CN102782117A

CN102782117A - 用于糖化和发酵生物质原料的方法和系统

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Publication number: CN102782117A
Application number: CN2010800616598A
Authority: CN
Inventors: M·梅多夫; T·马斯特曼
Original assignee: Xyleco Inc
Current assignee: Xyleco Inc
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-11-14
Also published as: AU2010343264A1; IL252593A0; EP2526181A1; BR112012016635A2; BR112012016635B1; CN106636219A; NZ700427A; EA201290391A1; AP2016009361A0; NZ601417A; WO2011090544A1; EP2526181B1; JP2018086007A; KR20180086518A; AP3944A; IL220807A; JP6290305B2; NZ610669A; JP2013516998A; SG181951A1

Abstract

处理生物质原料(例如，工厂生物质、动物生物质和城市废物生物质)以产生有用的产品，如燃料。例如，描述了可以将原料转化成糖溶液的系统，随后可使所述糖溶液发酵以产生乙醇。通过操作射流混合器使生物质原料在容器中糖化，所述容器还包含液体介质和糖化剂。

Description

用于糖化和发酵生物质原料的方法和系统

背景

纤维素和木质纤维素材料在众多应用中大量产生、加工和使用。这类材料经常常使用一次，并且随后作为废物丢弃，或者简单地被认为是废料，例如，污水、蔗渣、锯屑和秸秆。

各种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已经描述在美国专利号7,307,108、7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中；以及许多专利申请中，包括2006年3月23日提交的PCT/US2006/010648“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”和美国专利申请公开号2007/0045456“FIBROUS MATERIALS ANDCOMPOSITES”。

概述

本文公开了用于通过均在单一罐中进行的多个生物工艺来产生产物的工艺。

一些工艺包括通过例如使用酶将材料(如纤维素或木质纤维素原料)的纤维素部分转化成低分子量糖来糖化或液化该材料，然后例如通过发酵和蒸馏将所得糖转化成产物。在一些实施方式中，工艺包括使用分散系统来将纤维状和/或颗粒状原料分散于液体介质和混合系统(例如低剪切系统例如射流混合系统)中，以在罐中混合该材料。在一些实施方式中，该分散系统包括腔室以及在该腔室内部的转动件，所述转动件将所述原料和液体介质轴向抽入所述腔室内并且将所述原料在所述介质中的分散体从所述腔室径向排出。

本文中公开的工艺可以使用低堆积密度材料，例如纤维素或木质纤维素原料，所述材料已经物理预处理以具有小于约0.75g/cm³的堆积密度，例如，小于约0.7、0.65、0.60、0.50、0.35、0.25、0.20、0.15、0.10、0.05或更小，例如，小于0.025g/cm³。这类材料可以是例如用水或溶剂体系特别难以分散于液体中以用于糖化、发酵或其他加工。由于它们的低堆积密度，这些材料倾向于漂浮在液体的表面上而非被润湿并分散于液体中。在一些情况下，这些材料可以是疏水性的、高度结晶的，或难以润湿的。同时，需要在固形物水平相对高的分散体中加工原料，以便在加工后获得糖在糖化材料中的高终浓度或高浓度期望产物(例如，发酵后的高浓度乙醇或其他醇类)。在一些情况下，使用本文所述的方法，在加工期间分散体的固形物水平可以例如是以重量计至少10、15、20、22.5、25、27.5、30、35、40、45%或甚至至少50%溶解的固形物。例如，固形物水平可以是约10至50%，例如，约10-40%、10-30%或10-20%。

本文的工艺在一些情况下还允许用于所述工艺的酶和/或微生物在分批工艺中再使用，或在连续工艺中使用较长时间。

在一方面，本发明的特征在于包括以下的方法：使容器例如罐中在液体介质中的生物质原料糖化以形成糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中将糖溶液转化成产物，例如醇。

一些实施方式包括一个或多个以下特征。转化可包括发酵。该方法还可包括蒸馏，例如真空蒸馏。蒸馏可在低于70Torr的真空下进行。蒸馏可在环境温度下进行。

在一些情况下，原料具有低堆积密度，例如，低于约0.5g/cm³的堆积密度。液体介质可包括水，并且糖化剂可包括酶。该原料可包括纤维素或木质纤维素材料。

该方法可包括另外的步骤。例如，该方法还可包括在糖化期间用射流混合器混合。用射流混合器或其它混合器混合还可在蒸馏期间进行。该方法也可包括在糖化期间监测原料、液体介质和糖化剂的混合物的葡萄糖水平。在一些情况下，该方法还包括在糖化期间将另外的原料和糖化剂加至容器中以及使用分散系统将原料分散于介质中。该方法还可包括在容器中将乳化剂或表面活性剂加至混合物。

在另一方面，本发明的特征在于一种系统，其包括罐、设置为将生物质原料、糖化剂和液体介质输送至所述罐的输送系统、设置为将输送的生物质原料和糖化剂混合的混合器以及设置为从所述罐的内容物蒸馏产物的与所述罐连通的真空蒸馏系统。

一些实施方式可包括一个或多个以下特征。该系统还可包括设置为用微生物接种所述罐的内容物的输送装置。该系统还可包括设置为监测所述罐的内容物的氧水平的氧监测器。混合器可以是或包括射流混合器。输送系统可设置为将生物质原料和液体介质以分散体的形式输送至所述罐。

通过在单一罐中进行多个加工步骤例如糖化、发酵和蒸馏，来降低工艺时间和成本，并且简化工艺。同时，资本成本通常低于多罐加工设施。

在一些情况下，本文所述的系统或其组件可以是便携的，从而该系统可以从一个位置运输(例如，通过铁路、卡车或航运容器)至另一个位置。这种移动式加工在美国系列号12/374,549和国际申请号WO2008/011598中描述，所述文献的全部公开内容通过引用方式并入本文。

可以通过使用本文所述方法产生的示例性产物包括烃、蛋白质、醇(例如，一元醇或二元醇)，如乙醇、正丙醇或正丁醇、羧酸、如乙酸或丁酸、羧酸盐、羧酸和羧酸盐的混合物和羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮、醛、α、β-不饱和酸如丙烯酸、烯烃如乙烯，和这些物质中任何者的混合物。具体例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、这些醇中任一者的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟丙酸、所述酸中任一者的盐和所述酸中任一者及相应盐的混合物。这些产物和其他产物在USSN 12/417,900中描述，所述文献的内容通过引用方式并入本文。

使用ASTM D1895B测定堆积密度。简而言之，该方法包括用样品填充已知体积的量筒和获得样品的重量。通过以克计的样品重量除以以立方厘米计的已知量筒体积，计算出堆积密度。

本文所提及和所附的全部出版物、专利申请、专利和其他参考文献含有的所有内容通过引用方式完整地并入。

附图简述

图1是说明将纤维素酶促水解成葡萄糖的图解。

图2是说明通过生产和发酵葡萄糖溶液将原料转化成乙醇的流程图。

图3是根据一个实施方案的用于产生产物例如乙醇的系统的图解说明。

图3A是适用于图3的系统的罐和蒸馏单元的图解侧视图。

图4是根据一个实施方案的分散系统的图解透视图。

图5和图5A分别是可以在图4所示分散系统中使用的分散装置的图解截面图和透视图。

图6是根据另一个实施方案的分散系统的图解透视图。

图7和图7A是说明图6中所示分散系统的替代性运行模式的图解。

图8是以在图6内所示分散系统中使用的分散部件的图解透视图。

图9和图9A是说明离开喷嘴的射流的图解。

图10是根据一个实施方案的射流搅拌器的图解透视图。图10A是图10的射流搅拌器的叶轮和喷管的放大透视图。图10B是替代的叶轮的放大透视图。

图11和图11A分别是具有从上方延伸至该罐内的两个射流混合器的罐的侧视图和截面图。

图12是用于输送生物质原料的吹气机的图解视图。

详述

对于含有葡聚糖和/或木聚糖的材料例如纤维素材料和木质纤维素材料，使用本文所述的方法，可以将生物质(例如，植物生物质、动物生物质、纸和城市废物)转化或加工以产生有用的中间体和产物如有机酸、有机酸盐、酐、有机酸酯和燃料，例如，内燃发动机用燃料或燃料电池的原料，如本文所述的那些原料。本文描述了可以使用纤维素和/或木质纤维素材料作为原材料的系统和方法，所述的纤维素和/或木质纤维素材料是丰富和容易可获得的，但是经常可能难以加工纤维素或木质纤维素材料，例如，城市废物流和废纸流，如包括新闻纸、牛皮纸、瓦楞纸或这些纸的混合物的流。通常，如果需要，材料可以经物理处理用于加工和/或后续加工，经常通过尺寸减小方式处理。如果需要降低材料的不顺从性，则可以采用物理加工方法如发酵法。本文所述的多种方法可以有效地降低原料的不顺从性水平，使得它更易于加工，如通过生物处理法(例如，采用本文所述的任何微生物，如同型产乙酸菌(homoacetogen)或异型产乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、热处理法(例如，气化或热解)或化学方法(例如，酸水解或氧化)。生物质原料可以使用本文所述的任何方法中一种或多种进行处理或加工，如机械处理、化学处理、辐射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸法。多种处理系统和方法可以在这些技术或本文和其他地方所述的其他技术中使用两种、三种或甚至四种或更多种技术组合的情况下使用。

