CN104379769A - 加工生物质 - Google Patents

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Abstract

将生物质(如，植物生物质、动物生物质和城市废物生物质)进行加工以生产有用的中间体和产品，诸如能量、燃料、食品或材料。例如，描述了可使用原料材料(诸如纤维素材料和/或木质纤维素材料)如通过连续、半连续或非连续的方式酶促糖化来生产中间体或产品的系统。

Description

加工生物质
相关申请
本申请要求2012年7月2日提交的美国临时申请序No.61/667,156的优先权，其全部公开内容在此以引用的方式并入本文。
发明背景
纤维素材料和木质纤维素材料在许多应用中大量地生产、加工和使用。所述材料往往使用一次，然后就作为废物丢弃，或简单视为废弃材料，如污物、甘蔗渣、锯屑以及秸秆。
概述
本发明涉及含有碳水化合物的材料(如，生物质材料或生物质来源的材料)、加工此类材料的方法以及由此类加工产生的中间体和产品，诸如燃料和/或其它产品。总体上，生物质包括纤维素、半纤维素以及木质素连同少量蛋白质、可提取物和矿物质。包含在纤维素和半纤维素级分中的复杂碳水化合物可通过糖化，如使用纤维素分解酶、酸(诸如弱无机酸或稀无机酸)或酸处理接着纤维素分解酶来加工成糖，并且糖然后可用作最终产品或中间体，或通过另外的生物加工或化学方法(如，发酵或氢化)转化成各种产品，诸如醇、糖醇、有机酸以及烃。所产生的产品往往取决于所利用的微生物或化学物质以及加工发生的条件。
总体上，本发明涉及增强如用于以连续、半连续或非连续的方式糖化生物质(如，纤维素原料或木质纤维素原料)的生物质材料的糖化的方法和系统。如可通过增加总糖产率来增强糖化。不受任何具体理论束缚，认为本文公开的方法通过更具成本效益并且具有较小的工艺可变性(如，在工艺过程中具有较小的粘度可变性、温度可变性和/或pH可变性)了糖化效率同时为灵活的并且允许高通量。
总体上，在许多方面，本文描述的发明允许更高的糖产率。例如，在一些情况中，可去除生物质材料中的基本上所有的可用糖。在其它情况下，可从生物质去除大于70％、大于75％、大于80％、大于85％、大于90％、大于95％或甚至大于99％的可用糖。在其它的情况下，可去除生物质材料中的约60％至99％或约65％至95％或约68％至90％的糖。
例如，一方面，本发明特征在于加工生物质材料的方法，所述方法包括糖化经过糖化的材料。在糖化之前经过糖化的材料可通过本文描述的任何方法来处理，例如用电子束辐射处理。
另一方面，本发明特征在于用于使固体糖化的生物质从液体介质中分离和糖化固体经糖化的生物质的方法。经糖化的生物质可通过糖化(如，用酶、酸或这些的组合)生物质来产生。任选地，在糖化过程中可利用一个或多个喷射混合器。液体介质可包括酶、糖、矿物质、盐、酸、碱和悬浮的固体(诸如来源于生物质的细小微粒材料)以及气体。生物质被液体介质润湿，例如生物质可悬浮于液体介质和/或从液体介质沉降。液体可为水性液体。
在一些实施中，生物质通过包括照射、声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸以及这些的组合的方法来处理。可进行照射以提供约10Mrad至200Mrad(例如，约10Mrad至100Mrad、约5Mrad至50Mrad)的总剂量，并且可使用多于一个具有例如在照射之间冷却的电子束装置来进行。
在一些实施中，固体糖化的生物质和液体介质通过选自以下的分离器来分离：离心机、过滤装置、沉降罐、多孔材料、网状物、滤网、振动筛、多孔板或圆筒、筛分装置以及这些的任何顺序的组合，并且任选地在分离过程中利用多于一次。
在一些实施中，从固体生物质中糖化基本上所有的可用糖。或任选地，从固体生物质中糖化至少70％或95％的可用糖或糖。例如，糖可包括葡萄糖和木糖。
在一些实施中，所述方法用于从包括纤维素或木质纤维素生物质的生物质中生产产品(如，糖或糖衍生物)。例如，生物质可包括纸、纸制品、纸废物、木材、碎料板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、草、稻草、麦秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、玉米芯、玉米秸、苜宿、干草、椰子毛、海草、藻类以及这些的混合物。
另一方面，本发明方法可包括：在液体中糖化固体生物质；使固体糖化的生物质从液体中分离；使液体从分离的糖化生物质中去除以及将液体和糖化剂添加至分离的糖化生物质(如，以便糖化分离的糖化生物质)。任选地，所述方法包括使固体的糖化重复三次或更多次。在糖化过程中，可使用混合器诸如一个或多个喷射混合器来混合生物质材料和液体。任选地，可通过允许固体沉降，例如通过关闭混合和等待材料沉降来实现分离，然后可倾析液体和/或使液体从固体中去除(如，通过从罐/容器的顶部泵出液体)。任选地和/或另外地，可通过另一种方法例如连续离心机来分离固体。当使用连续离心机时，罐中的混合可在材料送至连续离心机时继续进行，因为材料不需要在容器/罐中沉降。
另一方面，本发明特征在于加工纤维素材料的方法，所述方法包括在第一糖化罐和第二糖化罐中糖化生物质材料。在一些情况下，第一糖化罐与第二糖化罐流体连通。第二糖化罐的内容物具有比第一糖化罐的内容物高的糖浓度，例如第一糖化罐中的糖浓度可为小于约1g/L(如，小于5g/L、小于约10g/L、小于约50g/L、小于约100g/L、小于约200g/L、小于约300g/L、小于约500g/L)并且第二糖化罐中的糖浓度可为至少1g/L(如，至少5g/L、至少10g/L、至少50g/L、至少100g/L、至少200g/L、至少300g/L、至少500g/L)。任选地，第一糖化罐与第二糖化罐处于连续流体连通。可在糖化过程中将酶(诸如将生物质消化成糖的酶)添加至第一糖化罐，并且可在糖化过程中将生物质添加至第二罐。
在本发明的另一个方面中，可通过第一糖化罐与第二糖化罐之间的流体流动路径来提供两个罐之间的流体连通。可沿着流体流动路径放置第一分离器并且在第一分离器上收集碳水化合物水平低于原料生物质材料的用过的生物质如用于能量生产，同时剩下的第一上清液糖溶液流过分离器进入第二罐。可沿着流体流动路径放置第二分离器并且在第二上清液糖溶液穿过第二分离器之后将其收集，并且将由第二分离器滤掉的生物质添加至第一糖化罐。分离器可为网状物、筛网、振动筛、滤网、离心机、过滤器、沉降罐或其组合。
任选地，第一糖化罐和第二糖化罐中的温度为大于约45℃(如，大于约55℃、45℃至65℃、50℃至60℃)。
生物质可包括纤维素材料或木质纤维素材料，例如纸、纸制品、纸废物、木材、碎料板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、草、稻草、麦秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、玉米芯、玉米秸、苜宿、干草、椰子毛、海草、藻类或其混合物。
在本方法的一些实施中，例如通过粉碎(如，切割、研磨、湿磨、冷冻研磨、锤磨、挤压、碾磨、剪切以及剁碎)来机械处理生物质材料。机械处理可减小原料的堆密度和/或增大原料的表面积。在一些实施方案中，在机械处理之后材料的堆密度为小于0.75g/cm3(小于0.70g/cm3、小于0.65g/cm3、小于0.60g/cm3、小于0.55g/cm3、小于0.50g/cm3、小于0.45g/cm3、小于0.40g/cm3、小于0.45g/cm3、小于0.40g/cm3、小于0.35g/cm3、小于0.30g/cm3、小于0.25g/cm3、小于0.20g/cm3、小于0.15g/cm3、小于0.10g/cm3、小于0.05g/cm3)。使用ASTM D1895B来确定堆密度。
还可通过辐射、声处理、热解、氧化、蒸汽爆炸以及这些的任何顺序的组合来处理包含纤维素材料或木质纤维素材料的生物质。这些处理方法可相对于天然材料的抗降解屏障而减小材料的抗降解屏障，使得生物质更容易进行随后的糖化。辐射处理可通过一个或多个电子束。照射的总剂量可在约10Mrad至200Mrad。处理可包括本文公开的、单独或以任何需要的组合应用并且应用一次或多次的任何一种或多种处理。
通过所公开的方法的糖化生产的糖可包括葡萄糖、木糖、果糖、阿拉伯糖、甘露糖以及二糖、三糖和多糖。例如可使用生物、酶和/或催化剂将糖转化为产品。
在一个实施中，所述方法包括通过将酶和液体(诸如水)添加至第一糖化罐并且将生物质材料添加至第二糖化罐来加工纤维素材料或木质纤维素材料。第一糖化罐与第二糖化罐流体连通，第二糖化罐的内容物具有比第一糖化罐的内容物高的糖浓度。
在又一个方面，本发明为使用含有第一糖化材料的第一糖化罐和含有第二糖化材料的第二糖化罐来糖化生物质的系统。第一和第二糖化材料流体连通。第一糖化生物质具有比第二糖化材料低的糖浓度。任选地，流体连通为连续的。系统还可包括沿着流体流动路径放置于第一与第二糖化罐之间的第一分离器，此流体流动路径提供了第一罐与第二罐之间的流体连通。系统还可包括沿着流体流动路径放置于第一与第二糖化罐之间的第二分离器。分离器可为网状物、筛网、振动筛、滤网、离心机、过滤器或沉降罐中的任何一种或多种。
用于糖化生物质的系统可包括第一和第二糖化罐。第一流体流动路径提供从第一罐至第二罐的第一流体连通。第一分离器置于第一流体流动路径中用于使加工的生物质从第一罐与第二罐之间的流体连通中去除。第二流体流动路径提供从第二罐至第一罐的第二流体连通。第二分离器置于第二流体流动路径中用于使糖化的上清液从第一罐与第二罐之间的流体连通中去除。所述系统包括被配置以与第二分离器去除糖化的上清液大约相同的速率将液体原料添加至第一罐的第一递送装置。所述系统还包括被配置以与第二分离器去除加工的生物质大约相同的速率将生物质原料添加至第二罐的第二递送装置。任选地，第一流体流动路径和第二流体流动路径在第一糖化罐与第二糖化罐之间提供恒定流量的流体。
其它特征和优点将由以下详述和权利要求书而显而易见。
附图描述
图1为示出纤维素酶促水解成葡萄糖的图解。
图2为示出纤维素酶对纤维素和纤维素衍生物的作用的图解。
图3为示出含有纤维素材料或木质纤维素材料的生物质转化成一种或多种产品的流程图。
图4为示出用于使用两个罐和两个分离器来糖化生物质的方法的图解。
图5为示出用于使用四个或更多个罐和分离器来糖化生物质的方法的图解。
图6示出使用两个罐和两个分离器的本发明的具体实施方案。图6A为袋滤室的放大的切口视图。图6B示出具有两个筛网的振动筛的放大的局部切口视图。图6C示出具有一个筛网的振动筛的放大的切口视图。
图7为示出用于以非连续方式糖化生物质的方法的流程图。
图8为示出用于非连续糖化生物质的方法的流程图。
图9为示出用于非连续糖化生物质的另一种方法的流程图。
详述
使用本文描述的方法，可加工生物质(如，植物生物质、动物生物质、纸以及城市废物生物质)从而以高产率生产糖和其它有用的中间体和产品，诸如有机酸、有机酸的盐、酸酐、有机酸的酯以及燃料(如用于内燃机的燃料或用于燃料电池的原料)。本文描述了包括连续、半连续或分批加工生物质(例如使用一个或多个罐和分离器来连续或非连续糖化纤维素材料或木质纤维素材料)的系统和方法。
为了将原料转化成可易于加工的形式，通过糖化剂(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量碳水化合物(诸如糖)这个过程称为糖化。然后低分子量碳水化合物可用于例如现有制造工厂诸如单细胞蛋白质工厂、酶制造工厂或燃料工厂(如乙醇制造设施)中。
