背景

纖維素和木質纖維素材料在眾多應用中大量產生、加工和使用。這類材料經常常使用一次，并且隨后作為廢物丟棄，或者簡單地被認為是廢料，例如，污水、蔗渣、鋸屑和秸稈。

各種纖維素和木質纖維素材料、其用途和應用已經描述在美國專利號7,307,108、7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中；以及許多專利申請中，包括2006年3月23日提交的PCT/US2006/010648“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”和美國專利申請公開號2007/0045456“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”。

概述

本文公開了用于通過均在單一罐中進行的多個生物工藝來產生產物的工藝。

一些工藝包括通過例如使用酶將材料(如纖維素或木質纖維素原料)的纖維素部分轉化成低分子量糖來糖化或液化該材料，然后例如通過發(fā)酵和蒸餾將所得糖轉化成產物。在一些實施方式中，工藝包括使用分散系統(tǒng)來將纖維狀和/或顆粒狀原料分散于液體介質和混合系統(tǒng)(例如低剪切系統(tǒng)例如射流混合系統(tǒng))中，以在罐中混合該材料。在一些實施方式中，該分散系統(tǒng)包括腔室以及在該腔室內部的轉動件，所述轉動件將所述原料和液體介質軸向抽入所述腔室內并且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向排出。

本文中公開的工藝可以使用低堆積密度材料，例如纖維素或木質纖維素原料，所述材料已經物理預處理以具有小于約0.75g/cm³的堆積密度，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0.025g/cm³。這類材料可以是例如用水或溶劑體系特別難以分散于液體中以用于糖化、發(fā)酵或其他加工。由于它們的低堆積密度，這些材料傾向于漂浮在液體的表面上而非被潤濕并分散于液體中。在一些情況下，這些材料可以是疏水性的、高度結晶的，或難以潤濕的。同時，需要在固形物水平相對高的分散體中加工原料，以便在加工后獲得糖在糖化材料中的高終濃度或高濃度期望產物(例如，發(fā)酵后的高濃度乙醇或其他醇類)。在一些情況下，使用本文所述的方法，在加工期間分散體的固形物水平可以例如是以重量計至少10、15、20、22.5、25、27.5、30、35、40、45％或甚至至少50％溶解的固形物。例如，固形物水平可以是約10至50％，例如，約10-40％、10-30％或10-20％。

本文的工藝在一些情況下還允許用于所述工藝的酶和/或微生物在分批工藝中再使用，或在連續(xù)工藝中使用較長時間。

在一方面，本發(fā)明的特征在于包括以下的方法：使容器例如罐中在液體介質中的生物質原料糖化以形成糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中將糖溶液轉化成產物，例如醇。

一些實施方式包括一個或多個以下特征。轉化可包括發(fā)酵。該方法還可包括蒸餾，例如真空蒸餾。蒸餾可在低于70Torr的真空下進行。蒸餾可在環(huán)境溫度下進行。

在一些情況下，原料具有低堆積密度，例如，低于約0.5g/cm³的堆積密度。液體介質可包括水，并且糖化劑可包括酶。該原料可包括纖維素或木質纖維素材料。

該方法可包括另外的步驟。例如，該方法還可包括在糖化期間用射流混合器混合。用射流混合器或其它混合器混合還可在蒸餾期間進行。該方法也可包括在糖化期間監(jiān)測原料、液體介質和糖化劑的混合物的葡萄糖水平。在一些情況下，該方法還包括在糖化期間將另外的原料和糖化劑加至容器中以及使用分散系統(tǒng)將原料分散于介質中。該方法還可包括在容器中將乳化劑或表面活性劑加至混合物。

在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種系統(tǒng)，其包括罐、設置為將生物質原料、糖化劑和液體介質輸送至所述罐的輸送系統(tǒng)、設置為將輸送的生物質原料和糖化劑混合的混合器以及設置為從所述罐的內容物蒸餾產物的與所述罐連通的真空蒸餾系統(tǒng)。

一些實施方式可包括一個或多個以下特征。該系統(tǒng)還可包括設置為用微生物接種所述罐的內容物的輸送裝置。該系統(tǒng)還可包括設置為監(jiān)測所述罐的內容物的氧水平的氧監(jiān)測器。混合器可以是或包括射流混合器。輸送系統(tǒng)可設置為將生物質原料和液體介質以分散體的形式輸送至所述罐。

通過在單一罐中進行多個加工步驟例如糖化、發(fā)酵和蒸餾，來降低工藝時間和成本，并且簡化工藝。同時，資本成本通常低于多罐加工設施。

在一些情況下，本文所述的系統(tǒng)或其組件可以是便攜的，從而該系統(tǒng)可以從一個位置運輸(例如，通過鐵路、卡車或航運容器)至另一個位置。這種移動式加工在美國系列號12/374,549和國際申請?zhí)朩O2008/011598中描述，所述文獻的全部公開內容通過引用方式并入本文。

可以通過使用本文所述方法產生的示例性產物包括烴、蛋白質、醇(例如，一元醇或二元醇)，如乙醇、正丙醇或正丁醇、羧酸、如乙酸或丁酸、羧酸鹽、羧酸和羧酸鹽的混合物和羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮、醛、α、β-不飽和酸如丙烯酸、烯烴如乙烯，和這些物質中任何者的混合物。具體例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、這些醇中任一者的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羥丙酸、所述酸中任一者的鹽和所述酸中任一者及相應鹽的混合物。這些產物和其他產物在USSN 12/417,900中描述，所述文獻的內容通過引用方式并入本文。

使用ASTM D1895B測定堆積密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計的樣品重量除以以立方厘米計的已知量筒體積，計算出堆積密度。

本文所提及和所附的全部出版物、專利申請、專利和其他參考文獻含有的所有內容通過引用方式完整地并入。

附圖簡述

圖1是說明將纖維素酶促水解成葡萄糖的圖解。

圖2是說明通過生產和發(fā)酵葡萄糖溶液將原料轉化成乙醇的流程圖。

圖3是根據一個實施方案的用于產生產物例如乙醇的系統(tǒng)的圖解說明。

圖3A是適用于圖3的系統(tǒng)的罐和蒸餾單元的圖解側視圖。

圖4是根據一個實施方案的分散系統(tǒng)的圖解透視圖。

圖5和圖5A分別是可以在圖4所示分散系統(tǒng)中使用的分散裝置的圖解截面圖和透視圖。

圖6是根據另一個實施方案的分散系統(tǒng)的圖解透視圖。

圖7和圖7A是說明圖6中所示分散系統(tǒng)的替代性運行模式的圖解。

圖8是以在圖6內所示分散系統(tǒng)中使用的分散部件的圖解透視圖。

圖9和圖9A是說明離開噴嘴的射流的圖解。

圖10是根據一個實施方案的射流攪拌器的圖解透視圖。圖10A是圖10的射流攪拌器的葉輪和噴管的放大透視圖。圖10B是替代的葉輪的放大透視圖。

圖11和圖11A分別是具有從上方延伸至該罐內的兩個射流混合器的罐的側視圖和截面圖。

圖12是用于輸送生物質原料的吹氣機的圖解視圖。

詳述

對于含有葡聚糖和/或木聚糖的材料例如纖維素材料和木質纖維素材料，使用本文所述的方法，可以將生物質(例如，植物生物質、動物生物質、紙和城市廢物)轉化或加工以產生有用的中間體和產物如有機酸、有機酸鹽、酐、有機酸酯和燃料，例如，內燃發(fā)動機用燃料或燃料電池的原料，如本文所述的那些原料。本文描述了可以使用纖維素和/或木質纖維素材料作為原材料的系統(tǒng)和方法，所述的纖維素和/或木質纖維素材料是豐富和容易可獲得的，但是經?？赡茈y以加工纖維素或木質纖維素材料，例如，城市廢物流和廢紙流，如包括新聞紙、牛皮紙、瓦楞紙或這些紙的混合物的流。通常，如果需要，材料可以經物理處理用于加工和/或后續(xù)加工，經常通過尺寸減小方式處理。如果需要降低材料的不順從性，則可以采用物理加工方法如發(fā)酵法。本文所述的多種方法可以有效地降低原料的不順從性水平，使得它更易于加工，如通過生物處理法(例如，采用本文所述的任何微生物，如同型產乙酸菌(homoacetogen)或異型產乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、熱處理法(例如，氣化或熱解)或化學方法(例如，酸水解或氧化)。生物質原料可以使用本文所述的任何方法中一種或多種進行處理或加工，如機械處理、化學處理、輻射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法。多種處理系統(tǒng)和方法可以在這些技術或本文和其他地方所述的其他技術中使用兩種、三種或甚至四種或更多種技術組合的情況下使用。

