加工生物質(zhì)的制作方法
【專利摘要】本文提供增加生物質(zhì)糖化效率的方法。具體地說(shuō)，所述方法包括在產(chǎn)生有用的產(chǎn)物期間避免反饋抑制的途徑。
【專利說(shuō)明】加工生物質(zhì)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年12月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/579，552和61/579，559的權(quán)益。以上申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及適用于生物質(zhì)材料的加工的效率。例如，本發(fā)明涉及避免酶促反應(yīng)的負(fù)反饋的方法。
[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，僅舉幾例。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。
[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]本文提供了提高生物質(zhì)的糖化效率的方法。具體地說(shuō)，可通過(guò)避免酶促反應(yīng)的負(fù)反饋抑制來(lái)實(shí)現(xiàn)效率。
[0012]本文提供了一種制備產(chǎn)物的方法，其中所述方法包括:使不順應(yīng)性減小的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)糖化，并且向糖化的生物質(zhì)中添加異構(gòu)化劑。在一些實(shí)施方式中，所述糖化的生物質(zhì)包含第一種糖和第二種糖，并且所述異構(gòu)化劑用于將所述第二種糖轉(zhuǎn)化為第三種糖。在一些情況下，所述方法還可包括使所述糖化的生物質(zhì)與微生物接觸以將所述第一種糖和所述第三種糖轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)物。
[0013]本文還提供了一種使用微生物由第一種糖和第二種糖制備產(chǎn)物的方法，其中所述微生物可使所述第一種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物，但是不能代謝所述第二種糖，并且其中所述方法包括:提供纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)；使所述生物質(zhì)糖化以制備糖化的生物質(zhì)，其中所述糖化的生物質(zhì)包含第一種糖和第二種糖；提供能夠?qū)⑺龅谝环N糖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的微生物，但是其中所述微生物不能代謝所述第二種糖；將所述微生物與所述糖化的生物質(zhì)組合，從而產(chǎn)生微生物-生物質(zhì)組合；將所述微生物-生物質(zhì)組合維持在使所述微生物能將所述第一種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物的條件下，從而產(chǎn)生包含所述產(chǎn)物和所述第二種糖的組合；將所述第二種糖轉(zhuǎn)化為第三種糖，其中所述微生物能夠?qū)⑺龅谌N糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物；以及將所述微生物維持在使所述微生物能將所述第三種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物的條件下；從而使用微生物由所述第一種糖和所述第二種糖制備產(chǎn)物。
[0014]在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種增加通過(guò)微生物由糖化的生物質(zhì)制備的產(chǎn)物的量的方法，所述方法包括:提供纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)；使所述生物質(zhì)糖化以制備糖化的生物質(zhì)，其中所述糖化的生物質(zhì)包含第一種糖和第二種糖；提供能夠?qū)⑺龅谝环N糖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的微生物，但是其中所述微生物不能代謝所述第二種糖；將所述微生物與所述糖化的生物質(zhì)組合，從而產(chǎn)生微生物-生物質(zhì)組合；將所述微生物-生物質(zhì)組合維持在使所述微生物能將所述第一種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物的條件下，從而產(chǎn)生包含所述產(chǎn)物和所述第二種糖的組合；將所述第二種糖轉(zhuǎn)化為第三種糖，其中所述微生物能夠?qū)⑺龅谌N糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物；以及將所述微生物維持在使所述微生物能將所述第三種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物的條件下；從而增加通過(guò)所述微生物由所述糖化的生物質(zhì)制備的所述產(chǎn)物的量。
[0015]在本文所提供的任何方法中，可對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進(jìn)行處理以減小其對(duì)糖化的不順應(yīng)性。處理方法選自由以下組成的組:用電子轟擊、超聲處理、氧化、熱解、蒸汽爆炸、化學(xué)處理、機(jī)械處理或冷凍研磨。處理方法可以是用電子轟擊。
[0016]在任何所述方法中，可在將微生物-生物質(zhì)組合維持在使微生物能將第一種糖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的條件下之前進(jìn)行第二種糖到第三種糖的轉(zhuǎn)化。可在生物質(zhì)的糖化之后立即進(jìn)行第二種糖到第三種糖的轉(zhuǎn)化，或者可在生物質(zhì)的糖化期間進(jìn)行所述轉(zhuǎn)化。 [0017]在本文所提供的方法中，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可選自由以下組成的組: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)?、稻殼、燕麥殼、小麥殼、大麥殼、農(nóng)業(yè)廢棄物、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)⒏收嵩⑻鸩藵{、龍舌蘭渣、海藻、海草、糞肥、污水、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、蠶豆、扁豆、碗豆、或任何這些物質(zhì)的混合物。可機(jī)械處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)以減小其堆積密度和/或增加其表面面積。例如，可以例如通過(guò)干磨或通過(guò)濕磨來(lái)將其粉碎。可用一種或多種纖維素酶使生物質(zhì)糖化。
[0018]在本文所提供的方法中，異構(gòu)化劑可包括酸，例如聚苯乙烯磺酸。
[0019]在本文所提供的方法中，可將微生物-生物質(zhì)組合維持在約10至約14的pH下或在約11至約13的pH下?？蓪⑵渚S持在約10°C至約30°C的溫度下或在約20°C的溫度下。還可將其維持在約60°C至約65°C的溫度下。可將其維持在約6.0至約7.5的pH下或在約7的pH下。
[0020]在所述方法中，第二種糖可為葡萄糖，并且第三種糖可為果糖。異構(gòu)化劑可包括酶?；蛘?，第二種糖可為木糖，并且第三種糖可為木酮糖。酶可為木糖異構(gòu)酶。
[0021]微生物可為酵母。產(chǎn)物可為醇。微生物可為梭菌屬某些種(Clostridium spp.)，并且產(chǎn)物可為乙醇、丁醇、丁酸、乙酸或丙酮。微生物可為乳桿菌屬某些種(Lactobacillusspp.)，并且產(chǎn)物可為乳酸。
[0022]應(yīng)理解，本發(fā)明不限于此概述中所公開的實(shí)施方案，并且其旨在涵蓋在如由權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改。
[0023]附圖簡(jiǎn)述
[0024]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，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。 [0025]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(β-葡糖苷酶)(iii)轉(zhuǎn)化為葡萄糖(D)。
[0026]圖2是示出纖維素酶對(duì)纖維素和纖維素衍生物的作用的流程圖。纖維素(200)由內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶/纖維二糖水解酶(205)分解為纖維二糖(210) (A)，所述纖維二糖(210)隨后由β-葡糖苷酶(215)分解為葡萄糖(220) (B)。內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶/纖維二糖水解酶由纖維二糖(210) (D)和葡萄糖(E)直接抑制，并且β-葡糖苷酶由葡萄糖抑制(C)。
[0027]圖3是示出生物質(zhì)(300)到產(chǎn)物(340)的轉(zhuǎn)化的流程圖。將原料(300)與纖維素酶(305)和流體組合(A)以形成混合物(310)，隨后允許所述混合物(310)糖化(B)，從而產(chǎn)生糖(320)。如本文所公開的，將添加劑(325)與糖的混合物(320)組合(C)，以制備糖和添加劑的混合物(330)。隨后將所得的糖用于(D)下游加工，以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物(340)，如醇、乳酸或糖本身的一種或多種。
[0028]詳述
[0029]本文提供了提高由糖化的生物質(zhì)產(chǎn)生糖(和/或由糖制成的產(chǎn)物)的效率的方法。所述方法在其中一種或多種糖或產(chǎn)物引起負(fù)反饋從而限制可產(chǎn)生的糖或產(chǎn)物的量的情況中尤其有用。
