CN102753674B - 由生物量生产高价值产品的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了将生物量转化成高价值能量产品的方法，包括下列步骤：去树皮、切碎和筛选木材；从多种纤维素和木质素分离多种半纤维素；将所述的多种半纤维素水解成单糖类；从多种纤维素和木质素中除去木质素；和由所述的多种纤维素制造纸浆。

Description

由生物量生产高价值产品的方法
本申请要求2009年8月13日提交的美国临时申请号US61/233,824的利益，将该文献引入本文参考。
领域
本专利文件涉及由生物量生产高价值产品的设备和方法。
背景
打纸浆是一项自十九世纪以来古老的技术。在十九世纪四十年代，在德国研发了由木材机械造纸的方法，且化学加工快速出现。1867年授权给Tilghman的美国专利US 70,485是使用亚硫酸由植物物质造纸浆的方法。
Carl F.Dahl在1879研发的硫酸盐或Kraft法仍然是当今最普遍的打浆方法。除Kraft法外，当今存在大量其他的化学打浆方法，包括亚硫酸盐法。Kraft法是最普遍的，因为认为产生了比打浆法更强力的浆料。此外，Kraft法还处理宽泛的木材和非木材来源。
纸浆和最终的纸主要由木材和其他生物量中发现的纤维素制成。根据期望的纸的质量的不同，化学打浆法将木材和/或其他生物量的结构分解成包含基本上纯的纤维素纤维和不同浓度木质素的浆料。
木材如其他生物量主要由彼此结合为聚合物网状结构的纤维素、半纤维素和木质素构成。打浆法破坏了这些结合以使纤维素从木质素和半纤维素中分离出来，并且形成浆料。打浆法尝试以尽可能少的降解成纤维素纤维的方式从纤维素中分离半纤维素和木质素。
将木材或其他生物量化学加工成浆料从材料制备步骤开始。木材通过去树皮开始。典型地，芯材和边材仅用于制造浆料。树皮的结构使得其自身不用于打浆且由此被除去并且用作提供用于纸浆厂的蒸汽的燃料。在大部分打浆方法中，切碎木材并且筛选以提供均匀大小的木片。
使木片进入称作以分批或连续方式运转的消化器的容器。在Kraft法中，浆包括氢氧化钠和亚硫酸钠的混合物加入到木片中，消化器将该混合物和木材从130℃加热至180℃。在这一温度范围内，去木质化进行几小时。在这些条件下，木质素和一些半纤维素降解得到碎片，其可溶于强碱性液体。后处理液体混合物、称作黑色液体(因其颜色而称谓)包含木质素碎片、来自半纤维素分解的碳水化合物、碳酸钠、硫酸钠和其他无机盐。
截止到木材去树皮和除去木质素和半纤维素时，仅约30％的原料变成可用的纸浆。燃烧包含半纤维素和木质素的黑色液体，得到再循环试剂蒸汽(称作白色液体)和用于该方法的能量。半纤维素成分在Kraft打浆法中大量降解成少量有用的能量产品。因此，尽管黑色液体中包含半纤维素，但是大部分黑色液体的产热能量来源于木质素。黑色和其他树部分用作燃料或遗留在森林中。作为结果，纸打浆副产物中包含的能量并不典型有效地用于目前的纸打浆法中。
纸打浆并非唯一的目前遗留半纤维素作为副产物的商业化方法。例如，在由甘蔗生产糖的过程中，蔗渣是将甘蔗破碎以提取其汁液后遗留的纤维性残余物。蔗渣进一步用于大量不同的目的，包括燃烧作为糖研磨机的燃料、作为生产浆料和纸张产品中的可再生资源和作为建筑材料。与其他商业化方法如纸打浆中的副产物类似，甘蔗蔗渣中富含多糖类。
长期以来已知在生物量例如甘蔗蔗渣和木材中发现的糖类可以被转化成乙醇和其他燃料产品。此外，纸打浆法和生物量乙醇转化法以分解木质素、纤维素和半纤维素之间的键的相同基本步骤开始。然而，这些方法之间的显著差别在于易于转化成乙醇或其他燃料的木材或生物量的成分是纤维素，即用于在打浆法中制造纸张的产品。如上所述，纤维素构成纸张中提取和使用的木材或生物量的部分。因为纤维素是乙醇生产和纸打浆的主要成分，并且纤维素需要最严格的释放处理，所以两种方法互相排斥。
不同于是葡萄糖分子的均匀多糖的纤维素，半纤维素是包含己糖和戊糖混合物的不均匀聚合物。半纤维素一般包含己糖类即甘露糖、葡萄糖和半乳糖和戊糖类即木糖和阿拉伯糖。值得注意的是，甘露糖是来源于软木材的半纤维素聚合物中最丰富的分子；软木材中第二最丰富的糖分子是木糖。更一般而言，硬木材和草本作物和非木本的农业废物例如甘蔗蔗渣的半纤维素主要富含在戊糖的木糖和己糖的葡萄糖中，还有少量阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖。
戊糖类的木糖和阿拉伯糖在传统上比葡萄糖、甘露糖或半乳糖(6碳糖)更难以转化成燃料产品。长期以来，认为酵母菌株不能以厌氧方式将戊糖类发酵成醇。然而，Kurtzman等人的美国专利US 4,359,534公开了嗜鞣管囊酵母在发酵戊糖中的应用。类似地，Levine的美国专利US 7,344,876公开了能够在戊糖作为唯一碳源上增殖的马克思克鲁维酵母的纯培养物。
尽管Kurtzman和Levine的专利公开了酵母在将戊糖类发酵成乙醇中的应用，但是商业化应用因效率低而受限。可以在受控或人造培养基中发酵木糖和其他戊糖类的酵母和其他微生物一般在酸性水解产物中难以进行。生物量水解产物呈现的挑战包括毒性化合物的酸性pH和高浓度，包括乙酸、酚类化合物、5-羟甲基糠醛(HMF)和糠醛以及在半纤维素水解过程中产生的其他抑制性分子。
微生物将糖类转化成乙醇的另一个挑战在于许多微生物例如酵母和细菌在它们代谢的糖类中是选择性的。例如，可以将己糖葡萄糖转化成乙醇的微生物可能难以转化其他己糖类例如甘露糖和半乳糖。类似地，将戊糖的木糖转化成乙醇的微生物无法转化戊糖的阿拉伯糖。此外，甘露糖、半乳糖、葡萄糖和其他己糖类转化成燃料的燃料转化率在不同的微生物物种之间是不同的。
尽管无效，但是从纸打浆法中除去半纤维素并且将其转化成乙醇的可能性仍然由Georgia Institute of Technology在W.J.Fredrick等人，Co-production of ethanol and cellulose fiber fromSouthern Pine：A technical and economic assessment，32Biomassand Bioenergy 1293-1302(2008)中被推定。然而，Fredrick注意到戊糖类转化成乙醇的85％转化率“是最乐观的估计值，它推定了持续的研究使...成为可能”本研究推定，当与纤维素纤维一起生产时，由火炬松生产乙醇不可能与由木质纤维的来源生产乙醇竞争。
除缺乏可以发酵戊糖类的有效方法外，其他问题防碍了乙醇转化和纸打浆法合并。例如，将戊糖类发酵成乙醇的酵母相对不耐受乙醇、以低于己糖类的代谢速率发酵戊糖类、不可能发酵木材和草本水解产物中发现的所有己糖类、可能产生木糖醇作为木糖代谢的产物和可能具有严格的营养物和氧需求。这些特性使得发酵戊糖的微生物例如酵母和细菌难以一起起作用。此外，生物量水解产物例如打浆法或甘蔗蔗渣的酸水解过程中产生的水解产物典型地对已知发酵戊糖类的微生物具有毒性。此外，就生成依赖于维持纤维性材料如纸打浆的完整性的终产物的方法而言，必需谨慎除去半纤维素而基本上不除去或降解纤维素。然而，在生物量原料的纤维素不意欲用于纸张产品时，对纤维素降解关注得更少。
概述
鉴于上述描述，根据本专利文件的一个方面的目的在于提供将纸打浆和其他生物量处理副产品转化成一种或多种可用的高价值产品的改进方法。本专利文件的另一个单独的目的在于提供将糖产生的副产品即甘蔗蔗渣转化成一种或多种可用的产品或高价值产品的方法。
优选本文所述的反复解决或至少改善了上述一个或多个问题。为了这一目的，在一个方面中，提供了将木材转化成生物燃料和纸浆的方法，包含下列步骤：由去树皮的木片生产包含半纤维素水解产物的液体水解产物和生物量残余物；将液体水解产物与生物量残余物分离；使用固定化的发酵微生物将分离的液体水解产物中的单糖类发酵成生物燃料；和从生物量残余物中除去木质素以形成纸浆。
发酵的生物燃料可以例如包含醇如乙醇或丁醇。在另一个实施方案中，生产步骤包括在压力反应器中蒸煮木片的步骤。压力反应器可以从纤维素和木质素中释放半纤维素而基本上不降解成纤维素。
在另一个实施方案中，分离步骤包括压制生物量残余物或木片以便从生物量残余物或蒸煮的木片中压出部分液体水解产物。在压出部分液体水解产物的同时，压制可以使生物量残余物或蒸煮的木片形成高能量生物燃料或纸浆厂原料。
在另一个实施方案中，固定化的发酵微生物是嗜鞣管囊酵母且例如，将嗜鞣管囊酵母固定化在藻酸钙中。固定化增加了发酵微生物例如管囊酵母属的有效性，并且降低了微生物对液体水解产物中发现的抑制剂的敏感性。可以使用大量方法进行固定化，包括、但不限于将藻酸钙形成0.1mm-5mm直径、更优选2mm-3mm直径且甚至更优选约3mm直径的珠。
在另一个实施方案中，在分离的液体水解产物中超过80％的单糖类被转化成乙醇。
在另一个实施方案中，不将生物量加工成纸，而是使其形成固体高能量密度产品。优选通过压制形成该固体高能量密度产品。因为压制还可以用于进行分离步骤，所以形成固体该能量密度产品和分离液体水解产物可以在相同压制步骤或单独步骤中进行。此外，可以使用其他类型的生物量纤维而不是用于加工的木材。例如，甘蔗蔗渣是可以用于生产纸浆或固体高能量密度产品的生物量纤维源。
在另一个实施方案中，高能量密度生物燃料包含压紧的生物量残余物，其包括纤维素和木质素，基本上不含半纤维素。优选高能量密度生物燃料具有大于7,000Btu/lb的能量密度。然而，根据含水量的不同，高能量密度生物燃料可以具有4000Btu/lb-10,000Btu/lb的能量密度。为了这一目的，压紧的生物量优选具有小于约45％且更优选小于约25％的含水量，但可以具有较高的含水量，条件是生物燃料的能量密度保持足够高。
在另一个实施方案中，压紧的生物量包含小于10％重量的半纤维素。
在本专利文件的另一个方面中，公开了将生物量纤维源转化成生物燃料和高价值产品的方法。该方法包括：由生物量纤维源生产包含半纤维素水解产物的液体水解产物和生物量残余物；将液体水解产物与生物量残余物分离；使用至少一种在固定化培养基上固定化的发酵微生物物种将分离的液体水解产物中的单糖类发酵成生物燃料；和由生物量残余物生成高价值产品。
