毫拉德至約30毫拉德的劑量。在一些實(shí)施方式中，優(yōu)選25毫拉德至35毫拉德的總劑量，其(例如)以5毫拉德/道次(Mrad/pass)在幾秒內(nèi)理想地施加，其中每道次應(yīng)用約一秒。在一些情況下施加大于7至8毫拉德/道次的劑量可引起原料材料的熱降解。
[0167]使用如上所討論的多個(gè)頭，可以在多道次，例如由幾秒鐘的冷卻間隔開(kāi)的10至20毫拉德/道次(例如12至18毫拉德/道次)下的兩道次，或者7至12毫拉德/道次(例如9至11毫拉德/道次)的三道次處理材料。如以上所討論，用若干相對(duì)低的劑量而不是一個(gè)高劑量處理材料傾向于防止材料過(guò)熱并且還增加貫穿材料厚度的劑量均勻性。在一些實(shí)施方式中，在每道次期間或之后攪拌或以其它方式混合材料，并且隨后在下一個(gè)道次之前再次將其平滑成均勻?qū)?，以進(jìn)一步增強(qiáng)處理均勻性。
[0168]在一些實(shí)施方案中，將電子加速至例如大于光速的75%，例如大于光速的85%、90%、95%或99%的速度。
[0169]在一些實(shí)施方案中，本文所述的任何加工發(fā)生在獲得時(shí)就保持干燥或者已例如使用加熱和/或減壓進(jìn)行干燥的木質(zhì)纖維素材料上。例如，在一些實(shí)施方案中，在25°C和50%相對(duì)濕度下測(cè)量，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料具有小于約5重量％的殘留水。
[0170]可在纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料暴露于空氣、富氧空氣或甚至氧氣本身或者由如氮?dú)狻鍤饣蚝獾亩栊詺怏w覆蓋時(shí)施加電子轟擊。當(dāng)希望最大化氧化時(shí)，利用氧化環(huán)境(如空氣或氧氣)，并且優(yōu)化與束源的距離以使反應(yīng)性氣體(例如臭氧和/或氮的氧化物)形成最大化。
[0171]在一些實(shí)施方案中，使用兩個(gè)或更多個(gè)電子源，如兩個(gè)或更多個(gè)電離源。例如，可以任何順序用電子束、隨后用Y輻射和具有約IOOnm至約280nm波長(zhǎng)的UV光處理樣品。在一些實(shí)施方案中，用三種電離輻射源(如電子束、Y輻射和高能UV光)處理樣品。將生物質(zhì)輸送通過(guò)處理區(qū)域，其中用電子轟擊所述生物質(zhì)。通常優(yōu)選的是，生物質(zhì)材料床在處理時(shí)具有如先前所述的相對(duì)均勻的厚度。
[0172]重復(fù)處理以更徹底地減小生物質(zhì)的不順應(yīng)性和/或進(jìn)一步改性生物質(zhì)可為有利的。具體地說(shuō)，可根據(jù)材料的不順應(yīng)性，在第一(例如，第二、第三、第四或更多)道次之后調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。在一些實(shí)施方案中，可使用包括循環(huán)系統(tǒng)的輸送器，其中將生物質(zhì)多次輸送通過(guò)以上所述的各個(gè)過(guò)程。在一些其它實(shí)施方案中，使用多個(gè)處理裝置(例如，電子束發(fā)生器)將生物質(zhì)處理多次(例如，2次、3次、4次或更多次)。在其它實(shí)施方案中，單個(gè)電子束發(fā)生器可為可用于處理生物質(zhì)的多個(gè)束(例如，2、3、4或更多個(gè)束)的來(lái)源。
[0173]改變分子/超分子結(jié)構(gòu)和/或減小生物質(zhì)的不順應(yīng)性的效力取決于所使用的電子能和所施加的劑量，而暴露時(shí)間取決于功率和劑量。
[0174]在一些實(shí)施方案中，(用任何電子源或源的組合)進(jìn)行處理直到材料接收至少約 0.05 毫拉德，例如至少約 0.1,0.25,0.5,0.75,1.0,2.5,5.0,7.5,10.0、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175或200毫拉德的劑量。在一些實(shí)施方案中，進(jìn)行處理直到材料接收 0.1-100 毫拉德、1-200、5-200、10-200、5-150、5-100、5-50、5-40、10-50、10-75,15-50,20-35毫拉德之間的劑量。
[0175]在一些實(shí)施方案中，以5.0千拉德/小時(shí)與1500.0千拉德/小時(shí)之間，例如10.0千拉德/小時(shí)與750.0千拉德/小時(shí)之間或50.0千拉德/小時(shí)與350.0千拉德/小時(shí)之間的劑量速率進(jìn)行處理。在其它實(shí)施方案中，以10千拉德/小時(shí)與10000千拉德/小時(shí)之間、100千拉德/小時(shí)與1000千拉德/小時(shí)之間，或500千拉德/小時(shí)與1000千拉德/小時(shí)之間的劑量速率進(jìn)行處理。
[0176]電子源
[0177]電子經(jīng)由庫(kù)侖散射和由電子速度的改變產(chǎn)生的軔制輻射相互作用。電子可由經(jīng)歷β衰變的放射性核(如碘、銫、锝和銥的同位素)產(chǎn)生?？蛇x地，電子槍可經(jīng)由熱電子發(fā)射而用作電子源并且通過(guò)加速電勢(shì)進(jìn)行加速。電子槍產(chǎn)生電子，通過(guò)大的電勢(shì)(例如，大于約50萬(wàn)、大于約100萬(wàn)、大于約200萬(wàn)、大于約500萬(wàn)、大于約600萬(wàn)、大于約700萬(wàn)、大于約800萬(wàn)、大于約900萬(wàn)或甚至大于1000萬(wàn)伏特)使所述電子加速，并且然后在χ-y平面上對(duì)其進(jìn)行磁力掃描，其中最初使電子在z方向上向管下方加速并通過(guò)箔窗口提取。對(duì)電子束進(jìn)行掃描適用于在照射輸送通過(guò)掃描束的材料(例如生物質(zhì))時(shí)增加照射表面。對(duì)電子束進(jìn)行掃描還將熱負(fù)荷均勻地分布在窗口上并且?guī)椭鷾p少由于電子束的局部加熱造成的箔窗口破裂。箔窗口破裂由于隨后的必要修復(fù)以及重啟電子槍而造成大量停機(jī)時(shí)間。
