CN105274151A - 生物量加工 - Google Patents

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Abstract

加工生物量(例如，植物生物量、动物生物量和城市废物生物量)以产生有用产物，例如燃料。例如，系统可以使用原料材料例如纤维素和/或木质纤维素材料，以通过发酵产生乙醇和/或丁醇。

Description

生物量加工
本申请是申请日为2009年4月28日、申请号为200980124437.3、发明名称为“生物量加工”的发明专利申请的分案申请。
本文参考或作为附录A至E与之附着的所有专利、专利申请和出版物通过引用整体合并入本文。
技术领域
本发明涉及加工生物量和由其制备的产物。
背景
例如以纤维形式的多种碳水化合物，例如纤维素和木质纤维素材料在许多应用中以大量产生、加工且使用。通常此类材料使用一次，并且随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘蔗渣、锯屑和秸秆。
多种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已在美国专利号7,307,108、7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中；以及在各种专利申请中描述，包括于2006年3月23日提交的“FIBROUSMATERIALSANDCOMPOSITES,”PCT/US2006/010648，和“FIBROUSMATERIALSANDCOMPOSITES”，美国专利申请公开号2007/0045456。
因为纤维素和木质纤维素材料是如此广泛可获得的，并且废物纤维素和木质纤维素材料需要处理，所以良好利用此类材料将是有利的。考虑了纤维素和木质纤维素材料制备生物燃料例如乙醇的用途，但迄今仍未大规模在商业上实现。
概述
一般地，本文公开了含碳水化合物材料(例如，生物量材料或生物量衍生的材料，例如淀粉质材料、纤维素材料、木质纤维素材料、或者其是或包括显著量低分子量糖(例如，单糖、二糖或三糖)的生物量材料，以及制备且加工此类材料以便改变其结构的方法，例如用一种或多种所需类型或量的官能团使这些材料官能化。还公开了由结构改变的材料制备的产物。例如，本文公开的方法中的许多可以提供相对于天然材料，具有低分子量和/或结晶度的纤维素和/或木质纤维素材料。本文公开的方法中的许多提供了可以由多种微生物更容易地利用以产生有用产物的材料，所述有用产物例如氢、醇(例如，乙醇或丁醇)、有机酸(例如，乙酸)、烃、共同产物(例如，蛋白质)或这些中的任何的混合物。
在许多情况下，与未官能化的生物量相比较，官能化的生物量更可溶并且更容易由微生物利用。此外，本文公开的官能化材料中的许多更不易于氧化，并且可以具有增强的长期稳定性(例如，在环境条件下在空气中氧化)。所获得的产物中的许多例如乙醇或正丁醇可以用作燃料用于给小汽车、货车、牵引机、船只或列车提供动力，例如作为内部燃料材料或作为燃料电池原料。所获得的产物中的许多还可以用于给飞行器例如具有喷气发动机的例如飞机或直升机提供动力。此外，本文描述的产物可以用于电力产生，例如在常规蒸汽发电厂或燃料电池工厂中。
本发明的另一个方面衍生自下述认识：将生物量例如官能化的纤维素或木质纤维素材料加入包括低分子量糖的混合物中可以促进低分子量糖转变成产物，例如易燃燃料例如乙醇。本发明人已发现在具有低分子量糖、溶剂或溶剂系统和微生物的混合物中包括生物量显著改善通过糖例如醇例如乙醇转变获得的产物得率，在某些情况下，没有生物量其自身的显著转变或耗尽。包括生物量还可以预防例如通过发酵的不完全、迟缓或“粘滞”产物转变。
生物量其自身可能不转变成产物(例如，乙醇)，或可以连同低分子量糖一起部分或完全转变成产物。
在其中生物量部分转变的情况下，相对于起始生物量的表面积和多孔性，生物量的表面积和多孔性增加，这可以有利地增加低分子量糖至产物的转变速率。
在某些情况下，生物量可以是已经糖化的纤维素或木质纤维素材料的残留部分，例如在纤维素已转变成糖后留下的木质素和/或其他材料。
因此，在一个方面，本发明的特征在于这样的方法，其包括使具有生物量、微生物和溶剂或溶剂系统(例如水或水和有机溶剂的混合物)的混合物中的低分子量糖或包括低分子量糖的材料转变成例如除糖外的产物。溶剂或溶剂系统的例子包括水、己烷、十六烷、甘油、氯仿、甲苯、乙酸乙酯、石油醚、液化石油气(LPG)、离子液体及其混合物。溶剂或溶剂系统可以以单相或2个或更多个相的形式。生物量可以例如以纤维形式。
在某些情况下，在产物例如乙醇的生产过程中具有生物量材料(例如，通过本文描述的任何方法处理或未经处理的)的存在可以增强产物的生产率。不希望受任何具体理论束缚，认为通过增加溶质的有效浓度且提供反应可以在其上发生的底物，具有固体存在例如高表面积和/或高多孔性固体可以增加反应速率。
例如，经照射或未经照射的生物量材料例如纸纤维可以加入发酵过程中，例如在玉米-乙醇发酵或甘蔗提取物发酵过程中，以使生产率增加10、15、20、30、40、50、75、100％或更多，例如150％。生物量材料可以具有高表面积、高多孔性和/或低堆密度。在某些实施方案中，生物量以约0.5重量％-约50重量％存在于混合物中，例如约1重量％-约25重量％，或约2重量％-约12.5重量％。在其他实施方案中，生物量以大于约0.5重量％的量存在，例如大于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、或甚至大于约10重量％。例如，在某些实施方案中，氧化、超声处理、蒸汽爆炸和/或热解的生物量材料例如纸或棉花纤维可以加入低分子量糖发酵过程中，例如以增强发酵速率和输出。
因为生物量材料其自身在转变过程期间不消耗，所以生物量材料可以在多次分批过程中再使用，或可以连续使用用于生产相对大体积的产物。
某些实现包括下述特征中的一种或多种。
生物量可以包括纤维材料。转变可以包括允许微生物使至少部分低分子量糖转变成乙醇。例如，转变可以包括发酵。微生物可以包括例如选自酿酒酵母(S.cerevisiae)和树干毕赤酵母(P.stipitis)的酵母，或细菌例如运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)。转变可以显示出至少140％在某些情况下至少170％的性能％。
该方法可以进一步包括在混合前例如用电离辐射以例如至少5Mrad的总剂量照射纤维生物量。照射可以使用粒子束执行。照射可以在所选择的条件下进行，以减少生物量的分子量。
生物量可以具有小于约0.5g/cm3的堆密度。生物量可以具有大于0.25m2/g的BET表面积，和/或至少5的长度直径比。生物量可以具有大于50％例如大于70％的多孔性。
该方法可以进一步包括在物理上制备生物量，例如通过剪切或例如经由石研磨、机械撕开或撕裂、针研磨和/或空气碾磨减少生物量的大小。生物量可以具有内部纤维，并且可以已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。
生物量可以是或包括纤维素或木质纤维素材料。例如，生物量可以选自纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、海藻、藻类及其混合物。
该方法可以进一步包括对生物量实施酶促水解，并且在某些情况下，使经水解的材料转变成产物。
在另一个方面，本发明的特征在于用于溶解纤维素或木质纤维素材料的方法，该方法包括使纤维素或木质纤维素材料与包括DMSO和盐的溶剂系统相组合。
用于纤维素和木质纤维素材料的溶剂系统包括DMSO-盐系统。此类系统包括例如与锂、镁、钾、钠或锌盐组合的DMSO。锂盐包括LiCl、LiBr、LiI、高氯酸锂和硝酸锂。镁盐包括硝酸镁和氯化镁。钾盐包括碘化钾和硝酸盐。钠盐的例子包括碘化钠和硝酸盐。锌盐的例子包括氯化锌和硝酸盐。任何盐都可以是无水或水合的。盐在DMSO中的一般装载是约1-约50％，例如约2-约25，约3-约15，或约4-约12.5重量％。
在其他实现中，盐可以是氟化盐，例如四丁基氟化铵。该方法可以进一步包括照射纤维素或木质纤维素材料。纤维素或木质纤维素材料可以选自纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、海藻、藻类及其混合物。在某些情况下，纤维素或木质纤维素材料具有小于约0.5g/cm3的堆密度(在加入溶剂系统前)和至少50％的多孔性。
本文公开了包括在分子链中排列的多个糖单位的材料，其中每2个糖单位中的约1个至每250个糖单位中的约1个包括羧酸基团或其酯或盐。在另一个方面，材料包括多条此类分子链。例如，每条链的每8个糖单位中的约1个、每10个糖单位中的约1个、每50个糖单位中的约1个、或每100个糖单位中的约1个包括羧酸基团或其酯或盐。在某些实施方案中，糖单位可以包括5或6个碳糖单位。每条链可以具有约10-约200个糖单位，例如约10-约100个或约10-约50个。例如，每条链可以包括半纤维素或纤维素。在某些实施方案中，每条链还包括包含亚硝基、硝基或腈基的糖单位。
在某些实施方案中，相对于PEG标准，材料的平均分子量可以是约1,000-约1,000,000，例如1,500-200,000或2,000-10,000。例如，相对于PEG标准，材料的平均分子量可以是小于约10,000。
本文公开了改变生物量原料的分子和/或超分子结构的方法，其包括1)用足够能量的辐射例如光子、电子或离子照射生物量原料，以使生物量原料电离，以提供例如用电子自旋共振光谱仪可检测的第一个原子团水平；2)使原子团淬灭至原子团处于低于第一个水平的第二个水平的程度，例如在用电子自旋共振光谱仪无法检测的水平，例如在小于约1014自旋的水平；和3)加工经照射的生物量原料以产生产物。需要时，在照射前和/或在照射后，通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度可以制备生物量原料。
在某些实现中，加工步骤包括制备制备产物例如燃料例如易燃燃料，例如发动机，航空燃料或燃料电池原料，例如用于发电，通过用微生物使经照射的生物量原料转变成产物，所述微生物具有转变至少部分例如至少约1重量％的生物量的能力。
在某些实施方案中，在生物量原料暴露于空气、氮、氧、氦或氩时，对生物量原料执行照射。在某些实施方案中，预处理可以包括用蒸汽爆炸预处理生物量原料。
在某些实施方案中，该方法进一步包括例如通过剪切、湿或干磨、切割、挤压、压缩或这些加工过程中的任何的混合，减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度。例如，剪切可以用旋转切割机来执行。剪切可以产生具有大于5/1或至少5的平均长度直径比的纤维。在某些实施方案中，所制备的生物量可以具有大于0.25m2/g的BET表面积。在某些情况下，生物量具有内部纤维，并且生物量可以剪切至生物量的内部纤维基本上暴露的程度。生物量可以剪切至其具有小于约0.35g/cm3的堆密度的程度。
在某些实施方案中，该过程不包括用酸或碱使生物量水解。例如，至少约70重量％的生物量可以是未经水解的，例如至少95重量％的生物量仍未水解。在特定实施方案中，基本上无一生物量已水解。
在某些实施方案中，对生物量执行照射，其中小于约25重量％的生物量由液体例如水润湿。特别地，在某些实施方案中，对生物量执行至少一种预处理方法，其中基本上无一生物量由液体例如水润湿。在25℃和50％相对湿度下测量，生物量可以具有例如小于约5重量％的保留水。
在某些实施方案中，对生物量执行照射，其中小于约25重量％的生物量处于膨胀状态，所述膨胀状态特征在于具有比未膨胀状态高超过约2.5％的体积。在其他实施方案中，使生物量与膨胀剂相混合，或生物量包括膨胀剂。
压力可以用于本文描述的方法的任何中。例如，可以在大于约2.5大气压例如大于5或10大气压的压力下，对生物量执行照射。
在另一个方面，混合物包括低分子量糖、生物量材料和溶剂。在某些情况下，混合物还包括微生物。
生物量原料的例子包括纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、合成纤维素、海藻、藻类或这些的混合物。生物量可以是或可以包括天然或合成材料。
燃料的例子包括氢、醇和烃中的一种或多种。例如，醇可以是乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或这些的混合物。
照射可以例如利用电离辐射来执行，例如γ射线、电子束或具有约100nm-约280nm波长的紫外线C辐射。辐射可以使用辐射的多重应用来执行。电离辐射可以包括电子束辐射。例如，辐射可以以约10Mrad-约150Mrad的总剂量应用，例如以约0.5-约10Mrad/天、或1Mrad/s-约10Mrad/s的剂量率。在某些实施方案中，照射包括应用2个或更多个辐射源，例如γ射线和电子束。
在某些实施方案中，生物量包括具有第一个数量平均分子量的第一种纤维素，并且碳水化合物材料包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量的第二种纤维素。例如，第二个数量平均分子量比第一个数量平均分子量低超过约1倍。在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个结晶度，并且第二种纤维素具有比第一个结晶度低的第二个结晶度。例如，第二个结晶度可以比第一个结晶度低超过约10％。
在某些实施方案中，第一种纤维素可以具有第一个氧化水平，并且第二种纤维素具有比第一个氧化水平高的第二个氧化水平。
生物量材料可以进一步包括缓冲剂例如碳酸氢钠或氯化铵、电解质例如氯化钾或氯化钠、生长因子例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶、表面活性剂、矿物质或螯合剂。
在某些实施方案中，该方法包括用除照射外的一种或多种其他预处理方法的预处理。例如，2种或更多种不同的预处理方法可以包括辐射和超声处理、辐射和氧化、以及辐射和热解。任选地，预处理生物量可以包括蒸汽爆炸。
为了进一步帮助减少生物量的分子量，酶例如纤维素分解酶，或化学制品例如次氯酸钠、酸、碱或膨胀剂可以与本文描述的任何方法一起使用。酶和/或化学处理可以在照射或其他预处理之前、期间或之后发生。
当利用微生物时，它可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。当生物相容时，可以利用混合物。一般地，通过在材料上操作例如使材料发酵，多种微生物可以产生许多有用产物例如燃料。例如，醇、有机酸、烃、氢、蛋白质或这些材料中的任何的混合物可以通过发酵或其他过程产生。
使用本文公开的方法可以产生的产物例子包括单和多功能C1-C6烷基醇、单和多功能羧酸、C1-C6烃及其组合。合适醇的具体例子包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油及其组合。合适羧酸的具体例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟丁酸及其组合。合适烃的例子包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其组合。这些产物中的许多可以用作燃料。其他产物在美国临时申请序列号61/139,453中描述，其全部内容通过引用合并入本文。所产生的产物或共同产物可以是预期在生产时使用的产物，或所产生的产物可以是用于本文描述的任何其他过程或在通过引用合并入本文的任何应用中描述的任何过程的中间产物。
可以用于产生有用产物的微生物例子包括细菌、酵母或其组合。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。
在本文公开的方法的任何中，辐射可以由在地下室(vault)中的装置应用。
如本文使用的，术语“纤维材料”是包括众多松散、不连续且可分离的纤维的材料。例如纤维材料可以通过例如用旋转切割机剪切由漂白的牛皮纸纤维来源进行制备。
如本文使用的，术语“筛子”意指能够根据大小筛分材料的构件。筛子的例子包括穿孔板、轧辊等、或金属丝网或布织物。
如本文使用的，术语“热解”意指通过应用热能来破坏材料中的键。热解可以在主题材料处于真空下或浸入气态材料中的时候发生，所述气态材料例如氧化气体，例如空气或氧，或还原气体，例如氢。
通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。
术语“生物量”包括任何未变陈腐的，即可再生的有机物质。多种类型的生物量包括植物生物量(下文定义)、微生物生物量、动物生物量(任何动物副产物、动物废物等)和城市废物生物量(具有去除的可再循环物例如金属和玻璃的住宅和轻型商业垃圾)。术语生物量还包括未用过或消费后的纤维素材料，例如由棉花或棉花掺和物制造的破布和毛巾。
术语“植物生物量”和“木质纤维素生物量”指基本上任何植物衍生的有机物质(木质或非木质的)。植物生物量可以包括但不限于农业或食用作物(例如，甘蔗、甜菜或玉米仁)或由其的提取物(例如，来自甘蔗的糖和来自玉米的玉米淀粉)、农业作物和农业作物废物和残渣例如玉米秸秆、麦秆、稻秆、甘蔗蔗渣、棉花等。植物生物量进一步包括但不限于树、木质能源作物、木材废物和残渣例如软木材森林间伐、树皮废物、锯屑、纸和浆工业废物流、木质纤维等。另外地，草作物例如柳枝稷等具有作为另一个植物生物量来源大规模生产的潜力。对于市区，最佳潜力的植物生物量原料包括庭院废物(例如，草割茬、树叶、树割茬和灌木)和蔬菜加工废物。
“木质纤维素原料”是任何类型的植物生物量，例如但不限于非木质植物生物量、中耕作物，例如但不限于草，例如但不限于C4草，例如柳枝稷、米草(cordgrass)、黑麦草、芒草、草芦或其组合，或糖加工残渣例如甘蔗渣或甜菜浆，农业残渣例如大豆秸秆、玉米秸秆、稻秆、稻壳、大麦秆、玉米轴、麦秆、卡诺拉油菜秆、稻秆、燕麦秆、燕麦壳、玉米纤维、再循环木浆纤维、锯屑、硬木材例如杨木和锯屑、软木材或其组合。此外，木质纤维素原料可以包括纤维素废弃材料，例如但不限于新闻纸、卡纸板、锯屑等。
木质纤维素原料可以包括一个种类的纤维，或备选地，木质纤维素原料可以包括源于不同木质纤维素原料的纤维混合物。此外，木质纤维素原料可以包括新鲜的木质纤维素原料、部分干燥的木质纤维素原料、完全干燥的木质纤维素原料或其组合。
为了本公开内容的目的，碳水化合物是完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位的材料。糖单位可以在环周围由一个或多个官能团进行官能化，所述官能团例如羧酸基团、氨基、硝基、亚硝基或腈基，并且仍被视为碳水化合物。碳水化合物可以是聚合的(例如，等于或大于10聚体、100聚体、1,000聚体、10,000聚体或100,000聚体)、寡聚的(例如，等于或大于4聚体、5聚体、6聚体、7聚体、8聚体、9聚体或10聚体)、三聚的、二聚的或单体的。当形成具有超过一个单个重复单位的碳水化合物时，每个重复单位可以是相同或不同的。
聚合碳水化合物的例子包括纤维素、木聚糖、果胶和淀粉，而纤维二糖和乳糖是二聚碳水化合物的例子。单体碳水化合物的例子包括葡萄糖和木糖。
碳水化合物可以是超分子结构的部分，例如共价键合成结构。此类材料的例子包括木质纤维素材料，例如在木材中发现的那些。
淀粉质材料是其是或包括显著量的淀粉或淀粉衍生物的材料，例如大于约5重量％的淀粉或淀粉衍生物。为了本公开内容的目的，淀粉是其是或包括直链淀粉、支链淀粉、或其物理和/或化学混合物的材料，例如直链淀粉与支链淀粉的20:80或30:70重量％混合物。例如，稻、玉米及其混合物是淀粉质材料。淀粉衍生物包括例如麦芽糖糊精、酸变性淀粉、碱变性淀粉、漂白淀粉、氧化淀粉、乙酰化淀粉、乙酰化且氧化淀粉、磷酸盐变性淀粉、遗传变性淀粉和对消化有抵抗力的淀粉。
为了本公开内容的目的，低分子量糖是这样的碳水化合物或其衍生物，其具有小于约2,000的式量(除去水分)，例如小于约1,800、1,600、小于约1,000、小于约500、小于约350或小于约250。例如，低分子量糖可以是单糖例如葡萄糖或木糖、二糖例如纤维二糖或蔗糖、或三糖。
易燃燃料是在氧的存在下能够点燃的材料。易燃燃料的例子包括乙醇、正丙醇、正丁醇、氢或这些中的任何2种或更多种的混合物。
如本文使用的，膨胀剂是这样的材料，当应用于此类材料如溶液例如水溶液时，其引起体积中超过未膨胀状态的纤维素和/或木质纤维素材料的可辨别膨胀，例如2.5％增加。例子包括碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和氢氧化铵，酸化剂例如矿物酸(例如，硫酸、盐酸和磷酸)，盐例如氯化锌、碳酸钙、碳酸钠、苄基三甲基硫酸铵，和碱性有机胺例如乙二胺。
如本文使用的，“经剪切的材料”是包括不连续纤维的材料，其中至少约50％的不连续纤维具有至少约5的长度/直径(L/D)比，并且具有小于约0.6g/cm3的未压缩的堆密度。经剪切的材料因此不同于已切割、剁碎或研磨的材料。
如本文使用的，改变生物量原料的分子结构意指改变化学键合排列，例如官能团的类型和数量或结构的构象。例如，分子结构中的改变可以包括改变材料的超分子结构、材料的氧化、改变平均分子量、改变平均结晶度、改变表面积、改变聚合度、改变多孔性、改变支化度、移植在其他材料上、改变结晶结构域尺寸、或改变总体结构域大小。
本申请将于2007年10月26日提交的国际申请号PCT/US2007/022719的完整内容通过引用合并入本文。下述美国专利申请各自的全部公开内容在此通过引用合并入本文：美国临时申请序列号61/049,391；61/049,394；61/049,395；61/049,404；61/049,405；61/049,406；61/049,407；61/049,413；61/049,415；和61/049,419，全部于2008年4月30日提交；美国临时申请序列号61/073,432；61/073,436；61/073,496；61/073,530；61/073,665；和61/073,674，全部于2008年6月18日提交；美国临时申请序列号61/106,861，于2008年10月20日提交；美国临时申请序列号61/139,324和61/139,453，两者都于2008年12月19日提交；以及美国专利申请序列号12/417,707；12/417,720；12/417,840；12/417,699；12/417,731；12/417,900；12/417,880；12/417,723；12/417,786；和12/417,904，全部于2009年4月3日提交。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。尽管下文描述了合适方法和材料，但与本文描述那些相似或等价的方法与材料可以用于本发明的实践或测试。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体合并。在冲突的情况下，以本说明书包括定义为准。此外，材料、方法和实施例仅是举例说明性的，并且不预期是限制性的。
本发明的其他特征和优点由于下述详述和权利要求将是显而易见的。
附图描述
图1是举例说明生物量转变成产物和共同产物的方框图。
图2是举例说明纤维来源转变成第一种和第二种纤维材料的方框图。
图3是旋转切割机的横断面视图。
图4是举例说明纤维来源转变成第一种、第二种和第三种纤维材料的方框图。
图5是举例说明材料的致密化的方框图。
图6是制丸磨的透视图。
图7A是以丸剂形式的致密化纤维材料。
图7B是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心一致。
图7C是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心不成一直线。
图7D是三叶形丸剂的横剖面。
图8是举例说明用于加工原料的处理顺序的方框图。
图9是在混凝土地下室中容纳的γ辐照器的透视、剖视图。
图10是图9的区域R的放大透视图。
图11A是举例说明电子束照射原料预处理顺序的方框图。
图11B是进行电离且随后氧化或淬灭的生物量的图示。
图12是用于超声处理液体介质中的纤维素材料加工流的系统的示意性视图。
图13是具有与单个悬臂(horn)耦合的2个换能器的超声波仪的示意性视图。
图14是举例说明热解原料预处理系统的方框图。
图15是热解室的横断面侧视图。
图16是热解室的横断面侧视图。
图17是包括加热丝的热解器的横断面侧视图。
图18是居里点(Curie-Point)热解器的示意性横断面侧视图。
图19是炉热解器的示意性横断面侧视图。
图20是激光热解仪器的示意性横断面顶视图。
图21是钨丝闪热解器的示意性横断面顶视图。
图22是举例说明氧化原料预处理系统的方框图。
图23是举例说明将纤维来源转变成产物例如乙醇的过程的一般概述的方框图。
图24是蒸汽爆炸仪器的横断面视图。
图25是混合式(hybrid)电子束/超声处理装置的示意性横断面侧视图。
图26是在25X放大率下由聚涂层纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在利用具有1/8英寸开口的筛子的旋转切割机上产生。
图27是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在利用具有1/8英寸开口的筛子的旋转切割机上产生。
图28是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在每次剪切过程中在利用具有1/16英寸开口的筛子的旋转切割机上剪切2次。
图29是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在旋转切割机上剪切3次。在第一次剪切过程中，使用1/8英寸筛子；在第二次剪切过程中，使用1/16英寸筛子，并且在第三次剪切过程中，使用1/32英寸筛子。
图29A-29F是分别来自样品P132、P132-10、P132-100、P-1e、P-30e和P-100e的纤维表面的3-D拉曼(Raman)光谱。
图30是超声处理仪器的示意性侧视图，而图31是通过图30的加工小室的横断面视图。
图32是纤维材料在1000X放大率下的扫描电子显微照片，所述纤维材料由在旋转切割机上剪切柳枝稷，并且随后使经剪切的材料经过1/32英寸筛子而产生。
图33和34是在1000X放大率下，分别用10Mrad和100Mradγ射线照射后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
图35是在1000X放大率下，用10Mrad照射和超声处理后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
图36是在1000X放大率下，用100Mrad照射和超声处理后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
图37是在旋转切割机上剪切的牛皮纸板纸的红外光谱。
图38是用100Mradγ辐射照射后，图37的牛皮纸的红外光谱。
图38A-38I是实施例23中的样品P132、P132-10、P132-100、P-1e、P-5e、P-10e、P-30e、P-70e和P-100e的1H-NMR光谱。图38J是来自图38A-38I在～16ppm下的可交换光子的比较。图38K是样品P-100e的13C-NMR。图38L-38M是具有10秒延迟时间的样品P-100e的13C-NMR。图38N是在样品P-100e的10％wt./wt.浓度下的1H-NMR。