发酵的生物燃料可以例如包含醇如乙醇或丁醇。高价值产品可以是纸张、纸浆厂原料替代物或高能量密度产品。生物量纤维源可以是任意的生物量，其提高用于纸张产品的纤维素源，包括，例如木材和蔗渣。
在一个实施方案中，至少一种发酵微生物包括至少两种不同的具有互补发酵特征的微生物物种。互补发酵特征可以是任意的特征，例如各微生物可以更好地发酵不同的单糖，或各种类可以具有不同的代谢速率。如果存在一种以上微生物物种，则这些种类可以包含酵母种类和细菌种类。
当使用一种以上发酵微生物物种时，可以将所述的微生物物种各自固定化在相同培养基中，或者，可以将它们固定化在单独的培养基中。例如，可以将各微生物物种固定化在相同或单独的藻酸钙珠中。如果将各微生物物种固定在单独的珠中，则可以合并各固定化的种类或将其加入到相同发酵容器中。或者，可以将珠保持在单独的发酵容器中，这些发酵容器彼此串联排列，使得液体水解产物可以通过串联的每一容器以使水解产物被各微生物物种进行发酵。
在其他实施方案中，该方法还可以包括额外的步骤，即在从生物量残余物中分离水解产物以降低水解产物中包含的抑制性二次产物水平后使液体水解产物。作为调整步骤的组成部分，可以从水解产物中取出具有高价值的二次产物，然后回收。高价值二次产物可以包括、但不限于硫酸、乙酸或其他有机酸、抗氧化剂(包括，例如从部分木质素水解中释放的酚类化合物、多酚化合物)、保健食品、药物化妆品、药物产品、呋喃类、糠醛和5-羟甲基糠醛。
对随后回收有意义的取出高价值二次产物的适合的方法包括过滤、吸附和/或离子交换。然而，其他技术也可以使用至它们允许取出所关注的高价值二次产物及其随后回收的程度。
在本专利文件的另一个方面中，公开了将甘蔗蔗渣转化成生物燃料的方法。该方法包括下列步骤：由甘蔗蔗渣生产包含半纤维素水解产物的液体水解产物和生物量残余物；使用固定化的发酵微生物将分离的液体水解产物中的单糖类发酵成生物燃料；和降低生物量残余物的含湿量以生产高能量密度生物燃料。
该方法还可以包括额外的步骤，即在从生物量残余物中分离出水解产物后使液体水解产物以降低水解产物中包含的抑制性二次产物水平。作为调整步骤的组成部分，可以从水解产物中取出具有高价值的二次产物，然后回收。
正如下文更完整地描述的，本文所述的方法可以有效地用于将生物量纤维转化成生物燃料和另一种高价值产品。例如，在一种具体的实施方式中，将纸打浆副产物转化成生物燃料和另一种高价值产品。在另一个实例中，将甘蔗蔗渣转化成生物燃料和另一种高价值产品。本文公开的方法的其他方面、目的、期望特征和优点从如下的详细描述和附图中可以得到更好地理解，其中不同的实施方案作为实例示例。然而，特别理解附图仅用于示例目的，而不预期作为对请求保护的本发明的边界的定义。
附图简述
图1示例由木材生产生物燃料和/或乙醇和纸浆的方法。
图2示例由生物量纤维源生产生物燃料和/或乙醇和高价值产品的方法的另一个实施方案。
图3示例再循环藻酸钙固定化培养基的方法。
图4示例由木材生产生物燃料和/或乙醇和纸浆的另一种方法。
图5示例由木质纤维的生物量制造生物燃料例如醇包括例如乙醇和固体生物燃料的方法。
图6示例作为半纤维素除去百分比的生物量残余物的能量密度增加对指定含湿量而言增加25％。
图7示例作为半纤维素除去百分比的木材生物量残余物的能量密度增加对指定含湿量而言增加40％。
图8示例作为水百分比的残余物能量密度改变减少。
图9示例具有作为水百分比的75％半纤维素转化率的软木材残余物的能量密度改变减少。
图10示例在三种不同水平半纤维素转化率下(65％、75％和85％)含湿量内的可得到的残余物总能量改变。
图11示例根据本专利文件处理蔗渣的能量平衡流程图。
图12示例根据本专利文件的一个实施方案处理木材的能量平衡流程图。
图13是示例在一系列发酵中使用固定化的发酵微生物用于再生的藻酸钙的乙醇收率。
详细描述
在如下优选实施方案的描述中，参照构成其组成部分的附图，且其中通过示例显示了本发明可以实施的具体实施方案。应理解可以使用其他实施方案且可以在不脱离本发明范围的情况下进行结构性改变。
与可再生能源的一般性含义一致，本文所用的术语“生物量”指活的和近期死亡的生物材料，包括碳水化合物、蛋白质和/或脂质，它们可以转化成用于工业化生产的燃料。作为非限制性实例，“生物量”指植物物质，包括、但不限于倾草、甘蔗蔗渣、谷物秸杆、玉米轴、紫花苜蓿、芒属、白杨木和白杨、可生物降解的固体废物例如死亡树木和分支、庭院剪取物、再循环的纸张、再循环的卡纸板和木片、上述举出的植物物质或动物物质和其他可生物降解的废物。
在浆料和造纸工业中，木材典型地在打浆工艺中得到处理，其中半纤维素和木质素被除去，遗留用于造纸的高价值纤维素产品。在目前已知的方法中，半纤维素不用于纸张加工，除外作为用于黑色液体的小能量贡献者。本专利文件中提出的方法使用木材进料和/或木材废物的半纤维素生产乙醇和其他生物燃料，包括其他醇类，如丁醇。可以将额外的工艺步骤以许多不同方式插入现存的纸浆厂工艺中，以便将新设备中的重要投入降至最低。优选在伐木去树皮和切碎后、但在化学或机械打浆前插入新工艺步骤。
图1示例用于由木材生产乙醇和纸浆的方法。方法100包括典型的化学纸打浆工艺102和104的步骤。在木材调整步骤102中，接收木材，去树皮，切碎，筛选，恰在一般在化学木浆工厂中进行。大部分纸浆厂和森林产品工厂具有一些形式的木材搬运系统。完整的木材批量可以包括用于写下树木的伐木搬运系统、去树皮系统和木材切削系统。通常还使用贮存和回收系统。为了期望增加的浆料质量的打磨而言，切碎是重要的且由此大部分位置都包括木片筛选系统。一些纸浆厂使用预切碎的由卡车输送的木材进料。这些位置还可以包括专用的卡车卸下系统。
图1中所示的木材调整步骤是大部分纸打浆工艺的木材调整步骤102的常见部分。然而，尽管切碎和筛选是调整大部分纸打浆工艺的常见部分，但是它们不是用于本文公开方法的调整工艺的要求。
此外，尽管图1中所示的木材调整步骤涉及的是木材，但是可以使用其他类型的生物量，特别是通常用于纸打浆工业的其他生物量纤维源。如果使用非木材的生物量源，则可能需要不同的调整步骤。
本专利文件中所述的方法还可以使用比在纸打浆过程中典型地使用得多的树木源。例如，称作猪燃料或木材废物的树皮和其他树部分典型地不应用于造纸浆的工艺中，但可以在本文所述的方法的一些实施方案中用于生物燃料和/或乙醇生产。
一旦调整了木材或其他生物量且备用于纸打浆，则可以确定一些或全部碎屑进行额外的工艺步骤的途径，所述额外的工艺步骤如图1中所示插入总的造纸工艺。额外的工艺步骤包括半纤维素除去106，其从生物量中分离半纤维素并且增溶戊糖类和己糖类。然后可以从液体水解产物中的生物量残余物中分离增溶的糖类并且在步骤108中发酵成乙醇或其他生物燃料产品。正如与图2关联的下文更详细描述中解释的，使用至少一种固定在固定化培养基中的发酵微生物物种在步骤108中将分离的液体水解产物中的单糖类发酵成生物燃料。任意适合的固体/液体分离技术都可以用于进行分离。来自步骤106的木质素和纤维素残余物通过常规的纸打浆工艺104持续被制成高价值产品，例如纸张，正如图1中所示例的。然而，在其他实施方案中，可以将木质素和纤维素残余物制成高能量密度燃料或纸浆厂原料。
根据本专利文件的方法的另一个实施方案如图2中所示例。图2中示例的方法10是将生物量纤维源12转化成生物燃料和高价值产品的方法。例如，发酵的生物燃料可以包含醇如乙醇或丁醇。高价值产品可以是纸张、纸浆厂原料或高能量密度产品。生物量可以是任意适合的木质纤维的生物量。更具体地说，生物量包含生物量纤维源，例如木材或甘蔗，其提供用于纸张产品的纤维素纤维的适合的来源。因此，图2中示例的方法10比图1的方法100在其所示的原料及其输出量方面更普遍。因为方法10更普遍，所以可以将其插入或附加入各种现存的商业化生物量分离工厂，包括，例如甘蔗加工厂和纸浆厂，例如图1中示例的纸浆厂工艺。
方法10包括下列步骤：在预处理步骤16中由生物量纤维源生产包含半纤维素水解产物和生物量残余物的液体水解产物；在步骤18中从生物量残余物中分离液体水解产物；在步骤108中使用至少一种在固定化培养基中固定化的发酵微生物物种将分离的液体水解产物中的单糖类发酵成生物燃料；和在步骤20中由生物量残余物生成高价值产品。图1的半纤维素除去步骤106包含图2中的预处理步骤16和固体/液体分离步骤18，正如图2中这两步周围虚线框所反映的。
在另一个步骤14中，生物量纤维源的大小可以被减小，正如在纸打浆工业中应用方面已经解释的(参见图1)。正如本领域技术人员可以从本文描述中理解的，如果以已经适合于方法10中的处理的大小接收生物量纤维源，则无需进一步分筛。
一旦生物量是适合的大小，则通常需要进行一些形式的加工以破坏纤维素、半纤维素和木质素的聚合物网状结构，从而形成生物量结构，由此多糖类可以被还原成单糖类。该方法通常称作如图2的步骤16中所示的“预处理”。设计预处理步骤16是为了减少生物量对其中包含的至少半纤维素的酶或化学糖化的阻力。然而，在一些实施方案中，预处理还可以减少生物量中半纤维素和纤维素对酶或化学糖化的阻力。此外，在一些实施方案中，预处理可以进一步进行并且还负责半纤维素和/或单糖成分的糖化。可以在预处理16中使用许多方法包括例如在压力反应器中由木材或其他生物量生产液体半纤维素水解产物。表1举出了用于在压力反应器中分离和水解半纤维素所必需的适合的温度范围、停留时间和含湿量。
表1.*温度指示饱和蒸汽环境中的密封容器内的压力
试剂可以用于增强预处理的有效性。不同的生物量源可能对添加的不同试剂有更好的响应。试剂可以包括、但不限于：硝酸、磷酸、盐酸、硫酸、二氧化硫和亚硫酸钠。还可以加入减少生物量对半纤维素除去阻力的其他试剂。
除进行压力反应器中的预处理步骤16外，预处理步骤16还可以使用大量其他方法进行，包括酸预水解、蒸煮、碱法、旋转螺旋钻、蒸汽爆炸和球磨。压力反应器的优点在于它不仅释放或提取半纤维素，而且压力反应器还有利于分解半纤维素和同时增溶戊糖类和己糖类，形成半纤维素水解产物。这消除了对添加大量酶的需求。
一旦半纤维素从生物量中释放且单糖类增溶，则可以开始发酵。尽管发酵可以在生物量残余物内进行，但是优选通过固体/液体分离和/或从生物量残余物中洗涤在步骤18中分离糖类，然后在步骤108中在原位外发酵。包含半纤维素水解产物的液体水解产物的优选发酵方法描述在美国临时专利申请顺序号US 61/233,821和美国临时专利申请顺序号US 12/856,566中，将这两篇文献的内容引入本文参考。一旦糖类被发酵成液体生物燃料，则可以通过常规的蒸馏和脱水工艺将它们改进成纯的无水燃料。