[0178]在本文所公開(kāi)的方法中可使用多種其它照射裝置，包括場(chǎng)致電離源、靜電離子分離器、場(chǎng)致電離發(fā)生器、熱電子發(fā)射源、微波放電離子源、再循環(huán)或靜電加速器、動(dòng)態(tài)線性加速器、范德格拉夫加速器以及折疊式串列加速器。所述裝置公開(kāi)于例如Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，931，784中，所述專(zhuān)利的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0179]電子束可用作輻射源。電子束具有高劑量速率(例如，1、5或甚至10毫拉德/秒)、高流通量、更少的約束(containment)以及更少的限制(confinement)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。電子束還可具有高電效率(例如，80% )，以允許相對(duì)于其它輻射方法的較低能量使用，這可轉(zhuǎn)化為與所使用能量的較小量相對(duì)應(yīng)的較低操作成本和較低溫室氣體排放。電子束可例如由靜電發(fā)生器、級(jí)聯(lián)發(fā)生器、互感發(fā)生器、具有掃描系統(tǒng)的低能加速器、具有線性陰極的低能加速器、線性加速器以及脈沖加速器產(chǎn)生。
[0180]電子還可(例如)通過(guò)斷鏈機(jī)制更有效地引起生物質(zhì)材料的分子結(jié)構(gòu)的改變。此外，具有0.5-10MeV能量的電子可穿透低密度材料，如本文所述的生物質(zhì)材料，例如具有小于0.5g/cm3的堆積密度和0.3-10cm的深度的材料。作為電離輻射源的電子可適用于(例如)相對(duì)薄的材料堆、材料層或材料床，例如小于約0.5英寸，例如小于約0.4英寸、0.3英寸、0.25英寸或小于約0.1英寸。在一些實(shí)施方案中，電子束的每個(gè)電子的能量為約0.3MeV至約2.0MeV (兆電子伏特)，例如約0.5MeV至約1.5MeV或約0.7MeV至約1.25MeV。在2011年10月18日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0100577A1中討論了照射材料的方法，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0181]電子束照射裝置可從1n Beam Applications (Louvain-la-Neuve,比利時(shí))、Titan Corporation (San Diego,加州，USA)以及 NHV Corporation (Nippon High Voltage,日本)商業(yè)上獲得。典型的電子能可為0.5MeV、lMeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或lOMeV。典型的電子束照射裝置功率可為 1KW、5KW、10KW、20KW、50KW、60KW、70KW、80KW、90KW、100KW、125KW、150KW、175KW、200KW、250KW、300KW、350KW、400KW、450KW、500KW、600KW、700KW、800KW、900KW或甚至1000KW。
[0182]考察電子束照射裝置功率規(guī)格的權(quán)衡因素包括操作成本、投資成本、折舊以及裝置占地面積?？疾祀娮邮丈涞谋┞秳┝克降臋?quán)衡因素是能量成本與環(huán)境、安全以及健康(ESH)問(wèn)題。通常，發(fā)生器容納于例如鉛或混凝土的穹頂中，特別是對(duì)于從在所述過(guò)程中產(chǎn)生的X-射線來(lái)產(chǎn)生?？疾祀娮幽艿臋?quán)衡因素包括能量成本。
[0183]電子束照射裝置可產(chǎn)生固定束抑或掃描束。具有大的掃描掃掠長(zhǎng)度和高掃描速度的掃描束可能是有利的，因?yàn)檫@將有效代替大的、固定的束寬。此外，可得到0.5m、lm、2m或更大的可用掃描寬度。由于掃描寬度較大并且窗口的局部加熱和故障的可能性減小，所以掃描束在本文所述的大多數(shù)實(shí)施方案中是優(yōu)選的。
[0184]生物質(zhì)材料的處理一超聲處理、熱解、氧化、蒸汽爆炸
[0185]如果需要，除其它處理之外或代替其它處理，可使用一種或多種超聲處理、熱解、氧化或蒸汽爆炸方法，以進(jìn)一步減小生物質(zhì)材料的不順應(yīng)性。這些方法可在另外一種或多種處理之前、期間和或之后應(yīng)用。這些方法在Medoff的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，932，065中詳細(xì)描述，所述專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0186]處理的生物質(zhì)材料的用途
[0187]使用本文公開(kāi)的方法，可使用起始生物質(zhì)材料(例如，植物生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)、紙以及城市廢物生物質(zhì))作為原料來(lái)生產(chǎn)有用的中間體和產(chǎn)品，如有機(jī)酸、有機(jī)酸的鹽、酸酐、有機(jī)酸的酯以及燃料，例如用于內(nèi)燃機(jī)的燃料或用于燃料電池的原料。本文描述了可使用纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料作為原料的系統(tǒng)和方法，所述纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料容易獲得但可能常常難以加工，例如城市廢物流和廢紙流，如包括報(bào)紙、牛皮紙、瓦楞紙或這些的混合物的流。
