CN101160388B - 生物质处理的系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

一个系统，包括处理生物质的设备，该设备可以成功地处理在生物质混合物里的高固体干重的生物质。本系统的设计可进行大范围分布的反应剂，其通过将该反应剂散布在生物质上，当生物质利用挡板(18)旋转时，该反应剂通过注射喷枪注入。该设备系统利用挡板升起与下降生物质和研磨介质(19)，可以大规模地进行将反应物引入生物质中，以提高处理工艺。

Description

生物质处理的系统和工艺
本申请在美国的临时申请号为60/670437，于2005年4月12日提交。
政府的权利声明
本发明是在美国政府资助下完成，其授予能源部的合同号为No.04-03-CA-70224。政府具有该发明的某些权利。
技术领域
提供了一个系统，包括处理生物质(biomass)的设备，其包括预处理和糖化。同样提供了利用本系统对在生物质混合物里的高干重生物质的预处理和糖化的方法。另外，还提供了优化生物质处理的方法。
背景技术
纤维和木质纤维的原料和废弃物，例如农业废物、木材、林业废物、造纸的淤渣和市政及工业的固体废物，为化工、塑料、燃料和饲料生产提供了大量的潜在的可再生的生物原料。纤维和木质纤维的原料和废弃物，其成分为碳水化合物聚合体，包含纤维素、半纤维素、葡聚糖和木质素。这些物质起初通常用各种化学的、机械的和酶的方法处理以主要释放己糖和戊糖，从而可随后发酵为有用的产品。这些处理在复杂性和效率方面有差异。而且，还有许多的方法正在实施，以识别新的健康的商业化的工艺使已知的从纤维和木质纤维的原料中产生有用的有发酵力的产品的工艺最优化。
为了使通过可再生的生物资源生产发酵糖成为一种经济的、有竞争力的、可商业化的方法，要求木质纤维生物质中的碳水化合物的水解能利用低剂量的化学试剂，高效率地产出高浓度的糖，以提供一个可发酵糖的来源，以便用对于可发酵生物低毒的方法，将那些糖转化为有附加值的化学制剂和燃料。
为了执行这些工艺，各种各样的设备已经使用于不同类型的生物质，进行不同的处理，包括小规模的工艺开发和一些大规模生产设备。一些设备的品种已经使用，包括间歇搅拌反应器(Gusakov and Sinitsyn，(1985)Enz.Microb.Technol.7：346-352)、连续流搅拌反应器(US4257818)、研磨反应器(Ryu和Lee(1983)Biotechnol.Bioeng.25：53-65)、挤压反应器(US6176176)、NREL收缩床(shrinking bed)反应器(Lee等人，(2001)Appl.Biochem.Biotech.91-93：331-340)、和电磁场感应加强搅动的反应器(Gusakov等人，(1996)Appl Biochem.Biotechnol.56：141-153)。
特别地，需要能够提供如下功能的反应器：能够高效率地预处理和/或糖化高干重的在混合物中的生物质。
还有对于简单而高效的设备也有需求，其可用于小规模的生物质处理工艺，以测试在模仿大工业规模化生产中的工艺参数，况且。还有未满足的需求：利用健康的商业化工艺和设备来实施包括对在生物质混合物中高干重的生物质进行糖化的工艺。
发明概述
在一实施方案中，本发明提供包括成批处理生物质的设备的系统，包括：
a)设备，其包括：
i)至少有一端是开口的圆柱形反应容器；
ii)一个或多个附着于上述容器内部的挡板；
iii)包含自由漂浮在该反应容器内部的丸粒状的研磨介质；
iv)用于所述容器开口端的盖子，其包含一个或多个端口；和
v)注射喷枪(lance)，包含输送加工反应剂的装置，其中上
述装置是注射喷枪，其沿该反应容器长度延伸并与iv)中的盖子的第一端口相连；和
b)用于旋转容器挡板的装置。
在另一个实施方案中，本发明提供用于生物质处理的工艺，包含：
a)将生物质导入到如权利要求1所述的反应容器；
b)将加工反应剂导入到该反应容器；和
c)通过旋转所述反应容器的挡板使挡板升起和下降研磨介质，以使上述加工反应剂进入上述生物质同化(assimilate)。
在本发明另一个实施方案中，提供用于处理生物质的工艺，包含：
a)预处理在如权利要求1设备的反应容器中的生物质，产生预处理的生物质；
b)在反应容器中调整a)的预处理的生物质的温度和pH；和
c)在所述反应容器里糖化在b)中已经调整的预处理生物质。
在另一个实施方案中，本发明提供了优化处理工艺的方法，包含：
a)将生物质导入到权利要求1所述的设备的反应容器中；
b)改变该反应容器中的处理条件；
c)在上述变化的处理条件下，通过上述一个或多个端口将处理过的生物质取样；和
d)测试上述样品以为生物质处理工艺决定最佳处理条件。
附图说明
图1是生物质处理系统的一个实施方案的略图
附图2A是显示生物质处理系统的一个实施方案的详图。2B是显示所述反应容器盖子的图。
发明的详细说明
申请人已明确地将引用的参考文献公开的全部内容包含在本发明中。而且，当数量、浓度或者其他的数值或者参数，即便是被当做一个范围、优选范围、或者一高于优选值和低于优选值的列表时，这些将被明确地理解为已被本发明由任何一对上限限定或者优选值和任何下限或者优选值形成所有区域明确地公开，而不管所述范围是否是被单独地披露。在这里列举的数值范围除非另有说明，包括在所述范围内部的端点，连同其他一切整数和分数。本发明的范围不限于特殊的值列举时的定义范围。
本发明提供一个包括用于生物质处理工艺设备的系统，和用于生物质处理的工艺以及在所述设备中进行的用于优化处理的方法。所述系统的设计通过当反应剂被导入或者所述反应器运转时使该反应剂散布在生物质上，来提供反应剂的大范围分布。所述系统具有如下功能，能大范围的将反应剂导入生物质以提高处理工艺。这些特征允许处理在生物质混合物中高干重的生物质。
定义：
在本申请中，使用了许多术语。以下是定义：
术语“可发酵糖”指那些能被微生物在发酵过程中作为碳源使用的低聚糖和单糖。
术语“木质纤维的”指包含木质素和纤维素的组分。木质纤维材料可能还包含半纤维素。
术语“纤维的”指包含纤维素的组分。
生物质的“干重”是指除去全部或基所述上全部水的生物质重量。典型的测量干重的方法是按照美国测试和材料学会(ASTM)标准E1756-01(测定生物质中总固体物质的标准测试方法)或者TechnicalAssociation of the Pulp and Paper Industry，Inc.(TAPPI)标准T-412om-02(纸浆、纸和纸板的湿气)。
术语“糖化”指从聚糖中生产可发酵糖。
术语“预处理的生物质”是指在糖化作用前已经预处理的生物质。
“生物质(biomass)”指任何纤维的或者木质纤维的材料并包括包含纤维素的和选择性的包含半纤维素、木质素、淀粉、低聚糖和/或单糖的材料。生物质可同时包含另外的组分，例如蛋白质和/或脂质。按照本发明，生物质可能是由单一来源得来或者可以包含超过一个来源的混合物；例如，生物质可以包含玉米芯和玉米秸的化合物，或草和叶的混合物。生物质包含但不限于生物质能源作物、农业废物、城市固体废物、工业固体废物、造纸淤渣、庭院废物、木材和林业废物。生物质的例子包括但是不限于，玉米颗粒、玉米芯、作物残体例如玉米外皮、玉米秸、草、小麦、麦秸、大麦、大麦秸、干草、稻草、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱、大豆，从加工颗粒、树、枝、根、叶子、木材碎片、锯屑、灌木和丛生灌木、蔬菜果实、花和牲畜粪过程中获得的组分。在一个实施方案中，对本发明有用的生物质包括那些相对密集的和/或相对便于收集、运输、贮藏和/或搬运的有比较高的碳水化合物值的生物质。在本发明的一个实施方案中，有用的生物质包括玉米芯、玉米秸和甘蔗渣。
“含氨水溶液”指如下物质的水溶液：氨气(NH3)、含铵离子(NH4 +)的化合物例如氢氧化铵或者硫酸铵、那些在降解过程中释放氨的化合物例如尿素、及其在水性介质中的组合。
术语“处理”指反应剂作用于材料的过程，在此过程中材料的物理的和/或化学的性质被改变。
术语“反应剂”指在处理工艺的条件下能改变目标材料物理的和/或化学性质的组分。
用于糖的“联合酶(enzyme consortium)”是酶的组合，其能作用于生物质混合物以制造可发酵糖。代表性地，糖化联合酶可以包含一个或多个糖苷酶；所述糖苷酶可选自纤维素水解糖苷酶、半纤维素水解糖苷酶、和淀粉水解糖苷酶。其他的糖化作用联合酶可以包括多肽、脂肪酶、木质素和阿魏酯酶。
