CN102216435A - 生物量加工 - Google Patents

Abstract

提供了用于改变生物量原料的分子结构的方法。该方法包括螺杆挤压加工过程。

Description

生物量加工

技术领域

本发明涉及加工生物量和由其制备的产物。

背景

例如以纤维形式的纤维素和木质纤维素材料在许多应用中以大量产生、加工且使用。通常此类材料使用一次，并且随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘蔗渣、锯屑和秸秆。

各种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已在美国专利号7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中；以及在各种专利应用中描述，包括于2006年3月23日提交的“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”，PCT/US2006/010648，和“FIBROUS MATERIALS ANDCOMPOSITES”，美国专利申请号2007/0045456。

概述

一般地，本发明涉及含碳水化合物的材料(例如，生物量材料或生物素衍生的材料)、制备和加工此类材料的方法(例如，改变其结构)、以及由材料制备的产物。例如，本文描述的方法中的许多可以提供相对于天然材料，具有较低不顺应水平、较低分子量和/或结晶度的纤维素和/或木质纤维素材料。本文公开的方法中的许多提供了例如与酸、碱或酶更快速反应的材料，和/或可以由各种微生物更容易地利用以产生有用产物的材料，所述有用产物例如氢、醇(例如，乙醇或丁醇)、有机酸(例如，乙酸)、烃、共同产物(例如，蛋白质)或这些中的任何的混合物。

在一个方面，本发明的特征在于这样的方法，其包括减少生物量的单个小片的一个或多个维度；使用改变生物量的分子结构的处理方法处理生物量，例如粉碎的生物量；和任选地，对生物量实施初级加工加工过程以形成产物。粉碎和处理步骤中的至少一个包括用螺杆挤压加工加工过程处理生物量原料。处理方法可以包括或进一步包括例如照射、超声处理、热解和氧化。螺杆挤压加工加工过程可以例如用于减少原料的维度、使原料变成浆，或螺杆挤压机可以用作在其中原料经历化学反应的反应器皿，例如沿着其长度传送原料。螺杆挤压步骤可以包括使生物量与生物量的分开部分和/或一种或多种其他材料共挤压，所述其他材料可以是有机、无机或两者的混合物。一种或多种其他材料可以是例如固体或液体，并且在某些情况下可以包括气态材料。

初级加工加工过程可以是例如发酵。初级加工加工过程优选在螺杆挤压加工加工过程后和在任何必需解毒步骤后执行，例如以去除产生的任何呋喃化合物。例如，在挤压后，材料可以加入发酵器皿中，所述发酵器皿具有例如50,000L、100,000L、500,000L或更多的体积。

在某些实现中，处理方法可以包括组合使用的照射和超声处理。辐射可以是电离辐射，例如以电子束或γ射线的形式。在某些实施方案中，照射包括应用2种或更多种辐射源，例如γ射线或x射线(例如，轫致辐射(bremssthrahlung radiation)和电子束，例如其中每个电子已加速至1、2、3、5或甚至10MeV的加速电子束。在某些实施方案中，在使生物量原料暴露于空气或富含氧或其他氧化气体的空气例如臭氧时，对生物量原料执行至少一种处理方法例如照射。在具体实施方案中，电子束辐射以约10MRad的总剂量应用，并且超声处理以超过5MJ/m³的总能量应用。辐射可以具有例如约100nm-约280nm的波长。辐射可以例如以约10Mrad-约150Mrad的总剂量应用，例如以约0.5-约10Mrad/day、或1Mrad/s-约10Mrad/s的剂量率。超声处理可以以约15kHz-约25kHz、例如约18kHz-22kHz的频率执行。

照射可以在超声处理前，超声处理可以在照射前，或照射和超声处理可以同时或大约同时执行。在某些情况下，照射可以在螺杆挤压加工加工过程期间执行。

生物量原料的分子结构中的改变可以包括生物量的不顺应水平、平均分子量、平均结晶度、表面积、聚合度、多孔性、支化度、移植程度、域大小和生物量的分子构成中的任何一种或多种中的改变。在某些实施方案中，生物量原料的分子结构中的改变包括生物量的平均分子量和平均结晶度中的任何一种或两种中的降低，或生物量的表面积和多孔性中的任何一种或两种中的增加。

在另一个方面，本发明的特征在于制备产物例如易燃燃料的方法，其包括提供包括通过加工过程产生的碳水化合物的材料，所述加工过程包括用辐射、超声处理、热解和/或氧化处理生物量原料；对原料实施螺杆挤压加工过程；并且使材料与微生物接触，所述微生物具有使至少部分例如至少约1重量％的材料转变为产物例如易燃燃料的能力。

微生物可以是例如细菌或酵母。产生的燃料的例子包括氢、醇和烃中的一种或多种。例如，醇可以是乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或这些的混合物。转变可以包括使材料发酵为产物，例如易燃燃料。在螺杆挤压加工过程期间，生物量可以与化学制品例如氧化剂、酸或碱接触。

在某些实施方案中，该方法不包括用酸或碱使生物量水解。例如，在某些实施方案中，至少约70重量％的生物量是未经水解的，例如至少约95重量％的生物量未被水解。在具体实施方案中，基本上无一生物量被水解。

在某些实施方案中，螺杆挤压加工过程对这样的生物量执行，其中小于约25重量％的生物量由液体例如水润湿。具体地，在某些实施方案中，基本上无生物量由液体润湿。在25℃下和在50％相对湿度下测量，生物量可以具有例如小于约5重量％的保留水。

压力可以在该方法的一个或多个步骤中利用。例如，在大于约2.5个大气压的压力下，例如大于5或10个大气压，可以对生物量执行至少一种处理方法，例如辐射。在某些实现中，螺杆挤压加工过程可以在大于约20个大气压的压力下执行，例如约25-约200个大气压，或约50-约150个大气压。

该加工过程可以进一步包括在处理步骤之前、之时或之后，使生物量氧化、热解或蒸汽爆炸。

在特定实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料通过冷冻研磨得到粉碎。例如，材料可以在冷冻研磨机中共粉碎，从而使得每种材料冷却至低于25℃的温度，例如在0℃或之下，例如在干冰的正常大气升华温度或之下、或在液氮的正常大气沸点或之下。在冷冻研磨机中研磨生物量在名称为“Cooling and Processing Materials”美国临时专利申请序列号61/081,709中描述，其通过引用整体合并入本文。

生物量原料的例子包括纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、合成纤维素、海藻、藻类或这些的混合物。生物量可以是或包括天然或合成材料。

在某些实施方案中，生物量包括具有第一个数量平均分子量的第一种纤维素，并且碳水化合物材料包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量的第二种纤维素。例如，第二个数量平均分子量比第一个数量平均分子量低超过约一倍。在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个结晶度，并且第二种纤维素具有比第一个结晶度低的第二个结晶度。例如，第二个结晶度可以比第一个结晶度低超过约10％。

在某些实施方案中，第一种纤维素可以具有第一个氧化水平，并且第二种纤维素具有比第一个氧化水平高的第二个氧化水平。

生物量原料可以通过通过使生物量纤维来源剪切进行制备，以提供纤维材料。例如，剪切可以用旋转切割机来执行。纤维材料的纤维可以具有例如大于5/1的平均长度直径比。纤维材料可以具有例如大于0.25m²/g的BET表面积。

在某些实施方案中，碳水化合物可以包括一个或多个β-1，4-键合且具有约3,000-50,000的数量平均分子量。

在某些实现中，经处理的生物量材料可以进一步包括缓冲剂，例如碳酸氢钠或氯化铵；电解质，例如氯化钾或氯化钠，生长因子，例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶，表面活性剂，矿物质或螯合剂。

使用本文公开的方法可以产生的产物的进一步例子包括单和多功能C1-C6烷基醇、单和多功能羧酸、C1-C6烃及其组合。合适醇的具体例子包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1，4-丁二醇、甘油及其组合。合适羧酸的具体例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟丁酸及其组合。合适烃的具体例子包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其组合。这些产物中的许多可以用作燃料。

如本文使用的，术语“纤维材料”是包括众多松散、不连续且可分离的纤维的材料。例如纤维材料可以通过例如用旋转切割机剪切由漂白的牛皮纸纤维来源进行制备。

如本文使用的，术语“筛子”意指能够根据大小筛分材料的构件。筛子的例子包括穿孔板、轧辊等、或金属丝网或布织物。

如本文使用的，术语“热解”意指通过应用热能来破坏材料中的键。热解可以在主题材料处于真空下或浸入气态材料中的时候发生，所述气态材料例如氧化气体，例如空气或氧，或还原气体，例如氢。

通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。

术语“生物量”指任何未变陈腐的，即可再生的有机物质。各种类型的生物量包括植物生物量(下文定义)、动物生物量(任何动物副产物、动物废物等)和城市废物生物量(具有去除的可再循环物例如金属和玻璃的住宅和轻型商业垃圾)。

术语“植物生物量”和“木质纤维素生物量”指在可支持基础上可用于能量的基本上任何植物衍生的有机物质(木质或非木质的)。植物生物量可以包括但不限于农业作物废物和残渣例如玉米秸秆、麦秆、稻秆、甘蔗蔗渣等。植物生物量进一步包括但不限于树、木质能源作物、木材废物和残渣例如软木材林间苗、树皮废物、锯屑、纸和浆工业废物流、木质纤维等。另外地，草作物例如柳枝稷等具有作为另一个植物生物量来源大规模生产的潜力。对于市区，最佳潜力的植物生物量原料包括庭院废物(例如，草刈割、树叶、树刈割和灌木)和蔬菜加工废物。“木质纤维素原料”是任何类型的植物生物量，例如但不限于非木质植物生物量、中耕作物，例如但不限于草，例如但不限于C4草，例如柳枝稷、绳草、黑麦草、芒草、草芦或其组合，或糖加工残渣例如甘蔗渣或甜菜浆，农业残渣例如大豆秸秆、玉米秸秆、稻秆、稻壳、大麦秆、玉米轴、麦秆、卡诺拉油菜秆、稻秆、燕麦秆、燕麦壳、玉米纤维、再循环木浆纤维、锯屑、硬木材例如杨木和锯屑、软木材或其组合。此外，木质纤维素原料可以包括纤维素废弃材料，例如但不限于新闻纸、卡纸板、锯屑等。

木质纤维素原料可以包括一个种类的纤维，或备选地，木质纤维素原料可以包括源于不同木质纤维素原料的纤维混合物。此外，木质纤维素原料可以包括新鲜的木质纤维素原料、部分干燥的木质纤维素原料、完全干燥的木质纤维素原料或其组合。

为了本公开内容的目的，碳水化合物是完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位的材料。碳水化合物可以是聚合的(例如，等于或大于10聚体、100聚体、1,000聚体、10,000聚体或100,000聚体)、寡聚的(例如，等于或大于4聚体、5聚体、6聚体、7聚体、8聚体、9聚体或10聚体)、三聚的、二聚的或单体的。当形成具有超过一个单个重复单位的碳水化合物时，每个重复单位可以是相同或不同的。

聚合碳水化合物的例子包括纤维素、木聚糖、果胶和淀粉，而纤维二糖和乳糖是二聚碳水化合物的例子。单体碳水化合物的例子包括葡萄糖和木糖。

碳水化合物可以是超分子结构的部分，例如共价键合成结构。此类材料的例子包括木质纤维素材料，例如在木材中发现的那种。

易燃燃料是在氧的存在下能够点燃的材料。易燃燃料的例子包括乙醇、正丙醇、正丁醇、氢或这些中的任何2种或更多种的混合物。

如本文使用的，膨胀剂是这样的材料，当应用于此类材料如溶液例如水溶液时，其引起体积中超过未膨胀状态的纤维素和/或木质纤维素材料的可辨别膨胀，例如2.5％增加。例子包括碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和氢氧化铵，酸化剂例如矿物酸(例如，硫酸、盐酸和磷酸)，盐例如氯化锌、碳酸钙、碳酸钠、苄基三甲基硫酸铵，和碱性有机胺例如乙二胺。

如本文使用的，“经剪切的材料”是包括不连续纤维的材料，其中至少约50％的不连续纤维具有至少约5的长度/直径(L/D)比，并且具有小于约0.6g/cm³的未压缩的堆密度。经剪切的材料因此不同于已切割、剁碎或研磨的材料。

如本文使用的，改变生物量原料的分子结构意指改变化学键合排列，或结构的构象。例如，分子结构中的改变可以包括改变材料的超分子结构、材料的氧化、改变平均分子量、改变平均结晶度、改变表面积、改变聚合度、改变多孔性、改变支化度、移植在其他材料上、改变结晶结构域尺寸、或改变总体结构域大小。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。尽管下文描述了合适方法和材料，但与本文描述那些相似或等价的方法与材料可以用于本发明的实践或测试。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体合并。在冲突的情况下，以本说明书包括定义为准。此外，材料、方法和实施例仅是举例说明性的，并且不预期是限制性的。