[0030]通常，所述方法從使生物質(zhì)糖化開始。糖化通常產(chǎn)生糖的混合物。所述混合物包括可轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)物的糖。然而，糖的混合物可包括不能由微生物代謝的糖。隨著這些不可利用的糖的濃度增大，其代表代謝的“終端(dead-end)”。此外，一些糖可形成反饋抑制的基礎(chǔ)并且限制制備所希望的糖或其它所希望的產(chǎn)物的代謝途徑的流通量。
[0031]本文公開了用于防止反饋抑制并且增加來(lái)自生物質(zhì)糖化的糖和其它有用產(chǎn)物的量的方法。
[0032]在糖化期間產(chǎn)生的葡萄糖可抑制葡萄糖的進(jìn)一步產(chǎn)生。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涵蓋通過(guò)將其轉(zhuǎn)化為果糖(所述果糖不抑制糖化)而有效去除葡萄糖，從而允許產(chǎn)生額外的葡萄糖。葡萄糖不能通過(guò)酶(如木糖異構(gòu)酶)、強(qiáng)酸或化學(xué)物質(zhì)(如聚苯乙烯磺酸)的作用轉(zhuǎn)化為果糖。同樣地，不能被許多微生物代謝的木糖可通過(guò)木糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化為可被許多微生物代謝的木酮糖。此外，與葡萄糖不同，木酮糖通常不抑制其自身的產(chǎn)生。
[0033]例如，可使生物質(zhì)糖化以產(chǎn)生糖的混合物，其包括葡萄糖和木糖。大多數(shù)酵母菌株可將葡萄糖代謝成(例如)醇，但不代謝木糖。因此，如果所希望的終產(chǎn)物是醇，那么增加的糖化和增加的葡萄糖產(chǎn)量、隨后的發(fā)酵將產(chǎn)生更多的醇，但是它也將產(chǎn)生更多的木糖。雖然木糖是無(wú)害的，但是其可代表代謝的“終端”。如果將木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖，那么其可發(fā)酵成醇，并且可提聞生廣效率。
[0034]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不同酶的量和類型。
[0035]如圖2所示，纖維素(200)到纖維二糖(210)的水解是多步驟方法，所述方法包括經(jīng)由內(nèi)切葡聚糖酶(EG)和外切葡聚糖酶/纖維二糖水解酶(CBH) (205)的協(xié)同作用在固-液界面進(jìn)行初始分解(A)。此初始降解伴隨有進(jìn)一步液相降解、由β -葡糖苷酶(BG ；215)催化裂解(B)為葡萄糖(220)的可溶性中間產(chǎn)物(如寡糖和纖維二糖)的水解。然而，纖維二糖(210)直接抑制(D) CBH和EG (205)，并且葡萄糖(220)不僅直接抑制(C、Ε)BG (215)，而且直接抑制CBH和EG (205)。如本文所述的本發(fā)明減少或避免了這種抑制。
[0036]圖3示出一種用于從原料(300)制造產(chǎn)物(340)的方法。原料可以如通過(guò)減小原料的尺寸和不順應(yīng)性而進(jìn)行預(yù)加工。這可包括(例如)任選地機(jī)械處理原料和在此處理之前和/或之后任選用另一種處理(例如，粒子轟擊)處理原料以進(jìn)一步減小其不順應(yīng)性。隨后將上游加工的原料(300)與纖維素酶(305)和流體組合(A)以形成混合物(310)，隨后允許所述混合物(31 0)糖化(B)，從而產(chǎn)生糖(320)。如本文所公開的，將添加劑(325)與糖的混合物(320)組合(C)，以制備糖和添加劑的混合物(330)。添加劑(325)在糖化期間(例如)通過(guò)減小纖維二糖和/或葡萄糖對(duì)纖維素酶的抑制來(lái)增加纖維素酶的效力。此增加的糖化效力導(dǎo)致糖的水平提高，隨后將所述糖用于(D)下游加工，以產(chǎn)生一種或多種產(chǎn)物(340)，如醇、乳酸或糖自身的一種或多種。
[0037]在糖化期間，通常通過(guò)將原料和酶(305)組合在流體介質(zhì)(例如，水溶液)中來(lái)用一種或多種纖維素分解酶處理原料。在一些情況下，在糖化之前在熱水中對(duì)原料進(jìn)行煮沸、浸泡或蒸煮，如在2011年10月18日提交并且在2012年4月26日公布的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2012/0100577Α1中所描述，所述公布的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。
[0038]可在糖化(B)開始時(shí)添加添加劑，例如，和生物質(zhì)與纖維素酶?；蛘?，可在已發(fā)生一些或全部糖化(B)之后添加添加劑。還可在開始產(chǎn)生產(chǎn)物時(shí)添加所述添加劑。
[0039]添加劑可為化學(xué)物質(zhì)或酶。合適的添加劑的實(shí)例包括酸和堿。堿可催化Lobry-de-Bruyn-Alberda-van-Ekenstein轉(zhuǎn)變，如以下更詳細(xì)的描述。酸可催化纖維二糖的水解。硼酸可用于與葡萄糖的順式-二元醇絡(luò)合。木糖異構(gòu)酶(又名葡萄糖異構(gòu)酶)可用于使葡萄糖異構(gòu)化為果糖。
[0040]添加劑可為物理負(fù)載的。有用的載體包括但不限于:陽(yáng)離子聚合物載體、陰離子聚合物載體、中性聚合物載體、金屬氧化物載體、金屬碳酸鹽載體、金屬鹵化物載體和/或其混合物。載體可添加到混合糖中或者可為靜止的并且使得混合糖通過(guò)或經(jīng)過(guò)負(fù)載的添加劑。
[0041]可將含有添加劑的混合物(330)返回生物質(zhì)和纖維素酶階段(310)，以在進(jìn)一步加工之前釋放更多的糖。這可包括將條件返回優(yōu)選引起纖維素糖化的狀態(tài)下而不是有利于添加劑作用的條件下。例如，可針對(duì)糖化將PH優(yōu)化為酸性區(qū)(小于或等于pH7、小于或等于PH6、小于或等于pH5)并且大于或等于pH2(大于或等于pH3、大于或等于pH4)?？舍槍?duì)纖維素酶的作用將溫度優(yōu)化為例如大于或等于30°C (大于或等于40°C、大于或等于50°C、大于或等于60°C)并且小于或等于90°C (小于或等于80°C、小于或等于70°C、小于或等于60°C )?？舍槍?duì)增加的糖產(chǎn)量任選添加額外的生物質(zhì)、纖維素酶和添加劑。
[0042]通過(guò)糖化產(chǎn)生的糖溶液或懸浮液可進(jìn)行下游加工以獲得所希望的產(chǎn)物。例如，可分離一種或多種糖和/或可發(fā)酵所述溶液。當(dāng)利用發(fā)酵時(shí)，可蒸餾發(fā)酵產(chǎn)物。例如，可使糖氫化并且使糖醇分離。
[0043]在不受任何具體理論限制的情況下，認(rèn)為這種轉(zhuǎn)化能從糖的混合物中有效去除葡萄糖。如圖2所示，此去除能除去抑制步驟C和E。這增加了生物質(zhì)中的纖維素的總體糖化。
[0044]在很多情況下，用于使用葡萄糖異構(gòu)酶的最佳溫度范圍是60°C至80°C。在本文所述的方法中，由于成本并且由于所述方法的其它組分的最佳溫度可以不同，所以低于最佳溫度的溫度可能是優(yōu)選的。例如，纖維素酶活性通常在30°C與65°C之間是最佳的。因此，約60°C至約65°C的溫度范圍可能是優(yōu)選的，尤其是如果同時(shí)組合和使用葡萄糖異構(gòu)酶和纖維素酶。如果它們不一 起使用，那么可選擇每種酶的最佳溫度。
[0045]葡萄糖異構(gòu)酶活性的最佳pH范圍在pH7與pH9之間。與溫度范圍的選擇一樣，在實(shí)踐本發(fā)明中，由于在一些情況下所述方法的其它組分可能需要較低pH，所以較低pH可能是優(yōu)選的。例如，纖維素酶在約3至7的pH范圍內(nèi)是有活性的。因此，組合酶的優(yōu)選pH通常在PH7處或低于pH7。如果葡萄糖異構(gòu)酶和纖維素酶不一起使用，那么可選擇每種酶的最佳pH范圍。
[0046]可以任何量添加葡萄糖異構(gòu)酶。例如，濃度可低于約500U/g纖維素(低于或等于100U/g纖維素、低于或等于50U/g纖維素、低于或等于10U/g纖維素、低于或等于5U/g纖維素)。濃度可為至少約0.lU/g纖維素至約500U/g纖維素、至少約0.5U/g纖維素至約250U/g纖維素、至少約lU/g纖維素至約100U/g纖維素、至少約2U/g纖維素至約50U/g纖維素。
[0047]在一些情況下，葡萄糖異構(gòu)酶的添加使所產(chǎn)生的糖的量增加至少5% (例如，至少10%、至少 15%、至少 20%、至少 30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% )。
[0048]可用于本發(fā)明的另一種添加劑為(例如)增加糖化劑活性的化學(xué)物質(zhì)。所述化學(xué)物質(zhì)可為(例如)促進(jìn) Lobry-de-Bruyn-van-Alberda-van-Ekenstein 轉(zhuǎn)變(也稱為L(zhǎng)obry-de-Bruyn-van-Ekenstein轉(zhuǎn)變)的化學(xué)物質(zhì)。此反應(yīng)由醒糖形成烯醇，所述烯醇隨后可形成酮糖。例如，在11至13的pH范圍內(nèi)并且在20°C的溫度下，堿將催化D-葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)镈-果糖和D-甘露糖。通常，所述反應(yīng)是堿催化的，但是其也可為酸催化的或者發(fā)生在中性條件下。與葡萄糖異構(gòu)酶的使用一樣，此反應(yīng)有效去除葡萄糖。
[0049]作為另一個(gè)實(shí)例，可使用酸催化纖維二糖的水解。通過(guò)使用化學(xué)手段而不是酶促或微生物手段將纖維二糖裂解為葡萄糖，不會(huì)發(fā)生葡萄糖對(duì)這些反應(yīng)的抑制。
[0050]在另一個(gè)實(shí)例中，化學(xué)物質(zhì)可為與葡萄糖反應(yīng)的一種化學(xué)物質(zhì)，如優(yōu)先與順式-二元醇結(jié)合的硼酸。