生物质处理系统
本发明生物质处理系统的最佳方案是参考图1制造，其显示了所述系统的一个实施方案。所述系统的设备包含圆柱形的反应容器(10)，其具备一个封闭端(11)，和一个开口端(12)。活动盖(13)装配在开口端，并且可以是可靠地固定在所述容器开口端上。在盖子里至少存在一个端口。注射喷枪(14)贯穿盖子(15)中心的端口进入反应容器。注射喷枪是一个沿圆柱形反应容器的纵向中心从端口延伸的管子。注射喷枪的末端即距离端口的远端(16)是密封的。注射喷枪沿着它的长度有V形排列的孔(17)。这些孔允许逃逸的内容物从注射喷枪内部沿大约10点钟和2点钟方向向上进入反应容器。另外，真空源可以通过和喷枪通连的端口应用，由此在容器内部建造一个真空。附着于所述反应容器内表面的是挡板(18)，其扩展到容器中开放的空间，并且没有接触所述注射喷枪。在反应容器的内部是自由漂浮的研磨介质(19)。所述设备被水平地安置在辊(20)上，该辊用来在所述生物质处理系统中旋转反应容器。
在生物质处理期间，所述设备维持在水平位置，并施加用于反应容器的挡板沿容器纵轴的方向旋转的装置，以形成生物质处理系统。所述挡板可以是附着于反应容器内表面，而在这样情况下容器整体是旋转的。另外，挡板可以是附着于在反应容器之内一个套筒的表面，而在这样情况下当套筒旋转时，容器本身是固定的。旋转容器或者套筒可以是用可以提供自转的任何方法完成。例如，旋转容器可以是放置在外部的辊、带、轮子、枢轴或者其他的滚动感应平台上。设备可以是罩在使得所述容器旋转的反应器中，或者旋转装置可以与所述设备结合使用。可以有一个贯穿容器的驱动轴，它连接容器壁或者套筒用于施加旋转。转速是可变的，由使用的特殊的处理工艺和设备的尺寸来决定。转速足够推动级联的研磨介质，如下文所记载，并且可以被所述领域技术人员决定。
反应容器的开口端的盖子可以用本领域已知的方法技术固定到容器上，例如用螺旋、夹具、栅、担夹(dog)或者其他的紧固件。反应容器可以是两端开口的，每端各有一个盖子。在所述盖子(或者两个盖子，如果每端都有一个的话)里的端口是开放的用于通向反应容器的内部。端口可以是用于连接内部的设备例如喷枪、和/或外部设备例如真空装置或者注气设备的位置。外部设备的连接可以是暂时的(仅当在处理工艺期间必要时)，或者是永久的。因此端口可以有连接器，而且当闲置时盖子可封闭所述端口。使用将端口连接在盖子里的传统的连接器，包括分枝的连接器和回转接头。端口可能同时是盖子内提供通向内部的开口，例如取样或者释放压力，同时它们自己可以有盖子。对于生物质处理，设备的温度是要求的温度并且是受控的。控制器设备温度可以用能加热的任何方法，例如施加一个加热夹套、通过注射喷枪或者另一个端口注入热气、燃烧可燃气体、或者使用汽锅的烟道废气热来完成。另外设备可以安装在那些为该设备提供热的烘箱、油浴、或者其他类型的反应器里。所述设备内部的温度可以用穿过连接注射喷枪盖子里的端口并下至注射喷枪插入温度测量装置测定，例如热电偶。通过将温度测量装置向下插入注射喷枪至一半处，可以测量反应容器接近中心的温度。可利用如下方法冷却容器：使用冰或者在冷却套中的另一冷却剂、使冷却气体通过注射喷枪、将反应器放置在冷却浴中、或者冷却(冷冻)其内有反应容器的外箱。这可以由另外的装置或者所述设备的装置来完成。
所述注射喷枪提供用于沿着反应容器的长度导入并且分配溶液或者气体的装置。例如，氮、二氧化碳、蒸汽、加工反应剂、和pH调整溶液可以通过该注射喷枪导入。那些通过注射喷枪导入的加工反应剂可以使用本领域熟知的任何方法在注射前预热。例如，可以使加工反应剂通过一个热线圈来加热反应剂，该热线圈通过在盖子里的端口的中心连接在注射喷枪上。加热线圈浸在维持在加热加工反应剂需要的温度的加热水浴中。
真空可以通过盖子里的端口施加到所述设备的反应容器里。真空源可以连接到盖子里的端口上，典型地是那些连接在注射喷枪的端口。分支连接器或者回转接头提供对于真空和用于反应剂的通道到注射器喷枪上的连接。真空可能用来帮助在反应器容器里加工反应剂向生物质的渗透。通过向含有生物质的容器施加真空，可以将空气从生物质中抽出，以使加入的加工反应剂渗透得更好。同时反应器中的空气可以替换为惰性气氛例如N2或者氩。真空可以应用于帮助冷却反应容器里的内容物，当工艺需要使用蒸发制冷时。在生物质处理工艺过程中生成的气体可以通过施加真空和使用排气冷凝器回收。真空源和排气冷凝器可以附着于盖子的端口，因此蒸气透过所述端口进入到冷凝器。浓缩的、回收的加工反应剂(例如氨)可以在后面的的生物质处理工艺中再利用。当用于预处理工艺时，除去氨降低预处理生物质的pH从而节省需要的化学制剂，该化学制剂用于将预处理生物质的pH中和至酶的糖化作用和生物催化剂发酵所需的最佳pH。通过降低和微生物接触的盐量，降低的化学制剂的使用同样改善了后续发酵，因此提高产率和生产力。
所述设备的反应容器也可以通过盖子中的端口的注射来加压。例如，二氧化碳源可以连接到连接了注射喷枪的盖子中的端口，从而将二氧化碳注入以，例如，将反应容器内部的真空加压、降低pH和/或以别的方式推动生物质处理工艺。连接器分支可以通过同一端口将二氧化碳源、真空源和反应剂通道连接到注射喷枪。
附着于所述反应容器内表面的挡板可以是推动在研磨介质(在下面描述)中加工反应剂同化进入生物质的任何形式、数量和排列。当挡板沿容器的底部旋转时，研磨介质和生物质被挡板升起，当挡板沿容器的顶端旋转时，它们滑下。挡板可以沿垂直的或者是成角度的方向延伸到内表面，其角度允许介质被升起并随后下滑，或者级联(cascading)。挡板可以连续的运行反应器的整个长度，或者部分反应器长度的挡板可以排列成直线，或者彼此倾斜相对。挡板扩展到容器内部形成表面，其宽度足够升起研磨介质，当挡板向容器的顶端移动时，其宽度足够狭窄能使那些研磨介质容易地滑下。本领域技术人员知晓，当挡板旋转以推动加工反应剂与生物质混合时，各种各样的挡板的形式、位置和数量应使研磨介质和生物质有效地级联，而且在不同尺寸反应容器中有不同的最优排列。
所述设备一般由抗腐蚀材料制成，其能经受压力、温度和生物质处理工艺中通常使用的加工反应剂。抗蚀材料的例子包括不锈钢、Hastelloy
Figure 2006800120789_0
(耐盐酸镍基合金)、陶瓷、Inconel
Figure 2006800120789_1
(铬镍铁合金)、二联不锈钢、锆和碳钢。不同的生物质处理工艺的实施温度介于-10℃与大约220℃，典型的温度介于4℃和170℃之间。同时生物质处理工艺可以是在温度介于室温(大约25℃)和大约170℃范围之间实施。生物质处理工艺使用的压力一般介于大气压和大约1200kPa范围之间，典型的压力介于大气压和大约310kPa范围之间，并且进一步优选的压力值在大约大气压和138kPa之间。在一个特定的实施方案中，设备使用的材料是那些本领域技术人员众所周知的经得起生物质特殊处理工艺条件的材料。在实施方案中，独特的适合用于所述反应容器的材料是10号钢厚度(schedule 10 thickness)的不锈钢，其可以在压力介于大气压和大约310kPa，温度最高到大约145℃使用。另外，所述设备可以是由其他的材料制成，只要经得起较高的温度和压力，以及腐蚀性很强的加工反应剂例如强酸性物。更严酷的生物质处理条件包括温度最高到大约220℃，压力最高到大约1216kPa，和强酸性反应剂例如硫酸。当使用这些加工条件时，材料例如Hastelloy
Figure 2006800120789_2
和锆将是有效的。
所述反应容器的直径是足够大的，使得所述容器可以包围注射喷枪和挡板，而且当挡板旋转时有空间为研磨介质自由地级联。反应容器的内径可以为大约10厘米，典型的内径是至少大约15cm，其可以按比例增大，包括工业化的尺寸。