本发明的其他特征和优点由于下述详述和权利要求将是显而易见的。

附图描述

图1是举例说明生物量转变成产物和共同产物的方框图。

图2是举例说明纤维来源转变成第一种和第二种纤维材料的方框图。

图3是旋转切割机的横断面视图。

图4是举例说明纤维来源转变成第一种、第二种和第三种纤维材料的方框图。

图5是举例说明材料的致密化的方框图。

图6是制丸磨的透视图。

图7A是以丸剂形式的致密化纤维材料。

图7B是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心一致。

图7C是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心不一致。

图7D是三叶形丸剂的横剖面。

图8是举例说明用于加工原料的处理顺序的方框图。

图9是γ辐照器的透视、剖视图。

图10是图9的区域R的放大透视图。

图11是举例说明电子束照射原料预处理顺序的方框图。

图12是举例说明将纤维来源转变成产物例如乙醇的加工过程的一般概述的方框图。

图13是螺杆挤压机的透视图。

图14是图13的螺杆挤压机的断面示意图。

图15是图13的螺杆挤压机中的加热区的图示。

图16和17是图13的螺杆挤压机中可以使用的排放阀的断面图。

图18是图13的螺杆挤压机中可以使用的动力密封的图示。

图19和20是图13的螺杆挤压机中可以使用的备选排放阀的断面图。

图21是图13的螺杆挤压机中可以使用的备选动力密封的图示。

图22是如由上述备选螺杆挤压机可见的纵剖面。

图23在其上面部分中显示了在图22中的线II-II上的部分横剖面，并且在其下面部分中显示了在图22中的线III-III上的部分横剖面。

图24是由另一个备选螺杆挤压机的一侧可见的纵剖面。

详述

可以加工生物量(例如，植物生物量、动物生物量和城市废物生物量)，以产生有用产物，例如燃料。本文描述了可以利用生物量原料材料例如纤维素和/或木质纤维素材料的系统和加工过程，所述生物量原料材料可容易获得，但可以难以加工。通过对原料材料实施螺杆挤压步骤在物理和/或化学上制备原料材料用于此类加工处理，所述螺杆挤压步骤可以导致原始原料材料的粉碎，并且在某些情况下，导致原料材料的致密化、成浆和/或水解(例如，酸水解)。需要时，在螺杆挤压步骤之前、之时或之后，可以使用辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸中的一种或多种处理或加工原料。当利用时，各种处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。

在某些情况下，为了提供包括碳水化合物例如纤维素的材料，其可以通过微生物转变为许多所需产物例如易燃燃料(例如，乙醇、丁醇或氢)，通过本文描述的一种或多种加工过程可以处理包括一个或多个糖单位的原料。可以产生的其他产物和共同产物包括例如人类食物、动物饲料、药物和营养制品。呈现了范围从单个处理方法的桌面规模实现到大规模生物量加工工厂的许多例子。

生物量类型

一般地，其是或包括碳水化合物的任何生物量材料可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，所述碳水化合物完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位。例如，生物量材料可以是纤维素或木质纤维素材料。

例如，此类材料可以包括纸、纸制品、木材、木材相关材料、刨花板、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛、藻类、海藻、棉花、合成纤维素或这些中的任何的混合物。

纤维来源包括纤维素纤维来源，包括纸和纸制品(例如，聚涂层纸和牛皮纸)，和木质纤维素纤维来源，包括木材和木材相关材料，例如刨花板。其他合适的纤维来源包括天然纤维来源，例如草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛；α-纤维素含量很高的纤维来源，例如棉花；和合成纤维来源，例如拉出的丝(取向丝或无取向丝)。天然或合成纤维来源可以得自未用过的废弃纺织品材料例如碎布，或它们可以是消费后的废物例如破布。当纸制品用作纤维来源时，它们可以是未用过的材料，例如废弃的未用过的材料，或它们可以是消费后的废物。除未用过的原始材料外，消费后、工业(例如，废料)和加工废物(例如，来自纸加工的流出物)也可以用作纤维来源。此外，纤维来源可以得自或衍生自人(例如，污水)、动物或植物废物。另外的纤维来源已在美国专利号6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中得到描述。

在某些实施方案中，碳水化合物是或包括具有一个或多个β-1，4-键合且具有约3,000-50,000的数量平均分子量的材料。此类碳水化合物是或包括纤维素(I)，其通过β(1→4)-糖苷键的缩合而衍生自(β-葡萄糖1)。这个键合使其自身与关于淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1→4)-糖苷键的那种形成对比。

还可以使用上述材料中的任何的掺和物。

用于处理生物量的示例性系统

图1显示了用于将生物量转变成有用产物和共同产物的系统100，所述生物量特别是具有显著纤维素和木质纤维素组分的生物量。系统100包括进料制备子系统110、预处理子系统114、初级加工过程子系统118和后加工子系统122。进料制备子系统110接受以其原始形式的生物量，在物理上制备生物量用于用作通过下游加工过程的原料(例如，减少生物量的尺寸且使生物量均质化)，且以其原始和原料形式贮存生物量。具有显著纤维素和木质纤维素组分的生物量原料可以具有高不顺应水平，通常通过高平均分子量和结晶度例示，这可以使原料难以加工成有用产物(例如，使原料发酵以产生乙醇)。

处理子系统114接受来自进料制备子系统110的原料，并且制备原料用于在初级生产加工过程中使用，通过例如减少原料的平均分子量和结晶度。初级加工过程子系统118接受来自处理子系统114的处理的原料，并且产生有用产物(例如，乙醇、其他醇类、药物和/或食物产物)。在某些情况下，初级加工过程子系统118的输出是直接有用的，但在其他情况下，需要由后加工子系统122提供的进一步加工。后加工子系统122对来自初级加工过程子系统118的产物流提供进一步加工，所述产物流需要这个(例如，乙醇的蒸馏和变性)以及用于来自其他子系统的废物流的处理。在某些情况下，子系统114、118、122的共同产物也可以直接或间接用作次级产物和/或用于增加系统100的总效率。例如，后加工子系统122可以产生再循环的经处理的水用于用作其他子系统中的加工过程水，和/或可以产生可以用作燃料用于产生蒸汽和/或电的锅炉的可燃废物。

本文讨论的螺杆挤压步骤可以作为进料制备子系统的部分发生，例如以减少生物量原料的大小和/或使生物量原料均质化。备选地或另外地，螺杆挤压可以作为处理和/或初级加工过程子系统的部分执行。在某些情况下，螺杆挤压可以用于使纤维素材料致密化，如下文将详细讨论的。在某些实现中，螺杆挤压机可以用作反应器皿，在其中对生物量实施反应例如水解。

关于生物量转变工厂的最佳大小受因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂加工过程相关的规模经济。然而，增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/原料单位。分析这些因素的研究提出关于生物量转变工厂的合适大小可以是2000-10,000吨干燥原料/天，至少部分依赖于所用原料类型。原料的类型也可以影响工厂贮存需求，其中主要设计用于加工其可用度季节性改变(例如，玉米秸秆的原料的工厂需要比设计为加工其可用度相对稳定(例如，废纸)的原料的工厂更多的现场或非现场原料贮存。

螺杆挤压

本文公开的加工过程有利地采用至少一个螺杆挤压步骤，以便增强生物量加工处理成有用产物。如上文讨论的，螺杆挤压加工过程可以在生物量加工系统的一个或多个点执行。一般地，所使用的设备和技术将是相似的，与在加工过程中的哪个点执行螺杆挤压步骤无关。现在将讨论用于螺杆挤压步骤的一般系统和参数。在这些参数中的任何将依赖于何时执行螺杆挤压改变方面来说，这将在描述生物量加工系统100的子系统的下述节段中提及。

图13-20中所示的，所描述的第一种系统可以有利地用作在其中执行反应的反应器皿，如下文将讨论的。然而，在某些实现中，这种系统可以简单地用于使生物量原料研磨、研细或成浆，连同或不连同热或压力的应用。此外，虽然下文提及了化学反应物的例子，但可以使用其他化学反应物或添加剂，或在其中螺杆挤压机不用作反应器皿的某些实现中，不添加任何东西。

虽然下文讨论且在附图中显示了单筒螺杆挤压机，但如本文使用的，术语“螺杆挤压”包括共挤压。因此，需要时，螺杆挤压步骤可以包括使用多筒共挤压机的共挤压。多筒共挤压机可以具有例如2、3、4、5、6、7、8、9或10个筒。此类共挤压机是众所周知的，并且因此在本文中不举例说明。共挤压可以以各种方法利用。例如，生物量可以分成2个或更多个部分，其随后通过共挤压机的分开筒传送。需要时，部分可以在不同筒中进行不同处理。例如，一个部分可以通过用氧化剂处理进行氧化，而另一个部分可以实施蒸汽和压力但不氧化。备选地或另外地，多个部分在其引入共挤压机前可以是不同的，例如一个部分可以具有高于另一个的含湿量。在另一个实施方案中，将生物量供应到一个或多个筒内，同时将非生物量材料供应到一个或多个其他筒内。共挤压机可以用于沉积多个层，一个在另一个之上，以形成多层挤出物。备选地，离开筒的多种挤出物可以仅仅混合在一起。一般地，在这种情况下，共挤压机用于允许不同部分或材料在共挤压加工过程中进行不同处理。

此外，需要时，2个或更多个螺杆挤压机(以任何所需组合的单筒挤压机和/或共挤压机)可以串联连接在一起。这可以允许例如如在不同条件下执行螺杆挤压步骤系列，或可以允许在螺杆挤压筒内的长停留时间，而无需单个长螺杆挤压机。在一个例子中，生物量首先在单筒螺杆挤压机中进行加工，并且随后所得到的经加工的生物量分成2个流，这供应到共挤压机的2个筒内。

挤出物或共同挤出物可以是复合物，例如以板或丸剂形式。通过挤压或共挤压生成的丸剂可以用于其他应用中，例如在用于制造复合板的加工过程中。关于挤出物或共同挤出物的其他用途包括药物、营养制品和食物产品。

图13显示了螺杆挤压机20，其可以是例如Werner&PfleidererZDS-K 53双螺杆挤压机。图13中所示的螺杆挤压机在其中具有由电动机21驱动的2个共旋螺杆，尽管也可以使用正反转排列。外壳20a包括其中接受待传送的材料的进料进口。例如以浆的形式或以干燥或半干燥状态的生物量原料借助于充填式进料器10供应到挤压机20内，所述充填式进料器10如图14中所示，具有用于将材料传送到挤压机内的螺杆元件。

挤压机20包括反应区25，其通过动力密封区24在其进口侧上结合，并且通过排放阀80在其排出口侧上结合。反应区的上游是双螺杆22的进口部分或预热区22a，其中首先接受纤维输入且从而传送到反应区内。

当纤维材料以浆接受时，在浆运送到反应区内的加工过程中去除浆的许多水，并且为了这个目的，在动力密封上游提供脱水排水管23。当纤维材料以干燥形式供应时，脱水排水管是不需要的，因为对其加入的液体仅足以充当载体，或在水解的情况下充当反应物，并且从而在运送加工过程中去除很少的水或不去除水。

仪器进一步包括输入装置30用于加入添加剂，例如酸催化剂、氧化剂、还原剂或碱。输入装置30包括槽31和计量泵32，其将添加剂延管33供应到挤压机外壳中的输入端口34内。输入端口34优选在反应区25的开始处，如所示的，从而使得添加剂在反应物在反应区中的基本上整个停留时间加工过程中作用于反应物。然而，输入端口34的位置可以改变，例如依赖于反应区中的温度。(在较高温度下，反应一般更快速地发生，并且从而添加剂可以在更接近于其排出口的位置处引入反应区内)。

在某些实现中，反应在升高的温度下发生是有利的并且为了使这以最有利的方式发生，可以加入蒸汽，以给反应区添加能量，以获得温度中的快速增加。为此，提供了蒸汽供应装置40。装置40包括蒸汽管41和蒸汽输入端口42。蒸汽还可以用作水的供应，用于在其在反应区中冷凝后水解纤维素。

还应当指出当纤维材料以干燥形式输入挤压机内时，水可以在动力密封24通过输入端口34前加入预热区中。

连同挤压机外壳还提供了压力指示器端口51，其与压力指示器50结合，使得能够监控反应区内的压力。此外，还提供了温度输入端口43，以使得能够监控挤压机部件的各个区内的温度。这些区在图15中表示为区1-4，并且显示仪器在使用加工过程中的热配置的例子。

此外，在反应区25的输出端处，提供了压力释放阀60，以在反应区内的压力超过可接受的限度时提供压力释放。

反应物从挤压机中的准连续或连续排放通过排放阀80实现，所述排放阀80将反应物排放到收集器皿70内，所述收集器皿70具有通气口71和冲洗排水管72。

转向图17-18，将更详细地讨论可以在螺杆挤压机中使用的排放阀80。在这个实现中，通过使用液压促动球阀以准连续方式达到排放，例如用于重型服务具有1.5″腔的2英寸Kamyr球阀。具有1.5″腔82的球81可在轴83上旋转，所述轴83可以常规方式液压移动。球81位于挤压机的排出口处，排出口具有凸缘27用于限定阀孔26，其与腔82协作以实现反应物的准连续排放。

图17显示了完全打开的阀80，即腔82与孔26完全对齐。图18显示了在完全闭合的位置中的阀80，即其中腔82与孔26有90度相位差。球在Kramyr球阀的情况下，每20秒旋转180度，从而花费0.25秒旋转。因此，阀每个循环约10％的时间并且因此约0.025秒处于完全打开的位置中。

现在参考图19，更详细地讨论动力密封24。例如通过通过在动力密封区的区域中提供左旋螺纹24连同在其上游的螺杆区域22a处和在其下游的螺杆区域22b处的右旋螺纹，可以形成动力密封。左旋螺杆螺纹24作用于形成动力塞，这使反应区密封且阻止气体逸出，同时将输入连续传送到反应区内。