图39是用于生物量转变的过程的示意性视图。
图40是用于生物量转变的另一个过程的示意性视图。
详述
可以加工生物量(例如，植物生物量例如其是或包括一种或多种低分子量糖的那些、动物生物量和城市废物生物量)，以产生有用产物例如燃料，例如用于内部内燃机、喷气发动机的燃料或用于燃料电池的原料。此外，具有所需功能性类型和量的官能化材料，例如羧酸基团、烯醇基团、醛基、酮基、腈基、硝基或亚硝基，可以使用本文描述的方法进行制备。此类官能化材料可以是例如更可溶的，更易于由多种微生物利用，或经过长时期可以是更稳定的，例如更不易于氧化。在本文描述了可以使用多种生物量材料作为原料材料的系统和过程，所述多种生物量材料例如纤维素材料、木质纤维素材料、淀粉质材料、或者其是或包括低分子量糖的材料。此类材料通常是可容易获得的，但可以例如通过发酵难以加工，或可以例如以缓慢速率获得亚最佳得率。原料材料通常通过原始原料材料的粉碎首先在物理上制备用于预处理。物理上制备的原料可以使用下述中的一种或多种进行预处理或加工：辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸。各种预处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。
在某些情况下，为了提供包括碳水化合物例如纤维素的材料，其可以通过微生物转变成许多所需产物，例如易燃燃料(例如，乙醇、丁醇或氢)，包括一个或多个糖单位的原料可以通过本文描述的过程中的一种或多种进行处理。可以产生的其他产物和共同产物包括例如人食物、动物饲料、药物和营养药。呈现了许多例子，其范围从个别预处理方法的小试规模实现到大规模生物量加工工厂。
生物量类型
一般地，其是或包括碳水化合物的任何生物量材料可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，所述碳水化合物完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位。例如，生物量材料可以是纤维素或木质纤维素材料，淀粉质材料，例如玉米的仁、稻的谷粒或其他食物，或者其是或包括一种或多种低分子量糖例如蔗糖或纤维二糖的材料。
例如，此类材料可以包括纸、纸制品、木材、木材相关材料、刨花板、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛、藻类、海藻、棉花、合成纤维素或这些中的任何的混合物。合适材料包括在上文概述部分中列出的那些。
纤维来源包括纤维素纤维来源，包括纸和纸制品(例如，聚涂层纸和牛皮纸)，和木质纤维素纤维来源，包括木材和木材相关材料，例如刨花板。其他合适的纤维来源包括天然纤维来源，例如草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛；α-纤维素含量很高的纤维来源，例如棉花；和合成纤维来源，例如拉出的丝(取向丝或无取向丝)。天然或合成纤维来源可以得自未用过的废弃纺织品材料例如碎布，或它们可以是消费后的废物例如破布。当纸制品用作纤维来源时，它们可以是未用过的材料，例如废弃的未用过的材料，或它们可以是消费后的废物。除未用过的原始材料外，消费后、工业(例如，废料)和加工废物(例如，来自纸加工的流出物)也可以用作纤维来源。此外，纤维来源可以得自或衍生自人(例如，污水)、动物或植物废物。另外的纤维来源已在美国专利号6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中得到描述。
在某些实施方案中，碳水化合物是或包括具有一个或多个β-1,4-键合且具有约3,000-50,000的数量平均分子量的材料。此类碳水化合物是或包括纤维素(I)，其通过β(1→4)-糖苷键的缩合而衍生自(β-葡萄糖1)。这个键合使其自身与关于淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1→4)-糖苷键的那种形成对比。
淀粉质材料包括淀粉其自身例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或米淀粉，淀粉衍生物，或包括淀粉的材料例如可食用食物产物或农作物。例如，淀粉质材料可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、野葛、酢浆草、西米、高粱、常规普通马铃薯、甘薯、芋头、山药或一种或多种豆例如蚕豆、小扁豆或豌豆。这些和/或其他淀粉质材料的掺和物也被视为淀粉质材料。在具体实施方案中，淀粉质材料衍生自玉米。多种玉米淀粉和衍生物在作为附录A与之附着的“CornStarch,”CornRefinersAssociation(第11版，2006)中描述。
包括低分子量糖的生物量材料可以例如包括至少约0.5重量％的低分子量糖，例如至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、12.5、25、35、50、60、70、80、90或甚至至少约95重量％的低分子量糖。在某些情况下，生物量基本上由低分子量糖组成，例如大于95重量％，例如96、97、98、99或基本上100重量％的低分子量糖。
包括低分子量糖的生物量材料可以是农产品或食物产物，例如甘蔗和甜菜或由其的提取物，例如来自甘蔗的汁液或来自甜菜的汁液。包括低分子量糖的生物量材料可以是基本上纯的提取物，例如原始或结晶的食用蔗糖(蔗糖)。低分子量糖包括糖衍生物。例如，低分子量糖可以是寡聚的(例如，等于或大于4聚体、5聚体、6聚体、7聚体、8聚体、9聚体或10聚体)、三聚的、二聚的或单体的。当形成具有超过一个单个重复单位的碳水化合物时，每个重复单位可以是相同或不同的。
低分子量糖的具体例子包括纤维二糖、乳糖、蔗糖、葡萄糖和木糖，连同其衍生物。在某些情况下，糖衍生物更快速地溶解于溶液中或由微生物利用以提供有用材料，例如乙醇或丁醇。几种此类糖和糖衍生物在下文显示。
本文描述的任何生物量材料的掺和物可以用于制备本文描述的产物中的任何，例如乙醇。例如，纤维素材料和淀粉质材料的掺和物可以用于制备本文描述的任何产物。
用于处理生物量的系统
图1显示用于将生物量转变成有用产物和共同产物的系统100，所述生物量特别是具有显著纤维素和木质纤维素组分和/或淀粉质组分的生物量。系统100包括进料制备子系统110、预处理子系统114、初级加工子系统118和后加工子系统122。进料制备子系统110接受以其原始形式的生物量，在物理上制备生物量用于用作通过下游过程的原料(例如，减少生物量的尺寸且使生物量均质化)，且以其原始和原料形式贮存生物量。具有显著纤维素和/或木质纤维素组分、或淀粉质组分的生物量原料可以具有高平均分子量和结晶度，这可以使原料难以加工成有用产物(例如，使原料发酵以产生乙醇)。例如，其他人已使用酸、碱和酶加工纤维素、木质纤维素或淀粉质原料。如本文描述的，在某些实施方案中，此类处理是不必要的，或仅需要以小量或催化量。
预处理子系统114接受来自进料制备子系统110的原料，并且制备原料用于在初级生产过程中使用，通过例如减少原料的平均分子量和结晶度。初级过程子系统118接受来自预处理子系统114的预处理的原料，并且产生有用产物(例如，乙醇、其他醇类、药物和/或食物产物)。在某些情况下，初级过程子系统118的输出是直接有用的，但在其他情况下，需要由后加工子系统122提供的进一步加工。后加工子系统122对来自初级过程子系统118的产物流提供进一步加工，所述产物流需要这个(例如，乙醇的蒸馏和变性)以及用于来自其他子系统的废物流的处理。在某些情况下，子系统114、118、122的共同产物也可以直接或间接用作次级产物和/或用于增加系统100的总效率。例如，后加工子系统122可以产生再循环的经处理的水用于用作其他子系统中的过程水，和/或可以产生可以用作燃料用于产生蒸汽和/或电的锅炉的可燃废物。
关于生物量转变工厂的最佳大小受因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂过程相关的规模经济。然而，增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/原料单位。分析这些因素的研究提出关于生物量转变工厂的合适大小可以是2000-10,000吨干燥原料/天，至少部分依赖于所用原料类型。原料的类型也可以影响工厂贮存需求，其中主要设计用于加工其可用度季节性改变(例如，玉米秸秆)的原料的工厂需要比设计为加工其可用度相对稳定(例如，废纸)的原料的工厂更多的现场或非现场原料贮存。
物理制备
在某些情况下，加工方法从原料的物理制备开始，例如原始原料材料的粉碎，例如通过切割、研磨、剪切或剁碎。在某些情况下，松散原料(例如，再循环纸、淀粉质材料或柳枝稷)通过剪切或切碎进行制备。筛子和/或磁体可以用于去除超尺寸或不希望有的物体，例如来自进料流的石头或钉子。
进料制备系统可以配置为产生具有特定特征的进料流，例如特定最大限度尺寸、特定长度宽度、或特定表面积比。作为进料制备的部分，原料的堆密度可以是控制的(例如增加或降低的)。
粉碎
在某些实施方案中，待加工的材料以纤维材料的形式，所述纤维材料包括通过剪切纤维来源提供的纤维。例如，剪切可以用旋转切割机进行。
例如并且参考图2，例如在旋转切割机中剪切纤维来源210，以提供第一种纤维材料212。使第一种纤维材料212经过具有1.59mm或更少(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸的第一个筛子214，以提供第二种纤维材料216。需要时，纤维来源可以在剪切前例如用切碎机进行切割。例如，当纸用作纤维来源时，纸可以首先使用切碎机切割成1/4-1/2英寸宽的条，所述切碎机例如正反转螺旋切碎机，例如由Munson(Utica，N.Y.)制造的那些。作为切碎的备选方法，纸可以通过使用切纸机切割成所需大小而减少尺寸。例如，切纸机可以用于将纸切割成10英寸宽x12英寸长的片。
在某些实施方案中，同时执行纤维来源的剪切和所得到的第一种纤维材料经过第一个筛子。剪切和通过也可以在分批型过程中执行。
例如，旋转切割机可以用于同时剪切纤维来源且筛选第一种纤维材料。参考图3，旋转切割机220包括漏斗222，其可以装载通过切碎的纤维来源制备的经切碎的纤维来源224。经切碎的纤维来源在固定叶片230和旋转叶片232之间进行剪切，以提供第一种纤维材料240。使第一种纤维材料240经过筛子242，并且所得到的第二种纤维材料244捕获在箱250中。为了帮助收集第二种纤维材料，箱可以具有低于额定大气压的压力，例如低于额定大气压至少10％、例如低于额定大气压至少25％、低于额定大气压至少50％、低于额定大气压至少75％。在某些实施方案中，真空来源252用于使箱维持在额定大气压下。
剪切对于“打开”和“压紧”纤维材料是有利的，使得材料的纤维素对断链和/或结晶度减少更敏感。当被照射时，开放材料也可以对氧化更敏感。
纤维来源可以以干燥状态、水合状态(例如，具有高达10重量％的吸收水)、或湿润状态例如具有约10重量％-约75重量％的水进行剪切。纤维来源甚至可以在部分或全部没入液体下时进行剪切，所述液体例如水、乙醇、异丙醇。
纤维来源还可以在气体(例如除空气外的气体流或大气)例如氧或氮下或蒸汽中进行剪切。
制备纤维材料的其他方法包括例如石研磨、机械撕开或撕裂、针研磨或空气碾磨。
需要时，根据其长度、宽度、密度、材料类型或这些属性的某些组合，可以使纤维材料例如连续或分批分成级分。
例如，通过使包括含铁材料的纤维材料经过磁体例如电磁体，并且随后使所得到的纤维材料经过一系列筛子，每个筛子具有不同尺寸的孔，可以使含铁材料与纤维材料中的任何分开。
纤维材料还可以例如通过使用高速气体例如空气进行分离。在此类方法中，通过提出不同级分使纤维材料分离，需要时，所述级分可以进行光学表征。此类分离仪器在Lindsey等人，美国专利号6,883,667中进行讨论。
纤维材料可以紧在其制备后进行照射，或它们可以例如在约105℃下干燥4-18小时，从而使得在使用前，含湿量例如小于约0.5％。
需要时，木质素可以从包括木质素的纤维材料中的任何中去除。此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，所述材料可以在照射前用热、化学药品(例如矿物酸、碱或强氧化试剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。
在某些实施方案中，第一个筛子的平均开口尺寸小于0.79mm(1/32英寸，0.03125英寸)，例如小于0.51mm(1/50英寸，0.02000英寸)、小于0.40mm(1/64英寸，0.015625英寸)、小于0.23mm(0.009英寸)、小于0.20mm(1/128英寸，0.0078125英寸)、小于0.18mm(0.007英寸)、小于0.13mm(0.005英寸)、或甚至小于0.10mm(1/256英寸，0.00390625英寸)。筛子通过使具有合适直径的单丝交织进行制备，以获得所需开口尺寸。例如，单丝可以由金属例如不锈钢制成。随着开口尺寸变得更小，对于单丝的结构需求可以变得更大。例如，对于小于0.40mm的开口尺寸，由除不锈钢外的材料制造的单丝制备筛子是有利的，所述材料例如钛、钛合金、非晶态金属、镍、钨、铑、铼、陶瓷或玻璃。在某些实施方案中，由具有孔的板例如金属板例如使用激光切割成板而制造筛子。在某些实施方案中，网目的开放区域小于52％，例如小于41％、小于36％、小于31％、小于30％。
在某些实施方案中，对第二种纤维进行剪切且经过第一个筛子，或不同尺寸的筛子。在某些实施方案中，使第二种纤维材料经过其平均开口尺寸等于或小于第一个筛子的那种的第二个筛子。
参考图4，通过剪切第二种纤维材料216且使所得到的材料经过具有小于第一个筛子214的平均开口尺寸的第二个筛子222，可以由第二种纤维材料216制备第三种纤维材料220。
一般地，纤维材料的纤维可以具有相对大的平均长度直径比(例如大于20比1)，即使它们已剪切超过一次。此外，本文描述的纤维材料的纤维可以具有相对窄的长度和/或长度直径比分布。
如本文使用的，平均纤维宽度(即直径)是通过随机选择约5,000根纤维在光学上测定的那些。平均纤维长度是校正长度-加权长度。BET(Brunauer，Emmet和Teller)表面积是多点表面积，并且多孔性是通过水银孔率法测定的那些。
第二种纤维材料14的平均长度直径比可以例如大于8/1、例如大于10/1、大于15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。第二种纤维材料14的平均长度可以是例如约0.5mm-2.5mm、例如约0.75mm-1.0mm，并且第二种纤维材料14的平均宽度(例如直径)可以是例如约5μm-50μm，例如约10μm-30μm。
在某些实施方案中，第二种纤维材料14的长度标准差小于第二种纤维材料14的平均长度的60％，例如小于平均长度的50％、小于平均长度的40％、小于平均长度的25％、小于平均长度的10％、小于平均长度的5％、或甚至小于平均长度的1％。
在某些实施方案中，第二种纤维材料的BET表面积大于0.1m2/g，例如大于0.25m2/g、大于0.5m2/g、大于1.0m2/g、大于1.5m2/g、大于1.75m2/g、大于5.0m2/g、大于10m2/g、大于25m2/g、大于35m2/g、大于50m2/g、大于60m2/g、大于75m2/g、大于100m2/g、大于150m2/g、大于200m2/g、或甚至大于250m2/g。第二种纤维材料14的多孔性可以是例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、例如大于80％、大于85％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于97.5％、大于99％、或甚至大于99.5％。
在某些实施方案中，第一种纤维材料的平均长度直径比与第二种纤维材料的平均长度直径比的比是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、小于1.1、小于1.075、小于1.05、小于1.025、或甚至基本上等于1。
在具体实施方案中，第二种纤维材料再次进行剪切，并且使所得到的纤维材料经过具有小于第一个筛子的平均开口尺寸的第二个筛子，以提供第三种纤维材料。在此类情况下，第二种纤维材料的平均长度直径比与第三种纤维材料的平均长度直径比的比可以是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、或甚至小于1.1。
在某些实施方案中，使第三种纤维材料经过第三个筛子，以产生第四种纤维材料。第四种纤维材料可以例如经过第四个筛子，以产生第五种材料。相似筛选过程可以根据需要重复多次，以产生具有所需性质的所需纤维材料。
致密化
致密化材料可以通过本文描述的方法或本文描述的任何材料进行加工，例如本文描述的任何纤维材料可以通过本文描述的任何一种或多种方法进行加工，并且随后如本文描述的进行致密化。
具有低堆密度的材料例如纤维材料可以进行致密化，以产生具有更高堆密度的产物。例如，具有0.05g/cm3的堆密度的材料组合物可以这样进行致密化：将纤维材料密封在相对气体不透性结构中，例如由聚乙烯制成的袋或由聚乙烯和尼龙的交替层制成的袋，并且随后使陷入的气体例如空气从结构中排出。在从结构中排出空气后，纤维材料可以具有例如大于0.3g/cm3的堆密度，例如0.5g/cm3、0.6g/cm3、0.7g/cm3或更多，例如0.85g/cm3。在致密化后，产物可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，例如用γ辐射照射。当希望将材料转运到另一个场所例如遥远的制造工厂时，这可以是有利的，其中纤维材料组合物可以加入溶液中，例如以产生乙醇。在使基本上气体不透性结构刺穿后，致密化纤维材料可以恢复接近其最初堆密度，例如至其最初堆密度的超过60％，例如其最初堆密度的70％、80％、85％或更多，例如95％。为了减少纤维材料中的静电，可以将抗静电剂加入材料中。
在某些实施方案中，结构例如袋由在液体例如水中溶解的材料形成。例如，结构可以由聚乙烯醇形成，从而使得它在与基于水的系统接触时溶解。此类实施方案允许将致密化结构直接加入包括微生物的溶液中，而无需首先通过切割释放结构的内容物。
参考图5，生物量材料可以与任何所需添加剂和粘合剂相组合，并且随后通过应用压力进行致密化，例如通过使材料经过在正反转压力辊之间限定的夹或通过使材料经过制丸磨。在压力应用过程中，可以任选应用热以帮助纤维材料的致密化。致密化材料随后可以进行照射。
在某些实施方案中，在致密化前，材料具有小于0.25g/cm3的堆密度，例如0.20g/cm3、0.15g/cm3、0.10g/cm3、0.05g/cm3或更少，例如0.025g/cm3。堆密度使用ASTMD1895B进行测定。简言之，该方法涉及用样品填充具有已知体积的量筒，并且获得样品的重量。通过用以克表示的样品重量除以以立方公分表示的圆筒的已知体积来计算堆密度。
优选粘合剂包括在水中可溶、通过水膨胀、或具有低于25℃的玻璃转变温度的粘合剂，如通过差示扫描量热法测定的。水溶性粘合剂意指在水中具有至少约0.05重量％的可溶性的粘合剂。水可膨胀的粘合剂意指在暴露于水后体积增加超过0.5％的粘合剂。
在某些实施方案中，通过水可溶或膨胀的粘合剂包括能够与纤维材料(例如纤维素纤维材料)的纤维形成键例如氢键的官能团。例如，官能团可以是例如醛或酮的羧基基团、羧化物基团、羰基，例如醇的磺酸基团、磺酸盐基团、磷酸基团、磷酸盐基团、酰胺基、胺基、羟基，和这些基团的组合，例如羧酸基团和羟基。具体单体的例子包括甘油、乙二醛、抗坏血酸、尿素、甘氨酸、季戊四醇、单糖或二糖、柠檬酸和酒石酸。合适的糖类包括葡萄糖、蔗糖、乳糖、核糖、果糖、甘露糖、阿拉伯糖和赤藓糖。聚合的例子包括聚二醇、聚氧化乙烯、聚羧酸、聚酰胺、聚胺和聚磺酸、聚磺酸盐。具体聚合的例子包括聚丙二醇(PPG)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯例如环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺、多肽、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡啶、聚(4-苯乙烯磺酸钠)和聚(2-丙烯酰胺-甲基-1-丙磺酸)。
在某些实施方案中，粘合剂包括具有低于25℃的玻璃转变温度的聚合物。此类聚合物的例子包括热塑弹性体(TPE)。TPE的例子包括聚醚嵌段酰胺例如在商品名下可获得的那些，聚酯弹性体例如在商品名下可获得的那些，和聚苯乙烯嵌段共聚物例如在商品名下可获得的那些。具有低于25℃的玻璃转变温度的其他合适聚合物包括乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、以及乙烯和α烯烃例如1-辛烯的共聚物，例如在商品名下可获得的那些。在某些实施方案中，例如当材料是纤维化聚涂层纸时，所述材料无需添加分开的低玻璃转变温度聚合物进行致密化。
在一个具体实施方案中，粘合剂是木质素，例如天然或合成修饰的木质素。
基于干重计算的、加入材料中的粘合剂的合适量是例如基于致密化的材料的总重量的约0.01％-约50％，例如0.03％、0.05％、0.1％、0.25％、0.5％、1.0％、5％、10％或更多，例如25％。粘合剂可以作为净的、纯液体，作为具有在其中溶解的粘合剂的液体，作为粘合剂的干粉，或作为粘合剂的丸剂加入材料中。
致密化纤维材料可以在制丸磨中进行制备。参考图6，制丸磨300具有用于容纳未致密化的材料310的漏斗301，所述未致密化的材料310包括含碳水化合物的材料例如纤维素。漏斗与螺旋输送机312相通，所述螺旋输送机312由变速电动机314驱动，从而使得未致密化的材料可以转运给调节器320，所述调节器320用浆322搅拌未致密化的材料，所述浆通过调节电动机330旋转。其他成分例如本文描述的添加剂和/或填充剂中的任何可以在进口332处加入。需要时，在纤维材料在调节器中时可以加热。在调节后，使材料从调节器经过倾卸斜道340并且到另一个螺旋输送机342。如受传动装置344控制的倾卸斜道允许材料从调节器到螺旋输送机的无阻挡通过。螺旋输送机通过电动机346旋转，并且控制纤维材料注入压模和轧辊组件350内。具体地，将材料引入空心的圆柱状压模352内，其围绕水平轴旋转并且具有放射延伸的模孔250。压模352通过电动机360围绕轴旋转，所述电动机360包括马力计量器，指示通过电动机消耗的总功率。例如以丸剂形式的致密化的材料370从斜道372落下，并且被捕获且例如通过照射进行加工。
在致密化后，材料可以方便地以具有各种形状的丸剂或碎片的形式。丸剂随后可以进行照射。在某些实施方案中，丸剂或碎片在形状中可以是圆柱状的，例如具有例如1mm或更多的最大限度横向尺度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm、15mm或更多，例如25mm。其他方便的形状包括在形式中为板状的丸剂或碎片，例如具有1mm或更多的厚度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm或更多，例如25mm；例如5mm或更多的宽度，例如10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm；和5mm或更多的长度，例如10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm。
现在参考图7A-7D，可以这样制备丸剂，从而使得它们具有空心内径。如所示的，空心一般可以与丸剂的中心一致(图7B)，或与丸剂的中心不成一直线(图7C)。制备丸剂空心内径可以增加在照射后在液体中的溶解速率。
现在参考图7D，丸剂可以具有例如多叶形的横向形状，例如如所示的三叶形、或四叶形、五叶形、六叶形或十叶形。制备以此类横向形状的丸剂也可以增加在照射后在液体中的溶解速率。
备选地，致密化的材料可以以任何其他所需形式，例如致密化的材料可以以垫、辊或包的形式。
例子
在一个例子中，由具有20lb/ft3堆密度的未印刷白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒可以用作原料。纸板盒可以平坦折叠并且随后注入切碎机内，以产生五彩纸屑样材料，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度以及等于起始材料的厚度(约0.075英寸)。五彩纸屑样材料可以供应给旋转切割机，所述旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，将小片撕开并且释放纤维材料。
在某些情况下，多个切碎机-剪切机串可以与输出串联排列。在一个实施方案中，2个切碎机-剪切机串可以串联排列，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机。在另一个实施方案中，3个切碎机-剪切机串可以串联排列，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机，并且来自第二个剪切机的输出作为输入供应给第三个切碎机。预期多次经过切碎机-剪切机串增加粒子大小的减少，并且增加在进料流内的总表面积。
在另一个例子中，由果汁纸板盒切碎和剪切产生的纤维材料可以进行处理，以增加其堆密度。在某些情况下，纤维材料可以用水或在水中制备的POLYOXTMWSRN10(聚氧化乙烯)的稀释母液进行喷射。弄湿的纤维材料随后可以通过在室温下操作的制丸磨进行加工。制丸磨可以使进料流的堆密度增加超过一个数量级。
预处理
物理上制备的原料可以进行预处理用于在初级生产过程中使用，通过例如减少原料的平均分子量和结晶度，和/或增加原料的表面积和/或多孔性。在某些实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括具有第一个数量平均分子量的第一种纤维素，并且所得到的碳水化合物包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量的第二种纤维素。例如，第二个数量平均分子量比第一个数量平均分子量低超过约25％，例如2x、3x、5x、7x、10x、25x或甚至100x减少。
在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个结晶度，并且第二种纤维素具有比第一个结晶度低的第二个结晶度，例如低约2、3、5、10、15或25％。
在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个氧化水平，并且第二种纤维素具有比第一个氧化水平高的第二个氧化水平，例如高2、3、4、5、10或25％。
预处理过程可以包括辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸中的一种或多种。多种预处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。
预处理组合