研磨介质被导入设备而在反应容器中自由漂浮。研磨介质添加量使得小于反应容器容积的约10％被研磨介质占据。典型地，研磨介质用量占所述反应容器容积的大约3％到大约7％之间。研磨介质可以是不同的形状和尺寸并以不同的数目使用，其取决于反应容器的尺寸。所述设备的具体实施方案中使用的研磨介质的尺寸、形状、数目和成分，可由本领域技术人员决定。尤其有用的是丸粒(pellets)例如由重的、密致材料制造的柱体(cylinder)，有由抗蚀材料构成的坚固的无孔的，防腐剂-抗破碎表面。研磨介质可以从商业渠道获得，例如从E.R.AdvancedCeramics(East Palestine，OH)。当挡板旋转时，研磨介质被挡板提起并倒在生物质上。挡板转动的速度被调整至介质经历级联运动，而不至于因为速度太低滑在容器壁上或者因为速度过高而保持与容器壁邻接。不受理论约束的，认为研磨介质落在生物质上提供挤注压力，导致渗出包括加工反应剂和溶液化生物质组分的混合物的液体。大量液体随后取代已使用的渗出液体。所述生物质的研磨介质的提升重量，应考虑到当挡板旋转时，加工反应剂混合物渗入生物质的附加量。反复地从加工反应剂混合物上榨取和渗入生物质形成抽吸作用。从反应剂混合物抽吸进出生物质是特殊种类的机械混合工艺，其推动反应剂同化(assimilation)进入生物质，并由此加强了生物质处理工艺。液体的这种交换使得更高浓度的反应剂能够在气孔中被交换，以放空所述生物质气孔中已经反应过的液体。
以下对一个实施方案的设备的描述并不意味着局限，只是提供一个特别适用的设备结构。在实施方案中，如图2所示，设备的反应容器(10)容量有大约9L，51厘米长，内径15厘米。它用304不锈钢管和附件制造。容器的开口端(11)直径为10厘米，具有4个等距的盖子附着位点(12)，各从开口向外伸展2.54厘米。盖(13)是圆盘，直径为15.2厘米。盖子有两个端口，第一端口在中央(14)和第二端口在中心和边缘(15)之间，直径各为1.9厘米。注射喷枪(16)贯穿盖子的中心端口并与回转接头(17)连接。有分支连接器(18)附着于所述回转接头。注射喷枪用直径0.64厘米的不锈钢管制成。喷枪(19)上的孔直径为0.165厘米，排列成2.54厘米间隔的V形图案。每排孔间的角度大约120度。有两排孔，每排单一线上的孔相隔5.1厘米，2条线上的孔偏移2.54厘米，如是实际上在喷枪的交互侧面上每2.54厘米有一个孔。盖子上的第二端口提供取样和加入试剂的通道而无需移动盖子。有四个挡板(20)，每个的每次行程为反应容器壁的长度(他们与该容器壁连接)，并自从容器内壁伸出3.8厘米并垂直于该容器内壁的表面。22个研磨介质柱体(21)尺寸为3.2cm×3.2cm，由氧化锆或者矾土制成(购买自E.R.Advanced Ceramics，East Palestine，OH)，被添加到反应容器中，占用大约5.5％的容器容积。设备安置在滚动支座(22；Bellco Cell Production Roller Apparatus，Bellco Technology，Vineland N.J.USA)上，由此在处理工艺期间以大约19rpm旋转，以形成生物质处理系统。滚动支座和设备被安置在恒温箱室(23)的内部以进行温度控制。
在下文的实施例中，外部设备附属于图2的设备形成系统。为了导入预处理反应剂，高效液相色谱泵连接在盖子上的分支注射喷枪旋转端口连接器上，其流量为在10342kPa精确压力下，大约800ml/min。所述高效液相色谱泵通过加热线圈连接，加热线圈用0.32厘米不锈钢管材建造，其沉浸在8L的Parr反应容器中的水中。Parr反应器的加热控制器设置在高于在Golden，CO中的水的沸点温度(大约93℃)，以输入功率为3KW的加热器维持快速的沸腾。真空源连接至在盖子上的分支注射喷枪端口的旋转连接器。真空源可以连接到排气冷凝器上，该排气冷凝器连接至在大约1.5℃运行的冷却水浴。排气冷凝器包括涂有聚四氟乙烯TM的沉浸在冰浴中的2L水瓶，并且连接在被抽空到大约85kPa的真空歧管上。二氧化碳源可同时连接至所述分支注射喷枪端口的旋转连接器。
应该理解，包括所述设备的系统设备可以是以上述描述的特征和原则为基础按比例增大。设备的反应容器直径大约3-4米，长度大约15-18米，特别适于工业规模的生物质处理。具有在图2中描述范围内的反应容器尺寸的设备和具有工业规模尺寸的设备都是本发明实施方案。
生物质处理中使用设备的方法
本发明的系统设计成生物质的处理，包括使用不同工艺的不同处理类型。在实施方案中所述系统用于生物质预处理工艺。在另实施方案中所述系统用于生物质糖化工艺。这两种生物质处理可以是在相同的生物质样品上先后实施，或者在不同的生物质样品上单独地实施。生物质样品可以在另一设备中预处理而在本发明的设备中糖化，或者可以是在本发明的设备预处理然后在另一单独的设备中糖化。
包括所述设备的本发明系统特别适于处理生物质设备，且特别适于在生物质反应混合物中的高干重的生物质的糖化作用。最初的生物质干重可以是至多占生物质反应混合物大约80％的重量。更为合适的，生物质干重可以是至多占生物质反应混合物大约60％的重量。优选最初的生物质浓度占生物质反应混合物重量的比例为大约15％和大约50％之间。通过注射喷枪导入反应剂和研磨介质，且研磨介质和挡板的功能提供反应剂至生物质的同化，由此有效地在高生物质浓度下进行加工。在糖化作用的过程中，其中例如纤维素酶和半纤维素酶的酶水解生物质以产生可发酵糖，通过所述容器挡板的旋转，酶通过生物质和研磨介质的级联被同化入生物质。在生物质上级联介质的效果可以成功地处理在生物质混合物里的高固体干重的生物质。
在预处理工艺中，生物质通过反应容器的开口端被导入本发明的设备。在生物质导入到所述设备之前，可以应用能源将生物质减少尺寸和/或增加暴露表面面积，例如通过压碎、磨、研磨、切细、切碎、圆盘精炼、超声和微波。导入生物质的量取决于反应容器的尺寸和将使用的特定处理工艺，并且可以由本领域的技术人员决定。设备可以预热到要求的加工温度。
加工反应剂通过固定容器盖子中的端口注入，并通过注射喷枪进入到反应容器。在一个实施方案中，反应剂被预热并且，当挡板旋转时，通过在注射喷枪上表面的孔喷雾导入，因此当生物质通过喷雾上方时与反应剂接触。所述加工反应剂可以是那些用于生物质预处理工艺的任何成分，只要它们与所述设备构造的材料不矛盾。典型的预处理反应剂包括氧化剂、变性剂、清洁剂、有机溶剂和碱，其列举于US2004/0231060，以及酸。一些适宜的反应剂包括过乙酸(Teixeira等，(1999)Appl.Biochem.and Biotech.77-79：19-34)、过氧化氢(Gould(1983)Biotech.and Bioeng.26：46-52)、氢氧化钠和过氧化氢(Curreli等(2002)Process Biochem.37：937-941)、氨水(KimLee(2005)Bioresource Tech.)96：2007-2013)、和无水氨液体(Teymouri等(2005)Bioresource Tech.96：2014-2018)。用于本发明中生物质预处理的特别适合的加工反应剂是氨水。最优选的是含氨的水溶液，其用于生物质-氨水混合物，在其中氨浓度至少足够维持生物质-氨水混合物的pH的碱性，但是氨含量应小于生物质干重的约12％，如未决申请CL2825所述。
加工反应剂的添加量，以及由此的生物质浓度，可以依据使用的预处理工艺变化。本发明的设备特别适宜预处理高浓度的生物质，其中干重生物质的起始浓度至少占生物质-氨水混合物重量的大约15％(重量比)。高生物质浓度减少预处理材料的量，使工艺更经济。另外，用高生物质浓度，使得后续在发酵作用中，糖化作用的需要的糖的浓度的滴定量减至最少。如上所述的所述方明设备机混合的压榨和过滤方式，特别适于在所述生物质混合物中的高干重生物质的处理工艺。
在将生物质装填至本发明设备之前，反应容器的气氛可以用氮或者任何其他选择的气体冲洗。例如，抽真空然后用氮气通过端口导入以替换空气。当需要充分地置换空气时，上述方法可以重复多次。
如上所述，对设备包含生物质和预处理反应剂的设备进行温度控制。如上所述，反应容器的挡板是旋转的。预处理工艺允许的时间取决于具体使用的工艺，典型地时间为大约5分钟到大约8小时。当反应进行时，样品可以从设备盖子中的端口取出。可以对这些样品进行分析以评估预处理反应的完全性。可以使用各种分析方法，取决于所使用的预处理方法，例如，近红外的(NIR)光谱学、化学全分析或者通过在样品上实施小的糖化作用。
当使在预处理条件下形成蒸气的反应剂时，反应剂蒸气可以用连接至如前所述的排气冷凝器的真空装置收集。典型地，在预处理工艺结束之后，反应剂蒸气被收集和浓缩以便再利用。实例之一是当使用液氨作为反应剂时的氨蒸汽的收集。收集的氨蒸汽可以被液化，用于加工反应剂以预处理其他的生物质。