从生物量残余物中回收糖类优选通过固-液分离进行。例如，如图2中所示，固体/液体分离步骤18可以用于从生物量残余物中回收糖类。可以使用许多方法进行固/液分离，包括、但不限于离心或压制。优选可以使用水压机进行压制。然而，可以使用许多类型的机械或机器压制机。例如，可以使用机械压制，例如常规的螺旋压榨机、液压机械的压制机、空气轮胎压制机或任意其他类型的可以施加必需压力以从纤维素/木质素残余物中除去半纤维素的压制机。压制机可以具有一定范围的压出半纤维素水解产物的可能输出功率和构造。优选压制机可以产生至少约10.5kg/cm2-约21.1kg/cm2。在其他实施方案中，期望压制机是否可以产生至少约1,410kg/cm2。
压制具有额外的优点，因为生物量残余物(此时包含纤维素和木质素)作为煤的替代物可能更有价值，条件是其密度可以最大化且其含湿量降至最低，由此增加其能量密度。就纸浆厂原料而言，对水份或密度没有要求，但将纤维损害降至最低是重要的。在变量中基于其纤维长度、而不是含湿量测定浆料质量。然而，如果制成高能量密度燃料替代物而不是纸浆，则减小含湿量是重要的因素。
因此，最终在于使用生物量残余物的终产物可以确定用于固/液分离的压制机的大小和类型。例如，如果生物量残余物最终用于生成制造纸张产品、卡纸板或纤维板的纤维素和/或木质素纤维，则较低压力例如10.5kg/cm2-约21.1kg/cm2可以有利地将对纤维素纤维的损害降至最低限度。在将生物量残余物转换成高能量密度燃料的过程中，较高的压力可以用于将含湿量降至最低，与纤维质量无关。作为结果，期望使用约1,410kg/cm2乃至更高的压力。然而，在其他实施方案中，可以使用10.5kg/cm2-约21.1kg/cm2范围内的压力，因为生成这些类型压力的压制机易于得到且与能够生成约1410kg/cm2压力的压制机相比相当低廉。例如，生成约10.5kg/cm2-约21.1kg/cm2压力的压制机通常在酒和橄榄油工业中使用以分别压制葡萄和橄榄。
当甘蔗蔗渣用作水解产物从其中压出作为生物量时，纤维条件一般并不重要，除非生物量残余物用作铸造厂原料。然而，当来源于蔗渣的生物量残余物用作高能量密度燃料替代物时，含湿量是重要因素。因此，非较低压力的较高压力可能是进行固/液分离步骤108的目的期望的。
压制也是有利的，因为它减少了固液分离前来自洗涤水的稀释。洗涤水可以用于辅助水解产物从生物量中分离。然而，洗涤水会稀释糖蒸汽且由此降低发酵水解产物中的乙醇浓度。如果使用洗涤水，则可以通过使用蒸发器或类似机器减少糖蒸汽稀释以降低水解产物中的含水量。从蒸发中回收的水可以再循环入随后的洗涤过程。添加蒸发作为工艺步骤增加了从发酵中产生的水解产物的糖浓度和乙醇浓度且由此降低了蒸馏成本。
一旦从生物量中分离了单糖类，则有大量可以用于发酵步骤108中将生物量水解产物的单糖类转化成乙醇或其他生物燃料的微生物存在。例如，如果生物量水解产物包含纤维素水解产物，以便包括葡萄糖(是己糖)，则水解产物中的葡萄糖可以被许多酵母菌株发酵，包括啤酒糖酵母(传统的贝克酵母菌)和马克思克鲁维酵母等。
另一方面，如果生物量水解产物包含半纤维素水解产物，则该水解产物会包括戊糖类的木糖和阿拉伯糖和较低浓度的己糖类，除外软木材水解产物的情况。就软木材半纤维素的情况而言，己糖的甘露糖是主要的糖且戊糖的木糖是次一级最丰富的。可以将半纤维素水解产物中发现的戊糖类和己糖类的组合转化成生物燃料例如乙醇的微生物并非如对纤维素水解产物得到的那些一样丰富。为了将来自半纤维素水解产物的糖类转化成乙醇，优选使用可以发酵5-碳和6-碳糖类的微生物，使得所有可得到的半纤维素水解产物的糖类成分可以被转化成乙醇或其他生物燃料。如果生物量水解产物包含纤维素水解产物和半纤维素水解产物的组合，则上述结果同样是确切的。可以发酵己糖类和戊糖类的微生物可以来源于管囊酵母属、克鲁维酵母菌属、毕赤酵母属和假丝酵母属。嗜鞣管囊酵母优选用于发酵包含半纤维素水解产物的液体水解产物。特别地，当固定化时，已经发现嗜鞣管囊酵母有效地发酵由软木材生产的半纤维素水解产物。
除固定化的酵母外，固定化的细菌也可以用于发酵生物量水解产物中的己糖和戊糖。例如，重组细菌运动发酵单胞菌(NREL重组体8b)可以用于发酵由软木材、硬木材和/或草本来源生产的半纤维素水解产物。
具有互补代谢特性的微生物也可以在步骤108中的同一发酵工艺中合并，以使其互补特性和能力得到共同应用，例如互补己糖和戊糖的发酵能力或互补的代谢速率。例如，因为重组体发酵单胞菌属不能发酵甘露糖即包含在软木材水解产物中的最普遍的糖，所以优选使用能够在用于发酵软木材水解产物时有效地发酵己糖的甘露糖得到乙醇或另一种生物燃料的互补酵母或细菌与重组体运动发酵单胞菌配对。另一方面，就甘蔗蔗渣而言，其中水解产物主要包含木糖和葡萄糖，无需另一种微生物来辅助重组体发酵单胞菌属来进行令人满意的包含的糖类的发酵。
其他微生物的组合也是可能的，包括共同配对的不同细菌、共同配对的不同酵母、共同配对的各种酵母和细菌或同时配对或组合的具有互补特征的任意数量的微生物，包括同时使用任意数量的微生物。然而，但当组合的微生物的数量增加时，其能力开始显著重叠且由此降低了另外的微生物的添加价值。
根据使用的生物量和处理的不同，预处理和水解步骤16可以由生物量产生木糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖形式的可溶性糖类，以备用于步骤108中的发酵。然而，对发酵步骤108具有抑制性的其他二次产物也由生物量产生或从其中提取。在将生物量转化成可发酵的己糖类和戊糖类的发酵抑制剂的浓度将根据生物量的来源和用于预处理和水解步骤16的丰富的不同而改变。例如，乙酸通过从半纤维素上裂解乙酰基产生。此外。一些戊糖类和己糖类因脱水成糠醛和HMF而降解。酚类和多酚类化合物(共同地称作“酚类化合物”)也因木质素降解而形成。尽管生成的酚类化合物、糠醛、HMF和乙酸都是潜在有价值的化合物，但是它们也是发酵抑制剂，并且可以防止或抑制发酵，特别是在其浓度增加时。
此外，糠醛和HMF降解产生乙酰丙酸、乙酸和甲酸，这些甚至是更有效的发酵抑制剂。从木材半纤维素水解和伴随的木质素降解产生的酚类和多酚类化合物包括愈创木酚、香草醛、苯酚、香草酸、紫丁香酸、水杨酸、龙胆酸等。已知许多这些化合物例如香草醛和香草酸抑制微生物酵母例如管囊酵母属和糖酵母属的生长和/或使用其发酵。
除由半纤维素成分降解形成二次产物外，还可以在预处理和水解步骤16过程中通过预处理和/或糖化条件从生物量中提取其他分子。这些提取的化合物也可以抑制酵母和其他视为例如细菌中的代谢过程，包括发酵。
此外，在半纤维素水解产物中发现金属阳离子包括钙、铝、钾和钠，且重金属可以因水解导致的金属容器降解存在。这种金属阳离子的存在也可以抑制上述一些浓度。
正如从上述讨论中显而意见的，生物量水解产物中微生物所经历的环境于所定义的人造培养基完全相反，在所定义的人造培养基中，所有或大部分这些另外的抑制剂不存在或以实验方式一次加入一种以研究其效果。实际上，在生物量水解产物中，上述各种抑制性化合物等可以共同起协同作用，使得非抑制量的一些化合物可以在一种或多种另外的化合物的存在下变成抑制性的，所述的一种或多种另外的化合物也低于其相应的各抑制性浓度。
因为许多二次产物可以在其浓度增加时降解发酵过程，所以将生物量转化成乙醇的在先方法已经使用了昂贵的调整步骤以从水解产物中除去或降低抑制剂浓度，然后发酵。糠醛、HMF和乙酸乙基酚类是最常见发现的生物量水解产物中的抑制剂。0.2-5.0g/L糠醛、0.2-6.0g/L HMF和3.0-10.9g/L乙酸的水平被视为常见且可以显著减少或防止发酵。同样，0.1-10g/L的酚类的浓度是常见的且可以是抑制性的。常用于通过降低HMF和糠醛浓度改善水解产物毒性的方法是通过使用氢氧化钙“过度石灰处理”调整pH。过度石灰处理是这样一种过程，其中以超过pH调整所必需的加入石灰。然而，在以石灰过度处理后，高水平的抑制剂可能仍然存在。此外，过度石灰处理妨碍了来自水解产物的具有高价值的二次产物回收。
为了处理在生物量水解产物中通常发现的高水平抑制性二次产物的可能性-例如可以抑制游离态的发酵微生物的水平-发酵步骤108过程中，可以固定发酵微生物，且更优选固定在藻酸钙中。固定赋予微生物对抑制剂的抗性增加且由此提高了发酵效率。例如，在藻酸钙中固定显著地降低了酵母嗜鞣管囊酵母对软木材水解产物中包含的抑制剂的易感性。优选用于固定微生物的藻酸钙或其他物质是具有高表面积的形式，例如珠、海绵或筛网形式。
固定微生物是附着不同固相上或包含在不同固相中，例如藻酸钙，其允许底物、产物、抑制剂等与微生物交换，而同时从整个生物量水解产物环境中分离微生物。因此，包围固定化的微生物的微环境不一定与其游离细胞对应物所经历的相同。作为结果，例如，本专利文件教导了固定嗜鞣管囊酵母和在半纤维素水解产物中发现的抑制剂的存在下、甚至在可以抑制游离态发酵微生物的浓度下发酵戊糖类和己糖类的方法。
通过在发酵步骤108过程中固定发酵微生物，调整生物量水解产物以降低抑制性二次产物的浓度乃至可能完全将其除去的需求得到显著改善。这是因为将抑制性二次产物的浓度降至使用游离微生物发酵所必需的水平得以消除。因此，正如图2中反映出的，降低抑制剂浓度的调整步骤22是任选的步骤。
在降低抑制性二次产物浓度的调整步骤22中调整生物量水解产物仍然是期望的，其中，例如二次产物的浓度(分别的或组合的)甚至足以高至干扰固定化的微生物对糖类的发酵。然而，在这种情况中，抑制性二次产物的浓度一般无需降至与使用游离微生物发酵所必需的相同水平，且由此可以使用严格程度较低和成本较低的调整工艺。为了补偿与总发酵工艺相关的成本，可能期望通过图2中的任选的高价值二次产物回收步骤24回收具有高价值的二次产物。然而，在从生物量水解产物中部分取出(和可能的回收)二次产物后，特别是考虑到抑制剂的协同作用特性，这些产物的浓度在水解产物中仍然保持充分升高至干扰糖类被游离态发酵微生物发酵成乙醇或其他生物燃料。因此，固定化的发酵微生物在发酵步骤108中的应用甚至在使用任选的调整步骤22降低生物量水解产物中包含的二次产物浓度时也是极为有益的。