[0051]化學(xué)物質(zhì)可以處于例如聚苯乙烯磺酸酯(如Amberlyst?)或聚苯乙烯胺的載體上?；旌咸强赏ㄟ^(guò)負(fù)載的化學(xué)物質(zhì)或流經(jīng)所述化學(xué)物質(zhì)。例如，化學(xué)物質(zhì)可為聚苯乙烯負(fù)載的硼酸。葡萄糖可作為硼酸鹽由聚苯乙烯載體捕獲并且然后在后期例如通過(guò)添加堿來(lái)釋放。
[0052]木糖異構(gòu)酶
[0053]木糖異構(gòu)酶(ES5.3.1.5)是在D-木糖與D-木酮糖之間來(lái)回催化化學(xué)反應(yīng)的酶。它也被系統(tǒng)地稱為葡萄糖異構(gòu)酶和D-木糖醛糖-酮糖異構(gòu)酶，并且屬于異構(gòu)酶家族，確切地說(shuō)是使醛糖和酮糖相互轉(zhuǎn)化的那些分子內(nèi)氧化還原酶類。其它常用名稱包括D-木糖異構(gòu)酶、D-木糖酮異構(gòu)酶，以及D-木糖酮醇-異構(gòu)酶。所述酶參與戊糖與葡萄糖醛酸酯相互轉(zhuǎn)化以及果糖與甘露糖代謝。在高果糖玉米糖漿的制造中，工業(yè)上使用它來(lái)將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖。有時(shí)它稱為“葡萄糖異構(gòu)酶”?！澳咎钱悩?gòu)酶”和“葡萄糖異構(gòu)酶”在本文可互換地使用。在體外，葡萄糖異構(gòu)酶催化葡萄糖與果糖的相互轉(zhuǎn)化。在體內(nèi)，它催化木糖與木酮糖的相互轉(zhuǎn)化。
[0054]若干類型的酶被認(rèn)為是木糖異構(gòu)酶。第一種產(chǎn)自嗜水假單胞菌(Pseudomonashydrophila)。此酶與葡萄糖的親和力比與木糖的親和力低160倍,但盡管如此其適用于在葡萄糖的存在下增加果糖的量。第二種酶發(fā)現(xiàn)于中間型埃希桿菌(Escherichiaintermedia)中。此酶是磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(EC5.3.1.9)并且可僅在砷酸鹽的存在下使未磷酸化的糖異構(gòu)化。葡萄糖異構(gòu)酶(EC5.3.16)可分離自巨大芽孢桿菌Al (Bacillusmegaterium Al)并且為NAD連接型并對(duì)葡萄糖是特異性的。具有相似活性的另一種葡萄糖異構(gòu)酶是從類產(chǎn)氣副大腸桿菌(Paracolobacteriumaerogenoide)中分離的。由異質(zhì)乳酸菌產(chǎn)生的葡萄糖異構(gòu)酶需要木糖作為誘導(dǎo)劑并且在高溫下相對(duì)不穩(wěn)定。木糖異構(gòu)酶(EC5.3.1.5)最適用于商業(yè)應(yīng)用，因?yàn)槠洳恍枰嘿F的輔因子，如NAD+或ATP，并且其為相對(duì)熱穩(wěn)定的。
[0055]葡萄糖異構(gòu)酶通常在細(xì)胞間產(chǎn)生，但是葡萄糖異構(gòu)酶的細(xì)胞外分泌的報(bào)道是已知的。所使用的酶可分離自許多細(xì)菌，所述細(xì)菌包括但不限于:Actinomyces olivocinereus、Actinomyces phaeochromogene、密蘇里游動(dòng)放線菌(Actinoplanes missouriensis)、產(chǎn)氣桿菌(Aerobacter aerogenes)、陰溝氣桿菌(Aerobacter cloacae)、果聚糖氣桿菌(Aerobacter Ievanicum)、節(jié)桿菌屬某些種(Arthrobacter spp.)、嗜熱脂肪芽抱桿菌(Bacillus stearothermophilus)、巨型芽抱桿菌(Bacillus megabacterium)、凝結(jié)芽抱桿菌(Bacillus coagulans)、雙歧桿菌屬某些種(Bifidobacterium spp.)、未完短桿菌(Brevibacterium incertum)、Brevibacterium pentosoaminoacidicum、欽氏菌屬某些種(Chainia spp.)、棒狀桿菌屬某些種(Corynebacterium spp.)、栗色棒狀桿菌(Cortobacterium helvolum)、弗羅因德埃希桿菌(Escherichia freundii)、中間型埃希桿菌(Escherichia intermedia)、大腸桿菌(Escherichia col i)、樹狀黃桿菌(Flavobacterium arb orescens)、貪食黃桿菌(Flavobacterium devorans)、短乳桿菌(Lactobacillus brevis)、布氏乳桿菌(Lactobacillus buchneri)、發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillus fermenti)、甘露醇乳桿菌(Lactobacillus mannitopoeus)、蓋氏乳桿菌(Lactobacillus gayonii)、植物乳桿菌(Lactobacillus pi ant arum)、蕃爺乳桿菌(Lactobacillus lycopersici)、戊糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)、腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、玫瑰小雙抱菌(Microbispora rosea)、黃小莢抱囊菌(Microellobosporia flavea)、天藍(lán)色小單抱菌(Micromonospora coerula)、分支桿菌屬某些種(Mycobacterium spp.)、星形諾卡氏菌(Nocardia asteroids)、珊瑚諾卡氏菌(Nocardia corallia)、德松威利氏諾卡氏菌(Nocardia dassonvillei)、類產(chǎn)氣副大腸桿菌(Paracolobacterium aerogenoide)、假諾卡氏菌屬某些種(Pseudonocardiaspp.)、嗜水假單胞菌(Pseudomonas hydrophila)、八疊球菌屬某些種(Sarcinaspp.)、 Staphylococcus bibila、黃綠色葡萄球菌(Staphylococcus flavovirens)、Staphylococcus echinatus、不產(chǎn)色鏈球菌(Streptococcus achromogenes)、產(chǎn)褐色鏈球菌(Streptococcus phaeochro mogenes)、弗氏鏈球菌(Streptococcus fracliae)、玫瑰產(chǎn)色鏈球菌(Streptococcus roseochromogenes)、撤攬色鏈球菌(Streptococcus olivaceus)、加州鏈球菌(Streptococcus californicos)、Streptococcus venuceus、Streptococcusvirginial、撤攬產(chǎn)色鏈霉菌(Streptomyces olivochromogene)、Streptococcusvenezaelie、威德摩爾鏈球菌(Streptococcus wedmorensis)、淺灰鏈球菌(Streptococcusgriseolus)、淡青鏈球菌(Streptococcus glaucescens)、比基尼鏈球菌(Streptococcusbikiniensis)、赤褐色鏈球菌(Streptococcus rubiginosus)、Streptococcus achinatus、肉桂地鏈球菌(Streptococcus cinnamonensis)、弗氏鏈球菌(Streptococcus fradiae)、白色鏈球菌(Streptococcus albus)、灰色鏈球菌(Streptococcus griseus)、Streptococcushivens、馬特鏈球菌(Streptococcus matensis)、鼠灰色鏈球菌(Streptococcus murinus)、雪白鏈球菌(Streptococcus nivens)、普拉特鏈球菌(Streptococcus platensis)、白色鏈抱子囊菌(Streptosporangium album)、Streptosporangium oulgare、熱多抱菌屬某些種(Thermopolyspora spp.)、棲熱菌屬某些種(Thermus spp.)、黃單胞菌屬某些種(Xanthomonas spp.)以及運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單抱菌(Zymononas mobilis)。
[0056]葡萄糖異構(gòu)酶可在溶液中游離地使用或者固定在載體上?？晒潭ㄈ?xì)胞或不含細(xì)胞的酶。載體結(jié)構(gòu)可為任何不溶性材料。載體結(jié)構(gòu)可為陽(yáng)離子材料、陰離子材料或中性材料，例如二乙氨基乙基纖維素、金屬氧化物、金屬氯化物、金屬碳酸鹽以及聚苯乙烯。固定可通過(guò)任何合適的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，固定可通過(guò)使載體與全細(xì)胞或酶在溶劑(如水)中接觸并隨后去除溶劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。溶劑可通過(guò)任何合適的手段(例如過(guò)濾或蒸發(fā)或噴霧干燥)來(lái)去除。作為另一個(gè)實(shí)例，噴霧干燥具有載體的全細(xì)胞或酶可為有效的。
[0057]葡萄糖異構(gòu)酶也可以存在于活細(xì)胞中，所述活細(xì)胞在所述過(guò)程期間產(chǎn)生所述酶。例如，葡萄糖異構(gòu)酶產(chǎn)生細(xì)菌可以在所述過(guò)程中與乙醇發(fā)酵細(xì)菌共培養(yǎng)?；蛘?，葡萄糖異構(gòu)酶產(chǎn)生細(xì)菌可首先與底物接觸，隨后用乙醇產(chǎn)生底物接種。
[0058]葡萄糖異構(gòu)酶還可存在于能夠進(jìn)行糖的進(jìn)一步有用轉(zhuǎn)變的細(xì)胞內(nèi)或從所述細(xì)胞中分泌。例如，可對(duì)葡萄糖發(fā)酵物種進(jìn)行基因修飾以含有并表達(dá)用于產(chǎn)生葡萄糖異構(gòu)酶的基因。
[0059]1.生物質(zhì)材料的處理
[0060]A.粒子轟擊