[0188]為了將原料轉(zhuǎn)化成可易于加工的形式，可通過(guò)糖化劑(例如酶或酸)將原料中含有葡聚糖或木聚糖的纖維素水解為低分子量碳水化合物，如糖，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為糖化。隨后，低分子量碳水化合物可用于例如現(xiàn)有制造工廠，如單細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠、酶制造工廠或燃料工廠(例如，乙醇制造設(shè)施)。
[0189]例如通過(guò)使材料和酶在溶劑(例如，水溶液)中組合,可以使用酶水解原料。
[0190]或者，可通過(guò)有機(jī)體供應(yīng)酶，所述有機(jī)體分解生物質(zhì)(如生物質(zhì)的纖維素和/或木質(zhì)素部分)，含有或制造各種纖維分解酶(纖維素酶)、木質(zhì)素酶或各種小分子生物質(zhì)降解代謝物。這些酶可為協(xié)同作用來(lái)降解生物質(zhì)的晶體纖維素或木質(zhì)素部分的酶的復(fù)合物。纖維素分解酶的實(shí)例包括:內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶以及纖維二糖酶(β -葡糖苷酶)。
[0191]在糖化期間，可通過(guò)內(nèi)切葡聚糖酶在隨機(jī)位置初步水解纖維素底物產(chǎn)生低聚中間體。這些中間體隨后為外切葡聚糖酶如纖維二糖水解酶的底物，以從纖維素聚合物的末端產(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖是水溶性的1，4-連接的葡萄糖二聚體。最后，纖維二糖酶裂解纖維二糖以得到葡萄糖。此過(guò)程的效率(例如，水解的時(shí)間和/或水解的完成度)取決于纖維素材料的不順應(yīng)性。
[0192]中間體和產(chǎn)品
[0193]使用本文所述的 方法，可將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)品，如能量、燃料、食品以及材料。產(chǎn)品的特定實(shí)例包括但不限于:氫氣、糖(例如，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、果糖、二糖、寡糖以及多糖)、醇(例如，一元醇或二元醇，如乙醇、正丙醇、異丁醇、仲丁醇、叔丁醇或正丁醇)、水合醇或含水醇(例如，含有大于10%、20%、30%或甚至大于40%的水)、生物柴油、有機(jī)酸、烴(例如，甲烷、乙烷、丙烷、異丁烯、戊烷、正己烷、生物柴油、生物汽油以及其混合物)、副產(chǎn)品(例如，蛋白質(zhì)，如纖維素分解蛋白(酶)或單細(xì)胞蛋白質(zhì))、以及處于任何組合或相對(duì)濃度的這些物質(zhì)中的任何物質(zhì)的混合物，并且所述任何物質(zhì)任選與任何添加劑(例如，燃料添加劑)組合。其它實(shí)例包括羧酸、羧酸的鹽、羧酸與羧酸的鹽的混合物以及羧酸的酯(例如，甲基、乙基以及正丙基酯)、酮(例如，丙酮)、醛(例如，乙醛)、α和β不飽和酸(例如，丙烯酸)以及烯烴(例如，乙烯)。其它醇和醇衍生物包括:丙醇、丙二醇、I，4- 丁二醇、I，3-丙二醇、糖醇以及多元醇(例如，乙二醇、甘油、赤蘚醇、蘇糖醇、阿糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、半乳糖醇、艾杜醇、肌醇、庚七醇、異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇、乳糖醇、麥芽三糖醇、麥芽四糖醇以及聚糖醇和其它多元醇)以及任何這些醇的甲基或乙基酯。其它產(chǎn)品包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、檸檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、戊酸、己酸、3-羥基丙酸、棕櫚酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、戊二酸、油酸、亞油酸、羥乙酸、Y-羥基丁酸以及其混合物、任何這些酸的鹽、任何所述酸及其對(duì)應(yīng)鹽的混合物。
[0194]以上產(chǎn)品與彼此的任何組合和/或以上產(chǎn)品與其它產(chǎn)品(所述其它產(chǎn)品可通過(guò)本文所述的方法或以其它方式制備)的任何組合可包裝在一起并且作為產(chǎn)品出售?？蓪a(chǎn)品組合，例如混合、共混或共溶解，或者可簡(jiǎn)單地包裝在一起或一起出售。
[0195]本文所述的任何產(chǎn)品或產(chǎn)品的組合可在產(chǎn)品出售之前，例如純化或分離之后或甚至在包裝之后進(jìn)行消毒或滅菌，以中和可能存在于一種或多種產(chǎn)品中的一種或多種潛在不希望的污染物。可以用例如小于約20毫拉德，例如從約0.1毫拉德至15毫拉德、從約0.5毫拉德至7毫拉德或從約I毫拉德至3毫拉德劑量的電子轟擊進(jìn)行所述消毒。
[0196]本文所述的方法可 產(chǎn)生適用于產(chǎn)生用于工廠的其它部分(熱電聯(lián)產(chǎn))或在公開(kāi)市場(chǎng)上出售的蒸汽和電力的各種副產(chǎn)品流。例如，由燃燒副產(chǎn)品流產(chǎn)生的蒸汽可用于蒸餾過(guò)程。作為另一個(gè)實(shí)例，由燃燒副產(chǎn)品流產(chǎn)生的電力可用于為預(yù)處理中使用的電子束發(fā)生器提供動(dòng)力。
[0197]用于產(chǎn)生蒸汽和電力的副產(chǎn)品來(lái)源于整個(gè)過(guò)程的眾多來(lái)源。例如，廢水的厭氧消化可產(chǎn)生甲烷含量高的沼氣和少量廢棄生物質(zhì)(污泥)。作為另一個(gè)實(shí)例，可使用糖化后和/或蒸餾后固體(例如，從預(yù)處理和主要過(guò)程剩余的未轉(zhuǎn)化的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素)，例如作為燃料燃燒。