為了將原料轉化成可以在現有制造廠(例如單細胞蛋白廠、酶制造廠或燃料廠例如谷物乙醇生產設施)中容易加工的形式，本文中公開的工藝可以使用低堆積密度材料，例如纖維素或木質纖維素原料，所述材料已經物理預處理以具有小于約0.75g/cm³的堆積密度，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0.025g/cm³。使用ASTM D1895B測定堆積密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計的樣品重量除以以立方厘米計的已知量筒體積，計算出堆積密度。

為了將原料轉化成可以容易加工的形式，通過糖化劑(例如酶或酸)，將原料中含有葡聚糖或木聚糖的纖維素水解成低分子碳水化合物，如糖，一種稱作糖化的方法。低分子量碳水化合物可以隨后例如在現有制造廠(如單細胞蛋白廠、酶制造廠或燃料廠例如乙醇生產設施)中使用。

包含纖維素的材料可以通過將該材料和糖化劑在液體介質例如溶劑如水溶液中合并而用糖化劑處理。下文詳細討論用于將材料快速和高效地分散于液體介質內的方法。一旦材料已經分散于介質中，則將糖化劑、材料和液體介質充分混合，在一些情況下充分糖化。在一些實施方式中，將材料和/或糖化劑遞增地而非一次性地添加。例如，可以將所述材料的一部分添加至液體介質，分散于其中并且與糖化劑混合，直至該材料至少部分地糖化，此時將材料的第二部分分散于該介質中并且添加至混合物。這種方法可以繼續(xù)直至獲得期望的糖濃度。

分解生物質如生物質的纖維素和/或木質素部分的酶和破壞生物質的生物，含有或制造多種纖維素裂解酶(纖維素酶)、木質素酶或多種破壞小分子生物質的代謝物。這些酶可以是協同地作用以降解生物質的晶狀纖維素或木質素部分的酶復合物。纖維素裂解酶的例子包括：葡聚糖內切酶、纖維二糖水解酶和纖維二糖酶(β-葡糖苷酶)。參考圖1，纖維素底物最初由葡聚糖內切酶在隨機位置水解，產生低聚中間體。這些中間體隨后是外切性葡聚糖酶如纖維二糖水解酶的底物以從纖維素聚合物末端產生纖維二糖。纖維二糖是水溶性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產生葡萄糖。合適的纖維素酶將在本文稍后部分中討論。

完成糖化所要求的時間將取決于所用的工藝條件和原料及酶。如果糖化在制造廠中在受控條件下進行，則纖維素可以在約12-96小時中基本上完全轉化成葡萄糖。如果部分或完全地短暫進行糖化，則糖化可以花費更長時間。

在一些情況下，糖化在pH約4至7，例如約4.5至6或約5至6處進行。

通常優(yōu)選的是，糖溶液中的葡萄糖終濃度應當是相對高的，例如，以重量計大于10％，或大于15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大于95％。這減少待運輸的體積，并且還抑制溶液中的微生物生長。在糖化后，水的體積可以減少，例如，通過蒸發(fā)或蒸餾。

可以通過限制隨酶一起添加至原料的介質(例如，水)的量，獲得相對高的濃度溶液?？梢岳?，通過控制糖化多大程度地發(fā)生來控制濃度。例如，可以通過添加更多原料至溶液而增加濃度?？梢岳缤ㄟ^增加溶液的溫度和/或通過添加如下文討論的表面活性劑而增加原料在介質中的溶解度。例如，溶液可以維持在40-50℃、50-60℃、60-80℃或甚至更高的溫度。

參考圖2，用于制造醇(例如，乙醇)的方法可以包括例如任選地物理預處理原料，例如，以減小其大小(步驟110)，在這種處理之前和/或之后，任選地處理該原料以降低其不順從性(步驟112)，并且將原料糖化以形成糖溶液(步驟114)?？梢酝ㄟ^將原料在液體介質(例如，水)中的分散體與酶混合(步驟111)進行糖化，如會在下文詳細討論。在沒有將溶液從其已被糖化的罐內除去的情況下，接著對溶液生物加工以產生期望的產物，例如乙醇(步驟118)，所述產物隨后進一步加工，例如通過蒸餾(步驟120)進一步加工。優(yōu)選地，蒸餾在與糖化和發(fā)酵相同的罐中進行，例如使用真空蒸餾。下文將詳細描述這種工藝的各個步驟。根據需要，如所示，測量木質素含量的步驟(步驟122)和設定或調節(jié)工藝參數(步驟124)的步驟可以在工藝的多個階段進行，例如緊鄰用來改變原料結構的工藝步驟之前。如果包括這些步驟，則調節(jié)工藝參數以補償原料的木質素含量可變性，如2009年2月11日提交的美國臨時申請?zhí)?1/151,724中所述，所述專利的完整公開內容通過引用方式并入本文。

混合步驟111和糖化步驟114可以使用例如圖3中所示系統(tǒng)進行。該系統(tǒng)包括罐136，其最初含有液體介質并且稍后含有液體介質、原料和糖化劑的混合物138。將液體介質通過帶閥門的管道系統(tǒng)(未顯示)輸送至該罐。該系統(tǒng)還包括與分散單元134連通的料斗130。料斗接收例如來自供給源30的干燥成分，如酵母和養(yǎng)分。任選地，振動裝置36可以與料斗連接以促進從料斗輸送材料。該系統(tǒng)還包括分散單元134。將液體介質從罐中抽入分散單元134，并且通過分散單元經出口管137經返回該罐。如所示，出口管137的開口可以在液面之上，或在一些情況下可以浸沒于罐中的液體內。在一些情況下，根據所用的分散單元(如下文將討論)的類型，該系統(tǒng)可以包括設置為使液體介質循環(huán)通過分散系統(tǒng)的泵139(例如，正排量泵)和/或監(jiān)測分散體的粘度并且在測量的粘度達到預定值時開啟泵的粘度計141。

在圖3中所示的實施方案中，將原料輸送至罐中的液體介質的表面，例如，經具有輸送管道34(例如，軟管或管道)的輸送裝置32。輸送裝置32也可以與振動裝置36連接，以促進材料流入該裝置。輸送裝置32可以是例如設置為將纖維狀和/或顆粒狀材料從來源經軟管吹至遠離該來源的吹氣機，例如，隔絕式吹氣機如從Frederick,Colorado可獲得的FORCE3吹氣機。吹氣機500的例子在圖12中示意性示出。吹氣機500的料斗502從料源504接收材料，例如，借助真空506經入口505抽入材料。一旦處于料斗中，使用轉動裝置508使材料去團聚化，其包括止于柔性槳葉512的轉動臂510。轉動裝置508還將材料經開口514掃下至氣閘516。材料至氣閘的輸送由平板或閥門518計量。氣閘516包括限定腔室522的多個轉動葉片520。氣閘516的靠下部分包括通道524，其中空氣經所述通道524從壓縮空氣供給源(未顯示)吹至出口管(例如，輸送管道34，圖3)。葉片將材料掃至各個部分中的通道，一旦這些材料位于通道附近，則它們被吹入出口管中。轉動葉片520充分緩慢地轉動，從而每個腔室足夠長時間地位于通道附近的適當位置，因此部分材料和一定量的空氣被輸送至出口管內。因此，空氣和材料的交替部分輸送至出口管。當材料沿出口管(它可能相當長)下行時，材料和空氣混合，從而對材料充氣并且使其經出口管順暢移動至罐。將攪拌器和氣閘中的轉動件的轉動速率一起調整，并且該速率可以由用戶基于原料、出口管的長度和其他變量而變動。

可供選擇地，材料可以使用其他技術如重力自動加料或螺桿輸送器輸送至液體的表面。

在一些實施方式中，罐配備有柔性透氣的蓋或設置為允許空氣在原料輸送期間從罐中排泄、同時防止原料從罐中吹出和/或雜質進入罐內的其他裝置。

當原料材料經輸送管道34輸送到罐中液體的表面上時，液體經分散單元134的出口管137排出到材料上。排出的液體潤濕原料材料，引起材料沉入液體中，在這里它可以由分散單元134、優(yōu)選地與下文討論的射流混合器144的混合作用組合時而分散。

通常優(yōu)選，當原料輸送管道經輸送時，分散單元134和射流混合器144運行。

在替代實施方案中，料斗130接收已被原料處理模塊132處理以減少其大小并任選地降低其不順從性(步驟110和112)的原料，并且將原料經料斗130輸送至罐。將原料和液體介質從罐抽入到分散單元134，并且通過分散單元的作用將原料分散于液體介質(例如，水)內。