预处理过的生物质可以从设备中移除，或者可以进行第二类型的生物质处理、糖化，而无需移走所述。或者，样品已经在单独的设备中预先处理的生物质可以被导入到用于糖化的本发明设备中。糖化反应剂的添加量，以及由此的生物质浓度，可以依据使用的糖化工艺变化。糖化反应剂典型地使用本发明设备的注射喷枪被直接注入到反应容器中。通过注射喷枪对糖化反应剂的导入、以及研磨介质和挡板的功能促进反应剂同化进入生物质，使得在高生物质浓度中的糖化是有效的。糖化反应剂可以以干燥的形式通过盖子的端口或者打开的盖子导入。
在糖化期间，生物质干重可以占生物质-反应混合物重量的至多大约80％。更为合适的，生物质干重可以占生物质-反应混合物重量的至多大约60％。优选最初的生物质浓度占生物质-反应混合物重量的大约15％和大约40％之间。高的生物质浓度减少糖化材料的总量，使工艺更经济。这表明在高生物质含量下的糖化作用酶联合依然是有效的，其中杂质、初始酶解物和产品的含量没有被稀释，并且其中不同的抑制和去活过程可能发生。在低的生物质浓度下，如糖化作用中通常使用的，由于高的稀释因子，潜在的抑制和去活过程显著地减少或者不存在。另外，用高的生物质浓度，对后续在发酵作用中，糖化作用的需要的糖的浓度的滴定量减至最少。本方明设备如上所述的机混合的压榨和过滤方式，特别适于在所述生物质混合物中的高干重生物质的糖化作用。
糖化加工反应剂包含的酶能水解预先处理过的生物质以释放寡糖和/或单糖。糖化作用酶及其用糖化作用酶处理生物质的方法在Lynd，L.R.，等(Microbiol.MoI.Biol.Rev.(2002)66：506-577)中概述。
典型地，所用的糖化作用联合酶包含但不限于主要从″糖苷″基团中选择的一种或多种酶，它水解二-、寡-和聚糖的醚键，并且在可参见酶分类中在通用“水解酶”(EC3.)中的EC 3.2.1.x(EnzymeNomenclature1992，Academic Press San Diego，CA with Supplement(1993)，Supplement 2(1994)，Supplement 3(1995)，Supplement 4(1997)和Supplement 5[分别地在Eur J.Biochem.(1994)223：1-5，Eur.J.Biochem.(1995)232：1-6，Eur.J.Biochem.(1996)237：1-5，Eur.J.Biochem.(1997)250：1-6，和Eur.J.Biochem.(1999)264：610-650中])。对本发明有用的糖苷酶可以通过生物质水解成分分类。对本发明有用的糖苷酶包括纤维-水解糖苷酶(例如，维素酶、内葡聚糖酶、外葡聚糖酶、纤维二糖水解酶(cellobiohydrolase)、β-葡糖苷酶)、半纤维素-水解糖苷酶(例如，木聚糖酶、内木聚糖酶、外木聚糖酶、β-木聚糖酶、阿拉伯糖基木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、胶质酶、葡萄糖苷酸酶)、以及淀粉-水解糖苷酶(例如，淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡糖淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、异淀粉酶)。另外，将其他的活性成分添加到糖化联合酶也可能有用处，例如多肽(EC 3.4.x.y)、脂肪酶(EC3.1.1.x和3.1.4.x)、木质素(EC 1.11.1.x)和阿魏酯酶(EC 3.1.1.73)，以帮助从生物质的其他组分释放聚糖。本领域公知的是，制造聚糖-水解酶的微生物经常显示例如纤维素降解的活性，其通过数个酶或者一群有不同的酶解专一性的酶催化。因此从微生物获得的″纤维素酶″可以包含一群酶，它们所有的都可以贡献纤维素-降解活性。商业的或者非商业酶制剂，例如纤维素酶，可以包含许多的酶，取决于使用的提纯获得酶的方案。因此本发明工艺的糖化作用联合酶可以包含酶活性，例如″纤维素酶″，然而要认识到其活性可以被超过一种的酶催化。糖化酶可以商业地获得，例如Spezyme
Figure 2006800120789_3
CP纤维素酶(Genencor International，Rochester，NY)和Multifect
Figure 2006800120789_4
木聚糖酶(Genencor)。
本领域技术人员懂得如何决定在联合中的酶的有效量以及调整条件以使酶活性最优。本领域技术人员同样懂得如何优化联合酶的活性成分的种类以获得在选定条件下的对预处理过的生物质的最优糖化。
本发明中，当预处理并然后糖化的生物质时，在糖化作用处理之前，预处理过的生物质的pH以及温度被调节到对糖化作用酶的活性有利的状态。当用酸或者碱预处理时，预处理过的生物质的pH可以通过向反应容器导入pH调整溶液或者固体来提高或者降低。为了获得pH调整溶液在预处理过的生物质中的良好分布，当反应容器中的挡板旋转时，通过喷枪将pH调整溶液注入到预处理生物质中。溶液可以预热，典型地预热到与糖化联合酶相容的温度，例如大约50℃。另外，pH调整溶液可以通过盖子的端口导入。容器的挡板可以旋转以促进pH调整溶液同化进入由研磨介质和挡板提供的生物质，通过样品端口移开样品，生物质被周期地测试pH直到达到要求的pH。pH目标可以是在大约2和11之间，取决于糖化作用所使用的酶，因为如同本领域技术人员所知，不同的酶会显示不同的最优的pH。更典型地，所需pH在大约4和10之间，而pH大约5.5是最典型的。
糖化作用的温度一般地在大约15℃到大约100℃之间，同样取决于糖化作用所使用的酶，因为如同本领域技术人员所知，不同的酶显示不同的最适温度。典型的温度在大约20℃到大约100℃之间。糖化作用是当反应容器的挡板旋转时进行的。使反应剂同化进入设备中的反应剂的压榨和过滤的方式，如上所述，增强了糖化作用反应剂到生物质的通道，由此提供高效率的糖化作用工艺。该工艺持续的时间从大约几分钟到大约120小时，优选从大约几小时到大约72小时。反应时间取决于酶浓度和具体的活性，和使用的酶解物和环境条件，例如温度和pH。对于使用的特定的生物质和糖化作用联合酶，本领域技术人员可以容易地决定最优温度、pH和时间条件。
本发明设备对最优化生物质处理工艺特别有用。有许多的处理条件，其可能在生物质处理工艺方面有差异，无论它是预处理或者糖化作用工艺。可变的条件包括但是不局限于，pH、温度、加工反应剂种类和加工反应剂浓度、生物质反应混合物中生物质干重百分比、添加反应剂的进料策略、压力、惰性气氛种类、使用的生物质形式和类型和形态、以及加工时间。本发明的设备可以构造成小型的，如在此前一个实施方案中描述的(见图2)，其特别适合于优化处理工艺。可利用试验统计的方法，独立或者关联地变化试验条件，并且当加工进行时，从样品端口取样。在糖化作用工艺或者联合的预处理/糖化作用工艺中，样品中的糖可以直接地分析。在单独的预处理工艺中，样品被糖化并接着分析糖化作用的产品含糖量及其他所关心的组分，例如乙酸、糠醛和盐。其他的方法同时可以用来分析，例如分析半纤维素。最佳化可以是以许多标准为基础的，包括单体产率、总排放量糖产率、低的酶用量、低的乙酸、低的fufurals、低的杂质形成，或者以它们中的多个为基础的全局优化。例如，葡萄糖和木糖的百分比理论上由处理过程中释放的初始生物质来决定。糖单体产率接近或超过50％表明优良的结果，而更高的产率被优选。包括释放的低聚物的总糖产率达到至少70％表明优良的产率。分析糖的方法为本领域技术人员所熟知，例如由高效液相色谱法。另外，其他处理过的生物质样品组分(例如乙酸、糠醛或者乳酸)也可以分析，同样由高效液相色谱法测定产品的质量。
从生物质释放的可发酵糖能被适宜的微生物(其为生物催化剂)使用，以制造目标化学制剂，如未决美国专利申请CL3435和CL3436所描述。
实施例
通用方法和材料
以下使用的缩写：
″HPLC″是指高效液相色谱，″C″是摄氏温度，″kPa″是千帕斯卡，″m″是米，″mm″是毫米，″kW″是千瓦，″μm″是微米，″μL”是微升，″mL″是毫升，″L″是升，″min″是分钟，″mM″是毫摩尔，″cm″是厘米，″g″是克，″kg″是千克，″wt″是重量，″hr″是小时，″temp″或者″T″是温度，″theoret”是理论的，″pretreat″是预处理，″DWB″是生物质的干重。硫酸、氢氧化铵、乙酸、乙酰胺、酵母提取物、2-吗啉并乙烷磺酸(MES)、磷酸钾、葡萄糖、木糖、胰胨、氯化钠和柠檬酸从Sigma-Aldrich(St.Louis MO)获得。