[0198]獲得的許多產(chǎn)品(如乙醇或正丁醇)可用作燃料，用于為汽車(chē)、卡車(chē)、拖拉機(jī)、船或火車(chē)提供動(dòng)力，例如作為內(nèi)部燃燒燃料或作為燃料電池原料。獲得的許多產(chǎn)品還可用于為飛行器(如，例如具有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，或直升機(jī))提供動(dòng)力。此外，本文所述的產(chǎn)物可以例如在常規(guī)蒸汽發(fā)電廠或燃料電池工廠中用于電能產(chǎn)生。
[0199]包括食品和藥物產(chǎn)品的其它中間體和產(chǎn)品描述于Medoff的2010年5月20日公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2010/0124583Α1，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0200]糖化
[0201]處理的生物質(zhì)材料通?？赏ㄟ^(guò)將材料和纖維素酶在流體介質(zhì)(例如水溶液)中組合來(lái)進(jìn)行糖化。在一些情況下，在糖化之前在熱水中對(duì)材料進(jìn)行煮沸、浸泡或蒸煮，如在2012年4月26日公布的Medoff和Masterman的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0100577Α1中所描述，所述公布的全部?jī)?nèi)容并入本文。
[0202]糖化過(guò)程可在制造工廠的罐(例如，具有至少4000、40，000或500，000L的體積的
罐)中部分或完全地進(jìn)行，和/或可在轉(zhuǎn)運(yùn)中，例如在軌道車(chē)、油罐卡車(chē)中、或在超級(jí)油輪或船倉(cāng)中部分或完全地進(jìn)行。完全糖化所需要的時(shí)間將取決于工藝條件和所使用的生物質(zhì)材料和酶。如果在控制的條件下在制造工廠中進(jìn)行糖化，則可在約12-96小時(shí)內(nèi)將纖維素基本上完全轉(zhuǎn)化為糖，例如葡萄糖。如果在轉(zhuǎn)運(yùn)中部分或完全地進(jìn)行糖化，則糖化可能花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。
[0203]通常優(yōu)選在糖化期間例如使用噴射混合對(duì)罐內(nèi)容物進(jìn)行混合，如在2010年5月18日提交的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2010/035331中所描述，所述申請(qǐng)以英語(yǔ)公布為W02010/135380并且指定美國(guó)，所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0204]表面活性劑的添加可提高糖化的速率。表面活性劑的實(shí)例包括非離子型表面活性
劑(如Tween? 20或Tween? 80聚乙二醇表面活性劑)、離子型表面活性劑或者兩性表面活性劑。
[0205]通常優(yōu)選由糖化得到的糖溶液的濃度相對(duì)較高，例如，大于40重量％，或大于50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或甚至大于95重量％?？梢岳缤ㄟ^(guò)蒸發(fā)去除水分以增加糖溶液的濃度。這減小了待裝運(yùn)的體積并且還抑制了溶液中的微生物生長(zhǎng)。
[0206]可選地，可使用較低濃度的糖溶液，在這種情況下，可能希望以低濃度(例如，50ppm至150ppm)添加抗微生物添加劑，例如廣譜抗生素。其它合適的抗生素包括兩性霉素B、氣節(jié)青霉素、氣霉素、環(huán)丙沙星、慶大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘿吟霉素、鏈霉素。抗生素將在運(yùn)輸和儲(chǔ)存期間抑制微生物的生長(zhǎng)，并且可以適當(dāng)?shù)臐舛?例如，以重量計(jì)在15ppm與1000ppm之間，例如，在25ppm與500ppm之間，或在50ppm與150ppm之間)使用。如果希望，則即使糖濃度相對(duì)較高也可包括抗生素。可選地，可使用具有抗微生物防腐特性的其它添加劑。優(yōu)選的，一種或多種抗微生物添加劑是食品級(jí)的。
[0207]可以通過(guò)限制與酶一起添加到生物質(zhì)材料中的水量來(lái)獲得相對(duì)較高濃度的溶液?？梢岳缤ㄟ^(guò)控制糖化發(fā)生多少來(lái)控制濃度。例如，可以通過(guò)向溶液中添加更多生物質(zhì)材料來(lái)增加濃度。為了保持正在溶液中產(chǎn)生的糖，可以添加表面活性劑，例如，以上所討論的那些中的一種。也可以通過(guò)增加溶液的溫度來(lái)增加溶解度。例如，可將溶液維持在400C -500C>600C _80°C或甚至更高的溫度下。
[0208]糖化劑
[0209]合適的纖維素分解酶包括來(lái)自以下屬中的種的纖維素酶:芽孢桿菌屬、鬼傘屬、毀絲霉屬 、頭孢霉屬、柱頂孢霉屬、青霉屬、曲霉屬、假單孢菌屬、腐質(zhì)霉屬、鐮刀菌屬、梭孢殼屬、枝頂孢屬、金孢子菌屬以及木霉屬；特別是由選自以下種的菌株產(chǎn)生的那些纖維素酶:曲霉屬(參見(jiàn)，例如，歐洲公布號(hào)O 458 162)、特異腐質(zhì)霉(Humicola insolens)(被重新分類(lèi)為嗜熱柱頂孢霉(Scytalidium thermophilum),參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4，435，307)、灰蓋鬼傘(Coprinus cinereus)、尖抱鍵刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜熱毀絲霉(Myceliophthora thermophila)、大型亞灰樹(shù)花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭孢殼霉(Thielavia terrestris)、枝頂孢屬某種(Acremonium sp.)