在某些实施方案中，生物量可以通过应用本文描述的过程中的任何的2种或更多种进行加工，例如辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸中的2、3、4种或更多种，连同或不连同如本文所述的先前、中间或后续原料制备。加工过程可以以任何次序或同时应用于生物量。例如，碳水化合物可以通过对纤维素和/或木质纤维素材料应用辐射、超声处理、氧化、热解和任选地蒸汽爆炸(以任何次序或同时)。所提供的含碳水化合物材料随后可以通过一种或多种微生物转变成许多所需产物，所述微生物例如细菌、酵母或酵母和细菌的混合物，如本文描述的。多重加工过程可以提供可以更容易由多种微生物利用的材料，由于其较低的分子量、较低的结晶度和/或增强的可溶性。多重加工过程可以提供协同作用，并且可以减少与任何单个过程比较所需的总能量输入。
例如，在某些实施方案中，可以提供包括通过这样的过程产生的碳水化合物的原料，所述过程包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和超声处理、照射和氧化、照射和热解、或照射和蒸汽爆炸(以任一次序或同时)的过程。所提供的生物量原料随后可以与微生物相接触，所述微生物具有将至少部分例如至少约1重量％的原料转变成产物例如易燃燃料的能力。
预处理条件
在某些实施方案中，该加工过程不包括例如用酸、碱和/或酶使纤维素和/或木质纤维素材料水解，所述酸例如矿物酸，例如盐酸或硫酸。需要时，生物量中的一些或无一可以包括经水解的材料。例如，在某些实施方案中，至少约70重量％的生物量是未经水解的材料，例如至少约95重量％的原料是未经水解的材料。在某些实施方案中，基本上所有生物量是未经水解的材料。
任何原料或装有原料的任何反应器或发酵罐可以包括缓冲剂，例如碳酸氢钠、氯化铵或Tris；电解质，例如氯化钾、氯化钠或氯化钙；生长因子，例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶或其等价物；表面活性剂，例如或聚乙二醇；矿物质，例如钙、铬、铜、碘、铁、硒或锌；或螯合剂，例如乙二胺、乙二胺四乙酸(EDTA)(或其盐形式，例如钠或钾EDTA)或二巯基丙醇。
当利用辐射时，它可以应用于干燥或湿润或甚至在液体例如水中分配的任何样品。例如，照射可以对这样的生物量材料执行，其中小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料具有由液体例如水润湿的表面。在某些实施方案中，照射对这样的纤维素和/或木质纤维素材料执行，其中基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料由液体例如水润湿。
在某些实施方案中，本文描述的任何加工在纤维素和/或木质纤维素材料根据需要保持干燥或已例如使用热和/或减压干燥后发生。例如，在某些实施方案中，在25℃下和在50％相对湿度下测量，纤维素和/或木质纤维素材料具有小于约5重量％的保留水。
需要时，如本文定义的膨胀剂可以用于本文描述的任何加工过程中。在某些实施方案中，当纤维素和/或木质纤维素材料使用辐射进行加工时，小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中，膨胀状态的特征在于具有比未膨胀状态高超过约2.5％的体积，例如比未膨胀状态高超过5.0、7.5、10或15％。在某些实施方案中，当辐射在纤维素和/或木质纤维素材料上利用时，基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中。在利用辐射的特定实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括膨胀剂，并且膨胀的生物量材料接受小于约10Mrad的剂量。
当辐射用于任何加工过程中时，它可以在纤维素和/或木质纤维素暴露于空气、富氧空气、或甚至氧其自身时应用，或通过惰性气体例如氮、氩或氦覆盖。当需要最大限度氧化时，利用氧化环境，例如空气或氧。
当利用辐射时，它可以在大于约2.5个大气压的压力下应用于生物量例如纤维素和/或木质纤维素，例如大于5、10、15、20或甚至大于约50个大气压。
辐射处理
一个或多个照射加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。照射可以减少原料的分子量和/或结晶度。在某些实施方案中，从其原子轨道中释放电子的材料中沉积的能量用于照射材料。辐射可以通过下述提供：1)重带电粒子，例如α粒子或质子，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射线或紫外射线。在一种方法中，通过放射性物质材料的辐射可以用于照射原料。在某些实施方案中，可以利用以(1)到(3)的任何次序或同时的任何组合。在另一种方法中，电磁辐射(例如，使用电子束发射器产生的)可以用于照射原料。所应用的剂量依赖于所需效应和具体原料。例如，高剂量的辐射可以破坏原料组分内的化学键，并且低剂量的辐射可以增加原料组分内的化学键合(例如，交联)。在某些情况下，当希望断链和/或希望聚合链官能化时，可以利用比电子重的粒子，例如质子、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，由于其路易斯(Lewis)酸性质，带正电的粒子可以用于增强的开环断链。例如，当需要含氮官能团时，可以执行在氧的存在下的照射或甚至用氧离子的照射。例如，当希望含氮官能团时，可以执行在氮的存在下的照射或甚至用氮离子的照射。
参考图8，在一种方法中，例如通过用电离辐射(例如，以γ辐射、X射线辐射、100nm-280nm紫外(UV)线、电子束或其他带电粒子的形式)处理，照射第一种材料2，其是或包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。第二种材料(或第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料3具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下以及减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。辐射也可以使材料灭菌。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(TMN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在超声处理前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在超声处理后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在超声处理后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在超声处理前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在超声处理后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，照射在氧化环境下例如在空气或氧覆盖层下执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
电离辐射
每种形式的辐射经由特定相互作用使生物量电离，如通过辐射的能量测定的。重带电粒子主要经由库仑(Coulomb)散射使物质电离；此外，这些相互作用产生可以进一步使物质电离的高能电子。α粒子与氦原子的核等同，并且通过各种放射性核的α衰变产生，例如铋、钋、砹、氡、钫、镭、几种锕系元素例如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚的同位素。
当利用粒子时，它们可以是中性(不带电)、带正电或带负电的。当带电时，带电粒子可以具有单个正或负电荷，或多个电荷，例如1、2、3或甚至4个或更多个电荷。在其中需要断链的情况下，部分由于其酸性性质，带正电的粒子可以是所希望的。当利用粒子时，粒子可以具有静止电子的质量或更大，例如是静止电子质量的500、1000、1500或2000或更多倍。例如，粒子可以具有约1个原子单位-约150个原子单位的质量，例如约1个原子单位-约50个原子单位，或约1-约25，例如1、2、3、4、5、10、12或15amu。用于加速粒子的加速器可以是静电DC、电动力学DC、RF线性、磁感应线性或连续波。例如，回旋加速器型加速器可从IBA，比利时获得，例如系统，而DC型加速器可从RDI现在的IBAIndustrial获得，例如离子和离子加速器在下述中讨论：IntroductoryNuclearPhysics，KennethS.Krane，JohnWiley&Sons，Inc.(1988)，KrstoPrelec，FIZIKAB6(1997)4，177-206，其拷贝作为附录B附着，Chu，WilliamT.，“OverviewofLight-IonBeamTherapy”，Columbus-Ohio，ICRU-IAEAMeeting，18-20March2006，其拷贝作为附录C与之附着，Iwata，Y.等人，“Alternating-Phase-FocusedIH-DTLforHeavy-IonMedicalAccelerators”，ProceedingsofEPAC2006，Edinburgh，Scotland，其拷贝作为附录D与之附着，和Leitner，C.M.等人，“StatusoftheSuperconductingECRIonSourceVenus”，ProceedingsofEPAC2000，Vienna，奥地利，其拷贝作为附录E与之附着。一般地，发生器容纳于铅或混凝土的地下室中。
电子经由通过电子速度中的改变产生的库仑散射和轫致辐射相互作用。电子可以通过经历β衰变的放射性核产生，例如碘、铯、锝和铱的同位素。备选地，电子枪可以经由热电子发射用作电子源。
电磁辐射经由3个过程相互作用：光电吸收、康普顿(Compton)散射和电子偶的产生。主要相互作用通过入射辐射的能量和材料的原子数来确定。促成纤维素材料中的吸收辐射的相互作用总和可以通过质量吸收系数表示(参见PCT/US2007/022719中的“IonizationRadiation”)。
依赖于其波长，电磁辐射再分类为γ射线、x射线、紫外射线、红外射线、微波或无线电波。
例如，γ辐射可以用于照射材料。参考图9和10(区域R的放大视图)，γ辐照器10包括γ辐射源408例如60Co丸剂，用于容纳待照射的材料的工作台14，和例如由多块铁板制成的储藏室16，所有这些容纳于混凝土安全室(地下室)20中，其包括在防辐射门26外的迷宫入口22。储藏室16包括多个通道30，例如16个或更多个通道，允许γ辐射源在其接近工作台的途中经过储藏室。
在操作中，将待照射的样品置于工作台上。辐照器配置为递送所需剂量率，并且将监控设备与实验块31相连接。操作者随后离开安全室，经过迷宫入口和防辐射门。操作者操纵控制面板32，指导计算机33使用与水压泵40连接的汽缸36，将辐射源12抬起后放入工作位置内。
γ辐射具有进入样品中的多种材料的显著穿透深度的优点。γ射线的来源包括放射性核，例如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙。
x射线的来源包括与金属靶(例如钨或钼或合金)或致密光源(例如由Lyncean商业生产的那些)的电子束碰撞。用于紫外线辐射的来源包括氘或镉光灯。
用于红外线辐射的来源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯。
用于微波的来源包括速调管，Slevin型RF来源，或采用氢、氧或氮气的原子束来源。
多种其他照射装置可以用于本文公开的方法中，包括场电离源、静电离子分离器、场电离发生器、热电子发射源、微波放电离子源、回流或静止加速器、动态线性加速器、范氏(vandeGraaff)加速器和折叠式串联加速器。此类装置公开于例如美国临时申请序列号61/073,665中，其完整公开内容通过引用合并入本文。
电子束
在某些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束具有高剂量率(例如，1、5或甚至10Mrad/秒)、高流通量、较少防范(containment)和较少限制(confinement)设备的优点。电子还可以在引起断链方面更有效。此外，具有4-10MeV能量的电子可以具有5-30mm或更多例如40mm的穿透深度。
例如通过静电发生器、级联发生器、感应变频机、具有扫描系统的低能加速器、具有线性阴极的低能加速器、线性加速器和脉冲加速器，可以产生电子束。电子作为电离辐射源是有用的，例如用于相对薄堆的材料，例如小于0.5英寸，例如小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸、或小于0.1英寸。在某些实施方案中，电子束的每个电子的能量是约0.3MeV-约2.0MeV(百万电子伏特)，例如约0.5MeV-约1.5MeV，或约0.7MeV-约1.25MeV。
图11A显示包括在电子束照射原料预处理顺序中的多个步骤的工艺流程图3000。在第一个步骤3010中，从进料来源接受干燥原料的供应。如上文讨论的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给电子束照射装置前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，如任选步骤3020中表示的，在递送给电子束照射装置之前，可以对生物量原料实施机械加工(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在步骤3030中，将干燥原料转移给原料转运装置(例如，传送带)，并且经过原料转运装置的横断面宽度以体积大致均匀地分布。这可以在电子束照射加工之前在原料转运装置中的某些点上例如手工或通过诱导局限性震动运动来完成。
在某些实施方案中，在产生浆的任选过程3040中，混合系统将化学试剂3045引入原料内。在混合步骤3040中使水与经加工的原料相组合造成含水原料浆，其可以通过例如管道而不是使用例如传送带转运。
下一个步骤3050是包括经由一个或多个(例如，N个)电子束照射装置使原料(以干燥或浆形式)暴露于电子束辐射的回路。原料浆在步骤3052时移动通过N个电子束“淋浴器”中的每一个。移动可以是通过淋浴器和在淋浴器之间以连续速度，或可以存在通过每个淋浴器的脉冲，随后为突然移动至下一个淋浴器。在步骤3053时，使小份原料浆暴露于每个淋浴器某一预定暴露时间。
电子束照射装置可以由IonBeamApplications、Louvain-la-Neuve、比利时或TitanCorporation、SanDiego、CA商购获得。一般的电子能可以是1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。一般的电子束照射装置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料浆解聚的功效依赖于所使用的电子能和所应用的剂量，而暴露时间依赖于功率和剂量。一般的剂量可以采取1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy的值。
在考虑电子束照射装置功率规格中的权衡包括操作成本、资本成本、折旧和装置占地面积。考虑电子束照射的暴露剂量水平中的权衡将是能量成本以及环境、安全和健康(ESH)关注。考虑电子能中的权衡包括能量成本；此处，较低电子能在促进特定原料浆解聚中可以是有利的(参见例如，Bouchard,等人，Cellulose(2006)13：601-610)。一般地，发生器容纳于例如具有铅或混凝土或防辐射混凝土的地下室中。
提供电子束照射的双通路是有利的，以便提供更有效的解聚过程。例如，原料转运装置可以将原料(以干燥或浆形式)在下面和以反方向导向其最初转运方向。双通路系统可以允许加工较稠的原料浆，并且可以提供通过原料浆稠度的更均匀解聚。
电子束照射装置可以产生固定束或扫描束。扫描束用大扫描扫掠长度和高扫描速度是有利的，因为这将有效地代替大的固定束宽度。此外，0.5m、1m、2m或更多的可用扫掠宽度是可用的。
原料浆的部分已转运通过N个电子束照射装置后，在某些实施方案中，如步骤3060中，使原料浆的液体和固体组分机械分离可以是必需的。在这些实施方案中，对于残留固体颗粒过滤原料浆的液体部分，并且再循环回到浆制备步骤3040。原料浆的固体部分随后经由原料转运装置前进至下一个加工步骤3070。在其他实施方案中，原料维持浆形式用于进一步加工过程。
电磁辐射
在其中照射用电磁辐射执行的实施方案中，电磁辐射可以具有例如大于102eV的能量/光子(以电子伏特)，例如大于103、104、105、106、或甚至大于107eV。在某些实施方案中，电磁辐射具有104-107的能量/光子、例如105-106eV。电磁辐射可以具有例如大于1016hz的频率，大于1017hz、1018、1019、1020或甚至大于1021hz。在某些实施方案中，电磁辐射具有1018-1022Hz的频率，例如1019-1021Hz。
剂量
在某些实施方案中，执行照射(用任何辐射源或源的组合)直至材料接受至少0.25Mrad的剂量，例如至少1.0Mrad、至少2.5Mrad、至少5.0Mrad或至少10.0Mrad。在某些实施方案中，执行照射直至材料接受1.0Mrad-6.0Mrad的剂量，例如1.5Mrad-4.0Mrad。
在某些实施方案中，以5.0-1500.0千拉德/小时的剂量率执行照射，例如10.0-750.0千拉德/小时，或50.0-350.0千拉德/小时。
在某些实施方案中，使用2个或更多个辐射源，例如2个或更多个电离辐射。例如，样品可以以任何次序进行处理，用电子束，随后为γ辐射和具有约100nm-约280nm的UV线。在某些实施方案中，样品用3个电离辐射源进行处理，例如电子束、γ辐射和高能UV线。
备选地，在另一个例子中，使包括纤维素的纤维材料和/或木质纤维素材料照射，并且任选用声能例如超声处理。
在辐射用作预处理的一个例子中，具有20lb/ft3的堆密度由未印刷的聚涂层白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒用作原料。使纸板盒平坦折叠并且随后注入串联排列的一系列3个切碎机-剪切机串内，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机，并且来自第二个剪切机的输出作为输入供应给第三个切碎机。通过切碎机-剪切机串产生的纤维材料可以用水喷射，并且通过在室温下操作的制丸磨进行加工。致密化丸剂可以置于玻璃安瓿中，所述玻璃安瓿在高真空下抽真空，并且用氩气反填充。安瓿在氩下进行密封。可替代地，在另一个例子中，安瓿在空气大气下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比原材料低的分子量的经照射的材料。
增强在照射过程中的分子量断裂的添加剂
在某些实施方案中，在照射前，各种材料例如固体或液体可以加入生物量中，以增强分子量减少。在其中利用液体的那些情况下，液体可以与生物量的外表面接触，和/或液体可以在生物量的内部部分中，例如灌注到生物量内。
例如，材料可以是中性弱碱，例如丙氨酸、氨、氨/水混合物，例如25重量％氨水、水、甲胺、二甲胺、三甲胺、吡啶，或阴离子碱，例如乙酸的盐(例如，乙酸钠)、碳酸钠、碳酸氢钠或硫化氢离子的盐(例如，硫氢化钠)。
备选地，材料可以是中性弱酸，例如甲酸、乙酸、三氯乙酸、水、硫化氢，或阳离子酸例如铵盐。
生物量的淬灭和控制官能化
在用一种或多种电离辐射处理后，所述电离辐射例如光辐射(例如，X射线或γ射线)、电子束辐射或带正电或带负电的比电子重的粒子(例如质子或碳离子)，本文描述的含碳水化合物的材料或混合物中的任何变得电离；即，它们包括在用电子自旋共振光谱仪可检测的水平上的原子团。目前的原子团检测实际限制是在室温下约1014自旋。在电离后，可以淬灭已电离的任何生物量材料，以减少经电离的生物量中的原子团水平，例如从而使得原子团用电子自旋共振光谱仪不再可检测。例如，通过给生物量应用足够压力和/或通过利用与经电离的生物量接触的流体，所述流体例如气体或液体，与原子团反应(淬灭)，可以使原子团淬灭。至少帮助原子团淬灭的气体或液体的使用也允许操作者控制经电离的生物量由所需量和种类的官能团的官能化，所述官能团例如羧酸基团、烯醇基团、醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、环烷基或氯氟烷基。在某些情况下，此类淬灭可以改善某些经电离的生物量材料的稳定性。例如，淬灭可以改善生物量对氧化的抗性。通过淬灭官能化也可以改善本文描述的任何生物量的可溶性，可以改善其热稳定性，这在本文描述的复合材料和纸板的制造中可以是重要的，并且可以改善通过各种微生物的材料利用。例如，通过淬灭对生物量材料赋予的官能团可以充当用于通过微生物附着的受体位点，例如以增强通过各种微生物的纤维素水解。
图11B举例说明改变生物量原料的分子和/或超分子结构，通过用电离辐射例如用足够能量的电子或离子预处理生物量原料，以使生物量原料电离，以提供第一个原子团水平。如图11B中所示，如果经电离的生物量保留在大气中，那么它将氧化例如至通过与大气氧反应产生羧酸基团的程度。在对于某些材料的某些情况下，此类氧化是需要的，因为它可以帮助含碳水化合物的生物量的分子量中的进一步下降，并且在某些情况下，氧化基团例如羧酸基团对于可溶性和微生物利用可以是有帮助的。然而，因为原子团可以在照射后“存活”一定时间，例如长于1天、5天、30天、3个月、6个月或甚至长于1年，所以材料性质可以继续随着时间过去改变，这在某些情况下，可以是不希望有的。通过电子自旋共振光谱仪检测经照射的样品中的原子团和此类样品中的原子团寿命在Bartolotta等人，PhysicsinMedicineandBiology，46(2001)，461-471，和Bartolotta等人，RadiationProtectionDosimetry，第84卷，Nos.1-4，第293-296页(1999)(其分别作为附录F和附录G与之附着)中讨论。如图11B中所示，可以使经电离的生物量淬灭，以使经电离的生物量官能化和/或稳定。在任何点上，例如当材料是“活的”、“部分活的”或完全淬灭的时，预处理的生物量可以转变成产物例如燃料、食物或复合材料。
在某些实施方案中，淬灭包括给生物量应用压力，例如通过使生物量机械变形，例如以1、2或3个维度直接机械压缩生物量，或对其中生物量浸入的流体应用压力，例如等静压制。在此类情况下，材料其自身的变形使通常在结晶结构域中捕获的原子团处于足够接近中，从而使得原子团可以重组或与另一个基团反应。在某些情况下，压力连同热的应用例如足够量的热一起应用，以使生物量的温度升高超过生物量组分的熔点或软化点，所述生物量组分例如木质素、纤维素或半纤维素。热可以改善聚合材料中的分子流动性，这可以帮助原子团的淬灭。当压力用于淬灭时，压力可以大于约1000psi，例如大于约1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi或甚至大于15000psi。
在某些实施方案中，淬灭包括使生物量与流体例如液体或气体相接触，所述流体例如能够与原子团反应的气体，例如乙炔或乙炔在氮、乙烯、氯化乙烯或氯氟乙烯中的混合物，丙烯或这些气体的混合物。在其他具体实施方案中，淬灭包括使生物量与液体相接触，所述液体例如在生物量中可溶或至少能够穿透到生物量内且与原子团反应的液体，例如二烯，例如1,5-环辛二烯。在某些具体实施方案中，淬灭包括使生物量与抗氧化试剂例如维生素E相接触。需要时，生物量原料可以包括在其中分散的抗氧化试剂，并且淬灭可以来自使生物量原料中分散的抗氧化试剂与原子团相接触。可以使用这些和其他淬灭材料的组合。
用于淬灭的其他方法是可能的。例如，在Muratoglu等人，美国专利申请公开号2008/0067724和Muratoglu等人，美国专利号7,166,650(其分别作为附录H和附录I附着)中描述的用于淬灭聚合材料中的原子团的任何方法，可以用于淬灭本文描述的任何经电离的生物量材料。此外，任何淬灭剂(在上述公开内容中描述为“致敏剂”)和/或任一Muratoglu参考文献中描述的任何抗氧化试剂可以用于淬灭任何经电离的生物量材料。
通过利用重带电离子例如本文描述的较重离子中的任何，可以增强官能化。例如，如果需要增强氧化，那么带电的氧离子可以用于照射。如果需要氮官能团，那么可以利用包括氮的一种或多种氮离子。同样地，如果需要硫或磷基团，那么在照射中可以使用硫或磷离子。
在某些实施方案中，在淬灭后，本文描述的被淬灭的材料中的任何可以用下述中的一种或多种进行进一步处理：辐射例如电离或非电离辐射、超声处理、热解和氧化，用于另外的分子和/或超分子结构改变。
在特定实施方案中，本文描述的官能化材料用酸、碱、亲核试剂或路易斯酸进行处理，用于另外的分子和/或超分子结构改变，例如另外的分子量断裂。酸的例子包括有机酸例如乙酸，和矿物酸例如盐酸、硫酸和/或硝酸。碱的例子包括强矿物碱例如氢氧化物离子的来源，碱离子例如氟化物离子，或较弱的有机碱例如胺。甚至水和碳酸氢钠例如当溶解于水中时，也可以影响分子和/或超分子结构改变，例如另外的分子量断裂。
流体中的粒子束暴露
在某些情况下，在一种或多种另外流体(例如，气体和/或液体)的存在下，纤维素或木质纤维素材料可以暴露于粒子束。在一种或多种另外流体的存在下，材料暴露于粒子束可以增加处理的效率。
在某些实施方案中，在流体例如空气的存在下，使材料暴露于粒子束。在本文公开的任何一个或多个类型的加速器(或另一个类型的加速器)中加速的粒子经由输出端口(例如薄膜，例如金属箔)在加速器外耦合，经过由流体占据的空间体积，并且随后在材料上入射。除直接处理材料外，通过与流体粒子(例如由空气的多种组成成分产生的离子和/或原子团，例如臭氧和氮氧化物)相互作用，某些粒子产生另外的化学种类。这些产生的化学种类也可以与材料相互作用，并且可以充当起始剂用于材料中的多种不同的化学键破坏反应。例如，所产生的任何氧化试剂可以氧化材料，这可以导致分子量减少。
在特定实施方案中，在束入射到材料上之前，另外的流体可以选择性引入粒子束的路径内。如上文讨论的，束的粒子和所引入流体的粒子之间的反应可以产生另外的化学种类，这与材料反应且可以参与材料官能化，和/或以其他方式选择性改变材料的特定性质。例如一种或多种另外流体可以从供应管导入束的路径内。所引入的一种或多种流体的方向和流速可以根据所需暴露率和/或方向进行选择，以控制总体处理的效率，包括起因于基于粒子的处理的效应和由于由所引入流体动态产生的种类与材料相互作用的效应。除空气外，可以引入离子束内的示例性流体包括氧、氮、一种或多种稀有气体、一种或多种卤素和氢。
照射低堆密度生物量材料且使经照射的生物量冷却