预处理和酶水解反应器(PEHR)
生物质处理器的尺寸和特征如图2所示并且在以上描述和下文实施例中被称作PEH反应器。简要地，9L PEH反应器(在NREL，Golden，CO建造)有大约15厘米×51厘米的不锈钢反应容器，其有能导入加工反应剂的注射喷枪。注射喷枪在容器的一端上利用回转接头连通到盖子的端口，该容器具有其他的端口用于联通容器。四个挡板穿过容器壁的长度，并且被垂直地连接到器壁。挡板和22号陶瓷的研磨介质柱体(cylinder)(3.2cm×3.2cm)(E.R.Advanced Ceramics，East PalestineOH)在容器里自由漂浮，当容器旋转时，提供生物质和反应剂的机械混合，以促进反应剂进入生物质的同化。PEH反应器安装在Bellco Cell-Production Roller Apparatus(Bellco Technology，Vineland，NJ)上，其提供旋转机制，并且有辊的反应器安装在能加热的温度受控的腔中。温度受控的腔由铝制框架组成以支撑围绕Bellco Cell Production Apparatus的软木隔离垫，加热器连接在上面，且该加热器通过插入PEHR反应器中的注射喷枪中心的热电偶控制。真空和压力可以通过连接在盖子端口的喷枪的外部附加的来源应用于所述反应容器。
蒸汽枪反应器间歇蒸煮(digestion)系统
4升蒸汽枪反应器(Autoclave Engineers，Erie，PA)是蒸汽-夹套反应器，由102毫米长80 Hastelloy
Figure 2006800120789_5
的管道组成，两端由球阀封闭。另外的电加热器被安装在完全暴露的无夹套的反应器表面，并被控制到预处理设定温度。使用直接蒸汽注入以将生物质快速地升温至预处理温度。蒸汽压被调整和控制以维持在要求的预处理温度。反应器的底部收缩到51mm。所有预处理过的材料通过在反应器底部的可替换的模具取出，并被收集在支撑于厚壁的、带夹套的、且冷却的槽内的0.21m3尼龙袋(Hotfill
Figure 2006800120789_6
)中。
分析方法
糖、乙酰胺、乳酸和醋酸含量的测量
糖化液中的可溶糖(葡萄糖、纤维二糖、木糖、半乳糖、树胶醛糖和甘露糖)、乙酰胺、乳酸和醋酸用高效液相色谱(Agilent Model 1100，Agilent Technologies，Palo Alto，CA)，使用有适当保护柱的Bio-RadHPX-87P和Bio-Rad HPX-87H柱(Bio-Rad Laboratories，Hercules，CA)分析测量。测量样品的pH，如有必要，用硫酸调节到5-6。然后样品通过0.2微米针筒式滤器直接地注入到高效液相色谱小瓶中。高效液相色谱跑柱条件如下：
HPX-87P(对于碳水化合物)：
注射容积：10-50微升，取决于浓度和探测器的限制
流动相：高效液相色谱级水，0.2微米，过滤并脱气的
流速：0.6毫升/分钟
柱温：80-85℃，保护柱温度＜60℃
检测器温度：尽可能接近主柱温
检测器：折射指数
运行时间：35分钟数据收集，外加15分钟后运转(带有为了后面洗脱化合物，可能的校正时间)
Biorad Aminex HPX-87H(适于碳水化合物、乙酰胺、乳酸和乙酸)
注射容积：5-10微升，取决于浓度和检测器限制
流动相：0.01N硫酸，0.2微米过滤且脱气的
流速：0.6ml/分钟
柱温：55℃
检测器温度：尽可能接近于柱温
检测器：折射指数
运行时间：25-75分钟数据收集
在跑柱之后，从每种化合物的标准曲线确定样品浓度。
实施例1
在PEH反应器中的高生物质浓度的甘蔗渣糖化作用：
对照低浓度糖化作用
所述PEH反应器(按通常方法描述)，没有研磨介质，填充碾压的1.27cm甘蔗渣(370g，干重基础)。从H65-7052甘蔗获取的甘蔗渣是NIST参考材料RM8491，最初从Hawaii Sugar Planters Association，Kunia分会，Oahu，HI.获得。其在Wiley厂碾压成型以通过2mm筛，其中细粒(+74目)被筛除。反应容器旋转地与在外表面上的冰接触而冷却到4℃。真空装置被用于所述反应容器，且预先在冷藏室冷却到4℃的稀释氢氧化铵溶液，通过浸于冰水浴中的管道注入，以得到4g/100g干重生物质的氨浓度，以及45g/100g总生物质-氨水溶液混合物的干重生物质浓度。通过施加冰到旋转反应容器的表面，使装有氨和甘蔗渣的反应容器冷却到4℃，并且在4℃旋转30分钟。在这时候内容物被转入通用方法中描述的蒸汽枪反应器。一旦氨-甘蔗渣混合物被装入蒸汽枪反应器，温度就增至145℃并且混合物在该温度下保持20分钟。在预处理时间完毕时，甘蔗渣从蒸汽枪反应器卸料，通过2.54厘米的圆模头进入闪蒸罐(flash tank)。预先处理过的甘蔗渣样品随后在摇瓶里被糖化并且另一样品(大约163g干重)在PEH反应器里被糖化。占预先处理过的生物质-糖化作用联合酶混合物总重量的5％干重的生物质在摇瓶中被糖化，而占预先处理过的生物质-糖化作用联合酶混合物总重量30％干重的生物质在PEH反应器中被糖化。通过加入50mM柠檬酸盐缓冲液将糖化期间的pH控制在5.5，并且将温度维持在50℃。
对于PEH反应器糖化，大约476g(～163g干重)的预处理过的生物质和22号陶瓷的研磨柱体加入反应容器。用固体柠檬酸将pH调节到5.0-5.5。反应容器保持于控制在50℃的恒温箱室内部，并且以19rpm转速轴向地旋转。未经预处理的甘蔗渣，也在摇瓶里以相对于预先处理过的生物质-糖化作用联合酶混合物总重量的5％生物质干重糖化。所有糖化作用在50℃和pH5.5的条件下由28.4mg/g纤维素Spezyme CP
Figure 2006800120789_7
纤维素酶和28.4mg/g纤维素Multifect
Figure 2006800120789_8
木聚糖酶处理96hr。在下面表1中的产率是释放的量占理论产率的百分值。
表1：甘蔗渣的预处理和糖化作用后的产率。
    未预处理的5％糖化  预处理过的5％DWB糖化   预处理过的30％DWB糖化
  单体葡萄糖     0.5％     16.6％     23.3％
  葡萄糖总量     ND     ND     36.4％
  单体木糖     1.3％     15.6％     17.2％
  木糖总量     ND     ND     37.4％
ND：未测定
结果表明，同未经预处理的对照物比较起来，由很低含量的氨预处理甘蔗渣使得能够完成显著的糖释放，并且于PEH反应器中在高含固量浓度下的糖化作用对于释放糖很有效。
实施例2
在PEH反应器中的高生物质浓度的黄杨木锯屑的糖化作用：
对照低浓度糖化作用
无研磨介质的PEH反应器里以黄杨木锯屑(596g基于干重；从Sawmiller Inc.，Haydenville，OH购买)装料。真空施加于所述反应容器，注入稀释的氢氧化铵溶液，以得到氨浓度为6g/100g干重生物质，并且使干重生物质浓度为44g/100g总生物质-氨水混合物。装有氨和黄杨木锯屑的反应容器按照实施例1所述被冷却到4℃，并且在4℃旋转30min。在这时候内容物被转入蒸汽枪反应器。一旦氨-杨木混合物被装载入蒸汽枪反应器，温度就增至145℃，并且混合物在该温度下保持20分钟。在预处理时间结尾时，黄杨木锯屑离开蒸汽枪反应器，通过2.54厘米的圆模头进入闪蒸罐。预先处理过的黄杨木锯屑样品后来在摇瓶里被糖化，如实施例1所述，并且另一样品在PEH反应器里糖化。相对于预先处理生物质-糖化作用联合酶混合物总重量的5％干重的生物质在摇瓶中被糖化，而相对于预先处理过的生物质-糖化作用联合酶混合物总重量的30％干重的生物质在PEH反应器中被糖化(使用～279g干重预处理过的锯屑)。未经预处理的黄杨木锯屑，同样以占预先处理生物质-糖化作用联合酶混合物总重量的5％的干重生物质在摇瓶里同样地被糖化。所有糖化作用在50℃和pH5.5的条件下用28.4mg/g的纤维素的Spezyme CP
Figure 2006800120789_9
纤维素酶和28.4mg/g纤维素的Multifect
Figure 2006800120789_10
木聚糖酶处理96hr。在下面表2中的产率是释放的量占理论产率的百分值。
表2：黄杨木锯屑的预处理并且糖化后的产率。
    成份   未预处理的5％DWB糖化   预处理过的5％DWB糖化   预处理过的30％DWB糖化