(包括但不限于桃色枝頂孢(A.persicinum)、A.acremonium、A.brachypenium、A.dichromosporum、A.0bclavatum、A.pinkertoniae、粉灰枝頂抱(A.roseogriseum)、A.1ncoloratum 以及棕色枝頂孢(A.furatum))。優(yōu)選菌株包括特異腐質(zhì)霉DSM1800、尖孢鐮刀菌DSM2672、嗜熱毀絲霉CBS117.65、頭孢霉屬某種RYM-202、枝頂孢菌屬某種CBS478.94、枝頂孢菌屬某種 CBS265.95、桃色枝頂抱 CBS169.65、Acremonium acremonium AHU9519、頭抱霉屬某種 CBS535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73、Acremonium dichromosporumCBS683.73、Acremonium obclavatum CBS311.74、Acremonium pinkertoniae CBS157.70、粉灰枝頂孢 CBS134.56、Acremonium incoloratum CBS146.62，以及棕色枝頂孢 CBS299.70H。纖維素分解酶還可由金孢子菌屬，優(yōu)選Chrysosporium Iucknowense的菌株獲得?？墒褂玫牧硗獾木臧ǖ幌抻?木霉屬(特別是綠色木霉(T.viride)、里氏木霉(T.reesei)以及康寧木霉(T.koningii))、嗜堿性芽孢桿菌(alkalophilic Bacillus)(參見(jiàn),例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)3，844，890和歐洲公布號(hào)0458162)以及鏈霉菌屬(參見(jiàn)，例如歐洲公布號(hào)O 458 162)。
[0210]可用于使生物質(zhì)材料糖化并且產(chǎn)生糖的許多微生物還可用于使那些糖發(fā)酵并且轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)物。
[0211]糖
[0212]在本文所述的方法中，例如在糖化之后，可對(duì)糖(例如，葡萄糖和木糖)進(jìn)行分離。例如，可以通過(guò)沉淀法、結(jié)晶法、色譜法(例如，模擬的移動(dòng)床色譜法、高壓色譜法)、離心法、萃取法、本領(lǐng)域已知的任何其它分離方法以及其組合來(lái)對(duì)糖進(jìn)行分離。
[0213]氫化和其它化學(xué)轉(zhuǎn)變
[0214]本文所述的方法可包括氫化。例如，葡萄糖和木糖可分別氫化為山梨醇和木糖醇。可以通過(guò)在高壓(例如，IOpsi至12000psi)下與H2組合使用催化劑(例如，Pt/ y _A1203、Ru/C、雷尼鎳或本領(lǐng)域已知的其它催化劑)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫化?？梢允褂脕?lái)自本文所述方法的產(chǎn)物的其它類(lèi)型的化學(xué)轉(zhuǎn)變，例如有機(jī)糖衍生的產(chǎn)物(例如，糠醛和糠醛衍生的產(chǎn)物)的產(chǎn)生。糖衍生的產(chǎn)物的化學(xué)轉(zhuǎn)變描述于2012年7月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/667，481中，所述申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。
[0215]發(fā)酵
[0216]酵母和發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)細(xì)菌，例如，可用于將一種或多種糖發(fā)酵或轉(zhuǎn)化成一種或多種醇。其它微生物在下文進(jìn)行討論。用于發(fā)酵的最佳PH為約pH4至pH7。例如，酵母的最佳pH為約pH4至pH5,而發(fā)酵單胞菌的最佳pH為約pH5至pH6。典型的發(fā)酵時(shí)間為約24小時(shí)至168小時(shí)(例如，24小時(shí)至96小時(shí))，其中溫度范圍為20°C至40°C (例如，26°C至40°C )，然而嗜熱微生物偏好較高的溫度。
[0217]在一些實(shí)施方案中，例如當(dāng)使用厭氧有機(jī)體時(shí)，至少一部分發(fā)酵是在缺乏氧氣，例如在惰性氣體(如N2、Ar、He、C02或其混合物)的覆蓋下進(jìn)行的。另外，所述混合物可在部分或全部發(fā)酵期間使惰性氣體的持續(xù)吹掃流動(dòng)通過(guò)罐。在一些情況下，可以通過(guò)發(fā)酵期間的二氧化碳產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)或維持厭氧條件而不需要額外的惰性氣體。
[0218]在一些實(shí)施方案中，可在低分子量糖完全轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物(例如，乙醇)之前中斷全部或部分發(fā)酵過(guò)程。中間發(fā)酵產(chǎn)物包括高濃度的糖和碳水化合物。糖和碳水化合物可經(jīng)由本領(lǐng)域已知的任何手段進(jìn)行分離。這些中間發(fā)酵產(chǎn)物可用于制備用于人或動(dòng)物消耗的食品。另外或者可選地，可以在不銹鋼實(shí)驗(yàn)室磨中將中間發(fā)酵產(chǎn)物磨碎成細(xì)小顆粒大小，以產(chǎn)生面粉狀物質(zhì)。[0219]可在發(fā)酵期間使用噴射混合，并且在一些情況下，可在同一個(gè)罐中進(jìn)行糖化和發(fā)酵。