分解生物质(诸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各种纤维素分解酶(纤维素酶)、木质素酶或破坏各种小分子的生物质的代谢物。这些酶可为协同作用来降解生物质的晶体纤维素或木质素部分的酶的复合物。纤维素分解酶的实例包括：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡萄糖苷酶)。参考图1，在糖化过程中，通过内切葡聚糖酶在随机位置初步水解纤维素底物从而产生低聚中间体。然后这些中间体为外切葡聚糖酶诸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。纤维二糖为水溶性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得到葡萄糖。
现在参考图2，纤维素(80)的水解为多步过程，所述过程包括经由内切葡聚糖酶(EG)和外切葡聚糖酶/纤维二糖水解酶(CHB)(步骤A)(120)的协同作用在固-液界面处的初步分解。此初步降解伴随有进一步的液相降解，所述液相降是通过由(步骤B)中的β-葡糖苷酶(βG，110)催化裂解的溶解性中间产品诸如寡糖和纤维二糖(90)的水解进行的。如在(步骤D)中所表明，纤维二糖直接抑制CBH和EG(120)。葡萄糖(100)直接抑制βG(110)(步骤C)、CBH和EG(120)(步骤E)。本文描述的方法可消除或减少此抑制，进而提供高得多的糖产率。与本文描述的方法结合或组合，如于2012年12月20日用英文书写和提交的PCT/US12/71093和PCT/US 12/71097中所述，使原料与添加剂例如葡萄糖异构酶接触也可减少或消除此抑制(步骤C和步骤E)，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
可例如参考图3将已通过本文描述的方法糖化的生物质制造成各种产品，所述图3示出用于制造醇的方法。所述方法可例如包括任选地机械处理原料(步骤210)；在此处理之前和/或之后，任选地用另一种物理处理(例如，照射)来处理原料以进一步减小其抗降解屏障(步骤212)；以及使用本文描述的方法糖化原料以形成糖溶液(步骤214)。任选地，所述方法还可包括如通过管道、有轨车、卡车或驳船来将溶液(或原料、酶和水，如果糖化在途中进行)运输至制造工厂(步骤216)。在一些情况下，进一步生物加工(如，发酵)糖化的原料以生产目标产品(步骤218)和副产品(211)。在一些实施中，所得产品可如通过蒸馏进一步加工(步骤220)。如果需要，可在所述过程的各个阶段测量木质素含量(步骤222)和基于此测量设定或调节工艺参数(步骤224)的步骤，如2010年2月11日提交的美国专利No.8,415,122中所述，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
参考图4，示出用于糖化原料生物质材料(如，纤维素材料或木质纤维素材料)的方法。第一糖化罐(410)和第二糖化罐(420)通过第一分离器(430)和第二分离器(440)处于流体连通。可将生物质原料(450)添加至第二罐(420)并且可将酶原料(460)添加至第一罐(410)。使第一罐(410)的内容物流过第一分离器(430)。第一分离器将糖化混合物分成流入第二罐(420)中的液体流和可收集用于进一步加工的固体流(470)(如固体产品、用过的生物质或加工的生物质)。使第二罐(420)的内容物流过第二分离器(440)。第二分离器将来自第二罐(420)的糖化材料分成流入第一罐(410)中的固体流；和液体流(480)(如，液体产品、糖化的糖溶液、糖溶液、糖化的上清液)。第一罐(410)中糖化材料中的糖浓度小于第二罐(420)中糖化材料中的糖浓度。用过的生物质中的可提取糖的量小于生物质原料中的可提取糖的量。可提取糖为可呈结合、嵌埋(trapped)和/或不溶解形式的糖。例如，在生物质中呈碳水化合物(如，单糖、二糖、三糖和/或多糖)形式吸附至表面和/或嵌埋在生物质中。
可将来自第一分离器的所有液体或仅一部分液体送至第二糖化罐。可将来自第一分离器的所有固体或仅一部分固体分成固体产品，例如可将一部分固体送回到第一糖化罐。在一些情况下，送回到第一糖化罐的部分具有比送去作为固体产品的部分大的平均粒度。可将来自第二分离器的所有固体或仅一部分固体送至第二糖化罐。在一些情况下，送回到第二糖化罐的部分具有比送至第一糖化罐的部分大的平均粒度。可将来自第二分离器的所有液体或仅一部分液体收集作为液体产品。
如通过图4进一步示出，每个罐均与两个分离器流体连通。在其它任选配置中，每个罐均可与三个或更多个分离器(如至少四个、至少五个、至少六个)流体连通，具有向内或向外的流体流动。
第二罐中的生物质通常在添加至第二罐之前和/或之后与液体(如，水)合并。例如，生物质可为基本上干燥的生物质(如，含有小于25重量％水、小于10重量％水或小于5重量％水)，所述生物质使用输送机(如，皮带或振动)、挤出机、鼓风机、料斗和/或手动添加至罐。在其中生物质在添加至第二罐之前合并水或已经含有水的选项中，生物质可使用例如与泵组合的管或使用重力、液体螺杆挤出机或任何其它有用手段送至第二罐。如需要可从水源将额外的水添加至第二罐或第一罐，所述水源诸如连接至管并且通过例如泵或重力在远程或手动控制的阀门控制下馈送至第一罐、第二罐或任何其它与罐流体连通的仪器。通常添加固体生物质以使在罐中具有至少5重量％生物质(如，至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％)。
将例如呈液体形式(如，溶解和/或悬浮在水溶液中)的酶原料(如，纤维素酶)添加至第一罐。可添加酶以在第一罐中提供例如至少1mg酶/g原料的浓度(如，至少5mg/g、至少10mg/g、至少20mg/g)。酶原料自身可呈浓缩形式，例如至少10mg/mL(如，至少20mg/ml、至少40mg/mL、至少60mg/mL、至少80mg/L)。第一罐和第二罐中的酶活性在约0.1μmol/min/mg至10μmol/min/mg(如，约0.1-1μmol/min/mg、0.1-0.8μmol/min/mg、0.1-0.6μmol/min/mg、0.1-0.4μmol/min/mg、0.2-10μmol/min/mg、0.2-1μmol/min/mg、0.2-0.8μmol/min/mg、0.2-0.6μmol/min/mg、0.4-1μmol/min/mg、0.4-1μmol/min/mg、0.6-10μmol/min/mg、1-10μmol/min/mg)，使用FP测定(滤纸测定,Ghose,IUPAC,Measurement of Cellulase Activities，T.K.Ghose；Pure&Appl.Chem.,第59卷，第2期,第257页,1987)。使用CB测定(纤维二糖酶活性)，第一罐和第二罐中的酶活性可在约0.1μmol/min/mg至40μmol/min/mg(如0.1-20μmol/min/mg、0.1-10μmol/min/mg、0.1-5μmol/min/mg、1-40μmol/min/mg、1-20μmol/min/mg、1-10μmol/min/mg、1-8μmol/min/mg、1-6μmol/min/mg、2-40μmol/min/mg、2-20μmol/min/mg、2-10μmol/min/mg、2-8μmol/min/mg、2-6μmol/min/mg、6-20μmol/min/mg)。
可在工艺中的任何点添加添加剂，例如可添加酸、碱和缓冲液来控制pH。可添加表面活性剂来修饰各个罐和仪器中的组合物的粘度、混合和流动性质。表面活性剂的实例包括非离子型表面活性剂(诸如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。其它适合的表面活性剂包括辛基酚乙氧基化物，诸如可从Dow Chemical商购获得的TRITONTM X系列非离子型表面活性剂。还可添加表面活性剂来保持糖在溶液中特别是在高浓度溶液中产生。任选地，抗微生物添加剂如广谱抗生素处于低浓度，如50ppm至150ppm。其它适合的抗生素包括两性霉素B、氨苄西林、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。抗生素将在糖化或运输和贮藏过程中抑制微生物的生长，并且可以适当的浓度(如，15ppm至1000ppm，如25ppm至500ppm或50ppm至150ppm)使用。另外，可添加化学灭菌剂来控制工艺过程中的微生物生长，可通过鼓泡穿过液体溶液或覆盖糖化罐来添加气体诸如空气、氮气、氩气、二氧化碳、一氧化氮、氯气、氧气、臭氧，并且可添加葡萄糖异构酶来减少纤维素酶的抑制。任选地，pH维持在pH 2至pH 8(如，pH 3至pH 6、pH 3.5至pH 4.5)。
在本文描述的任何工艺中的生物质的糖化过程中的温度可例如在约30℃至90℃。在一些实施方案中，温度优选地在约40℃至约60℃(如，约45℃至约55℃)。在一些实施方案中，工艺过程中的糖化生物质的温度在约40℃以上(如，约45℃以上、约50℃以上、约55℃以上、约60℃以上、约65℃以上)。在一些实施方案中，温度优选地在约50℃至约90℃(如，约60℃至约80℃、约65℃至约75℃)。可取决于例如所利用的酶种类来选择温度。较高的温度可有利于减小来自外来生物的污染危险并且还可提供一些加工优点(如，粘度更低、反应物和产品的可能浓度更高以及反应速率更高)。使用较高温度的缺点可包括加热的成本和糖化剂(如，酶)的不稳定性。
糖化生物质的温度和pH可在仪器的不同部分中(例如罐中或分离器中)相同或不同。
在一些实施方案中，以每天约1罐体积至约20罐体积(如，每天约2罐至约16罐、每天约4罐至约12罐)的速率生产液体产品。罐体积是指存在于工艺过程中所使用的所有罐中的液体总量。
可以连续的方式操作工艺，其中大约恒定流量的材料从第一罐穿过第一分离器到达第二罐、穿过第二分离器到达第一罐，并且大约恒定添加酶原料和生物质原料。因此，当以连续方式使用时，罐中的液体-生物质浆料的体积保持大约恒定。在一个实施方案中，维持以上讨论的材料的流量以便从生物质中提取至少50％的可用糖(如至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％或甚至至少90重量％)。任选地，维持如上所述的流量以便产生具有至少5重量％糖(如，至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％)的液体产品。在一些实施方案中，维持材料的流量以生产固体产品，其中高达50％的可提取糖(如碳水化合物)已从生物质中去除(高达60重量％、高达70重量％、高达80重量％、高达90重量％或甚至高达100重量％)。可以至少部分非连续的方式(如，半连续或甚至以分批模式)操作工艺。例如，可在糖化工艺过程中的任何时间点和视需要多次地将第一罐(410)部分地或完全地排空至第一分离器(430)以例如优化加工。
在非连续操作的一个实例中，当完成糖化(或至少20％完成、至少40％完成、至少60％完成、至少80％完成)时，第一罐(410)的至少10体积％，如至少20体积％、至少30体积％、至少40体积％、至少50体积％、至少60体积％、至少70体积％、至少80体积％或至少90体积％的内容物送至第一分离器(430)。在某点下认为糖化完成，其中再糖化8小时或更久将不会产生多于10％的更多的糖。例如，如果第一罐中的糖化产生10重量％糖(约100g/L)，则认为若再糖化8小时或更久(如，使用相同、等效或类似的条件)将不会产生多于1重量％(10g/L)更多的糖糖化就已完成。一旦如上所述的一些糖化材料被馈送至第一分离器(430)，那么可将来自第二分离器(440)的固体、酶原料(460)和液体(如水)添加至第一罐(410)以提供大约等于、小于或大于第一罐(410)中的原始体积的体积，例如高达罐的150体积％、高达120体积％、高达100体积％或至少90体积％、至少80体积％、至少70体积％、至少60体积％、至少50体积％、至少40体积％、至少30体积％、至少20体积％或至少10体积％。可将来自第二分离器(440)的所有或仅一部分固体馈送至第一罐(420)，例如至少90体积％、至少80体积％、至少70体积％、至少60体积％、至少50体积％、至少40体积％、至少30体积％、至少20体积％或至少10体积％。