  单体葡萄糖     2.7％     11.1％     20.6％
  葡萄糖总量     ND     ND     30.0％
  单体木糖     0％     17.9％     18.9％
  木糖总量     ND     ND     40.2％
ND：未测定
结果表明，实际释放的糖中，同未经预处理的对照物比较起来，由很低含量的氨预处理甘蔗渣使得能够完成显著的糖释放，并且在PEH反应器里的高干重生物质的糖化在糖释放方面比在摇瓶里更有效。
实施例3
在PEH反应器里预处理并且糖化更高干生物质浓度的玉米穗轴
所有的玉米穗轴用颚间隔大约0.95cm的颚式破碎机(2.2kW马达)加工，然后用破块机(1.5kW马达，Franklin Miller Inc Livingston，NJ)处理。继之以装备着1.9cm U.S.标准筛的Sweco筛子筛选。大约805g破碎的物质被装入PEH反应器。玉米穗轴的水分含量大约7％。在装填之前反应容器的气氛用氮冲洗5次。没有研磨介质不旋转的反应器在所述实验开始以前被预热到75℃。当反应容器内部温度稳定在75℃时，打开恒温箱里的旋转装置并且把转速调节到19rpm。然后，将适量的氢氧化铵稀释溶液(其将氨浓度调节为占生物质干重6％和将干重生物质的固含量调节为占生物质-氨混合物总重量50％)泵入反应器。占生物质干重1重量％的乙醇同样地添加到溶液。氨溶液经由在约75℃水浴里的加热线圈泵出，利用2-gal Parr反应器制造。已加热的稀释氢氧化铵溶液通过注射喷枪注入反应容器并且喷涂在反应器里旋转并且滚动的破碎的玉米穗轴上。反应器保持在75℃下，以19rpm的转速工作2小时。在结束时，将真空(大约85kPa)施加于反应容器30分钟以除去氨并且将反应器内容物的温度降到大约50℃。然后将二氧化碳注入到反应器以替换真空，同时反应器被加压到103kPa并保持在该压力和50℃下30分钟。
接着，反应器被减压、打开并且被添加研磨介质。利用注射喷枪将内容物的pH通过注入1M pH4.8的柠檬酸缓冲液调节到大约5.5，加入柠檬酸一水合物以增加柠檬酸缓冲液浓度到～75mM。柠檬酸缓冲液被注入到反应器，接着加热到50℃，然后内容物在50℃19rpm的反应器里培养1小时至平衡。当反应器旋转时利用注射喷枪注射柠檬酸缓冲液，让缓冲液更均匀的喷射并且分布在预处理过的玉米穗轴颗粒上。反应器从恒温箱处移走、打开，然后测定样品的pH。如果pH高于5.5，则添加额外的固体柠檬酸一水合物，反应器通过在50℃下再混合一小时而培养。该步骤被重复直到pH为大约5.5。一旦pH达到要求，浓度为12.9mg/g纤维素Spezyme CP(Genencor)和每克中有5mg活性蛋白的纤维素联合酶被输入所述反应器，其中纤维素联合酶组成为□-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、□-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反应器在恒温箱中以温度50℃、转数19rpm保持72小时。该预处理和糖化之后的单体葡萄糖产率是62.0％，单体木糖产率是31.0％。总葡萄糖产率是75.2％，总木糖产率是80.3％。
实施例4
玉米穗轴在更高的生物质浓度中用很低的氨和交替的条件预处理
整个的玉米穗轴用锤磨机(10英寸锤磨机，Glen Mills Inc.，Clifton，NH)加工到能透过1.27厘米筛。大约805g磨碎的玉米穗轴加入到PEH反应器。玉米穗轴水分含量为大约7％。22号陶瓷的研磨柱体(3.2cm直径×3.2cm长；E.R.Advanced Ceramics，East Palestine，OH)同样被加到反应器。实验开始以前，反应器被预热到95℃，不旋转。开始以前，反应容器抽真空(大约85kPa)，容器是密封的。当反应容器内部温度稳定在95℃时，恒温箱里旋转装置被打开，调至转速19rpm。然后，将适量氢氧化铵稀释溶液(其将氨浓度调节为占生物质干重6％和将干重生物质的固含量调节为占生物质-氨混合物总重量50％)泵入反应器。氨溶液经由在沸水浴里的加热线圈泵出，利用2-gal Parr反应器制造。加热的稀释氢氧化铵溶液通过注射喷枪注入到反应容器，喷射在反应器里旋转和滚动的破碎玉米穗轴上。反应器在95℃保温2小时，转速保持在19rpm。结束时，反应容器抽真空(大约85kPa)30分钟，以除去氨并且降低反应器的内容物的温度到大约50℃。把二氧化碳注入到反应器以替换真空，反应器加压到103kPa表压并保持压力和50℃温度30分钟。
接着反应器被减压、打开，通过注入1MpH4.8的柠檬酸缓冲液，将内容物的pH调节到大约5.5，向该缓冲液中加入了柠檬酸一水合物并溶解。加热到50℃后，反应器中注入柠檬酸缓冲液，被然后借助反应器在50℃恒温、转速为19rpm保持1小时使得内容物平衡。反应器从恒温箱处移走、打开，测定样品的pH。如果pH高于5.5，则添加额外的固体柠檬酸一水合物，反应器通过在50℃下再混合一小时而培养。该步骤被重复直到pH大约达到5.5。一旦pH达到要求，12.9mg/g纤维素spezyme CP(Genencor)和每克中有5mg活性蛋白的纤维素联合酶被输入所述反应器，其中纤维素联合酶组成为□-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、□-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反应器于50℃和19rpm下在恒温箱中保持72小时。该预处理和糖化之后，单体葡萄糖产率是50.7％，单体木糖产率是35.7％。总葡萄糖和木糖产率分别是71.7％和89.8％。
实施例5
用少量的氨和另外的碱预处理玉米穗轴
所有的玉米穗轴用颚间隔大约0.95cm的颚式破碎机(2.2kW马达)加工，然后用破块机(1.5kW马达，Franklin Miller Inc Livingston，NJ)处理。继之以装备着1.9cm U.S.标准筛的Sweco筛子筛选。大约460g破碎的玉米穗轴被装入PEH反应器。玉米穗轴的水分含量为大约7％。不旋转的反应器在实验开始以前被预热到95℃。实验开始前，反应容器抽真空(大约85kPa)，容器是密封的。当反应容器内部温度再稳定在95℃时，恒温箱里旋转装置被打开并且把转速调节到19rpm。然后，将适量的氢氧化铵溶液(其提供氨浓度为3.2g氨/100g干重生物质)和NaOH(其提供浓度为1.9NaOH/100g干重生物质，维持固含量为30g干重生物质/100g总重量生物质-氨混合物)泵入反应器。氨和额外的碱性溶液经由在沸水浴里的加热线圈泵送，利用2-gal Parr反应器制造。已加热的稀释氢氧化铵溶液通过注射喷枪注入反应容器并且喷涂在反应器里旋转并且滚动的破碎的玉米穗轴上。接着，容器的真空被释放至大气压力。反应器恒温保持在95℃30分钟，然后降温到85℃，保持4小时。结束时，反应容器抽真空(大约85kPa)30分钟以除去氨和降低反应器内容的温度到大约50℃。然后将二氧化碳注入到反应器以替换真空，反应器加压到103kPa表压，在50℃保持压力30分钟。
接着，反应器减压、打开，通过注入大约75ml的1M、pH4.8的柠檬酸缓冲液，调节内容物的pH至大约5.5，向该缓冲液中加入了柠檬酸一水合物并溶解。加热到50℃后，柠檬酸缓冲液被注入到反应器，且利用反应器在50℃和19rpm下培养1小时使得内容物平衡。当反应器旋转时，利用注射喷枪注射柠檬酸缓冲液，让缓冲液更均匀的喷射并且分布在预先处理玉米穗轴粒子上。反应器从恒温箱处移走、打开，然后测定样品的pH。如果pH高于5.5，添加额外的固体柠檬酸一水合物，反应器通过在50℃下混合再培养一小时。该步骤被重复直到pH大约5.5。一旦pH达到要求，28.4mg/g纤维素的Spezyme CP(Genencor)和28.4mg/g纤维素的Multifect，被输入所述反应器。反应器保持在恒温箱中72小时，温度50℃、转速19rpm。该预处理和糖化之后，单体葡萄糖产率是56.1％，单体木糖产率是39.5％。总葡萄糖产率和木糖产率分别是82.8％和84.2％。这些值是两次实验的平均数。
实施例6
在室温下用PEH反应器预处理并且糖化高的干生物质浓度的玉米穗轴