在兩個實施方案中，糖化劑從包括計量裝置142的料斗140輸送至罐中。將該罐的內容物混合，例如，通過一個或多個射流混合器混合。在圖3中圖解表示射流混合器144；合適射流混合器的例子將在下文詳細描述，并且還在2009年6月19日提交的美國臨時申請No.61/218,832中描述，所述文獻的公開內容在此通過引用方式并入本文。使用驅動泵和/或轉子(未顯示)的電機146，射流混合器產生射流。由電機146施加的扭矩與罐中混合物的固形物水平相關，所述固形物水平轉而反映混合物已經糖化的程度。扭矩由扭矩監(jiān)測器148測量，所述扭矩監(jiān)測器148發(fā)送信號至驅動輸送器130的電機150并且還發(fā)送信號至料斗140的計量裝置142。因此，根據罐內容物的糖化，處理的原料和酶的供應可以被中斷或恢復。由扭矩監(jiān)測器測量的數據也可以用來調節(jié)射流混合器，例如，以降低利用轉子的混合器的RPM，或用來降低泵驅動混合器的射流速度。作為扭矩監(jiān)測器的替代或除扭矩監(jiān)測器之外，該系統(tǒng)可以包括測量電機的全負荷安培數的安培監(jiān)測器(未顯示)。在一些情況下，射流混合器可以包括變頻器(VFD)以允許調整電機的速度。

該系統(tǒng)也可以包括熱監(jiān)測器(未顯示)，所述熱監(jiān)測器監(jiān)測液體介質的溫度并且調節(jié)與溫度增加相對應的原料的進料速率和/或混合條件。這種溫度反饋環(huán)可以用來防止液體介質達到將使酶變性的溫度。

當一個或多個泵在本文所述的系統(tǒng)中使用時，通常優(yōu)選應當使用正排量泵(PD)泵，例如，螺桿泵或螺桿型PD泵。

將糖溶液接種并且在同一個罐中發(fā)酵以用于糖化。通常，應當控制發(fā)酵期間的氧水平，例如，通過監(jiān)測氧水平并且根據需要使罐通風或使混合物曝氣。還需要監(jiān)測容器中乙醇的水平，從而當乙醇水平開始下降時，可以例如，通過加熱或添加亞硫酸氫鈉終止發(fā)酵過程。通常，使用如上所述的相同設備，射流混合在發(fā)酵期間繼續(xù)。

當發(fā)酵已經完成或完成至所需程度時，通過蒸餾收集發(fā)酵產物例如醇(例如乙醇)。優(yōu)選地，使用真空蒸餾單元151進行蒸餾，如圖3中圖解所示。優(yōu)選真空蒸餾，因為其可在大體上環(huán)境溫度下進行，并且由此存在于罐中的營養(yǎng)物、酶和/或微生物將不被蒸餾損害且可以再使用。優(yōu)選地，在低于150Torr，例如低于125、100、80、70、60、50、40或30Torr或甚至低于25Torr的壓力下進行真空蒸餾。通常，壓力應該足夠低使得防止水和醇的共沸混合物的形成，由此消除之后例如用3A分子篩從醇中除去水的需要。

適合的罐160和蒸餾單元162示于圖3A中。罐160包括可例如用水進行流體冷卻以維持容器內的所需溫度的夾套容器164，以及包括真空孔168和其它可輸送材料的孔的蓋166。蓋166還可包括出口孔170，其與蒸餾單元162的導管172流體相通。發(fā)酵的產物例如乙醇通過導172管被真空抽入冷凝器174，并且收集于帶蓋的接收容器176中。系統(tǒng)可設置為維持容器內的溫度低于55°F、50°F、45°F或甚至低于40°F(低于13℃、10℃、7℃或4.5℃).

分散和混合

分散

分散單元134可以包括用液體介質潤濕原料的任何類型的分散設備。許多分散單元包括腔室和位于腔室中的轉子，從而將原料和液體介質軸向地向轉子抽吸并且向外徑向地擠壓至轉子的周界并且因此穿過離心泵形式的單元的出口。取決于分散單元的構造，可能需要備份泵(泵139，上文討論)以抽吸高粘度的流體穿過分散單元。構建一些分散單元以在單元內部產生極高靜流體壓力；當使用這類單元時，通常不需要備份泵。

在圖4-5A中顯示合適分散系統(tǒng)300的一個例子。這種系統(tǒng)產生相對低的吸力，并且因此一般使用備份泵。分散系統(tǒng)300包括可以從較大料斗或袋子(未顯示)或其他源中接收原料并且輸送至分散單元301的接收料倉302。分散單元301包括殼體304，其限定分散室306(圖5A)、液體入口308、與料倉302連通的固體入口310(圖5A)和出口312。分散系統(tǒng)300還包括驅動分散單元301的電機314、用戶控制界面316和幫助維持分散單元301內部的密封件完整性的加壓單元318。閥門(未顯示)布置在接收料倉302和固體入口310之間以計量向分散單元301的固體輸送。

分配單元301的內部結構在圖5-5A中顯示。在穿過固體入口310后，固體由經液體入口308進入的液體接觸時固體由攪龍320向下移動。液體和固體隨后由一系列混合葉片322混合，并且最終由轉子324(在圖5A中詳細顯示)混合，其中所述轉子324以相對于腔室306側壁的轉子/定子布局而布置。這種系列混合部件以遞增水平的剪切力用液體潤濕固體，產生從出口312離開的基本上同質分散體。通過文丘里原理，葉輪產生在腔室306和料倉302之間有差異的巨大壓力，所述壓力抽出真空并且因此幫助將材料從料倉抽出至腔室。

圖6-8中顯示另一個合適的分散系統(tǒng)400。這種系統(tǒng)從Works,Wilmington,North Carolina以商標名CMS2000商購。如所供應，分散系統(tǒng)400包括液體罐402。然而，如果需要，可以省略相對小的罐402并且系統(tǒng)的剩余物排入較大的罐，例如，工業(yè)體積罐(未顯示)。系統(tǒng)400還包括固體接收漏斗403、包括殼體404(具有與上文討論的殼體304相似的結構)的分配單元401、電機414、用戶控制界面416和加壓單元418。

分散系統(tǒng)400和分配系統(tǒng)300之間的主要差異在于分配裝置401和301的內部結構。圖8中詳細顯示的分配單元401包括作為葉輪發(fā)揮作用并且在單元內部產生極高靜流體壓力的轉子420。因此，分散單元以離心泵的方式發(fā)揮作用，并且通常甚至在相對高的粘度時不需要備份泵。

轉子420將液體從罐經入口408以高吸力抽吸至腔室406。液體和固體(經入口410進入)軸向地以高壓被抽吸至轉子420內，并且借助將原料分散于液體中的高速紊流徑向地離開轉子420?；旧暇鶆蚍稚Ⅲw經出口412離開腔室并且輸送至罐用于糖化。

分散系統(tǒng)400可以按多種模式運行，其例子在7和7A圖中顯示。在圖7中，分散單元401通過將原料載入料斗422進料，所述料斗422安裝在殼體404的固體入口上。閥門424控制原料向分散單元401的輸送。原料可以使用任何所需的輸送技術加載，例如，手工、通過輸送器、風力裝料機(pneumatic loader)等。在圖7A中，使用吸氣棒(suction wand)426，將原料從袋或料倉424吸出。在這種情況下，可以通過控制吸氣速率而控制原料的輸送。可以使用其他布局。

原料可以連續(xù)地或斷續(xù)地輸送至分散單元，并且該分散系統(tǒng)可以按再循環(huán)或“單程”模式運行。若需要，在初始分散已經完成后，分散單元可以用于糖化期間的混合。

射流混合

一旦原料已經基本上分散于液體中，可能需要關閉分散系統(tǒng)并且使用要求更少能量以進一步混合的混合器。用于這個目的特別有利的混合器稱作“射流混合器”。通常，合適的混合器的共同之處在于，它們產生高速度循環(huán)流，例如環(huán)形的或橢圓樣式的流。通常，優(yōu)選的混合器顯示高的整體流率。優(yōu)選的混合器以相對低的能量消耗提供這種混合作用。通常還優(yōu)選，混合器產生相對低的剪切力并且避免加熱液體介質，因為剪切力和/或熱可不利地影響糖化劑(或微生物，例如，在發(fā)酵的情況下)。如下文將詳細討論，一些優(yōu)選的混合器將混合物經入口抽入可以包括轉子或葉輪的混合部件，并且隨后從混合部件中經出口噴嘴排出混合物。這種循環(huán)作用和離開噴嘴的射流的高速度有助于分散漂浮在液體表面上的材料或已經沉降至罐底部的材料，這取決于混合部件的方向?；旌喜考梢砸圆煌较蚨ㄎ灰苑稚⑵〔牧虾统两挡牧希⑶以谝恍┣闆r下，混合部件的方向可以是可調節(jié)的。

例如，在一些優(yōu)選的混合系統(tǒng)中，與外界流體會合時，射流的速度v₀是約2至300m/s，例如，約5至150m/s或約10至100m/s。對于100,000L的罐，混合系統(tǒng)的功率消耗可以是約20至1000KW，例如，30至570KW或50至500KW。