需要时，动力密封与阀80结合，允许在反应区中维持升高的压力和/或温度，同时使得螺杆元件能够将原料传送到反应区内且离开反应区。

反应区输入可以是例如25磅/小时的干燥生物量原料、30磅/小时的水和100磅/小时的化学反应物，例如酸溶液。对于这些输入，输出可以是例如20％固体混合物，包括6磅/小时的葡萄糖、9磅/小时的纤维素、5磅/小时的木质素、5磅/小时的半纤维素或分解产物、100磅/小时的水。反应区中的组成将随着进料而变化，并且产物组成也随着进料和反应条件而变化。

关于湿润进料的进料材料可以具有例如5％-50％浆的稠度，伴随有限的粘度。可以使用本文讨论的任何生物量原料。优选地，材料具有约0.01-约250μm的平均颗粒尺寸，例如约0.1-约100μm、或约0.250-约50μm。颗粒尺寸偏差可以是例如平均颗粒尺寸的±6倍、平均颗粒尺寸的3倍、或平均颗粒尺寸的1倍。一般优选粒子具有圆形或板状形状。

进料速率可以依赖于进料材料的稠度和螺杆元件的RPM而改变，但优选非常高，以促进在高流通量加工过程中的使用。例如，对于50,000,000加仑/年的乙醇工厂，流通量对于生物量是约57吨/小时(114,000lb/小时)，这获得100加仑/吨。因此，优选进料速率是至少50,000lb/小时，更优选至少100,000lb/小时。为了达到这些高进料速率，需要极大的洼地。因此，一般需要螺杆挤压机非常大，和/或多个螺杆挤压机平行操作。

反应温度在1000psi下可以从约350°F到约550°F不等，并且依赖于可用的蒸汽温度和快速排放的能力，还可以更高。备选能量转移模式是可能的，例如过热蒸汽或水或直接加热。热配置是这样的，使得所有区2-4是可互换的，并且在长度中可以从1到3个筒零件不等。预热区温度可以从约32°F到约212°F不等，并且反应区温度可以从约350°F到约550°F不等。

反应压力可以例如从约135psi到约3000psi或更高不等，依赖于可用的蒸汽压力和快速排放的能力。在某些实现中，反应压力可以是约200-约500psi。在某些实现中，螺杆挤压机中的压力可以相对低，例如小于75psi。

关于加工过程的酸浓度可以是以0-300磅/小时速率的0.1-10％酸注入。可以使用备选酸或其他添加剂，例如过氧化物，例如过氧化氢或苯甲酰；碱例如氢氧化钠或石灰；HCl；HNO₃；有机酸；或SO₂气体。

将发生的脱水将随着螺杆速度和充填速度以及螺杆配置而变化。它可以从例如在100磅/小时进料时的80磅/小时直到在900磅/小时进料时的720磅/小时。脱水排出口中的固体也例如从0.05％到5％不等。

螺杆配置可以具有2250mm的总长度，和塞前进料区，其是630mm长的每转数使材料向前传送30mm的30mm螺距元件。塞区可以是例如30mm长，具有90mm左旋螺距。反应区可以是例如1590mm长，具有45mm螺距不锈钢元件。螺杆的零件可以改变，或整个螺杆可以改变，以适应各种应用的需求。

向前传送预热区22a可以是长度直到2000mm的右旋元件的任何组合，具有30、45、60或90mm螺距元件。其中还包括的可以是混合、磨碎或搓揉元件，以给动力密封区25提供均质材料。形成动力塞的动力密封区可以是15-360mm，并且包括30、45、60或90mm左旋螺距元件。反应区包括右旋向前传送元件，其长度直到2000mm，并且包括30、45、60或90mm螺距左旋元件。排放阀可以是例如每180度循环以0.25秒的具有11/2″腔20秒循环的2″Kamyr球阀。

以每分钟转数(RPM)的螺丝车床速度可以从约40RPM到约750RPM不等，例如约50RPM-约300RPM。螺旋变换器和充填式进料器可以最大限度的约8％-约100％操作，例如约8％-约15％。转矩也例如从最大限度的约20％到约100％不等，例如约50％-约70％，基于螺杆RPM、充填速率、进料稠度、螺杆配置、温度概况、酸注入速率、转变率和排放率。

葡萄糖转变依赖于上文指出的所有参数，例如停留时间、酸浓度、温度、混合，这都依赖于机器参数且可以从理论转换最大限度的5％到95％不等。

图19和20显示了配置为允许反应物响应反应区25中的预定压力连续排放的备选阀80′。阀80′包括球形阀体81，其与其中具有阀孔26的挤压机外壳27的凸缘末端共同作用。球形阀体81优选是2″阀体。

阀体81在阀板82中密封，所述阀板82具有作用于其上的弹簧85，以使阀体81偏压到图18中所示的闭合位置内。偏压通过使用4个螺杆83执行，所述螺杆83在一个末端处固定到凸缘部分27内，并且在其另一个末端处具有带螺纹部分83a。安装到带螺纹部分83a上的是板84，其通过螺帽86阻止移动到右侧，所述螺帽86与带螺纹部分83a可螺纹衔接。阀部件通过板87密封，所述板87通过螺丝88拧紧到外壳89上，从而使得排放材料通过孔26的唯一流出是通过排出口90。

在使用中，当反应区25内的压力超过由弹簧85施加于阀体81的力时，阀体81如图20中所示移动到右侧，并且排放经过孔26且通过排出口90。当螺杆挤压机在使用中时，反应区内的压力将连续维持，从而使得在加工过程初始化后，阀体81将保留在开放位置，并且排放将连续经过阀80′。

在其下阀80′将维持在连续开放位置(图20)下的压力可以通过使用上述螺帽86预设置，所述螺帽86与带螺纹部分83a衔接。为了增加选择的压力，螺帽86将顺时针转动，以使板84移动到左侧，从而增加弹簧85施加于板82和因而阀体81的力。因此，压力可以通过反转上述加工过程得到降低。

如图21中所示，在某些实现中，通过使用在每个螺杆上放射凹陷的无螺纹螺杆节段240，连同任选的其上游的左旋螺旋节段24a和其下游的24b，可以形成动力密封区24。无螺旋的放射凹陷部分240连同任选地左旋螺杆螺纹部分24a、24b，当与其上游的右旋螺杆螺纹部分22a及其下游的22b结合考虑时，作用于产生动力塞，这使反应区密封且阻止气体通过进口选出，同时使得待传送的供给材料从而能够进入反应区内。

动力密封与阀工具80结合，维持反应区中升高的压力且在需要时维持升高的温度，同时使得螺杆元件能够将供给原料传送到反应区内且离开反应区，并且使得反应加工过程能够在其中发生。

在某些实现中，螺杆挤压机用于研磨且减少生物量的不顺应。例如，螺杆挤压机可以用于使生物量原料脱木质素。用于执行此类加工过程的合适螺杆挤压机的例子显示于图22-24中。

图22和23显示螺轴挤压机，其包括各自分别提供螺旋面603、604的一对平行轴601、602，轴如此排列，使得表面603、604贯通。每个轴在每个末端处固定在轴承611、612、621、622中，轴承固定在围绕轴601、602的套605的末端中。

2个轴经由电动机606通过2个减速齿轮661、662同时旋转，所述减速齿轮各自包括固定在各自轴超出相应轴承611、622的延长部分610、620上的小齿轮。2个减速齿轮头尾(head-to-tail)排列，一个在套605的每个末端处。减速齿轮如此排列，使得2个轴通过电动机606以相同速度且以相同方向旋转。在套605中提供2个开口651、652，一个在套的每一个末端处，开口651排列在螺旋面的上游末端处，并且开口652排列在螺旋面的下游末端处。轴以这样的方向旋转，以促使供应到机器内的材料前进通过开口651朝向开口652。

螺旋面603、604的螺距沿着轴601和602的长度改变，以便限定具有不同螺距的顺次区。在最简单的实施方案中，如图22中所示，螺旋面具有其中通过进口开口651引入的材料向下游前进的宽螺距的区A，和其中表面的螺距反转的“制动”区B，所述“制动”区延长基本上超过轴的前三分之一直到排出口开口652。通过开口651引入的材料沿着轴驱动朝向开口652，并且在进入区B时被制动，其中螺旋面趋于把其推入相反方向。

在这个制动区中，提供了具有孔或窗口630和640的螺旋面，所述孔或窗口可以从轴延伸直到表面的外部边缘。这些窗口的大小和分隔可以随意选择，并且窗口特别允许当研磨进展时材料下游的进行性和可能地选择性移动。

浆实际上在大气压下经由开口652离开。因此不需要机器配备收缩喷嘴，这意味着轴承611、612、621、622可以固定在每个轴601、602的每个末端处，并且减速齿轮可以安装在套的2个末端处，如图22中所示。

外罩607可以沿着套排列，以允许借助于控制加热和冷却来精确控制区的温度。优选地，使用感应加热，因为这使得温度能够特别准确地加以控制。需要时蒸汽可以引入套中。

通过开口651引入的材料通过轴的旋转驱动向下游。此外，因为轴以相同方向转动，所以获得抽吸作用，这使得甚至在螺旋面之间的间距未填满时材料也能够驱动向下游。在区A中，材料以薄层的形式沿着进行性填满的螺旋面展开。材料趋于以均匀方式定向，并且特别是在其中螺旋面贯通的部分634(图23)中，实施组合的压缩和剪切力，前者主要是由于表面的贯通，并且后者主要是由于轴以相同方向旋转，这制备用于研磨的方式。此外，螺旋面以相同方向旋转产生材料的搅拌，这有利于其均质化。温度由于摩擦升高，但可以通过使套冷却而不是稀释驱动材料来控制且保持在所需水平下。

在区A的末端处，由于通过区B中表面的螺距反转引起的材料循环的制动，螺纹进行性填满。在对于区B的入口处，螺纹的反转产生相当大的材料积累，这产生高压缩区。正是在区B中完成研磨，由于表面反转的制动效应增强压缩和剪切力的组合作用。

材料因此在这个区中保持较长时期，并且经历有利于其均质化的混合。在螺旋面中形成的窗口630和640允许材料在它研磨时前进向下游，研磨较不良好的部分在工作区域中保持得较久。

具有良好机械性质的高度浓缩的机械浆从开口652中提取。

在用于塑料材料的螺杆挤压机的制造中，通常使用模块形式的构建，每个螺杆由附着在一起且在中央轴上带螺纹的零件组成。这种形式的构建可以用于产生具有顺次区的螺旋面，所述顺次区具有适合于所需最后结果的不同螺距。驱动速度可以沿着轴和同样地材料中的压力而改变。表面可以包括例如连同用于材料经过的窗口一起提供的具有反转螺距的几个部分，且充当其中将形成连续塞的彼此分离的制动区。通过改变螺距以及窗口数目和大小，塞可以变得更致密或更不致密。借助于压力泵或任何其他已知的方式，随后可以将液体注入制动区内或2个塞之间。液体可以例如是过热水、或流或优选加热的化学试剂。在压力下注入这种热液体可以极大地促进其渗透到材料例如木纤维内，且加速研磨加工过程。

依赖于注入压力，注入的试剂液体粘度和螺旋面的螺距，可以提供几个注入点，用于各种液体以与材料相同的方向移动或与材料的流动相反移动。

图24显示了螺杆挤压机的另一个实施方案。挤压机包括区I，其中螺旋面具有相当宽的螺距，并且原材料由蒸汽浸透。在这个区中，套配备感应加热元件671。材料通过开口651引入，并且蒸汽通过开口653去掉，所述开口653可以与在区的末端处的真空泵连接。

在区II中，在通过开口654引入的化学试剂的存在下，可以执行第一个蒸煮阶段。在这个区中可以产生高压，并且借助于加热元件672获得所需温度。如上文提及的，在螺旋面之间抽泵材料的效应使得碎片能够沿着薄膜移动，这极大地促进试剂对碎片的接近，和反应温度的精确调节，更是如此因为表面以相同方向旋转可以提供在其中表面贯通的区634中层的搅拌。因此可以达到均匀得多和更佳控制的处理。

在区III中，螺距反转，并且提供了螺纹连同用于材料下游的控制经过的窗口630。来自区II的原材料的机械研磨基本上在这个区III中实现。研磨依照上文描述的加工过程执行。在进入区III时，材料在由于螺旋面的螺距反转的制动效应下重压缩。在表面中形成的窗口使得材料能够在研磨进展时循环向下游。此外，原材料在对区III的入口时的制动产生任何过量液体返回至区II，其中它可以通过开口655去掉用于可能的再循环。

湿材料在套内的几个贯通螺杆之间的经过导致液和气相的上游移动和固相的下游移动。

在区IV中，在压力下执行第二个蒸煮阶段。在这个区中，螺旋面的螺距可以加宽，以产生浆的薄膜。所需温度借助于加热元件673获得。需要时，可以在压力下引入氧。

区V具有闭合螺距的螺旋面，具有其中浆再次压缩的反转螺纹和窗口，向上游移动的液体通过开口656去掉。用于除气的开口657可以同样在上游提供。因此，在区V中，对任何未经蒸煮的材料实现最终研磨操作。

区V的下游还可以提供新化学处理区680，用于引入化学添加剂，这可以最终通过排出孔口652去掉。

当浆在大气压下离开时，轴向推力相当大地减少。这极大地促进了减速齿轮定位在机器的2个末端处。以这种方式，对小齿轮直径的选择不存在限制，这允许驱动单元重量较少地负荷。

螺旋面可以容易且快速地改变，从而使得相同工厂可以容易地适合于执行各种处理，仅通过具有可用的具有不同轮廓的螺旋面。

影响螺杆挤压加工过程的后果的参数包括下述：飞行间隙、四面体间隙、日历(calendar)间隙、侧面间隙、停留时间和热区温度(基于生物量的分解温度)。

螺杆挤压机公开于例如美国专利号4,088,528、3,382,536、4,316,747、4,316,748和3,917,507中，其完全公开内容通过引用合并入本文。