整个的玉米穗轴用有颚间隔大约0.95厘米的颚式破碎机(2.2kW马达)破碎，然后用破块机(1.5kW马达，Franklin Miller Inc)处理。继之以装备着1.9cm U.S.标准筛的Sweco筛子筛选。大约460g破碎的玉米穗轴被装入PEH反应器。玉米穗轴的水分含量大约7％。22号陶瓷研磨柱体(3.2厘米直径×3.2厘米长；E.R.Advanced Ceramics，East Palestine，OH)同样被加到反应器。实验开始前，反应容器抽真空(大约85)，容器是密封的。当反应器内部温度再稳定在室温下(22-26℃)时，恒温箱里旋转装置被打开并且把转速调节到19rpm。然后，将适量的稀释氢氧化铵溶液(其提供氨浓度为4g氨/100g干重生物质，并且维持固含量为30g干重生物质/总重量生物质-氨混合物)泵入反应器。氢氧化铵稀释溶液通过注射喷枪注入到反应容器并且喷射到反应器里旋转并且滚动的破碎的玉米穗轴上。接着，各容器的真空被加压到大气压力。反应器维持在室温(22-26℃)24小时。结束时，反应容器抽真空(大约81kPa)维持30分钟以除去氨。然后二氧化碳注入到反应器以替换真空并且由CO2加压反应器到103kPa表压，并且在室温下保持压力30分钟。
接着反应器被减压、打开，并且通过添加柠檬酸一水合物调节内容物的pH至大约5.5。加热到50℃后，然后利用反应器在50℃和19rpm下培养1小时使其平衡。反应器从恒温箱处移走、打开，测定样品的pH。如果pH高于5.5，则添加额外的固体柠檬酸一水合物并且通过混合在50℃下培养反应器。该步骤被重复直到pH达到大约5.5。一旦pH达到要求，将12.9mg/g纤维素的Spezyme CP(Genencor)和每克含5mg活性蛋白的纤维素联合酶输入反应器，纤维素联合酶组成为□-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、□-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反应器在恒温箱里于50℃和19rpm下保持72小时。该预处理并且糖化之后，单体葡萄糖产率是41.7％，单体木糖产率是25.4％。总葡萄糖和木糖产率分别是50.1％和53.2％。该值是两次实验的平均数。
实施例7
在PEH反应器里预处理和糖化包含玉米穗轴和
其他废弃谷物样品混合物
废弃谷物样品选自：
1.#2黄色凹痕全玉米穗轴颗粒(从Agway购买)。
2.玉米穗轴颗粒去细菌的方法是快速胚芽法，开发者：Illinois大学(Singh和Eckoff(1996)Cereal Chem.74：462-466)。原材料从Illinois大学的Vijay Singh获得。
3..玉米穗轴颗粒通过快速纤维工艺处理以除去细菌和壳纤维(US6254914)。原材料从Illinois大学的Vijay Singh获得。
4.啤酒用麦芽(brewers’grit)是从Cargill(Minneapolis，MN)获得。
废弃谷物指粮食处理后的剩余的固形物，其中淀粉转化为糖。废弃谷物主要地通过基本的威士忌酒处理工艺制造。不同的原材料用淀粉降解酶处理，以产生糖，制得的麦芽浆过滤，以回收滤饼固形物或者废弃谷物。
原材料在Foss(North American HQ：Eden Prarie，MN)Cyclotec1093样品磨(上述的原材料1和2)中研磨成250微米或者在混合器里(上述的原材料3和4)，然后在2L带夹套的搅拌玻璃反应容器里与水和200mM CaCl2 *H2O混合。混合物的pH由1N NaOH调节到6.5，并占总量一半的α-淀粉酶(Spezyme HPA，Genencor International，Palo Alto，CA)。反应容器被加热到95℃，20分钟过后添加其余的α-淀粉酶。在95℃保持规定时间之后，容器冷却到70℃，用1M HCI调节混合物的pH到4.5。添加葡糖淀粉酶(Gzyme 480，Genencor)，并且降低温度到50℃，保持一整夜。此时，反应器冷却到低于40℃，内容物通过孔径大小为10微米的涤纶滤布过滤。滤饼用水洗，最终滤渣或者废弃谷物在105℃干燥整夜，并在室温下贮藏直到用于预处理实验。每种原材料具体的反应条件列于表3中。
表3.废弃谷物样品的加工
  原材料  原材料添加量(g)   水添加量(g) α淀粉酶添加量(ml)   95℃下总时间   葡萄糖淀粉酶添加量(ml)   50℃下总时间(hr)
    1   375   1095     3     150     3     17
    2   505   1095     3     150     3     23
    3   1180   500     6     120     3     17.5
    4   1160   500     6     120     3     18
整玉米穗轴用颚间隔大约0.95cm的颚式破碎机(2.2kW马达)处理，然后用破块机(1.5kW马达，Franklin Miller Inc)处理。继之以装备着1.9cm U.S.标准筛的Sweco筛子筛选。破碎的玉米穗轴混入一种如表3所列的废弃谷物，装入PEH反应器。废弃谷物大约是在反应器里的干重生物质总数的10％。装入的总干生物质大约是473g。实验开始以前每个装料的反应器在柱体恒温箱里被预热到95℃，不旋转。反应容器抽真空(大约85kPa)，且所述容器密封。当每个容器内部温度稳定在95℃时，开始以19rpm转速旋转。添加氢氧化铵稀释溶液以提供氨浓度为4g氨/100g干重生物质和固含量为30g干重的生物质/100g生物质总重量-氨混合物。接着容器的真空被解除到大气压力。反应器在95℃保持30分钟，然后温度降低到85℃，保持4小时并旋转。结束时，反应容器抽真空(大约85kPa表压)30分钟以除去氨并且降低每个反应器的内容物的温度到大约50℃。然后注入二氧化碳到每个反应器以解除真空并将反应器加压到138kPa的CO2表压，然后在此压力下于50℃旋转30分钟。
接着，反应器被减压、打开，通过注入75ml 1M、pH4.8柠檬酸缓冲液，调节内容物的pH到大约5.5，向该缓冲液中加入了柠檬酸一水合物并溶解。加热到50℃后，柠檬酸缓冲液被注入到反应器，且利用反应器在50℃和19rpm下培养1小时使得内容物平衡。反应器从恒温箱移走、打开，然后测定样品的pH。如果pH高于5.5，则添加额外的固体柠檬酸一水合物，且反应器在50℃下旋转来再培养一小时。如有必要，该过程被重复直到pH大约5.5。一旦pH达到要求，将28.4mg/g纤维素的Spezyme
Figure 2006800120789_11
CP纤维素酶(Genencor)和10.1mg活性蛋白/g纤维素的Diversa D2鸡尾酒加入反应器，Diversa D2鸡尾酒含有β-葡糖苷酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反应器在恒温箱中以温度50℃、19rpm下保持72小时。该预处理和糖化之后，糖产率按通用方法中所述测定，葡萄糖和木糖产率，以葡聚糖和木聚糖总数为基础，显示于表4。玉米穗轴加上废弃谷物联合生物质样品的产率与玉米穗轴单独的产率相似。
表4.预处理和糖化结合的生物质材料后的糖产率
  单体葡萄糖    葡萄糖总产率   单体木糖产率   木糖总产率
仅有玉米穗     68.2％     85.6％     41.8％     88.9％
轴(2次的均值)
玉米穗轴+快速胚芽废弃物颗粒     67.9％     86.5％     49.0％     86.5％
玉米穗轴+快速纤维废弃物颗粒     69.5％     88.3％     54.6％     87.3％
玉米穗轴+啤酒用麦芽废弃物颗粒     65.6％     79.5％     48.3％     83.2％
实施例8
在PEH反应器里预处理和糖化结合的生物质
(包含玉米穗轴、废弃谷物和其他的组分)
破碎的玉米穗轴和威士忌酒废弃物颗粒，用实施例7所述方法制备，象实施例7那样在PEH反应器里混和。另外，加入其他谷类物的组分。在一个样品中，以5g/100g总干重生物质比例添加淀粉(SigmaS4126，lot#093K0033)。在另一样品里，添加玉米油(Sysco Classic玉米油，lot#_4119095)，其含量水平为大约2g/100g总干生物质。样品被预先处理并且糖化，如例7所述。结果显示于表4。该结果也与表3所示仅有玉米穗轴相当。