[0220]可以在糖化和/或發(fā)酵期間添加微生物的營(yíng)養(yǎng)物，例如，在2011年7月15日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2012/0052536中所述的基于食物的營(yíng)養(yǎng)物包，所述公布的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0221]“發(fā)酵”包括在2012年12月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/579，559和2012年12月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/579，576中所公開(kāi)的方法和產(chǎn)物，所述申請(qǐng)的內(nèi)容均以引用的方式整體并入本文。
[0222]可以利用移動(dòng)發(fā)酵罐，如在國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2007/074028 (所述申請(qǐng)?jiān)?007年7月20日提交，以英語(yǔ)公布為W02008/011598并且指定美國(guó))中所描述的，所述申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。類(lèi)似地，糖化設(shè)備可為移動(dòng)的。此外，糖化和/或發(fā)酵可在轉(zhuǎn)運(yùn)期間部分或完全地進(jìn)行。
[0223]發(fā)酵劑
[0224]在發(fā)酵中使用的一種或多種微生物可以是天然存在的微生物和/或工程改造的微生物。例如，微生物可為細(xì)菌(包括但不限于，例如纖維素分解細(xì)菌)、真菌(包括但不限于，例如酵母)、植物、原生生物(例如，原生動(dòng)物或類(lèi)真菌原生生物(包括但不限于，例如黏菌)或海藻。當(dāng)有機(jī)體相容時(shí)，可利用有機(jī)體的混合物。
[0225]合適的發(fā)酵微生物具有將碳水化合物(如葡萄糖、果糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)轉(zhuǎn)化成發(fā)酵產(chǎn)物的能力。發(fā)酵微生物包括以下種屬的菌株:酵母屬某些種(Saccharomyces spp.)(包括但不限于釀酒酵母(S.cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(S.distaticus)、葡萄汁酵母(S.uvarum))、克魯維酵母屬(Kluyveromyces)(包括但不限于馬克斯克魯維酵母(K.marxianus)、脆壁克魯維酵母(K.fragilis))、假絲酵母屬(Candida)(包括但不限于偽熱帶假絲酵母(C.pseudotropicalis)和蕓薹假絲酵母(C.brassicae))、樹(shù)干畢赤酵母(Pichia stipitis)(休哈塔假絲酵母(Candida shehatae)的親緣菌)、棒孢酵母屬(Clavispora)(包括但不限于葡萄牙棒抱酵母(C.1usitaniae)和仙人掌棒抱酵母(C.0puntiae))、管囊酵母屬(Pachysolen)(包括但不限于嗜鞋管囊酵母(P.tannophilus))、酒香酵母屬(Bretannomyces)(包括但不限于，例如 B.clausenii (Handbook on Bioethanol: Production andUtilization,Wyman, C.E.編輯，Taylor&Francis, Washington, DC, 179-212 中的Philippidis, G.P., 1996, Cellulose bioconversion technology))。其它合適的微生物包括例如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)、梭菌屬某些種(Clostridium spp.)(包括但不限于熱纖維梭菌(C.thermocellum) (Philippidis, 1996，同上)、糖丁基丙酮梭菌(C.saccharobutylacetonicum)、糖丁酸梭菌(C.saccharobutylicum)、略紫色梭菌(C.Puniceum)、拜氏梭菌(C.beijernckii)以及丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum))、叢梗抱酵母( Moniliella pollinis)、Moniliella megachiliensis、乳桿菌屬某些種(Lactobacillus spp.)、解脂耶氏酵母(Yarrowia Iipolytica)、短梗霉屬某種(Aureobasidium sp.)、三型抱菌某種(Trichosporonoides sp.)、變異三角酵母(Trigonopsis variabilis)、毛抱子菌屬某種(Trichosporon sp.)、叢梗抱酵母屬某種(Moniliellaacetoabutans sp.)、Typhula variabilis、木蘭假絲酵母(Candidamagnolia)、黑粉菌綱某種(Ustilaginomycetes sp.)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母屬(Zygosaccharomyces)的酵母種、德巴利酵母屬(Debaryomyces)、漢遜酵母屬(Hansenula)和畢赤酵母屬(Pichia)、以及暗叢梗孢形圓酵母屬(Torula)的真菌。
[0226]例如，梭菌屬某些種可用于產(chǎn)生乙醇、丁醇、丁酸、乙酸和丙酮。乳桿菌屬某些種可用于產(chǎn)生乳酸。
[0227]許多所述微生物菌株可公開(kāi)商購(gòu)獲得抑或通過(guò)儲(chǔ)藏所獲得，所述儲(chǔ)藏所如，例如，ATCC (美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心(American Type Culture Collection), Manassas, Virginia, USA)、NRRL(農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)保藏中心(Agricultural Research Sevice CultureCollection), Peoria, Illinois, USA)或DSMZ (德意志微生物保藏中心(Deutsche Sammlungvon Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH), Braunschweig,德國(guó))。