射流混合包括將高速度液體的浸沒射流或眾多浸沒射流排放入流體介質，在這種情況下即生物質原料、液體介質和糖化劑的混合物。液體的射流穿透流體介質，而其能量因紊流或一些初熱而消散。這種紊流與速度梯度(流體剪切力)相關。周圍的流體被加速并且夾帶至射流中，而這種次生夾帶流隨距射流噴嘴的距離增加而增加。當射流膨脹時，次生流的動量通常保持恒定，只要該流不撞擊到墻壁、地板或其他障礙物。該流在其撞擊到任何障礙物之前持續(xù)的時間越長，夾帶至次生流中的液體越多，從而增加罐或容器中的整體流。當遇到障礙物時，次生流將更多或更少地損失動量，這取決于罐的幾何學，例如，該流沖擊到障礙物上的角度。通常需要對射流定向和/或設計該罐，從而對于罐壁的水力損失最小化。例如，可以需要罐具有弓形底部(例如，半球形封頭)，并且射流混合器相對接近側壁定位，如圖11A中所顯示。罐底部(下部封頭)可以具有任何所需的半球形構型，或可以具有橢圓或圓錐狀幾何形狀。

射流混合與大部分類型的液體/液體和液體/固體混合的不同在于驅動力是液力而非機械力。不同于如機械攪拌器那樣剪切流體并且推動它圍繞混合容器，射流混合器經罐內部的一個或多個噴嘴擠壓流體，從而產生夾帶其他流體的高速射流。結果是剪切(流體針對流體)和循環(huán)，這高效地混合罐內容物。

參考圖9，來自浸沒射流的芯流和周圍流體之間高速度梯度造成渦流。圖9A說明浸沒射流的一般特征。隨著浸沒射流擴展至周圍環(huán)境中，速度曲線隨距噴嘴的距離(x)增加而變扁平。另外，速度梯度dv/dr隨給定距離x處的r(距射流中線的距離)變化，從而產生限定混合區(qū)域的渦流(來自噴嘴的圓錐狀擴張物)。

在空氣中浸沒射流的實驗性研究中(所述研究的結果適用于任何流體，包括水)，Albertson等人(“Diffusion of Submerged Jets”，論文2409,Amer.Soc.of Civil Engineers Transactions,第115卷:639-697,1950,第657頁)開發(fā)了對于v(x)_r＝0/v_o(中線速度)無的量綱關系v(r)_x/v(x)_r＝0(在給定x的速度曲線)、Q_x/Q₀(流夾帶)和E_x/E₀(能量隨x的變化)：

(1)中線速度，v(x)_r＝o/v₀：

(2)在任何x處的速度曲線，v(r)_x/v(x)_r＝0

(3)在任何x處的流量和能量：

其中：

v(r＝0)＝浸沒射流的中線速度(m/s)，

v₀＝射流從噴嘴排出時的速度(m/s)，

x＝距噴嘴的距離(m)，

r＝距射流中線的距離(m)，

D₀＝噴嘴的直徑(m)，

Q_x＝在距噴嘴的距離x處穿過任何給定平面的流體的流量(me/s)，

Q₀＝從噴嘴排出的流體的流量(m³/s)，

E＝在距噴嘴的距離x處穿過任何給定平面的流體的能通量(m³/s)，

E₀＝從噴嘴排出的流體的能通量(m³/s)。

(“Water Treatment Unit Processes:Physical and Chemical”,David W.Hendricks,CRC Press2006,第411頁)。

射流混合在巨大體積(超過1,000加侖)和低粘度(1,000cP以下)應用中特別具有成本效益的。通常還有利的是，在大多數情況下，射流混合器的泵或電機不淹沒，例如，當使用泵時，它通常位于容器的外部。

射流混合的一個優(yōu)點在于，如果真會發(fā)生的話，周圍流體(而非直接相鄰于可能存在一些局限化加熱的噴嘴出口)的溫度僅略微增加。例如，該溫度可以增加小于5℃、小于1℃或不增加至任何可測量的程度。

射流攪拌器

在圖10-10A中顯示一種類型的射流攪拌器。這種類型的混合器例如以商標名ROTOTRON^TM下從IKA商購。參考圖10，混合器200包括轉動驅動軸204的電機202?；旌喜考?06安裝在驅動軸204的末端。如圖10A中所示，混合部件206包括護罩208和在護罩內部的葉輪210。如箭頭所示，當葉輪以其“正”方向轉動時，葉輪210將液體抽入穿過護罩的開口上端212并向外擠壓液體穿過開口下端214。離開末端214的液體為高速流或射流形式。如果葉輪210轉動的方向逆轉，液體可以經下端214抽入并經上端212噴出。這可以用于例如吸入在罐或容器中的液體表面附近或其上面漂浮的固體。(應當指出，“上部”和“下部”指圖10中混合器的方向；混合器可以這樣定位于罐中，以使得上端低于下端)。

護罩208包括靠近其末端的擴張區(qū)216和218。這些擴張區(qū)據信有助于這種類型混合器中所觀察到的一般環(huán)形流。護罩和葉輪的幾何外形還使用相對低的功率消耗，使所述流濃集至高度流中。

優(yōu)選地，在護罩208和葉輪210之間的間隙是足夠的，從而在材料穿過護罩時，避免過度研磨材料。例如，間隙可以是混合物中固形物的平均粒度的至少10倍、優(yōu)選地至少100倍。

在一些實施方式中，軸204設置為允許經該軸輸送氣體。例如，軸204可以包括經其輸送氣體的孔眼(未顯示)和氣體經其離開進入混合物的一個或多個孔口?？卓诳梢栽谧o罩208內部以增強混合，和/或在沿軸204長度的其他位置處。

葉輪210可以具有任何所期望的幾何外形，所述幾何外形將抽吸液體以高速度經過護罩。葉輪優(yōu)選地是船用葉輪，如圖10A中所示，但是可以具有不同的設計，例如，如圖10B中所示的Rushton葉輪，或改良Rushton葉輪，例如，傾斜從而提供一些軸流。

為了產生經過護罩的高速度流，電機202優(yōu)選地是高速度、高扭矩電機，例如，能夠以500至20,000RPM(例如，3,000至10,000RPM)運行。然而，混合器越大(例如，護罩越大和/或電機越大)，則轉動速度可能越低。因此，如果使用大混合器，如5hp、10hp、20hp或30hp或更大，則電機可以設計成以較低轉動速度(例如，小于2000RPM、小于1500RPM，或甚至500RPM或更小)運行。例如，大小設計為混合10,000-20,000升罐的混合器可以以900至1,200RPM的速度運行。電機的扭矩優(yōu)選地是自我調節(jié)的，以在混合條件隨時間推移變化(例如，歸因于固形物糖化)時，維持相對恒定的葉輪速度。

有利地的是，混合器可以在罐中以任何期望的角度或位置定位以按照所期望的方向引導射流。圖11和圖11A說明一個實施方案，其中兩個射流混合器通過孔254向下延伸進入罐252。

另外，如上文討論，取決于葉輪轉動的方向，混合器可以用來從護罩的兩端中的任一端抽取流體。

在一些實施方式中，兩個或更多個射流混合器位于容器中，其中一個或多個射流混合器設置為向上噴射流體(“上升泵”)并且一個或多個射流混合器設置為向下噴射流體(“下降泵”)。在一些情況下，上升泵送混合器將位于下降泵送混合器附近以增強混合器產生的紊流。根據需要，一個或多個混合器可以在加工期間在上升流和下降流之間切換?？梢杂欣氖?，在原料在液體介質中初始分散期間，尤其如果將原料傾倒或吹到液體的表面上，那么將全部或大部分混合器切換至上升泵送模式，原因是上升泵送在表面上產生明顯的紊流。上升泵送也可以在發(fā)酵期間使用以通過以下方式輔助從液體中除去CO₂：使該氣體起泡至其可以排出的表面。

其他合適的射流混合器在2009年6月19提交的美國臨時申請?zhí)?1/218,832和2010年5月24日提交的美國系列號12/782,694中描述，所述文獻的全部公開內容通過引用方式并入本文。

材料

生物質材料

生物質可以是，例如，纖維素或木質纖維素材料。這類材料包括紙和紙產品(例如，塑膠涂布紙和牛皮紙)、木材、木材相關的材料，例如，刨花板、草、稻殼、甘蔗渣、黃麻、大麻、亞麻、竹、劍麻、蕉麻、稻草、柳枝稷、苜蓿、干草、玉米芯、玉米秸稈、椰毛；和α-纖維素含量高的材料，例如，棉花。原料可以從未用過的廢棄紡織品材料獲得，例如，邊角剩料、消費后廢棄物，例如，碎布。當使用紙產品時，它們可以是未用過的材料，例如，廢棄的未用過材料，或它們可以是消費后廢棄物。除了未用過的原料、消費后廢棄物、工業(yè)廢棄物(例如，內臟)和加工廢棄物(例如，來自紙加工的流出液)也可以用作纖維源。生物質原料也可以從人廢棄物(例如，污水)、動物廢棄物或植物廢棄物獲得或衍生。額外的纖維素和木質纖維素材料已經在美國專利號6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中描述。