进料制备

在某些情况下，加工方法从原料的物理制备开始，例如原始原料材料的粉碎。物理制备可以使用上文讨论的螺杆挤压加工过程执行。备选地，或在螺杆挤压之前或甚至在螺杆挤压之后，如果粉碎是必需的，那么物理制备可以使用其他技术执行，例如通过切割、研磨、剪切或剁碎。在某些情况下，松散原料(例如，再循环纸或柳枝稷)通过剪切或切碎进行制备。筛子和/或磁体可以用于去除超尺寸或不希望有的物体，例如来自进料流的石头或钉子。

进料制备系统可以配置为产生具有特定特征的进料流，例如特定最大限度尺寸、特定长度宽度、或特定表面积比。作为进料制备的部分，原料的堆密度可以是控制的(例如增加的)。

粉碎

在某些实施方案中，待加工的材料以纤维材料的形式，所述纤维材料包括通过剪切纤维来源提供的纤维。例如，剪切可以用旋转切割机进行。下文讨论了许多剪切步骤。这些剪切步骤中的任何或所有可以由使用上文讨论的设备或其他合适的螺杆挤压设备的螺杆挤压步骤替代。

例如并且参考图2，例如在旋转切割机中剪切纤维来源210，以提供第一种纤维材料212。使第一种纤维材料212经过具有1.59mm或更少(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸的第一个筛子214，以提供第二种纤维材料216。需要时，纤维来源可以在剪切前例如用切碎机进行切割。例如，当纸用作纤维来源时，纸可以首先使用切碎机切割成1/4-1/2英寸宽的条，所述切碎机例如正反转螺旋切碎机，例如由Munson(Utica，N.Y.)制造的那些。作为切碎的备选方法，纸可以通过使用切纸机切割成所需大小而减少尺寸。例如，切纸机可以用于将纸切割成10英寸宽x12英寸长的片。

在某些实施方案中，同时执行纤维来源的剪切和所得到的第一种纤维材料经过第一个筛子。剪切和通过也可以在分批型加工过程中执行。

例如，旋转切割机可以用于同时剪切纤维来源且筛选第一种纤维材料。参考图3，旋转切割机220包括漏斗222，其可以装载通过切碎的纤维来源制备的经切碎的纤维来源224。经切碎的纤维来源在固定叶片230和旋转叶片232之间进行剪切，以提供第一种纤维材料240。使第一种纤维材料240经过筛子242，并且所得到的第二种纤维材料244捕获在箱250中。为了帮助收集第二种纤维材料，箱可以具有低于额定大气压的压力，例如低于额定大气压至少10％、例如低于额定大气压至少25％、低于额定大气压至少50％、低于额定大气压至少75％。在某些实施方案中，真空来源252用于使箱维持在额定大气压下。

剪切对于“打开”且“压紧”纤维材料可以是有利的，使得材料的纤维素对断链和/或结晶度减少更敏感。当被照射时，开放材料也可以对氧化更敏感。

纤维来源可以以干燥状态、水合状态(例如，具有高达10重量％的吸收水)、或湿润状态例如具有约10重量％-约75重量％的水进行剪切。纤维来源甚至可以在部分或全部没入液体下时进行剪切，所述液体例如水、乙醇、异丙醇。

纤维来源还可以在气体(例如除空气外的气体流或大气)例如氧或氮或蒸汽中进行剪切。

制备纤维材料的其他方法包括例如石研磨、机械撕开或撕裂、针研磨或空气碾磨。

需要时，根据其长度、宽度、密度、材料类型或这些属性的某些组合，可以使纤维材料例如连续或分批分成级分。例如，为了形成复合物，通常希望具有相对狭窄的纤维长度分布。

例如，通过使包括含铁材料的纤维材料经过磁体例如电磁体，并且随后使所得到的纤维材料经过一系列筛子，每个筛子具有不同尺寸的孔，可以使含铁材料与纤维材料中的任何分开。

纤维材料还可以例如通过使用高速气体例如空气进行分离。在此类方法中，通过提出不同级分使纤维材料分离，需要时，所述级分可以进行光学表征。此类分离仪器例如在Lindsey等人，美国专利号6,883,667中进行讨论。

纤维材料可以紧在其制备后进行照射，或它们可以例如在约105℃下干燥4-18小时，从而使得在使用前含湿量例如小于约0.5％。

需要时，木质素可以从包括木质素的纤维材料中的任何中去除。此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，所述材料可以在照射前用热、化学药品(例如矿物酸、碱或强氧化剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。

在某些实施方案中，第一个筛子的平均开口尺寸小于0.79mm(1/32英寸，0.03125英寸)，例如小于0.51mm(1/50英寸，0.02000英寸)、小于0.40mm(1/64英寸，0.015625英寸)、小于0.23mm(0.009英寸)、小于0.20mm(1/128英寸，0.0078125英寸)、小于0.18mm(0.007英寸)、小于0.13mm(0.005英寸)、或甚至小于小于0.10mm(1/256英寸，0.00390625英寸)。筛子通过使具有合适直径的单丝交织进行制备，以获得所需开口尺寸。例如，单丝可以由金属例如不锈钢制成。随着开口尺寸变得更小，对于单丝的结构需求可以变得更大。例如，对于小于0.40mm的开口尺寸，由除不锈钢外的材料制造的单丝制备筛子可以是有利的，所述材料例如钛、钛合金、非晶态金属、镍、钨、铑、铼、陶瓷或玻璃。在某些实施方案中，由具有孔的板例如金属板例如使用激光切割成板而制造筛子。在某些实施方案中，网目的开放区域小于52％，例如小于41％、小于36％、小于31％、小于30％。

在某些实施方案中，使第二种纤维剪切且经过第一个筛子，或不同尺寸的筛子。在某些实施方案中，使第二种纤维材料经过其平均开口尺寸等于或小于第一个筛子的那种的第二个筛子。

参考图4，通过剪切第二种纤维材料216且使所得到的材料经过具有小于第一个筛子214的平均开口尺寸的第二个筛子222，可以由第二种纤维材料216制备第三种纤维材料220。

一般地，纤维材料的纤维可以具有相对大的平均长度直径比(例如大于20比1)，即使它们已剪切超过一次。此外，本文描述的纤维材料的纤维可以具有相对窄的长度和/或长度直径比分布。

如本文使用的，平均纤维宽度(即直径)是通过随机选择约5,000根纤维在光学上测定的那些。平均纤维长度是校正长度-加权长度。BET(Brunauer，Emmet和Teller)表面积是多点表面积，并且多孔性是通过水银孔率法测定的那些。

第二种纤维材料14的平均长度直径比可以例如大于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。第二种纤维材料14的平均长度可以是例如约0.5mm-2.5mm、例如约0.75mm-1.0mm，并且第二种纤维材料14的平均宽度(例如直径)可以是例如约5μm-50μm，例如约10μm-30μm。

在某些实施方案中，第二种纤维材料14的长度标准差小于第二种纤维材料14的平均长度的60％，例如小于平均长度的50％、小于平均长度的40％、小于平均长度的25％、小于平均长度的10％、小于平均长度的5％、或甚至小于平均长度的1％。

在某些实施方案中，第二种纤维材料的BET表面积大于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。第二种纤维材料14的多孔性可以是例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、例如大于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％。

在某些实施方案中，第一种纤维材料的平均长度直径比与第一种纤维材料的平均长度直径比的比是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、小于1.1、小于1.075、小于1.05、小于1.025、或甚至基本上等于1。

在具体实施方案中，第二种纤维材料再次进行剪切，并且使所得到的纤维材料经过具有小于第一个筛子的平均开口尺寸的第二个筛子，以提供第三种纤维材料。在此类情况下，第二种纤维材料的平均长度直径比与第三种纤维材料的平均长度直径比的比可以是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、或甚至小于1.1。

在某些实施方案中，使第三种纤维材料经过第三个筛子，以产生第四种纤维材料。第四种纤维材料可以例如经过第四个筛子，以产生第五种材料。相似筛选加工过程可以根据需要重复多次，以产生具有所需性质的所需纤维材料。

致密化

致密化材料可以通过本文描述的任何方法进行加工。

具有低堆密度例如0.05g/cm³或更少的堆密度的材料例如纤维材料可以致密化为具有较高堆密度的产物。

例如，上文讨论的螺杆挤压加工过程可以用于使纤维材料致密化，例如使用如上文螺杆挤压节段中讨论的制动区。

备选地，材料组合物可以使用其他技术进行致密化，例如将纤维材料密封在相对气体不透性结构中，例如由聚乙烯制成的袋或由聚乙烯和尼龙的交替层制成的袋，并且随后使陷入的气体例如空气从结构中排出。

在致密化后，纤维材料可以具有例如大于0.3g/cm³的堆密度，例如0.5g/cm³、0.6g/cm³、0.7g/cm³或更多，例如0.85g/cm³。在致密化后，产物可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，例如用γ辐射照射。当希望将材料转运到另一个场所例如遥远的制造工厂时，这可以是有利的，其中纤维材料组合物可以加入溶液中，例如以产生乙醇。

在使用抽真空袋的致密化的情况下，在使基本上气体不透性结构刺穿后，致密化纤维材料可以恢复接近其最初堆密度，例如至其最初堆密度的超过60％，例如其最初堆密度的70％、80％、85％或更多，例如95％。为了减少纤维材料中的静电，可以将抗静电剂加入材料中。

在某些实施方案中，基本上气体不透性结构例如袋由在液体例如水中溶解的材料形成。例如，结构可以由聚乙烯醇形成，从而使得它在与基于水的系统接触时溶解。此类实施方案允许将致密化结构直接加入包括微生物的溶液中，而无需首先通过切割释放结构的内容物。

参考图5，在其他实现中，生物量材料可以与任何所需添加剂和粘合剂相组合，并且随后通过应用压力进行致密化，例如通过使材料经过在正反转压力辊之间限定的夹或通过使材料经过制丸磨。在压力应用加工过程中，可以任选应用热以帮助纤维材料的致密化。致密化材料随后可以进行照射。

在某些实施方案中，在致密化前，材料具有小于0.25g/cm³的堆密度，例如0.20g/cm³、0.15g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³或更少，例如0.025g/cm³。堆密度使用ASTM D1895B进行测定。简言之，测量堆密度的ASTM方法涉及用样品填充具有已知体积的量筒，并且获得样品的重量。通过用以克表示的样品重量除以以立方公分表示的圆筒的已知体积来计算堆密度。

致密化的纤维材料可以在制丸磨中进行制备。在某些情况下，在螺杆挤压前执行制粒，例如以使得材料更容易供应到螺杆挤压机内，并且从而增加流通量。参考图6，制丸磨300具有用于容纳未致密化的材料310的漏斗301，所述未致密化的材料310包括含碳水化合物的材料例如纤维素。漏斗与螺旋输送机312相通，所述螺旋输送机312由变速电动机314驱动，从而使得未致密化的材料可以转运给调节器320，所述调节器320用桨322搅拌未致密化的材料，所述桨322通过调节电动机330旋转。其他成分例如本文描述的添加剂和/或填充剂中的任何可以在进口332处加入。需要时，在纤维材料在调节器中时可以加入热。在调节后，使材料从调节器经过倾卸斜道340并且到另一个螺旋输送机342。如受传动装置344控制的倾卸斜道允许材料从调节器到螺旋输送机的无阻挡通过。螺旋输送机通过电动机346旋转，并且控制纤维材料注入压模和轧辊组件350内。具体地，将材料引入空心的圆柱状压模352内，其围绕水平轴旋转并且具有放射延伸的模孔250。压模352通过电动机360围绕轴旋转，所述电动机360包括马力计量器，指示通过电动机消耗的总功率。例如以丸剂形式的致密化材料370从斜道372落下，并且被捕获且例如通过照射进行加工。

在致密化后，材料可以方便地以具有各种形状的丸剂或碎片的形式。丸剂随后可以进行照射。在某些实施方案中，丸剂或碎片在形状中可以是圆柱状的，例如具有例如1mm或更多的最大限度横向维度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm、15mm或更多，例如25mm。用于制备复合物的另一种方便的形状包括在形式中为板状的丸剂或碎片，例如具有1mm或更多的厚度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm或更多，例如25mm；例如5mm或更多的宽度，例如10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm；和5mm或更多的长度，例如10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm。

现在参考图7A-7D，可以这样制备丸剂，从而使得它们具有空心内径。如所示的，空心一般可以与丸剂的中心一致(图7B)，或与丸剂的中心不一致(图7C)。制备丸剂空心内径可以增加在照射后在液体中的溶解速率。

现在参考图7D，丸剂可以具有例如多叶形的横向形状，例如如所示的三叶形、或四叶形、五叶形、六叶形或十叶形。制备以此类横向形状的丸剂也可以增加在照射后在液体中的溶解速率。

分子结构改变处理

物理上制备的原料可以进行处理用于在初级生产加工过程中使用，通过例如减少不顺应水平、减少原料的平均分子量和结晶度，和/或增加原料的表面积和/或多孔性。处理加工过程可以包括照射、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸和螺杆挤压中的一种或多种，例如螺杆挤压连同沿着挤压筒的酸注入。各种预处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。需要时，在原料经过螺杆挤压机的同时，可以执行这些技术中的一种或多种。例如，原料可以在挤压机的一个区中进行照射，并且蒸汽可以在压力下注入挤压机的另一个区内。在超声处理的情况下，将在螺杆挤压机内提供能量传输介质例如水。