为了将原料转化成可以在现有制造厂(例如单细胞蛋白厂、酶制造厂或燃料厂例如谷物乙醇生产设施)中容易加工的形式，本文中公开的工艺可以使用低堆积密度材料，例如纤维素或木质纤维素原料，所述材料已经物理预处理以具有小于约0.75g/cm³的堆积密度，例如，小于约0.7、0.65、0.60、0.50、0.35、0.25、0.20、0.15、0.10、0.05或更小，例如，小于0.025g/cm³。使用ASTM D1895B测定堆积密度。简而言之，该方法包括用样品填充已知体积的量筒和获得样品的重量。通过以克计的样品重量除以以立方厘米计的已知量筒体积，计算出堆积密度。

为了将原料转化成可以容易加工的形式，通过糖化剂(例如酶或酸)，将原料中含有葡聚糖或木聚糖的纤维素水解成低分子碳水化合物，如糖，一种称作糖化的方法。低分子量碳水化合物可以随后例如在现有制造厂(如单细胞蛋白厂、酶制造厂或燃料厂例如乙醇生产设施)中使用。

包含纤维素的材料可以通过将该材料和糖化剂在液体介质例如溶剂如水溶液中合并而用糖化剂处理。下文详细讨论用于将材料快速和高效地分散于液体介质内的方法。一旦材料已经分散于介质中，则将糖化剂、材料和液体介质充分混合，在一些情况下充分糖化。在一些实施方式中，将材料和/或糖化剂递增地而非一次性地添加。例如，可以将所述材料的一部分添加至液体介质，分散于其中并且与糖化剂混合，直至该材料至少部分地糖化，此时将材料的第二部分分散于该介质中并且添加至混合物。这种方法可以继续直至获得期望的糖浓度。

分解生物质如生物质的纤维素和/或木质素部分的酶和破坏生物质的生物，含有或制造多种纤维素裂解酶(纤维素酶)、木质素酶或多种破坏小分子生物质的代谢物。这些酶可以是协同地作用以降解生物质的晶状纤维素或木质素部分的酶复合物。纤维素裂解酶的例子包括：葡聚糖内切酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡糖苷酶)。参考图1，纤维素底物最初由葡聚糖内切酶在随机位置水解，产生低聚中间体。这些中间体随后是外切性葡聚糖酶如纤维二糖水解酶的底物以从纤维素聚合物末端产生纤维二糖。纤维二糖是水溶性1,4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶裂解纤维二糖以产生葡萄糖。合适的纤维素酶将在本文稍后部分中讨论。

完成糖化所要求的时间将取决于所用的工艺条件和原料及酶。如果糖化在制造厂中在受控条件下进行，则纤维素可以在约12-96小时中基本上完全转化成葡萄糖。如果部分或完全地短暂进行糖化，则糖化可以花费更长时间。

在一些情况下，糖化在pH约4至7，例如约4.5至6或约5至6处进行。

通常优选的是，糖溶液中的葡萄糖终浓度应当是相对高的，例如，以重量计大于10%，或大于15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大于95%。这减少待运输的体积，并且还抑制溶液中的微生物生长。在糖化后，水的体积可以减少，例如，通过蒸发或蒸馏。

可以通过限制随酶一起添加至原料的介质(例如，水)的量，获得相对高的浓度溶液。可以例如，通过控制糖化多大程度地发生来控制浓度。例如，可以通过添加更多原料至溶液而增加浓度。可以例如通过增加溶液的温度和/或通过添加如下文讨论的表面活性剂而增加原料在介质中的溶解度。例如，溶液可以维持在40-50℃、50-60℃、60-80℃或甚至更高的温度。

参考图2，用于制造醇(例如，乙醇)的方法可以包括例如任选地物理预处理原料，例如，以减小其大小(步骤110)，在这种处理之前和/或之后，任选地处理该原料以降低其不顺从性(步骤112)，并且将原料糖化以形成糖溶液(步骤114)。可以通过将原料在液体介质(例如，水)中的分散体与酶混合(步骤111)进行糖化，如会在下文详细讨论。在没有将溶液从其已被糖化的罐内除去的情况下，接着对溶液生物加工以产生期望的产物，例如乙醇(步骤118)，所述产物随后进一步加工，例如通过蒸馏(步骤120)进一步加工。优选地，蒸馏在与糖化和发酵相同的罐中进行，例如使用真空蒸馏。下文将详细描述这种工艺的各个步骤。根据需要，如所示，测量木质素含量的步骤(步骤122)和设定或调节工艺参数(步骤124)的步骤可以在工艺的多个阶段进行，例如紧邻用来改变原料结构的工艺步骤之前。如果包括这些步骤，则调节工艺参数以补偿原料的木质素含量可变性，如2009年2月11日提交的美国临时申请号61/151,724中所述，所述专利的完整公开内容通过引用方式并入本文。

混合步骤111和糖化步骤114可以使用例如图3中所示系统进行。该系统包括罐136，其最初含有液体介质并且稍后含有液体介质、原料和糖化剂的混合物138。将液体介质通过带阀门的管道系统(未显示)输送至该罐。该系统还包括与分散单元134连通的料斗130。料斗接收例如来自供给源30的干燥成分，如酵母和养分。任选地，振动装置36可以与料斗连接以促进从料斗输送材料。该系统还包括分散单元134。将液体介质从罐中抽入分散单元134，并且通过分散单元经出口管137经返回该罐。如所示，出口管137的开口可以在液面之上，或在一些情况下可以浸没于罐中的液体内。在一些情况下，根据所用的分散单元(如下文将讨论)的类型，该系统可以包括设置为使液体介质循环通过分散系统的泵139(例如，正排量泵)和/或监测分散体的粘度并且在测量的粘度达到预定值时开启泵的粘度计141。

在图3中所示的实施方案中，将原料输送至罐中的液体介质的表面，例如，经具有输送管道34(例如，软管或管道)的输送装置32。输送装置32也可以与振动装置36连接，以促进材料流入该装置。输送装置32可以是例如设置为将纤维状和/或颗粒状材料从来源经软管吹至远离该来源的吹气机，例如，隔绝式吹气机如从Frederick,Colorado可获得的FORCE3吹气机。吹气机500的例子在图12中示意性示出。吹气机500的料斗502从料源504接收材料，例如，借助真空506经入口505抽入材料。一旦处于料斗中，使用转动装置508使材料去团聚化，其包括止于柔性桨叶512的转动臂510。转动装置508还将材料经开口514扫下至气闸516。材料至气闸的输送由平板或阀门518计量。气闸516包括限定腔室522的多个转动叶片520。气闸516的靠下部分包括通道524，其中空气经所述通道524从压缩空气供给源(未显示)吹至出口管(例如，输送管道34，图3)。叶片将材料扫至各个部分中的通道，一旦这些材料位于通道附近，则它们被吹入出口管中。转动叶片520充分缓慢地转动，从而每个腔室足够长时间地位于通道附近的适当位置，因此部分材料和一定量的空气被输送至出口管内。因此，空气和材料的交替部分输送至出口管。当材料沿出口管(它可能相当长)下行时，材料和空气混合，从而对材料充气并且使其经出口管顺畅移动至罐。将搅拌器和气闸中的转动件的转动速率一起调整，并且该速率可以由用户基于原料、出口管的长度和其他变量而变动。

可供选择地，材料可以使用其他技术如重力自动加料或螺杆输送器输送至液体的表面。

在一些实施方式中，罐配备有柔性透气的盖或设置为允许空气在原料输送期间从罐中排泄、同时防止原料从罐中吹出和/或杂质进入罐内的其他装置。

当原料材料经输送管道34输送到罐中液体的表面上时，液体经分散单元134的出口管137排出到材料上。排出的液体润湿原料材料，引起材料沉入液体中，在这里它可以由分散单元134、优选地与下文讨论的射流混合器144的混合作用组合时而分散。