在一些情况中，还期望甚至在抑制性二次产物浓度不足以抑制固定化的微生物发酵时进行调整步骤22，其中，例如二次产物具有高价值且由此期望通过高价值产品回收步骤24单独回收高价值二次产物。例如，这是期望的，其中所回收的高价值二次产物的净价值可以用于补偿且由此降低与总发酵过程相关的成本。
有许多进行调整步骤22以降低抑制性二次产物的浓度的方法。使用不同的调整步骤22的方法将导致不同浓度的抑制性二次产物保留在水解产物中。为调整步骤22选择的调整方法可以依赖于各种因素，包括发酵过程中使用的微生物对抑制性二次产物的敏感性、成本和在回收步骤24过程中是否期望回收高价值二次产物。微生物敏感性越强，则约期望在步骤22中调整水解产物的过程中降低来自生物量水解产物的抑制性产物的浓度。然而，固定发酵微生物将降低微生物对抑制性二次产物的敏感性且由此可能在调整步骤22过程中降低复杂性和成本。可以在降低二次产物浓度的调整步骤22中使用的一些调整条件方法包括、但不限于：1)对水解产物过度使用石灰处理；2)活性炭(AC)处理、然后是pH调整；3)离子交换、然后是过度石灰处理；4)AC处理、然后是离子交换；和5)AC处理、然后是纳米过滤。
在调整步骤22过程中，可以如图2中所示作为任选的步骤24进一步回收在分离时具有高价值的抑制性二次产物。可以在步骤24中从水解产物中回收二次产物，然后用于其他目的。来自固-液分离18的水解产物包含许多高价值二次产物，包括、但不限于用于预处理工艺16的无机酸，例如硫酸、从半纤维素聚合物水解的乙酸、从部分木质素水解中释放的抗氧化剂分子(酚类和多酚类化合物)、其他有机酸、保健食品、药物化妆品或药物产品和不同的呋喃类和呋喃衍生物例如5-羟甲基糠醛和糠醛。高价值二次产物回收24可以通过吸附在不同基质上进行，包括活性炭、离子交换树脂、离子交换膜、有机分子“清除”树脂、聚苯乙烯珠或另一种这样的具有高表面积的培养基。高价值二醇产物回收24还可以通过经从可溶性己糖类和戊糖类中分离进行，所述的分离通过离子排斥色谱法、高效液相色谱法或过滤法进行，包括使用中空纤维或膜技术的显微过滤、纳米过滤和超滤。高价值二次产物回收24可以包括串联的几种上述方法以回收不同的分子种类。此外，可以定制回收方法24以根据原料生物量的性质回收特定的二次产物。回收高价值的二醇产物24还为发酵过程26提供了益处，因为许多回收的二次产物(乙酸、呋喃类及其衍生物、酚类和多酚类化合物、乙酰丙酸、甲酸等)对酵母和细菌将糖类发酵成乙醇而言是抑制性的。因此，回收高价值二醇产物24既增加了整个工艺的经济性，又使得戊糖类和己糖类的发酵26更有效。
甚至在部分回收许多高价值产物24后，这些产物的浓度仍然保持升高且考虑到抑制剂的协同作用特性，它们足以干扰糖类到乙醇的发酵26。为了更有效地发酵从生物量残余物中分离的己糖类和戊糖类和高价值产物，可以固定化发酵微生物。固定赋予微生物对抑制剂的抗性增加且由此提高了发酵效率。例如，在藻酸钙中固定化显著降低了微生物例如酵母酵母嗜鞣管囊酵母对软木材水解产物中包含的抑制剂的易感性。优选用于固定微生物的藻酸钙或其他物质是具有高表面积的形式，例如珠、海绵或筛网形式。
一般而言，可以固定微生物以在步骤108中使用许多不同的方法发酵生物量水解产物。可以使微生物固定化在基质材料上，或更优选通过俘获在基质材料中固定。例如，可以通过使用滴加成形法俘获固定化微生物。得到的珠可以具有不同大小并且具有不同的孔径。例如，珠可以是0.1mm-5mm直径，更优选珠可以具有2mm-3mm直径，且更优选珠具有约3mm直径。
滴加成形法可以通过许多方法强化。可以将珠硬化至不同程度且它们可以具有为在反应器中经受剪切力和减少细胞损耗涂敷的涂层。例如，如果使用藻酸钙，则可以干燥珠以增加压制应力。还可以通过戊二醛处理硬化珠或给珠涂敷不含催化剂的聚合物以增强其稳定性。可以给珠再涂敷平坦的藻酸盐作为双层以增强其凝胶稳定性。此外，珠可以具有聚丙烯酰胺涂层以增强其结构稳定性。还可以给珠涂敷共聚物丙烯酸树脂以增加扩散并且减少细胞渗滤。类似地，可以向成形法中插入其他步骤以增强基质的效力。
用于改善固定化的微生物的效力的其他技术包括一旦形成则增加微生物/固定化培养基混合物的表面积。例如嗜鞣管囊酵母/藻酸钙或其他微生物/藻酸钙混合物可以作为涂层涂敷于天然或缓冲的高表面积支持结构上。在一种实施方式中，支持结构仅需要能够支持微生物/固定化培养基和自身。例如，支持结构可以包含陶瓷海绵状物、蜂巢状物、反应器填充材料或其他支持结构，以在涂敷时增加表面积/微生物/固定化培养基。还可以或在可替代选择中将该混合物涂敷于部分反应器表面上例如混合装置的壁或表面上。
除通过俘获固定化外，还可以通过其他方法固定化微生物，包括吸附、交联或通过能够提供微生物的微环境的任意其他方式固定化。
各种不同材料可以用于固定化微生物。如果使用俘获藻酸钙固定化微生物，则可以优选使用来自褐藻类(海藻)的天然产物。然而，其他材料，既可以是天然的也可以是合成的，也可以用于使用俘获法固定化微生物，包括角叉菜胶、黄原胶、琼脂糖、琼脂和丝瓜、纤维素及其衍生物、胶原蛋白、明胶、环氧树脂、光交联树脂、聚丙烯酰胺、聚酯、聚苯乙烯和聚氨基甲酸酯。
可以用于使用吸附或其他固定化方法固定化微生物的其他材料包括硅藻土、木材、玻璃陶瓷、塑料、聚醋酸乙烯酯和玻璃棉。
当合并具有互补特性的微生物时，可以在同一固定化媒介物中合并微生物，或可以单独固定化微生物并且将单独固定化的微生物在同一发酵反应器中合并。例如，如果将藻酸钙珠用作固定化媒介物，则可以在同一珠中合并不同的互补微生物。作为一个实例，为了将包含糖类甘露糖、半乳糖、葡萄糖和木糖的软木材水解产物有效地发酵成乙醇，可以将葡萄糖和木糖发酵成乙醇的运动发酵单胞菌NREL菌株8b与将甘露糖和半乳糖发酵成乙醇的啤酒糖酵母合并入单一珠产品。在这种方式中，不同微生物物种的有利的发酵特性被合并在单一珠产品中。
或者，可以制备包含各微生物的单独的珠，然后在发酵反应器中合并这些珠。例如，可以通过合并具有互补己糖和戊糖特异性、代谢速率等的不同微生物物种组成的珠将己糖类和戊糖类发酵成燃料。在另一个实例中，在单独的反应器中固定化不同的微生物，然后使生物量水解产物通过各反应器以使生物量水解产物接触各微生物。此外，可以将不同固定化方法合并不同的微生物。
固定化微生物的许多优点之一在于微生物变得更稳定且生物反应器以连续方式而不是分批方式运转。以连续方式运行反应器因效率原因是有利的，而微生物在长期使用后可能开始失去代谢效力。为了恢复代谢效力，可以定期用酵母生长培养基处理固定化的微生物。例如，可以定期用酵母生长培养基处理在藻酸钙中固定化的嗜鞣管囊酵母以恢复代谢效力。
微生物固定化的另一个优点在于微生物生物量可以更好地保留在连续发酵反应器中。在涉及高流速的连续发酵中，例如在圆筒形的上流反应器连续运行过程中经历的连续发酵中，游离细胞趋向于清除，由此降低了发酵反应的发酵速率。固定减少或防止了在高流速恒流反应器中的清除。
固定化微生物的另一个优点在于在连续发酵过程中得到高生物量浓度的能力。作为一个非限制性实例，在柱式上流反应器中，超过一半、优选约三分之二至约四分之三的反应器体积由珠材料组成，而其余的是颗粒间空隙，此时发酵微生物被固定化在约2mm-3mm直径的珠中。就使用酵母作为发酵微生物的情况而言，如果5％的珠体积是酵母生物量，则反应器有效地包含约3.3-3.75％体积的酵母生物量，这对发酵罐而言是相对高的酵母浓度。
通过俘获在混悬液中游离细胞上的藻酸钙中进行酵母和细菌固定化的其他有益性包括：更大的乙醇容量，可能是因细胞膜组成中的改变所致；更大的特定乙醇产量、因葡萄糖吸收增加和溶液中溶解的CO2减少导致的乙醇产率增加；和细菌的耐热性增加。
如上所述，存在大量实际固定化微生物的方法。在一个在藻酸钙中固定化嗜鞣管囊酵母的实施方案中，最初将微生物固定化在藻酸钠中，然后转换成藻酸钙。当指定量溶于水溶液时，藻酸钠可以具有不同的粘度。不同藻酸钠产品的粘度范围在100或200mPa，至甚至高达1236mPa。在一个优选的实施方案中，具有约324mPa的中-低粘度的藻酸盐用于生产珠，不过，具有不同粘度的藻酸盐可以用于不同生物量水解产物或固态发酵物。
通过将0.05-10％或优选约3.5％(w/v)藻酸钠加入到去离子水中制备藻酸钠。或者，可以将藻酸钠溶于生长培养基、包括生物素的维生素混合物或补充了维生素的生长培养基或包含生物素的天然溶液。最初的藻酸钠浓度依赖于生产珠所需的终浓度和通过与浓微生物淤浆混合加入的体积。
为了使一些藻酸钠制品制成溶液，可以加热该混合物并且在搅拌板上搅拌。该方法适合于生产较小实验室体积的藻酸钠，但对大体积吸引力较低。此外，加热藻酸盐聚合物可能导致一定量的藻酸盐水解且由此改变藻酸盐溶液的特性，包括其粘度。作为结果，可能期望使用无需加热而形成溶液的藻酸钠制品。在不能为增溶加热藻酸盐、也不能为灭菌对其进行高压灭菌的实施方案中，可能期望用化学灭菌剂处理藻酸盐或期望用紫外光照射藻酸盐进行灭菌。
可以将细胞在其相应的培养基中培养，并且通过离心沉淀。或者，可以使管囊酵母属或其他发酵微生物菌团在至少10L或更优选至少200L乃至更优选至少2000L生物反应器中增殖至约1-约20克湿团/升生长培养基浓度。然后使用例如正切流动过滤装置浓缩得到的生物量以产生20-70％管囊酵母属细胞的湿团淤浆。这项技术特别充分适合于生产具有其中固定化的一种或发酵微生物例如管囊酵母属的大体积藻酸钙珠。
浓缩后，然后回收浓缩的细胞并且与藻酸钠培养基充分混合。混合藻酸盐与微生物细胞可以在与用于再混悬藻酸盐或单独的装置相同的装置中进行。混合持续至混合物均匀为止。混合微生物与高粘度藻酸钠溶液需要不剪切微生物的混合方法，例如交互式盘式搅拌机。使细胞进入藻酸钠是生物体和底物依赖性的。例如，水解产物中嗜鞣管囊酵母的适合的靶载量至少是5g细胞/100mL藻酸钠培养基。