处理组合

在某些实施方案中，生物量可以通过应用本文描述的加工过程中的任何的2种或更多种进行加工，例如辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸中的2种或更多种，连同或不连同如本文所述的先前、中间或后续原料制备。加工过程可以以任何次序(或同时)应用于生物量，例如纤维素和/或木质纤维素材料。在其他实施方案中，包括碳水化合物的材料可以通过应用本文描述的任何加工过程中的3、4种或更多种(以任何次序或同时)进行制备。例如，碳水化合物可以通过对纤维素和/或木质纤维素材料应用辐射、超声处理、氧化、热解和任选地蒸汽爆炸(以任何次序或同时)进行制备。所提供的含碳水化合物的材料随后可以通过一种或多种微生物转变成许多所需产物，所述微生物例如细菌、酵母或酵母和细菌的混合物，如本文描述的。多重加工过程可以提供可以更容易由各种微生物利用的材料，由于其较低的分子量、较低的结晶度和/或增强的可溶性。多重加工过程可以提供协同作用，并且可以减少与任何单个加工过程比较所需的总能量输入。

例如，在某些实施方案中，提供了包括通过这样的加工过程产生的碳水化合物的原料，所述加工过程包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和超声处理(以任一次序或同时)、包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和氧化(以任一次序或同时)、包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和热解(以任一次序或同时)、包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和热解(以任一次序或同时)或包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和蒸汽爆炸(以任一次序或同时)。所提供的原料随后可以与微生物相接触，所述微生物具有将至少部分例如至少约1重量％的原料转变成产物例如易燃燃料的能力，如本文描述的。

在某些实施方案中，该加工过程不包括例如用酸或碱使纤维素和/或木质纤维素材料水解，所述酸例如矿物酸，例如盐酸或硫酸。

需要时，生物量中的一些或无一可以包括经水解的材料。例如，在某些实施方案中，至少约70重量％的生物量是未经水解的材料，例如至少约95重量％的原料是未经水解的材料。在某些实施方案中，基本上所有生物量是未经水解的材料。

任何原料或装有原料的任何反应器或发酵罐可以包括缓冲剂，例如碳酸氢钠、氯化铵或Tris；电解质，例如氯化钾、氯化钠或氯化钙；生长因子，例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶或其等价物；表面活性剂，例如

或聚乙二醇；矿物质，例如钙、铬、铜、碘、铁、硒或锌；或螯合剂，例如乙二胺、乙二胺四乙酸(EDTA)(或其盐形式，例如钠或钾EDTA)或二巯基丙醇。

当利用辐射时，它可以应用于干燥或湿润或甚至在液体例如水中分配的任何样品。例如，照射可以对这样的纤维素和/或木质纤维素材料执行，其中小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料具有由液体例如水润湿的表面。在某些实施方案中，照射对这样的纤维素和/或木质纤维素材料执行，其中基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料由液体例如水润湿。

在某些实施方案中，本文描述的任何加工在纤维素和/或木质纤维素材料根据需要保持干燥或已例如使用热和/或减压干燥后发生。例如，在某些实施方案中，在25℃下和在50％相对湿度下测量，纤维素和/或木质纤维素材料具有小于约5重量％的保留水。

需要时，如本文定义的膨胀剂可以用于本文描述的任何加工过程中。在某些实施方案中，当纤维素和/或木质纤维素材料使用辐射进行加工时，小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中，膨胀状态的特征在于具有比未膨胀状态高超过约2.5％的体积，例如比未膨胀状态高超过5.0、7.5、10或15％。在某些实施方案中，当辐射在纤维素和/或木质纤维素材料上利用时，基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中。

在利用辐射的特定实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括膨胀剂，并且膨胀的纤维素和/或木质纤维素接受小于约10Mrad的剂量。

当辐射用于任何加工过程中时，它可以在纤维素和/或木质纤维素暴露于空气、富氧空气、或甚至氧本身时应用，或被惰性气体例如氮、氩或氦覆盖。当需要最大限度氧化时，利用氧化环境，例如空气或氧。

当利用辐射时，它可以在大于约2.5个大气压的压力下应用于生物量例如纤维素和/或木质纤维素，例如大于5、10、15、20或甚至大于约50个大气压。

在特定实施方案中，该加工过程包括照射和超声处理，并且照射在超声处理前。在其他特定实施方案中，超声处理在照射前，或照射和超声处理同时发生。

在某些实施方案中，该加工过程包括照射和超声处理(以任一次序或同时)，并且进一步包括氧化、热解或蒸汽爆炸。

当加工过程包括辐射时，利用电离辐射例如γ射线、x射线、高能紫外线辐射例如具有约100nm-约280nm波长的紫外线C辐射，粒子束例如电子、慢中子或α粒子束，可以执行照射。在某些实施方案中，照射包括2个或更多个辐射源，例如γ射线和电子束，这可以以任何次序或同时应用。

在特定实施方案中，可以在约15kHz-约25kHz，例如约18kHz-22kHz的频率下执行超声处理，利用1KW或更大的悬臂，例如2、3、4、5或甚至10KW悬臂。

在某些实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括具有第一个数量平均分子量的第一种纤维素，并且所得到的碳水化合物包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量的第二种纤维素。例如，第二个数量平均分子量比第一个数量平均分子量低超过约25％，例如2x、3x、5x、7x、10x、25x或甚至100x减少。

在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个结晶度，并且第二种纤维素具有比第一个结晶度低的第二个结晶度，例如低约2、3、5、10、15或25％。

在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个氧化水平，并且第二种纤维素具有比第一个氧化水平高的第二个氧化水平，例如高2、3、4、5、10或25％。

辐射处理

一个或多个照射加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。照射可以减少原料的分子量和/或结晶度。在某些实施方案中，从其原子轨道中释放电子的材料中沉积的能量用于照射材料。辐射可以通过下述提供：1)重带电粒子，例如α粒子，2)例如在β衰变或电子束加速器中产生的电子，或3)电磁辐射，例如γ射线、x射线或紫外射线。在一种方法中，通过放射性物质材料的辐射可以用于照射原料。在另一种方法中，电磁辐射(例如，使用电子束发射器产生的)可以用于照射原料。所应用的剂量依赖于所需效应和具体原料。例如，高剂量的辐射可以破坏原料组分内的化学键，并且低剂量的辐射可以增加原料组分内的化学键合(例如，交联)。

参考图8，在一种方法中，例如通过用电离辐射(例如，以γ辐射、X射线辐射、100nm-280nm紫外(UV)线、电子束或其他带电粒子的形式)处理，照射第一种材料2，其是或包括具有第一个数量平均分子量(^TM_N1)的纤维素，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(^TM_N2)的纤维素。第二种材料(或第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。

因为第二种材料3具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下以及减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。辐射也可以使材料灭菌。

在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(M_N2)比第一个数量平均分子量(^TM_N1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。

在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(^TC₁)低的结晶度(^TC₂)。例如，(^TC₂)可以比(^TC₁)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。

在某些实施方案中，起始结晶度指数(在照射前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在照射后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在某些实施方案中，例如在广泛照射后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在照射后的材料是基本上无定形的。

在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在照射前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在照射后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛照射后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。

在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(^TO₁)高的氧化水平(^TO₂)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，照射在氧化环境下例如在空气或氧覆盖层下执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。

电离辐射

每种形式的辐射经由特定相互作用使生物量电离，如通过辐射的能量测定的。重带电粒子主要经由库仑(Coulomb)散射使物质电离；此外，这些相互作用产生可以进一步使物质电离的高能电子。α粒子与氦原子的核等同，并且通过各种放射性核的α衰变产生，例如铋、钋、砹、氡、钫、镭、几种锕系元素例如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚的同位素。

电子经由通过电子速度中的改变产生的库仑散射和轫致辐射相互作用。电子可以通过经历β衰变的放射性核产生，例如碘、铯、锝和铱的同位素。备选地，电子枪可以经由热电子发射用作电子源。

电磁辐射经由3个过程相互作用：光电吸收、康普顿(Compton)散射和电子偶的产生。主要相互作用通过入射辐射的能量和材料的原子数来确定。促成纤维素材料中的吸收辐射的相互作用总和可以通过质量吸收系数表示，作为入射能量的函数在下文图示。

依赖于其波长，电磁辐射再分类为γ射线、x射线、紫外射线、红外射线、微波或无线电波。

例如，γ辐射可以用于照射材料。参考图9和10(区域R的扩大视图)，γ辐照器510包括γ辐射源512例如⁶⁰Co丸剂，用于容纳待照射的材料的工作台514，和例如由多块铁板制成的储藏室516，所有这些容纳于混凝土安全室520中，其包括在防辐射门526外的迷宫入口522。储藏室516包括多个通道530，例如16个或更多个通道，允许γ辐射源在其接近工作台的途中经过储藏室。

在操作中，将待照射的样品置于工作台上。辐照器配置为递送所需剂量率，并且监控设备与实验块531相连接。操作者随后离开安全室，经过迷宫入口和防辐射门。操作者操纵控制面板532，指导计算机533使用与水压泵540附着的汽缸536，将辐射源512抬起后放入工作位置内。

γ辐射具有进入样品中的各种材料的显著穿透深度的优点。γ射线的来源包括放射性核，例如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙的同位素。

x射线的来源包括与金属靶(例如钨或钼或合金)或致密光源(例如由Lyncean商业生产的那些)的电子束碰撞。

用于紫外线辐射的来源包括氘或镉光灯。

用于红外线辐射的来源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯。

用于微波的来源包括速调管，Slevin型RF来源，或采用氢、氧或氮气的原子束来源。

电子束

在某些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束具有高剂量率(例如，1、5或甚至10Mrad/秒)、高流通量、较少防范和较少限制设备的优点。电子还可以在引起断链方面更有效。此外，具有4-10MeV能量的电子可以具有5-30mm或更多例如40mm的穿透深度。

例如通过静电发生器、级联发生器、感应变频机、具有扫描系统的低能加速器、具有线性阴极的低能加速器、线性加速器和脉冲加速器，可以产生电子束。电子作为电离辐射源可以是有用的，例如用于相对薄堆的材料，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。在某些实施方案中，电子束的每个电子的能量是约0.3MeV-约2.0MeV(百万电子伏特)，例如约0.5MeV-约1.5MeV，或约0.7MeV-约1.25MeV。

图11显示包括在电子束照射原料预处理顺序中的各个步骤的工艺流程图3000。在第一个步骤3010中，从进料来源接受干燥原料的供应。如上文讨论的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给电子束照射装置前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，如任选步骤3020中表示的，在递送给电子束照射装置之前，可以对生物量原料实施机械加工(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。

在步骤3030中，将干燥原料转移给原料转运装置(例如，传送带)，并且经过原料转运装置的横断面宽度以体积大致均匀地分布。这可以在电子束照射加工之前在原料转运装置中的某些点上例如手工或通过诱导局限性震动运动来完成。

在某些实施方案中，在产生浆的任选加工过程3040中，混合系统将化学试剂3045引入原料内。在混合步骤3040中使水与经加工的原料相组合造成含水原料浆，其可以通过例如管道而不是使用例如传送带转运。

下一个步骤3050是包括经由一个或多个(例如，N个)电子束照射装置使原料(以干燥或浆形式)暴露于电子束辐射的回路。原料浆在步骤3052时移动通过N个电子束“淋浴器”中的每一个。移动可以是通过淋浴器和在淋浴器之间以连续速度，或可以存在通过每个淋浴器的脉冲，随后为突然移动至下一个淋浴器。在步骤3053时，使小份原料浆暴露于每个淋浴器某一预定暴露时间。

电子束照射装置可以由Ion Beam Applications、Louvain-la-Neuve、比利时或Titan Corporation、San Diego、CA商购获得。一般的电子能可以是1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。一般的电子束照射装置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料浆解聚的有效性依赖于所使用的电子能和所应用的剂量，而暴露时间依赖于功率和剂量。一般的剂量可以采取1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy的值。

在考虑电子束照射装置功率规格中的权衡包括操作成本、资本成本、折旧和装置占地面积。考虑电子束照射的暴露剂量水平中的权衡将是能量成本以及环境、安全和健康(ESH)关注。考虑电子能中的权衡包括能量成本；此处，较低电子能在促进特定原料浆解聚中可以是有利的(参见例如，Bouchard，等人，Cellulose(2006)13：601-610)。

提供电子束照射的双通路可以是有利的，以便提供更有效的解聚加工过程。例如，原料转运装置可以将原料(以干燥或浆形式)在下面和以反方向导向其最初转运方向。双通路系统可以允许加工较稠的原料浆，并且可以提供通过原料浆稠度的更均匀解聚。

电子束照射装置可以产生固定束或扫描束。扫描束用大扫描扫掠长度和高扫描速度可以是有利的，因为这将有效地代替大的固定束宽度。此外，0.5m、1m、2m或更多的可用扫掠宽度是可用的。

原料浆的部分已转运通过N个电子束照射装置后，在某些实施方案中，如步骤3060中，使原料浆的液体和固体组分机械分离可以是必需的。在这些实施方案中，对于残留固体颗粒过滤原料浆的液体部分，并且再循环回到浆制备步骤3040。原料浆的固体部分随后经由原料转运装置前进至下一个加工步骤3070。在其他实施方案中，原料维持浆形式用于进一步加工。