作为非连续操作的另一个实例，第二罐(420)可被部分地或完全地排空以在糖化工艺过程中的任何时间点和视需要多次地给第二分离器(440)进料。例如，当完成糖化(或至少20％完成、至少40％完成、至少60％完成、至少80％完成)时，第二罐的至少10体积％，如至少20体积％、至少30体积％、至少40体积％、至少50体积％、至少60体积％、至少70体积％、至少80体积％或至少90体积％的内容物可被送至第二分离器(440)。一旦如上所述的一些糖化材料被馈送至第二分离器(440)，那么可将来自第一分离器(430)的液体、生物质(450)和另外的液体(如，水)添加至第二罐(420)以提供大约等于、小于或大于罐中的原始体积的体积，例如高达罐的150体积％、高达120体积％、高达100体积％或至少90体积％、至少80体积％、至少70体积％、至少60体积％、至少50体积％、至少40体积％、至少30体积％、至少20体积％或至少10体积％。可将来自第一分离器(430)的所有或仅一部分液体馈送至第二罐(420)，例如至少90重量％，如至少80重量％、至少70重量％、至少60重量％、至少50重量％、至少40重量％、至少30重量％、至少20重量％或至少10重量％。
用于本文描述的方法和系统的分离器可为用于提供来自糖化罐的至少两股流体的任何有用分离器。例如，分离器可为离心机、过滤装置(如，重力、真空、压滤器、过滤袋、多孔容器)和沉降罐中的任何一种或多种。另外，例如，分离器可包括多孔材料、网状物、滤网、振动筛、多孔板或圆筒、滤网、筛分装置，并且可具有1/2英寸至1/256英寸的平均开口尺寸(如约1/4英寸至1/64英寸、小于约0.79mm(1/32英寸，0.03125英寸)，如小于约0.40mm(1/64英寸，0.015625英寸)、小于约0.20mm(1/128英寸，0.0078125英寸))或者甚至小于约0.10mm(1/256英寸，0.00390625英寸)。可使用以上列出的分离器的任何组合。在一些实施方案中，分离器为具有一个或多个筛网的振动筛。分离器产生一个或多个固体流，其具有比给分离器进料的罐中的材料的固体浓度高的固体浓度；和一个或多个液体流，其具有比给分离器进料的罐中的材料中的固体浓度低的固体浓度。例如，固体流将为至少10重量％的固体，如至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％或至少95重量％。例如，液体流将为1重量％或更少的固体，如5重量％或更少、10重量％或更少、20重量％或更少、30重量％或更少、40重量％或更少、70重量％或更少、80重量％或更少、90重量％或更少或者95重量％或更少。
所使用的罐可呈任何有用配置和尺寸。例如，罐通常将大于100L(如，400L、40,000L或500,000L)。可通过例如温度控制夹套和/或在罐和管道上绝热来控制工艺温度。
通常优选的是，如如于2011年5月18日提交的美国序列No.12/782,694、于2011年11月10日提交的美国序列No.13/293,985和于2011年11月10日提交的美国序列No.13/293,977所述使用喷射混合来混合罐内容物；所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。例如，在一些实施中，使用了一个喷射混合器。在其它实施中，将两个或更多个喷射混合器放置于容器中，其中一个或多个被配置以向上喷射流体(“上泵”)并且一个或多个被配置以向下喷射流体(“下泵”)。在一些情况下，向上泵送的混合器将与向下泵送的混合器相邻放置以增强由混合器产生的湍流。如果需要，可在加工过程中将一个或多个混合器在向上流动与向下流动之间切换。在开始将原料分散在液体介质中的过程中，将所有或大多数混合物切换至向上泵送模式可为有利的，特别是原料倾倒或吹到液体表面上(因为向上泵送在表面产生明显的湍流)时。
可将固体原料(410)置于一个或多个多孔容器中，如由网状物或其它多孔材料制成的袋或其它结构。例如，可将生物质原料置于如于2012年12月20日提交的PCT/US12/71092中所述的载体中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。任选地，含有生物质的容器可从第一糖化罐(420)移开，然后达到第二糖化罐(410)并且最后去除以在加工过程中提供容器中的用过的材料。在此情况下，容器为分离器。
液体产品(480)和固体产品(470)可进一步加工以例如制得中间体和产品，如下所讨论。
在一些实施方案中，可使用三个或更多个罐。例如，图6示出其中利用了使用四个或更多个糖化罐或分离器糖化生物质(如，纤维素材料或木质纤维素材料)的方法的实施方案。所述罐和分离器的功能与先前描述的相同。因此，第一糖化罐(510)、第二糖化罐(520)、第三糖化罐(530)和任选更多糖化罐(如，高达N个罐(540)，其中N至少可为4)通过第一分离器(550)、第二分离器(560)、第三分离器(570)和任选地更多个分离器(如，高达N个分离器(580)，其中N可为至少4)流体连通。可将生物质原料(580)添加至第N个罐(540)并且可将酶原料(590)添加至第一罐(510)。第N个分离器的输出物提供了液体产品(592)并且第一分离器(550)的输出物提供了固体产品(594)。使用三个或更多个糖化罐可就通量、糖化效率、仪器成本和方法稳定性方面提供超越两罐系统的额外优点。
图6示出利用两个糖化罐和两个分离器的本发明的具体实施方案。第一罐(610)和第二罐(612)装配有两个混合电动机(614)，所述混合电动机可以可拆卸地附接至混合器(如喷射混合器)、叶轮和推进器，通过轴提供从电动机至混合头(未示出)的机械连通。罐还具有经由流动流体诸如水用于温度控制的半管式夹套(616)。以由箭头F示出的方向，通过空气使用鼓风机将生物质穿过袋滤室(618)输送至第一罐。如在袋滤室的放大视图(图6A)中所描绘，袋滤室具有用于生物质和空气的入口(615)和用于空气和一些生物质细粉的出口(617)。生物质通过将袋滤室连接至罐端口开口的管进入第一罐(610)。由第二罐(612)以恒定速率通过第一振动筛(620)供应液体，同时液体-生物质浆料以相当的速率通过连接至第一罐侧面上的管(622)的开口去除。用于去除浆料的开口可位于罐壁上的不同位置处并且其位置可帮助控制过程，因为较大、糖化较少的生物质倾向于下沉更低进入罐，而糖化较多的较小颗粒倾向于上升并且更均匀地分散于罐中。用于去除浆料的管可甚至延伸到罐中(例如从顶部)，以使得用于去除浆料的开口可在罐中的任何位置处(如，竖直和水平放置的)。使用泵(624)将浆料从第一罐中抽出并且以由箭头G示出的方向送至第二振动筛(626)。第二振动筛将来自生物质-液体浆料的固体送至以箭头H的方向引导固体至第二罐的管中，同时液体产品以箭头I的方向穿过第二振动筛并且收集或直接送去用于进一步加工。通过附接至罐顶部的开口的两个管将酶和水添加至第二罐，分别以箭头J和K的方向流动。以与流体(酶/水)添加相当的速率从第二罐(612)中去除液体-浆料生物质。通过连接至位于第二罐(612)侧面上的管的开口去除液体-浆料生物质。此开口可位于罐侧面上的任何地方并且可经由例如先前针对第一罐(610)所述的管延伸到罐中。使用泵(628)通过连接至管(632)的开口将浆料从第二罐中抽出并且以由箭头L指示的方向流动输送至第一振动筛(620)。第一振动筛产生以由箭头M、N和O示出的方向流动的三个输出流。以由箭头M指示的方向流动的第一流为具有大粒度的第一固体，所述第一固体被送回到第二罐用于进一步糖化。以由箭头N指示的方向流动的第二流为具有较小粒度的第二固体，所述第一固体被收集和/或用于能量生产(如热电联产)。以由箭头O指示的方向流动的第三流为送至第一罐(610)的液体流。使用柔性管道(630)进行第一振动筛和第二振动筛的连接，因为在操作过程中筛需要振荡。用于振动筛的支撑结构(未示出)也为柔性的。现在讨论筛网的操作。
图6B示出第一振动筛(620)的切口。生物质-液体浆料(650)以由箭头L指示的方向流动并且通过放置于筛顶部的入端口进入筛。来自浆料的大颗粒不能穿过第一筛网(652)并且移动至筛侧面上的出端口(654)，然后此流(由箭头M示出的流动方向)被馈送回到第二罐(612)中。来自浆料的较小颗粒穿过第一筛网(652)但不能穿过第二筛网(656)，所述第二筛网具有比第一筛网小的筛孔尺寸。因此，较小颗粒(658)移动至筛侧面上的出端口并且作为固体产品从系统中去除，以由箭头N示出的方向流动。最小颗粒(659)和大多数流体穿过第二筛网(656)并且被馈送至第一罐，以箭头O的方向流动。如在图6C中所描绘，第二振动筛(630)仅具有一个筛网并且将以箭头G的方向流动的输入浆料(640)分成以箭头H的方向流动的液体产品(642)和以箭头I的方向流动的固体流(644)。
糖化过程可部分地或完全地在制造工厂中进行，和/或可部分地或完全地在运输途中如有轨车、油罐卡车中或在超级油轮或船舱中进行。
图7为示出本发明的另一个实施方案的流程图。实施方案为用于以非连续方式糖化生物质的方法。将第一生物质和第一酶溶液合并在罐中并且发生第一糖化。在糖化发生了需要的程度之后，如用如本文所讨论的那些分离器来分离生物质(生物质2)和酶以及糖(酶和糖1)。然后可将酶和糖溶液1加工成产品(如糖)并且然后任选地其它产品(如醇)。酶和糖溶液1还可与更多生物质(如，生物质3)和所糖化的生物质(糖化3)组合，任选地其中添加更新鲜的酶。生物质2可与新鲜的酶溶液(酶溶液2)组合并且可使第二糖化(糖化2)发生。在糖化2允许进行至希望的程度之后，可从酶和糖(酶和糖溶液2)中分离生物质(生物质4)。然后可将酶和糖溶液2加工成产品。
图8示出用于非连续糖化生物质的本发明的实施方案。在起始步骤(810)中，将生物质和糖化剂(如，任何组合和/或添加顺序的纤维素分解酶和/或酸)合并在罐中。在第二步(820)中，将生物质在罐中糖化(或任选地转移至另一个罐)。在糖化罐中，可加热混合物(如，通过使用加热夹套注入半管式夹套)并且混合。例如，可使用如先前所述的一个或多个喷射混合器来完成混合。糖化可持续一段时间(如，至少1小时、至少4小时、至少8小时、至少1天、至少2天、约8小时至约48小时、约8小时至24小之间)。所述糖化可糖化生物质中至少约40％至约100％的可用糖(如，约50％至约95％、约50％至约90％、约50％至约85％、约50％至约80％)。在随后步骤(830)中，可停止糖化。例如，可通过中止混合和/或加热来停止糖化。任选地，在停止糖化之前可将混合物转移至另一个罐。任选地，可停止和重新开始糖化若干次。在停止糖化之后，分离固体和液体(840)。例如，固体可允许沉降例如，通过重力)并且从固体倾析出液体例如，含有糖、酶、盐、悬浮微粒诸如细粉以及溶解性化合物)。固体可具有一些尚未糖化的可用糖(如，呈纤维素材料、木质纤维素材料、半纤维素材料的形式)。例如，固体可具有约60％至约0％的糖(如，约40％至约1％、约20％至约1％、约20％至约5％、约10％至约5％)。在步骤(850)中，糖化的固体可与糖化剂(如，与初始使用的试剂不同的糖化的新鲜糖化剂、与第一糖化中使用的种类相同的糖化剂和/或再循环的糖化剂)合并。然后糖化的固体可例如通过如先前所述的混合和/或加热来糖化(路径A)。此第二糖化可从糖化的固体中糖化约100％的可用糖(如，至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、约80％至100％)。任选地，固体可从第二糖化中沉降并且糖化第三次、第四次或更多次。例如，直到基本上所有的可用糖被糖化(如，约90％至约100％的可用糖)。