在一些實施方案中，生物質材料包括碳水化合物，所述碳水化合物是或包括具有一個或多個β-1,4-鍵和具有介于約3,000和50,000之間數均分子量的物質。這種碳水化合物是或包括纖維素(I)，其源自(β-葡萄糖1)經β(1,4)-糖苷鍵縮合。這種鍵自身與淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1,4)-糖苷鍵形成對比。

淀粉材料包括淀粉本身，例如，玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉或稻淀粉、淀粉的衍生物，或包含淀粉的材料如可食食品或作物。例如，淀粉材料可以是秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛、酢漿草(oca)、西米、高粱、常規(guī)家用馬鈴薯、甘薯、芋頭、洋芋或一種或多種豆類，如蠶豆、扁豆或豌豆。任何兩種或更多種淀粉材料的摻合物也是淀粉材料。

在一些情況下，生物質是微生物材料。微生物來源包括，但不限于，含有或能夠提供碳水化合物(例如，纖維素)來源的任何天然存在的或基因修飾的微生物或生物，例如，原生動物，例如，動物原生動物(例如，原生動物如鞭毛蟲、類阿米巴蟲、纖毛蟲和孢子蟲類)和植物原生動物(例如，藻類，如甲藻類(alveolate)、綠蜘藻類、隱藻類、眼蟲類、灰胞藻、定鞭藻類、紅藻類、原生藻菌(Stramenopile)和綠色植物)。其他例子包括海草、浮游生物(例如，大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型級浮游生物、超微型浮游生物和超微微浮游生物)、浮游植物、細菌(例如，革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌和極端微生物)、酵母和/或這些生物的混合物。在一些情況下，微生物生物質可以從天然來源獲得，例如，海洋、湖泊、水體，例如，咸水或淡水，或陸地上。可供選擇地或額外地，微生物生物質可以從培養(yǎng)系統(tǒng)獲得，例如，大規(guī)模干式和濕式培養(yǎng)系統(tǒng)。

糖化劑

合適酶包括能夠降解生物質的纖維二糖酶和纖維素酶。

合適的纖維二糖酶包括在以商標名NO VOZYME 188^TM出售的來自黑曲霉(Aspergillus niger)的纖維二糖酶。

纖維素酶能夠降解生物質，并且可以是真菌或細菌源的。合適的酶包括來自芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、腐質霉屬(Humicola)、鐮刀菌屬(Fusarium)、梭孢殼屬(Thielavia)、枝頂孢霉屬(Acremonium)、金孢屬(Chrysosporium)和木霉屬(Trichoderma)的纖維素酶，并且包括腐質霉屬(Humicola)、鬼傘屬(Coprinus)、梭孢殼屬(Thielavia)、鐮刀菌屬(Fusarium)、毀絲霉屬(Myceliophthora)、枝頂孢霉屬(Acremonium)、頭孢霉屬(Cephalosporium)、柱霉屬(Scytalidium)、青霉屬(Penicillium)或曲霉屬(Aspergillus)(見，例如，EP 458162)的種類，尤其由選自以下的菌株產生的那些酶：特異腐質霉(Humicola insolens)(再分類為嗜熱革節(jié)孢(Scytalidium thermophilum)，見，例如美國專利號4,435,307)、灰蓋鬼傘(Coprinus cinereus)、尖鐮孢菌(Fusarium oxysporum)、嗜熱毀絲霉(Myceliophthora thermophila)、大型亞灰樹花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭孢殼霉(Thielavia terrestris)、枝頂孢霉(Acremonium sp.)、桃色枝頂孢(Acremonium persicinum)、玉米頭包菌(Acremonium acremonium)、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、赭紅枝頂孢(Acremonium obclavatum)、Acremonium pinkertoniae、Acremonium roseogriseum、Acremonium incoloratum和分枝枝頂孢(Acremonium furatum)；優(yōu)選地來自物種特異腐質霉DSM 1800、尖鐮孢菌DSM 2672、嗜熱毀絲霉CBS 117.65、頭孢霉RYM-202、枝頂孢霉CBS 478.94、枝頂孢霉CBS 265.95、桃色枝頂孢CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、頭孢霉CBS 535.7′I、Acremonium brachypenium CBS 866.73、Acremonium dichromosporum CBS 683.73、赭紅枝頂孢CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、Acremonium roseogriseum CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS 146.62和分枝枝頂孢CBS 299.70H。纖維素裂解酶也可以從金孢屬(Chrysosporium)、優(yōu)選Chrysosporium lucknowense的菌株獲得。另外，可以使用木霉屬(Trichoderma)(尤其綠色木霉(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康氏木霉(Trichoderma koningii)、嗜堿性芽孢桿菌(Bacillus)(見例如，美國專利號3,844,890和EP 458162)和鏈霉菌屬(Streptomyces)(見，例如EP 458162)。

可以使用酶復合物，如從Genencore以商標名可獲得的那些，例如，1500酶復合物。1500酶復合物含有多種酶活性，主要是葡聚糖外切酶、葡聚糖內切酶(2200-2800CMC U/g)、半纖維素酶和β-葡糖苷酶(525-775pNPG U/g)并且具有4.6至5.0的pH。這種酶復合物的葡聚糖內切酶活性以羧甲基纖維素活性單位(CMC U)表述，而β-葡糖苷酶活性以pNP-葡糖苷活性單位(CMC U)報道。在一個實施方案中，使用1500酶復合物和NOVOZYME^TM 188纖維二糖酶的摻合物。

在一些實施方式中，糖化劑包含酸，例如，無機酸。當使用酸時，可以產生對微生物有毒的共產物，在這種情況下該工藝可以進一步包括移除這類共產物。移除可以使用活性碳(例如，活性炭)或其他合適技術進行。

發(fā)酵劑

發(fā)酵中使用的微生物可以是天然微生物和/或工程化微生物。例如，微生物可以是細菌，例如纖維素裂解細菌、真菌例如酵母、植物或原生動物例如藻類、原生動物或類真菌原生動物，例如，粘菌。當生物是相容性時，可以使用生物的混合物。

合適的發(fā)酵微生物具有將糖如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖轉化成發(fā)酵產物的能力。發(fā)酵微生物包括釀酒酵母屬(Sacchromyces spp.)的菌株，例如，釀酒酵母(Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克魯維酵母屬(Kluyveromyces)的菌株，例如，馬克斯克魯維酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克魯維酵母(Kluyveromyces fragilis)；假絲酵母屬(Candida)，例如，假熱帶假絲酵母(Candida pseudotropicalis)和Candida brassicae、樹干畢赤酵母(Pichia stipitis)(休哈塔假絲酵母(Candida shehatae)的近親)，棒孢酵母屬(Clavispora)，例如，葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae、管囊酵母屬(Pachysolen)，例如，嗜單寧管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、酒香酵母屬(Bretannomyces)，例如，克勞森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)(Philippidis,G.P.,1996,Cellulose bioconversion technology,引自Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.編著,Taylor&Francis,Washington,DC,179-212)。

可商購的酵母包括例如Red/Lesaffre Ethanol Red(從Red Star/Lesaffre,USA可獲得)、(從Fleischmann's Yeast,a division of Burns Philip Food Inc.,USA可獲得)、(從Alltech,now Lalemand可獲得)、GERT(從Gert Strand AB,Sweden可獲得)和(從DSM Specialties可獲得)。

細菌也可以用在發(fā)酵中，例如，運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas mobilis)和熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis,1996,上文)。

添加物

抗生素

盡管通常優(yōu)選在糖化溶液中具有高的糖濃度，然而可以使用較低的濃度，在這種情況下，可能需要添加低濃度例如50至150ppm的抗微生物性添加物，例如，廣譜抗生素。其他合適的抗生素包括兩性霉素B、氨芐青霉素、氯霉素、環(huán)丙沙星、慶大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘌呤霉素、鏈霉素。抗生素將抑制微生物在運輸和儲存期間的生長，并且可以按適宜的濃度使用，例如，以重量計介于15和1000ppm之間，例如，介于25和500ppm之間，或介于50和150ppm之間。即便糖濃度是相對高的，根據需要，可以包含抗生素。

表面活性劑

表面活性劑的添加可以增強糖化速率。表面活性劑的例子包括非離子型表面活性劑，如20或80聚乙二醇表面活性劑、離子型表面活性劑或兩性表面活性劑。其他合適的表面活性劑包括辛基酚乙氧基化物如從Dow Chemical可商業(yè)獲得的TRITON^TM X系列非離子表面活性劑。也可以添加表面活性劑以保持溶液中、尤其在高濃度溶液中正在產生的糖。