比电子重的粒子

离子粒子束

比电子重的粒子可以用于照射碳水化合物或包括碳水化合物的材料，例如纤维素材料、木质纤维素材料、淀粉质材料、或本文描述的这些和其他中的任何的混合物。例如，可以利用质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。在某些实施方案中，比电子重的粒子可以诱导更高量的断链。在某些情况下，由于其酸性，与带负电的粒子相比较，带正电的粒子可以诱导更高量的断链。

例如使用线性加速器或回旋加速器，可以产生更重的粒子束。在某些实施方案中，束的每个粒子的能量是约1.0MeV/原子单位-约6,000MeV/原子单位，例如约3MeV/原子单位-约4,800MeV/原子单位，或约10MeV/原子单位-约1,000MeV/原子单位。

在这个节段中，公开了可以用于照射各种类型的生物量材料的粒子的类型和性质。此外，公开了用于产生此类粒子的束的系统和方法。

1.离子类型

一般而言，许多不同类型的离子可以用于照射生物量材料。例如，在某些实施方案中，离子束可以包括相对轻的离子，例如质子和/或氦离子。在特定实施方案中，离子束可以包括适度较重的离子，例如碳离子、氮离子、氧离子和/或氖离子。在某些实施方案中，离子束可以包括更加重的离子，例如氩离子、硅离子、磷离子、钠离子、钙离子和/或铁离子。

在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束可以包括超过一种不同类型的离子。例如，离子束可以包括2种或更多种(例如，3种、或4种或更多种)不同类型离子的混合物。示例性混合物可以包括碳离子和质子、碳离子和氧离子、氮离子和质子、以及铁离子和质子。更一般地，上文讨论的任何离子(或任何其他离子)的混合物可以用于形成照射离子束。特别地，相对轻和相对较重的离子的混合物可以在单一离子束中使用，其中不同类型的离子各自在照射生物量材料中具有不同有效性。

在某些实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括带正电的离子。带正电的离子可以包括例如带正电的氢离子(例如，质子)、稀有气体离子(例如，氦、氖、氩)、碳离子、氮离子、氧离子、硅离子、磷离子，和金属离子例如钠离子、钙离子和/或铁离子。不希望受任何理论束缚，认为当暴露于生物量材料时，此类带正电的离子在化学上表现如同路易斯酸部分，照射和支持在氧化环境中的阳离子开环断链反应。

在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括带负电的离子。带负电的离子可以包括例如带负电的氢离子(例如，氢阴离子)和具有各种相对负电性的核的带负电的离子(例如，氧离子、氮离子、碳离子、硅离子和磷离子)。不希望受任何理论束缚，认为当暴露于生物量材料时，此类带负电的离子在化学上表现如同路易斯碱部分，引起在还原环境中的阴离子开环断链反应。

在某些实施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括中性原子。例如，氢离子、氦离子、碳离子、氮离子、氧离子、氖离子、硅离子、磷离子、氩离子和铁离子中的任何一种或多种可以包括在用于照射生物量材料的束中。一般而言，上述原子类型中的任何2种或更多种(例如，3种或更多种、4种或更多种、或甚至更多种)的混合物可以存在于束中。

前述讨论已集中于包括单核离子和/或中性粒子(例如原子离子和中性原子)的离子束。一般地，此类粒子是最容易生成的-就能量而言，并且生成这些种类的亲本粒子可以以大量供应而获得。然而，在某些实施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括其为多核的一种或多种类型的离子或中性粒子，例如包括2种或更多种不同类型的核。例如，离子束可以包括由种类例如N₂、O₂、H₂、CH₄，和其他分子种类形成的阳和/或阴离子和/或中性粒子。离子束还可以包括由较重种类形成的离子和/或中性粒子，所述较重种类包括甚至更多的核，例如基于各种烃的种类和/或各种无机种类，包括各种金属的配位化合物。

在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括单一荷电离子，例如H⁺、H^-、He⁺、Ne⁺、Ar⁺、C⁺、C^-、O⁺、O^-、N⁺、N^-、Si⁺、Si^-、P⁺、P^-、Na⁺、Ca⁺和Fe⁺中的一种或多种。在某些实施方案中，离子束可以包括多重荷电离子，例如C²⁺、C³⁺、C⁴⁺、N³⁺、N⁵⁺、N^3-、O²⁺、O^2-、O₂ ^2-、Si²⁺、Si⁴⁺、Si^2-和Si^4-中的一种或多种。一般而言，离子束还可以包括更复杂的多核离子，其具有多重正或负电荷。在特定实施方案中，由于多核离子的结构，正或负电荷可以有效分布在离子的基本上完整结构上。在某些实施方案中，正或负电荷可以大体定位在离子结构的部分上。

电磁辐射

在其中使用电磁辐射执行照射的实施方案中，电磁辐射可以具有例如大于10²eV的能量/光子(以电子伏特)，例如大于10³、10⁴、10⁵、10⁶、或甚至大于10⁷eV。在某些实施方案中，电磁辐射具有10⁴-10⁷的能量/光子、例如10⁵-10⁶eV。电磁辐射可以具有例如大于10¹⁶hz的频率，大于10¹⁷hz、10¹⁸、10¹⁹、10²⁰或甚至大于10²¹hz。在某些实施方案中，电磁辐射具有10¹⁸-10²²hz的频率，例如10¹⁹-10²¹hz。

剂量

在某些实施方案中，执行照射(用任何辐射源或源的组合)直至材料接受至少0.25Mrad的剂量，例如至少1.0Mrad、至少2.5Mrad、至少5.0Mrad或至少10.0Mrad。在某些实施方案中，执行照射直至材料接受1.0Mrad-6.0Mrad的剂量，例如1.5Mrad-4.0Mrad。在某些实施方案中，执行照射直至材料接受至少25、50、75、100、125、150、175或甚至超过200Mrad的剂量。

在某些实施方案中，以5.0-1500.0千拉德/小时的剂量率执行照射，例如10.0-750.0千拉德/小时，或50.0-350.0千拉德/小时。在某些实施方案中，以5.0-150.0千拉德/小时的剂量率执行照射，例如10.0-125.0千拉德/小时，或15.0-75.0千拉德/小时。

在某些实施方案中，使用2个或更多个辐射源，例如2个或更多个电离辐射。例如，样品可以以任何次序进行处理，用电子束，随后为γ辐射和具有约100nm-约280nm的UV线。在某些实施方案中，样品用3个电离辐射源进行处理，例如电子束、γ辐射和高能UV线。

超声处理

一个或多个超声处理加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。超声处理可以减少原料的分子量和/或结晶度。

再次参考图8，在一种方法中，使包括具有第一个数量平均分子量(^TM_N1)的纤维素的第一种材料2分散在介质例如水中，并且进行超声处理和/或以其他方式形成空穴，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(^TM_N2)的纤维素。第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。

因为第二种材料具有相对于第一种材料减少的分子量、和在某些情况下，同样减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于10⁶微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。超声处理也可以使材料灭菌，但当微生物假定是活的时候不应使用。

在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(^TM_N2)比第一个数量平均分子量(^TM_N1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。

在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(^TC₁)低的结晶度(^TC₂)。例如，(^TC₂)可以比(^TC₁)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。

在某些实施方案中，起始结晶度指数(在超声处理之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在超声处理后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在超声处理后的材料是基本上无定形的。

在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在超声处理之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在超声处理后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。

在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(^TO₁)高的氧化水平(^TO₂)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，超声处理在氧化介质中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。

在某些实施方案中，超声处理介质是水介质。需要时，介质可以包括氧化剂例如过氧化物(例如过氧化氢)、分散剂和/或缓冲剂。分散剂的例子包括离子型分散剂例如十二烷基硫酸钠和非离子型分散剂例如聚(乙二醇)。

在其他实施方案中，超声处理介质是非水的。例如，超声处理可以在烃例如甲苯或庚烷、醚例如二乙醚或四氢呋喃中，或甚至在液化气体例如氩、氙或氮中执行。

热解

一个或多个热解加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解(官能化)的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。热解可以在螺杆挤压加工过程之前、之时(在干燥区中)或之后执行。

再次参考图8中的一般图解，例如通过使第一种材料在管式炉中加热，使包括具有第一个数量平均分子量(^TM_N1)的纤维素的第一种材料2热解，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(^TM_N2)的纤维素。使第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。

因为第二种材料具有相对于第一种材料减少的分子量、和在某些情况下以及减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于10⁶微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。热解也可以使第一种和第二种材料灭菌。

在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(M_N2)比第一个数量平均分子量(^TM_N1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。

在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(^TC₁)低的结晶度(^TC₂)。例如，(^TC₂)可以比(^TC₁)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。

在某些实施方案中，起始结晶度指数(在热解之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在热解后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在热解后的材料是基本上无定形的。

在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在热解之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在热解后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。

在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(^TO₁)高的氧化水平(^TO₂)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，热解在氧化环境中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。

在某些实施方案中，材料的热解是连续的。在其他实施方案中，使材料热解预定时间，并且随后在再次热解前允许冷却第二个预定时间。

氧化

一个或多个氧化处理顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从生物量中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。氧化可以在螺杆挤压之前、之时或之后执行。例如，在挤压加工过程中，在生物量在挤压机中时，氧化可以通过将氧化剂例如过硫酸铵或次氯酸钠注入生物量内而发生。

再次参考图8，例如通过在空气或富氧空气的流中在管形炉中加热第一种材料，使包括具有第一个数量平均分子量(^TM_N1)和具有第一个含氧量(^TO₁)的纤维素的第一种材料2氧化，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(^TM_N2)和具有比第一个含氧量(^TO₁)高的第二个含氧量(^TO₂)的纤维素。

此类材料也可以与固体和/或液体相组合。例如，液体可以以溶液的形式，并且固体在形式中可以是微粒。液体和/或固体可以包括微生物例如细菌和/或酶。例如，细菌和/或酶可以对纤维素或木质纤维素材料起作用，以产生燃料例如乙醇、或共同产物例如蛋白质。燃料和共同产物在于2006年6月15日提交的FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES，”USSN 11/453,951中描述。前述申请各自的完整内容通过引用合并入本文。

在其中材料用于制备燃料或共同产物的某些实施方案中，起始数量平均分子量(在氧化之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在氧化后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛氧化后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。

在某些实施方案中，第二个含氧量比第一个含氧量高至少约5％，例如高7.5％、高10.0％、高12.5％、高15.0％或高17.5％。在某些优选实施方案中，第二个含氧量比第一种材料的含氧量高至少约20.0％。通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。合适的元素分析仪是具有VTF-900高温热解炉的LECOCHNS-932分析仪。

在某些实施方案中，第一种材料200的氧化不导致纤维素的结晶度中的基本改变。然而，在某些情况下，例如在极度氧化后，第二种材料具有其结晶度(^TC₂)比第一种材料的纤维素的结晶度(^TC₁)低的纤维素。例如，(^TC₂)可以比(^TC₁)低超过约5％，例如10、15、20或甚至25％。当最佳化复合物的弯曲疲劳特性是目标时，这可以是希望的。例如，减少结晶度可以改善断裂伸度或可以增强复合物的冲击阻力。这还可以是增强材料在液体中的可溶性希望的，所述液体例如包括细菌和/或酶的液体。

一般地，第一种材料200的氧化在氧化环境中发生。例如，通过在氧化环境中热解可以实现或帮助氧化，例如在空气或富氩空气中。为了帮助氧化，在氧化之前或在氧化加工过程中，各种化学试剂例如氧化剂、酸或碱可以加入材料中。例如，在氧化之前可以加入过氧化物(例如，过氧苯甲酰)。

其他加工过程

蒸汽爆炸可以不连同本文描述的加工过程中的任何单独使用，或与本文描述的加工过程中的任何组合使用。在某些情况下，加压蒸汽可以在螺杆挤压步骤加工过程中引入螺杆挤压机内。

图23显示通过包括剪切和蒸汽爆炸以产生纤维材料401的加工过程，将纤维来源400转变成产物450例如乙醇的整个加工过程的概述，所述纤维材料401随后进行水解且转变，例如发酵以产生产物。纤维来源可以通过许多可能方法转化成纤维材料401，包括至少一个剪切加工过程和至少一个蒸汽爆炸加工过程。

例如，一个选项包括剪切纤维来源，随后为任选的一个或多个筛选步骤和任选的一个或多个另外剪切步骤，以产生经剪切的纤维来源402，这随后可以进行蒸汽爆炸以产生纤维材料401。蒸汽爆炸加工过程任选随后为纤维回收加工过程，以去除起因于蒸汽爆炸加工过程的液体或“液剂”404。通过任选的一个或多个另外剪切步骤和/或任选的一个或多个筛选步骤，可以进一步剪切起因于使经剪切的纤维来源蒸汽爆炸的材料。

在另一种方法中，首先使纤维材料401蒸汽爆炸，以产生蒸汽爆炸的纤维来源410。随后对所得到的蒸汽爆炸的纤维来源实施任选的纤维回收加工过程，以去除液体或液剂。所得到的蒸汽爆炸的纤维来源随后可以进行剪切，以产生纤维材料。还可以对蒸汽爆炸的纤维来源实施一个或多个任选的筛选步骤和/或一个或多个任选的另外剪切步骤。下文将进一步讨论使纤维来源剪切和蒸汽爆炸以产生经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的加工过程。

在剪切或蒸汽爆炸之前，纤维来源可以切割成五彩纸屑材料的小片或小条。剪切加工过程可以以干燥(例如，具有小于0.25重量％的吸收水)、水合或甚至在材料部分或全部没入液体例如水或异丙醇中时发生。该加工过程还可以最佳地包括在蒸汽爆炸或剪切后使输出干燥的步骤，以允许干燥剪切或蒸汽爆炸的另外步骤。剪切、筛选和蒸汽爆炸的步骤可以连同或不连同各种化学溶液的存在而发生。