图9示出用于非连续糖化生物质的另一个实施方案。步骤(910)和(920)可类似于针对图8所述的步骤(810)和(820)。然后可在步骤(940)中将糖化的生物质可送至分离器。例如，可使用本文描述的任何分离器(以任何组合顺序)。分离的一个优选方法为使用至少一个连续离心机。然后可将固体糖化第二次，例如通过将糖化的固体与糖化剂步骤(950)组合和糖化混合物，路径B；例如类似于如针对图8中的步骤(850)和途径A所述。
物理处理原料
物理制备
在一些情况下，方法可包括物理制备，如诸如通过切割、碾磨、剪切、磨碎或剁碎来减小材料的尺寸。例如，材料可使用本文描述的一种或多种方法诸如辐射、声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸首先预处理或加工，然后减小尺寸或进一步减小尺寸。在其它情况下，首先处理然后减小尺寸可为有利的。筛网和/或磁铁可用来将过大或非目标物体诸如例如岩石或铁钉从进料流中去除。在一些情况下，预加工并非必要，例如当生物质的初始抗降解屏障低时，并且湿磨足够有效地减小抗降解屏障，例如以制备用于进一步加工如糖化的材料。
进料制备系统可被配置成产生具有特定特征(诸如例如特定最大尺寸、特定长宽比或特定表面积比)的流体。物理制备可增加反应速率或减少通过打开材料并且使它们更易受加工和/或试剂(如溶液中的试剂)所需要的加工时间。可控制例如，增加)原料的堆密度。在一些情况下，可需要如通过使材料致密化(如，致密化可使将其运输到另一个位置更容易并且成本更低)然后使材料恢复到较低堆密度状态来制备低堆密度材料。可使材料致密化，例如从小于0.2g/cc至大于0.9g/cc(如，小于0.3g/cc至大于0.5g/cc、小于0.3g/cc至大于0.9g/cc、小于0.5g/cc至大于0.9g/cc、小于0.3g/cc至大于0.8g/cc、小于0.2g/cc至大于0.5g/cc)。例如，材料可通过公开于U.S.7,932,065和WO2008/073186中的方法和仪器来致密化，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。可通过本文描述的任何方法加工致密化的材料，或通过本文描述的任何方法加工的任何材料可随后致密化。
尺寸减小
在一些实施方案中，待加工的材料呈纤维素材料的形式，所述纤维素材料包括通过剪切纤维来源提供的纤维。例如，可用旋转刀切割机进行剪切。
例如，可如在旋转刀切割机中剪切如具有抗降解屏障的或其抗降解屏障水平已减小的纤维来源，以提供第一纤维素材料。第一纤维素材料穿过如平均开口尺寸为1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的第一筛网，提供第二纤维素材料。如果需要，可在剪切之前如用切碎机切割纤维来源。例如，当使用纸作为纤维来源时，可首先使用切碎机，如反相旋转螺杆切碎机(诸如由Munson(Utica,N.Y.)制造的那些)将纸切割成如1/4英寸至1/2英寸宽的条。作为切碎的替代，可通过使用闸刀式切纸机切将纸割至所目标尺寸来减小纸的尺寸。例如，闸刀式切纸机可用来将纸切割成如10英寸宽×12英寸长的片。
在一些实施方案中，纤维来源的剪切和使所得到的第一纤维素材料穿过第一筛网为同时进行的。也可在分批型过程中进行剪切和穿过。
例如，旋转刀切割机可用来同时剪切纤维来源和筛选第一纤维素材料。旋转刀切割机包括可装载有通过切碎纤维来源制备的切碎的纤维来源的料斗。
在一些实施方式中，在糖化和/或发酵之前物理处理原料。物理处理方法可包括一种或多种本文描述的那些方法的任何一种，诸如机械处理、化学处理、照射、声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。处理方法可以两种、三种、四种或甚至所有这些技术组合使用(以任何顺序)。当使用多于一种处理方法时，可同时或在不同时间点应用方法。改变生物质原料的分子结构的其它方法也可单独使用或与本文所公开的方法组合使用。
机械处理
在一些情况下，方法可包括机械处理生物质原料。机械处理包括例如切割、研磨、挤压、碾磨、剪切以及剁碎。研磨可包括例如球磨、锤磨、转子/定子干磨或湿磨、冷冻研磨、刀片研磨、刀磨、盘磨、辊磨或其它类型的研磨。其它机械处理包括如石头碾磨、压碎、机械撕破或撕裂、销棒碾磨或空气摩擦碾磨。
机械处理可有利于“打开”、“施加应力”、破碎和打碎纤维素材料或木质纤维素材料，使材料的纤维素更易受断链和/或结晶度减小。当照射时，打开的材料也会更易受氧化。
在一些情况下，机械处理可包括诸如通过切割、碾磨、剪切、磨粉或剁碎来初始制备所接收的原料，如材料的尺寸减小。例如，在一些情况下，通过剪切或切碎来制备疏松原料(如，再循环的纸、淀粉材料或柳枝稷)。
或者或另外，原料材料可首先通过一种或多种其它物理处理方法(如化学处理、辐射、声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸)进行物理处理，然后进行机械处理。此顺序可为有利的，因为通过一种或多种其它处理(如照射或热解)处理的材料倾向于更脆，并且因此可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，原料材料呈纤维素材料的形式并且机械处理包括剪切以暴露纤维素材料的纤维。可例如使用旋转刀切割机进行剪切。机械处理原料的其它方法包括例如研磨或碾磨。可使用例如锤磨机、球磨机、胶体磨、圆锥或锥形磨、盘磨机、轮碾机、威利磨(Wileymill)或谷物碾磨机进行研磨。可使用例如石头碾磨机、销棒碾磨机、咖啡碾磨机或磨盘式碾磨机进行碾磨。碾磨可例如通过往复式销棒或其它元件来提供，如同在销棒碾磨机中那样。其它机械处理方法包括机械撕破或撕裂、对材料施加压力的其它方法以及空气摩擦碾磨。适合的机械处理进一步包括改变原料分子结构的任何其它技术。
如果需要，机械处理的材料可穿过如平均开口尺寸为1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的筛网。在一些实施方案中，剪切或其它机械处理以及筛分同时进行。例如，旋转刀切割机可用来同时剪切和筛分原料。原料在固定刀片与旋转刀片之间剪切以提供穿过筛网的剪切材料，并且捕获在贮藏斗中。
纤维素材料或木质纤维素材料可在呈干燥状态(例如，在其表面上具有很少或没有游离的水)、水合状态(例如，具有高达10重量％的吸收的水)或呈湿润状态(例如，具有约10重量％与约75重量％之间的水)的情况下被机械处理。纤维来源可甚至被机械处理同时部分地或完全地浸没在液体(诸如水、乙醇或异丙醇)下。
纤维纤维素材料或木质纤维素材料还可在气体(诸如除了空气之外的气体流或气氛)如氧气或氮气或蒸汽下机械处理。
如果需要，木质素可从包括木质素的任何纤维素材料中去除。同样，为了帮助分解包括纤维素的材料，可在机械处理或用热、化学品(如，无机酸、碱或强氧化剂诸如次氯酸钠)和/或酶照射之前或期间处理材料。例如，可在酸存在下进行碾磨。
机械处理系统可被配置成产生具有特定形态特征(诸如，例如表面积、孔隙率、堆密度以及在纤维原料的情况下纤维特征诸如长宽比)的流体。
在一些实施方案中，机械处理的材料的BET表面积为大于0.1m2/g，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率可为如大于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，在机械处理之后材料的堆密度为小于0.25g/cm3，如0.20g/cm3、0.15g/cm3、0.10g/cm3、0.05g/cm3或更小，如0.025g/cm3。使用ASTM D1895B确定堆密度。简而言之，所述方法涉及用样品测量已知体积的量筒和获得样品的重量。堆密度通过用样品重量(克)除以量筒的已知体积(立方厘米)来计算。
如果原料为纤维素材料，纤维素材料机械处理的材料的的纤维可具有相对大的平均长度直径比(例如，大于20比1)，即使它们已被剪切不止一次。另外，本文描述的纤维素材料的纤维可具有相对窄的长度和/或长度直径比分布。
如本文所使用，平均纤维宽度(如，直径)为通过随机选择大约5,000根纤维光学测定的那些。平均纤维长度为校正的长度加权长度。BET(布鲁诺尔(Brunauer)，埃梅特(Emmett)和特勒尔(Teller))表面积为多点表面积，并且孔隙率为通过压汞法测定的那些。
如果第二原料为纤维素材料14，则机械处理的材料的纤维的平均长度直径比可为如大于8/1，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14的平均纤维长度可为如约0.5mm至2.5mm，如约0.75mm至1.0mm，并且第二纤维素材料14的平均宽度(如，直径)可为如约5μm至50μm之间，如约10μm至30μm之间。
在一些实施方案中，如果原料为纤维素材料，机械处理的材料的纤维长度的标准偏差可小于机械处理的材料的平均纤维长度的60％，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％。
还可如2011年11月10日提交的美国申请序列No.13/293,977中所述使用湿磨生物质原料，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。例如，可在本文描述的糖化工艺之前使用使用了转子/定子的湿磨。或者，可在糖化工艺过程中完成湿磨。还可使用包括本文描述的喷射研磨、湿磨和用于糖化的工艺的系统和方法。
溶解、减小抗降解屏障或功能化的处理
可处理已经或尚未物理制备的材料以用于本文描述的任何生产方法中。以下描述的一种或多种生产方法可包括于以上讨论的抗降解屏障减小操作单元中。或者或另外，可包括用于减小抗降解屏障的其它方法。
通过抗降解屏障减小操作单元所利用的处理方法可包括照射、声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸中的一种或多种。处理方法可与两种、三种、四种或甚至所有这些技术组合使用(以任何顺序)。
辐射处理
一种或多种辐射加工顺序可用来加工来自原料的材料，并且提供各种各样不同来源以从原料中提取有用物质，并且为进一步加工步骤和/或顺序提供用作输入物的部分降解的结构改性的材料。照射可例如减小原料的分子量和/或结晶度。辐射还可对材料或生物加工所述材料所需要的任何介质灭菌。
在一些实施方案中，使用在从其原子轨道释放电子的材料中贮藏的能量照射材料。辐射可由以下提供：(1)重带电粒子，诸如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γ射线、x射线或紫外线。在一种方法中，可使用由放射性物质产生的辐射来照射原料。在一些实施方案中，可利用(1)至(3)的任何顺序或同时的任何组合。在另一种方法中，可使用电磁辐射(如，使用电子束发射器产生)来照射原料。所施加的剂量取决于所目标效应和具体原料。
在一些情况中，当需要断链和/或需要聚合物链功能化时，可利用比电子重的粒子，诸如质子、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，可利用带正电粒子的路易斯酸(Lewis acid)性质以增强开环断链。例如，当需要最大氧化时，可利用氧离子，并且当需要最大硝化时，可利用氮离子。重粒子和带正电荷粒子的使用描述于U.S.7,931,784中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