糖化介質

在一個實施方案中，介質具有以下濃度的組分：

原料的物理處理

物理制備

在一些情況下，方法可以包括物理制備，例如，材料的尺寸減小，如通過切斷、研磨、剪切、粉碎或切碎。例如，在一些情況下，通過剪切或撕碎制備疏松的原料(例如，再循環(huán)的紙、淀粉材料、煤炭或柳枝稷)。例如，在其他情況下，材料可以使用本文所述的任何方法中一種或多種進行預處理或加工，如輻射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法，并且隨后減小尺寸或進一步減小尺寸。首先處理并隨后減小尺寸可以是有利的，因此處理的材料傾向于更脆并且因此更容易減小尺寸。篩和/或磁體可以用來移除過大或不想要的物體，如，例如來自進料流的巖石或釘狀物。

進料制備系統(tǒng)可以設置成產生具有特定特征(如例如特定的最大尺寸、特定長度-寬度或比表面積比率)的流。物理制備可以通過打開材料并使工藝和/或試劑如溶液中的試劑更多地接近它們增加反應速率或減少加工所要求的時間?？梢钥刂?例如，增加)原料的堆積密度。在一些情況下，可能需要制備低堆積密度材料，使材料致密(例如，以使它更易和較不昂貴地運輸至另一個地點)并隨后使材料恢復至較低的堆積密度狀態(tài)。

尺寸減小

在一些實施方案中，待加工的材料為通過剪切纖維源所提供的包含纖維的纖維狀材料形式。例如，剪切可以用轉刀切割器進行。

例如，可以例如在轉刀切割器中剪切纖維源，所述纖維源例如，是不順從的或不順從性水平降低的纖維源，以提供第一纖維狀材料。使第一纖維狀材料經過例如具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)平均開口大小的第一篩，提供第二纖維狀材料。根據需要，纖維源可以在例如用撕碎機剪切之前切斷。例如，當使用紙作為纖維源時，紙可以首先使用撕碎機(例如，逆轉動螺桿撕碎機，如由Munson(Utica,N.Y.)制造的那些)切成例如寬1/4至1/2-英寸的條。作為撕碎的替代，紙可以通過使用閘刀式切紙機切至期望的尺寸來減小尺寸。例如，閘刀式切紙機可以用來將紙切成例如10英寸寬×12英寸長的紙張。

在一些實施方式中，纖維源的剪切和所產生第一纖維狀材料經過第一篩同時進行。剪切和過篩也可以以間歇式過程進行。

例如，轉刀切割器可以用來同時剪切纖維源并篩分第一纖維狀材料。轉刀切割器包括料斗，其可以用通過撕碎纖維源所制備的撕碎纖維源裝載。撕碎的纖維源。在一些實施方式中，在糖化和/或發(fā)酵之前物理處理原料。物理處理方法可以包括本文所述的任何方法中一種或多種，如機械處理、化學處理、照射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法。處理方法可以在這些技術的兩種、三種、四種或甚至全部技術(以任意順序)組合的情況下使用。當使用多于一種處理方法時，所述方法可以同時或在不同時間應用。改變生物質原料的分子結構的其他方法也可以單獨使用或與本文公開的方法組合時使用。

機械處理

在一些情況下，方法可以包括機械處理生物質原料。機械處理包括例如切斷、磨碎、擠壓、研磨、剪切和剁碎。磨碎可以包括例如球磨、錘磨、轉子/定子干式或濕式磨碎，或其他類型的磨碎。其他機械處理包括，例如，石磨、裂解、機械撕開或撕裂、針式粉碎或空氣摩擦磨碎。

機械處理可以有利于“打開”、“張緊”、斷裂和打碎纖維素或木質纖維素材料、使得材料的纖維素更易斷鏈和/或降低結晶度。當照射時，開放的材料也可以更易氧化。

在一些情況下，機械處理可以包括接收時初始制備原料，例如，材料的尺寸減小，如通過切斷、研磨、剪切、粉碎或切碎。例如，在一些情況下，通過剪切或撕碎制備疏松的原料(例如，再循環(huán)的紙、淀粉材料或柳枝稷)。

可供選擇地或另外，原料材料可以首先由其他物理處理方法(如機械處理、輻射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法)的一種或多種進行物理處理，并隨后進行機械處理。這種順序可以是有利的，因為由一種或多種其他處理法(例如，照射或熱解)處理過的材料傾向于更脆，并且因此，可能更容易通過機械處理進一步改變材料的分子結構。

在一些實施方案中，原料材料為纖維狀材料形式，并且機械處理包括剪切以暴露纖維狀材料的纖維。剪切可以例如使用轉刀切割器進行。機械處理原料的其他方法包括例如磨碎或研磨。磨碎可以使用例如錘磨機、球磨機、膠體磨、錐形或錐體磨、盤磨機、輪碾機、維利氏磨粉機(Wiley mill)或磨粉機(grist mill)進行。研磨可以使用例如石磨機、針式研磨機、咖啡研磨機或磨盤式研磨機(burr grinder)進行。研磨例如由往復運動的針或其他部件提供，如在針磨機中那樣。其他機械處理方法包括機械撕開或撕裂、施加壓力至材料的其他方法和空氣摩擦磨碎。合適的機械處理進一步還包括改變原料的分子結構的任何其他技術。

根據需要，機械處理的材料可以經過篩子，例如，具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)平均開口大小的篩子。在一些實施方案中，同時進行剪切或其他機械處理和篩分。例如，轉刀切割器可以用來同時剪切并篩分原料。原料在靜止刀片和轉動刀片之間受到剪切以提供剪切的材料，剪切的材料經過篩子并且捕獲于料倉中。

纖維素或木質纖維素材料可以在干燥狀態(tài)下(例如，在其表面具有少量或沒有自由水)、水合狀態(tài)(例如，具有以重量計至多10％的吸收水)或在潮濕狀態(tài)下(例如，具有以重量計約10％和約75％之間的水)進行機械處理。纖維源甚至可以在部分或完全浸沒在液體(如水、乙醇或異丙醇)下時進行機械處理。

纖維源纖維素或木質纖維素材料也可以在氣體(如除空氣之外的氣流或氣氛)(例如氧或氮)或蒸汽下進行機械處理。

根據需要，木質素可以從包含木質素的任何纖維狀材料中除去。另外，為了輔助分解包含纖維素的材料，該材料可以在機械處理或照射之前或期間用熱、化學品(例如，無機酸、堿或強氧化劑如次氯酸鈉)和/或酶處理。例如，研磨可以在酸存在下進行。

機械處理系統(tǒng)可以設置成產生具有特定形態(tài)特征(如表面積、孔隙度、堆積密度)和在纖維狀原料的情況下纖維特征(如長寬比)的流。

在一些實施方案中，機械處理的材料的BET表面積大于0.1m²/g，例如大于0.25m²/g、大于0.5m²/g、大于1.0m²/g、大于1.5m²/g、大于1.75m²/g、大于5.0m²/g、大于10m²/g、大于25m²/g、大于35m²/g、大于50m²/g、大于60m²/g、大于75m²/g、大于100m²/g、大于150m²/g、大于200m²/g或甚至大于250m²/g。

機械處理的材料的孔隙度可以是例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于85％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于97.5％、大于99％或甚至大于99.5％。

在一些實施方案中，在機械處理后，材料具有小于0.25g/cm³(例如0.20g/cm³、0.15g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³)或更小(例如0.025g/cm³)的堆積密度。使用ASTM D1895B測定堆積密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計的樣品重量除以以立方厘米計的已知量筒體積，計算出堆積密度。

如果原料是纖維狀材料、纖維狀材料的纖維，則機械處理的材料可以具有相對大的平均長度直徑比(例如，大于20：1)，即便它們已經被剪切超過一次。此外，本文所述的纖維狀材料的纖維可以具有相對窄的長度和/或長度直徑比分布。

如本文所用，平均纖維寬度(例如，直徑)是通過隨機選擇大約5,000根纖維以光學方式測定的那些。平均纖維長度是校正的長度加權長度。BET(Brunauer、Emmet和Teller)表面積是多點表面積，并且孔隙度是由水銀孔隙度計測定的那些孔隙度。

如果第二原料是纖維狀材料14，機械處理的材料的纖維的平均長度直徑比可以例如大于8/1，例如大于10/1、大于15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。機械處理的材料的平均纖維長度可以例如介于約0.5mm和2.5mm之間，例如，介于約0.75mm和1.0mm之間，并且第二纖維狀材料14的平均寬度(例如，直徑)可以例如介于約5μm和50μm之間，例如，介于約10μm和30μm之間。

在一些實施方案中，如果原料是纖維狀材料，則機械處理的材料的纖維長度的標準偏差可以小于機械處理的材料的平均纖維長度的60％，例如，小于小于平均長度的50％、小于平均長度的40％、小于平均長度的25％、小于平均長度的10％、小于平均長度的5％或甚至小于平均長度的1％。

在一些情況下，可能需要制備低堆積密度材料，使材料致密(例如，以使它更易和較不昂貴地運輸至另一個地點)并隨后使材料恢復至較低的堆積密度狀態(tài)。致密化的材料可以由本文所述的任何方法加工，或由本文所述的任何方法加工的任何材料可以隨后致密化，例如，如美國系列號12/429,045和WO 2008/073186中公開那樣，所述文獻的全部公開內容通過引用方式并入本文。