在用电离辐射特别是以高剂量率处理生物量材料的过程中，例如大于0.15Mrad/秒的速率，例如0.25Mrad/s、0.35Mrad/s、0.5Mrad/s、0.75Mrad/s或甚至大于1Mrad/秒，生物量材料可以保留显著量的热，从而使得生物量材料的温度变得升高。尽管在某些实施方案中，较高的温度是有利的，例如当需要更快速的反应速率时，控制生物量的加热是有利的，以保持对经由电离辐射起始的化学反应的控制，例如交联、断链和/或移植，例如以维持过程控制。低堆密度材料，例如具有小于约0.4g/cm3，例如小于约0.35、0.25或小于约0.15g/cm3的堆密度的那些，特别是当与具有薄横断面的材料例如具有小横向尺度的纤维相组合时，一般更易于冷却。此外，光子和粒子一般可以进一步穿透且通过具有相对低堆密度的材料，这可以允许以更高的速率加工更大体积的材料，并且可以允许使用具有更低能量的光子和粒子，例如0.25Mev、0.5MeV、0.75MeV或1.0MeV，这可以减少安全屏蔽需求。例如，在改变生物量原料的分子和/或超分子结构的一种方法中，在第一个温度下用电离辐射例如光子、电子或离子(例如，单独地或多样地带电阳离子或阴离子)，预处理生物量足够时间和/或足够剂量，以使生物量原料升高至高于第一个温度的第二个温度。经预处理的生物量随后冷却至低于第二个温度的第三个温度。最后，需要时，经冷却的生物量可以用辐射例如用电离辐射处理一次或多次。需要时，冷却可以在每次辐射处理后和/或在每次辐射处理过程中应用于生物量。
生物量原料可以如上所述在物理上进行制备，例如通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度，从而使得原料可以更有效加工，例如更容易冷却和/或更容易由电离辐射穿透。
在某些实现中，在使生物量冷却前，以小于25Mrad或小于10Mrad，例如小于5Mrad或小于2.5Mrad的总剂量，并且以超过0.25Mrad/秒，例如超过0.5，0.75或超过1.0Mrad/s的速率，应用电离辐射。
当生物量原料在流体中例如在气体例如氮或空气中由空气作用输送时，可以执行用电离辐射预处理生物量原料。为了帮助分子量下降和/或材料的官能化，气体可以用本文描述的任何膨胀剂和/或水蒸气饱和。例如，可以利用酸性水蒸气。为了帮助分子量下降，水可以用有机酸例如甲酸或乙酸或矿物酸例如硫酸或盐酸进行酸化。
当生物量原料在重力的影响下落下时进行，可以执行用电离辐射预处理生物量原料。当生物量原料在加工时，这个操作可以有效减少它的堆密度，且可以帮助生物量原料的冷却。例如，生物量可以由在超过地面的第一个高度上的第一条带传送，并且随后可以通过在超过地面低于第一个水平的第二个水平上的第二条带捕获。例如，在某些实施方案中，第一条带的后缘和第二条带的前缘限定缺口。有利地，可以在缺口处应用电离辐射，例如电子、质子或其他离子束，以预防对生物量传送系统的损害。
生物量的冷却可以包括使生物量与在低于第一个或第二个温度的温度下的流体(例如气体例如在或约77K的气态氮)相接触。甚至可以利用水，例如在低于额定室温(例如，25摄氏度)的温度下的水。
通常有利地，生物量原料具有内部纤维，并且在用电离辐射照射前，生物量原料已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。这种剪切可以提供具有小横断面尺度的低堆密度材料，这可以帮助生物量的断裂和/或官能化。例如，在某些实施方案中，生物量是或包括不连续纤维和/或颗粒，其具有不超过约0.5mm的最大限度尺度，例如不超过约0.25mm、不超过约0.1mm、或不超过约0.05mm。
在某些实施方案中，在电离辐射的应用过程中，电离辐射对于其应用的生物量原料具有小于约0.35g/cm3的堆密度，例如小于约0.3、0.25、0.20、或小于约0.15g/cm3。在此类实施方案中，生物量原料可以冷却，并且随后电离辐射可以应用于经冷却的生物量。在某些有利的实施方案中，生物量原料是或包括不连续纤维和/或颗粒，其具有不超过约0.5mm的最大限度尺度，例如不超过约0.25mm、不超过约0.1mm、不超过约0.05mm、或不超过约0.025mm。
超声处理
一个或多个超声处理加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。超声处理可以减少原料的分子量和/或结晶度。
再次参考图8，在一种方法中，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素的第一种材料2分散在介质例如水中，并且进行超声处理和/或以其他方式形成空穴，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下，同样减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于106微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。超声处理也可以使材料灭菌，但当微生物假定是活的时候不应使用。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(MN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在超声处理之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在超声处理后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在超声处理后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在超声处理之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在超声处理后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以有助于其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，超声处理在氧化介质中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
在某些实施方案中，超声处理介质是水介质。需要时，介质可以包括氧化试剂例如过氧化物(例如过氧化氢)、分散剂和/或缓冲剂。分散剂的例子包括离子型分散剂例如十二烷基硫酸钠和非离子型分散剂例如聚(乙二醇)。
在其他实施方案中，超声处理介质是非水的。例如，超声处理可以在烃例如甲苯或庚烷、醚例如二乙醚或四氢呋喃中，或甚至在液化气体例如氩、氙或氮中执行。
不希望受任何具体理论束缚，认为超声处理通过在包含纤维素的介质中产生气泡而破坏纤维素中的键，所述气泡生长且随后猛烈崩溃。在气泡崩溃过程中，这可以在小于纳秒中发生，内破力使气泡内的局部温度升高至约5100K(在某些情况下甚至更高；参见例如，Suslick等人，Nature434，52-55)，并且产生数百个大气压-超过1000个大气压或更多的压力。正是这些高温和高压使键破坏。此外，不希望受任何具体理论束缚，认为减少的结晶度至少部分起于在气泡崩溃过程中的极高冷却速度，这可以大于约1011K/秒。高冷却速度一般不允许纤维素组构且结晶，导致具有减少的结晶度的材料。超声系统和超声化学在例如下述中讨论：Olli等人，美国专利号5,766,764；Roberts，美国专利号5,828,156；Mason，Chemistrywith超声，Elsevier，Oxford,(1990)；Suslick(编辑)，超声：itsChemical，PhysicalandBiologicalEffects，VCH，Weinheim,(1988)；Price，"CurrentTrendsinSonochemistry"RoyalSocietyofChemistry，Cambridge,(1992)；Suslick等人，Ann.Rev.Mater.Sci.29，295,(1999)；Suslick等人，Nature353，414(1991)；Hiller等人，Phys.Rev.Lett.69，1182(1992)；Barber等人，Nature，352，414(1991)；Suslick等人，J.Am.Chem.Soc.，108，5641(1986)；Tang等人，Chem.Comm.，2119(2000)；Wang等人，AdvancedMater.，12，1137(2000)；Landau等人，J.ofCatalysis，201，22(2001)；Perkas等人，Chem.Comm.，988(2001)；Nikitenko等人，Angew.Chem.Inter.编辑(2001年12月)；Shafi等人，J.Phys.ChemB103，3358(1999)；Avivi等人，J.Amer.Chem.Soc.121，4196(1999)；和Avivi等人，J.Amer.Chem.Soc.122，4331(2000)。
超声处理系统
图12显示一般系统，其中使纤维素材料流1210与水流1212在储库1214中相混合，以形成加工流1216。第一个泵1218从储库1214中抽取加工流1216并且朝向流动池1224。超声换能器1226将超声能传导到加工流1216内，当加工流流经流动池1224时。第二个泵1230从流动池1224中抽取加工流1216并且朝向后续加工。
储库1214包括与容积1236流动联系的第一个进入口1232和第二个进入口1234。传送机(未显示)通过第一个进入口1232将纤维素材料流1210递送给储库1214。水流1212通过第二个进入口1234进入储库1214内。在某些实施方案中，水流1212沿着切线进入容积1236，在容积1236内建立回旋流。在特定实施方案中，纤维素材料流1210和水流1212可以沿着相对轴引入容积1236内，以增强在容积内的混合。
阀1238控制水流1212通过第二个进入口1232的流动，以产生所需纤维素材料与水的比(例如，约10％纤维素材料，容重)。例如，2000吨/天的纤维素材料可以与1百万-1.5百万加仑/天，例如1.25百万加仑/天的水相组合。
纤维素材料和水在储库1214中的混合受容积1236以及纤维素材料和水进入容积内的流速控制。在某些实施方案中，容积1236具有一定大小，以造成关于纤维素材料和水的最低限度混合停留时间。例如，当2000吨/天的纤维素材料和1.25百万加仑/天的水流经储库1214时，容积1236可以是约32,000加仑，以产生约15分钟的最低限度混合停留时间。
储库1214包括与容积1236流动联系的混合器1240。混合器1240使容积1236的内容物搅动，以使纤维素材料遍及容积中的水分散。例如，混合器1240可以是在储库1214中放置的旋转叶片。在某些实施方案中，混合器1240使纤维素材料基本上均匀地遍及水分散。
储库1214进一步包括与容积1236和加工流1216流动联系的出口1242。纤维素材料和水在容积1236中的混合物经由出口1242流出储库1214。出口1242安排在储库1214的底部附近，以允许重力将纤维素材料和水的混合物拉出储库1214且进入加工流1216内。
第一个泵1218(例如，由EsscoPumps&Controls，LosAngeles，California制造的数种凹式叶轮涡流泵中的任何)使加工流1216的内容物朝向流动池1224移动。在某些实施方案中，第一个泵1218使加工流1216的内容物搅动，从而使得纤维素材料和水的混合物在流动池1224的进口1220处基本上均匀。例如，第一个泵1218使加工流1216的内容物搅动，以造成在第一个泵和流动池1224的进口1220之间沿着加工流持续的湍流。
流动池1224包括与进口1220和排出口1222流动联系的反应器容积1244。在某些实施方案中，反应器容积1244是能够经得住升高的压力(例如，10巴)的不锈钢管。另外地或在备选方案中，反应器容积1244包括矩形横断面。
流动池1224进一步包括与反应器容积1244的至少部分热联系的热交换器1246。冷却流体1248(例如，水)流入热交换器1246内，并且吸收当加工流1216在反应器容积1244中超声处理时产生的热。在某些实施方案中，控制冷却流体1248进入热交换器1246内的流速和/或温度，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。在某些实施方案中，反应器容积1244的温度维持在20-50℃下，例如25、30、35、40或45℃。另外地或备选地，从反应器容积1244中转移到冷却流体1248的热可以在全过程的其他部分中使用。
接合器区段1226造成反应器容积1244和助推器1250之间的流动联系，所述助推器1250与超声换能器1226耦合(例如，使用凸缘机械耦合)。例如，接合器区段1226可以包括排列的凸缘和O-环部件，以造成反应器容积1244和助推器1250之间的防漏连接。在某些实施方案中，超声换能器1226是由HielscherUltrasonicsofTeltow，德国制造的大功率超声换能器。
在操作中，发生器1252将电递送给超声换能器1252。超声换能器1226包括使电能转变成超声范围中的声音的压电元件。在某些实施方案中，材料使用声音进行超声处理，所述声音具有约16kHz-约110kHz，例如约18kHz-约75kHz或约20kHz-约40kHz(例如具有20kHz-40kHz的频率的声音)的频率。在某些例子中，在约15kHz-约25kHz，例如约18kHz-22kHz的频率下执行超声处理。在特定实施方案中，可以利用1KW或更大的悬臂，例如2、3、4、5或甚至10KW悬臂，执行超声处理。
超声能随后通过助推器1248递送给工作介质。在反应器容积1244中运送通过助推器1248的超声能在加工流1216中造成一系列压缩和稀化，其强度足以造成加工流1216中的空穴形成。空穴形成使加工流1216中分散的纤维素材料解聚。空穴形成还在加工流1216的水中产生自由基。这些自由基作用以进一步断裂加工流1216中的纤维素材料。
一般而言，将5-4000MJ/m3，例如10、25、50、100、250、500、750、1000、2000或3000MJ/m3的超声能应用于以约0.2m3/s的速率(约3200加仑/分钟)流动的加工流16。在反应器容积1244中暴露于超声能后，加工流1216通过排出口1222退出流动池1224。第二个泵1230使加工流1216移动至后续加工过程(例如，由EsscoPumps&Controls，LosAngeles，California制造的数种凹式叶轮涡流泵中的任何)。
虽然已描述了特定实施方案，但其他实施方案也是可能的。
作为例子，虽然加工流1216已描述为单个流动路径，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，例如加工流1216包括多个平行流动路径(例如，以10加仑/分钟的速率流动)。另外地或在备选方案中，加工流1216的多个平行流动路径流入分开的流动池内，并且平行进行超声处理(例如，使用多个16kW超声换能器)。
作为另一个例子，虽然单个超声换能器1226已描述为与流动池1224耦合，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，多个超声换能器1226安排在流动池1224中(例如，10个超声换能器可以安排在流动池1224中)。在某些实施方案中，对通过多个超声换能器1226各自产生的声波进行定时(例如彼此异相同步)，以增强作用于加工流1216的空穴形成。
作为另一个例子，虽然已描述了单个流动池1224，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，第二个泵1230使加工流移动至第二个流动池，其中第二个助推器和超声换能器对加工流1216进一步超声处理。
作为另外一个例子，虽然反应器容积1244已描述为闭合容积，但在特定实施方案中，反应器容积1244开放至环境条件。在此类实施方案中，超声处理预处理可以与其他预处理技术基本上同时执行。例如，在电子束同时引入加工流1216内的时候，超声能可以应用于反应器容积1244中的加工流1216。
作为另一个例子，虽然已描述了流动通过过程，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，超声处理可以在分批过程中执行。例如，容积可以用纤维素材料在水中的10％(容重)混合物填充，并且暴露于具有约50W/cm2-约600W/cm2的强度的声音，例如约75W/cm2-约300W/cm2，或约95W/cm2-约200W/cm2。另外地或备选地，容积中的混合物可以超声处理约1小时-约24小时，例如约1.5小时-约12小时，或约2小时-约10小时。在特定实施方案中，使材料超声处理预定时间，并且随后在再次超声处理前允许静置第二个预定时间。
现在参考图13，在某些实施方案中，2个电声换能器与单个悬臂机械耦合。如所示的，一对压电换能器60和62通过分别的中间耦合悬臂70和72与开槽条形悬臂64耦合，后者也被称为助推器悬臂。响应对其应用的高频电能，由换能器提供的机械振动传导给分别的耦合悬臂，这可以构建为提供机械增益，例如1与1.2的比。悬臂提供分别的固定凸缘74和76用于支持在静止外壳中的换能器和悬臂部件。
由换能器通过耦合或助推器悬臂传导的振动与悬臂的输入表面78偶联，并且通过悬臂传导给相对放置的输出表面80，这在操作过程中与应用振动的工作件(未显示)处于强制衔接中。
经由平衡变压器84和分别串联连接的电容器86和90，由电源82提供的高频电能供应给平行电连接的各个换能器，一个电容器用电连接器与换能器各自串联连接。平衡变压器也被称为“不平衡变压器”代表“平衡单元”。平衡变压器包括磁芯92和一对等同线圈94和96，也分别称为初级线圈和次级线圈。
在某些实施方案中，换能器包括商购可得的压电换能器，例如BransonUltrasonicsCorporation型号105或502，各自设计用于在20kHz和3kW的最大限度额定功率下操作。用于提供在换能器的输出表面上的最大限度运动幅度的供能电压是930伏特输出功率(rms)。通过换能器的电流量可以在零和3.5安培之间变动，依赖于负载阻抗。在930伏特输出功率下，输出运动是约20微米。因此在关于相同运动振幅的终端电压中的最大限度差异可以是186伏特。此类电压差异可以引起在换能器之间流动的大循环电流。平衡单元430确保平衡条件，通过提供通过换能器的相等电流量，从而消除循环电流的可能性。线圈的金属丝尺寸必须就上文指出的全负载电流进行选择，并且经过线圈输入出现的最大限度电压是93伏特。
作为使用超声能的备选方法，可以利用高频、转子-定子装置。这种类型的装置产生高剪切、小空穴形成力，这可以使与此类力接触的生物量瓦解。2种商购可得的高频、转子-定子分散装置是由KruppIndustrietechnikGmbH制造且由Dorr-OliverDeutschlandGmbHofConnecticut销售的SupratonTM装置，以及由Ika-Works，Inc.ofCincinnati，Ohio制造和销售的DispaxTM装置。此类小空穴形成装置的操作在Stuart，美国专利号5,370,999中讨论。
虽然超声换能器1226已描述为包括一个或多个压电活性元件以造成超声能，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，超声换能器1226包括由其他类型的磁致伸缩材料(例如铁类金属)制成的活性元件。此类大功率超声换能器的设计和操作在Hansen等人，美国专利号6,624,539中讨论。在某些实施方案中，超声能通过液电系统转移至加工流16。
虽然超声换能器1226已描述为使用磁致伸缩材料的电磁应答以产生超声能，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，使用水下瞬间放电，以强烈冲击波形式的声能可以直接应用于加工流16。在某些实施方案中，超声能通过热液系统转移至加工流16。例如，高能量密度的声波可以通过经过封闭容积的电解质应用功率而产生，从而使封闭容积加热并且产生压力升高，这随后通过声传播介质(例如，加工流1216)传导。此类热液换能器的设计和操作在Hartmann等人，美国专利6,383,152中讨论。
热解
一个或多个热解加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。
再次参考图8中的一般图解，例如通过使第一种材料在管式炉中加热，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素的第一种材料2热解，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。使第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下，同样减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于106微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。热解也可以使第一种和第二种材料灭菌。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(TMN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在热解之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在热解后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在热解后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在热解之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在热解后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以有助于其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，热解在氧化环境中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
在某些实施方案中，材料的热解是连续的。在其他实施方案中，使材料热解预定时间，并且随后在再次热解前允许冷却第二个预定时间。
热解系统
图14显示包括在热解原料预处理系统中的各个步骤的工艺流程图6000。在第一个步骤6010中，从进料来源接受干燥原料的供应。
如上文描述的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给热解室前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，在递送给热解室之前，可以对生物量原料实施机械加工6020(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在机械加工后，原料经历湿度调节步骤6030。湿度调节步骤的性质依赖于机械加工的原料的含湿量。一般地，当原料的含湿量是约10重量％-约30重量％(例如，15％-25％)的原料时，原料的热解最有效地发生。如果原料的含湿量大于约40重量％，那么通过原料的含水量呈现的额外热负荷增加后续热解步骤的能量消耗。
在某些实施方案中，如果原料具有大于约30重量％的含湿量，那么可以掺入具有低含湿量的较干燥的原料材料6220，造成步骤6030中的原料混合物具有在上文讨论的限制内的平均含湿量。在特定实施方案中，通过将原料材料分散在移动传送机上，其使原料通过线内加热单元循环，可以简单地干燥具有高含湿量的原料。加热单元蒸发原料中存在的部分水。
在某些实施方案中，如果来自步骤6020的原料具有太低的含湿量(例如，低于约10重量％)，那么机械加工的原料可以与具有更高含湿量的较湿润的原料材料6230例如污水污泥相组合。备选地或另外地，水6240可以加入来自步骤6020的干燥原料中，以增加其含湿量。
在步骤6040中，目前其含湿量调节至属于合适限制内的原料可以在任选的预热步骤6040中进行预热。预热步骤6040可以用于使制备中原料的温度增加至75℃-150℃用于原料的后续热解。依赖于原料的性质和热解室的具体设计，使原料预热可以确保在原料原料内的热分布在热解过程中保持更均匀，并且可以减少对于热解室的热负荷。
随后将原料转运给热解室以在步骤6050中经历热解。在某些实施方案中，通过将一种或多种增压气体6210加入原料流中辅助原料的转运。气体造成原料转运导管中的压力梯度，将原料推入热解室内(并且甚至通过热解室)。在特定实施方案中，原料的转运机械地发生；即，包括传送机例如螺旋输送机的转运系统将原料转运给热解室。
其他气体6210也可以在热解室之前加入原料中。在某些实施方案中，例如，一种或多种催化剂气体可以加入原料中，以辅助原料在热解过程中的分解。在特定实施方案中，一种或多种清除剂可以加入原料中，以捕获在热解过程中释放的挥发性物质。例如，各种基于硫的化合物例如硫化物可以在热解过程中释放，并且试剂例如氢气可以加入原料中以引起热解产物的脱硫。氢与硫化物相组合以形成硫化氢气体，这可以从经热解的原料中去除。
原料在室内的热解可以包括使原料加热至相对高的温度以引起原料的部分分解。一般地，使原料加热至150℃-1100℃。原料加热至的温度依赖于许多因素，包括原料组成、原料平均粒子大小、含湿量和所需热解产物。对于许多类型的生物量原料，例如，使用300℃-550℃的热解温度。
原料在热解室内的停留时间一般依赖于许多因素，包括热解温度、原料组成、原料平均粒子大小、含湿量和所需热解产物。在某些实施方案中，原料材料在紧超过材料在惰性大气中的分解温度的温度进行热解，例如超过分解温度约2℃-超过约10℃，或超过分解温度约3℃-超过约7℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持大于0.5小时，例如大于1.0小时或大于约2.0小时。在其他实施方案中，材料在大大超过材料在惰性大气中的分解温度的温度进行热解，例如超过分解温度约75℃-超过约175℃，或超过分解温度约85℃-超过约150℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持小于0.5小时，例如小于20分钟、小于10分钟、小于5分钟或小于2分钟。在另外其他的实施方案中，材料在极端温度下进行热解，例如超过材料在惰性环境中的分解温度约200℃-超过约500℃，或超过分解温度约250℃-超过约400℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持小于1分钟，例如小于30秒、小于15秒、小于10秒、小于5秒、小于1秒或小于500ms。此类实施方案一般称为闪热解。
在某些实施方案中，原料在室内相对快速地加热至所选择的热解温度。例如，室可以设计为以500℃/s-11,000℃/s的速率加热原料。关于生物量衍生的原料材料的一般加热速率是例如500℃/s-1000℃/s。
原料材料在热解室内的湍流通常是有利的，因为它确保从加热子系统到原料材料的相对有效的热转移。例如，通过使用一种或多种注入运载气体6210吹动原料材料通过室可以实现湍流。一般而言，即使在热解室中的高温下，运载气体对于原料材料也是相对惰性的。示例性运载气体包括例如氮、氩、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。备选地或另外地，机械转运系统例如螺旋输送机可以使热解室内的原料转运且循环，以造成原料湍流。
在某些实施方案中，原料的热解基本上在不存在氧和其他反应气体的情况下发生。通过用高压氮(例如，在2巴或更多的氮压力下)定期吹洗室，可以从热解室中去除氧。室吹洗后，热解室中存在的气体混合物(例如，在原料的热解过程中)可以包括小于4摩尔％氧(例如小于1摩尔％氧，且甚至小于0.5摩尔％氧)。氧的不存在确保不在升高的热解温度下发生原料的点燃。