在一种方法中，如通过用电离辐射(如，呈γ辐射、X射线辐射、100nm至280nm紫外(UV)光、电子束或其它带电粒子的形式)处理来照射作为或包括具有第一数均分子量(MN1)的纤维素的第一材料，以提供包括具有比第一数均分子量低的第二数均分子量(MN2)的纤维素的第二材料。第二材料(或第一和第二材料)可与微生物组合(具有或不具有酶处理)，所述微生物可利用第二材料和/或第一材料或者其构成糖或木质素来生产中间体或产品，诸如本文描述的那些。
因为第二材料包括相对于第一材料具有减小的分子量和在一些情况下以及减小的结晶度的纤维素，，所以第二材料通常更可分散、可溶胀和/或可溶于如含有微生物和/或酶的溶液中。这些性质使第二材料相对于第一材料更容易加工和更易受化学、酶和/或生物侵蚀，这可极大地改进目标产品(如，乙醇)的生产速率和/或生产水平。辐射还可使材料或生物加工所述材料所需要的任何介质灭菌。
在一些实施方案中，第二材料可具有高于第一材料的氧化水平(O1)的氧化水平(O2)。材料的较高氧化水平可有助于其分散性、溶胀性和/或溶解性，进一步增强材料对化学、酶或生物侵蚀的敏感度。在一些实施方案中，为了增加第二材料相对于第一材料的氧化水平，在氧化环境下如在空气或氧气的覆盖下进行照射，产生比第一材料更氧化的第二材料。例如，第二材料可具有更多羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基，所述基团可增加第二材料的亲水性。
电离辐射
如通过辐射能量所测定，各个形式的辐射经由具体相互作用使含碳材料电离。重带电粒子主要经由库仑散射(Coulomb scattering)使物质电离；此外，这些相互作用产生可进一步使物质电离的高能电子。α粒子与氦原子核相同，并且通过各种放射性核的α衰变产生，诸如铋、钋、砹、氡、钫、镭的同位素，若干锕系元素(诸如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚)。
当利用粒子时，它们可为中性(不带电)、带正电或带负电。当带电时，带电粒子可带有单个正电荷或负电荷或多个电荷，如一个、两个、三个或甚至四个或更多个电荷。在需要断链的情况下，可能需要带正电的粒子，部分是由于其酸性性质。当利用粒子时，粒子可具有静止电子的质量或更大，如静止电子质量的500、1000、1500、2000、10,000或甚至100,000倍。例如，粒子的质量可为约1个原子单位至约150个原子单位，如约1个原子单位至约50个原子单位或约1个至约25个，如1、2、3、4、5、10、12或15amu。用来加速粒子的加速器可为静电DC、电动DC、RF线性、磁感应线性或连续波。例如，回旋型加速器可从IBA,Belgium获得，诸如系统，而DC型加速器可从RDI(现在为IBA Industrial)获得，诸如。离子和离子加速器讨论于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,18-20March 2006、Iwata,Y.等,“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion MedicalAccelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotland andLeaner、C.M.等,“Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中。
在一些实施方案中，使用电子束作为辐射源。电子束具有高剂量速率(如每秒1Mrad、5Mrad或甚至10Mrad)、高通量、更小的容量和更不密封设备的优点。电子还可在引起断链方面更有效。另外，能量为4-10MeV的电子可具有5mm至30mm或更大(诸如40mm)的穿透深度。在一些情况下，使用多电子束装置(如，多头，常常称为“角”)来将多剂量的电子束辐射递送至材料。此高总波束功率通常通过利用多个加速头来实现。例如，电子束装置可包括两个、四个或更多个加速头。作为一个实例，电子束装置可包括四个加速头，每个加速头具有300kW的波束功率，总波束功率为1200kW。使用多头(每个头具有相对低的波束功率)防止材料中的温度过度上升，因此防止材料燃烧并且还增加了穿过材料层厚度的剂量的均匀性。使用多头的照射公开于2011年10月18日提交的美国申请序列No.13/276,192中，所述专利的完整公开内容以引用的方式并入本文。
电子束可如通过静电发生器、联级发生器、互感发生器、具有扫描系统的低能量加速器、具有线性阴极的低能量加速器、线性加速器和脉冲加速器来产生。作为电离辐射源的电子可如用于相对稀疏的材料堆，如小于0.5英寸的材料堆，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为约0.3MeV至约2.0MeV(百万电子伏特)，如约0.5MeV至约1.5MeV、或约0.7MeV至约1.25MeV。
电子束照射装置可从Ion Beam Applications(Louvain-la-Neuve,Belgium)或Titan Corporation(San Diego,CA)商购获得。典型的电子能量可为1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。典型的电子束辐射装置功率可为1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料的解聚水平取决于所使用的电子能量和所施加的剂量，而暴露时间取决于功率和剂量。典型的剂量可取值为1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy。在一些实施方案中，可使用0.25-10MeV之间(如，0.5-0.8MeV、0.5-5MeV、0.8-4MeV、0.8-3MeV、0.8-2MeV或0.8-1.5MeV)的能量。
电磁辐射
在其中用电磁辐射进行照射的实施方案中，电磁辐射可具有如大于102eV，如大于103eV、104eV、105eV、106eV或甚至大于107eV的能量/光子(以电子伏特计)。在一些实施方案中，电磁辐射具有104eV至107eV，如105eV至106eV的能量/光子。电磁辐射的频率可为如大于1016Hz、大于1017Hz、1018Hz、1019Hz、1020Hz或甚至大于1021Hz。在一些实施方案中，电磁辐射的频率在1018Hz与1022Hz之间，如1019Hz至1021Hz。
剂量
在一些实施方案中，进行照射(用任何辐射源或来源的组合)直到所述材料接收至少0.25Mrad，如至少1.0Mrad、2.5Mrad、5.0Mrad、8.0Mrad、10Mrad、15Mrad、20Mrad、25Mrad、30Mrad、35Mrad、40Mrad、50Mrad或甚至至少100Mrad的剂量。在一些实施方案中，进行照射直到材料接收1.0Mrad至6.0Mrad，如1.5Mrad至4.0Mrad、2Mrad至10Mrad、5Mrad至20Mrad、10Mrad至30Mrad、10Mrad至40Mrad或20Mrad至50Mrad的剂量。
在一些实施方案中，以5.0千拉德/小时至1500.0千拉德/小时，如10.0千拉德/小时至750.0千拉德/小时或50.0千拉德/小时至350.0千拉德/小时的剂量速率进行辐射。
在一些实施方案中，使用两种或更多种辐射源，诸如两种或更多种电离辐射。例如，可以任何顺序用电子束处理样品接着用γ辐射和具有约100nm至约280nm波长的UV光处理样品。在一些实施方案中，用三种电离辐射源处理样品，诸如电子束、γ辐射和高能UV光。
声处理、热解和氧化
除了辐射处理之外，可用声处理、热解和氧化中的任何一种或多种处理原料。这些处理方法描述于2009年4月23日提交的美国专利No.7,932,065中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
溶解、减小抗降解屏障或功能化的其它方法
可在无本文描述的任何方法的情况下单独使用本段落的任何方法，或与本文描述的任何方法组合(以任何顺序)使用本段落的任何方法：蒸汽爆炸、化学处理(如，酸处理(包括用无机酸(诸如硫酸、盐酸)和有机酸(诸如三氟乙酸)的浓缩和稀释酸处理)和/或碱处理(如，用石灰或氢氧化钠处理)、UV处理、螺旋挤压处理、溶剂处理(如，用离子液体处理))以及冷冻研磨。这些方法中的一些例如描述于2010年11月19日提交的美国专利No.8,063,201和2011年5月2日提交的美国申请序列No.13/099,151以及2009年7月14日提交的美国专利No.7,900,857中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。。
产品和糖化后加工
糖
糖化期间或之后的加工可包括通过色谱法(如模拟移动床色谱法)、沉淀、离心、结晶、溶剂蒸发以及其组合来分离和/或浓缩糖。另外或任选地，加工可包括将糖溶液或悬浮液中的一种或多种糖异构化。
一些可能的加工步骤公开于2012年12月20日提交的PCT/US12/71093、PCT/US12/71083和PCT/US12/71097中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
氢化
下游加工可包括氢化。例如，葡萄糖和木糖可分别被氢化为山梨糖醇和木糖醇。氢化可通过使用催化剂如Pt/γ-Al2O3、Ru/C、雷尼镍(Raney Nickel)与H2组合，在高压如10psi至12000psi下来完成。
燃料电池
在本文描述的方法产生糖溶液或悬浮液时，此溶液或悬浮液可随后用于燃料电池。例如，利用源自纤维素材料或木质纤维素材料的糖的燃料电池公开于2012年12月19日提交的PCT/US12/70624中，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
发酵
在下游加工中，可将通过糖化生产的糖发酵以生产其它产品，如醇、糖醇(诸如赤藓糖醇)、有机酸(如乳酸、谷氨酸或柠檬酸或氨基酸)。
例如，可使用酵母菌和发酵单胞菌(Zymomonas)属细菌来发酵。其它微生物讨论于以下材料部分中。
酵母的最佳pH为约pH 4至pH 5，而发酵单胞菌的最佳pH为约pH 5至pH 6。典型的发酵时间为约24小时至96小时，其中温度在26℃至40℃的范围内，然而嗜热微生物偏好更高的温度。
在一些实施方案中，例如当使用厌氧生物(例如梭菌(Clostridia))时，至少一部分发酵在缺乏氧气的情况下，如在惰性气体(诸如N2、Ar、He、CO2或其混合物)的覆盖下进行。另外，混合物可在部分或全部发酵过程中使惰性气体的持续吹扫流过罐。在一些情况下，可通过发酵过程中的二氧化碳产生来实现或维持厌氧条件而不需要额外的惰性气体。
可在发酵过程中使用喷射混合，并且在一些情况下糖化和发酵同时或依次在相同罐中进行。
可在糖化和/或发酵过程中添加营养物，例如描述于2011年7月15日提交的美国申请序列No.13/184,138中的基于食品的营养物包，所述专利的整个公开内容以引用的方式并入本文。
如美国序列No.12/374,549和国际申请No.WO 2008/011598中所描述的那样，可利用移动发酵罐。类似地，糖化仪器可为移动的。此外，糖化和/或发酵可在运输过程中部分或完全地进行。
蒸馏
发酵之后，可使用例如“醪塔”蒸馏所得到的流体以使乙醇和其它醇从大部分水和残余固体中分离。流出醪塔的蒸气可为如35重量％的乙醇并且可被馈送至精馏塔。来自精馏塔的接近共沸的(92.5％)乙醇和水的混合物可使用气相分子筛纯化至纯(99.5％)乙醇。可将醪塔残渣送至三效蒸发器的第一效。精馏塔回流冷凝器可为此第一效提供热量。第一效之后，可使用离心机分离固体并且在旋转干燥器中干燥。可回收离心机流出液的一部分(25％)来发酵并且将其余部分送至第二蒸发器效和第三蒸发器效。大多数蒸发器冷凝物可作为相当干净的冷凝物返回工艺中，其中只分离一小部分至废水处理以防止低沸点化合物的积累。