通过将藻酸钠培养基/细胞挤压入无菌氯化钙溶液生产藻酸钙。具有连带的无菌18G针头的蠕动泵和灭菌的Master-flex Bulk-PackedSilicone Tubing用于挤压法。整个方法优选在无菌条件下进行。在一个可替代选择的更适合的实施方案中，如果期望生产大量固定化的微生物珠，则无菌96孔19号针头装置可以用于替代18号针头。然后可以通过挤压和重力落下生产珠。其他方法可以包括所谓的JetCutter以由藻酸盐/微生物淤浆的连续蒸汽生产珠。由连续蒸汽生产珠的其他改进包括使用静电引力产生小滴、使用振动产生小滴、使用空气产生小滴和使用旋转盘式喷雾器等。
为了使钠离子与钙离子进行交换以进行藻酸盐聚合，使珠滴落入包含氯化钙的溶液。在一种方法中，还用去离子水制备0.22M二水合氯化钙溶液以接收藻酸钠/微生物混合物。可以为灭菌目的对藻酸钠培养基和氯化钙溶液高压灭菌。可以将珠保持在4℃下在氯化钙溶液中约60分钟至硬化。一旦珠硬化，则优选用无菌去离子水将它们冲洗几次。在一个优选的实施方案中，使珠滴落入包含0.1-0.25M氯化钙的无菌生长培养基。该生长培养基还可以包含不同的维生素或生物素。在约30分钟硬化后，可以即刻在发酵中使用珠或可以将其贮存在4℃至使用为止。当在这种生长培养基中进行硬化时，无需在使用前或在贮存前冲洗珠。
在一些实施方式中，还期望再循环固定化过程中的成分。用于将微生物固定化在珠中或支持结构上的固体藻酸钙可以分层、粉碎、剪切、否则就是在延长使用后物理降解。此外，微生物/藻酸钙混合物还可以通过反复使用变降解和脱色，这是因俘获污染物例如提取物、微生物抑制剂和其他材料所致。结构降解，无论是因物理和/或化学降解都影响发酵工艺的性能。为了克服这种降解的不良效果，新或新鲜的微生物/藻酸钙混合物可以用于生物反应器中以改善反应器性能。然而，频繁地替代混合物在与藻酸钙生产相关的材料成本方面可能是不经济的，而且归因于损耗微生物的成本。
图3示例再循环用于微生物固定化方法的藻酸钙的方法140。例如，就在藻酸钙珠中固定化的嗜鞣管囊酵母的情况而言，可以回收来自用于固定化微生物的珠的藻酸钙并且使用方法140再循环。在方法140中，用与一价离子150复合的钙螯合剂，例如柠檬酸钠或柠檬酸钾解离降解的微生物/藻酸钙混合物148。方法140的步骤150解离了藻酸盐并且释放了微生物(细菌或酵母细胞)。在方法140的一个优选的实施方案中，步骤150伴随在室温在具有pH 8.2的20g/L柠檬酸钠或柠檬酸钾中搅拌微生物/藻酸钙混合物15分钟。
一旦微生物释放且藻酸盐解离，则在步骤152中过滤溶液以除去大颗粒和微生物(细菌或酵母细胞)。然后在步骤154中对钠盐156例如氯化钠透析过滤的溶液，以除去柠檬酸钙、提取物和可溶性微生物抑制剂158。用无机盐例如氯化钠对得到的过滤的溶液透析再生了藻酸钠。将毒性物质作为废蒸汽160除去。在透析过程中浓缩藻酸钠，然后再用于生产如上所述的步骤142、144和146中的藻酸钙。在一个优选的实施方案中，藻酸钠用于将嗜鞣管囊酵母固定化在如上述方法教导的藻酸钙珠中。
可以使用许多方法进行发酵。如果固定化微生物，则可以从生物量残余物中除去水解产物，在原位外发酵。如果微生物是游离的，则发酵可以在原位外进行或生物量残余物内进行。尽管固定化微生物是优选的发酵方法，但是无需固定化且可以使用′游离′微生物进行发酵。可以用于发酵半纤维素水解产物的游离微生物的一个实例是运动发酵单胞菌(NREL重组体8b)。如上所述，运动发酵单胞菌(NREL重组体8b)可以用于在固态发酵中发酵5-碳和6-碳糖类。
各种生物反应器设计包括传统的非搅拌式发酵罐或搅拌式发酵罐可以用于使用游离或固定化微生物发酵生物量水解产物。反应器可以是浸入式反应器或其他类型的液体反应器。为了提供最高收率，优选浸入式反应器发酵5-碳糖类。
就固定化的微生物而言，可以使用填充床反应器或可以使用类似于用于金采矿工业中的碳化复原方法的储量系统。在后者中，珠可以逆流运动至溶液流并且易于回收再生。薄膜反应器也可以与固定化的微生物一起充分工作。
此外，固/液接触器可以与固定化的微生物一起使用。这些类型的反应器包括离子交换柱、填充床反应器、滴流式反应器和旋转接触器。其他可以使用的反应器是流化床和上流型反应器。
如果使用俘获固定化法，则可以使用许多不同方法将微生物掺入生物反应器。除珠外，还可以将基质/微生物凝胶涂布于支持结构以增加有效的表面积。这些构造可以包括用于搅拌槽型反应器的涂布桨结构、旋转接触器和薄膜反应器。还可以将微生物掺入大三维开室支持物以用于滴流反应器或流化床和上流反应器。
基于固定化的微生物的生物反应器提供超过′游离细胞′系统的几个优点。一个优点在于使用连续发酵系统的可行性增加。固定化确保无细胞团损耗，例如随分批发酵发生。连续发酵比分批发酵减少了生产故障时间。
一旦在生物反应器中发酵乙醇，则可以蒸馏该生物反应器。使用如图1中所示的正常浆料加工步骤104将目前主要缺乏半纤维素的生物量残余物持续压制成高价值产品，例如纸浆和纸张产品，或如图2中反映出的压制成固体生物燃料产品或纸浆厂原料。
除从是造纸工艺组成部分的木片提取半纤维素外，还可以将来自木材废物如树皮和分支的半纤维素转化成生物燃料例如乙醇。典型地，浆料和纸浆厂具有用于猪燃料(废木材)燃烧和蒸汽产生的蒸煮器。蒸汽用于辅助浆料或纸浆厂的动力。猪燃料可以是树皮、来自工厂在特殊纸张中不需要的其他木材的木片和来自采集的砍枝(枝条、针状物、叶)。
根据本发明的一个实施方案，可以首先加工猪燃料以除去半纤维素，然后将其输送至猪燃料蒸煮器。然后将来自猪燃料的半纤维素转化成乙醇或其他生物燃料。在该实施方案中，猪燃料可以通过其自身加工或与用于造纸浆的木片合并。使用猪燃料用于半纤维素提取的一个优点在于它减少了预加工最终变成纸张或纸浆的碎屑的担忧。将废材的半纤维素加工成生物燃料增加了研磨机的能量产生，而不影响任何用于纸张产品的材料。
图4示例由木材生产乙醇和纸浆的方法。方法200与方法100类似，除外使用纸浆厂的原始设备的方式。在方法100中，如图1中示例的，将新设备加入纸浆厂，以除去半纤维素并且将糖类发酵成乙醇或其他生物燃料。在图4中，纸浆厂的原始设备用于进行半纤维素分离206和除去210。在方法100和200中用新设备进行发酵。
在方法200中，生物量通过与方法100中相同的木材调整步骤202。不同于方法100中，在方法200中，其中调整条件的木材被输送至新加入的主要设备，调整条件的木材被输送至相同的消化器206，可以正常地被输送至纸打浆工艺。步骤206中的消化器仅用于分离半纤维素，而不是执行其在纸浆化学加工中的正常功能。
目前包含增溶的糖类的生物量和分离的半纤维素水解产物然后在步骤210中被输送至相同的液体分离器，它可以正常地用于分离出黑色液体。而半纤维素水解产物的增溶的糖类被除去并且被输送至步骤212中的生物反应器被发酵。剩余的生物量残余物在步骤208中被输送入纸浆厂加工。
在方法200中，相同的物理设备分别用于步骤206和208以及步骤210和214。通过使用相同设备，现存的纸浆厂适合于以主要的投资由半纤维素生产乙醇。
图5示例制造乙醇和固体生物燃料的方法。作为纸浆厂额外添加的方案的另一种可替代选择可以使用如图5中所示的实施方案作为独立的系统，它能够处理森林材料以生产乙醇和固体木质素/纤维素产品，这种固体木质素/纤维素产品适合于作为蒸汽或发电的煤替代物，或者是作为浆料的备用原料。这种方法的该实施方案还可以配属在现存森林产品的位置，其中已经存在几个关键的加工单元操作，例如木材工作场和去树皮和切削系统。该方法可以处理废物例如锯末屑或新鲜的木片。这种方法还适合于其他草本植物，例如倾草和芒属以及农业废料例如谷物秸杆和玉米轴以及甘蔗蔗渣。
如图5中所示，木材调整步骤302、304和306与方法100和200中相同。此外，与方法100和200类似，方法300水解半纤维素，然后在步骤308中从生物量残余物中分离半纤维素水解产物。然后半纤维素水解产物中发现的5和6碳糖类被发酵，在步骤310中蒸馏成乙醇或其他生物燃料。然而，在实施方案300中，包括纤维素和木质素的生物量残余物被送入高压压制机并且作为固体生物燃料产品低价出售，而不是被输送转化成纸浆。或者，固体生物燃料产品可以作为纸浆备用原料出售给纸浆厂。
如上所述，可以通过使用步骤308中的压制机从生物量中分离从半纤维素增溶的5和6碳糖类。相同的压制机乃至相同的压制步骤可以用于在步骤312中压制纤维素和木质素。
方法300由纤维素木质素残余物生成高能量密度生物燃料，而不是造纸浆。所压制的纤维素和木质素残余物因许多原因而成为有利的产品。这种产品不仅具有作为燃料替代物的价值，而且可以在纸打浆工业中重新出售以便进一步加工成纸张。使用压制机减少了废水量且由此增加了乙醇浓度和压制的生物燃料的能量密度。此外，在纤维素/木质素残余物中低含湿量增加了产品的能量密度并且使其更有效地运输。
表2列举出了木材中半纤维素、纤维素和木质素的典型范围。表3列举出了各自的典型相对能量密度。
表2.
表3.
作为方法300中的任选步骤，来自步骤304中的除去的树皮可以被压回入步骤314中的纤维素木质素残余物，以变成固体生物燃料产品的组成部分。
因为半纤维素构成15％-35％的木材来源，且半纤维素的能量密度低于其他木材成分的合并能量密度，所以除去半纤维素会增加纤维素/木质素残余物的总能量密度。通过半纤维素除去从木材中除去的能量被保留在最终的乙醇产品中。图6示例作为半纤维素除去百分比的生物量残余物中的能量密度增加就指定25％的含湿量而言增加。
可以从图6中观察到，当除去0％-100％的半纤维素时，残余物的能量密度从0％升至5％。
图7示例与图6相同的原理，但更具体地用于具有40％恒定含湿量的预处理木材残余物。与图6类似，图7显示当更多的半纤维素被转化和除去时，因与木质素相比半纤维素的能量稀释效应导致的残余物的能量密度增加如何。在40％水份和75％HC转化率下的基础能量密度是11.40MJ/kg。
尽管半纤维素除去会增加生物量残余物的能量密度，但是水在确定生物量残余物的能量密度中起显著作用。生物量残余物产品因半纤维素除去而可以获得5％的能量密度增加。然而，生物量残余物产品通过水和体积减少已经减少了22.5％重量。因此，最终压制的残余物的能量密度高于原始木材。图8示例当水的百分比下降时，残余物的能量密度改变如何。
与图8类似，图9示例就具有75％半纤维素转化率的木材残余物而言，在水的百分比下降时，残余物的能量密度增加如何。当含湿量增加时，残余物的能量密度下降。残余物中更多的水等于在蒸煮器中将其除去所需的更多的能量。在40％水份和75％HC转化率下的基础能量密度是11.40MJ/kg。其他生物量残余物在类似半纤维素转化率水平下显示类似的特征。