通常优选，当原料输送管道经输送时，分散单元134和射流混合器144运行。

在替代实施方案中，料斗130接收已被原料处理模块132处理以减少其大小并任选地降低其不顺从性(步骤110和112)的原料，并且将原料经料斗130输送至罐。将原料和液体介质从罐抽入到分散单元134，并且通过分散单元的作用将原料分散于液体介质(例如，水)内。

在两个实施方案中，糖化剂从包括计量装置142的料斗140输送至罐中。将该罐的内容物混合，例如，通过一个或多个射流混合器混合。在图3中图解表示射流混合器144；合适射流混合器的例子将在下文详细描述，并且还在2009年6月19日提交的美国临时申请No.61/218,832中描述，所述文献的公开内容在此通过引用方式并入本文。使用驱动泵和/或转子(未显示)的电机146，射流混合器产生射流。由电机146施加的扭矩与罐中混合物的固形物水平相关，所述固形物水平转而反映混合物已经糖化的程度。扭矩由扭矩监测器148测量，所述扭矩监测器148发送信号至驱动输送器130的电机150并且还发送信号至料斗140的计量装置142。因此，根据罐内容物的糖化，处理的原料和酶的供应可以被中断或恢复。由扭矩监测器测量的数据也可以用来调节射流混合器，例如，以降低利用转子的混合器的RPM，或用来降低泵驱动混合器的射流速度。作为扭矩监测器的替代或除扭矩监测器之外，该系统可以包括测量电机的全负荷安培数的安培监测器(未显示)。在一些情况下，射流混合器可以包括变频器(VFD)以允许调整电机的速度。

该系统也可以包括热监测器(未显示)，所述热监测器监测液体介质的温度并且调节与温度增加相对应的原料的进料速率和/或混合条件。这种温度反馈环可以用来防止液体介质达到将使酶变性的温度。

当一个或多个泵在本文所述的系统中使用时，通常优选应当使用正排量泵(PD)泵，例如，螺杆泵或螺杆型PD泵。

将糖溶液接种并且在同一个罐中发酵以用于糖化。通常，应当控制发酵期间的氧水平，例如，通过监测氧水平并且根据需要使罐通风或使混合物曝气。还需要监测容器中乙醇的水平，从而当乙醇水平开始下降时，可以例如，通过加热或添加亚硫酸氢钠终止发酵过程。通常，使用如上所述的相同设备，射流混合在发酵期间继续。

当发酵已经完成或完成至所需程度时，通过蒸馏收集发酵产物例如醇(例如乙醇)。优选地，使用真空蒸馏单元151进行蒸馏，如图3中图解所示。优选真空蒸馏，因为其可在大体上环境温度下进行，并且由此存在于罐中的营养物、酶和/或微生物将不被蒸馏损害且可以再使用。优选地，在低于150Torr，例如低于125、100、80、70、60、50、40或30Torr或甚至低于25Torr的压力下进行真空蒸馏。通常，压力应该足够低使得防止水和醇的共沸混合物的形成，由此消除之后例如用3A分子筛从醇中除去水的需要。

适合的罐160和蒸馏单元162示于图3A中。罐160包括可例如用水进行流体冷却以维持容器内的所需温度的夹套容器164，以及包括真空孔168和其它可输送材料的孔的盖166。盖166还可包括出口孔170，其与蒸馏单元162的导管172流体相通。发酵的产物例如乙醇通过导172管被真空抽入冷凝器174，并且收集于带盖的接收容器176中。系统可设置为维持容器内的温度低于55°F、50°F、45°F或甚至低于40°F(低于13℃、10℃、7℃或4.5℃).

分散和混合

分散

分散单元134可以包括用液体介质润湿原料的任何类型的分散设备。许多分散单元包括腔室和位于腔室中的转子，从而将原料和液体介质轴向地向转子抽吸并且向外径向地挤压至转子的周界并且因此穿过离心泵形式的单元的出口。取决于分散单元的构造，可能需要备份泵(泵139，上文讨论)以抽吸高粘度的流体穿过分散单元。构建一些分散单元以在单元内部产生极高静流体压力；当使用这类单元时，通常不需要备份泵。

在图4-5A中显示合适分散系统300的一个例子。这种系统产生相对低的吸力，并且因此一般使用备份泵。分散系统300包括可以从较大料斗或袋子(未显示)或其他源中接收原料并且输送至分散单元301的接收料仓302。分散单元301包括壳体304，其限定分散室306(图5A)、液体入口308、与料仓302连通的固体入口310(图5A)和出口312。分散系统300还包括驱动分散单元301的电机314、用户控制界面316和帮助维持分散单元301内部的密封件完整性的加压单元318。阀门(未显示)布置在接收料仓302和固体入口310之间以计量向分散单元301的固体输送。

分配单元301的内部结构在图5-5A中显示。在穿过固体入口310后，固体由经液体入口308进入的液体接触时固体由搅龙320向下移动。液体和固体随后由一系列混合叶片322混合，并且最终由转子324(在图5A中详细显示)混合，其中所述转子324以相对于腔室306侧壁的转子/定子布局而布置。这种系列混合部件以递增水平的剪切力用液体润湿固体，产生从出口312离开的基本上同质分散体。通过文丘里原理，叶轮产生在腔室306和料仓302之间有差异的巨大压力，所述压力抽出真空并且因此帮助将材料从料仓抽出至腔室。

图6-8中显示另一个合适的分散系统400。这种系统从

Works,Wilmington,North Carolina以商标名CMS2000商购。如所供应，分散系统400包括液体罐402。然而，如果需要，可以省略相对小的罐402并且系统的剩余物排入较大的罐，例如，工业体积罐(未显示)。系统400还包括固体接收漏斗403、包括壳体404(具有与上文讨论的壳体304相似的结构)的分配单元401、电机414、用户控制界面416和加压单元418。

分散系统400和分配系统300之间的主要差异在于分配装置401和301的内部结构。图8中详细显示的分配单元401包括作为叶轮发挥作用并且在单元内部产生极高静流体压力的转子420。因此，分散单元以离心泵的方式发挥作用，并且通常甚至在相对高的粘度时不需要备份泵。

转子420将液体从罐经入口408以高吸力抽吸至腔室406。液体和固体(经入口410进入)轴向地以高压被抽吸至转子420内，并且借助将原料分散于液体中的高速紊流径向地离开转子420。基本上均匀分散体经出口412离开腔室并且输送至罐用于糖化。

分散系统400可以按多种模式运行，其例子在7和7A图中显示。在图7中，分散单元401通过将原料载入料斗422进料，所述料斗422安装在壳体404的固体入口上。阀门424控制原料向分散单元401的输送。原料可以使用任何所需的输送技术加载，例如，手工、通过输送器、风力装料机(pneumatic loader)等。在图7A中，使用吸气棒(suction wand)426，将原料从袋或料仓424吸出。在这种情况下，可以通过控制吸气速率而控制原料的输送。可以使用其他布局。

原料可以连续地或断续地输送至分散单元，并且该分散系统可以按再循环或“单程”模式运行。若需要，在初始分散已经完成后，分散单元可以用于糖化期间的混合。

射流混合

一旦原料已经基本上分散于液体中，可能需要关闭分散系统并且使用要求更少能量以进一步混合的混合器。用于这个目的特别有利的混合器称作“射流混合器”。通常，合适的混合器的共同之处在于，它们产生高速度循环流，例如环形的或椭圆样式的流。通常，优选的混合器显示高的整体流率。优选的混合器以相对低的能量消耗提供这种混合作用。通常还优选，混合器产生相对低的剪切力并且避免加热液体介质，因为剪切力和/或热可不利地影响糖化剂(或微生物，例如，在发酵的情况下)。如下文将详细讨论，一些优选的混合器将混合物经入口抽入可以包括转子或叶轮的混合部件，并且随后从混合部件中经出口喷嘴排出混合物。这种循环作用和离开喷嘴的射流的高速度有助于分散漂浮在液体表面上的材料或已经沉降至罐底部的材料，这取决于混合部件的方向。混合部件可以以不同方向定位以分散漂浮材料和沉降材料，并且在一些情况下，混合部件的方向可以是可调节的。

例如，在一些优选的混合系统中，与外界流体会合时，射流的速度v₀是约2至300m/s，例如，约5至150m/s或约10至100m/s。对于100,000L的罐，混合系统的功率消耗可以是约20至1000KW，例如，30至570KW或50至500KW。