中间体和产品
可利用本文公开的方法生产的产品的具体实例包括但不限于：氢气、糖(如，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、果糖、二糖、寡糖以及多糖)、醇(如，一元醇或二元醇，诸如乙醇、正丙醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇或正丁醇)、水合醇或含水醇(如，含有大于10％、20％、30％或甚至大于40％的水)、木糖醇、生物柴油、有机酸、烃(如，甲烷、乙烷、丙烷、异丁烯、戊烷、正己烷、生物柴油、生物汽油以及其混合物)、副产品(如，蛋白质，诸如纤维素分解蛋白(酶)或单细胞蛋白质)、以及处于任何组合或相对浓度的这些物质的任何一种的混合物，并且任选地与任何添加剂(如，燃料添加剂)的组合。其它实例包括羧酸、羧酸的盐、羧酸与羧酸的盐的混合物以及羧酸的酯(如，甲酯、乙酯以及正丙酯)、酮(如，丙酮)、醛(如，乙醛)、α、β不饱和酸(诸如丙烯酸)以及烯烃(诸如乙烯)。其它醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、糖醇(如，赤藓糖醇、乙二醇、甘油、山梨糖醇、苏糖醇、阿糖醇、核糖醇、甘露醇、半乳糖醇、岩藻糖醇、艾杜醇、异麦芽酮糖醇(isomalt)、麦芽糖醇、乳糖醇、木糖醇以及其它多元醇)、任何这些醇的甲酯或乙酯。其它产品包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、戊酸、己酸、3-羟基丙酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、戊二酸、油酸、亚油酸、乙醇酸、γ-羟基丁酸以及其混合物、任何这些酸的盐、任何酸及其对应盐的混合物、任何酸的盐以及任何酸和对应盐的混合物。
包括食品和药品的其它中间体和产品描述于2009年4月3日提交的美国序列No.12/417,900中，所述专利的整体公开内容以引用的方式并入本文。以上产品与彼此的任何组合和/或以上产品与其它产品(所述其它产品可通过本文描述的方法或以其它方式制得)的任何组合可包装在一起并且作为产品出售。可将产品组合，如混合、共混或共溶解，或可简单地包装在一起或一起出售。
可在出售产品之前照射本文描述的任何产品或产品的组合，如在纯化或分离或甚至在包装之后，例如消毒或灭菌产品和/或中和可存在于产品中的一种或多种潜在非目标污染物。可在例如小于约20Mrad，如约0.1Mrad至15Mrad、约0.5Mrad至7Mrad或约1Mrad至3Mrad的剂量下进行此类照射。
本文描述的方法可产生用于产生用于工厂的其它部分(热电联产)或在公开市场上出售的蒸汽和电力的各种副产品流。例如，由燃烧副产品流产生的蒸汽可用于蒸馏过程。作为另一个实例，由燃烧副产品流产生的电力可用来为预处理中使用的电子束发生器提供动力。
用来产生蒸汽和电力的副产品源自整个过程的众多来源。例如，废水的厌氧消化可产生甲烷含量高的沼气和少量废弃生物质(污泥)。作为另一个实例，可使用糖化后和/或蒸馏后固体(如，从预处理和主要过程剩余的未转化的木质素、纤维素和半纤维素)，如作为燃料燃烧。
预期来自通过描述的方法木质纤维素加工的用过的生物质具有高木质素含量并且可为有价值的产品。例如，木质素可用作捕获为塑料，或它可合成升级为其它塑料。在一些情况下，它可用作能源，如燃烧以提供热量。在一些情况下，它还可转化为木质素磺酸盐，所述木质素磺酸盐可用作粘合剂、分散剂、乳化剂或作为螯合剂。
当用作粘合剂时，木质素或木质素磺酸盐可如用于煤砖、陶瓷中以用于粘合炭黑、用于粘合化肥和除草剂，作为抑尘剂，用于胶合板和碎料板的制造，以用于粘合动物饲料，作为纤维玻璃粘合剂，作为油毡糊的粘合剂以及作为土壤稳定剂。
作为分散剂，木质素或木质素磺酸盐可用于如混凝土混合物、粘土和陶瓷、染料和颜料、鞣革以及石膏板中。
作为乳化剂，木质素或木质素磺酸盐可用于如沥青、颜料和染料、杀虫剂以及蜡乳状液。
作为螯合剂，木质素或木质素磺酸盐可用于如微营养物系统、清洗化合物以及水处理系统，如用于锅炉和冷却系统。
作为加热源，木质素通常具有比全纤维素(纤维素和半纤维素)高的能量含量，因为其含有比全纤维素更多的碳。例如，与全纤维素的每磅7,000BTU和8,000BTU相比，干燥的木质素的能量含量可为每磅约11,000BTU至12,500BTU。因此，可使木质素致密化并且转化成用于燃烧的煤砖和小球。例如，木质素可通过本文描述的任何方法转化成小球。针对较慢燃烧的小球或煤砖，可交联木质素，诸如施加约0.5Mrad至5Mrad的辐射剂量。交联可成为较慢燃烧形式因素。形式因素(诸如小球或煤砖)可通过在不存在空气情况下，如在400℃与950℃之间下热解转化为“合成煤”或木炭。在热解之前，可需要交联木质素以维持结构完整性。
原料材料
生物质原料
原料优选地为木质纤维素材料，虽然本文描述的方法也可使用纤维素材料(如纸、纸制品、纸浆、棉花以及任何这些的混合物)以及其它类型的生物质。本文描述的方法特别有用于木质纤维素材料，因为这些方法在减小木质纤维素材料的抗降解屏障并且允许此类材料以经济上可行的方式加工成产品和中间体方面特别有效。
在一些情况下，木质纤维素材料可包括例如木材、草(如柳枝稷)、谷物残渣(如，稻壳)、甘蔗渣、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、玉米芯、玉米秸、椰子毛、藻类、海草、麦秆以及任何这些的混合物。
在一些情况下，木质纤维素材料包括玉米芯。磨碎或锤磨的玉米芯可铺展在相对均匀厚度的层中用于照射，并且在照射之后易于分散在介质中以用于进一步加工。为了促进收获和收集，在一些情况下，使用整个玉米植物，包括玉米秸秆、玉米粒，并且在一些情况下甚至包括植物的根系统。
有利地，在玉米芯或含有大量玉米芯的原料的发酵过程中不需要另外的营养物(除了氮源，如尿素或氨之外)。
玉米芯在粉碎之前和之后也更易于输送和分散，并且与诸如干草和草的其它原料相比，具有较小的在空气中形成爆炸混合物的倾向。
纤维素材料或木质纤维素材料的其它来源来自遗传改性的植物，描述于2012年2月14日提交的美国申请No.13/396,369中，所述专利的完整公开内容以引用的方式并入本文。
其它生物质原料包括淀粉材料或糖材料以及微生物材料。
淀粉材料或糖材料包括淀粉本身(如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或大米淀粉)、淀粉衍生物或包含淀粉或糖的材料(诸如可食用的食品或农作物)。例如，淀粉材料或糖材料可为秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草的块茎(oca)、西米、高粱、普通家常马铃薯、甜薯、芋头、山药、玉米粒或一种或多种豆类，诸如蚕豆、扁豆或豌豆。任何两种或更多种淀粉材料或糖材料的共混物也为淀粉/糖材料。
微生物来源包括但不限于含有或能够提供碳水化合物(如，纤维素)源的任何天然存在或遗传修饰的微生物或生物，例如原生生物，如动物原生生物(如，原生动物诸如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和植物原生生物(如，藻类如甲藻类(alveolate)、绿蜘藻(chlorarachniophyte)、隐藻、裸藻、灰藻、定鞭藻(haptophyte)、红藻、原生藻菌(stramenopile)和绿色植界(viridaeplantae))。其它实例包括海草、浮游生物(如，大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物以及超微微型浮游生物(femptoplankton))、浮游植物、细菌(如，革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌以及极端微生物)、酵母和/或这些的混合物。在一些情况下，微生物生物质可从天然来源获得，如海洋、湖泊、水体(如，咸水或淡水)或在陆地上。或者或另外，微生物生物质可从培养系统获得，如大规模干燥和湿润培养系统。
本文描述的任何生物质材料的共混物可用于制备本文描述的任何中间体或产品。例如，纤维素材料和淀粉材料的共混物可用于制备本文描述的任何产品。
糖化剂
适合的纤维素分解酶包括来自以下的纤维素酶：芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、腐质酶属(Humicola)、镰刀菌属(Fusarium)、梭孢壳属(Thielavia)、枝顶孢属(Acremonium)、金孢子菌属(Chrysosporium)以及木霉属(Trichoderma)，并且包括腐质酶属、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)、柱顶孢属(Scytalidium)、青霉属(Penicillium)或曲霉属(Aspergillus)的某些种(参见，如EP 458162)，尤其是通过选自以下各种的菌株产生的那些：特异腐质霉(Humicolainsolens)(重新分类为嗜热柱顶孢(Scytalidium thermophilum)，参见如美国专利No.4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、土生梭孢霉(Thielavia terrestris)、枝顶孢属一种、桃色枝顶孢(Acremonium persicinum)、枝顶头孢霉(Acremonium acremonium)、Acremonium brachypenium、Acremoniumdichromosporum、赫红枝顶孢霉(Acremonium obclavatum)、Acremoniumpinkertoniae、粉灰顶孢霉(Acremonium roseogriseum)、Acremoniumincoloratum以及分枝枝顶孢(Acremonium furatum)；优选地来自以下种类：特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰刀菌DSM 2672、嗜热毁丝霉CBS 117.65、头孢霉属某种RYM-202、枝顶孢属某种CBS 478.94、枝顶孢属某种CBS 265.95、桃色枝顶孢CBS 169.65、枝顶头孢霉AHU9519、头孢霉属某种CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73、Acremonium dichromosporum CBS 683.73、赫红枝顶孢霉CBS311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、粉灰顶孢霉CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS 146.62以及分枝枝顶孢CBS 299.70H。纤维素分解酶还可从金孢子菌属(Chrysosporium)，优选卢地金孢子菌属(Chrysosporium lucknowense)的菌株获得。另外，可使用木霉菌(特别是绿色木霉菌(Trichoderma viride)、里氏木霉菌(Trichoderma reesei)和康宁木霉菌(Trichoderma koningii))、嗜碱芽孢杆菌(alkalophilicBacillus)(参见，例如美国专利No.3,844,890和EP 458162)和链霉菌(参见，如EP 458162)。
发酵剂
在发酵中使用的微生物可为天然微生物和/或工程化的微生物。例如，微生物可为细菌(如，纤维素分解细菌)、真菌(如，酵母)、植物或原生生物(如，藻类)、原生动物或真菌样原生生物(如，黏菌)。当生物相容时，可利用生物的混合物。