[0228]可商購(gòu)獲得的酵母包括，例如，Red Star?, /Lesaffre Ethanol Red(購(gòu)自RedStar/Lesaffre, USA)、FAT J? (購(gòu)自 Fleischmann，s Yeast (Burns Philip Food Inc.的部
門(mén))，USA)、SUPERSTART? (購(gòu)自 Alltech，現(xiàn)在的 Lalemand)、GERT STRAND? (購(gòu)自 Gert Strand AB, Sweden)以及 FERMOLk.(購(gòu)自 DSM Specialties)。
[0229]可用于使生物質(zhì)材料糖化并且產(chǎn)生糖的許多微生物還可用于使那些糖發(fā)酵并且轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)物。
[0230]蒸餾
[0231]發(fā)酵之后 ，可使用例如“醪塔”對(duì)所得的流體進(jìn)行蒸餾，以使乙醇和其它醇與大部分水和殘余固體分離。流出醪塔的蒸氣可以是例如35重量％乙醇并且可進(jìn)料到精餾塔中?？梢允褂脷庀喾肿雍Y將來(lái)自精餾塔的接近共沸的(92.5%)乙醇與水的混合物純化為純(99.5%)乙醇?？蓪Ⅴ菜撞课飩魉偷饺?jí)蒸發(fā)器的第一級(jí)。精餾塔回流冷凝器可為此第一級(jí)提供熱量。在第一級(jí)之后，可以使用離心機(jī)分離固體并且在旋轉(zhuǎn)干燥器中干燥。可將離心機(jī)流出液的一部分(25% )再循環(huán)至發(fā)酵，并且將其余部分傳送到第二蒸發(fā)器級(jí)和第三蒸發(fā)器級(jí)。大部分蒸發(fā)器冷凝液可作為相當(dāng)干凈的冷凝液返回到所述過(guò)程中，其中分離小部分至廢水處理以防止低沸點(diǎn)化合物的堆積。
[0232]除了在本文的實(shí)施例中或者除非以其它方式明確指出之外，本說(shuō)明書(shū)的以下部分和所附權(quán)利要求書(shū)中的所有數(shù)值范圍、量、值以及百分比，如用于材料的量、元素含量、反應(yīng)的時(shí)間和溫度、量之比以及其它的那些，可被理解為如同前置有詞語(yǔ)“約”，即使術(shù)語(yǔ)“約”可能沒(méi)有連同值、量或范圍明確地出現(xiàn)。因此，除非有相反的指示，否則以下說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中所闡述的數(shù)值參數(shù)為近似值，其可根據(jù)本發(fā)明要尋求獲得的所需性質(zhì)而變化。在最低限度并且不試圖限制對(duì)權(quán)利要求書(shū)范圍的等價(jià)范圍的原則的應(yīng)用，每個(gè)數(shù)值參數(shù)均應(yīng)當(dāng)至少根據(jù)報(bào)道的有效數(shù)字的數(shù)值和通過(guò)應(yīng)用普通四舍五入技術(shù)來(lái)解讀。
[0233]盡管陳述本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在特定實(shí)施例中所陳述的數(shù)值盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行報(bào)道。然而，任何數(shù)值都固有地含有必然由其以下各自測(cè)試量測(cè)中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起的誤差。此外，當(dāng)在本文闡述數(shù)值范圍時(shí)，這些范圍是將所引用范圍端點(diǎn)包含在內(nèi)的(即，可使用端點(diǎn))。當(dāng)本文使用以重量計(jì)的百分比時(shí)，所報(bào)道的數(shù)值相對(duì)于總重量。
[0234]同樣，應(yīng)理解，本文所引用的任何數(shù)值范圍意在包括其中包含的所有子范圍。例如，“I至10”的范圍意在包括在引用的最小值I與引用的最大值10(含I和10)之間的所有子范圍，即具有等于或大于I的最小值以及等于或小于10的最大值。除非另外指明，否則如本文使用的術(shù)語(yǔ)“一個(gè)/種(one、a或an) ”意在包括“至少一個(gè)/種”或“一個(gè)或多個(gè)/ 一種或多種”。
[0235]被描述成以弓丨用方式全文或部分并入本文的任何專(zhuān)利、公布或其它公開(kāi)材料必須滿(mǎn)足以下前提:并入的材料不得與本公開(kāi)內(nèi)容中闡述的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開(kāi)材料沖突。因此，并且在必要的程度上，如本文所明確闡述的公開(kāi)取代以引用的方式并入本文的任何沖突的材料。據(jù)稱(chēng)以引用的方式并入本文、但與本文所闡述的現(xiàn)有定義、陳述、或其它公開(kāi)材料相沖突的任何材料或其部分將僅僅是在不會(huì)在所并入的材料與現(xiàn)有公開(kāi)材料之間出現(xiàn)沖關(guān)的程度上并入。