射流混合包括将高速度液体的浸没射流或众多浸没射流排放入流体介质，在这种情况下即生物质原料、液体介质和糖化剂的混合物。液体的射流穿透流体介质，而其能量因紊流或一些初热而消散。这种紊流与速度梯度(流体剪切力)相关。周围的流体被加速并且夹带至射流中，而这种次生夹带流随距射流喷嘴的距离增加而增加。当射流膨胀时，次生流的动量通常保持恒定，只要该流不撞击到墙壁、地板或其他障碍物。该流在其撞击到任何障碍物之前持续的时间越长，夹带至次生流中的液体越多，从而增加罐或容器中的整体流。当遇到障碍物时，次生流将更多或更少地损失动量，这取决于罐的几何学，例如，该流冲击到障碍物上的角度。通常需要对射流定向和/或设计该罐，从而对于罐壁的水力损失最小化。例如，可以需要罐具有弓形底部(例如，半球形封头)，并且射流混合器相对接近侧壁定位，如图11A中所显示。罐底部(下部封头)可以具有任何所需的半球形构型，或可以具有椭圆或圆锥状几何形状。

射流混合与大部分类型的液体/液体和液体/固体混合的不同在于驱动力是液力而非机械力。不同于如机械搅拌器那样剪切流体并且推动它围绕混合容器，射流混合器经罐内部的一个或多个喷嘴挤压流体，从而产生夹带其他流体的高速射流。结果是剪切(流体针对流体)和循环，这高效地混合罐内容物。

参考图9，来自浸没射流的芯流和周围流体之间高速度梯度造成涡流。图9A说明浸没射流的一般特征。随着浸没射流扩展至周围环境中，速度曲线随距喷嘴的距离(x)增加而变扁平。另外，速度梯度dv/dr随给定距离x处的r(距射流中线的距离)变化，从而产生限定混合区域的涡流(来自喷嘴的圆锥状扩张物)。

在空气中浸没射流的实验性研究中(所述研究的结果适用于任何流体，包括水)，Albertson等人(“Diffusion of Submerged Jets”，论文2409,Amer.Soc.of Civil Engineers Transactions,第115卷:639-697,1950,第657页)开发了对于v(x)_r＝0/v_o(中线速度)无的量纲关系v(r)_x/v(x)_r＝0(在给定x的速度曲线)、Q_x/Q₀(流夹带)和E_x/E₀(能量随x的变化)：

(1)中线速度，v(x)_r=o/v₀：

\frac{v (r = 0)}{v_{o}} \frac{x}{D_{o}} = 6.2

(2)在任何x处的速度曲线，v(r)_x/v(x)_r=0

\log [\frac{v {(r)}_{x}}{v_{o}} \frac{x}{D}] = 0.79 - 33 \frac{r^{2}}{x^{2}}

(3)在任何x处的流量和能量：

\frac{Q_{x}}{Q_{o}} = 0.32 \frac{x_{30}}{D_{o}} - - - (10.21)

\frac{E_{x}}{E_{o}} = 4.1 \frac{D_{o}}{x} - - - (10.22)

其中：

v(r=0)=浸没射流的中线速度(m/s)，

v₀=射流从喷嘴排出时的速度(m/s)，

x=距喷嘴的距离(m)，

r=距射流中线的距离(m)，

D₀=喷嘴的直径(m)，

Q_x=在距喷嘴的距离x处穿过任何给定平面的流体的流量(me/s)，

Q₀=从喷嘴排出的流体的流量(m³/s)，

E＝在距喷嘴的距离x处穿过任何给定平面的流体的能通量(m³/s)，

E₀＝从喷嘴排出的流体的能通量(m³/s)。

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

射流混合在巨大体积(超过1,000加仑)和低粘度(1,000cP以下)应用中特别具有成本效益的。通常还有利的是，在大多数情况下，射流混合器的泵或电机不淹没，例如，当使用泵时，它通常位于容器的外部。

射流混合的一个优点在于，如果真会发生的话，周围流体(而非直接相邻于可能存在一些局限化加热的喷嘴出口)的温度仅略微增加。例如，该温度可以增加小于5℃、小于1℃或不增加至任何可测量的程度。

射流搅拌器

在图10-10A中显示一种类型的射流搅拌器。这种类型的混合器例如以商标名ROTOTRON^TM下从IKA商购。参考图10，混合器200包括转动驱动轴204的电机202。混合部件206安装在驱动轴204的末端。如图10A中所示，混合部件206包括护罩208和在护罩内部的叶轮210。如箭头所示，当叶轮以其“正”方向转动时，叶轮210将液体抽入穿过护罩的开口上端212并向外挤压液体穿过开口下端214。离开末端214的液体为高速流或射流形式。如果叶轮210转动的方向逆转，液体可以经下端214抽入并经上端212喷出。这可以用于例如吸入在罐或容器中的液体表面附近或其上面漂浮的固体。(应当指出，“上部”和“下部”指图10中混合器的方向；混合器可以这样定位于罐中，以使得上端低于下端)。

护罩208包括靠近其末端的扩张区216和218。这些扩张区据信有助于这种类型混合器中所观察到的一般环形流。护罩和叶轮的几何外形还使用相对低的功率消耗，使所述流浓集至高度流中。

优选地，在护罩208和叶轮210之间的间隙是足够的，从而在材料穿过护罩时，避免过度研磨材料。例如，间隙可以是混合物中固形物的平均粒度的至少10倍、优选地至少100倍。

在一些实施方式中，轴204设置为允许经该轴输送气体。例如，轴204可以包括经其输送气体的孔眼(未显示)和气体经其离开进入混合物的一个或多个孔口。孔口可以在护罩208内部以增强混合，和/或在沿轴204长度的其他位置处。

叶轮210可以具有任何所期望的几何外形，所述几何外形将抽吸液体以高速度经过护罩。叶轮优选地是船用叶轮，如图10A中所示，但是可以具有不同的设计，例如，如图10B中所示的Rushton叶轮，或改良Rushton叶轮，例如，倾斜从而提供一些轴流。

为了产生经过护罩的高速度流，电机202优选地是高速度、高扭矩电机，例如，能够以500至20,000RPM(例如，3,000至10,000RPM)运行。然而，混合器越大(例如，护罩越大和/或电机越大)，则转动速度可能越低。因此，如果使用大混合器，如5hp、10hp、20hp或30hp或更大，则电机可以设计成以较低转动速度(例如，小于2000RPM、小于1500RPM，或甚至500RPM或更小)运行。例如，大小设计为混合10,000-20,000升罐的混合器可以以900至1,200RPM的速度运行。电机的扭矩优选地是自我调节的，以在混合条件随时间推移变化(例如，归因于固形物糖化)时，维持相对恒定的叶轮速度。

有利地的是，混合器可以在罐中以任何期望的角度或位置定位以按照所期望的方向引导射流。图11和图11A说明一个实施方案，其中两个射流混合器通过孔254向下延伸进入罐252。

另外，如上文讨论，取决于叶轮转动的方向，混合器可以用来从护罩的两端中的任一端抽取流体。

在一些实施方式中，两个或更多个射流混合器位于容器中，其中一个或多个射流混合器设置为向上喷射流体(“上升泵”)并且一个或多个射流混合器设置为向下喷射流体(“下降泵”)。在一些情况下，上升泵送混合器将位于下降泵送混合器附近以增强混合器产生的紊流。根据需要，一个或多个混合器可以在加工期间在上升流和下降流之间切换。可以有利的是，在原料在液体介质中初始分散期间，尤其如果将原料倾倒或吹到液体的表面上，那么将全部或大部分混合器切换至上升泵送模式，原因是上升泵送在表面上产生明显的紊流。上升泵送也可以在发酵期间使用以通过以下方式辅助从液体中除去CO₂：使该气体起泡至其可以排出的表面。

其他合适的射流混合器在2009年6月19提交的美国临时申请号61/218,832和2010年5月24日提交的美国系列号12/782,694中描述，所述文献的全部公开内容通过引用方式并入本文。

材料

生物质材料

生物质可以是，例如，纤维素或木质纤维素材料。这类材料包括纸和纸产品(例如，塑胶涂布纸和牛皮纸)、木材、木材相关的材料，例如，刨花板、草、稻壳、甘蔗渣、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、蕉麻、稻草、柳枝稷、苜蓿、干草、玉米芯、玉米秸秆、椰毛；和α-纤维素含量高的材料，例如，棉花。原料可以从未用过的废弃纺织品材料获得，例如，边角剩料、消费后废弃物，例如，碎布。当使用纸产品时，它们可以是未用过的材料，例如，废弃的未用过材料，或它们可以是消费后废弃物。除了未用过的原料、消费后废弃物、工业废弃物(例如，内脏)和加工废弃物(例如，来自纸加工的流出液)也可以用作纤维源。生物质原料也可以从人废弃物(例如，污水)、动物废弃物或植物废弃物获得或衍生。额外的纤维素和木质纤维素材料已经在美国专利号6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中描述。