在特定实施方案中，相对少量的氧可以引入原料内且在热解过程中存在。这种技术被称为氧化热解。一般地，氧化热解在多个加热阶段中发生。例如，在第一个加热阶段中，原料在氧的存在下加热，以引起原料的部分氧化。这个阶段消耗热解室中可用的氧。随后，在后续加热阶段中，原料温度进一步升高。然而，随着室中的所有氧被消耗，不发生原料燃烧，并且发生原料的无燃烧热解分解(例如，以产生烃产物)。一般而言，在热解室中加热原料以起始分解的过程是吸热的。然而，在氧化热解中，通过原料氧化形成二氧化碳是放热过程。由二氧化碳形成释放的热可以辅助进一步的热解加热阶段，从而减轻由原料呈现的热负荷。
在某些实施方案中，例如热解在惰性环境中发生，而原料材料沐浴在氩或氮气中。在特定实施方案中，热解可以在氧化环境中例如在空气或富氩空气中发生。在某些实施方案中，例如热解可以在还原环境中发生，而原料材料沐浴在氢气中。为了帮助热解，在热解之前或在热解过程中，各种化学试剂例如氧化试剂、还原剂、酸或碱可以加入材料中。例如，可以加入硫酸，或可以加入过氧化物(例如，过氧苯甲酰)。
如上文讨论的，依赖于诸如原料组成和所需热解产物的因素，可以使用多种不同加工条件。例如，对于含纤维素的原料材料，可以采用相对温和的热解条件，包括375℃-450℃的闪热解温度，和小于1秒的停留时间。作为另一个例子，对于有机固体废弃材料例如污水污泥，一般使用500℃-650℃的闪热解温度，和0.5-3秒的停留时间。一般而言，许多热解过程参数，包括停留时间、热解温度、原料湍流、含湿量、原料组成、热解产物组成和附加气体组成，可以通过调节器的系统和自动化控制系统进行自动调节。
在热解步骤6050后，热解产物经历淬灭步骤6250，以在进一步加工过程之前降低产物的温度。一般地，淬灭步骤6250包括用冷却水6260的流喷射热解产物。冷却水也形成包括固体、未溶解的产物材料和各种溶解产物的浆。产物流中还存在的是包括多种气体的混合物，包括产物气体、运载气体和其他类型的过程气体。
产物流经由线内管道转运至气体分离器，其执行气体分离步骤6060，其中产物气体和其他气体与通过淬灭热解产物形成的浆分离。经分离的气体混合物任选导向鼓风机6130，其通过将空气吹入混合物内而增加气体压力。可以对气体混合物实施过滤步骤6140，其中气体混合物经过一个或多个滤器(例如，活性炭滤器)，以去除微粒和其他杂质。在后续步骤6150中，可以使经过滤的气体压缩且贮存用于进一步使用。备选地，可以对经过滤的气体实施进一步加工步骤6160。例如，在某些实施方案中，经过滤的气体可以浓缩，以分离在气体混合物内的不同气态化合物。不同化合物可以包括例如在热解过程中产生的多种烃产物(例如，醇、烷烃、烯烃、炔、醚)。在特定实施方案中，包含烃组分混合物的经过滤的气体可以与蒸汽气体6170(例如，水蒸气和氧的混合物)相组合，并且实施裂化过程以减少烃组分的分子量。
在某些实施方案中，热解室包括热源，其点燃烃气体例如甲烷、丙烷和/或丁烷以加热原料。经分离的气体的部分6270可以回流到热解室内用于燃烧，以产生过程热以维持热解过程。
在特定实施方案中，热解室可以接受可以用于增加原料材料的温度的过程热。例如，用辐射(例如，γ辐射、电子束辐射或其他类型的辐射)照射原料可以使原料材料加热至相对高的温度。经加热的原料材料可以通过热交换系统冷却，所述热交换系统去除来自经照射的原料的某些过剩热。热交换系统可以配置为将某些热能转运给热解室以加热(或预热)原料材料，从而减少关于热解过程的能量成本。
包含液体和固体热解产物的浆可以经历任选的脱水步骤6070，其中过量水可以经由诸如机械压制和蒸发的过程从浆中去除。过量水6280可以过滤且随后回流用于在步骤6250中淬灭热解分解产物中进一步使用。
脱水的浆随后经历机械分离步骤6080，其中固体产物材料6110通过一系列越来越精细的滤器与液体产物材料6090分离。在步骤6100中，液体产物材料6090随后可以浓缩(例如，经由蒸发)以去除废水6190，并且通过诸如萃取的过程纯化。萃取可以包括例如加入一种或多种有机溶剂6180，以使产物例如油与产物例如醇分离。合适的有机溶剂包括例如多种烃和卤代烃。随后可以对经纯化的液体产物6200实施进一步加工步骤。需要时，可以过滤废水6190，并且回流用于在步骤6250中淬灭热解分解产物中进一步使用。
在步骤6080中分离后，任选对固体产物材料6110实施干燥步骤6120，其可以包括水的蒸发。固体材料6110随后可以贮存用于随后使用，或适当时实施进一步加工步骤。
上文讨论的热解过程参数是示例性的。一般而言，这些参数的值可以根据原料和所需产物的性质而广泛改变。此外，可以使用广泛多样的不同热解技术，包括使用热源例如烃火焰和/或炉、红外激光器、微波加热器、感应加热器、电阻加热器以及其他加热装置和配置。
广泛多样的不同热解室可以用于使原料分解。在某些实施方案中，例如，热解原料可以包括使用电阻加热构件例如金属纤丝或金属带加热材料。加热可以通过电阻加热构件和材料之间的直接接触而发生。
在特定实施方案中，热解可以包括通过感应加热材料，例如通过使用居里点热解器。在某些实施方案中，热解可以包括通过应用辐射例如红外线辐射加热材料。辐射可以通过激光器例如红外激光器产生。
在特定实施方案中，热解可以包括用对流热加热材料。对流热可以通过经加热的气体的流动流产生。经加热的气体可以维持在小于约1200℃的温度，例如小于1000℃、小于750℃、小于600℃、小于400℃或甚至小于300℃。经加热的气体可以维持在大于约250℃的温度。对流热可以通过围绕第一种材料的热体例如在炉中产生。
在某些实施方案中，热解可以包括用在超过约250℃的温度下的蒸汽加热材料。
热解室的一个实施方案显示于图15中。室6500包括具有用于废气的通风口6600的绝缘室墙6510，产生热用于热解过程的多个燃烧炉6520，用于转运原料通过室6500的转运输送管6530，用于使原料在湍流中移动通过输送管6530的螺旋输送机6590，和淬灭系统6540，其包括用于移动热解产物的螺旋输送机6610、用于用冷却水喷射热解产物的喷水口6550、和用于使气态产物6580与包含固体和液体产物的浆6570分离的气体分离器。
热解室的另一个实施方案显示于图16中。室6700包括绝缘室墙6710、原料供应输送管6720、斜面内室墙6730、产生热用于热解过程的燃烧炉6740、用于废气的通风口6750、和用于使气态产物6770与液体和固体6780分离的气体分离器6760。室6700配置为以由箭头6790显示的方向旋转，以确保原料在室内的足够混合和湍流。
热解室的一个进一步实施方案显示于图17中。热丝热解器1712包括具有以丝形式的电阻加热元件1714的样品架1713，缠绕通过由样品架1713限定的开放空间。任选地，加热元件可以在轴1715周围转动(如由箭头1716指示的)，以使样品架1713中包括纤维素材料的材料搅乱。由套1719限定的空间1718维持在超过室温的温度，例如200-250℃。在一般使用中，运载气体例如惰性气体或者氧化或还原气体穿过样品架1713，同时电阻加热元件旋转且加热至所需温度，例如325℃。在合适时间例如5-10分钟后，经热解的材料从样品架中排空。图17中所示的系统可以依比例决定且制成连续的。例如，替代作为加热构件的丝，加热构件可以是螺旋钻螺旋。材料可以连续下落到样品架内，冲击使材料热解的经加热的螺旋。与此同时，螺旋可以推动经热解的材料离开样品架，以允许新鲜的未经热解的材料进入。
热解室的另一个实施方案显示于图18中，其特征在于居里点热解器1820，其包括容纳铁磁箔1822的样品室1821。围绕样品室1821的是RF线圈1823。由套1825限定的空间1824维持在超过室温的温度，例如200-250℃。在一般使用中，运载气体穿过样品室1821，而箔1822通过所应用的RF场感应地加热，以在所需温度下使材料热解。
热解室的另外一个实施方案显示于图19中。炉热解器130包括可移动的样品架131和炉132。在一般使用中，样品下降(如由箭头137指示的)进入炉132的热区带135内，而运载气体填充外壳136并且穿过样品架131。使样品加热至所需温度共所需时间，以提供经热解的产物。通过升高样品架从热解器中取出经热解的产物(如由箭头134指示的)。
在特定实施方案中，如图20中所示，纤维素靶140可以通过用激光处理靶进行热解，所述靶容纳在真空室141中，所述激光例如具有约225nm-约1500nm的波长的光。例如，靶可以使用Nd-YAG激光器(SpectraPhysics，GCR170，SanJose，Calif.)的四次谐波在266nm下进行消融。所示光学配置允许使用镜144和145，将由激光器142产生的近单色光143在经过真空室141中的透镜146后导向靶上。一般地，真空室中的压力维持在小于约10-6mmHg下。在某些实施方案中，使用红外线辐射，例如来自Nd-YAG激光器的1.06微米辐射。在此类实施方案中，红外线敏感的染料可以与纤维素材料相组合以产生纤维素靶。红外线染料可以增强纤维素材料的加热。激光消融由Blanchet-Fincher等人在美国专利号5,942,649中描述。
参考图21，在某些实施方案中，在材料容纳于真空室151中的时候，纤维素材料可以通过用所需纤维素材料包被钨丝150，例如5-25mil钨丝进行闪热解。为了影响热解，使电流经过纤丝，这促使纤丝快速加热所需时间。一般地，在允许纤丝冷却前加热继续数秒。在某些实施方案中，加热执行多次以实现所需量的热解。
在特定实施方案中，含碳水化合物的生物量材料可以在不存在氧的情况下在流化床反应器中进行加热。需要时，含碳水化合物的生物量可以具有相对薄的横断面，并且可以包括本文描述的纤维材料中的任何，用于有效热转移。材料可以通过来自热金属或陶瓷(例如反应器中的玻璃珠或沙)的热转移进行加热，并且所得到的热解液体或油可以转运至中央精炼厂用于制造易燃燃料或其他有用产物。
氧化
一个或多个氧化处理顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从生物量中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。
再次参考图8，例如通过在空气或富氧空气的流中在管形炉中加热第一种材料，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)和具有第一个含氧量(TO1)的纤维素的第一种材料2氧化，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)和具有比第一个含氧量(TO1)高的第二个含氧量(TO2)的纤维素。第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)可以例如与树脂例如熔化热塑性树脂或微生物相组合，以提供具有所需机械性质的复合材料4，或燃料5。
此类材料也可以与固体和/或液体相组合。例如，液体可以以溶液的形式，并且固体在形式中可以是微粒。液体和/或固体可以包括微生物例如细菌和/或酶。例如，细菌和/或酶可以对纤维素或木质纤维素材料起作用，以产生燃料例如乙醇、或共同产物例如蛋白质。燃料和共同产物在于2006年6月15日提交的FIBROUSMATERIALSANDCOMPOSITES,”USSN11/453,951中描述。前述申请各自的完整内容通过引用合并入本文。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量低于第一个数量平均分子量不超过97％，例如低于第一个数量平均分子量不超过95％、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、30、20、12.5、10.0、7.5、5.0、4.0、3.0、2.5、2.0或不超过1.0％。分子量减少的量将依赖于应用。
在其中材料用于制备燃料或共同产物的某些实施方案中，起始数量平均分子量(在氧化之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在氧化后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛氧化后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二个含氧量比第一个含氧量高至少约5％，例如高7.5％、高10.0％、高12.5％、高15.0％或高17.5％。在某些优选实施方案中，第二个含氧量比第一种材料的含氧量高至少约20.0％。通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。合适的元素分析仪是具有VTF-900高温热解炉的LECOCHNS-932分析仪。
在某些实施方案中，第一种材料200的氧化不导致纤维素的结晶度中的基本改变。然而，在某些情况下，例如在极度氧化后，第二种材料具有其结晶度(TC2)比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的纤维素。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约5％，例如10、15、20或甚至25％。这可以是增强材料在液体中的可溶性所希望的，所述液体例如包括细菌和/或酶的液体。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在氧化之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在氧化后的结晶度指数是约30-约75.0％，例如约35.0-约70.0％或约37.5-约65.0％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛氧化后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在氧化后的材料是基本上无定形的。
不希望受任何具体理论束缚，认为氧化增加纤维素上的氢键合基团的数目，例如羟基、醛基、酮基、羧酸基团或酐基，这可以增加其分散性和/或其可溶性(例如，在液体中)。为了进一步改善在树脂中的分散性，树脂可以包括包含氢键合基团的组分，例如一个或多个酐基、羧酸基团、羟基、酰胺基、胺基或这些基团中的任何的混合物。在某些优选实施方案中，组分包括与马来酸酐共聚和/或移植的聚合物。此类材料可在商品名下从DuPont获得。
一般地，第一种材料200的氧化在氧化环境中发生。例如，通过在氧化环境中热解可以实现或帮助氧化，例如在空气或富氩空气中。为了帮助氧化，在氧化之前或在氧化过程中，各种化学试剂例如氧化试剂、酸或碱可以加入材料中。例如，在氧化之前可以加入过氧化物(例如，过氧苯甲酰)。
氧化系统
图22显示包括在氧化原料预处理系统中的各个步骤的工艺流程图5000。在第一个步骤5010中，从进料来源接受干燥原料的供应。进料来源可以包括例如贮存床或容器，其经由传送带或另一种原料转运装置与线内氧化反应器连接。
如上文讨论的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给氧化反应器前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，在递送给氧化反应器之前，可以对生物量原料实施机械加工(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在机械加工5020后，将原料5030转运给混合系统，其在机械混合过程中将水5150引入原料内。在混合步骤5040中使水与经加工的原料相组合造成含水原料浆5050，这随后可以用一种或多种氧化试剂进行处理。
一般地，对于每0.02kg-1.0kg干燥原料，将一升水加入混合物中。在混合物中原料与水的比依赖于原料的来源和在全过程中进一步下游使用的具体氧化试剂。例如，在用于木质纤维素生物量的一般工业加工顺序中，含水原料浆5050包括约0.5kg-约1.0kg干燥生物量/升水。
在某些实施方案中，一种或多种纤维保护添加剂5170也可以在原料混合步骤5040中加入原料浆中。纤维保护添加剂帮助减少在原料氧化的过程中特定类型的生物量纤维(例如，纤维素纤维)的降解。例如，如果来自加工木质纤维素原料的所需产物包括纤维素纤维，那么可以使用纤维保护添加剂。示例性纤维保护添加剂包括镁化合物，例如氢氧化镁。例如，原料浆5050中纤维保护添加剂的浓度可以是0.1％-0.4％生物量原料的干重。
在特定实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的用有机溶剂萃取5180，以从浆中去除水不溶性物质。例如，用一种或多种有机溶剂萃取浆5050得到经纯化的浆和有机废物流5210，其包括水不溶性材料例如脂肪、油和其他非极性、基于烃的物质。用于执行浆5050萃取的合适溶剂包括例如多种醇、烃、和卤代烃。
在某些实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的热处理5190，以进一步制备原料用于氧化。热处理的例子包括在增压蒸汽的存在下加热原料浆。在纤维生物量原料中，增压蒸汽使纤维膨胀，使较大部分的纤维表面暴露于在后续加工步骤中引入的含水溶剂和氧化试剂。
在特定实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的用碱性试剂5200处理。用一种或多种碱性试剂处理可以帮助使木质纤维素生物量原料中的木质素与纤维素分离，从而改善原料的后续氧化。示例性碱性试剂包括碱和碱土氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙。一般而言，可以使用多种碱性试剂，一般以约0.01％-约0.5％原料干重的浓度。
将含水原料浆5050转运(例如，通过线内管道系统)至室，这可以是氧化预加工室或氧化反应器。在氧化预加工步骤5060中，将一种或多种氧化试剂5160加入原料浆5050中，以形成氧化介质。在某些实施方案中，例如，氧化试剂5160可以包括过氧化氢。过氧化氢可以作为水溶液加入浆5050中，并且以3重量％-30重量％和35重量％浆5050的比例。过氧化氢作为氧化试剂具有许多优点。例如，过氧化氢水溶液是相对廉价的，是相对化学稳定的，并且相对于其他氧化试剂不是特别危险的(并且因此不需要麻烦的处理操作和昂贵的安全设备)。此外，过氧化氢在原料氧化的过程中分解以形成水，从而使得废物流清除相对简单和廉价。
在特定实施方案中，氧化试剂5160可以包括单独或与过氧化氢组合的氧(例如，氧气)。氧气可以以0.5重量％-10重量％浆5050的比例起泡到浆5050内。备选地或另外地，氧气还可以与浆5050平衡引入气相内(例如在浆5050上的蒸气头)。氧气可以引入氧化预加工室或氧化反应器(或两者)内，依赖于氧化加工系统的配置。一般地，例如在浆5050上的蒸气中的氧分压大于氧的环境压力，并且范围是0.5巴-35巴，依赖于原料的性质。
氧气可以以纯形式引入，或可以与一种或多种运载气体相混合。例如，在某些实施方案中，高压空气提供在蒸气中的氧。在特定实施方案中，氧气可以连续供应给蒸气相，以确保蒸气中的氧浓度在原料加工的过程中保持在特定预定限制内。在某些实施方案中，氧气可以最初以足够浓度引入以氧化原料，并且随后原料可以转运给闭合的增压器皿(例如氧化反应器)用于加工。
在特定实施方案中，氧化试剂5160可以包括新生态氧(例如，氧自由基)。一般地，根据需要在氧化反应器中或在与氧化反应器流动联系的室中，通过一种或多种分解反应产生新生态氧。例如，在某些实施方案中，可以在气体混合物中或在溶液中由NO和O2之间的反应产生新生态氧。在特定实施方案中，新生态氧可以由HOCl在溶液中的分解产生。通过其可以产生新生态氧的其他方法包括例如经由在电解质溶液中的电化学发生。
一般而言，由于氧自由基的相对高反应性，新生态氧是有效氧化试剂。然而，新生态氧也可以是相对选择性的氧化试剂。例如，当木质纤维素原料用新生态氧处理时，木质素的选择性氧化比原料的其他组分例如纤维素优先发生。因此，用新生态氧的原料氧化提供用于选择性去除特定原料中的木质素级分的方法。一般地，约0.5％-5％原料干重的新生态氧浓度用于实现有效氧化。
不希望受理论束缚，认为新生态氧根据至少2种不同机制与木质纤维素原料反应。在第一种机制中，新生态氧经历与木质素的加成反应，导致木质素的部分氧化，这使水溶液中的木质素增溶。因此，经增溶的木质素可以经由洗涤从原料的其余部分中去除。在第二种机制中，新生态氧破裂丁烷交联和/或打开经由丁烷交联连接的芳环。因此，木质素在水溶液中的可溶性增加，促进木质素级分经由洗涤与原料的其余部分分离。
在某些实施方案中，氧化试剂5160包括臭氧(O3)。臭氧的使用可以在氧化加工顺序中引入几种化学处理考虑。如果加热太剧烈，那么臭氧的水溶液可以猛烈分解，对于人系统操作员和系统设备具有潜在不利的后果。因此，臭氧一般在与包含原料浆的器皿分离的隔热的厚壁器皿中产生，并且在合适加工阶段时转运至其。
不希望受理论束缚，认为臭氧分解成氧和氧自由基，并且氧自由基(例如，新生态氧)负责以上文讨论方式的臭氧的氧化性质。臭氧一般优先氧化木质纤维素材料中的木质素级分，留下纤维素级分相对不受干扰。
用于基于臭氧的生物量原料氧化的条件一般依赖于生物量的性质。例如，对于纤维素和/或木质纤维素原料，干燥原料的0.1g/m3-20g/m3臭氧浓度提供有效的原料氧化。一般地，在浆5050中的含水量是10重量％-80重量％(例如，40重量％-60重量％)。在基于臭氧的氧化过程中，浆5050的温度可以维持在0℃-100℃，以避免臭氧的猛烈分解。
在某些实施方案中，原料浆5050可以用碱性水溶液处理，其包括一种或多种碱和碱土氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙，并且随后其后在氧化反应器中用含臭氧的气体处理。已观察到这个过程显著增加在浆5050中的生物量分解。一般地，例如在碱性溶液中氢氧化物离子的浓度是0.001重量％-10重量％的浆5050。在原料已经由与碱性溶液接触后润湿后，将含臭氧的气体引入氧化反应器中，在其中它与原料相接触且使原料氧化。
氧化试剂5160还可以包括其他物质。在某些实施方案中，例如，基于卤素的氧化试剂例如氯和氯氧化物试剂(例如次氯酸盐)可以引入浆5050内。在特定实施方案中，含氮的氧化物质可以引入浆5050内。示例性含氮的氧化物质包括例如NO和NO2。含氮的试剂也可以在浆5050中与氧相组合，以造成另外的氧化试剂。例如，NO和NO2都与浆5050中的氧相组合，以形成硝酸盐化合物，其是用于生物量原料的有效氧化试剂。在某些实施方案中，基于卤素和基于氮的氧化试剂可以引起生物量原料的漂白，依赖于原料的性质。漂白对于在随后加工步骤中萃取的特定生物量衍生的产物是所希望的。
其他氧化试剂可以包括例如多种过酸、过氧乙酸、过硫酸盐、过碳酸盐、高锰酸盐、四氧化锇和氧化铬。
在氧化预加工步骤5060后，原料浆5050在步骤5070中进行氧化。如果将氧化试剂5160加入氧化反应器中的浆5050中，那么氧化在相同反应器中进行。备选地，如果将氧化试剂5160加入预加工室中的浆5050中，那么浆5050经由线内管道系统转运给氧化反应器。在氧化反应器内后，生物量原料的氧化在一组受控环境条件下进行。一般地，例如氧化反应器是接近于外部环境且增压的圆柱状器皿。分批和连续操作都是可能的，尽管环境条件一般在线内分批加工操作中更易于控制。
原料浆5050的氧化一般在氧化反应器中在升高的温度发生。例如，浆5050在氧化反应器中的温度一般维持超过100℃，在120℃-240℃范围中。对于许多类型的生物量原料，如果浆5050的温度维持在150℃-220℃，那么氧化是特别有效的。浆5050可以使用多种热转移装置进行加热。例如，在某些实施方案中，氧化反应器接触包括油或熔盐的加热浴。在特定实施方案中，一系列热交换管围绕且接触氧化反应器，并且热流体在管内的循环加热反应器中的浆5050。可以用于加热浆5050的其他加热装置包括例如电阻加热元件、感应加热器和微波来源。
可以根据需要改变原料浆5050在氧化反应器中的停留时间以加工原料。一般地，浆5050花费1分钟-60分钟在反应器中经历氧化。对于相对柔软的生物量材料，例如木质纤维素物质，在氧化反应器中的停留时间可以可以是5分钟-30分钟，例如在反应器中在3-12巴的氧压力下，且在160℃-210℃的浆温度下。然而，对于其他类型的原料，在氧化反应器中的停留时间可以更长，例如长达48小时。为了测定浆5050在氧化反应器中的合适停留时间，可以以特定间隔从反应器中提取浆的等分试样，并且分析以测定目的特定产物例如复合糖的浓度。关于浆5050中的特定产物浓度根据时间增加的信息可以用于测定关于特定种类的原料材料的停留时间。
在某些实施方案中，在原料浆5050氧化的过程中，浆pH的调节可以通过将一种或多种化学试剂引入氧化反应器内执行。例如，在特定实施方案中，氧化在约9-11的pH范围中最有效地发生。为了使pH维持在这个范围中，试剂例如碱和碱土氢氧化物、碳酸盐、铵和碱性缓冲溶液可以引入氧化反应器内。
在氧化过程中浆5050的循环可以是重要的，以确保氧化试剂5160和原料之间的充分接触。浆的循环可以使用各种技术来实现。例如，在某些实施方案中，包括叶轮片或桨轮的机械搅拌器可以在氧化反应器中实现。在特定实施方案中，氧化反应器可以是环式反应器，其中原料悬浮于其中的含水溶剂从反应器的底部同时排出并且经由管道回流到反应器顶部，从而确保浆连续再混合且在反应器内不停滞。
在原料的氧化完成后，将浆转运给在其中发生机械分离步骤5080的分离仪器。一般地，机械分离步骤5080包括浆越来越精细过滤的一个或多个阶段，以使固体和液体组成成分机械地分离。
使液相5090与固相5100分离，并且其后2个相独立地加工。固相5100可以任选经历例如在干燥仪器中的干燥步骤5120。干燥步骤5120可以包括例如将固体材料机械地分散在干燥表面上，并且通过使固体材料轻轻加热蒸发来自固相5100的水。在干燥步骤5120后(或备选地，不经历干燥步骤5120)，转运固相5100用于进一步加工步骤5140。
液相5090可以任选经历干燥步骤5110以减少液相中的水浓度。在某些实施方案中，例如，干燥步骤5110可以包括通过使液体轻轻加热蒸发和/或蒸馏和/或提取来自液相5090的水。备选地或另外地，一种或多种化学干燥剂可以用于去除来自液相5090的水。在干燥步骤5110后(或备选地，不经历干燥步骤5110)，转运液相5090用于进一步加工步骤5130，这可以包括多种化学和生物处理步骤，例如化学和/或酶促水解。
干燥步骤5110造成废物流5220，可以包括以相对低浓度溶解的化学试剂例如酸和碱的水溶液。废物流5220的处理可以包括例如用一种或多种矿物酸或碱的pH中和。依赖于废物流5220中的溶解盐浓度，溶液可以部分去离子化(例如，通过使废物流经过离子交换系统)。随后，主要包括水的废物流可以回流到全过程内(例如，作为水5150)，转向另一个过程，或排放。
一般地，对于在分离步骤5070后的木质纤维素生物量原料，液相5090包括多种可溶性多糖和寡糖，其随后可以经由进一步加工步骤分离和/或还原成较小链的糖。固相5100一般主要包括纤维素，例如具有较少量的半纤维素和木质素衍生产物。
在某些实施方案中，氧化可以在反应器例如热解室中在升高的温度执行。例如，再次参考图17，原料材料可以在热丝热解器1712中氧化。在一般使用中，氧化运载气体例如空气或空气/氩掺和物穿过样品架1713，而电阻加热元件旋转且加热至所需温度，例如325℃。在合适时间例如5-10分钟后，经氧化的材料从样品架中排空。图17中所示的系统可以依比例决定且制成连续的。例如，替代作为加热构件的丝，加热构件可以是螺旋钻螺旋。材料可以连续下落到样品架内，冲击使材料热解的经加热的螺旋。与此同时，螺旋可以推动经氧化的材料离开样品架，以允许新鲜的未经氧化的材料进入。