图10示例与在三种不同水平的半纤维素转化率(65％、75％和85％)下含湿量范围内的生材相比，可得到的残余物总能量改变。来自在50％水份下预处理的生材的基础能量是8.77MJ/kg。在75％HC转化率和40％水份下的预处理木材的基础是11.40MJ/kg残余物，其代表了输入蒸煮器的总能量减少为14.0％。这是因残余物的重量减少33.9％所致。1吨生材(50％H2O)提供8,766MJ，而来自其中的预处理的残余物仅提供7,541MJ(40％H2O)。降低含湿量减少了因除去半纤维素导致的能量损耗影响。能量密度通常是最重要的因素，而不一定是总贮能量。蒸煮器以固定化的进料速率和固定化的烟道气流率运转。水越少且能量密度越高，则可以从蒸煮器输出的能量越多。最终，更多的木材或木材替代物(气体或油)需要燃烧以补充能量损耗。
优选生物量残余物产品具有约90％除去的半纤维素和约25％的含湿量。可以得到其他半纤维素除去的百分比和含湿量。优选从生物量残余物产品中除去尽可能多的半纤维素和尽可能多的水份。这种产品是富有吸引力的煤替代物或可以销售给纸浆厂以进一步加工成纸张。
本专利文件中的方法的优点之一在于这些方法从传统的木材打浆循环中除去了其他低价值产品，从而生产了高价值的液体生物燃料。因为纸浆厂已经拥有了大部分涉及从生物量中分离半纤维素的额外步骤的设备，所以给现存的工厂添加生产生物燃料的能力的主要和运行成本可以低于实施其他相差无几的木材-乙醇工艺的成本。这些方法的简易性和打浆改进的可能性使得这些方法对打浆工业而言极有吸引力。此外，半纤维素糖类作为单体被提取且由此几乎不必需要酶。
图11和12分别示例除去半纤维素并且将其转化成生物燃料例如乙醇的实施方案的能量流程和对蔗渣和木材生物燃料源不除去半纤维素的能量流程。
如下实施例显示了本专利文件应用于杀灭甲虫的松树的一个实施方案的应用。就本实施例的目的而言，将嗜鞣管囊酵母固定化在具有约3mm直径的藻酸钙珠(使用上述方法生成)中或使其处于游离细胞状态。下表4和5概括了乙醇收率以及从根据本实施例使用的反应器设计得到的葡萄糖和木糖转化率的改善。
本实施例显示了就在两种不同软木材水解产物(′A′和′B′)中藻酸钙固定化的嗜鞣管囊酵母而言乙醇收率以及葡萄糖和木糖转化率超过游离(即无限制性的)嗜鞣管囊酵母的改善。调整水解产物的pH或用过量石灰处理和调整pH。嗜鞣管囊酵母菌株NRRL Y2460用于进行本实验；然而，其他适合的或突变的嗜鞣管囊酵母菌株也可以固定化在藻酸钙中并且用于本专利文件的方法中。
通过稀酸水解经松树转化成软木材水解产物。用氢氧化钠简单调整水解产物的pH或′用过量石灰处理′。如上所述，用氢氧化钙进行过量石灰处理常用于改善水解产物的毒性。使用固定在3mm藻酸钙珠中的嗜鞣管囊酵母发酵得到的溶液。
在30℃和75rpm在酵母蛋白胨葡萄糖(YPD)肉汤中温育珠22小时。YPD是包含10g/L酵母提取物、20g/L蛋白胨和20g/L葡萄糖的标准酵母培养基。类似地，从操作斜面将游离细胞培养至YPD肉汤烧瓶中并且在30℃和75rpm温育24小时。
为了制备pH调整的水解产物，用8M氢氧化钾将溶液调整至pH 6.0，然后进行无菌过滤。制备进行过量石灰处理和pH调整的水解产物需要用氧化钙过度石灰处理至pH 10.0，然后在50℃在搅拌条件下保持30分钟。然后过滤过量石灰处理的水解产物以除去固体。在再酸化至pH6.0后，无菌过滤水解产物。
以无菌方式制备血清小瓶以得到具有如下营养物添加的95％终浓度的水解产物：0.2％脲w/v、0.2％酵母提取物和0.05％磷酸二氢钾。固定珠的接种率为0.2g珠/mL。在冲洗和在无菌缓冲液中再混悬后，以0.3OD600nm/mL的比例接种游离细胞。一式三份设定血清小瓶中的全部实验条件。以无菌方式给小瓶通气并且在30℃和75rpm温育72小时，然后采样用于分析。
在pH调整的水解产物“A”中，如表4中所示，′游离′管囊酵母属不能将糖类转化成乙醇且木糖未得到利用。固定化的管囊酵母属将大部分糖类(81％)转化成乙醇并且转化了51％的木糖。数据显示固定化显著增加了管囊酵母属克服包含在pH调整的水解产物中的毒性化合物的抑制效应的能力。
在过量石灰处理的水解产物“A”中，正如表4中所反映的，‘游离’管囊酵母属将60％的糖类转化成乙醇，且固定化的管囊酵母属转化了86％的糖类。对游离细胞而言木糖利用率为0％。相对于目前文献中的报道这是令人意外的结果，即嗜鞣管囊酵母在确定的培养基中发酵戊糖类且特别是木糖。发明人的推断在于尽管通过过量石灰处理除去了可检测到水平的HMF和糠醛，但是上述大量其他抑制剂或其组合物仍然保留在水解产物中，由此防止了发酵。当嗜鞣管囊酵母被固定化时，木糖利用率快速升至76％。固定化由此增强了过量石灰处理的有益性并且显著增加了木糖利用率。
表5显示与表4类似的结果。在pH调整的水解产物“B”中，如表5中所示，′游离′管囊酵母属不能将糖类转化成乙醇且木糖未得到利用。固定化的管囊酵母属将大部分糖类(57％)转化成乙醇。
此外，如表4中所反映的，在包含极高抑制剂浓度的过量石灰处理的水解产物“B”中，′游离′管囊酵母属不能发酵得到的糖类，而固定化的管囊酵母属发酵83％的得到的糖类，包括木糖，得到乙醇。
表4：使用嗜鞣管囊酵母的软木材水解产物′A′发酵特征
葡萄糖浓度：13.5g/L；木糖浓度：3.4g/L
DL＝检测限；Imm.＝固定化的
表5：使用嗜鞣管囊酵母的软木材水解产物′B′发酵特征
葡萄糖浓度：4.7g/L；木糖浓度：3.2g/L
Imm.＝固定化的
在表4和5中概括的在先的实施例中，乙醇收率(％理论值)仅基于葡萄糖和木糖并且根据处理前葡萄糖和木糖的浓度计算。不考虑其他单糖类。使用葡萄糖和木糖的YSI结果计算全部糖利用率数据。糖利用率计算不在终产物之间区分(即，包括乙醇、木糖醇、生物量)且如下计算(计算出处理如过量石灰处理、高压灭菌等后的损耗的糖)：
水解产物计算：
NS＝处理后糖X浓度(即，阴性对照)
RS＝发酵后残余糖X浓度
TS＝处理前总糖X浓度
在本专利文件中教导的方法的另一个实施例中，微生物/藻酸钙珠再利用于连续发酵且珠中的微生物在发酵之间可代谢地′再生′以增加乙醇收率。
就本实施例而言，在30℃和75rpm使用2g管囊酵母属/藻酸钙珠/10ml补充了0.2％脲、0.2％酵母提取物和0.05％KH2PO4的软木材水解产物将发酵进行72小时。发酵反应(发酵1)后，以无菌方式取出液体并且分析乙醇含量，并且以无菌方式用无菌去离子水将珠冲洗几次。相同的管囊酵母属/藻酸钙珠用于在与如发酵1中相同的条件下的第二次发酵(发酵2)。类似地，随后分析发酵液体并且冲洗珠。重复该步骤用于发酵3。图13示例发酵2和3比发酵1的乙醇收率下降。
接下来在洗涤后，在发酵3与4之间通过在30℃和100rpm下的摇动温育器中在酵母培养基酵母蛋白胨葡萄糖(YPD)中温育22小时再生相同的管囊酵母属/藻酸钙珠(如图13中发酵3-4之间的虚线所示)。然后以无菌方式除去YPD，将珠用于另一次发酵(发酵4)。图13示例培养基中管囊酵母属/藻酸钙珠再生恢复了管囊酵母属产生乙醇的发酵能力。
在另一个6次发酵中使用相同的珠进行类似的洗涤、发酵和第二次再生(如发酵7-8之间的虚线所示)。结果如图13中所示。图13显示固定化的微生物可以用于连续发酵并且珠中的管囊酵母属可以以代谢方式再生。尽管本实施例在3或4次连续应用固定化的微生物后使用再生步骤，但是通常能够或多或少地再生微生物。预计如果大量珠用于连续发酵(即在饱和酵母浓度条件下发酵)，则乙醇收率会在连续发酵中保持在高水平上，然后需要代谢再生。
如上所述，固定化培养基例如藻酸钙可以因应用而降解。如果根据本实施例再生和再利用微生物，则必需根据上述教导使固定化培养基再循环。
尽管参照优选的实施方案和具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员易于理解能够在不脱离如下文中所要求的本发明的精神和范围的情况下对本文所述的方法和生物反应器作出许多改进和改变。因此，显然应理解本说明书仅作为实例构成，而不用作对如下所要求的本发明范围的限定。

Claims (17)

1.将生物量纤维源转化成乙醇和其他高价值产品的方法，该方法包括下列步骤：
a.由生物量纤维源生产包含半纤维素水解产物的液体水解产物和生物量残余物；
b.将液体水解产物与生物量残余物分离，所述液体水解产物包括糠醛和5-羟甲基糠醛，且所述分离的生物量残余物包括纤维素、木质素、水和残余半纤维素，所述残余半纤维素的量是所述生产步骤之前的生物量纤维源中所含的半纤维素量的25％或更少；
c.使用一种或多种固定在固定化培养基中的微生物物种将分离的液体水解产物中的80％或更多的单糖类发酵为乙醇，其中在发酵期间，所述分离的液体水解产物具有0.2～5g/l的糠醛浓度和0.2～6g/l的5-羟甲基糠醛浓度；和
d.由生物量残余物生成固体高价值产品，所述高价值产品包括纸、纸浆、或者具有4000Btu/lb～10,000Btu/lb的能量密度的固体高能密度产品，所述高能密度产品基本上由所述纤维素、木质素、残余半纤维素和水组成，其中所述水含量是45重量％或更少，且所述半纤维素占少于10重量％。
2.权利要求1的方法，其中生物量纤维源是蔗渣且高价值产品是来自生物量残余物的高能密度产品，所述高能密度产品具有7000Btu/lb～10,000Btu/lb的能量密度。
3.权利要求1的方法，其中生物量纤维源是木材且高价值产品是纸。
4.权利要求1的方法，
其中多种微生物物种包括第一微生物物种和第二微生物物种，
其中第二微生物物种的发酵特征与第一微生物物种的发酵特征互补。
5.权利要求4的方法，其中第一微生物物种是酵母且第二微生物物种是细菌。
6.权利要求4的方法，其中第二微生物物种比第一微生物物种更有效地发酵特定的单糖。
7.权利要求4的方法，其中第二微生物物种关于特定单糖的代谢率不同于第一微生物物种。
8.权利要求1的方法，其中所述多种微生物物种包括：
固定在第一固定化培养基中的第一微生物物种、和
固定化在与第一固定化培养基分开的固定化培养基中的第二微生物物种。
9.权利要求8的方法，