[0061]用高能粒子轟擊進(jìn)行的一種或多種處理可用于處理來(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。可選地，可使用通過(guò)放射性物質(zhì)產(chǎn)生的輻射來(lái)處理原料?？梢匀我忭樞蚧蛲瑫r(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。
[0062]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。
[0063]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, Johnffiley&Sons,Inc.(1988),Krsto Prelec, FIZIKA B6 (1997)4, 177-206 ；Chu, WilliamT., “Overview of Light-1on Beam Therapy” , Columbus-Ohio, ICRU-1AEA 會(huì)議,2006 年 3月 18-20 日；Iwata，Y.等，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-1on MedicalAccelerators，，, Pr oceedings of EPAC2006, Edinburgh, Scotland ；以及 Leitner, C.M.等，“Status of the Superconducting ECR 1n Source Venus”，Proceedings of EPAC2000,維也納，奧地利。
[0064]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，而低劑量可增加原料組分內(nèi)的化學(xué)鍵合(例如，交聯(lián))。
[0065]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。
[0066]B.其它形式的能量
[0067]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。
[0068]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。
[0069]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。
[0070]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。
[0071]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。
[0072]紫外輻射源包括氘燈或鎘燈。
[0073]紅外輻射源包括藍(lán)寶石、鋅、或硒化物窗口陶瓷燈。
[0074]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> [0075]在本文所公開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。所述裝置公開于例如美國(guó)專利號(hào)7，931，784B2中，所述專利的完整公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0076]C.電子 轟擊
[0077]1.電子束
[0078]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/或增加原料的表面面積和/或孔隙率。
[0079]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。
[0080]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10MeV、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)稱能量。在一些實(shí)施方式中，標(biāo)稱能量為約500keV至800keV。
[0081]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。
[0082]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。
[0083]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。
[0084]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0.2 5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。
[0085]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。
[0086]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。
[0087]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。
[0088]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。
[0089]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)?、氬氣或氦氣的惰性氣體覆蓋時(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。
[0090]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，可以任意順序用電子束、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。
[0091]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。
[0092]改變分子/超分子結(jié)構(gòu)和/或減小生物質(zhì)材料的不順應(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。
[0093]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。
[0094]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。
[0095]2.電子源
[0096]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。 [0097]在本文所公開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。所述裝置公開于例如Medoff的美國(guó)專利號(hào)7，931，784中，所述專利的完整公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0098]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。
[0099]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內(nèi)容以引用的方式并入本文。[0100]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。
[0101]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。考察電子束照射的暴露劑量水平的權(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。
[0102]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。
[0103]3.電子槍-窗口
[0104]當(dāng)用電子槍處理時(shí)，生物質(zhì)在通常為金屬箔(例如，鈦、鈦合金、鋁和/或硅)的窗口下通過(guò)時(shí)被照射。所述窗口不透氣，而電子可在不透氣的情況下以較低阻力通過(guò)。箔窗口優(yōu)選為約10微米與100微米之間厚(例如，窗口可為10微米厚、11、12、13、14、15、16、17、
18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95 或 100 微米厚)。薄窗口在電子束通過(guò)它們時(shí)耗散較少能量(例如，由于功率=I2R,所以電阻性加熱較少)，這相對(duì)于用盡可能多的能量照射目標(biāo)材料(例如，生物質(zhì))來(lái)說(shuō)是有利的。同時(shí)薄窗口機(jī)械強(qiáng)度不強(qiáng)并且更可能出故障，這會(huì)造成支出增加并且設(shè)備的停機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)。
[0105]箔窗口可通過(guò)使空氣或惰性氣體在所述窗口上經(jīng)過(guò)來(lái)冷卻。當(dāng)使用外殼時(shí)，通常優(yōu)選將窗口安裝到外殼上，并且從封閉的輸送系統(tǒng)外側(cè)的側(cè)面冷卻窗口，以避免放樣被照射材料的任何微粒。
[0106]系統(tǒng)可包括一個(gè)以上窗口，例如主要窗口和次要窗口。兩個(gè)窗口可形成用以含有吹掃氣體和/或冷卻氣體的外殼。次要窗口可充當(dāng)“犧牲”窗口以保護(hù)主要窗口。電子束裝置在電子源與主要窗口之間包括真空，并且主要窗口的破損可能會(huì)造成生物質(zhì)材料被吸起進(jìn)入到電子束裝置中，從而導(dǎo)致?lián)p害、修復(fù)成本以及設(shè)備停機(jī)時(shí)間。
[0107]窗口可為聚合物、陶瓷、涂覆陶瓷、復(fù)合物或涂覆復(fù)合物。次要窗口可為(例如)聚合物或涂覆聚合物的連續(xù)的片或卷，其可連續(xù)或間隔地推進(jìn)以提供干凈或新的區(qū)段來(lái)充當(dāng)次要窗口。