在一些实施方案中，生物质材料包括碳水化合物，所述碳水化合物是或包括具有一个或多个β-1,4-键和具有介于约3,000和50,000之间数均分子量的物质。这种碳水化合物是或包括纤维素(I)，其源自(β-葡萄糖1)经β(1,4)-糖苷键缩合。这种键自身与淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1,4)-糖苷键形成对比。

淀粉材料包括淀粉本身，例如，玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或稻淀粉、淀粉的衍生物，或包含淀粉的材料如可食食品或作物。例如，淀粉材料可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛、酢浆草(oca)、西米、高粱、常规家用马铃薯、甘薯、芋头、洋芋或一种或多种豆类，如蚕豆、扁豆或豌豆。任何两种或更多种淀粉材料的掺合物也是淀粉材料。

在一些情况下，生物质是微生物材料。微生物来源包括，但不限于，含有或能够提供碳水化合物(例如，纤维素)来源的任何天然存在的或基因修饰的微生物或生物，例如，原生动物，例如，动物原生动物(例如，原生动物如鞭毛虫、类阿米巴虫、纤毛虫和孢子虫类)和植物原生动物(例如，藻类，如甲藻类(alveolate)、绿蜘藻类、隐藻类、眼虫类、灰胞藻、定鞭藻类、红藻类、原生藻菌(Stramenopile)和绿色植物)。其他例子包括海草、浮游生物(例如，大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型级浮游生物、超微型浮游生物和超微微浮游生物)、浮游植物、细菌(例如，革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌和极端微生物)、酵母和/或这些生物的混合物。在一些情况下，微生物生物质可以从天然来源获得，例如，海洋、湖泊、水体，例如，咸水或淡水，或陆地上。可供选择地或额外地，微生物生物质可以从培养系统获得，例如，大规模干式和湿式培养系统。

糖化剂

合适酶包括能够降解生物质的纤维二糖酶和纤维素酶。

合适的纤维二糖酶包括在以商标名NO VOZYME 188^TM出售的来自黑曲霉(Aspergillus niger)的纤维二糖酶。

纤维素酶能够降解生物质，并且可以是真菌或细菌源的。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)、枝顶孢霉属(Acremonium)、金孢属(Chrysosporium)和木霉属(Trichoderma)的纤维素酶，并且包括腐质霉属(Humicola)、鬼伞属(Coprinus)、梭孢壳属(Thielavia)、镰刀菌属(Fusarium)、毁丝霉属(Myceliophthora)、枝顶孢霉属(Acremonium)、头孢霉属(Cephalosporium)、柱霉属(Scytalidium)、青霉属(Penicillium)或曲霉属(Aspergillus)(见，例如，EP 458162)的种类，尤其由选自以下的菌株产生的那些酶：特异腐质霉(Humicola insolens)(再分类为嗜热革节孢(Sytalidiumthermophilum)，见，例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinuscinereus)、尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝霉(Myceliophthorathermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭孢壳霉(Thielavia terrestris)、枝顶孢霉(Acremonium sp.)、桃色枝顶孢(Acremonium persicinum)、玉米头包菌(Acremonium acremonium)、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、赭红枝顶孢(Acremonium obclavatum)、Acremonium pinkertoniae、Acremoniumroseogriseum、Acremonium incoloratum和分枝枝顶孢(Acremoniumfuratum)；优选地来自物种特异腐质霉DSM 1800、尖镰孢菌DSM2672、嗜热毁丝霉CBS 117.65、头孢霉RYM-202、枝顶孢霉CBS478.94、枝顶孢霉CBS 265.95、桃色枝顶孢CBS 169.65、Acremoniumacremonium AHU 9519、头孢霉CBS 535.7I、Acremonium brachypeniumCBS 866.73、Acremonium dichromosporum CBS 683.73、赭红枝顶孢CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、Acremoniumroseogriseum CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS 146.62和分枝枝顶孢CBS 299.70H。纤维素裂解酶也可以从金孢属(Chrysosporium)、优选Chrysosporium lucknowense的菌株获得。另外，可以使用木霉属(Trichoderma)(尤其绿色木霉(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康氏木霉(Trichoderma koningii)、嗜碱性芽孢杆菌(Bacillus)(见例如，美国专利号3,844,890和EP 458162)和链霉菌属(Streptomyces)(见，例如EP 458162)。

可以使用酶复合物，如从Genencore以商标名可获得的那些，例如，

1500酶复合物。

1500酶复合物含有多种酶活性，主要是葡聚糖外切酶、葡聚糖内切酶(2200-2800CMC U/g)、半纤维素酶和β-葡糖苷酶(525-775pNPG U/g)并且具有4.6至5.0的pH。这种酶复合物的葡聚糖内切酶活性以羧甲基纤维素活性单位(CMC U)表述，而β-葡糖苷酶活性以pNP-葡糖苷活性单位(CMC U)报道。在一个实施方案中，使用

1500酶复合物和NOVOZYME^TM 188纤维二糖酶的掺合物。

在一些实施方式中，糖化剂包含酸，例如，无机酸。当使用酸时，可以产生对微生物有毒的共产物，在这种情况下该工艺可以进一步包括移除这类共产物。移除可以使用活性碳(例如，活性炭)或其他合适技术进行。

发酵剂

发酵中使用的微生物可以是天然微生物和/或工程化微生物。例如，微生物可以是细菌，例如纤维素裂解细菌、真菌例如酵母、植物或原生动物例如藻类、原生动物或类真菌原生动物，例如，粘菌。当生物是相容性时，可以使用生物的混合物。

合适的发酵微生物具有将糖如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖转化成发酵产物的能力。发酵微生物包括酿酒酵母属(Sacchromyces spp.)的菌株，例如，酿酒酵母(Sacchromycescerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母属(Kluyveromyces)的菌株，例如，马克斯克鲁维酵母(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Candida brassicae、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)(休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的近亲)，棒孢酵母属(Clavispora)，例如，葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae、管囊酵母属(Pachysolen)，例如，嗜单宁管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、酒香酵母属(Bretannomyces)，例如，克劳森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)(Philippidis,G.P.,1996,Cellulosebioconversion technology,引自Handbook on Bioethanol:Productionand Utilization,Wyman,C.E.编著,Taylor & Francis,Washington,DC,179-212)。

可商购的酵母包括例如Red

/Lesaffre Ethanol Red(从RedStar/Lesaffre,USA可获得)、(从Fleischmann's Yeast,a division ofBurns Philip Food Inc.,USA可获得)、(从Alltech,nowLalemand可获得)、(从Gert Strand AB,Sweden可获得)和

(从DSM Specialties可获得)。

细菌也可以用在发酵中，例如，运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)和热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis,1996,上文)。

添加物

抗生素

尽管通常优选在糖化溶液中具有高的糖浓度，然而可以使用较低的浓度，在这种情况下，可能需要添加低浓度例如50至150ppm的抗微生物性添加物，例如，广谱抗生素。其他合适的抗生素包括两性霉素B、氨苄青霉素、氯霉素、环丙沙星、庆大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘌呤霉素、链霉素。抗生素将抑制微生物在运输和储存期间的生长，并且可以按适宜的浓度使用，例如，以重量计介于15和1000ppm之间，例如，介于25和500ppm之间，或介于50和150ppm之间。即便糖浓度是相对高的，根据需要，可以包含抗生素。

表面活性剂

表面活性剂的添加可以增强糖化速率。表面活性剂的例子包括非离子型表面活性剂，如

20或80聚乙二醇表面活性剂、离子型表面活性剂或两性表面活性剂。其他合适的表面活性剂包括辛基酚乙氧基化物如从Dow Chemical可商业获得的TRITON^TM X系列非离子表面活性剂。也可以添加表面活性剂以保持溶液中、尤其在高浓度溶液中正在产生的糖。

糖化介质

在一个实施方案中，介质具有以下浓度的组分：

原料的物理处理

物理制备

在一些情况下，方法可以包括物理制备，例如，材料的尺寸减小，如通过切断、研磨、剪切、粉碎或切碎。例如，在一些情况下，通过剪切或撕碎制备疏松的原料(例如，再循环的纸、淀粉材料、煤炭或柳枝稷)。例如，在其他情况下，材料可以使用本文所述的任何方法中一种或多种进行预处理或加工，如辐射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸法，并且随后减小尺寸或进一步减小尺寸。首先处理并随后减小尺寸可以是有利的，因此处理的材料倾向于更脆并且因此更容易减小尺寸。筛和/或磁体可以用来移除过大或不想要的物体，如，例如来自进料流的岩石或钉状物。