其中
第一微生物物种包含在第一个发酵容器内，且
第二微生物物种包含在第二个发酵容器内，
其中在发酵步骤过程中，液体水解产物通过第一个发酵容器和第二个发酵容器两者。
10.权利要求1的方法，
其中所述多种微生物物种包含第一微生物物种和第二微生物物种，
其中第一微生物物种和第二微生物物种两者一起固定化在藻酸钙珠中。
11.权利要求1的方法，其中在分离步骤后，该方法还包括下列步骤：调整液体水解产物。
12.权利要求11的方法，其中调整步骤包括从生物量液体水解产物中取出高价值产品。
13.权利要求12的方法，其中高价值产品选自硫酸、乙酸、酚类化合物、保健食品、药物产品、呋喃类和糠醛类。
14.权利要求12的方法，其中高价值产品选自多酚化合物、药物化妆品和5-羟甲基糠醛。
15.权利要求12的方法，其中通过吸附取出高价值产品。
16.权利要求12的方法，其中通过过滤取出高价值产品。
17.权利要求1的方法，其中所述生物量残余物中的所述残余半纤维素的量是所述生产步骤之前的生物量纤维源中所含的半纤维素量的15％或更少。
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PE20130048A1 (es) 2009-08-13 2013-02-04 Geosynfuels Llc Aparato y proceso para la fermentacion de hidrolizado de biomasa
CN105368879A (zh) * 2009-08-13 2016-03-02 地理合成燃料有限责任公司 由生物量生产高价值产品的方法
CN103119172B (zh) 2010-06-18 2016-05-11 布特马斯先进生物燃料有限责任公司 在提取发酵中用于醇移除的来源于油的提取溶剂
US20120301939A1 (en) * 2011-05-23 2012-11-29 Harvey J T Methods of treating biomass
WO2013029171A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 Iogen Energy Corporation Process for recovering salt during a lignocellulosic conversion process
CN104066705B (zh) 2011-11-23 2016-12-07 Gf生化有限公司 制备乙酰丙酸的方法
US8685685B2 (en) * 2012-03-19 2014-04-01 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes for producing fermentable sugars and low-ash biomass for combustion or pellets
US8906657B2 (en) 2012-03-19 2014-12-09 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes for producing fermentable sugars and energy-dense biomass for combustion
JP5796550B2 (ja) * 2012-06-28 2015-10-21 王子ホールディングス株式会社 リグノセルロース物質を原料とする固体燃料の製造方法
US20140034047A1 (en) * 2012-08-06 2014-02-06 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes and apparatus for lignin separation in biorefineries
US9073841B2 (en) 2012-11-05 2015-07-07 Segetis, Inc. Process to prepare levulinic acid
US9322072B2 (en) * 2012-12-11 2016-04-26 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes and apparatus for lignin separation in biorefineries
WO2014159309A1 (en) 2013-03-12 2014-10-02 Butamax Advanced Biofuels Llc Processes and systems for the production of alcohols
EP2968242A4 (en) 2013-03-15 2016-12-28 V35A Entpr Llc PREPARATION OF EMISSION-SEMEN BIOMASS FUEL
US20160122278A1 (en) * 2013-05-22 2016-05-05 Segetis, Inc. Process to prepare levulinic acid
US9315750B2 (en) * 2013-06-27 2016-04-19 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes for producing biomass pellets and sugars
WO2015061804A1 (en) * 2013-10-27 2015-04-30 Purdue Research Foundation Production of renewable fine chemicals and liquid fuels
US20150259709A1 (en) * 2014-03-11 2015-09-17 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes for producing fluff pulp and ethanol from sugarcane
GB2528832A (en) * 2014-06-06 2016-02-10 Glommen Skog Sa Method
CN106283805B (zh) * 2016-08-18 2018-08-21 吉林中之林农业科技有限公司 一种玉米秸秆粘胶纤维浆粕蒸煮液中木质素的处理方法
CN110272509B (zh) * 2019-06-26 2021-07-30 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 一种纤维类生物质高效预处理分离半纤维素及其综合利用方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5395455A (en) * 1992-03-10 1995-03-07 Energy, Mines And Resources - Canada Process for the production of anhydrosugars from lignin and cellulose containing biomass by pyrolysis
CN101218329A (zh) * 2005-05-16 2008-07-09 常绿生物燃料公司 农业纤维燃料芯块

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US70485A (en) * 1867-11-05 Benjamin C Tilghman Improved mode of treating vegetable substances for making paper-pulp
US752988A (en) * 1904-02-23 Rubber-like material
US5366558A (en) * 1979-03-23 1994-11-22 Brink David L Method of treating biomass material
CA1173380A (en) * 1980-02-19 1984-08-28 Michael I. Sherman Acid hydrolysis of biomass for ethanol production
US4359534A (en) * 1981-04-28 1982-11-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Conversion of D-xylose to ethanol by the yeast Pachysolen tannophilus
US4475984A (en) * 1981-08-17 1984-10-09 International Paper Co. Process for pretreating wood chips with monoperoxy sulfuric acid or its salts prior to alkaline pulping
US4436586A (en) * 1982-01-22 1984-03-13 Kamyr, Inc. Method of producing kraft pulp using an acid prehydrolysis and pre-extraction
US4477569A (en) * 1982-02-18 1984-10-16 Canadian Patents & Development Limited Pentose fermentation with selected yeast
US4996150A (en) * 1984-10-29 1991-02-26 Amoco Corporation Biocatalyst immobilization in a gel of anionic polysaccharide and cationic polymer