在蒸汽爆炸加工过程中，在高压下使纤维来源或经剪切的纤维来源与蒸汽相接触，并且蒸汽扩散到纤维来源的结构(例如，木质纤维素结构)内。蒸汽随后在高压下液化，从而使纤维来源“润湿”。纤维来源中的水分可以水解纤维来源中的任何乙酰基(例如，半纤维素级分中的乙酰基)，形成有机酸例如乙酸和糖醛酸。酸依次可以催化半纤维素的解聚，释放木聚糖和有限量的葡聚糖。随后当压力释放时，“湿”纤维来源(或经剪切的纤维来源等)“爆炸”。由于压力中的突然下降，经液化的水分即时蒸发，并且水蒸气的爆炸对纤维来源(或经剪切的纤维来源等)施加剪切力。足够的剪切力将引起纤维来源的内部结构(例如，木质纤维素结构)的机械断裂。

经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料随后转变成有用产物例如乙醇。在某些实施方案中，使纤维材料转变成燃料。转变纤维材料的一种方法是通过水解以产生可发酵糖412，其随后发酵以产生产物。还可以使用使纤维材料转变成燃料的其他已知和未知方法。

在某些实施方案中，在与微生物组合之前，使经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料401灭菌，以杀死可以在纤维材料上的任何竞争性生物。例如，通过使纤维材料暴露于辐射例如红外线辐射、紫外线辐射或电离辐射例如γ辐射，可以使纤维材料灭菌。使用化学灭菌剂例如漂白剂(例如次氯酸钠)、氯己定或环氧乙烷，也可以杀死微生物。

水解经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的一种方法是通过使用纤维素酶。纤维素酶是协同作用以水解纤维素的一组酶。还可以使用商购可得的Accellerase31000，其包含使木质纤维素生物量还原成可发酵糖的酶的复合物。

根据目前理解，纤维素酶的组分包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶(纤维二糖水解酶)和b-葡糖苷酶(纤维二糖酶)。当通过2种或更多种组分的组合的水解超过由单个组分表达的活性总和时，存在纤维素酶组分之间的协同。纤维素酶系统(特别是长枝木霉(T.longibrachiatum))对于微晶纤维素的一般公认机制是内切葡聚糖酶水解无定形区域的内部β-1，4-糖苷键，从而增加暴露的非还原端数目。外切葡聚糖酶随后从非还原端切割掉纤维二糖单位，这依次通过b-葡糖苷酶水解成单个葡萄糖单位。存在在立体特异性中不同的内切和外切葡聚糖酶的几种构型。一般而言，组分在各种构型中的协同作用是最佳纤维素水解所需的。然而，纤维素酶更倾向于水解纤维素的无定形区域。存在结晶度和水解速率之间的线性关系，由此更高的结晶度指数与更低的酶水解速率相对应。纤维素的无定形区域以结晶区域速率的2倍水解。通过任何水解生物量加工过程可以执行经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解。

生物量的蒸汽爆炸有时引起副产物例如毒物的形成，其对于微生物和酶促活性是抑制性的。因此，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料转变成燃料的加工过程可以任选包括在发酵前的加灰过量步骤，以沉淀某些毒物。例如，通过加入氢氧化钙(Ca(OH)₂)，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的pH可以升高至超过pH 10，随后为通过加入H₂SO₄使pH降低至约5的步骤。加灰过量的纤维材料随后可以像这样使用，无需去除沉淀物。如图23中所示，任选的加灰过量步骤紧在经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解步骤前发生，但也考虑在水解步骤后和在发酵步骤前执行加灰过量步骤。

初级加工过程

发酵

一般地，通过在预处理的生物量材料上操作，例如使经处理的生物量材料发酵，各种微生物可以产生许多有用产物例如乙醇。例如，通过发酵或其他加工过程可以产生醇、有机酸、烃、氢、蛋白质或这些材料中的任何的混合物。

微生物可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。当生物相容时，可以利用生物的混合物。

为了帮助断裂包括纤维素的材料，可以利用一种或多种酶，例如纤维素分解酶。在某些实施方案中，包括纤维素的材料首先用酶进行处理，例如通过使材料和酶在水溶液中相组合。这种材料随后可以与生物素相组合。在其他实施方案中，包括纤维素的材料、一种或多种酶和微生物可以同时相组合，例如通过在水溶液中相组合。

此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，材料可以在照射后用热、化学药品(例如，矿物酸、碱或强氧化剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。

在发酵加工过程中，通过发酵微生物例如酵母，使由分解纤维素的水解或糖化步骤释放的糖发酵成例如乙醇。合适的发酵微生物具有将碳水化合物(例如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)转变成发酵产物的能力。发酵微生物包括酵母属物种(Sacchromyces spp.)，例如酿酒酵母(Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母)、糖酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母属(Kluyveromyces)，例如物种马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)；假丝酵母属(Candida)，例如假热带假丝酵母(Candida pseudotropicalis)和假丝酵母芸薹属(Candida brassicae)，棒孢酵母属(Clavispora)，例如物种葡萄牙棒孢(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae，管囊酵母属(Pachysolen)，例如物种嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)，酒香酵母属(Bretannomyces)属，例如物种克劳森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)(Philippidis，G.P.，1996，Cellulose bioconversion technology，in Handbook on Bioethanol：Production and Utilization，Wyman，C.E.，编辑，Taylor&Francis，Washington，DC，179-212)。在一个特定实施方案中，微生物可以是树干毕赤酵母(NRRL-7124)。

商购可得的酵母包括例如/Lesaffre Ethanol Red(可从Red Star/Lesaffre，美国获得)，

(可从Fleischmann’s Yeast，Burns Philip Food Inc.的分部，美国获得)，(可从Alltech获得)，

(可从Gert Strand AB，瑞典获得)，和

(可从DSM Specialties获得)。

可以使生物量发酵成乙醇和其他产物的细菌包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996，同上)。Leschine等人(International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002，52，1155-1160)分离了来自森林土壤的厌氧、嗜温、分解微生物的细菌，Clostridium phytofermentans sp.nov.，其使纤维素转变为乙醇。

生物量至乙醇和其他产物的发酵可以使用特定类型的嗜热或遗传改造的微生物来执行，例如嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)物种，包括T.mathranii，和酵母物种例如毕赤酵母属物种。T.mathranii菌株的例子是在Sonne-Hansen等人(Applied Microbiology and Biotechnology 1993，38，537-541)或Ahring等人(Arch.Microbiol.1997，168，114-119)中描述的A3M4。

酵母和发酵单胞菌属(Zymomonas)细菌可以用于发酵或转变。关于酵母的最佳pH是约pH 4-5，而关于发酵单胞菌属的最佳pH是约pH 5-6。一般发酵时间是在26℃-40℃下约24-96小时，然而，嗜热微生物更喜欢较高的温度。

在糖化加工过程中使生物量例如纤维素断裂为较低分子量含碳水化合物的材料例如葡萄糖的酶被称为纤维素分解酶或纤维素酶。这些酶可以是协同作用以降解微晶纤维素的酶的复合物。纤维素分解酶的例子包括：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡糖苷酶)。纤维素底物最初通过内切葡聚糖酶在随机位置上水解，产生寡聚中间产物。这些中间产物随后是关于外切型葡聚糖酶例如纤维二糖水解酶的底物，以从纤维素聚合物的末端产生纤维二糖。纤维二糖是水溶性β-1，4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶切割纤维二糖以产生葡萄糖。

纤维素酶能够降解生物量且可以具有真菌或细菌起源。合适的酶包括来自芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、腐质霉属(Humicola)、镰刀菌属(Fusarium)、梭孢壳属(Thielavia)、枝顶孢属(Acremonium)、金孢属(Chrysosporium)和木霉属(Trichoderma)，并且包括腐质霉属、鬼伞属(Coprinus)、梭孢壳属、镰刀菌属、毁丝霉属(Myceliophthora)、枝顶孢属、头孢霉属(Cephalosporium)、柱霉属(Scytalidium)、青霉属(Penicillium)或曲霉菌属(Aspergillus)(参见例如EP 458162)的物种，特别是由选自下述物种的菌株产生的那些：特异腐质霉(Humicola insolens)(再分类为嗜热革节孢(Scytalidium thermophilum)，参见例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝菌(Myceliophthorathermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭壳孢霉(Thielavia terrestris)、枝顶孢属物种、桃色顶孢(Acremonium persicinum)、Acremonium acremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremonium obclavatum、Acremonium pinkertoniae、Acremonium roseogriseum、Acremonium incoloratum和棕色枝顶孢(Acremonium furatum)；优选来自物种特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰刀菌DSM 2672、嗜热毁丝菌CBS 117.65、头孢霉属物种RYM-202、枝顶孢属物种CBS 478.94、枝顶孢属物种CBS 265.95、桃色顶孢CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、头孢霉属物种CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS 866.73，Acremonium dichromosporum CBS 683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70，Acremonium roseogriseum CBS 134.56，Acremonium incoloratum CBS 146.62和棕色枝顶孢CBS 299.70H。纤维素分解酶还可以得自金孢属，优选(Chrysosporium lucknowense)的菌株。此外，可以使用木霉特别是绿色木霉(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康氏木霉(Trichoderma koningii)、嗜碱芽孢杆菌(参见例如，美国专利号3,844,890和EP 458162)和链霉菌属(Streptomyces)(参见例如，EP 458162)。

厌氧分解纤维素的细菌也已从土壤中分离，例如梭菌属(Clostiridium)的新型分解纤维素的物种，Clostridium phytofermentans sp.nov.(参见Leschine等人，International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology(2002)，52，1155-1160)。

还可以使用使用重组技术的纤维素分解酶(参见例如，WO2007/071818和WO 2006/110891)。

所使用的纤维素分解酶可以使用本领域已知的操作(参见例如，Bennett，J.W.和LaSure，L.(编辑)，More Gene Manipulations in Fungi，Academic Press，CA 1991)通过使上述微生物菌株在包含合适碳和氮源以及无机盐的营养培养基上发酵来产生。合适的培养基可从商业供应商获得，或可以根据公布的组成(例如，在美国典型培养物中心的目录中)进行制备。适合于生长和纤维素酶产生的温度范围和其他条件是本领域已知的(参见例如，Bailey，J.E.和Ollis，D.F.，Biochemical Engineering Fundamentals，McGraw-Hill BookCompany，NY，1986)。

用纤维素酶处理纤维素通常在30℃-65℃下进行。纤维素酶在约pH 3-7的范围内是活性的。糖化步骤可以持续高达120小时。纤维素酶用量达到足够高水平的纤维素转变。例如，合适的纤维素酶用量一般是5.0-50 Filter Paper Units(FPU或IU)/克纤维素。FPU是标准测量且根据Ghose(1987，Pure and Appl.Chem.59：257-268)定义且测量。

气化

除使用热解用于原料预处理外，热解还可以用于加工经预处理的原料以提取有用材料。特别地，称为气化的热解形式可以用于产生气体燃料连同各种其他气体、液体和固体产物。为了执行气化，将经预处理的原料引入热解室内，并且加热至高温，一般是700℃或更高。所使用的温度依赖于许多因素，包括原料的性质和所需产物。

还将大量氧(例如作为纯氧气和/或作为空气)和蒸汽(例如，过热蒸汽)加入热解室内以促进气化。这些化合物在多步反应中与含碳的原料材料反应，以产生称为合成气体(或“合成气”)的气体混合物。基本上，在气化加工过程中，将有限量的氧引入热解室内，以允许某些原料材料燃烧以形成一氧化碳且产生加工过程热。加工过程热随后可以用于促进二次反应，其使另外的原料材料转变为氢和一氧化碳。

在总反应的第一个步骤中，加热原料材料产生炭，其可以包括广泛多样不同的基于烃的种类。可以产生特定挥发性材料(例如，特定气态烃材料)，导致原料材料总重量的减少。随后，在反应的第二个步骤中，在第一个步骤中产生的某些挥发性材料在燃烧反应中与氧反应，以产生一氧化碳和二氧化碳。燃烧反应释放热，这促进反应的第三个步骤。在第三个步骤中，二氧化碳和蒸汽(例如，水)与第一个步骤中产生的炭反应，以形成一氧化碳和氢气。一氧化碳还可以在水气变换反应中与蒸汽反应，以形成二氧化碳和更多的氢气。

例如，气化可以用作初级加工过程以直接从经预处理的原料产生产物用于后续转运和/或销售。备选地或另外地，气化可以用作辅助加工过程用于产生用于总体加工系统的燃料。例如，可以点燃经由气化加工过程产生的富氢合成气以产生电和/或加工过程热，其可以直接用于在加工系统中的其他位置处使用。因此，总体加工系统可以至少部分自我维持。许多其他产物包括热解油和基于气态烃的物质，也可以在气化加工过程中和/或在气化后获得；这些可以根据需要进行分离且贮存或转运。

各种不同热解室适合于经预处理的原料的气化，包括本文公开的热解室。特别地，其中经预处理的原料在蒸汽和氧/空气中流态化的流化床反应器系统，提供相对高的流通量和产物的简单回收。可以点燃在气化后保留在流化床系统中(或其他热解室中)的固体炭，以产生另外的加工过程热以促进后续气化反应。