[0108]主要窗口和次要窗口可由相同材料或不同材料制成。例如，主要窗口箔可由鈦、鈧、鑰;、鉻、鎳、錯(cuò)、銀、鑰、釕、錯(cuò)、鈕、鉿、鉭、鶴、錸、鉬、銥或任何這些的合金或混合物制成。次要單型窗口箔可由鈦、鈧、銀、鉻、鎳、錯(cuò)、銀、鑰、釕、錯(cuò)、鈕、鉿、鉭、鶴、錸、鉬、銥、鈹、招、硅或任何這些的合金或混合物制成。主要窗口和次要窗口可具有相同材料、材料的混合物，或合金，或不同材料、 材料的混合物，或合金窗口中的一個(gè)或兩個(gè)可為不同材料、材料的混合物，或合金的相同層壓件。[0109]更多窗口中的一個(gè)可具有橫跨其表面的支撐結(jié)構(gòu)。如本文使用的術(shù)語(yǔ)“單型窗口 ”意指不具有橫跨其表面的支撐結(jié)構(gòu)的窗口。如本文使用的術(shù)語(yǔ)“雙型窗口”意指具有橫跨其表面的支撐結(jié)構(gòu)的窗口，其中支撐結(jié)構(gòu)將窗口表面有效地分成兩部分。所述雙型窗口在Nishimura的美國(guó)專利號(hào)5，877，582中示出。還可使用另外的支撐結(jié)構(gòu)。
[0110]主要窗口箔和次要窗口箔均可由低Z元素制成。可選地，主要窗口箔可由高Z元素制成，而次要窗口箔可由低Z元素制成。
[0111]本文所述實(shí)施方案不排除包含另外的窗口，所述另外的窗口可具有保護(hù)功能或者可被包括來(lái)改變輻射暴露。
[0112]窗口可為凹進(jìn)、扁平或凸出的。通常優(yōu)選的是，窗口在遠(yuǎn)離冷卻流體方向的方向上為微凸的。此彎曲提高了窗口的機(jī)械強(qiáng)度并且增加了允許的溫度水平，并且允許冷卻流體的更好流動(dòng)路徑。在掃描角的那側(cè)，由于真空(例如，約10_5至10,托、約10_6至10_9托、約10_7至10_8托)使得彎曲傾向于朝向真空(例如，遠(yuǎn)離冷卻流體)。
[0113]由于電阻性加熱與如上所討論的電流的平方近似相關(guān)，所以窗口的冷卻和/或窗口的凹進(jìn)形狀對(duì)于高射束電流變得尤其重要，所述高射束電流例如至少約IOOmA電子槍電流(例如，至少約110mA、至少約120mA、至少約130mA、至少約140mA、至少約150mA、至少約200mA、至少約500mA、至少約1000mA)。窗口可為任何形狀，但通常近似為具有長(zhǎng)與寬的高縱橫比的矩形(其中寬度方向與垂直于輸送方向的輸送系統(tǒng)的寬度相同，并且長(zhǎng)度與輸送方向相同)。窗口與輸送材料的距離可小于約IOcm(例如，小于約5cm)并且大于約0.1cm (例如,大于約1cm、大于約2cm、大于約3cm、大于約4cm)。還可能使用具有不同并且變化的形狀并以不同 方式配置的多個(gè)窗口(例如，3、4、5、6或更多個(gè))。例如，主要箔窗口或次要箔窗口可在相同平面上或分層包括一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)窗口并且可包括一個(gè)或多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。例如，支撐結(jié)構(gòu)可為處于相同平面并且接觸窗口的棒或柵格。
[0114]在一些實(shí)施方案中，安裝在封閉的輸送系統(tǒng)上的窗口是用于掃描電子束的兩個(gè)箔窗口提取系統(tǒng)中的次要箔窗口。在其它實(shí)施方案中，不存在用于輸送生物質(zhì)材料的外殼，例如在照射裝置下在空氣中輸送生物質(zhì)。
[0115]用于掃描電子束的兩箔窗口提取系統(tǒng)具有兩個(gè)窗口，主要窗口和次要窗口。通常，主要窗口離電子源最近，并且由于窗口的那側(cè)上的真空而在朝向掃描角的頂部為凹進(jìn)的。次要箔窗口傾向于較扁平，但在相同方向上也是凹進(jìn)的。此彎曲有助于為窗口提供支撐結(jié)構(gòu)并且機(jī)械強(qiáng)度比扁平窗口強(qiáng)?？蛇x地，窗口在任何方向上可為扁平或彎曲的。窗口箔通常為至少約10微米厚至約30微米厚(例如，約15-40微米、約20-30微米、約5_30微米、約8-25微米、約10-20微米、約20-25微米厚)。主要窗口箔的前表面與次要窗口箔的后表面之間的距離優(yōu)選小于30cm、更優(yōu)選小于20cm、并且最優(yōu)選小于10cm。側(cè)壁與主要窗口和次要窗口組合可限定內(nèi)部空間。電子行進(jìn)通過(guò)兩個(gè)窗口以撞擊在設(shè)置于下方的材料(例如，生物質(zhì))上并穿透所述材料。第一入口可被包括在一個(gè)側(cè)壁上并且可被布置成允許冷卻流體(例如，液體或氣體)撞擊在主要窗口箔上。冷卻流體可沿著窗口流動(dòng)并且隨后在相反方向上流動(dòng)以與遠(yuǎn)的(對(duì)面的)壁交會(huì)并且大體上通過(guò)內(nèi)部空間的中央流回并隨后通過(guò)排出端口和或出口流出。第二入口可被包括在所述側(cè)壁上并且可被布置成允許冷卻流體以相似方式撞擊在次要窗口箔上。任選更多個(gè)入口(例如，2、3、4、5、6或更多個(gè))可將冷卻流體帶到主要窗口和次要窗口表面，并且多個(gè)出口(例如，2、3、4、5、6或更多個(gè))可允許冷卻流體離開內(nèi)部空間。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁可甚至為網(wǎng)、篩網(wǎng)或格柵，其具有冷卻氣體可流動(dòng)通過(guò)的許多開口，同時(shí)為窗口提供支撐結(jié)構(gòu)。
[0116]所述窗口系統(tǒng)描述于2012年10月10日由Medoff等提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/711,801中，所述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。用于所述系統(tǒng)的多種配置對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也將是已知的。
[0117]4.電子槍-窗口間隔
[0118]盡管例如出于以上所述的原因，窗口之間大的間隔可能是有利的，但大的間隔有一些缺點(diǎn)。窗口之間大的間隔的一個(gè)缺點(diǎn)在于電子束將穿過(guò)較大體積的冷卻氣體，這可造成能量損失。例如，IMeV束損失約0.2MeV/M能量，5MeV束損失約0.23MeV/M并且IOMeV束損失約0.26MeV/M。因此，在IMeV電子束穿過(guò)Icm空氣的情況下，束僅損失其能量的0.2%，在IOcm空氣下，束損失其能量的2%，在20cm下，這為其能量的4%，而在50cm下，能量損失為10%。由于電子還必須通過(guò)另外的空氣從次要箔窗口行進(jìn)到生物質(zhì)，所以必須仔細(xì)控制窗口之間的間隙。優(yōu)選地，能量損失少于約20% (例如，少于10%、少于5%或甚至少于1%)0因此，將窗口之間的間隔最小化以降低能量損失是有利的。對(duì)于如上所述的冷卻的益處和對(duì)于減少能量損失的益處來(lái)說(shuō)，窗口之間(例如，電子窗口箔的表面?zhèn)扰c次要窗口箔的對(duì)面表面之間)的最佳間隔(例如，平均間隔) 在約2cm與20cm之間(例如，約3cm與20cm之間、約4cm與20cm之間、約5cm與20cm之間、約6cm與20cm之間、約7cm與20cm之間、約8cm與20cm之間、約3cm與15cm之間、約4cm與15cm之間、約5cm與15cm之間、約6cm與15cm之間、約7cm與15cm之間、約8cm與15cm之間、約3cm與IOcm之間、約4cm與IOcm之間、約5cm與IOcm之間、約6cm與IOcm之間、約7cm與IOcm之間、約8cm與IOcm之間)。
[0119]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將平衡窗口間隔的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以適應(yīng)其需要。
[0120]在一些實(shí)施方案中，窗口的支撐結(jié)構(gòu)可橫跨窗口使用，盡管這些類型的結(jié)構(gòu)由于在電子束沖擊這些種類的結(jié)構(gòu)時(shí)所述電子束會(huì)發(fā)生的能量損失而不是優(yōu)選的。
[0121]窗口之間大的間隔可為有利的，因?yàn)槠湎薅舜翱谥g的較大體積并且允許用于非常有效的冷卻的大體積冷卻氣體的快速流動(dòng)。入口和出口的直徑在Imm與120mm之間(例如，約2mm、約5mm約10mm、約20mm、約50mm或甚至約100mm)。冷卻氣體流量可在約500CFM 至 2500CFM 之間(例如，約 600CFM 至 2500CFM、約 700CFM 至 2500CFM、約 800CFM 至2500CFM、約 1000CFM 至 2500CFM、約 600CFM 至 2000CFM、約 700CFM 至 2000CFM、約 800CFM 至2000CFM、約 1000CFM 至 2000CFM、約 600CFM 至 1500CFM、約 700CFM 至 1500CFM、約 800CFM 至1500CFM、約1000CFM至1500CFM)。在一些實(shí)施方案中，約每60秒或更少時(shí)間(例如，在約50秒或更少時(shí)間內(nèi)、在約30秒或更少時(shí)間內(nèi)、在約10秒或更少時(shí)間內(nèi)、在約I秒或更少時(shí)間內(nèi))交換約50%的氣體。
[0122]5.電子槍-冷卻和吹掃氣體
[0123]兩箔窗口提取系統(tǒng)中的冷卻氣體可為吹掃氣體或混合物(例如，空氣)或純氣體。在一個(gè)實(shí)施方案中，氣體是惰性氣體，如氮?dú)狻鍤?、氦氣和或二氧化碳。?yōu)選使用氣體而不是流體，因其使電子束的能量損失最小化。還可使用純氣體的混合物，在撞擊窗口之前在管線中或在窗口之間的空間中預(yù)混合抑或混合?？衫缤ㄟ^(guò)使用熱交換系統(tǒng)(例如，冷凍器)和/或通過(guò)使用來(lái)自冷凝氣體(例如，液氮、液氦)的氣化對(duì)冷卻氣體進(jìn)行冷卻。[0124]當(dāng)使用外殼時(shí)，可用惰性氣體吹掃封閉的輸送器，以便將大氣維持在降低的氧水平下。使氧水平保持較低避免了臭氧的形成，在一些情況下臭氧由于其反應(yīng)性和毒性性質(zhì)是不希望的。例如,氧可少于約20% (例如，少于約10%、少于約1%、少于約0.1%、少于約0.01%或甚至少于約0.001%的氧)?？捎枚栊詺怏w進(jìn)行吹掃，所述惰性氣體包括但不限于氮?dú)狻鍤?、氦氣或二氧化碳。這可由例如液態(tài)來(lái)源(例如，液氮或液氦)的氣化供應(yīng)，從空氣中就地產(chǎn)生或分離，或由罐供應(yīng)。惰性氣體可再循環(huán)并且可使用催化劑(如銅催化劑床)去除任何殘余氧。可選地，可進(jìn)行吹掃、再循環(huán)和氧去除的組合以使氧水平保持較低。