原料材料还可以在图18-20中所示的热解系统的任何中并且如上文在热解系统部分中所述进行氧化。
再次参考图21，在材料容纳于真空室151中的时候，原料材料可以通过用所需纤维素材料包被钨丝150连同氧化试剂例如过氧化物进行快速氧化。为了影响氧化，使电流经过纤丝，这促使纤丝快速加热所需时间。一般地，在允许纤丝冷却前加热继续数秒。在某些实施方案中，加热执行多次以实现所需量的氧化。
再次参考图12，在某些实施方案中，原料材料可以借助于声音和/或空穴形成进行氧化。一般地，为了实现氧化，使材料在氧化环境中进行超声处理，例如用氧或另一种化学氧化试剂例如过氧化氢饱和的水。
再次参考图9和10，在特定实施方案中，电离辐射用于帮助原料材料的氧化。一般地，为了实现氧化，使材料在氧化环境例如空气或氧中进行照射。例如，γ辐射和/或电子束辐射可以用于照射材料。
其他加工处理
蒸汽爆炸可以不连同本文描述的过程中的任何单独使用，或与本文描述的过程中的任何组合使用。
图23显示通过包括剪切和蒸汽爆炸以产生纤维材料401的方法，将纤维来源400转变成产物450例如乙醇的整个方法的概述，所述纤维材料401随后进行水解且转变，例如发酵以产生产物。纤维来源可以通过许多可能方法转化成纤维材料401，包括至少一个剪切过程和至少一个蒸汽爆炸过程。
例如，一个选项包括剪切纤维来源，随后为任选的一个或多个筛选步骤和任选的一个或多个另外剪切步骤，以产生经剪切的纤维来源402，这随后可以进行蒸汽爆炸以产生纤维材料401。蒸汽爆炸过程任选随后为纤维回收过程，以去除起因于蒸汽爆炸过程的液体或“液剂”404。通过任选的一个或多个另外剪切步骤和/或任选的一个或多个筛选步骤，可以进一步剪切起因于使经剪切的纤维来源蒸汽爆炸的材料。
在另一种方法中，首先使纤维材料401蒸汽爆炸，以产生蒸汽爆炸的纤维来源410。随后对所得到的蒸汽爆炸的纤维来源实施任选的纤维回收过程，以去除液体或液剂。所得到的蒸汽爆炸的纤维来源随后可以进行剪切，以产生纤维材料。还可以对蒸汽爆炸的纤维来源实施一个或多个任选的筛选步骤和/或一个或多个任选的另外剪切步骤。下文将进一步讨论使纤维来源剪切和蒸汽爆炸以产生经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的加工处理。
在剪切或蒸汽爆炸之前，纤维来源可以切割成五彩纸屑材料的小片或小条。剪切加工过程可以伴随以干燥状态(例如，具有小于0.25重量％的吸收水)、水合状态的材料或甚至在材料部分或全部没入液体例如水或异丙醇中时发生。该过程还可以最佳地包括在蒸汽爆炸或剪切后使输出干燥的步骤，以允许干燥剪切或蒸汽爆炸的另外步骤。剪切、筛选和蒸汽爆炸的步骤可以连同或不连同各种化学溶液的存在而发生。
在蒸汽爆炸过程中，在高压下使纤维来源或经剪切的纤维来源与蒸汽相接触，并且蒸汽扩散到纤维来源的结构(例如，木质纤维素结构)内。蒸汽随后在高压下液化，从而使纤维来源“润湿”。纤维来源中的水分可以水解纤维来源中的任何乙酰基(例如，半纤维素馏分中的乙酰基)，形成有机酸例如乙酸和糖醛酸。酸依次可以催化半纤维素的解聚，释放木聚糖和有限量的葡聚糖。随后当压力释放时，“湿”纤维来源(或经剪切的纤维来源等)“爆炸”。由于压力中的突然下降，经液化的水分即时蒸发，并且水蒸气的爆炸对纤维来源(或经剪切的纤维来源等)施加剪切力。足够的剪切力将引起纤维来源的内部结构(例如，木质纤维素结构)的机械断裂。
经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料随后转变成有用产物例如乙醇。在某些实施方案中，使纤维材料转变成燃料。转变纤维材料的一种方法是通过水解以产生可发酵糖412，其随后发酵以产生产物。还可以使用使纤维材料转变成燃料的其他已知和未知方法。
在某些实施方案中，在组合微生物之前，使经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料401灭菌，以杀死可以在纤维材料上的任何竞争性微生物。例如，通过使纤维材料暴露于辐射例如红外线辐射、紫外线辐射或电离辐射例如γ辐射，可以使纤维材料灭菌。使用化学灭菌剂例如漂白剂(例如次氯酸钠)、氯己定或环氧乙烷，也可以杀死微生物。
水解经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的一种方法是通过使用纤维素酶。纤维素酶是协同作用以水解纤维素的一组酶。还可以使用商购可得的1000酶复合物，其包含使木质纤维素生物量还原成可发酵糖的酶的复合物。
根据目前理解，纤维素酶的组分包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶(纤维二糖水解酶)和b-葡糖苷酶(纤维二糖酶)。当通过2种或更多种组分的组合的水解超过由个别组分表达的活性总和时，存在纤维素酶组分之间的协同。纤维素酶系统(特别是长枝木霉(T.longibrachiatum))对于微晶纤维素的一般公认机制是：内切葡聚糖酶水解无定形区域的内部β-1,4-糖苷键，从而增加暴露的非还原端的数目。外切葡聚糖酶随后从非还原端切割掉纤维二糖单位，其进而被b-葡糖苷酶水解成单个葡萄糖单位。存在在立体特异性中不同的内切和外切葡聚糖酶的几种构型。一般而言，组分在多种构型中的协同作用是最佳纤维素水解所需的。然而，纤维素酶更倾向于水解纤维素的无定形区域。存在结晶度和水解速率之间的线性关系，由此更高的结晶度指数与更低的酶水解速率相对应。纤维素的无定形区域以结晶区域速率的2倍进行水解。通过任何水解生物量加工过程可以执行经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解。
生物量的蒸汽爆炸有时引起副产物例如毒物的形成，其对于微生物和酶促活性是抑制性的。因此，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料转变成燃料的过程可以任选包括在发酵前的加灰过量步骤，以沉淀某些毒物。例如，通过加入氢氧化钙(Ca(OH)2)，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的pH可以升高至超过pH10，随后为通过加入H2SO4使pH降低至约5的步骤。加灰过量的纤维材料随后可以像这样使用，无需去除沉淀物。如图23中所示，任选的加灰过量步骤紧在经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解步骤前发生，但也考虑在水解步骤后和在发酵步骤前执行加灰过量步骤。
图24描绘了蒸汽爆炸仪器460的例子。蒸汽爆炸仪器460包括反应室462，其中通过纤维来源进口464放置纤维来源和/或纤维材料。关闭纤维来源进口阀465使反应室密封。反应室进一步包括增压进汽口466，其包括蒸汽阀467。反应室进一步包括爆炸降压排出口468，其包括通过连接管472与旋风分离器470联系的排出阀469。反应室包括纤维来源和/或经剪切的纤维来源且通过关闭阀465、467和469进行密封后，通过打开进汽阀467将蒸汽递送到反应室462内，允许蒸汽运送通过进汽口466。反应室达到靶温度后，这可以花费约20-60秒，保持时间开始。反应室在靶温度下保持所需保持时间，这一般持续约10秒-5分钟。在保持时间段结束时，打开排出阀以允许爆炸降压发生。爆炸降压过程推动反应室462的内容物离开爆炸降压排出口468，通过连接管472，并且进入旋风分离器470内。蒸汽爆炸的纤维来源或纤维材料随后离开旋风分离器，以污泥形式进入收集箱474内，同时许多其余蒸汽离开旋风分离器通过通风口476进入大气内。蒸汽爆炸仪器进一步包括洗涤排出口478，具有与连接管472联系的洗涤排出阀479。洗涤排出阀479在使用蒸汽爆炸仪器460用于蒸汽爆炸的过程中关闭，但在反应室462洗涤的过程中打开。
反应室462的靶温度优选为180-240摄氏度或200-220摄氏度。保持时间优选为10秒-30分钟，或30秒-10分钟，或1分钟-5分钟。
因为蒸汽爆炸过程导致蒸汽爆炸的纤维材料的污泥，所以蒸汽爆炸的纤维材料可以任选包括纤维回收过程，其中使“液剂”与蒸汽爆炸的纤维材料分离。这个纤维回收步骤是有帮助的，因为它使得进一步剪切和/或筛选过程成为可能，并且可以允许纤维材料转变成燃料。纤维回收过程通过使用网眼布发生，以使纤维与液剂分离。还可以包括进一步干燥过程，以制备纤维材料或蒸汽爆炸的纤维材料用于后续加工。
经组合的照射、热解、超声处理和/或氧化装置
在某些实施方案中，使2种或更多种分开的照射、超声处理、热解和/或氧化装置组合到单个混合机器内可以是有利的。使用此类混合机器，多重过程可以紧密并列或甚至同时执行，具有增加预处理流通量和潜在成本节省的利益。
例如，考虑电子束照射和超声处理过程。每个分开过程在使纤维素材料的平均分子量降低一个或多个数量级方面是有效的，并且当顺次执行时降低数个数量级。
照射和超声处理过程可以使用如图25中所示的混合电子束/超声处理装置进行应用。混合电子束/超声处理装置2500在上面描绘了在含水氧化试剂介质中分散的纤维素材料2550浆的浅池(深度～3-5cm)，所述含水氧化试剂介质例如过氧化氢或过氧化脲。混合装置2500具有能源2510，其给电子束发射器2540和超声处理悬臂2530提供动力。
电子束发射器2540产生电子束，其经过电子束瞄准装置2545以冲击包含纤维素材料的浆2550。电子束瞄准装置可以是以与浆2550表面大致平行的方向扫掠在高达约6英尺范围内的束的扫描仪。
在电子束发射器2540的任一侧上是超声处理悬臂2530，其将超声波能量递送给浆2550。超声处理悬臂2530以与浆2550接触的可拆卸终端片2535结束。
超声处理悬臂2530处于由于长期残留暴露于电子束辐射而损害的危险中。因此，悬臂可以用例如由铅或含重金属的合金例如利波维茨(Lipowitz)金属制成的标准屏蔽2520加以保护，所述标准屏蔽对于电子束辐射是不能透过的。然而，必须采取措施以确保超声能不受屏蔽存在的影响。由相同材料构成且与悬臂2530附着的可拆卸终端片2535在加工过程中与纤维素材料2550接触，并且预期将被损害。因此，可拆卸终端片2535构建为可容易替换的。
此类同时电子束和超声过程的进一步利益是2个过程具有互补结果。对于单独的电子束照射，不足够的剂量可以导致纤维素材料中的某些聚合物交联，这降低总体解聚过程的效率。较低剂量的电子束照射和/或超声辐射也可以用于达到与使用电子束照射和超声处理分开达到的那种相似程度的解聚。电子束装置还可以与一种或多种高频转子定子装置相组合，其可以用作超声处理装置的备选方案。
装置的更多组合也是可能的。例如，产生由例如60Co丸剂发出的γ辐射的电离辐射装置可以与电子束来源和/或超声波来源相组合。屏蔽需求在这种情况下可能更严格。
用于预处理上文讨论的生物量的辐射装置也可以与执行一种或多种热解加工顺序的一种或多种装置相组合。此类组合再次可以具有更高流通量的优点。然而，必须十分小心，因为在某些辐射过程和热解之间可以存在相冲突的需求。例如，超声辐射装置可以要求原料浸入液体氧化介质中。另一方面，如先前讨论的，经历热解的原料样品具有特定含湿量是有利的。在这种情况下，新系统自动测量且监控特定含湿量且调节其。此外，上述装置中的某些或全部，特别是热解装置，可以与如先前讨论的氧化装置相组合。
初级加工过程
发酵
一般地，通过在预处理的生物量材料上操作，例如使经处理的生物量材料发酵，多种微生物可以产生许多有用产物例如乙醇。例如，发酵或其他过程可以产生醇、有机酸、烃、氢、蛋白质或这些材料中的任何的混合物。
微生物可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。当生物相容时，可以利用生物的混合物。
为了帮助断裂包括纤维素的材料，可以利用一种或多种酶，例如纤维素分解酶。在某些实施方案中，包括纤维素的材料首先用酶进行处理，例如通过使材料和酶在水溶液中相组合。这种材料随后可以与生物素相组合。在其他实施方案中，包括纤维素的材料、一种或多种酶和微生物可以同时相组合，例如通过在水溶液中相组合。
此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，材料可以在照射后用热、化学药品(例如，矿物酸、碱或强氧化试剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。
在发酵过程中，通过发酵微生物例如酵母，使由分解纤维素的水解或糖化步骤释放的糖发酵成例如乙醇。合适的发酵微生物具有将碳水化合物(例如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)转变成发酵产物的能力。发酵微生物包括酵母属物种(Sacchromycesspp.)，例如酿酒酵母(Sacchromycescerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomycesdistaticus)和葡萄汁酵母(Saccharomycesuvarum)；克鲁维酵母属(Kluyveromyces)，例如物种马克思克鲁维酵母(Kluyveromycesmarxianus)和脆壁克鲁维酵母(Kluyveromycesfragilis)；假丝酵母属(Candida)，例如假热带假丝酵母(Candidapseudotropicalis)和芸苔假丝酵母(Candidabrassicae)；树干毕赤酵母(Pichiastipitis)(Candidashehatae的近亲；棒孢酵母属(Clavispora)，例如物种葡萄牙棒孢(Clavisporalusitaniae)和Clavisporaopuntiae；管囊酵母属(Pachysolen)，例如物种嗜鞣管囊酵母(Pachysolentannophilus)；酒香酵母属(Bretannomyces)，例如物种克劳森酒香酵母(Bretannomycesclausenii)的菌株(Philippidis，G.P.,1996，“CelluloseBioconversionTechnology”，inHandbookonBioethanol：ProductionandUtilization，Wyman，C.E.,编辑，Taylor&Francis，Washington，DC,179-212)。
商购可得的酵母包括例如Red/LesaffreEthanolRed(可从RedStar/Lesaffre，美国获得)，(可从Fleischmann’sYeast，BurnsPhilipFoodInc.的分部，美国获得)，(可从Alltech获得)，GERT(可从GertStrandAB，瑞典获得)，和(可从DSMSpecialties获得)。
可以使生物量发酵成乙醇和其他产物的细菌包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)和热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)(Philippidis，1996，同上)。Leschine等人(InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology2002，52，1155-1160)分离了来自森林土壤的厌氧、嗜温、分解微生物的细菌，Clostridiumphytofermentanssp.nov.，其使纤维素转变为乙醇。
生物量至乙醇和其他产物的发酵可以使用特定类型的嗜热或遗传改造的微生物来执行，例如嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)物种，包括T.mathranii，和酵母物种例如毕赤酵母属物种。T.mathranii菌株的例子是在Sonne-Hansen等人(AppliedMicrobiologyandBiotechnology1993，38，537-541)或Ahring等人(Arch.Microbiol.1997，168，114-119)中描述的A3M4。
酵母和发酵单胞菌属(Zymomonas)细菌可以用于发酵或转变。关于酵母的最佳pH是约pH4-5，而关于发酵单胞菌属的最佳pH是约pH5-6。一般发酵时间是在26℃-40℃下约24-96小时，然而，嗜热微生物更喜欢较高的温度。
在糖化过程中使生物量例如纤维素断裂为较低分子量含碳水化合物的材料例如葡萄糖的酶被称为纤维素分解酶或纤维素酶。这些酶可以是协同作用以降解微晶纤维素的酶的复合物。纤维素分解酶的例子包括：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡糖苷酶)。纤维素底物最初通过内切葡聚糖酶在随机位置上水解，产生寡聚中间产物。这些中间产物随后是关于外切型葡聚糖酶例如纤维二糖水解酶的底物，以从纤维素聚合物的末端产生纤维二糖。纤维二糖是水溶性β-1,4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶切割纤维二糖以产生葡萄糖。
纤维素酶能够降解生物量且可以具有真菌或细菌起源。合适的酶包括来自芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、腐质霉属(Humicola)、镰刀菌属(Fusarium)、梭孢壳属(Thielavia)、枝顶孢属(Acremonium)、金孢属(Chrysosporium)和木霉属(Trichoderma)，并且包括腐质霉属、鬼伞属(Coprinus)、梭孢壳属、镰刀菌属、毁丝霉属(Myceliophthora)、枝顶孢属、头孢霉属(Cephalosporium)、柱霉属(Scytalidium)、青霉属(Penicillium)或曲霉菌属(Aspergillus)(参见例如EP458162)的物种，特别是由选自下述物种的菌株产生的那些：特异腐质霉(Humicolainsolens)(再分类为嗜热革节孢(Scytalidiumthermophilum)，参见例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinuscinereus)、尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum)、嗜热毁丝菌(Myceliophthorathermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilusgiganteus)、太瑞斯梭壳孢霉(Thielaviaterrestris)、枝顶孢属物种、桃色顶孢霉(Acremoniumpersicinum)、Acremoniumacremonium、Acremoniumbrachypenium、Acremoniumdichromosporum、Acremoniumobclavatum、Acremoniumpinkertoniae、灰粉顶孢霉(Acremoniumroseogriseum)、Acremoniumincoloratum和棕色枝顶孢(Acremoniumfuratum)；优选来自物种特异腐质霉DSM1800、尖孢镰刀菌DSM2672、嗜热毁丝菌CBS117.65、头孢霉属物种RYM-202、枝顶孢属物种CBS478.94、枝顶孢属物种CBS265.95、桃色顶孢CBS169.65、AcremoniumacremoniumAHU9519、头孢霉属物种CBS535.71、AcremoniumbrachypeniumCBS866.73，AcremoniumdichromosporumCBS683.73、AcremoniumobclavatumCBS311.74、AcremoniumpinkertoniaeCBS157.70，灰粉顶孢霉(Acremoniumroseogriseum)CBS134.56，AcremoniumincoloratumCBS146.62和棕色枝顶孢CBS299.70H。纤维素分解酶还可以得自金孢属，优选Chrysosporiumlucknowense的菌株。此外，可以使用木霉特别是绿色木霉(Trichodermaviride)、里氏木霉(Trichodermareesei)和康氏木霉(Trichodermakoningii))、嗜碱芽孢杆菌(参见例如，美国专利号3,844,890和EP458162)和链霉菌属(Streptomyces)(参见例如，EP458162)。细菌Saccharophagusdegradans产生能够降解一系列纤维素材料的酶的混合物，并且也可以在这个过程中使用。
厌氧分解纤维素的细菌也已从土壤中分离，例如梭菌属(Clostiridium)的新型分解纤维素的物种，Clostridiumphytofermentanssp.nov.(参见Leschine等人，InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology(2002)，52，1155-1160)。
还可以使用使用重组技术的纤维素分解酶(参见例如，WO2007/071818和WO2006/110891)。
所使用的纤维素分解酶可以使用本领域已知的操作(参见例如，Bennett，J.W.和LaSure，L.(编辑)，MoreGeneManipulationsinFungi，AcademicPress，CA1991)通过使上述微生物菌株在包含合适碳和氮源以及无机盐的营养培养基上发酵来产生。合适的培养基可从商业供应商获得，或可以根据公布的组成(例如，在美国典型培养物中心的目录中)进行制备。适合于生长和纤维素酶产生的温度范围和其他条件是本领域已知的(参见例如，Bailey，J.E.和Ollis，D.F.，BiochemicalEngineeringFundamentals，McGraw-HillBookCompany，NY，1986)。
用纤维素酶处理纤维素通常在30℃-65℃下进行。纤维素酶在约pH3-7的范围内是活性的。糖化步骤可以持续多至120小时。纤维素酶用量达到足够高水平的纤维素转变。例如，合适的纤维素酶用量一般是5.0-50FilterPaperUnits(FPU或IU)/克纤维素。FPU是标准测量且根据Ghose(1987，PureandAppl.Chem.59:257-268)定义且测量。
可以利用移动发酵罐，如美国临时专利申请序列60/832,735，现在的公开国际申请号WO2008/011598中所述。
气化
除使用热解用于原料预处理外，热解还可以用于加工经预处理的原料以提取有用材料。特别地，称为气化的热解形式可以用于产生气体燃料连同多种其他气体、液体和固体产物。为了执行气化，将经预处理的原料引入热解室内，并且加热至高温，一般是700℃或更高。所使用的温度依赖于许多因素，包括原料的性质和所需产物。
还将大量氧(例如作为纯氧气和/或作为空气)和蒸汽(例如，过热蒸汽)加入热解室内以促进气化。这些化合物在多步反应中与含碳的原料材料反应，以产生称为合成气体(或“合成气”)的气体混合物。基本上，在气化过程中，将有限量的氧引入热解室内，以允许某些原料材料燃烧以形成一氧化碳且产生过程热。过程热随后可以用于促进二次反应，其使另外的原料材料转变为氢和一氧化碳。
在总反应的第一个步骤中，加热原料材料产生炭，其可以包括广泛多样不同的基于烃的种类。可以产生特定挥发性材料(例如，特定气态烃材料)，导致原料材料总重量的减少。随后，在反应的第二个步骤中，在第一个步骤中产生的某些挥发性材料在燃烧反应中与氧反应，以产生一氧化碳和二氧化碳。燃烧反应释放热，这促进反应的第三个步骤。在第三个步骤中，二氧化碳和蒸汽(例如，水)与第一个步骤中产生的炭反应，以形成一氧化碳和氢气。一氧化碳还可以在水气变换反应中与蒸汽反应，以形成二氧化碳和更多的氢气。
例如，气化可以用作初级加工过程以直接从经预处理的原料产生产物用于后续转运和/或销售。备选地或另外地，气化可以用作辅助加工过程用于产生用于总体加工系统的燃料。例如，可以点燃经由气化加工过程产生的富氢合成气以产生电和/或过程热，其可以直接用于在加工系统中的其他位置处使用。因此，总体加工系统可以至少部分自我维持。许多其他产物包括热解油和基于气态烃的物质，也可以在气化过程中和/或在气化后获得；这些可以根据需要进行分离且贮存或转运。
多种不同热解室适合于经预处理的原料的气化，包括本文公开的热解室。特别地，其中经预处理的原料在蒸汽和氧/空气中进行流态化的流化床反应器系统，提供相对高的流通量和产物的简单回收。可以点燃在气化后保留在流化床系统中(或其他热解室中)的固体炭，以产生另外的过程热以促进后续气化反应。
后加工
蒸馏
在发酵后，所得到的流体可以使用例如“啤酒柱(beercolumn)”进行蒸馏，以使乙醇和其他醇类与大多数水和残留固体分离。离开啤酒柱的蒸气可以是例如35重量％的乙醇，并且可以供应给精馏柱。使用蒸气相分子筛，来自精馏柱的近共沸(92.5％)乙醇和水的混合物可以纯化至纯(99.5％)乙醇。啤酒柱底部可以送至三效蒸发器的第一个效应。精馏柱回流冷凝器可以提供用于这个第一个效应的热。在第一个效应后，固体可以使用离心机进行分离且在旋转干燥器中进行干燥。部分(25％)离心机流出物可以再循环至发酵，并且其余送至第二个和第三个蒸发器效应。大部分蒸发器冷凝物可以作为相当清洁的冷凝物返回过程，其中小部分分裂出来至废水处理以预防低沸化合物的积累。
废水处理
通过处理过程水用于在工厂内再使用，废水处理用于使工厂的补给水需求降到最低。废水处理也可以产生燃料(例如，污泥和生物气)，其可以用于改善乙醇生产过程的总效率。例如，如下文进一步详细描述的，污泥和生物气可以用于创造可以用于多种工厂过程的蒸汽和电。
废水最初通过筛子(例如，棒条筛)抽吸，以去除大颗粒，这收集在漏斗中。在某些实施方案中，将大颗粒送至填埋场。另外地或备选地，如下文进一步详细描述的点燃大颗粒以创造蒸汽和/或电。一般而言，在棒条筛上的间隔是1/4英寸-1英寸间隔(例如，1/2英寸间隔)。
废水随后流向均衡槽，在其中有机浓缩的废水在保留时间过程中进行均衡。一般而言，保留时间是8小时-36小时(例如，24小时)。将混合器放置在槽内以搅拌槽的内容物。在某些实施方案中，遍及槽放置的多个混合器用于搅拌槽的内容物。在特定实施方案中，混合器使均衡槽的内容物基本上混合，从而使得遍及槽的条件(例如，废水浓度和温度)是均匀的。
第一个泵使水从均衡槽移动通过液体-液体热交换器。这样控制热交换器(例如，通过控制流体通过热交换器的流速)，使得离开热交换器的废水在用于厌氧处理的所需温度下。例如，关于厌氧处理的所需温度可以是40℃-60℃。
在离开热交换器后，废水进入一个或多个厌氧反应器。在某些实施方案中，每个厌氧反应器中的污泥浓度与废水中的污泥总浓度相同。在其他实施方案中，厌氧反应器具有比废水中的污泥总浓度高的污泥浓度。
包含氮和磷的营养液在包含废水的每个厌氧反应器内进行测量。营养液与厌氧反应器中的污泥反应，以产生可以包含50％甲烷且具有约12,000British热单位或Btu，每磅的热值的生物气。生物气通过通风口离开每个厌氧反应器且流入多支管内，在其中多个生物气流组合成单个流。如下文进一步详细描述的，压缩机使生物气的流移动至锅炉或内燃机。在某些实施方案中，压缩机还使生物气的单个流移动通过脱硫催化剂。另外地或备选地，压缩机可以使生物气的单个流移动通过沉积物捕集器。
第二个泵使来自厌氧反应器的厌氧流出物移动至一个或多个好氧反应器(例如，活化污泥反应器)。将充气器放置在每个好氧反应器内，以使厌氧流出物、污泥、氧(例如，空气中包含的氧)相混合。在每个好氧反应器内，细胞材料在厌氧流出物中的氧化产生二氧化碳、水和铵。