后加工

蒸馏

在发酵后，所得到的流体可以使用例如“啤酒柱(beer column)”进行蒸馏，以使乙醇和其他醇类与大多数水和残留固体分离。离开啤酒柱的蒸气可以是35重量％的乙醇，并且供应给精馏柱。使用蒸气相分子筛，来自精馏柱的近共沸(92.5％)乙醇和水的混合物可以纯化至纯(99.5％)乙醇。啤酒柱底部可以送至三效蒸发器的第一个效应。精馏柱回流冷凝器可以提供用于这个第一个效应的热。在第一个效应后，固体可以使用离心机进行分离且在旋转干燥器中进行干燥。部分(25％)离心机流出物可以再循环至发酵，并且其余送至第二个和第三个蒸发器效应。大部分蒸发器冷凝物可以作为相当清洁的冷凝物返回加工过程，其中小部分分裂出来至废水处理以预防低沸化合物的积累。

废水处理

通过处理加工过程水用于在工厂内再使用，废水处理用于使工厂的补给水需求降到最低。废水处理也可以产生燃料(例如，污泥和生物气)，其可以用于改善乙醇生产加工过程的总效率。例如，如下文进一步详细描述的，污泥和生物气可以用于创造可以用于各种工厂加工过程的蒸汽和电。

废水最初通过筛子(例如，棒条筛)抽吸，以去除大颗粒，这收集在漏斗中。在某些实施方案中，将大颗粒送至填埋场。另外地或备选地，如下文进一步详细描述的点燃大颗粒以创造蒸汽和/或电。一般而言，在棒条筛上的间隔是1/4英寸-1英寸间隔(例如，1/2英寸间隔)。

废水随后流向均衡槽，在其中有机浓缩的废水在保留时间加工过程中进行均衡。一般而言，保留时间是8小时-36小时(例如，24小时)。将混合器放置在槽内以搅拌槽的内容物。在某些实施方案中，遍及槽放置的多个混合器用于搅拌槽的内容物。在特定实施方案中，混合器使均衡槽的内容物基本上混合，从而使得遍及槽的条件(例如，废水浓度和温度)是均匀的。

第一个泵使水从均衡槽移动通过液体-液体热交换器。这样控制热交换器(例如，通过控制流体通过热交换器的流速)，使得离开热交换器的废水在用于厌氧处理的所需温度下。例如，关于厌氧处理的所需温度可以是40℃-60℃。

在离开热交换器后，废水进入一个或多个厌氧反应器。在某些实施方案中，每个厌氧反应器中的污泥浓度与废水中的污泥总浓度相同。在其他实施方案中，厌氧反应器具有比废水中的污泥总浓度高的污泥浓度。

包含氮和磷的营养液在包含废水的每个厌氧反应器内进行测量。营养液与厌氧反应器中的污泥反应，以产生可以包含50％甲烷且具有约12,000British热单位或Btu，每磅)的热值的生物气。生物气通过通风口离开每个厌氧反应器且流入多支管内，在其中多个生物气流组合成单个流。如下文进一步详细描述的，压缩机使生物气的流移动至锅炉或内燃机。在某些实施方案中，压缩机还使生物气的单个流移动通过脱硫催化剂。另外地或备选地，压缩机可以使生物气的单个流移动通过沉积物捕集器。

第二个泵使来自厌氧反应器的厌氧流出物移动至一个或多个好氧反应器(例如，活化污泥反应器)。将充气器放置在每个好氧反应器内，以使厌氧流出物、污泥、氧(例如，空气中包含的氧)相混合。在每个好氧反应器内，细胞材料在厌氧流出物中的氧化产生二氧化碳、水和铵。

好氧流出物移动(例如经由重力)至分离器，在其中污泥与经处理的水分离。某些污泥返回一个或多个好氧反应器，以在好氧反应器中造成升高的污泥浓度，从而促进细胞材料在废水中的好氧断裂。传送机去除来自分离器的剩余污泥。如下文进一步详细描述的，剩余污泥用作燃料以创造蒸汽和/或电。

经处理的水从分离器抽吸到沉降槽。分散遍及经处理的水的固体沉降至沉降槽的底部，并且随后去除。在沉降期后，经处理的水通过细滤器从沉降槽抽吸，以去除水中残留的任何另外固体。在某些实施方案中，将氯加入经处理的水中以杀死致病菌。在某些实施方案中，一种或多种物理化学分离技术用于进一步纯化经处理的水。例如，经处理的水可以通过碳吸附反应器抽吸。作为另一个例子，经处理的水可以通过反渗透反应器抽吸。

废物燃烧

由生物量产生醇可以导致各种副产物流的产生，所述副产物流用于产生蒸汽和电用于工厂的其他部分。例如，由点燃副产物流产生的蒸汽可以用于蒸馏加工过程。作为另一个例子，由点燃副产物流产生的电可以用于给预处理中使用的电子束发生器和超声换能器提供动力。

用于产生蒸汽和电的副产物衍生自加工过程自始至终的许多来源。例如，废水的厌氧消化产生甲醇很高的生物气和少量废弃生物量(污泥)。作为另一个例子，蒸馏后的固体(例如，由预处理和初级加工过程保留的未转变的木质素、纤维素和半纤维素)可以用作燃料。

将生物气转向与发电机连接的内燃机以产生电。例如，生物气可以用作关于火花点火式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于直喷式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于燃气轮机的燃料来源。另外地或备选地，内燃机可以以热电联产配置进行配置。例如，来自内燃机的废热可以用于提供遍及工厂的热水或蒸汽。

点燃污泥和蒸馏后固体，以加热流过热交换器的水。在某些实施方案中，使流过热交换器的水蒸发且过热至蒸汽。在特定实施方案中，蒸汽用于蒸馏和蒸发加工过程中的预处理反应器和热交换中。另外地或备选地，蒸汽扩展以给与发电机连接的多阶段蒸汽轮机提供动力。离开蒸汽轮机的流由冷却水冷凝，并且返回热交换器用于再加热至蒸汽。在某些实施方案中，控制通过热交换器的水的流速，以获得来自与发电机连接的蒸汽轮机的靶电输出。例如，水可以加入热交换器中以确保蒸汽轮机在阈值条件上操作(例如，轮机足够快速旋转以转动发电机)。

尽管已描述了特定实施方案，但其他实施方案也是可能的。

作为例子，尽管生物气描述为转向与发电机连接的内燃机，但在特定实施方案中，生物气可以经过燃料重整器以产生氢。氢随后通过燃料电池转变为电。

作为另一个例子，尽管生物气已描述为远离污泥和蒸馏后固体点燃，但在特定实施方案中，全部废物副产物可以一起点燃以产生蒸汽。

产物/共同产物

醇

所产生的醇可以是一羟基醇例如乙醇，或多羟基醇例如乙二醇或丙三醇。可以产生的醇的例子包括甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，丁醇例如正、仲或叔丁醇，乙二醇、丙二醇，1，4-丁二醇，丙三醇或这些醇的混合物。

通过工厂生产的醇各自具有作为工业原料的商业价值。例如，乙醇可以用于制造清漆和香精。作为另一个例子，甲醇可以用作溶剂用作风挡刮水器液体中的组分。作为另外一个例子，丁醇可以用于增塑剂、树脂、漆器和制动液中。

通过工厂生产的生物乙醇作为食物和饮料工业中使用的成分是有价值的。例如，通过工厂生产的乙醇可以纯化至食物级别醇，并且用作酒精性饮料中的主要成分。

通过工厂生产的生物乙醇也具有作为运输用燃料的商业价值。乙醇作为运输用燃料的用途可以用相对很少的资本投资由火花点燃式发动机制造商和物主实现(例如，关于注入时机、燃料空气比、和燃料注入系统的组分的改变)。许多汽车制造商目前提供能够以高达85体积％乙醇的乙醇/汽油掺和物操作的灵活燃料交通工具(例如，在Chevy Tahoe 4x4上的标准设备)。

通过这种工厂生产的生物乙醇可以用作发动机燃料，以改善除工厂位置外的环境和经济条件。例如，通过这种工厂生产且用作燃料的乙醇可以减少来自人工来源(例如，运输来源)的温室气体排放。作为另一个例子，通过这种工厂生产且用作发动机燃料的乙醇还可以取代由油精炼的汽油的消耗。

生物乙醇具有比常规汽油更大的辛烷值，并且因此可以用于改善火花点燃式发动机的性能(例如，允许更高的压缩比)。例如，小量(例如，10体积％)乙醇可以与汽油掺和，以充当在火花点燃式发动机中使用的燃料的辛烷增强剂。作为另一个例子，更大量(例如，85体积％)乙醇可以与汽油掺和，以进一步增加燃料辛烷值并且取代更大体积的汽油。

生物乙醇策略例如由DiPardo在Journal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand(EIA Forecasts)，2002中；Sheehan在Biotechnology Progress，15：8179，1999中；Martin在Enzyme Microbes Technology，31：274，2002中；Greer在BioCycle，61-65，2005年4月中；Lynd在Microbiology and Molecular Biology Reviews，66：3，506-577，2002中；Ljungdahl等人在美国专利号4,292,406中；和Bellamy在美国专利号4,094,742中讨论。

有机酸

所产生的有机酸可以包括单羧酸或多羧酸。有机酸的例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟基丁酸或这些酸的混合物。

食物原料(Foodstocks)

在某些实施方案中，所有或部分发酵加工过程可以在纤维素材料完全转变成乙醇前中断。中间发酵产物包括高浓度的糖和碳水化合物。这些中间发酵产物可以用于制备用于人或动物消费的食物。在某些实施方案中，纤维素材料的照射预处理将使得中间发酵产物无菌(例如，适合于人消费)。在某些实施方案中，中间发酵产物在用作食物前将需要后加工。例如，干燥器可以用于去除来自中间发酵产物的水分，以促进贮存、处理和保存期。另外地或备选地，中间发酵产物可以在不锈钢研磨机中磨成细粒大小以产生粉样物质。

动物饲料

酒糟和酒粕可以转变成蒸馏-脱水加工过程有价值的副产物。在蒸馏-脱水加工过程后，酒糟和酒粕可以进行干燥，以改善贮存和处理材料的能力。所得到的干酒糟和酒粕(DDGS)是低淀粉、高脂肪、高蛋白质、高纤维、和高磷的。因此，例如DDGS作为动物饲料的来源(例如，作为用于乳牛的饲料来源)可以是有价值的。DDGS可以随后与营养添加剂相组合，以满足特定动物类别的特定膳食需求(例如，平衡可消化的赖氨酸和磷用于猪饮食)。

药物

上文讨论的预处理加工过程可以应用于具有医学性质的植物。在某些实施方案中，超声处理可以刺激具有医学性质的植物的医学组分的生物活性和/或生物利用度。另外地或备选地，照射刺激具有医学性质的植物的医学组分的生物活性和/或生物利用度。例如，超声处理和照射可以在柳树皮的预处理中相组合，以刺激水杨苷的产生。

营养制品

在某些实施方案中，中间发酵产物(例如，包括高浓度的糖和碳水化合物的产物)可以加以补充，以制备营养制品。例如，中间发酵产物可以补充有钙，以制备提供能量且帮助改善或维持骨强度的营养制品。

其他实施方案在下述权利要求的范围内。

Claims (21)

1.加工生物量的方法，所述方法包括：

减少生物量的单个小片的一个或多个维度；和

使用改变所述生物量的分子结构的处理方法处理所述生物量；

其中所述减少和处理步骤中的至少一个包括用螺杆挤压加工过程处理所述生物量。

2.权利要求1的方法，其进一步包括对所述生物量实施初级加工过程以形成产物。

3.权利要求1的方法，其中所述处理步骤包括选自照射、超声处理、热解和氧化的加工过程。

4.权利要求1的方法，其中所述螺杆挤压加工过程用于减少所述生物量的维度且改变所述生物量的分子结构。

5.权利要求1的方法，其中所述生物量在所述螺杆挤压加工过程期间经历化学反应。

6.权利要求2的方法，其中所述初级加工过程包括发酵。

7.权利要求2的方法，其中所述初级加工过程在所述螺杆挤压加工过程后执行。

8.权利要求1的方法，其中所述处理方法包括组合使用的照射和超声处理。

9.权利要求1的方法，其中所述处理方法包括用电离辐射进行照射。

10.权利要求1的方法，其中所述处理方法包括使用2种或更多种不同辐射源进行照射。

11.权利要求1的方法，其中在使所述生物量暴露于空气或富含氧化气体的空气时，对所述生物量执行所述处理方法。

12.权利要求1的方法，其中所述处理方法包括用电子束辐射进行照射。

13.权利要求12的方法，其中所述电子束辐射以约10Mrad-约150Mrad的总剂量应用。

14.权利要求1的方法，其中所述处理方法在螺杆挤压加工过程期间执行。

15.权利要求1的方法，其中所述生物量原料的分子结构中的改变选自所述生物量的不顺应水平、平均分子量、平均结晶度、表面积、聚合度、多孔性、支化度、移植程度、域大小和所述生物量的分子构成中的改变。

16.制备产物的方法，所述方法包括：

提供包括通过加工过程产生的碳水化合物的材料，所述加工过程包括用辐射、超声处理、热解和/或氧化处理生物量原料；

对所述原料实施螺杆挤压加工过程；和

使所述材料与微生物接触，所述微生物具有使至少部分所述材料转变为所述产物的能力。

17.权利要求16的方法，其中所述产物包括易燃燃料。

18.权利要求16的方法，其中所述微生物包括细菌或酵母。

19.权利要求16的方法，其中转变包括使所述材料发酵。

20.权利要求16的方法，其进一步包括在所述螺杆挤压加工过程期间，使所述生物量与化学制品接触。

21.权利要求16的方法，其进一步包括通过冷冻研磨使所述材料粉碎。

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