进料制备系统可以设置成产生具有特定特征(如例如特定的最大尺寸、特定长度-宽度或比表面积比率)的流。物理制备可以通过打开材料并使工艺和/或试剂如溶液中的试剂更多地接近它们增加反应速率或减少加工所要求的时间。可以控制(例如，增加)原料的堆积密度。在一些情况下，可能需要制备低堆积密度材料，使材料致密(例如，以使它更易和较不昂贵地运输至另一个地点)并随后使材料恢复至较低的堆积密度状态。

尺寸减小

在一些实施方案中，待加工的材料为通过剪切纤维源所提供的包含纤维的纤维状材料形式。例如，剪切可以用转刀切割器进行。

例如，可以例如在转刀切割器中剪切纤维源，所述纤维源例如，是不顺从的或不顺从性水平降低的纤维源，以提供第一纤维状材料。使第一纤维状材料经过例如具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)平均开口大小的第一筛，提供第二纤维状材料。根据需要，纤维源可以在例如用撕碎机剪切之前切断。例如，当使用纸作为纤维源时，纸可以首先使用撕碎机(例如，逆转动螺杆撕碎机，如由Munson(Utica,N.Y.)制造的那些)切成例如宽1/4至1/2-英寸的条。作为撕碎的替代，纸可以通过使用闸刀式切纸机切至期望的尺寸来减小尺寸。例如，闸刀式切纸机可以用来将纸切成例如10英寸宽×12英寸长的纸张。

在一些实施方式中，纤维源的剪切和所产生第一纤维状材料经过第一筛同时进行。剪切和过筛也可以以间歇式过程进行。

例如，转刀切割器可以用来同时剪切纤维源并筛分第一纤维状材料。转刀切割器包括料斗，其可以用通过撕碎纤维源所制备的撕碎纤维源装载。撕碎的纤维源。在一些实施方式中，在糖化和/或发酵之前物理处理原料。物理处理方法可以包括本文所述的任何方法中一种或多种，如机械处理、化学处理、照射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸法。处理方法可以在这些技术的两种、三种、四种或甚至全部技术(以任意顺序)组合的情况下使用。当使用多于一种处理方法时，所述方法可以同时或在不同时间应用。改变生物质原料的分子结构的其他方法也可以单独使用或与本文公开的方法组合时使用。

机械处理

在一些情况下，方法可以包括机械处理生物质原料。机械处理包括例如切断、磨碎、挤压、研磨、剪切和剁碎。磨碎可以包括例如球磨、锤磨、转子/定子干式或湿式磨碎，或其他类型的磨碎。其他机械处理包括，例如，石磨、裂解、机械撕开或撕裂、针式粉碎或空气摩擦磨碎。

机械处理可以有利于“打开”、“张紧”、断裂和打碎纤维素或木质纤维素材料、使得材料的纤维素更易断链和/或降低结晶度。当照射时，开放的材料也可以更易氧化。

在一些情况下，机械处理可以包括接收时初始制备原料，例如，材料的尺寸减小，如通过切断、研磨、剪切、粉碎或切碎。例如，在一些情况下，通过剪切或撕碎制备疏松的原料(例如，再循环的纸、淀粉材料或柳枝稷)。

可供选择地或另外，原料材料可以首先由其他物理处理方法(如机械处理、辐射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸法)的一种或多种进行物理处理，并随后进行机械处理。这种顺序可以是有利的，因为由一种或多种其他处理法(例如，照射或热解)处理过的材料倾向于更脆，并且因此，可能更容易通过机械处理进一步改变材料的分子结构。

在一些实施方案中，原料材料为纤维状材料形式，并且机械处理包括剪切以暴露纤维状材料的纤维。剪切可以例如使用转刀切割器进行。机械处理原料的其他方法包括例如磨碎或研磨。磨碎可以使用例如锤磨机、球磨机、胶体磨、锥形或锥体磨、盘磨机、轮碾机、维利氏磨粉机(Wiley mill)或磨粉机(grist mill)进行。研磨可以使用例如石磨机、针式研磨机、咖啡研磨机或磨盘式研磨机(burr grinder)进行。研磨例如由往复运动的针或其他部件提供，如在针磨机中那样。其他机械处理方法包括机械撕开或撕裂、施加压力至材料的其他方法和空气摩擦磨碎。合适的机械处理进一步还包括改变原料的分子结构的任何其他技术。

根据需要，机械处理的材料可以经过筛子，例如，具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)平均开口大小的筛子。在一些实施方案中，同时进行剪切或其他机械处理和筛分。例如，转刀切割器可以用来同时剪切并筛分原料。原料在静止刀片和转动刀片之间受到剪切以提供剪切的材料，剪切的材料经过筛子并且捕获于料仓中。

纤维素或木质纤维素材料可以在干燥状态下(例如，在其表面具有少量或没有自由水)、水合状态(例如，具有以重量计至多10%的吸收水)或在潮湿状态下(例如，具有以重量计约10%和约75%之间的水)进行机械处理。纤维源甚至可以在部分或完全浸没在液体(如水、乙醇或异丙醇)下时进行机械处理。

纤维源纤维素或木质纤维素材料也可以在气体(如除空气之外的气流或气氛)(例如氧或氮)或蒸汽下进行机械处理。

根据需要，木质素可以从包含木质素的任何纤维状材料中除去。另外，为了辅助分解包含纤维素的材料，该材料可以在机械处理或照射之前或期间用热、化学品(例如，无机酸、碱或强氧化剂如次氯酸钠)和/或酶处理。例如，研磨可以在酸存在下进行。

机械处理系统可以设置成产生具有特定形态特征(如表面积、孔隙度、堆积密度)和在纤维状原料的情况下纤维特征(如长宽比)的流。

在一些实施方案中，机械处理的材料的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。

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

在一些实施方案中，在机械处理后，材料具有小于0.25g/cm³(例如0.20g/cm³、0.15g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³)或更小(例如0.025g/cm³)的堆积密度。使用ASTM D1895B测定堆积密度。简而言之，该方法包括用样品填充已知体积的量筒和获得样品的重量。通过以克计的样品重量除以以立方厘米计的已知量筒体积，计算出堆积密度。

如果原料是纤维状材料、纤维状材料的纤维，则机械处理的材料可以具有相对大的平均长度直径比(例如，大于20：1)，即便它们已经被剪切超过一次。此外，本文所述的纤维状材料的纤维可以具有相对窄的长度和/或长度直径比分布。

如本文所用，平均纤维宽度(例如，直径)是通过随机选择大约5,000根纤维以光学方式测定的那些。平均纤维长度是校正的长度加权长度。BET(Brunauer、Emmet和Teller)表面积是多点表面积，并且孔隙度是由水银孔隙度计测定的那些孔隙度。

如果第二原料是纤维状材料14，机械处理的材料的纤维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。机械处理的材料的平均纤维长度可以例如介于约0.5mm和2.5mm之间，例如，介于约0.75mm和1.0mm之间，并且第二纤维状材料14的平均宽度(例如，直径)可以例如介于约5μm和50μm之间，例如，介于约10μm和30μm之间。

在一些实施方案中，如果原料是纤维状材料，则机械处理的材料的纤维长度的标准偏差可以小于机械处理的材料的平均纤维长度的60%，例如，小于小于平均长度的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%。

在一些情况下，可能需要制备低堆积密度材料，使材料致密(例如，以使它更易和较不昂贵地运输至另一个地点)并随后使材料恢复至较低的堆积密度状态。致密化的材料可以由本文所述的任何方法加工，或由本文所述的任何方法加工的任何材料可以随后致密化，例如，如美国系列号12/429,045和WO 2008/073186中公开那样，所述文献的全部公开内容通过引用方式并入本文。

增溶、降低不顺从性或官能化的处理

可以处理已经或没有经物理制备的材料以用于本文所述的任何生产工艺中。可以在上文讨论的降低不顺从性操作装置中包括下文描述的一个或多个生产工艺。可供选择或另外地，可以包括用于降低不顺从性的其他方法。

由降低不顺从性操作装置利用的处理工艺可以包括照射、超声波处理、氧化、热解或蒸气爆炸中的一种或多种。处理方法可以在这些技术的两种、三种、四种或甚至全部技术(以任意顺序)组合的情况下使用。

辐射处理

一个或多个辐射加工顺序可以用来加工来自原料的材料，并且用来提供多种不同的源以从原料提取有用物质，并且用来提供部分降解的有机机构修饰的材料，所述材料充当其他加工步骤和/或顺序的输入物。照射可以例如降低原料的分子量和/或结晶度。辐射也可以将材料或生物加工该材料所需的任何介质进行消毒。