[0125]也可用可與生物質(zhì)反應(yīng)的反應(yīng)性氣體吹掃外殼。這可在照射過(guò)程之前、期間或之后進(jìn)行。反應(yīng)性氣體可以是但不限于:一氧化二氮、氨、氧、臭氧、烴、芳香族化合物、酰胺、過(guò)氧化氫、疊氮化物、鹵化物、鹵氧化物、磷化物、膦、胂、硫化物、硫醇、硼烷和/或氫化物。可在外殼中例如通過(guò)照射(例如，電子束、UV照射、微波照射、加熱、IR輻射)活化反應(yīng)性氣體，以使其與生物質(zhì)反應(yīng)?？衫缤ㄟ^(guò)照射活化生物質(zhì)本身。優(yōu)選地，生物質(zhì)通過(guò)電子束活化，以產(chǎn)生隨后例如通過(guò)自由基偶合或淬滅與活化或未活化的反應(yīng)性氣體反應(yīng)的自由基。
[0126]應(yīng)用于封閉的輸送器的吹掃氣體也可冷卻到例如約25°C以下、約0°C以下、約-40°C以下、約_80°C以下、約_120°C以下。例如，氣體可由壓縮氣體(如液氮)氣化或者由固態(tài)二氧化碳升華。作為替代性實(shí)例，可通過(guò)冷凍器冷卻氣體，或者可冷卻部分或整個(gè)輸送器。
[0127]6.電子槍-射束阻擋件
[0128]在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)和方法包括射束阻擋件(例如，光閘)。例如，可使用射束阻擋件快速停止或減少材料的照射而不用關(guān)掉電子束裝置?；蛘撸稍诖蜷_電子束時(shí)使用射束阻擋件，例如射束阻擋件可阻擋電子束直到實(shí)現(xiàn)所需水平的射束電流。射束阻擋件可置于主要箔窗口與次要箔 窗口之間。例如，可安裝射束阻擋件以使得其是可移動(dòng)的，即，以使得其可移入和移出射束路徑。甚至可使用射束的部分覆蓋件，例如以控制照射的劑量。射束阻擋件可安裝到底板上、安裝到生物質(zhì)的輸送器上、安裝到壁上、安裝到輻射裝置(例如，在掃描盒處)上或者安裝到任何結(jié)構(gòu)支撐件上。優(yōu)選地，相對(duì)于掃描盒固定射束阻擋件，以使得可通過(guò)射束阻擋件有效地控制射束。射束阻擋件可結(jié)合鉸鏈、軌道、輪子、狹槽或允許其以移入和移出射束的方式操作的其它裝置。射束阻擋件可由任何材料制成，所述材料將阻擋至少5%的電子，例如至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、至少80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99% 或甚至約 100% 的電子。
[0129]射束阻擋件可由金屬制成，所述金屬包括但不限于不銹鋼、鉛、鐵、鑰、銀、金、鈦、鋁、錫、或這些的合金，或用所述金屬制成的層壓件(分層材料)(例如，金屬涂覆的陶瓷、金屬涂覆的聚合物、金屬涂覆的復(fù)合物、多層金屬材料)。
[0130]可例如用冷卻流體(如水溶液或氣體)冷卻射束阻擋件。射束阻擋件可為部分或完全中空的，例如具有空腔。射束阻擋件的內(nèi)部空間可用于冷卻流體和氣體。射束阻擋件可具有任何形狀，包括扁平、彎曲、圓形、橢圓形、正方形、矩形、斜面以及楔形形狀。
[0131]射束阻擋件可具有穿孔，以便允許一些電子通過(guò)，從而控制(例如，降低)窗口的全部面積上或窗口的特定區(qū)域中的輻射水平。射束阻擋件可為例如由纖維或線纜形成的網(wǎng)?？梢黄鸹颡?dú)立使用多個(gè)射束阻擋件來(lái)控制照射。射束阻擋件可例如通過(guò)無(wú)線電信號(hào)遠(yuǎn)程控制或者硬接線至發(fā)動(dòng)機(jī)以將射束移入或移出位置。[0132]D.生物質(zhì)材料的處理-超聲處理、熱解、氧化、蒸汽爆炸
[0133]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)專利號(hào)7，932，065中詳細(xì)描述，所述專利的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0134]I1.生物質(zhì)材料
[0135]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。
[0136]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、污水、以及任何這些的混合物。
[0137]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)。
[0138]有利地，對(duì)于乙醇生產(chǎn)，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)。其它產(chǎn)物可能需要添加痕量金屬、維生素或增加緩沖能力，但這些調(diào)節(jié)完全在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)。
[0139]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。
[0140]纖維素材料包括例如紙、紙制品、廢紙、紙漿、著色紙、裝載紙、涂覆紙、填充紙、雜志、印刷品(例如，書、目錄、手冊(cè)、標(biāo)簽、日歷、賀卡、小冊(cè)子、內(nèi)容說(shuō)明書、新聞?dòng)眉?、打印紙、多涂層紙、卡片坯料、硬紙板、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日由Medoff等提交的“Magazine Feedstocks”)中所述的紙制品,所述申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0141]纖維素材料還可包括已脫木質(zhì)化的木質(zhì)纖維素材料。
[0142]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(oca)、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，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。可通過(guò)本文所述的任何方法處理淀粉材料。
[0143]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、變形蟲、纖毛蟲和孢子蟲)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?；蛘呋蛄硗?，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)。
[0144]生物質(zhì)材料還可包括下水和類似來(lái)源的材料。
[0145]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)的全部公開內(nèi)容以引用的方 式并入本文。
[0146]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。
[0147]II1.生物質(zhì)材料制備-機(jī)械處理
[0148]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。
[0149]本文公開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，所述專利的全部公開內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0150]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)具有所希望的開口尺寸的網(wǎng)或多孔板進(jìn)行篩選，所述開口尺寸例如小于約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。
[0151]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。
[0152]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)。
[0153]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)專利號(hào)7，900, 857中描述，所述專利的公開內(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?；蛘撸蓪⒗鋮s氣體，例如冷凍氮?dú)獯邓偷缴镔|(zhì)材料上或輸送系統(tǒng)下。
[0154]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?、陶瓷和/或離子，如美國(guó)專利申請(qǐng)公布2010/0105119A1 (2009年10月26日提交)和美國(guó)專利申請(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內(nèi)容以引用的方式并入本文。可添加的任選材料包括酸和堿?？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。可例如以純的形式、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。
[0155]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)。
[0156]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)。
[0157]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。
[0158]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)專利號(hào)8，083, 906中描述,所述專利的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0159]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?？稍谡丈渲?、期間和或之后應(yīng)用這些方法。