适合的发酵微生物具有将碳水化合物(诸如葡萄糖、果糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)转化成发酵产品的能力。发酵微生物包括以下菌株：酵母菌属各种，如酿酒酵母菌(Sacchromyces cerevisiae，面包酵母)、糖化酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces)，如马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)；假丝酵母属(Candida)，如伪热带假丝酵母(Candida pseudotropicalis)以及甘蓝假丝酵母(Candida brassicae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)(休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的相关物；棍孢酵母属(Clavispora)，如葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)和仙人掌棒孢酵母(Clavispora opuntiae)；管囊酵母属(Pachysolen)，如嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)；酒香酵母属(Bretannomyces)，如克劳森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)(Philippidis,G.P.,1996,Cellulose bioconversion technology,于Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.编辑,Taylor&Francis,Washington,DC,179-212)。其它适合的微生物包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis,1996,同上)、糖丁基丙酮梭菌(Clostridium saccharobutylacetonicum)、糖丁酸梭菌(Clostridium saccharobutylicum)、紫色梭菌(Clostridium Puniceum)、拜氏梭菌(Clostridium beijernckii)、丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、丛梗孢酵母(Moniliella pollinis)、解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、短梗霉属某种(Aureobasidium sp.)、三型孢菌某种(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、毛孢子菌属某种(Trichosporon sp.)、丛梗孢酵母属某种(Moniliellaacetoabutans sp.)、变异核瑚菌(Typhula variabilis)、木兰假丝酵母(Candida magnolia)、黑粉菌纲某种(Ustilaginomycetes sp.)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母属(Zygosaccharomyces)的酵母种、德巴利酵母属(Debaryomyces)的酵母种、汉逊酵母属(Hansenula)的酵母种和毕赤酵母属(Pichia)的酵母种，以及暗丛梗孢形属圆酵母属(Torula)的真菌。
可商购获得的酵母包括例如Red/Lesaffre Ethanol Red(从Red Star/Lesaffre,USA购得)、(从Fleischmann’s Yeast,(BurnsPhilip Food Inc.,USA的一个分公司)购得)、(从Alltech(现在是Lalemand)购得)、GERT(从Gert Strand AB,Sweden购得)和(从DSM Specialties购得)。
葡萄糖异构酶
葡萄糖异构酶(又称为木糖异构酶和D-木糖酮醇异构酶)属于醛糖和酮糖相互转化的异构酶家族。一些实例为异构酶(EC 5.3.19)、(EC5.3.16)和EC 5.3.1.5。
所使用的葡萄糖异构酶可从许多细菌中分离，所述细菌包括但不限于：Actinomyces olivocinereus、Actinomyces phaeochromogene、密苏里游动放线菌(Actinoplanes missouriensis)、产气杆菌(Aerobacter aerogenes)、阴沟气杆菌(Aerobacter cloacae)、果聚糖气杆菌(Aerobacter levanicum)、节杆菌属某些种(Arthrobacter spp.)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)、巨型芽孢杆菌(Bacillus megabacterium)、凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、双歧杆菌属某些种(Bifidobacterium spp.)、未完短杆菌(Brevibacterium incertum)、Brevibacterium pentosoaminoacidicum、钦氏菌属某些种(Chainia spp.)、棒状杆菌属某些种(Corynebacterium spp.)、Cortobacterium helvolum、弗罗因德埃希氏杆菌(Escherichia freundii)、中间型埃希氏杆菌(Escherichia intermedia)、大肠埃希氏杆菌(Escherichia coli)、树状黄杆菌(Flavobacterium arborescens)、贪食黄杆菌(Flavobacterium devorans)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、布氏乳杆菌(Lactobacillus buchneri)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermenti)、甘露醇乳杆菌(Lactobacillus mannitopoeus)、盖氏乳杆菌(Lactobacillus gayonii)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、蕃茄乳杆菌(Lactobacillus lycopersici)、戊糖乳杆菌(Lactobacillus pentosus)、肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、玫瑰小双孢菌(Microbispora rosea)、黄色链霉菌(Microellobosporia flavea)、天蓝色小单孢菌(Micromonospora coerula)、分支杆菌属某些种(Mycobacteriumspp.)、星形诺卡氏菌(Nocardia asteroids)、珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallia)、德松威利氏诺卡氏菌(Nocardia dassonvillei)、类产气副大肠杆菌(Paracolobacterium aerogenoide)、假诺卡氏菌属某些种(Pseudonocardia spp.)、嗜水假单胞菌(Pseudomonas hydrophila)、八叠球菌属某些种(Sarcina spp.)、Staphylococcus bibila、黄绿色葡萄球菌(Staphylococcus flavovirens)、Staphylococcus echinatus、不产色链球菌(Streptococcus achromogenes)、暗产色链球菌(Streptococcus phaeochromogenes)、弗氏链球菌(Streptococcus fracliae)、玫瑰产色链球菌(Streptococcus roseochromogenes)、橄榄色链球菌(Streptococcus olivaceus)、加州链球菌(Streptococcus californicos)、Streptococcus venuceus、弗吉尼亚链球菌(Streptococcus virginial)、橄榄产色链霉菌(Streptomyces olivochromogene)、委内瑞拉链球菌(Streptococcus venezaelie)、威德摩尔链球菌(Streptococcus wedmorensis)、浅灰链球菌(Streptococcus griseolus)、Streptococcus glaucescens、比基尼链球菌(Streptococcus bikiniensis)、赤褐色链球菌(Streptococcus rubiginosus)、Streptococcus achinatus、肉桂地链球菌(Streptococcus cinnamonensis)、弗氏链球菌(Streptococcus fradiae)、白色链球菌(Streptococcus albus)、灰色链球菌(Streptococcus griseus)、Streptococcus hivens、Streptococcus matensis、鼠灰色链球菌(Streptococcus murinus)、雪白链球菌(Streptococcus nivens)、Streptococcus platensis、白色链孢子囊菌(Streptosporangium album)、Streptosporangium oulgare、热多孢菌属某些种(Thermopolyspora spp.)、栖热菌属某些种(Thermus spp.)、黄单胞菌属某些种(Xanthomonas spp.)以及运动发酵单孢菌(Zymononas mobilis)。
葡萄糖异构酶可在溶液中游离地使用或固定在载体上。可固定全细胞或不含细胞的酶。载体结构可为任何不溶性材料。载体结构可为阳离子材料、阴离子材料或中性材料，例如二乙氨基乙基纤维素、金属氧化物、金属氯化物、金属碳酸盐以及聚苯乙烯。固定可通过任何适合的手段来实现。例如，固定可通过使载体与全细胞或酶在溶剂(诸如水)中接触然后去除溶剂来实现。溶剂可通过任何适合的手段(例如过滤或蒸发或喷雾干燥)来去除。作为另一个实例，喷雾干燥具有载体的全细胞或酶可为有效的。葡萄糖异构酶也可存在于活细胞中，所述活细胞在工艺过程中产生酶。
双重糖化的实施例
进行两个实验，实验A和实验B。每个实验均包括两次糖化，第一糖化和第二糖化(再糖化来自第一糖化的生物质)。第一糖化的一些关键条件和结果在表1中示出。
实验A 实验B
玉米芯载荷(g/L) 300 200
酶量(mL) 0.25 0.22
第一糖化转化为糖的％ 56.9 53.9
针对第一糖化，用10L的DI水填充装配有加热夹套和喷射混合器的14L容器。将水加热至50摄氏度同时使用喷射混合器混合。用已经使用35Mrad的电子束辐射进行辐射的微粒玉米芯14-40(BestCob LLC)来装填容器。玉米芯载荷在表1中示出并且在实验A和实验B中不同(300g/L对比200g/L)。还用Accelerase DuetTM(Genencor)纤维素酶装填混合物。每个实验的酶装填在表1中示出。使得混合在大约4000rpm下持续2天，保持温度在50摄氏度左右。
表1：第一糖化