增溶、降低不順從性或官能化的處理

可以處理已經或沒有經物理制備的材料以用于本文所述的任何生產工藝中。可以在上文討論的降低不順從性操作裝置中包括下文描述的一個或多個生產工藝?？晒┻x擇或另外地，可以包括用于降低不順從性的其他方法。

由降低不順從性操作裝置利用的處理工藝可以包括照射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸中的一種或多種。處理方法可以在這些技術的兩種、三種、四種或甚至全部技術(以任意順序)組合的情況下使用。

輻射處理

一個或多個輻射加工順序可以用來加工來自原料的材料，并且用來提供多種不同的源以從原料提取有用物質，并且用來提供部分降解的有機機構修飾的材料，所述材料充當其他加工步驟和/或順序的輸入物。照射可以例如降低原料的分子量和/或結晶度。輻射也可以將材料或生物加工該材料所需的任何介質進行消毒。

在一些實施方案中，在從原子軌道釋放電子的材料中沉積的能量用來照射材料。輻射可以由(1)帶電重粒子如α粒子或質子(2)例如在β衰變或電子束加速器中產生的電子或(3)電磁輻射，例如伽瑪射線、X射線，或紫外線提供。在一種方法中，由放射性物質產生的輻射可以用來照射原料。在一些實施方案中，可以使用(1)至(3)以任何順序的任何組合或同時使用(1)至(3)。在另一個方法中，(例如，使用電子束發(fā)射體產生的)電磁輻射可以用來照射原料。施加的劑量取決于所需的效果和具體原料。

在一些情況下當需要斷鏈和/或需要聚合物鏈官能化時，可以使用比電子更重的粒子，如質子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。當需要開環(huán)斷鏈時，因為其路易斯酸特性，可以使用帶正電荷的粒子以用于增強開環(huán)斷鏈。例如，當需要最大氧化時，可以使用氧離子，并且當需要最大硝化時，可以使用氮離子。重粒子和帶正電荷粒子的用途在美國系列號12/417,699中描述，所述文獻的全部公開內容通過引用方式并入本文。

在一種方法中，將作為或包含具有第一數均分子量(M_N1)的纖維素的第一材料例如通過用電離輻射(例如，以γ輻射、X射線輻射、100nm至280nm紫外(UV)光、電子束或其他帶電粒子形式)處理來照射以提供包含纖維素的第二材料，其中所述纖維素具有低于第一數均分子量的第二數均分子量第二材料(或第一和第二材料)可以與微生物(伴有或不伴有酶處理時)組合，所述微生物可以利用第二和/或第一材料或其組分糖或木質素以產生中間體或產物，如本文所述的那些。

由于第二材料包含具有相對于第一材料降低的分子量并且在一些情況下還具有降低的結晶度的纖維素，因此第二材料通常例如在含有微生物和/或酶的溶液中更有分散性、可溶脹性和/或可溶性。這些特性使第二材料相對于第一材料更容易加工并且更易受化學、酶和/或生物攻擊影響，這可以大大改善所需產物(例如乙醇)的生產率和/或生產水平。輻射也可以將材料或生物加工該材料所需的任何介質進行消毒。

在一些實施方案中，第二材料可以具有比第一材料氧化水平(O₁)更高的氧化水平(O₂)。材料的更高氧化水平可以有助于其分散能力、溶脹能力和/或溶解性，這進一步增強材料對化學、酶和/或生物攻擊的易感性。在一些實施方案中，為了相對于第一材料增加第二材料的氧化水平，照射在氧化環(huán)境(例如，空氣層或氧)下進行，產生比第一材料更為氧化的第二材料。例如，第二材料可以具有更多羥基、醛基、酮基、酯基或羧酸基，這可以增加其親水性。

電離輻射

每種形式的輻射借助如由輻射能量所決定的特定相互作用使含碳材料電離。帶電重粒子主要通過Coulomb散射使物質電離；另外，這些相互作用產生可以使物質進一步電離的高能電子。α粒子與氦原子的核相同并且由多種放射性核如鉍、釙、砹、氡、鈁、鐳、幾種錒系元素如錒、釷、鈾、镎、鋦、锎、镅和钚的同位素的α衰變而產生。

當使用粒子時，它們可以是中性(不帶電荷)、帶正電荷的或帶負電荷的。當帶電荷時，帶電荷粒子可以攜帶單個正電荷或負電荷，或多個電荷，例如，一個、兩個、三個或甚至四個或更多個電荷。在其中需要斷鏈的情況下，帶正電荷粒子可以是合乎需要的，這部分歸因于它們的酸性本質。當使用粒子時，粒子可以具有靜息電子質量或更大質量，例如，是靜息電子質量的500、1000、1500、2000、10,000或甚至100,000倍。例如，粒子可以具有約1個原子單位至約150個原子單位的質量，例如，約1個原子單位至約50個原子單位，或約1至約25，例如，1、2、3、4、5、10、12或15個原子單位的質量。用來加速粒子的加速器可以是靜電DC、電動力DC、RF線性、磁感性線性或連續(xù)波。例如，回旋型加速器從比利時IBA獲得，如系統(tǒng)，而DC型加速器從RDI(現在的IBA Industrial)獲得，如離子和離子加速器在Introductory Nuclear Physics,Kenneth S.Krane,John Wiley&Sons,Inc.(1988),Krsto Prelec,FIZIKA B 6(1997)4,177-206,Chu,William T.,“Overview of Light-Ion Beam Therapy”Columbus-Ohio,ICRU-IAEA Meeting,2006年3月18-20日,Iwata,Y.等人,“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotland and Leaner,CM.等人,“Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中討論。

在一些實施方案中，電子束用作輻射源。電子束具有高劑量率(例如，每秒1、5或甚至10毫拉德)、高通量、低污染和較少約束設備的優(yōu)點。電子也可以在造成斷鏈方面更高效。此外，具有4-10MeV能量的電子可以具有5至30mm或更大(如40mm)穿透深度。在一些情況下，多個電子束裝置(例如，多頭，經常稱作“角”)用來輸送多個劑量電子束輻射至材料。這種高總束功率通常使用多個加速頭來實現。例如，電子束裝置可以包括兩個、四個或更多個加速頭。作為一個例子，電子束裝置可以包括四個加速頭，每個加速頭具有300kW束功率，總束功率1200kW。多頭的使用(每一個頭具有相對低的束功率)，防止材料中的過度溫度上升，從而防止材料燃燒，并且還增加劑量透過材料層厚度的均勻性。在2010年10月20日提交的美國臨時申請?zhí)?1/394.851中描述了采用多個頭的照射，所述文獻的完整公開內容通過引用方式并入本文。

電子束可以例如由靜電發(fā)生器、級聯發(fā)生器、轉化發(fā)生器、帶有掃描系統(tǒng)的低能加速器、帶有線型陰極的低能加速器、線型加速器和脈沖加速器產生。電子作為電離輻射源可以例如用于相對薄的材料堆，例如，小于0.5英寸，例如，小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸或小于0.1英寸。在一些實施方案中，電子束的每個電子的能量是約0.3MeV至約2.0MeV(百萬電子伏)，例如，約0.5MeV至約1.5MeV或約0.7MeV至約1.25MeV。

電子束照射裝置可以從Ion Beam Applications,Louvain-la-Neuve,Belgium或Titan Corporation,San Diego,CA商購。常見的電子能量可以是1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。常見的電子束照射裝置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料的解聚水平取決于所用的電子能量和施加的劑量，而曝露時間取決于功率和劑量。常見的劑量可以取值1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy。

電磁輻射

在采用電磁輻射進行照射的實施方案中，電磁輻射可以具有例如每光子(以電子伏特計)大于10²eV，例如大于10³、10⁴、10⁵、10⁶或甚至大于10⁷eV的能量。在一些實施方案中，電磁輻射可以具有每光子(以電子伏特計)介于10⁴和10⁷之間(例如，介于10⁵和10⁶eV之間)的能量。電磁輻射可以具有例如大于10¹⁶Hz、大于10¹⁷Hz、10¹⁸、10¹⁹、10²⁰或甚至大于10²¹Hz的頻率。在一些實施方案中，電磁輻射具有介于10¹⁸和10²²Hz，例如介于10¹⁹和10²¹Hz之間的頻率。

劑量

在一些實施方案中，(采用任何輻射源或輻射源的組合)進行照射直至材料接收了至少0.25毫拉德(例如至少1.0、2.5、5.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40、50或甚至至少100毫拉德)的劑量。在一些實施方案中，進行照射直至材料接收了介于1.0毫拉德和6.0毫拉德之間的劑量，例如，介于1.5毫拉德和4.0毫拉德、介于2毫拉德和10毫拉德、介于5毫拉德和20毫拉德、介于10毫拉德和30毫拉德、介于10毫拉德和40毫拉德或介于20毫拉德和50毫拉德之間的劑量。