表4.预处理和糖化玉米穗轴、废弃物颗粒和另外的谷物成分的糖产率
  单体葡萄糖    葡萄糖总产率   单体木糖产率   木糖总产率
玉米穗轴+威士忌废弃物颗粒+淀粉     70.4％     90.2％     48.4％     96.1％
玉米穗轴+威士忌废弃物颗粒+油     79.2％     87.5％     54.9％     101.4％
实施例9
在PEH反应器里预处理和糖化包含玉米穗轴和玉米纤维的混合生物质
破碎的玉米穗轴和Cargill Bran 80(Cargill，Minnetonka，MN)，玉米纤维被混合，使得纤维大约是总的生物质干重的10％。结合的生物质被预处理并且糖化，如实施例7所述。所得产率如表5所示。玉米穗轴加玉米纤维结合生物质的产率与单独的玉米穗轴样品的产率相似。
表5：预处理与玉米纤维结合的玉米穗轴所得的糖产率。
单体葡萄糖   葡萄糖总产率   单体木糖产率  木糖总产率
玉米穗轴+Cargill Bran 80   66.4％   82.3％     47.0％     83.5％

Claims (38)

1.用于成批处理生物质混合物中的高浓度干重生物质的系统，包括：
a)一设备，该设备包括：
i)圆柱形的反应容器，其在至少一端具有开口，其包括生物质混合物中的高浓度干重生物质以及选自含氨的水溶液或糖化酶混合物的加工反应剂；
ii)一个或多个连接至所述容器内侧的挡板；
iii)研磨介质，包含自由漂浮在该反应容器内部的丸粒；
iv)所述容器开口端的盖子，其包含一个或多个端口；和
v)包含输送加工反应剂的装置的注射喷枪，其中所述装置是沿反应容器长度延伸并且连在盖子iv)中的第一端口上的注射喷枪；
其中所述设备适用于处理生物质混合物中的高浓度干重生物质；
和
b)用于旋转所述容器的挡板的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其中研磨介质占据小于反应容器容积的10％。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包含连接到所述反应容器盖子的端口的回转接头。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述盖子包括第二端口，该第二端口是用于将反应剂添加到所述反应容器和/或对所述反应容器的内容物进行取样的端口。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述容器由能经得起从-10℃到220℃温度的不锈材料组成。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述容器能够经得起从4℃到170℃的温度。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述材料是不锈钢。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述容器由能耐受至多1200kPa压力的不锈材料组成。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述容器能够耐受至多310kPa的压力。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述挡板以垂直角度连接到反应容器的内表面。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述加工反应剂是含氨的水溶液。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述加工反应剂是糖化酶混合物。
13.如权利要求1所述的系统，进一步包含用于温度控制的装置。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述用于温度控制的装置是控制温度的夹套或者外部恒温箱。
15.如权利要求1所述的系统，进一步包含连接到端口的真空源。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述系统提供来处理生物质混合物中的高浓度干生物质，其中所述干生物质浓度占生物质-反应剂混合物重量的15％到80％。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述系统提供来处理生物质混合物中的高浓度干生物质，其中所述干生物质浓度占生物质-反应剂混合物重量的15％到60％。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述用于旋转的装置是辊、轴和曲柄、皮带、轮子或者枢轴。
19.用于处理生物质混合物中的高浓度干重生物质的工艺，包含：
a)将生物质导入到如权利要求1所述系统的反应容器中；
b)将加工反应剂导入到该反应容器；和
c)通过旋转所述反应容器的挡板以由该挡板升起和降下研磨介质，使所述加工反应剂同化进入所述生物质。
20.如权利要求19所述的工艺，其中所述工艺是生物质预处理工艺。
21.如权利要求20所述的工艺，其中所述加工反应剂是含氨的水溶液。
22.如权利要求19所述的工艺，其中所述工艺是糖化工艺。
23.如权利要求22所述的工艺，其中所述加工反应剂是糖化酶混合物。
24.用于处理生物质混合物中的高浓度干重生物质的工艺，包含：
a)预处理在权利要求1所述系统的反应容器中的生物质，产生预处理过的生物质；
b)在反应容器中调整a)的预处理过的生物质的温度和pH；和
c)在所述反应容器中糖化在b)中已经调整的预处理过的生物质。
25.用于预处理生物质混合物中的高浓度干重生物质的工艺，包含：
a)将生物质导入到如权利要求1所述系统的反应容器中；
b)在该反应容器中使所述生物质与含氨的水溶液接触以形成生物质-氨水混合物，其中氨的浓度至少能使所述生物质-氨水混合物维持在碱性的pH，但是其中氨的浓度小于生物质干重的12wt％，此外，其中生物质的干重以高固体浓度存在，其至少占所述生物质-氨水混合物重量的15wt％。
26.用于糖化预处理过的高的干生物质浓度的生物质的工艺，包含：
a)提供生物质，其中所述生物质任选地进行了预处理以提供可容易糖化的组分；
b)提供能水解(a)的所述生物质的联合酶；
c)在权利要求1所述设备中使(b)的酶同化进入(a)的所述生物质中。
27.如权利要求26所述的工艺，其中产生可发酵糖。
28.如权利要求26所述的工艺，其中所述生物质的干重具有高固体浓度，该浓度占生物质-反应剂混合物重量的至少15wt％。
29.如权利要求25或26所述的工艺，其中所述生物质选自：柳枝稷、废纸、造纸淤渣、玉米粒、玉米穗轴、玉米外皮、玉米秸、草、小麦、麦秸、大麦、甘蔗渣、高粱、大豆，从谷物加工过程中获得的组分、树、枝、根、叶子、木材碎片、锯屑、灌木、蔬菜、果实、花和动物粪。
30.如权利要求25或26所述的工艺，其中所述生物质选自：稻草、大麦秸和丛生灌木。
31.如权利要求25或26所述的工艺，其中所述生物质是干草。
32.如权利要求29所述的工艺，其中生物质选自：玉米穗轴、玉米秸、玉米外皮、甘蔗渣、锯屑、柳枝稷、麦秸和草。
33.如权利要求32所述的工艺，其中生物质选自：玉米穗轴、玉米秸、锯屑和甘蔗渣。
34.如权利要求25或26所述的工艺，其中所述生物质源自于多种原料。
35.用于优化处理工艺的方法，包含：
a)将生物质导入到权利要求1所述系统的反应容器中；
b)改变在所述反应容器中的处理条件；
c)在所述改变的处理条件下，通过所述一个或多个端口对处理过的生物质取样；和
d)测试所述样品以确定加工生物质的最佳处理条件。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述改变的条件包括：pH、温度、加工反应剂和加工反应剂浓度、生物质的干重最初占生物质-反应剂混合物的百分比、生物质种类和形式、惰性气氛种类、压力、加工反应剂的进料策略和加工时间。
37.如权利要求35所述的方法，其中所述处理工艺是糖化工艺。
38.如权利要求35所述的方法，所述处理工艺是预处理工艺。
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