[0160]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)材料的表面面積和/或降低生物質(zhì)材料的一個(gè)或多個(gè)尺寸。
[0161]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。
[0162]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”、“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。
[0163]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珏N磨機(jī)、球磨機(jī)、膠體磨、圓錐或錐形磨、盤磨機(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)、銷棒研磨機(jī)、咖啡研磨機(jī)以及磨盤式研磨機(jī)。研磨或碾磨可以例如通過(guò)使銷棒或其它元件往復(fù)移動(dòng)來(lái)提供，在銷棒碾磨機(jī)中就是這樣。其它機(jī)械處理方法包括機(jī)械撕破或撕裂、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)。
[0164]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。
[0165]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?，例如從小于約0.2g/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))中公開的方法和設(shè)備來(lái)使材料致密化，所述專利的全部公開內(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。
[0166]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。
[0167]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。
[0168]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)。
[0169]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。[0170]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(以任意順序)。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的方法組合使用。
[0171]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內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0172]IV.處理的生物質(zhì)材料的用途
[0173]使用本文公開的方法，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。
[0174]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)。
[0175]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。 [0176]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)。
[0177]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。
[0178]V.中間體和產(chǎn)品
[0179]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、1，4- 丁二醇、1，3-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。
[0180]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。
[0181]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?？梢杂美缧∮诩s20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。
[0182]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。
[0183]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。
[0184]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、卡車、拖拉機(jī)、船或火車提供動(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。
[0185]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)專利申請(qǐng)公布2010/0124583Α1，所述公布的全部公開內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0186]V1.由微生物產(chǎn)生酶
[0187]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。
[0188]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。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)成一大類底物。
[0189]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。
[0190]產(chǎn)生纖維素酶的有機(jī)體當(dāng)與生物質(zhì)接觸時(shí)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)如上所述的酶誘導(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。
[0191]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優(yōu)化所希望的有用產(chǎn)物的產(chǎn)生。
[0192]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。
[0193]VI1.糖化
[0194]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)專利申請(qǐng)公布2012/0100577A1中所描述，所述公布的全部?jī)?nèi)容并入本文。
[0195]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、油罐卡車中、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。如果在受控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。
[0196]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)的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0197]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Twe en? 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。
[0198]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)。
[0199]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?？股貙⒃谶\(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?？蛇x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。
[0200]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。
[0201]VII1.糖化劑
[0202]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，例如，歐洲公布號(hào)0458162)、特異腐質(zhì)霉(Humicola insolens)
(被重新分類為嗜熱柱頂孢霉(Scytalidium thermophilum),參見例如美國(guó)專利號(hào)4，435，307)、灰蓋鬼傘(Coprinus cinereus)、尖抱鍵刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜熱毀絲霉(Myceliophthora thermophi Ia)、大型亞灰樹花菌(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、A.dichromosporum CBS683.73、Acremonium obclavatum CBS311.74、Acremonium pinkertoniae CBS157.70、粉灰枝頂抱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，例如美國(guó)專利號(hào)3，844，890和歐洲公布號(hào)O 458 162)以及鏈霉菌屬(參見，例如歐洲公布號(hào)O 458 162)。
[0203]可用于使生物質(zhì)材料糖化并且產(chǎn)生糖的許多微生物也可用于使那些糖發(fā)酵并且轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)物。