好氧流出物移动(例如经由重力)至分离器，在其中污泥与经处理的水分离。某些污泥返回至一个或多个好氧反应器，以在好氧反应器中造成升高的污泥浓度，从而促进细胞材料在废水中的好氧断裂。传送机去除来自分离器的剩余污泥。如下文进一步详细描述的，剩余污泥用作燃料以创造蒸汽和/或电。
经处理的水从分离器抽吸到沉降槽。分散遍及经处理的水的固体沉降至沉降槽的底部，并且随后去除。在沉降期后，经处理的水通过细滤器从沉降槽抽吸，以去除水中残留的任何另外固体。在某些实施方案中，将氯加入经处理的水中以杀死致病菌。在某些实施方案中，一种或多种物理化学分离技术用于进一步纯化经处理的水。例如，经处理的水可以通过碳吸附反应器抽吸。作为另一个例子，经处理的水可以通过反渗透反应器抽吸。
在本文公开的加工过程中，每当在任何加工过程中使用水时，它可以是灰水，例如城市灰水或黑水。在某些实施方案中，灰或黑水在使用前进行灭菌。灭菌可以通过任何所需技术来完成，例如通过照射、蒸汽或化学灭菌。
废物燃烧
由生物量产生醇可以导致多种副产物流的产生，所述副产物流用于产生蒸汽和电以用在工厂的其他部分。例如，由点燃副产物流产生的蒸汽可以用于蒸馏加工过程。作为另一个例子，由点燃副产物流产生的电可以用于给预处理中使用的电子束发生器和超声换能器提供动力。
用于产生蒸汽和电的副产物衍生自在加工过程自始至终的许多来源。例如，废水的厌氧消化产生甲醇很高的生物气和少量废弃生物量(污泥)。作为另一个例子，蒸馏后的固体(例如，由预处理和初级加工过程保留的未转变的木质素、纤维素和半纤维素)可以用作燃料。
将生物气转向至与发电机连接的内燃机以产生电。例如，生物气可以用作关于火花点火式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于直喷式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于燃气轮机的燃料来源。另外地或备选地，内燃机可以以热电联产配置进行配置。例如，来自内燃机的废热可以用于提供遍及工厂的热水或蒸汽。
点燃污泥和蒸馏后固体，以加热流过热交换器的水。在某些实施方案中，使流过热交换器的水蒸发且过热至蒸汽。在特定实施方案中，蒸汽用于蒸馏和蒸发过程中的预处理反应器和热交换中。另外地或备选地，蒸汽扩展以给与发电机连接的多阶段蒸汽轮机提供动力。离开蒸汽轮机的流由冷却水冷凝，并且返回热交换器用于再加热至蒸汽。在某些实施方案中，控制通过热交换器的水的流速，以获得来自与发电机连接的蒸汽轮机的靶电输出。例如，水可以加入热交换器中以确保蒸汽轮机在阈值条件上操作(例如，轮机足够快速旋转以转动发电机)。
尽管已描述了特定实施方案，但其他实施方案也是可能的。
作为例子，尽管生物气描述为转向与发电机连接的内燃机，但在特定实施方案中，生物气可以经过燃料重整器以产生氢。氢随后通过燃料电池转变为电。
作为另一个例子，尽管生物气已描述为远离污泥和蒸馏后固体点燃，但在特定实施方案中，全部废物副产物可以一起点燃以产生蒸汽。
产物/共同产物
醇
所产生的醇可以是一羟基醇例如乙醇，或多羟基醇例如乙二醇或丙三醇。可以产生的醇的例子包括甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，丁醇例如正、仲或叔丁醇，乙二醇、丙二醇，1，4-丁二醇，丙三醇或这些醇的混合物。
通过工厂生产的醇各自具有作为工业原料的商业价值。例如，乙醇可以用于制造清漆和香精。作为另一个例子，甲醇可以用作溶剂用作风挡刮水器液体中的组分。作为另外一个例子，丁醇可以用于增塑剂、树脂、漆器和制动液中。
通过工厂生产的生物乙醇作为食物和饮料工业中使用的成分是有价值的。例如，通过工厂生产的乙醇可以纯化至食物级别醇，并且用作酒精性饮料中的主要成分。
通过工厂生产的生物乙醇也具有作为运输用燃料的商业价值。乙醇作为运输用燃料的用途可以用相对很少的资本投资由火花点燃式发动机制造商和物主实现(例如，关于注入时机、燃料空气比、和燃料注入系统的组分的改变)。许多汽车制造商目前提供能够以高达85体积％乙醇的乙醇/汽油掺和物操作的弹性燃料交通工具(例如，在ChevyTahoe4x4上的标准设备)。
通过这种工厂生产的生物乙醇可以用作发动机燃料，以改善除工厂位置外的环境和经济条件。例如，通过这种工厂生产且用作燃料的乙醇可以减少来自人工来源(例如，运输来源)的温室气体排放。作为另一个例子，通过这种工厂生产且用作发动机燃料的乙醇还可以取代由油精炼的汽油的消耗。
生物乙醇具有比常规汽油更大的辛烷值，并且因此可以用于改善火花点燃式发动机的性能(例如，允许更高的压缩比)。例如，小量(例如，10体积％)乙醇可以与汽油掺和，以充当辛烷增强剂用于在火花点燃式发动机中使用的燃料。作为另一个例子，更大量(例如，85体积％)乙醇可以与汽油掺和，以进一步增加燃料辛烷值并且取代更大体积的汽油。
生物乙醇策略例如由DiPardo在JournalofOutlookforBiomassEthanolProductionandDemand(EIAForecasts)，2002中；Sheehan在BiotechnologyProgress，15:8179，1999中；Martin在EnzymeMicrobesTechnology，31:274，2002中；Greer在BioCycle，61-65，2005年4月中；Lynd在MicrobiologyandMolecularBiologyReviews，66:3，506-577，2002中；Ljungdahl等人在美国专利号4,292,406中；和Bellamy在美国专利号4,094,742中讨论。
有机酸
所产生的有机酸可以包括单羧酸或多羧酸。有机酸的例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟基丁酸或这些酸的混合物。
食物产物
在某些实施方案中，所有或部分发酵加工过程可以在纤维素材料完全转变成乙醇前中断。中间发酵产物包括高浓度的糖和碳水化合物。这些中间发酵产物可以用于制备用于人或动物消费的食物。在某些实施方案中，纤维素材料的照射预处理将使得中间发酵产物无菌(例如，适合于人消费)。在某些实施方案中，中间发酵产物在用作食物前将需要后加工。例如，干燥器可以用于去除来自中间发酵产物的水分，以促进贮存、处理和保存期。另外地或备选地，中间发酵产物可以在不锈钢研磨机中磨成细粒大小以产生粉样物质。
动物饲料
酒糟和酒粕可以转变成蒸馏-脱水加工过程有价值的副产物。在蒸馏-脱水过程后，酒糟和酒粕可以进行干燥，以改善贮存和处理材料的能力。所得到的干酒糟和酒粕(DDGS)是低淀粉、高脂肪、高蛋白质、高纤维、和高磷的。因此，例如DDGS作为动物饲料的来源(例如，作为用于乳牛的饲料来源)可以是有价值的。DDGS可以随后与营养添加剂相组合，以满足特定动物类别的特定膳食需求(例如，平衡可消化的赖氨酸和磷用于猪饮食)。
药物
上文讨论的预处理加工过程可以应用于具有医学性质的植物。在某些实施方案中，超声处理可以刺激具有医学性质的植物的医学组分的生物活性和/或生物利用度。另外地或备选地，照射刺激具有医学性质的植物的医学组分的生物活性和/或生物利用度。例如，超声处理和照射可以在柳树皮的预处理中相组合，以刺激水杨苷的产生。
营养制品
在某些实施方案中，中间发酵产物(例如，包括高浓度的糖和碳水化合物的产物)可以加以补充，以制备营养制品。例如，中间发酵产物可以补充有钙，以制备提供能量且帮助改善或维持骨强度的营养制品。
共同产物
木质素残渣
如上所述，来自初级和预处理加工过程的含木质素的残渣具有作为高/中等能量燃料的价值，并且可以用于产生用于在工厂加工过程中使用的动力和蒸汽。然而，此类木质素残渣是新型固体燃料，并且在工厂界限外对于它可能存在很少需求，并且仅使其干燥用于转运的成本减去其潜在价值。在某些情况下，木质素残渣的糖化可以用于以更低成本将其转变成更高价值的产物。
其他共同产物
细胞物质、糠醛和乙酸已鉴定为生物量至燃料加工设施的潜在共同产物。间质细胞物质可以是有价值的，但可能需要显著纯化。关于糠醛和乙酸的市场在合适的位置，尽管它们不太可能足够大，以消耗完全商业化的木质素至乙醇工业的输出。
实施例
下述实施例预期举例说明而不是限制本公开内容的教导。
实施例1-由聚涂层纸制备纤维材料
1500磅未用过的滑材(skid)、具有20lb/ft3的堆密度由未印刷的聚涂层白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒得自InternationalPaper。将每个纸板盒平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinchBaugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度和与原材料那种等价的厚度(约0.075英寸)。
将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。型号SC30装备4个旋转刀片、4个固定刀片和具有1/8英寸开口的排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切越过刀刃的五彩纸屑样小片，将小片撕开并且以约1磅/小时的速率释放纤维材料。纤维材料具有0.9748m2/g+/-0.0167m2/g的BET表面积、89.0437％的多孔性和0.1260g/mL的堆密度(＠0.53psia)。纤维的平均长度是1.141mm，并且纤维的平均宽度是0.027mm，产生42:1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图26中。
实施例2-由漂白的牛皮纸板制备纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自InternationalPaper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinchBaugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度和与原材料那种等价的厚度(约0.075英寸)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/8英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，以约1磅/小时的速率释放纤维材料。纤维材料具有1.1316m2/g+/-0.0103m2/g的BET表面积、88.3285％的多孔性和0.1497g/mL的堆密度(＠0.53psia)。纤维的平均长度是1.063mm，并且纤维的平均宽度是0.0245mm，产生43:1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图27中。
实施例3-由漂白的牛皮纸板制备2次剪切的纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自InternationalPaper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinchBaugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑(如上)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/16英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，以约1磅/小时的速率释放纤维材料。将产生于第一次剪切的材料供应回到上文描述的相同设置内并且再次剪切。所得到的纤维材料具有1.4408m2/g+/-0.0156m2/g的BET表面积、90.8998％的多孔性和0.1298g/mL的堆密度(＠0.53psia)。纤维的平均长度是0.891mm，并且纤维的平均宽度是0.026mm，产生34:1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图28中。
实施例4-由漂白的牛皮纸板制备3次剪切的纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自InternationalPaper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinchBaugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑(如上)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/8英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切越过刀刃五彩纸屑样小片。将产生于第一次剪切的材料供应回到上文描述的相同设置内，并且将筛子替换为1/16英寸筛子。使这种材料剪切。将产生于第二次剪切的材料供应回到上文描述的相同设置内，并且将筛子替换为1/32英寸筛子。使这种材料剪切。所得到的纤维材料具有1.6897m2/g+/-0.0155m2/g的BET表面积、87.7163％的多孔性和0.1448g/mL的堆密度(＠0.53psia)。纤维的平均长度是0.824mm，并且纤维的平均宽度是0.0262mm，产生32:1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图29中。
实施例5-不添加粘合剂由漂白的牛皮纸板制备致密化的纤维材 料
根据实施例2制备纤维材料。将约1lb水喷射到每10lb纤维材料上。纤维材料使用在75℃下操作的CaliforniaPelletMill1100进行致密化。获得具有约7lb/ft3-约15lb/ft3约堆密度的丸剂。
实施例6-伴随粘合剂由漂白的牛皮纸板制备致密化的纤维材料
根据实施例2制备纤维材料。
在水中制备POLYOXTMWSRN10(聚氧化乙烯)的2重量％母液。
将约1lb母液喷射到每10lb纤维材料上。纤维材料使用在75℃下操作的CaliforniaPelletMill1100进行致密化。获得具有约15lb/ft3-约40lb/ft3约堆密度的丸剂。
实施例7-通过γ辐射伴随最低限度氧化减少纤维牛皮纸中纤维 素的分子量
根据实施例4制备纤维材料。纤维牛皮纸根据实施例5进行致密化。
将致密化的丸剂置于具有250mL最大限度容量的玻璃安瓿中。玻璃安瓿在高真空(10-5托)下抽真空30分钟，并且随后用氩气反填充。安瓿在氩下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比纤维牛皮纸原材料低的分子量的经照射的材料。
实施例8-通过γ辐射伴随最大限度氧化减少纤维牛皮纸中纤维 素的分子量
根据实施例4制备纤维材料。纤维牛皮纸根据实施例5进行致密化。
将致密化的丸剂置于具有250mL最大限度容量的玻璃安瓿中。玻璃安瓿在空气大气下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比纤维牛皮纸原材料低的分子量的经照射的材料。
实施例9-电子束加工
使用在80kW的输出功率下递送5MeV电子的拱形TT200连续波加速器，用电子束处理样品。表1描述了所使用的参数。表2报告了对于样品ID使用的额定剂量(以Mrad)和递送给样品的相对应剂量(以kgy)。
表1.TT200参数
表2.递送给样品的剂量
1例如，9.9kgy在5mA的束电流和12.9英尺/分钟的线速度下在11秒内递送。处理之间的冷却时间是约2分钟。
实施例10-通过凝胶渗透色谱法测定纤维素和木质纤维素材料的 分子量的方法
用于分析的纤维素和木质纤维素材料根据实施例4进行处理。下表中呈现的样品材料包括牛皮纸(P)、麦秆(WS)、苜蓿(A)、纤维素(C)、柳枝稷(SG)、草(G)、以及淀粉(ST)和蔗糖(S)。样品ID的数目“132”指在剪切通过1/32英寸筛子后的材料的粒子大小。在虚线后的数目指辐射剂量(MRad)，并且“US”指超声波处理。例如，样品ID“P132-10”指已剪切至132网目的粒子大小且已用10MRad照射的牛皮纸。
对于用电子束照射的样品，在虚线后的数目指递送给样品的能量的量。例如，样品ID“P-100e”指已递送约100MRad或约1000kgy的能量剂量的牛皮纸(表2)。
表3.经照射的牛皮纸的峰平均分子量
**低剂量的辐射看起来增加某些材料的分子量
1用量比率＝1MRad/小时
2对于在水中分散的材料在再循环条件下使用1000W悬臂用20kHz超声处理30分钟
表4.用电子束照射的牛皮纸的峰平均分子量
表5.γ照射的材料的峰平均分子量
*在处理后的峰合并
**低剂量的辐射看起来增加某些材料的分子量
1剂量比率＝1MRad/小时
2对于在水中分散的材料在再循环条件下使用1000W悬臂用20kHz超声处理30分钟
表6.用电子束照射的材料的峰平均分子量
凝胶渗透色谱法(GPC)用于测定聚合物的分子量分布。在GPC分析过程中，使聚合物样品的溶液经过装满捕获小分子的多孔凝胶的柱。样品基于分子大小进行分离，其中较大的分子比较小的分子更快地洗脱。每种组分的保留时间最通常通过折射率(RI)、蒸发光散射(ELS)或紫外线(UV)进行检测，并且与校正曲线相比较。所得到的数据随后用于计算关于样品的分子量分布。
使用分子量分布而不是独特的分子量表征合成聚合物。为了表征这种分布，利用统计平均。最常见的这些平均是“数量平均分子量”(Mn)和“重量平均分子量”(Mw)。
Mn类似于与一组数目相关的标准算术平均值。当应用于聚合物时，Mn指聚合物中分子的平均分子量。计算Mn，提供关于每种分子的相同量的显著性，与其个别分子量无关。平均Mn通过下式进行计算，其中Ni是具有等于Mi的摩尔质量的分子数目。
M ‾ n = Σ i N i M i Σ i N i
Mw是分子量分布的另一种统计叙词，其将更多的重点放在分布中较大的分子而不是较小的分子上。下式显示了重量平均分子量的统计计算。
M ‾ w = Σ i N i M i 2 Σ i N i M i
多分散性指数或PI定义为Mw/Mn的比。PI越大，分布越广泛或更分散。PI的最低值可以是1。这代表单分散样品；即，其中分布中的所有分子是相同分子量的聚合物。
峰分子量值(MP)是定义为分子量分布模式的另一个叙词。它表明在分布中最丰富的分子量。这个值还给出关于分子量分布的了解。
大多数GPC测量相对于不同聚合物标准进行。结果的准确度依赖于待分析的聚合物的特征如何紧密地匹配所使用标准的那些。分开校正的、不同系列测定之间重现性中的预期误差是约5-10％，并且是关于GPC测定的有限精确性的特征。因此，当在相同系列测定过程中进行不同样品的分子量分布之间的比较时，GPC结果是最有用的。
在GPC分析前，木质纤维素样品需要样品制备。首先，在二甲基乙酰胺(DMAc)中制备氯化锂(LiCl)的饱和溶液(8.4重量％)。将约100mg样品加入约10g新鲜制备的LiCl/DMAc饱和溶液中，并且使混合物伴随搅拌加热至约150℃-170℃共1小时。所得到的溶液在颜色中一般是浅至深黄色。使溶液的温度降低至约100℃，并且加热另外2小时。随后使溶液的温度降低至约50℃，并且使样品溶液加热约48-60小时。值得注意的是，与其未经处理的配对物相比较，在100MRad下照射的样品更容易增溶。另外，与未经切割的样品相比较，经剪切的样品(由数目132指示)具有略微更低的平均分子量。
所得到的样品溶液使用DMAc作为溶剂进行1:1稀释，并且通过0.45μmPTFE滤器进行过滤。经过滤的样品溶液随后通过GPC使用表7中描述的参数进行分析。如通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定的，样品峰平均分子量(Mp)概括于表3-6中。每种样品一式两份地制备，并且样品的每个制剂一式两份地(2次进样)分析，每个样品总共4次进样。聚苯乙烯标准PS1A和PS1B用于产生用于约580-7,500,00道尔顿的分子量数值范围的校正曲线。
表7.GPC分析条件
实施例11.飞行时间二次离子质谱法(ToF-SIMS)表面分析
飞行时间二次离子质谱法(ToF-SIMS)是表面敏感性光谱法，其使用脉冲离子束(Cs或微聚焦Ga)以去除来自样品最外面表面的分子。从表面上的原子单层中去除粒子(二级离子)。这些粒子随后加速到“飞行管”内，并且它们的质量通过测量它们到达检测器的确切时间(即，飞行时间)进行测定。ToF-SIMS提供了关于样品的表面、薄层、界面的详细元素和分子信息，并且给出全面的三维分析。用途是广泛的，包括半导体、聚合物、涂料、涂层、玻璃、草、纸、金属、陶瓷、生物材料、药物和有机组织。因为ToF-SIMS是观察技术，所以检测出在周期表中的所有元素，包括H。ToF-SIMS数据呈现于表8-11中。所使用的参数在表12中报告。
表8.多种目的阳离子的标准化平均强度
(相对于总离子计数标准化x10000)
表9.多种目的阴离子的标准化平均强度
(相对于总离子计数标准化x10000)
10.多种目的阳离子的标准化平均强度
(相对于总离子计数标准化x10000)
表11.各种目的阴离子的标准化平均强度
(相对于总离子计数标准化x10000)
表12.ToF-SIMS参数
ToF-SIMS使用经聚焦的脉冲的粒子束(一般是Cs或Ga)，以移去材料表面上的化学种类。更接近于撞击位点产生的粒子趋于是经解离的离子(阳性或阴性)。更远离撞击位点产生的次级粒子趋于是分子化合物，一般是大得多的有机大分子的碎片。粒子随后在其朝向检测器的途中加速到分析路径内。因为可以在纳秒的规模上测量粒子从撞击时到检测器的“飞行时间”，所以可以产生精细至0.00X原子质量单位(即质子质量的千分之一份)的质量分辨率。在一般的操作条件下，ToF-SIMS分析的结果包括：观察在0-10,000amu范围上的所有原子质量的质谱图，光栅束产生在亚微米的规模上的任何目的质量的图，并且深度谱通过在离子束下喷射通过去除表面层产生。阴离子分析显示聚合物具有增加量的CNO、CN和NO2基团。
实施例12.X线光电子分光镜检查(XPS)/电子分光镜检查(ESCA) 用于化学分析
X线光电子分光镜检查(XPS)(有时称为“ESCA”)测量表面的顶部5纳米的化学组成；XPS使用经发射光电子的光电离能量和能量色散分析，以研究样品表面区域的组成和电子态。X线光电子分光镜检查基于单次光子进入/电子出去。软x线刺激光电子的射出，其动能通过静电电子能量分析仪进行测量。关于能量的小改变通过电子由其射出的原子的化学位移价态引起；因此，测量提供关于样品表面的化学信息。
表13.原子浓度(以％)a,b
a标准化至所检测出元素的100％。XPS不检测H或He。
表14.碳化学态(以％C)
表15.原子浓度(以％)a,b
a标准化至所检测出元素的100％。XPS不检测H或He。
b小于号“<”指示由于弱信号强度无法进行准确定量。
表16.碳化学态表(以％C)
表17.分析参数
XPS波谱通过用铝或镁X射线束照射材料而获得，与此同时测量动能(KE)和从待分析材料的顶部1-10nm逃出的电子数目(参见分析参数，表17)。XPS技术是高度表面特异性的，由于从固体激活的光电子的短距离。使用同心半球分析仪(ConcentricHemispherical分析仪)(CHA)测定离开样品的光电子的能量，并且这给出具有一系列光电子峰的波谱。峰的结合能是每种元素的特征。可以使用峰面积(具有合适的灵敏度因数)，以测定材料表面的组成。每个峰的形状和结合能可以通过发射原子的化学态略微改变。因此，XPS也可以提供化学键合信息。XPS对氢或氦不灵敏，但可以检测出所有其他元素。XPS需要超高真空(UHV)条件，并且通常用于聚合物、涂层、催化剂、复合材料、纤维、陶瓷、药物/医学材料、和生物起源的材料的表面分析。XPS数据在13-16表中报告。
实施例13.拉曼分析
从来自样品P132、P132-100、P-1e和P-100e的纤维表面获得拉曼光谱。测量使用“LabRam”J-Y光谱仪执行。HeNe激光(632.8nm波长)和600gr/mm格栅用于测量。测量使用后向散射几何学(180°)在OlympusBX40显微镜下共焦执行。样品具有纤维素一般的拉曼光谱。
实施例14.使用原子力显微镜(AFM)的扫描探针显微镜检查 (SPM)表面分析
这个分析的目的是获得表18和19中的样品的原子力显微镜(AFM)图像，以测量表面粗糙度。
扫描探针显微镜检查(SPM)是显微镜检查的分支，其使用扫描样品的物理探针形成表面的图像。表面的图像通过在样品的光栅扫描中逐线地机械移动探针来获得，并且记录作为位置函数的探针表面相互作用。原子力显微镜(AFM)或扫描力显微镜(SFM)是极高分辨率型扫描探针显微镜，具有经证实的纳米分数分辨率，优于光学衍射限度超过1000倍。探针(或在固定式探针下的样品)一般通过压电管移动。此类扫描仪设计为在三个正交轴(x,y,z)的任何中精确移动。通过跟踪光栅模式，传感器数据形成探针表面相互作用的图像。来自传感器的反馈用于使探针维持在离物体表面的恒定力或距离下。对于原子力显微镜检查，传感器是位置灵敏的光检测器，其记录来自集中于悬臂梁顶部的激光束的反射角。
表18.关于γ照射样品的粗糙度结果
表19.关于用电子束照射的样品的粗糙度结果
使用NanoScopeIIIDimension5000(DigitalInstruments，SantaBarbara，California，USA)收集AFM图像。该仪器针对NIST可追踪标准进行校正，其准确度优于2％。使用NanoProbe硅芯片。采用涉及自动展开、平面拟合或卷积的图像加工操作。
一个5μmx5μm面积在单纤维顶部的随机定位上进行成像。包括这些表面的透视(3-D)图伴随在曲线图(图29A-29F)上指出的垂直放大。执行粗糙度分析并且以下述表达：(1)均方根粗糙度，RMS；(2)平均粗糙度，Ra；和(3)最大限度高度(峰至谷)，Rmax。结果概括于表18和19中。
实施例15-通过X射线衍射测定经照射的材料的结晶度
X射线衍射(XRD)是通过其用单能x射线照射结晶样品的方法。记录样品的晶格结构与这些x射线的相互作用，并且提供关于被照射的结晶结构的信息。所得到的特征性“指纹(fingerprint)”允许鉴定样品中存在的结晶化合物。使用全图样拟合分析(RietveltRefinement)，可以执行关于包含超过一种结晶化合物的样品的定量分析。
表20.包括域大小和结晶度％的XRD数据
将每种样品置于零本底支架上，并且置于使用Cu辐射的PhillipsPW1800衍射计内。随后在5°-50°的范围上运行扫描，伴随0.05°的步长和各2小时的计数时间。
获得衍射图样后，借助于由国际衍射数据中心(InternationalCentreforDiffractionData)公布的粉末衍射文件(PowderDiffractionFile)鉴定相。在所有样品中，经鉴定的结晶相是纤维素-Ia，这具有三斜结构。
在20种样品中的区别特征是峰宽度，这涉及雏晶域大小。实验峰宽度用于计算域大小和结晶度百分比，这在表4中报告。
结晶度百分比(Xc％)测量为结晶面积与x射线衍射峰下总面积的比，
X c % = A C { A a + A C } &times; 100 %
其中
Ac＝结晶相面积
Aa＝无定形相面积
Xc＝结晶度百分比
为了测定关于每种样品的结晶度百分比，必须首先提取无定形相的量。这通过估计每个衍射图样的面积进行评估，所述每个衍射图样的面积可以归于结晶相(由更尖锐的峰表示)和非结晶相(由图样下的宽凸峰表示且集中于22°-38°)。