在一些实施方案中，在从原子轨道释放电子的材料中沉积的能量用来照射材料。辐射可以由(1)带电重粒子如α粒子或质子(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，例如伽玛射线、X射线，或紫外线提供。在一种方法中，由放射性物质产生的辐射可以用来照射原料。在一些实施方案中，可以使用(1)至(3)以任何顺序的任何组合或同时使用(1)至(3)。在另一个方法中，(例如，使用电子束发射体产生的)电磁辐射可以用来照射原料。施加的剂量取决于所需的效果和具体原料。

在一些情况下当需要断链和/或需要聚合物链官能化时，可以使用比电子更重的粒子，如质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。当需要开环断链时，因为其路易斯酸特性，可以使用带正电荷的粒子以用于增强开环断链。例如，当需要最大氧化时，可以使用氧离子，并且当需要最大硝化时，可以使用氮离子。重粒子和带正电荷粒子的用途在美国系列号12/417,699中描述，所述文献的全部公开内容通过引用方式并入本文。

在一种方法中，将作为或包含具有第一数均分子量(M_N1)的纤维素的第一材料例如通过用电离辐射(例如，以γ辐射、X射线辐射、100nm至280nm紫外(UV)光、电子束或其他带电粒子形式)处理来照射以提供包含纤维素的第二材料，其中所述纤维素具有低于第一数均分子量的第二数均分子量(

)。第二材料(或第一和第二材料)可以与微生物(伴有或不伴有酶处理时)组合，所述微生物可以利用第二和/或第一材料或其组分糖或木质素以产生中间体或产物，如本文所述的那些。

由于第二材料包含具有相对于第一材料降低的分子量并且在一些情况下还具有降低的结晶度的纤维素，因此第二材料通常例如在含有微生物和/或酶的溶液中更有分散性、可溶胀性和/或可溶性。这些特性使第二材料相对于第一材料更容易加工并且更易受化学、酶和/或生物攻击影响，这可以大大改善所需产物(例如乙醇)的生产率和/或生产水平。辐射也可以将材料或生物加工该材料所需的任何介质进行消毒。

在一些实施方案中，第二材料可以具有比第一材料氧化水平(O₁)更高的氧化水平(O₂)。材料的更高氧化水平可以有助于其分散能力、溶胀能力和/或溶解性，这进一步增强材料对化学、酶和/或生物攻击的易感性。在一些实施方案中，为了相对于第一材料增加第二材料的氧化水平，照射在氧化环境(例如，空气层或氧)下进行，产生比第一材料更为氧化的第二材料。例如，第二材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基，这可以增加其亲水性。

电离辐射

每种形式的辐射借助如由辐射能量所决定的特定相互作用使含碳材料电离。带电重粒子主要通过Coulomb散射使物质电离；另外，这些相互作用产生可以使物质进一步电离的高能电子。α粒子与氦原子的核相同并且由多种放射性核如铋、钋、砹、氡、钫、镭、几种锕系元素如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚的同位素的α衰变而产生。

当使用粒子时，它们可以是中性(不带电荷)、带正电荷的或带负电荷的。当带电荷时，带电荷粒子可以携带单个正电荷或负电荷，或多个电荷，例如，一个、两个、三个或甚至四个或更多个电荷。在其中需要断链的情况下，带正电荷粒子可以是合乎需要的，这部分归因于它们的酸性本质。当使用粒子时，粒子可以具有静息电子质量或更大质量，例如，是静息电子质量的500、1000、1500、2000、10,000或甚至100,000倍。例如，粒子可以具有约1个原子单位至约150个原子单位的质量，例如，约1个原子单位至约50个原子单位，或约1至约25，例如，1、2、3、4、5、10、12或15个原子单位的质量。用来加速粒子的加速器可以是静电DC、电动力DC、RF线性、磁感性线性或连续波。例如，回旋型加速器从比利时IBA获得，如

系统，而DC型加速器从RDI(现在的IBA Industrial)获得，如

离子和离子加速器在Introductory Nuclear Physics,Kenneth S.Krane,John Wiley & Sons,Inc.(1988),Krsto Prelec,FIZIKAB 6(1997)4,177-206,Chu,William T.,“Overview of Light-Ion BeamTherapy”Columbus-Ohio,ICRU-IAEA Meeting,2006年3月18-20日,Iwata,Y.等人,“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-IonMedical Accelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotlandand Leaner,CM.等人,“Status of the Superconducting ECR Ion SourceVenus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中讨论。

在一些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束具有高剂量率(例如，每秒1、5或甚至10毫拉德)、高通量、低污染和较少约束设备的优点。电子也可以在造成断链方面更高效。此外，具有4-10MeV能量的电子可以具有5至30mm或更大(如40mm)穿透深度。在一些情况下，多个电子束装置(例如，多头，经常称作“角”)用来输送多个剂量电子束辐射至材料。这种高总束功率通常使用多个加速头来实现。例如，电子束装置可以包括两个、四个或更多个加速头。作为一个例子，电子束装置可以包括四个加速头，每个加速头具有300kW束功率，总束功率1200kW。多头的使用(每一个头具有相对低的束功率)，防止材料中的过度温度上升，从而防止材料燃烧，并且还增加剂量透过材料层厚度的均匀性。在2010年10月20日提交的美国临时申请号61/394.851中描述了采用多个头的照射，所述文献的完整公开内容通过引用方式并入本文。

电子束可以例如由静电发生器、级联发生器、转化发生器、带有扫描系统的低能加速器、带有线型阴极的低能加速器、线型加速器和脉冲加速器产生。电子作为电离辐射源可以例如用于相对薄的材料堆，例如，小于0.5英寸，例如，小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸或小于0.1英寸。在一些实施方案中，电子束的每个电子的能量是约0.3MeV至约2.0MeV(百万电子伏)，例如，约0.5MeV至约1.5MeV或约0.7MeV至约1.25MeV。

电子束照射装置可以从Ion Beam Applications,Louvain-la-Neuve,Belgium或Titan Corporation,San Diego,CA商购。常见的电子能量可以是1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。常见的电子束照射装置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料的解聚水平取决于所用的电子能量和施加的剂量，而曝露时间取决于功率和剂量。常见的剂量可以取值1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy。

电磁辐射

在采用电磁辐射进行照射的实施方案中，电磁辐射可以具有例如每光子(以电子伏特计)大于10²eV，例如大于10³、10⁴、10⁵、10⁶或甚至大于10⁷eV的能量。在一些实施方案中，电磁辐射可以具有每光子(以电子伏特计)介于10⁴和10⁷之间(例如，介于10⁵和10⁶eV之间)的能量。电磁辐射可以具有例如大于10¹⁶Hz、大于10¹⁷Hz、10¹⁸、10¹⁹、10²⁰或甚至大于10²¹Hz的频率。在一些实施方案中，电磁辐射具有介于10¹⁸和10²²Hz，例如介于10¹⁹和10²¹Hz之间的频率。

剂量

在一些实施方案中，(采用任何辐射源或辐射源的组合)进行照射直至材料接收了至少0.25毫拉德(例如至少1.0、2.5、5.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40、50或甚至至少100毫拉德)的剂量。在一些实施方案中，进行照射直至材料接收了介于1.0毫拉德和6.0毫拉德之间的剂量，例如，介于1.5毫拉德和4.0毫拉德、介于2毫拉德和10毫拉德、介于5毫拉德和20毫拉德、介于10毫拉德和30毫拉德、介于10毫拉德和40毫拉德或介于20毫拉德和50毫拉德之间的剂量。

在一些实施方案中，照射以介于5.0和1500.0千拉德/小时之间，例如介于10.0和750.0千拉德/小时之间或介于50.0和350.0千拉德/小时之间的剂量率进行。

在一些实施方案中，使用两个或更多个辐射源，如两个或更多个电离辐射。例如，样品可以采用电子束，随后采用γ辐射和具有约100nm至约280nm波长的UV线按任何顺序进行处理。在一些实施方案中，样品用三个电离辐射源处理，如电子束、γ辐射和高能UV线。

超声波处理、热解和氧化

除辐射处理之外，原料还可以用超声波处理、热解和氧化法中的任一种或多种方法处理。这些处理方法在USSN 12/417,840中描述，所述文献的内容通过引用方式并入本文。

增溶、降低不顺从性或官能化的其他方法

本段落的任何方法可以在没有本文所述的任何方法情况下单独使用或与本文所述的任何以下方法(以任意顺序)组合使用：蒸气爆炸法、化学处理(例如，酸处理(包括采用无机酸如硫酸、盐酸和有机酸如三氟乙酸的浓酸和稀酸处理)和/或碱处理(例如，用石灰或氢氧化钠处理))、UV处理、螺杆挤出处理(见，例如，2008年11月1817提交的美国专利申请系列号61/073,530115,398)、溶剂处理(例如，用离子液体处理)和冷冻磨碎(见，例如，美国专利申请系列号61/081,709)。