[0204]IX.糖
[0205]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。
[0206]X.氫化和其它化學(xué)轉(zhuǎn)變
[0207]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?？梢酝ㄟ^(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)的公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。
[0208]X1.發(fā)酵
[0209]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。
[0210]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。
[0211]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。 中間體發(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。這些中間體發(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)室磨中將中間體發(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)。
[0212]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。
[0213]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內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0214]“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。
[0215]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。
[0216]XI1.發(fā)酵劑
[0217]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。
[0218]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)(包括但不限于嗜縣管囊酵母(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Philippidisj 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.bei jernckii)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(Zygosaccharomyc es)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。
[0219]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。
[0220]許多所述微生物菌株可公開商購(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, Germany)。
[0221]可商購(gòu)獲得的酵母包括，例如，Red Star?./Lesaffre Ethanol Red(購(gòu)自Red
Star/Lesaffre, USA)、FAT.T? (購(gòu)自 Fleischmann，s Yeast (Burns Philip Food Inc.的部門)，USA)、SUPERSTART? (購(gòu)自 Alltech，現(xiàn)在的 Lalemand)、GERT STRAND^ (購(gòu)自 Gert Strand AB，Sweden)以及 FERMOL? (購(gòu)自 DSM Specialties)。[0222]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。
[0223]XII1.蒸餾
[0224]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。
實(shí)施例
[0225]實(shí)施例1.外來(lái)果糖對(duì)糖化的影響
[0226]這個(gè)實(shí)施例測(cè)試了外來(lái)果糖是否抑制糖化酶。
[0227]準(zhǔn)備三個(gè)225mL愛倫美氏燒瓶，各自具有IOg處理的玉米穗軸生物質(zhì)(網(wǎng)孔尺寸在15與40之間，并且用電子束照射至35毫拉德)、100mL水以及2.5mL的DuetAccelerase?(Danisco)。向第一、第二和第三燒瓶中分別添加:0g,、5g和IOg果糖。用招箔覆蓋燒瓶并且在50°C和200rpm的振蕩培養(yǎng)箱中放置四天。通過(guò)HPLC監(jiān)測(cè)木糖和葡萄糖的量。糖化的結(jié)果顯示在下表中。
[0228]表1.不同的外來(lái)果糖水平下的糖化。
[0229]
【權(quán)利要求】
1.一種制備產(chǎn)物的方法，所述方法包括: 使不順應(yīng)性減小的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)糖化，以及向所糖化的生物質(zhì)中添加異構(gòu)化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述糖化的生物質(zhì)包含第一種糖和第二種糖，并且所述異構(gòu)化劑用于將所述第二種糖轉(zhuǎn)化為第三種糖。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括使所述糖化的生物質(zhì)與微生物接觸以將所述第一種糖和所述第三種糖轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)物。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述不順應(yīng)性減小的生物質(zhì)已用選自由以下組成的組的處理方法進(jìn)行預(yù)處理: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。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述處理方法為用電子轟擊。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在將所述微生物-生物質(zhì)組合維持在使所述微生物能將所述第一種糖轉(zhuǎn)化為所述產(chǎn)物的條件下之前進(jìn)行所述第二種糖到所述第三種糖的所述轉(zhuǎn)化。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述生物質(zhì)的糖化之后立即進(jìn)行所述第二種糖到所述第三種糖的所述轉(zhuǎn)化。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述生物質(zhì)的糖化期間進(jìn)行所述第二種糖到所述第三種糖的所述轉(zhuǎn)化。
9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自由以下組成的組: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、大麥稻、燕麥稻、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、污水、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、蠶豆、扁豆、碗豆以及任何這些物質(zhì)的混合物。
10.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述異構(gòu)化劑包括酸。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述酸為聚苯乙烯磺酸。
12.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述異構(gòu)化劑包括固定在載體上的酶。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述酶為木糖異構(gòu)酶。
14.如權(quán)利要求3至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中將所述微生物-糖化的生物質(zhì)組合維持在約6.0至約7.5的pH下。
15.如權(quán)利要求2 至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二種糖是葡萄糖，并且所述第二種糖是果糖。
16.如權(quán)利要求2至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二種糖是木糖，并且所述第三種糖是木酮糖。
17.如權(quán)利要求3至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微生物是酵母。
18.如權(quán)利要求3至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微生物是梭菌屬某些種。
19.如權(quán)利要求3至18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:乙醇、丁醇、丁酸、乙酸以及丙酮。
20.如權(quán)利要求3至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微生物是乳桿菌屬某些種。
21.如權(quán)利要求20 所述的方法，其中所述產(chǎn)物是乳酸。
【文檔編號(hào)】C12P19/24GK104011219SQ201280062853
【公開日】2014年8月27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, M·芬 申請(qǐng)人:希樂(lè)克公司