在一些實施方案中，照射以介于5.0和1500.0千拉德/小時之間，例如介于10.0和750.0千拉德/小時之間或介于50.0和350.0千拉德/小時之間的劑量率進行。

在一些實施方案中，使用兩個或更多個輻射源，如兩個或更多個電離輻射。例如，樣品可以采用電子束，隨后采用γ輻射和具有約100nm至約280nm波長的UV線按任何順序進行處理。在一些實施方案中，樣品用三個電離輻射源處理，如電子束、γ輻射和高能UV線。

超聲波處理、熱解和氧化

除輻射處理之外，原料還可以用超聲波處理、熱解和氧化法中的任一種或多種方法處理。這些處理方法在USSN 12/417,840中描述，所述文獻的內容通過引用方式并入本文。

增溶、降低不順從性或官能化的其他方法

本段落的任何方法可以在沒有本文所述的任何方法情況下單獨使用或與本文所述的任何以下方法(以任意順序)組合使用：蒸氣爆炸法、化學處理(例如，酸處理(包括采用無機酸如硫酸、鹽酸和有機酸如三氟乙酸的濃酸和稀酸處理)和/或堿處理(例如，用石灰或氫氧化鈉處理))、UV處理、螺桿擠出處理(見，例如，2008年11月1817提交的美國專利申請系列號61/073,530115,398)、溶劑處理(例如，用離子液體處理)和冷凍磨碎(見，例如，美國專利申請系列號61/081,709)。

燃料、酸、酯和/或其他產物的生產

在已經對生物質進行上文討論的一個或多個加工步驟后，如上文討論，纖維素和半纖維素部分中所含的復雜糖可以使用糖化方法加工成可發(fā)酵糖。

在所得到的糖溶液已經運輸至生產設施后，可以將糖轉化成多種產物，如醇，例如，乙醇，或有機酸。獲得的產物取決于所用的微生物和生物加工發(fā)生的條件。這些步驟可以例如使用基于玉米的乙醇生產設施的現有設備進行。

如果需要，本文討論的混合方法和設備也可以在生物加工期間使用。有利地，本文所述的混合系統(tǒng)不對液體賦予高剪切力并且沒有明顯升高液體的總溫度。因此，在整個過程期間，將生物加工中所用的微生物維持在有活力的狀態(tài)下?；旌峡梢栽鰪姺磻俾屎吞岣弑竟に嚨男省?/p>

通常，發(fā)酵利用多種微生物。由木質纖維素材料的糖化產生的糖溶液通常將含有木糖以及葡萄糖?？赡苄枰缤ㄟ^層析移除木糖，因為一些常用的微生物(例如，酵母)不作用于木糖?？梢詫⒛咎鞘占⑶矣糜谏a其他產品，例如，動物飼料和甜味劑木糖醇。木糖可以在將糖溶液輸送至將進行發(fā)酵的生產設施之前或之后移除。

微生物可以是天然微生物或工程化微生物，例如，在本文中材料部分中所討論的任何微生物。

酵母的最佳pH是約pH 4至5，而發(fā)酵單胞菌(Zymomonas)的最佳pH是約pH 5至6。通常的發(fā)酵時間是約24至96小時，伴隨26℃至40℃范圍內的溫度，然而嗜熱微生物偏好更高的溫度。

羧酸基團通常降低發(fā)酵溶液的pH，易于抑制采用一些微生物(如樹干畢赤酵母(Pichia stipitis))的發(fā)酵。因此，在一些情況下，在發(fā)酵之前或期間需要添加堿和/或緩沖液以升高溶液的pH。例如，可以將氫氧化鈉或石灰添加至發(fā)酵培養(yǎng)基以升高培養(yǎng)基的pH至對所用微生物為最佳的范圍。

發(fā)酵通常在含水生長培養(yǎng)基中實施，所述含水生長培養(yǎng)基可以含有氮源或其他養(yǎng)分源，例如，脲，連同維生素和微量礦物質和金屬。通常優(yōu)選生長培養(yǎng)基是無菌的，或至少具有低微生物載量，例如，細菌計數。生長培養(yǎng)基的消毒可以按任何期望的方式完成。然而，在優(yōu)選的實施方式中，通過照射生長培養(yǎng)基或混合之前的生長培養(yǎng)基的各個組分完成消毒。輻射劑量通常盡可能地低，但仍獲得足夠的結果，以使能量消耗和相應成本最小化。例如，在許多情況下，生長培養(yǎng)基本身或生長培養(yǎng)基的組分可以用小于5毫拉德(如小于4、3、2或1毫拉德)的輻射劑量處理。在特定情況下，生長培養(yǎng)基用介于約1和3毫拉德之間的劑量處理。

在一些實施方案中，全部或一部分的發(fā)酵過程可以在低分子量糖完全轉化成乙醇之前中斷。中間發(fā)酵產物包括高濃度的糖和碳水化合物。這些中間發(fā)酵產物可以在制備用于人或動物消費的食品中使用。另外地或可供選擇地，中間發(fā)酵產物可以在不銹鋼實驗室磨中研磨成細顆粒尺寸以產生粉狀物質。

在一些情況下，罐可以是移動的，如美國臨時專利申請系列60/832,735，現在公布的國際申請?zhí)朩O 2008/011598中所描述，所述文獻的全部公開內容并入本文。

后加工

在發(fā)酵后，可以使用例如“啤酒柱”蒸餾所得到的流體以將乙醇和其他醇與大部分水和殘余固形物分離。離開啤酒柱的蒸氣可以是例如以重量計35％的乙醇并且可以送至精餾柱。來自精餾柱中近乎共沸的(92.5％)乙醇和水的混合物可以使用汽相相分子篩純化為純(99.5％)乙醇。啤酒柱殘渣可以輸送至三效蒸發(fā)器的第一效。精餾柱回流冷凝器可以為第一效提供熱。在第一效后，固形物可以使用離心機分離并且在旋轉干燥器中干燥。一部分(25％)的離心流出液可以再循環(huán)至發(fā)酵并且將剩余部分輸送至第二和第三蒸發(fā)器效?？梢詫⒋蟛糠终舭l(fā)器冷凝物作為相當干凈的冷凝物返回至該工藝，而小部分分流至廢水處理以防止低沸點化合物的堆積。

中間體和產物

使用本文所述的方法，處理的生物質可以轉化成一種或多種產物，如能量、燃料、食品和材料。產物的具體例子包括，但不限于、氫、醇(例如，一元醇或二元醇、如乙醇、正丙醇或正丁醇)、水合或含水的醇(例如，含有大于10％、20％、30％或甚至大于40％的水)、木糖醇、糖、生物柴油、有機酸(例如，乙酸和/或乳酸)、烴、共產物(例如，蛋白質、如纖維素裂解蛋白(酶)或單細胞蛋白)和任何這些物質以任何組合或相對濃度和任選與任何添加物(例如燃料添加物)組合的混合物。其他例子包括羧酸如乙酸或丁酸、羧酸鹽、羧酸與羧酸鹽的混合物以及羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮(例如，丙酮)、醛(例如，乙醛)、α、β不飽和酸如丙烯酸和烯烴、如乙烯。其他醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、任何這些醇甲酯或乙酯。其他產物包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羥丙酸、所述酸中任一者的鹽和所述酸中任一者和相應鹽的混合物。

其他中間體和產物，包括食品和藥物產品，在美國系列號12/417,900中描述，所述文獻的公開內容在此通過引用方式并入本文。

其他實施方案

描述了眾多實施方案。然而，應當理解的是可以作出多種修改而不脫離本公開的精神和范圍。

在一些實施方式中，本文討論的系統(tǒng)或這些系統(tǒng)的組件可以是便攜式的，例如，以美國系列號12/374,549和國際申請?zhí)朩O2008/011598中描述的移動式加工設備的方式，所述文獻的全部公開內容通過引用方式并入本文。

在本文所述的任何分散系統(tǒng)中，經過分散系統(tǒng)的流體(液體和/或氣體)的流可以是連續(xù)或脈沖的或連續(xù)流與脈沖流間隔的組合。當流是脈沖式時，脈沖可以是規(guī)則或不規(guī)則的。

盡管本文中提到罐，但是所述工藝可以在任何類型的容器(vessel)或器皿(container)中進行，包括貯留池、池、塘等。如果其中進行混合的容器是一種地面內(in-ground)結構如貯留池，它可以加襯砌。容器可以加蓋，例如，如果它在室外，或不加蓋。

盡管本文已經描述了生物質原料，但可以使用其他原料以及生物質原料與其他原料的混合物。例如，一些實施方式可以利用生物質原料與含烴原料的混合物，如2009年7月20日提交的美國臨時申請?zhí)?1/226,877中公開的那些，所述文獻的公開內容通過引用方式并入本文。

因此，其他實施方案在以下權利要求的范圍之內。