[0236]雖然本發(fā)明已參考其優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行特定顯示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，可在 不脫離由隨附權(quán)利要求書(shū)所涵蓋的本發(fā)明的范圍的情況下在其中在形式和細(xì)節(jié)方面做出各種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，所述方法包括: 將包含液體介質(zhì)、結(jié)構(gòu)或載體以及設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體內(nèi)的不順應(yīng)性減小的纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的組合維持在允許分子離開(kāi)和/或進(jìn)入所述結(jié)構(gòu)或載體的條件下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)或載體是多孔的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括將添加劑設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)或載體中。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括將所述組合維持在允許所述添加劑將所述分子轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)物的條件下。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述添加劑選自由以下組成的組:微生物、酶、酸、堿、化學(xué)溶液、營(yíng)養(yǎng)物、礦物質(zhì)以及其組合。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述添加劑包括微生物。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述產(chǎn)物選自由以下組成的組:分子、蛋白質(zhì)、糖、燃料以及其組合。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述蛋白質(zhì)包括酶。
9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)或載體選自由以下組成的組:袋、殼、網(wǎng)、膜、網(wǎng)孔以及其組合。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)或載體包括袋，并且由具有小于Imm的最大開(kāi)口尺寸的網(wǎng)孔材料形成。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)或載體為袋，并且所述袋由可生物侵蝕的聚合物制成，例如選自由以下組成的組的聚合物:聚乳酸、聚羥基丁酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚羥基丁酸酯-戊酸酯、聚己內(nèi)酯、聚羥基丁酸酯-己酸酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸己二酸丁酸酯、聚酰胺酯、聚己二酸丁二醇酯-共聚-對(duì)苯二酸酯、其混合物以及其層壓物。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述袋由淀粉膜制成。
13.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括利用進(jìn)一步加工來(lái)撕裂或破裂所述結(jié)構(gòu)或載體。
14.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述微生物包括里氏木霉的菌株。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述菌株為產(chǎn)生高產(chǎn)率纖維素酶的里氏木霉突變體。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述菌株包括RUT-C30。
17.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的不順應(yīng)性已通過(guò)暴露于電子束來(lái)減小。
18.如權(quán)利要求4至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化包括糖化。
19.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自由以下組成的組:紙、紙制品、廢紙、紙漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜志、印刷品、打印紙、多涂層紙、卡片材料、卡紙板、紙板、棉花、木材、刨花板、林業(yè)廢棄物、鋸末、楊木、木屑、草、柳枝稷、芒草、繩草、草蘆、谷物殘?jiān)⒌練?、燕麥殼、小麥殼、大麥殼、農(nóng)業(yè)廢棄物、青貯飼料、油菜稻、小麥稻、大麥稻、燕麥稻、稻稻、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸桿、大豆秸桿、玉米纖維、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工殘?jiān)?、甘蔗渣、甜菜漿、龍舌蘭渣、海藻、海草、糞肥、污物、下水、農(nóng)業(yè)或工業(yè)廢棄物、秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草、西米、高粱、馬鈴薯、甘薯、芋頭、山藥、豆類(lèi)、蠶豆、扁豆、碗豆，以及任何這些的混合物。
20.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維素或木質(zhì)纖維素材料具有小于約Imm,例如約0.2 5mm至2.5mm的平均粒度。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK103998614SQ201280062852
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】M·梅多夫, T·馬斯特曼, J·林馳 申請(qǐng)人:希樂(lè)克公司