如针对实验A和实验B各自在这里所述进行第二糖化(再糖化来自第一糖化的生物质)。在完成如上所述的初步糖化之后，关闭混合器和加热器并且使得固体沉降至容器的底部。倾析出糖化的液体并且分析糖含量(记录在表1中)。将额外的水添加至固体，其中将量归一化为固体的量，并且等于第一糖化中使用的水/固体比。还添加额外的酶，归一化至固体的量。糖化条件与第一糖化条件相同，其中将混合设定在约4000rpm并且将加热设定在50摄氏度。
在第二糖化之后，实验A产生总转化％为69.1％的糖并且实验B产生总转化％为64.6％的糖。因此，在第二糖化过程中，从玉米芯中提取多出约10％-13％的糖。从玉米芯中可获得的糖的总量为约70％，如先前通过用于糖测定的NREL方法所测定。
除了在本文的实施例中或者除非以其它方式明确指出之外，本说明书的以下部分和所附权利要求书中的所有数值范围、量、值以及百分比，诸如用于材料的量、元素含量、反应的时间和温度、量之比以及其它的那些，可被理解为如同前置有词语“约”，即使术语“约”可能没有连同值、量或范围明确地出现。因此，除非有相反的指示，否则以下说明书和所附权利要求书中所阐述的数值参数为近似值，其可根据本发明要寻求获得的所需性质而变化。在最低限度并且不试图限制对权利要求书范围的等价范围的原则的应用，每个数值参数均应当至少根据报道的有效数字的数值和通过应用普通四舍五入技术来解读。
尽管陈述本发明的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在特定实施例中所陈述的数值尽可能准确地进行报道。然而，任何数值都固有地含有必然由其以下各自测试量测中存在的标准偏差引起的误差。此外，当在本文阐述数值范围时，这些范围是将所引用范围端点包含在内的(即，可使用端点)。当本文使用以重量计的百分比时，所报道的数值是相对于总重量的。
同样，应理解，本文所引用的任何数值范围意在包括归入其中的所有子范围。例如，“1至10”的范围意在包括在引用的最小值1与引用的最大值10之间(含1和10)的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值。除非另外指明，否则如本文使用的术语“一个/种(one，a，an)”意在包括“至少一个/种”或“一个或多个/一种或多种”。
被描述成以引用方式全部或部分并入本文的任何专利、公布或其它公开材料仅以以下程度并入本文：并入的材料不得与本公开内容中阐述的现有定义、声明或其它公开材料冲突。因此，并且在必要的程度上，如本文所明确阐述的公开取代以引用的方式并入本文的任何冲突的材料。据称以引用的方式并入本文、但与本文所阐述的现有定义、陈述、或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分将仅仅是以不会在所并入的材料与现有公开材料之间出现冲突的程度并入。
虽然本发明已参考其优选实施方案进行特定显示和描述，但是本领域技术人员应了解，可在不脱离由随附权利要求书所涵盖的本发明的范围的情况下在其中的形式和细节方面做出各种改变。

Claims (47)

1.一种方法，其包括：
从液体介质中分离固体糖化的生物质，和
糖化所述固体糖化的生物质。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液体介质包含酶和糖。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述固体糖化的生物质被所述液体介质湿润。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述固体糖化的生物质和液体介质通过在液体中糖化固体生物质来产生。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述生物质已通过选自照射、声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸以及其组合的方法来处理。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述生物质已通过照射来处理。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述生物质接收约10Mrad与200Mrad之间的总剂量。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述固体糖化的生物质和液体介质通过选自离心机、过滤装置、沉降罐、多孔材料、网状物、滤网、振动筛、多孔板或圆筒、筛分装置以及这些的组合的分离器来分离。
9.如权利要求4至8中任一项所述的方法，其中从所述固体生物质中糖化至少70％的一种或多种可用糖。
10.如权利要求4至9中任一项所述的方法，其中从所述固体生物质中糖化至少95％的一种或多种可用糖。
11.如权利要求4至10中任一项所述的方法，其中所述生物质为纤维素生物质或木质纤维素生物质。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述生物质选自纸、纸制品、纸废物、木材、碎料板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、草、稻草、麦秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、玉米芯、玉米秸、苜宿、干草、椰子毛、海草、藻类及其混合物。
13.如权利要求4至12中任一项所述的方法，其中使用至少一种喷射混合器来完成糖化。
14.一种方法，其包括：
在液体中糖化固体生物质；
从所述液体中分离固体糖化的生物质；
从所述分离的糖化生物质中去除所述液体，和
将液体和糖化剂添加至分离的糖化生物质。
15.如权利要求14所述的方法，其中完成糖化所述生物质材料同时使用混合器将所述固体生物质材料混合在液体中。
16.如权利要求15所述的方法，其中使用至少一种喷射混合器完成混合。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中在关掉所述混合器之后完成分离。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，其中通过使得所述固体糖化的生物质沉降和从所述固体倾析所述液体来完成分离。
19.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其中通过使用连续离心机来完成分离。
20.一种加工纤维素材料的方法，所述方法包括：在第一糖化罐和第二糖化罐中糖化生物质材料，所述第一糖化罐与所述第二糖化罐流体连通并且所述第二糖化罐的内容物具有比所述第一糖化罐的内容物高的糖浓度。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一糖化罐与所述第二糖化罐处于连续流体连通。
22.如权利要求20或21所述的方法，其进一步包括在糖化过程中将酶诸如将生物质消化成糖的酶添加至所述第一糖化罐。
23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中在糖化过程中将所述生物质添加至所述第二罐。
24.如权利要求20至23中任一项所述的方法，其中通过所述第一糖化罐与所述第二糖化罐之间的流体流动路径来提供所述流体连通。
25.如权利要求24所述的方法，其中沿着所述流体流动路径放置第一分离器。
26.如权利要求25所述的方法，其中沿着所述流体流动路径放置第二分离器。
27.如权利要求25所述的方法，其中在所述第一分离器上收集具有比所述生物质材料低的碳水化合物水平的用过的生物质如用于能量产生，而剩下的第一上清液糖溶液流过所述分离器进入所述第二罐中。
28.如权利要求26所述的方法，其中在第二上清液糖溶液穿过所述第二分离器之后将其收集，并且将通过所述第二分离器过滤掉的生物质添加至所述第一糖化罐。
29.如权利要求20至28中任一项所述的方法，其中所述第一糖化罐中的糖浓度小于约50g/L并且所述第二糖化罐中的糖浓度大于约50g/L。
30.如权利要求20至29中任一项所述的方法，其中所述第一糖化罐和第二糖化罐中的温度大于约45℃。
31.如权利要求20至30中任一项所述的方法，其进一步包括机械处理所述生物质材料。
32.如权利要求20至31中任一项所述的方法，其中所述生物质材料包括纤维素材料或木质纤维素材料。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述材料选自纸、纸制品、纸废物、木材、碎料板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、草、稻草、麦秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、玉米芯、玉米秸、苜宿、干草、椰子毛、海草、藻类及其混合物。
34.如权利要求32所述的方法，其进一步包括通过选自辐射、声处理、热解、氧化、蒸汽爆炸以及其组合的方法处理所述纤维素材料或木质纤维素材料以相对于所述天然材料的抗降解屏障减小其抗降解屏障。
35.如权利要求34所述的方法，其中通过电子束照射来处理所述材料。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述照射的总剂量为约10Mrad至200Mrad。
37.如权利要求20至36中任一项所述的方法，其中所述第一罐和第二罐含有包括葡萄糖和木糖的糖。
38.如权利要求20至36中任一项所述的方法，其中所述第一罐和第二罐含有糖并且还包括将所述糖转化为产品。
39.如权利要求38所述的方法，其中转化包括使用生物、酶或催化剂。
40.一种加工纤维素材料的方法，所述方法包括：
将酶和液体添加至第一糖化罐，并且将生物质材料添加至第二糖化罐，其中，
所述第一糖化罐与所述第二糖化罐流体连通，并且
所述第二糖化罐的内容物具有比所述第一糖化罐的内容物高的糖浓度。
41.一种用于糖化生物质的系统，所述系统包括：
与包含第二糖化的生物质的第二糖化罐流体连通的包含第一糖化的生物质的第一糖化罐，其中所述第一糖化的生物质具有比所述第二糖化的生物质低的糖浓度。
42.如权利要求41所述的系统，其中所述第一糖化罐与所述第二糖化罐处于恒定流体连通。
43.如权利要求41或42所述的系统，其进一步包括沿着流体流动路径放置于所述第一糖化罐与第二糖化罐之间的第一分离器，所述流体流动路径提供所述第一罐与第二罐之间的流体连通；以及沿着所述流体流动路径放置于所述第一糖化罐与第二糖化罐之间的第二分离器。
44.如权利要求41至43中任一项所述的系统，其中所述分离器选自网状物、筛网、振动筛、滤网、离心机、过滤器、沉降罐及其组合。
45.一种用于糖化生物质的系统，所述系统包括：
第一糖化罐和第二糖化罐；
第一流体流动路径，其提供从所述第一罐至所述第二罐的第一流体连通；以及置于所述第一流体流动路径中的第一分离器，其用于从所述第一罐与第二罐之间的流体连通中去除加工的生物质，
第二流体流动路径，其提供从所述第二罐至所述第一罐的第二流体连通；以及置于所述第二流体流动路径中的第二分离器，其用于从所述第一罐与第二罐之间的流体连通中去除糖化的上清液，
第一递送装置，其被配置成以与所述第二分离器去除糖化的上清液速率大约相同的速率将液体原料添加至所述第一罐，
第二递送装置，其被配置成以与所述第一分离器去除所述加工的生物质的速率大约相同的速率将生物质原料添加至所述第二罐。
46.如权利要求45所述的系统，其中所述第一流体流动路径和第二流体流动路径提供所述第一糖化罐与第二糖化罐之间的恒定流量流体。
47.如权利要求45或47所述的系统，其中所述第一分离器和第二分离器独立地选自网状物、筛网、振动筛、滤网、离心机、过滤器、沉降罐及其组合。
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