FI103898B (fi) * 1994-01-24 1999-10-15 Sunds Defibrator Pori Oy Menetelmä prehydrolysoidun sellun ja/tai sellumassan tuottamiseksi
EP0684308B2 (fr) * 1994-05-27 2004-01-14 Agrano Ag Procédé d'obtention d'une biomasse et ferment de panification
US6214221B1 (en) * 1999-02-22 2001-04-10 Henry B. Kopf Method and apparatus for purification of biological substances
CN1235027A (zh) * 1999-06-16 1999-11-17 薛毅珑 用于治疗疼痛的微囊化牛肾上腺髓质嗜铬细胞药物
DE10000196B4 (de) * 2000-01-05 2013-10-10 Sartorius Stedim Biotech Gmbh Verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit
US6692578B2 (en) * 2001-02-23 2004-02-17 Battelle Memorial Institute Hydrolysis of biomass material
DE10109502A1 (de) * 2001-02-28 2002-09-12 Rhodia Acetow Gmbh Verfahren zum Abtrennen von Hemicellulosen aus hemicellulosehaltiger Biomasse sowie die mit dem Verfahren erhältliche Biomasse und Hemicellulose
AU2002327795A1 (en) * 2001-10-09 2003-04-22 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Department Of Health And Human Methods and compositions for production and purification of recombinant staphylococcal enterotoxin b (rseb)
US20030203454A1 (en) * 2002-02-08 2003-10-30 Chotani Gopal K. Methods for producing end-products from carbon substrates
US7253001B2 (en) * 2002-03-19 2007-08-07 Forskarpatent I Syd Ab Metabolic engineering for improved xylose utilisation of Saccharomyces cerevisiae
GB0218019D0 (en) * 2002-08-05 2002-09-11 Ciba Spec Chem Water Treat Ltd Production of a fermentation product
US20050238746A1 (en) * 2002-12-31 2005-10-27 E.I. Dupont De Nemours & Company Apparatus, system and method for making hydrogel particles
US7344876B2 (en) * 2003-01-24 2008-03-18 Phage Biotechnology, Inc. Kluyveromyces strains metabolizing cellulosic and hemicellulosic materials
US7101996B2 (en) * 2003-09-23 2006-09-05 Corn Products International, Inc. Process for preparing purified fractions of hemicellulose and cellulose-hemicellulose complexes from alkali treated fiber and products made by the process
ITMI20032115A1 (it) * 2003-11-03 2005-05-04 Uni Degli Dustdi Di Pavia Allestimento di sistemi di coltura tridimensionale in
CN100339483C (zh) * 2003-12-19 2007-09-26 首都师范大学 酵母菌利用木糖和葡萄糖生产酒精的方法
US20060014260A1 (en) * 2004-05-07 2006-01-19 Zhiliang Fan Lower cellulase requirements for biomass cellulose hydrolysis and fermentation
US20060094033A1 (en) * 2004-05-21 2006-05-04 Carl Abulencia Screening methods and libraries of trace amounts of DNA from uncultivated microorganisms
US7270472B2 (en) * 2005-02-23 2007-09-18 Bose Corporation Resonant shaking
US8435787B2 (en) * 2005-05-10 2013-05-07 Rutgers, The State University Of New Jersey Alginate polyelectrolyte encapsulation of embryonic stem cells
US7520958B2 (en) * 2005-05-24 2009-04-21 International Paper Company Modified kraft fibers
WO2007059473A2 (en) * 2005-11-12 2007-05-24 Introgen Therapeutics, Inc. Methods for the production and purification of adenoviral vectors
US7531343B2 (en) * 2006-01-30 2009-05-12 Georgia State University Research Foundation, Inc. Induction and stabilization of enzymatic activity in microorganisms
CA2638801C (en) * 2006-02-14 2016-12-13 Verenium Corporation Xylanases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them
US7666637B2 (en) * 2006-09-05 2010-02-23 Xuan Nghinh Nguyen Integrated process for separation of lignocellulosic components to fermentable sugars for production of ethanol and chemicals
US20110171709A1 (en) * 2007-11-01 2011-07-14 Mascoma Corporation Product Recovery From Fermentation of Lignocellulosic Biomass
CN100564667C (zh) * 2008-02-28 2009-12-02 中国石油化工股份有限公司 一种木质纤维素的联合预处理方法及其系统
US8227219B2 (en) * 2008-07-29 2012-07-24 Tommy Mack Davis Method and apparatus for bio-fuel seeding
RU2011153546A (ru) * 2009-06-26 2013-08-10 Кобальт Текнолоджиз, Инк. Способ и комплексная система для получения биопродукта
PE20130048A1 (es) * 2009-08-13 2013-02-04 Geosynfuels Llc Aparato y proceso para la fermentacion de hidrolizado de biomasa
CN105368879A (zh) * 2009-08-13 2016-03-02 地理合成燃料有限责任公司 由生物量生产高价值产品的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5395455A (en) * 1992-03-10 1995-03-07 Energy, Mines And Resources - Canada Process for the production of anhydrosugars from lignin and cellulose containing biomass by pyrolysis
CN101218329A (zh) * 2005-05-16 2008-07-09 常绿生物燃料公司 农业纤维燃料芯块

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