燃料、酸、酯和/或其他产物的生产

在已经对生物质进行上文讨论的一个或多个加工步骤后，如上文讨论，纤维素和半纤维素部分中所含的复杂糖可以使用糖化方法加工成可发酵糖。

在所得到的糖溶液已经运输至生产设施后，可以将糖转化成多种产物，如醇，例如，乙醇，或有机酸。获得的产物取决于所用的微生物和生物加工发生的条件。这些步骤可以例如使用基于玉米的乙醇生产设施的现有设备进行。

如果需要，本文讨论的混合方法和设备也可以在生物加工期间使用。有利地，本文所述的混合系统不对液体赋予高剪切力并且没有明显升高液体的总温度。因此，在整个过程期间，将生物加工中所用的微生物维持在有活力的状态下。混合可以增强反应速率和提高本工艺的效率。

通常，发酵利用多种微生物。由木质纤维素材料的糖化产生的糖溶液通常将含有木糖以及葡萄糖。可能需要例如通过层析移除木糖，因为一些常用的微生物(例如，酵母)不作用于木糖。可以将木糖收集并且用于生产其他产品，例如，动物饲料和甜味剂木糖醇。木糖可以在将糖溶液输送至将进行发酵的生产设施之前或之后移除。

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

酵母的最佳pH是约pH 4至5，而发酵单胞菌(Zymomonas)的最佳pH是约pH 5至6。通常的发酵时间是约24至96小时，伴随26℃至40℃范围内的温度，然而嗜热微生物偏好更高的温度。

羧酸基团通常降低发酵溶液的pH，易于抑制采用一些微生物(如树干毕赤酵母(Pichia stipitis))的发酵。因此，在一些情况下，在发酵之前或期间需要添加碱和/或缓冲液以升高溶液的pH。例如，可以将氢氧化钠或石灰添加至发酵培养基以升高培养基的pH至对所用微生物为最佳的范围。

发酵通常在含水生长培养基中实施，所述含水生长培养基可以含有氮源或其他养分源，例如，脲，连同维生素和微量矿物质和金属。通常优选生长培养基是无菌的，或至少具有低微生物载量，例如，细菌计数。生长培养基的消毒可以按任何期望的方式完成。然而，在优选的实施方式中，通过照射生长培养基或混合之前的生长培养基的各个组分完成消毒。辐射剂量通常尽可能地低，但仍获得足够的结果，以使能量消耗和相应成本最小化。例如，在许多情况下，生长培养基本身或生长培养基的组分可以用小于5毫拉德(如小于4、3、2或1毫拉德)的辐射剂量处理。在特定情况下，生长培养基用介于约1和3毫拉德之间的剂量处理。

在一些实施方案中，全部或一部分的发酵过程可以在低分子量糖完全转化成乙醇之前中断。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在制备用于人或动物消费的食品中使用。另外地或可供选择地，中间发酵产物可以在不锈钢实验室磨中研磨成细颗粒尺寸以产生粉状物质。

在一些情况下，罐可以是移动的，如美国临时专利申请系列60/832,735，现在公布的国际申请号WO 2008/011598中所描述，所述文献的全部公开内容并入本文。

后加工

在发酵后，可以使用例如“啤酒柱”蒸馏所得到的流体以将乙醇和其他醇与大部分水和残余固形物分离。离开啤酒柱的蒸气可以是例如以重量计35%的乙醇并且可以送至精馏柱。来自精馏柱中近乎共沸的(92.5%)乙醇和水的混合物可以使用汽相相分子筛纯化为纯(99.5%)乙醇。啤酒柱残渣可以输送至三效蒸发器的第一效。精馏柱回流冷凝器可以为第一效提供热。在第一效后，固形物可以使用离心机分离并且在旋转干燥器中干燥。一部分(25%)的离心流出液可以再循环至发酵并且将剩余部分输送至第二和第三蒸发器效。可以将大部分蒸发器冷凝物作为相当干净的冷凝物返回至该工艺，而小部分分流至废水处理以防止低沸点化合物的堆积。

中间体和产物

使用本文所述的方法，处理的生物质可以转化成一种或多种产物，如能量、燃料、食品和材料。产物的具体例子包括，但不限于、氢、醇(例如，一元醇或二元醇、如乙醇、正丙醇或正丁醇)、水合或含水的醇(例如，含有大于10%、20%、30%或甚至大于40%的水)、木糖醇、糖、生物柴油、有机酸(例如，乙酸和/或乳酸)、烃、共产物(例如，蛋白质、如纤维素裂解蛋白(酶)或单细胞蛋白)和任何这些物质以任何组合或相对浓度和任选与任何添加物(例如燃料添加物)组合的混合物。其他例子包括羧酸如乙酸或丁酸、羧酸盐、羧酸与羧酸盐的混合物以及羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮(例如，丙酮)、醛(例如，乙醛)、α、β不饱和酸如丙烯酸和烯烃、如乙烯。其他醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、任何这些醇甲酯或乙酯。其他产物包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟丙酸、所述酸中任一者的盐和所述酸中任一者和相应盐的混合物。

其他中间体和产物，包括食品和药物产品，在美国系列号12/417,900中描述，所述文献的公开内容在此通过引用方式并入本文。

其他实施方案

描述了众多实施方案。然而，应当理解的是可以作出多种修改而不脱离本公开的精神和范围。

在一些实施方式中，本文讨论的系统或这些系统的组件可以是便携式的，例如，以美国系列号12/374,549和国际申请号WO2008/011598中描述的移动式加工设备的方式，所述文献的全部公开内容通过引用方式并入本文。

在本文所述的任何分散系统中，经过分散系统的流体(液体和/或气体)的流可以是连续或脉冲的或连续流与脉冲流间隔的组合。当流是脉冲式时，脉冲可以是规则或不规则的。

尽管本文中提到罐，但是所述工艺可以在任何类型的容器(vessel)或器皿(container)中进行，包括贮留池、池、塘等。如果其中进行混合的容器是一种地面内(in-ground)结构如贮留池，它可以加衬砌。容器可以加盖，例如，如果它在室外，或不加盖。

尽管本文已经描述了生物质原料，但可以使用其他原料以及生物质原料与其他原料的混合物。例如，一些实施方式可以利用生物质原料与含烃原料的混合物，如2009年7月20日提交的美国临时申请号61/226,877中公开的那些，所述文献的公开内容通过引用方式并入本文。

因此，其他实施方案在以下权利要求的范围之内。

Claims

1.一种方法，包括：

使容器中在液体介质中的生物质原料糖化以形成浓度为至少15%的糖溶液，并且利用酶和/或微生物在同一容器中将所述糖溶液转化成产物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中转化包括发酵。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中转化还包括蒸馏。

4.根据权利要求3所述的方法，其中蒸馏包括真空蒸馏。

5.根据权利要求4所述的方法，其中蒸馏在低于70 Torr的真空下进行。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中蒸馏在环境温度下进行。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述产物包括醇。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述原料具有小于约0.5g/cm³的堆积密度。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述液体介质包括水。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述糖化剂包括酶。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在糖化期间用射流混合器混合。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在糖化期间监测所述原料、所述液体介质和所述糖化剂的混合物的葡萄糖水平。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括在糖化期间将另外的原料和糖化剂加至所述容器中以及使用所述分散系统将所述原料分散于所述介质中。

14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述容器包括罐。

15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述原料包括纤维素或木质纤维素材料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述原料包括纸。

17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括在所述容器中将乳化剂或表面活性剂加至所述混合物中。

18.根据权利要求3或4所述的方法，还包括在蒸馏期间混合。

19.根据权利要求18所述的方法，其中在蒸馏期间使用射流混合器进行混合。

20.一种系统，包括：

罐，

设置为将生物质原料、糖化剂和液体介质输送至所述罐的输送系统，

设置为将所述输送的生物质原料和糖化剂混合的混合器，和

设置为从所述罐的内容物蒸馏产物的与所述罐连通的真空蒸馏系统。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括设置为用微生物接种所述罐的内容物的输送装置。

22.根据权利要求20或21所述的系统，还包括设置为监测所述罐的内容物的氧水平的氧监测器。

23.根据权利要求20-22中任一项所述的系统，其中所述混合器包括射流混合物器。

24.根据权利要求20-23中任一项所述的系统，其中所述输送系统设置为将所述生物质原料和液体介质以分散体的形式输送至所述罐。