系统过程用于使这些计算中由于宽结晶峰以及高本底强度的误差降到最低。首先，应用线性本底且随后去除。其次。使集中于22°-38°具有10-12°宽度的2个高斯(Gaussian)峰各自与结晶峰下的凸峰拟合。第三，测定2个宽高斯峰下面积和图样的其余。最后，通过将结晶峰下面积除以总强度(在本底扣除后)计算结晶度百分比。如通过X射线衍射(XRD)测定的样品的域大小和结晶度％呈现于上表20中。
实施例16-经照射的材料的孔率法分析
水银孔径和孔体积分析(表21)基于在紧密控制的压力下将水银(非润湿液体)压入多孔结构内。因为水银不润湿大多数物质，并且将不会通过毛细管作用自发渗透孔，所以它必须通过应用外部压力而压入样品的空隙内。填充空隙所需的压力与孔的大小成反比。仅需要少量力或压力以填充大空隙，然而需要大得多的压力以填充非常小孔的空隙。
表21.通过水银孔率法的孔径和体积分布
AutoPore9520可以达到414MPa或60,000psia的最大限度压力。存在用于样品分离和大孔数据收集的从0.2psia到50psia的4个低压站。存在收集从25psia到60,000psia的数据的2个高压室。将样品置于称为透度计的碗样仪器中，这与具有金属涂层的玻璃毛细杆键合。当水银侵入样品中和周围的空隙时，它使毛细杆往下移动。水银从毛细杆中的丧失导致电容量中的改变。通过已知所使用的透度计的杆体积，将在实验过程中电容中的改变转变成水银的体积。具有不同碗(样品)大小和毛细管的各种透度计是可获得的，以适应大多数样品大小和配置。下表22定义了对于每种样品计算的某些关键参数。
表22.参数的定义
实施例17-经照射的材料的粒子大小分析
通过静态光散射区分粒子大小的技术基于米氏(Mie)理论(这也包括夫琅和费(Fraunhofer)理论)。米氏理论根据球形散射粒子的大小预测强度与角度关系比较，前提是其他系统变量是已知的且保持恒定。这些变量是入射光的波长和样品材料的相对折射率。米氏理论的应用提供了详细的粒子大小信息。表23概括了使用中位直径、平均直径和众数直径作为参数的粒子大小。
表23.通过激光散射的粒子大小(干燥样品分散)
使用下述条件使用MalvernMastersizer2000通过激光散射(干燥样品分散)测定粒子大小：
补料速率:35％
分散器压力:4巴
光学模式:(2.610，1.000i)，1.000
将合适量的样品引入振动托盘上。调节补料速率和空气压力以确保颗粒适当分散。关键组分是选择空气压力，其将打碎结块，但不危害样品完整性。所需样品的量依赖于颗粒的大小而改变。一般而言，具有细颗粒的样品需要比具有粗颗粒的样品更少的材料。
实施例18-经照射的材料的表面积分析
使用MicromeriticsASAP2420AcceleratedSurfaceAreaandPorosimetrySystem分析每种样品的表面积。通过首先在40℃下除气16小时制备样品。接下来，计算具有氦的自由空间(温和冷的)，并且随后再次使样品管抽真空以去除氦。数据收集在这个第二次抽真空后开始，并且由控制多少气体投入样品上的限定靶压力组成。在每个靶压力下，测定且记录所吸附的气体数量和实际压力。样品管内的样品用压力传感器进行测量。另外剂量的气体将继续直至达到靶压力且允许平衡时。通过合计在样品上的多重剂量测定所吸附的气体数量。压力和数量限定气体吸附等温线，并且用于计算许多参数，包括BET表面积(表24)。
表24.通过气体吸附的表面积概括
用于等温线的BET模型是用于计算特定表面积的广泛使用的理论。分析涉及测定样品表面的单层容量，通过计算用单个致密填充的氪层覆盖整个表面所需的量。将单层容量乘以探头气体分子的横断面积，以测定总表面积。特定表面积是样品等分试样的表面积除以样品的质量。
实施例19-经照射的材料的纤维长度测定
使用TechpapMorFiLB01系统对提交的样品一式三份地执行纤维长度分布测试。平均纤维长度和宽度在表25中报告。
表25.木质纤维素纤维长度和宽度数据的概括
实施例20-经照射的和未经照射的柳枝稷的超声波处理
柳枝稷根据实施例4进行剪切。柳枝稷通过单独的超声或用10Mrad或100Mradγ射线照射进行处理，并且随后进行超声处理。所得到的材料与G132-BR(未经照射的)、G132-10-BR(10Mrad和超声处理)和G132-100-BR(100Mrad和超声处理)相对应，如表1中呈现的。在再循环条件下使用来自1000W悬臂的20kHz超声，对每种样品执行30分钟超声处理。每种样品在水中以约0.10g/mL的浓度分散。
图30和31显示用于超声处理的仪器。仪器500包括与助推器504连接的变换器502，所述助推器504与由钛或钛合金焊接的悬臂506联系。在其加工侧上在其周长周围具有由制造的封条510的悬臂，对于加工小室508形成不透液体的封条。将悬臂的加工侧浸入液体例如水中，其在其中已分散待超声处理的样品。用压力计512监控小室中的压力。在操作中，每种样品通过泵517从槽516中移动通过加工小室且进行超声处理。在超声处理后，将样品捕获在槽520中。该过程可以是可逆的，因为槽520的内容物可以运送通过加工小室，并且在槽516中捕获。这个加工过程可以重复多次直至将所需加工水平递送给样品。
实施例21-与经照射的和经照射且超声处理的柳枝稷相比较，未 经照射的柳枝稷的扫描电子显微照片
将用于扫描电子显微照片的柳枝稷样品应用于碳带且进行金喷射包被(70秒)。用JEOL6500场发射扫描电子显微镜获得图像。
图32是纤维材料在1000X放大率下的扫描电子显微照片，所述纤维材料由在旋转切割机上剪切柳枝稷，并且随后使经剪切的材料经过1/32英寸筛子而产生。
图33和34是在1000X放大率下，分别用10Mrad和100Mradγ射线照射后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
图35是在1000X放大率下，用10Mrad照射和超声处理后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
图36是在1000X放大率下，用100Mrad照射和超声处理后，图32的纤维材料的扫描电子显微照片。
实施例22-经照射和未经照射的牛皮纸的傅里叶变换红外 (FT-IR)光谱
在Nicolet/Impact400上执行FT-IR分析。结果指出样品P132、P132-10、P132-100、P-1e、P-5e、P-10e、P-30e、P-70e和P-100e与基于纤维素的材料相一致。
图37是根据实施例4剪切的牛皮纸板的红外光谱，而图38是用100Mradγ辐射照射后，图37的牛皮纸的红外光谱。经照射的样品显示在区域A中的另外峰(集中约1730cm-1)，这在未经照射的材料中未发现。值得注意的是，当从P132到P132-10到P132-100时，检测出在～1650cm-1处的碳酰吸收量中的增加。对于样品P-1e、P-5e、P-10e、P-30e、P-70e和P-100e观察到相似结果。
实施例23-经照射和未经照射的牛皮纸的质子和碳-13核磁共振(1H-NMR和13C-NMR)谱
样品制备
通过用含2％四丁基氟化铵三水合物的DMSO-d6溶解，制备样品P132、P132-10、P132-100、P-1e、P-5e、P-10e、P-30e、P-70e和P-100e用于分析。已经历更低水平照射的样品比具有更高辐射的样品明显更不可溶。未经照射的样品在这个溶剂混合物中形成凝胶，但加热至60℃溶解在NMR谱中的峰。已经历更高水平照射的样品在10％wt/wt的浓度下是可溶的。
分析
在15mg/mL下的样品的1H-NMR谱显示在16ppm处集中的独特的极宽共振峰(图38A-38J)。这个峰是关于烯醇的可交换-OH质子的特征，并且通过“d2O振荡”加以证实。分析模型化合物(乙酰丙酮、葡糖醛酸和酮古洛糖酸)，并且得到这个峰事实上是可交换的烯醇质子的令人信服的情况。这个所提出的烯醇峰对于浓度效应非常敏感，并且我们无法得出结论这个共振是由于烯醇还是由于可能地羧酸。
模型化合物的羧酸质子共振类似于对于经处理的纤维素样品观察到的那种。这些模型化合物使场上移位至～5-6ppm。在更高浓度(～10％wt/wt)下制备P-100e导致急剧下降的场移位至其中发现模型化合物的羧酸共振之处(～6ppm)(图38N)。这些结果导致这个共振对于表征这种官能团不可靠的结论，然而，数据暗示可交换氢数目伴随增加的样品辐射而增加。此外，未检测出乙烯基质子。
样品的13CNMR谱证实羧酸或羧酸衍生物的碳酰基的存在。这个新峰(在168ppm处)在未经处理的样品中不存在(图38K)。具有长延迟的13CNMR谱允许定量关于P-100e的信号(图38L-38M)。碳酰基共振与在约100ppm处的共振(C1信号)的整合的比较暗示碳酰基碳与C1的比率是1:13.8，或对于每14个葡萄糖单位大致1个碳酰基。在100ppm处的化学位移与葡糖醛酸良好相关。
滴定
使样品P-100e和P132-100(1g)悬浮于去离子水(25mL)中。伴随搅拌将指示剂茜素黄加入每种样品中。P-100e更难以润湿。2种样品用0.2MNaOH溶液进行滴定。端点都是非常敏锐的，并且通过使用pH试纸加以证实。样品的起始pH对于2种样品是～4。P132-100需要0.4毫克当量的氢氧化物，这给出关于2500amu羧酸的分子量。如果180amu用于单体，那么这暗示存在关于13.9个单体单位1个羧酸基团。同样地，P-100e需要3.2毫克当量的氢氧化物，这计算为关于每17.4个单体单位1个羧酸基团。
结论
看起来在这种氧化中被氧化成羧酸(葡糖醛酸衍生物)纤维素的C-6碳是令人惊讶地特异性的。这种氧化与用以～1740cm-1的辐射产生的IR条带一致，所述IR条带与脂肪族羧酸相对应。滴定结果与定量13CNMR一致。具有更高水平照射的样品增加的可溶性与增加的羧酸质子数目良好相关。所提出的关于“C-6氧化的纤维素”的降解机制在下文方案1中提供。
方案1
实施例24-电子束和超声处理预处理的组合
使用柳枝稷作为原料且用Munson旋转切割机剪切成纤维材料。随后将纤维材料平坦地分布到具有大于约500in2面积的由锡组成的无盖托盘上。纤维材料这样分布，使得它在无盖托盘上具有约1-2英寸的深度。纤维材料可以在塑料袋中在较低剂量的照射(在10MRad下)下进行分布，并且在金属托盘上在较高剂量的照射下不进行遮盖。
随后使纤维材料的分离样品暴露于顺次剂量的电子束辐射，以达到1Mrad、2Mrad、3、Mrad、5Mrad、10Mrad、50Mrad和100Mrad的总剂量。某些样品维持在与其余样品相同的浓度下，但不进行照射，以充当对照。在冷却后，将经照射的纤维材料转送用于通过超声处理装置的进一步加工。
超声处理装置包括与助推器连接的变换器，所述助推器与由钛或钛合金焊接的悬臂联系。在其加工侧上在其周长周围具有由制造的封条的悬臂，对于加工小室形成不透液体的封条。将悬臂的加工侧浸入液体例如水中，待超声处理的经照射的纤维材料已浸入所述液体内。用压力计监控小室中的压力。在操作中，每种样品通过泵移动通过加工小室且进行超声处理。
为了制备经照射的纤维材料用于超声处理，从任何容器(例如，塑料袋)中取出经照射的纤维材料，并且以约0.10g/mL的浓度分散在水中。在再循环条件下使用来自1000W悬臂的20kHz超声，对每种样品执行30分钟超声处理。在超声处理后，将经照射的纤维材料捕获在槽中。基于监控柳枝稷中的结构改变，这个过程可以重复多次，直至达到所需加工水平时。再次，某些经照射的样品维持在与其余样品相同的浓度下，但不进行照射，以充当对照。此外，未进行照射的某些样品进行超声处理，再次充当对照。因此，某些对照未进行加工，某些仅进行照射，并且某些仅进行超声处理。
实施例25-经预加工处理的生物量的微生物测试
如本文所述预处理的特定木质纤维素材料就对于常见酵母和细菌菌株的毒性进行分析，所述常见酵母和细菌菌株在生物燃料工业中用于乙醇生产中的发酵步骤。此外，检查含糖量和与纤维素酶的相容性以测定处理过程的活力。经预处理的材料的测试如下在2个阶段中执行。
1期.毒性和含糖量
在酵母酿酒酵母(葡萄酒酵母)和树干毕赤酵母(ATCC66278)以及细菌运动发酵单胞菌(ATCC31821)和热纤梭菌(ATCC31924)中测量经预处理的草和纸原料的毒性。用生物中的每一种执行生长研究，以测定温育和取样的最佳时间。
随后使每种原料一式两份地与酿酒酵母、树干毕赤酵母、运动发酵单胞菌和热纤梭菌一起在用于每种生物的标准微生物培养基中温育。YM肉汤用于2种酵母菌株，酿酒酵母和树干毕赤酵母。RM培养基用于运动发酵单胞菌，并且CM4培养基用于热纤梭菌。添加有纯糖但没有原料的阳性对照用于比较。在温育过程中，在时间0、3、6、9和12小时时经过12小时时期获得总共5份样品，并且就活力(关于运动发酵单胞菌的平板计数和关于酿酒酵母的直接计数)和乙醇浓度进行分析。
使用装备ShodexTM糖SP0810或BioradHPX-87P柱的高效液相色谱法(HPLC)测量原料的含糖量。原料(约5g)各自与反渗透(RO)水相混合1小时。取出液体的液体部分，并且就葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和纤维二糖含量进行分析。分析根据美国国家生物能源中心(NationalBioenergyCenter)方案DeterminationofStructuralCarbohydratesandLignininBiomass执行。
2期.纤维素酶相容性
在锥形(Erlenmeyer)瓶中在推荐温度和浓度下，原料用商购可得的AccelleraseTM1000一式两份地进行测试，所述AccelleraseTM1000包含使木质纤维素生物量还原成可发酵糖的酶的复合物。使烧瓶伴随在约200rpm下的中等振荡下温育12小时。在那个时间过程中，在时间0、3、6、9和12小时时每3小时获得样品，以测定在烧瓶的液体部分中还原糖的浓度(Hope和Dean，BiotechJ.，1974，144:403)。
实施例26-使用HPLC的糖浓度分析
13种样品就糖浓度(HPLC)和针对3种微生物(树干毕赤酵母、酿酒酵母和运动发酵单胞菌)的毒性进行分析。表26列出了用于这些实验的设备。表27和28分别提供了用于制备HPLC标准的糖列表(包括厂家和批号)和用于制备HPLC标准的方案。
表26.在实验中利用的设备
表27.在HPLC分析中使用的糖
表28.HPLC标准的制备
分析
使每种样品(1克)与反渗水在200rpm和50℃下混合过夜。使样品的pH调整至5-6，并且通过0.2μm注射器式滤器过滤。在分析前将样品贮存于-20℃，以维持样品的完整性。在样品制备过程中进行的观察在表29中呈现。
表29.在HPLC样品制备过程中的观察
*这些样品的pH使用1NNaOH调整至pH
由6种经组合的糖――葡萄糖、木糖、纤维二糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖的4mg/mL母液新鲜制备标准。通过使0.400克每种糖溶解于75mL超纯水(0.3微米过滤)内制备母液。溶解后，使用容量瓶使母液稀释至100mL，并且贮存于-20℃。通过用超纯水连续稀释母液制备0.1、0.5、1、2和4mg/mL的工业标准溶液。此外，还由母液制备1.5mg/mL的验证标准。
根据方案protocolDeterminationofStructuralCarbohydratesinBiomass(NRELBiomassProgram，2006)分析糖浓度，并且这个方案通过引用整体合并入本文。使用具有蒸发激光散射检测器(EvaporativeLightScatteringDetector)的SHODEXSUGARSP0810COLUMN。每8次进样分析验证标准(1.5mg/mL标准)，以确保柱和检测器的完整性在实验过程中得到维持。标准曲线变异系数(R2值)是至少0.989，并且验证标准的浓度在实际浓度的10％内。HPLC条件如下：
表30.HPLC参数
*最初测试指出在移动相中使用超纯水时观察到比15/85乙腈:水更佳的分离(对于这种柱制造商未推荐使用超过20％乙腈)。
结果
HPLC分析的结果呈现于表31、32和33中。
表31.糖浓度表示为mg/mL和mg/g提取物
表32.糖浓度以纸％表示
表33.糖浓度以总样品％表示
实施例27-毒性研究
12种样品就针对3种乙醇生产培养物的实验对象组的毒性进行分析。在这项研究中，将葡萄糖加入样品中，以便区别培养物的饥饿和样品的毒性。第13种样品就针对树干毕赤酵母的毒性进行测试。所使用的方案概括在表32中列出。在毒性测试中使用的化学制品和设备描述在表34-36中报告。
表34.用于毒性测试的条件
表35.用于毒性测试的试剂
表36.在摇瓶研究中使用的YSI组分
测试使用3种微生物如下所述进行。
酿酒酵母ATCC24858(美国典型培养物中心)
由得自ATTC的再水合冻干培养物制备酿酒酵母的斜面培养。将斜面培养材料的部分划线到YM肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。用来自YM平板的1个菌落接种包含50mL培养基(20g/L葡萄糖、3g/L酵母提取物和5.0g/L蛋白胨，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和200rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有OD14.8和干净的革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
测试器皿是包含100mL上述无菌培养基的500mL锥形瓶。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行高压灭菌。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物。测试样品在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶如上所述温育36小时。
树干毕赤酵母NRRLY-7124(ARS培养物保藏中心)
由得自ARS培养物保藏中心的再水合冻干培养物制备树干毕赤酵母的斜面培养。将斜面培养材料的部分划线到YM肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。用少量平板材料接种包含100mL培养基(40g/L葡萄糖、1.7g/L酵母氮源、2.27g/L尿素、6.56g/L蛋白胨、40g/L木糖，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和125rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有光密度5.23和干净的革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
测试器皿是包含100mL上述无菌培养基的250mL锥形瓶。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行空高压灭菌，并且将过滤(0.22μm滤器)灭菌的培养基加入烧瓶中。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物，并且过滤灭菌不适合于固体灭菌。测试样品在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶如上所述温育48小时。
运动发酵单胞菌ATCC31821(美国典型培养物中心)
由得自ATCC的再水合冻干培养物制备运动发酵单胞菌的斜面培养。将斜面培养材料的部分划线到DYE平板(葡萄糖20g/L、酵母提取物10g/L、琼脂20g/L，pH5.4)上，并且在30℃和5％CO2下温育2天。用1个菌落接种包含15mL培养基(25g/L葡萄糖、10g/L酵母提取物、1g/LMgSO4·7H2O、1g/L(NH4)2SO4、2g/LKH2PO4，pH5.4)的20mL螺口试管，并且在30℃下不伴随振荡温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择1个管(OD1.96)以接种第二个种子烧瓶。第二个种子烧瓶是包含70mL上述培养基的125ml烧瓶，并且用700μL(1％v/v)接种且在30℃下不伴随振荡温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有OD3.72的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
测试器皿是包含100mL上述无菌培养基(除以5g/L的酵母提取物外)的250mL锥形瓶。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行空高压灭菌，并且将过滤(0.22μm滤器)灭菌的培养基加入烧瓶中。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物，并且过滤灭菌不适合于固体灭菌。测试样品在接种时加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶如上所述温育36小时。
分析
2种样品就细胞浓度进行分析(使用平板涂布法用于运动发酵单胞菌和直接计数(血球计和显微镜用于酿酒酵母和树干毕赤酵母)。在DextroseYeastExtract(葡萄糖20g/L、酵母提取物10g/L、琼脂20g/L，pH5.4)平板上涂布适当稀释的运动发酵单胞菌样品，在30℃和5％CO2下温育2天，并且计数菌落数目。使适当稀释的酿酒酵母和树干毕赤酵母样品与0.05％台盼蓝相混合，装载到Neubauer血球计内。细胞在40X放大率下进行计数。
使用YSIBiochem分析仪基于醇脱氢酶测定法(YSI，Interscience)，就乙醇浓度分析3种样品。样品在14,000rpm下离心20分钟，并且将上清液贮存于-20℃以保存完整性。在分析前使样品稀释至0-3.2g/L乙醇。约每30份样品分析3.2g/L乙醇标准，以确保膜的完整性在分析过程中得到维持。未报告样品的光密度(600nm)，因为固体测试样品通过增加样品浊度而干扰吸光度测量并且是不准确的。
乙醇分析结果
对于每种微生物，性能用于使每种样品与对照相比较(表37-39)。然而，性能％无法用于在菌株之间比较。当比较菌株时，应使用乙醇的总浓度。当分析数据时，当伴随低细胞数目时，小于80％的性能％可以指示毒性。用于测定性能％的等式是：
性能％＝(样品中的乙醇/对照中的乙醇)x100
表37.使用酿酒酵母的乙醇浓度和性能％
表38.使用树干毕赤酵母的乙醇浓度和性能％
以粗体的样品是最高乙醇生产者，超过20g/L并且类似于木材水解物中的浓度(H.K.Sreenath和T.W.JeffriesBioresourceTechnology72(2000)253-260)。
*在随后摇瓶实验中分析。
表39.使用运动发酵单胞菌的乙醇浓度和性能％
来自细胞浓度分析的结果
对于每种生物，细胞％用于使每种样品与对照相比较(表40-42)。然而，细胞％无法用于在菌株之间比较。当比较菌株时，应使用细胞的总浓度。当分析数据时，当伴随低乙醇浓度时，小于70％的性能％可以指示毒性。用于测定性能％的等式是：
细胞％＝(样品中的细胞数目/对照中的细胞数目)x100
表40.关于酿酒酵母来自细胞浓度分析的结果
表41.关于树干毕赤酵母来自细胞浓度分析的结果
表42.关于运动发酵单胞菌来自细胞浓度分析的结果
实施例28-纤维素样品使用树干毕赤酵母的摇瓶发酵
概述
就不添加糖的树干毕赤酵母培养物中的乙醇生产测试13种样品。它们在纤维素酶(Accellerase酶复合物，Genencor)的存在和不存在下进行测试。用于该实验的设备和试剂在下文表43-45中列出。
表43.设备和维修频率
表44.在摇瓶研究中使用的YSI组分
表45.用于摇瓶发酵的化学制品
由得自ARS培养物保藏中心的再水合冻干培养物制备树干毕赤酵母NRRLY-7124的斜面培养。将斜面培养材料的部分划线到YeastMold(YM)肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。用1个菌落接种包含100mL培养基(40g/L葡萄糖、1.7g/L酵母氮源、2.27g/L尿素、6.56g/L蛋白胨、40g/L木糖，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和100rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有光密度6.79和干净的革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
测试器皿是包含100mL培养基(1.7g/L酵母氮源、2.27g/L尿素和6.56g/L蛋白胨)的250mL锥形瓶。在生长烧瓶培养基中不加入糖(葡萄糖或木糖)。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行空高压灭菌，并且将过滤(0.22μm滤器)灭菌的培养基加入烧瓶中。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物，并且过滤灭菌不适合于固体灭菌。测试样品(在表46中列出)在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。包含样品P132-100的烧瓶需要添加0.4mL1MNaOH，以使pH达到5.0。使烧瓶在上述30℃和150rpm下温育96小时。
一组一式两份烧瓶/原料包含酶复合物(1.25mL/烧瓶，最高推荐剂量是0.25mL/克生物量，Genencor)，以尝试同时糖化和发酵(SSF)。另一组一式两份烧瓶不包含酶复合物。分析总共52个烧瓶。
还分析6个对照烧瓶。阳性对照烧瓶包含以2.5克/100mL烧瓶(25克/L)浓度的SolkaFloc200NFPowderedCellulose(批次#UA158072，InternationalFiberCorporation)，伴随和不伴随酶复合物的添加。此外，使用仅包含糖(葡萄糖和木糖)的对照。
表46.加入每个烧瓶的每种原料的量
分析
使用YSIBiochem分析仪基于醇脱氢酶测定法(YSI，Interscience)，就乙醇浓度分析样品(表47、48和49)。样品在14,000rpm下离心20分钟，并且将上清液贮存于-20℃。在分析前使样品稀释至0-3.2g/L乙醇。约每30份样品分析2.0g/L乙醇标准，以确保膜的完整性在分析过程中得到维持。
结果
表47.对照烧瓶的结果
表48.不含1000酶复合物的摇瓶的结果
表49.含1000酶复合物的摇瓶的结果
实施例29-纤维素酶测定法
概述
使用工业纤维素酶(1000，Genencor)在最佳温度和pH条件下就纤维素酶敏感性测试13种样品。
方案
该方案是NREL“LaboratoryAnalyticalProcedureLAP-009EnzymaticSaccharificationofLignocellulosicBiomass”的修改。将材料的样品一式两份地加入50mL管中的10mL0.1M柠檬酸钠缓冲液(pH4.8)和40mg/mL四环素(以预防细菌生长)中。加入每个管的样品量在表50中列出。某些样品难以混合(P132、P132-10、P132-100)，所以以较低浓度加入。还包括0.2克SolkaFloc200NFPowderedCellulose(批次#UA158072，InternationalFiberCorporation)的阳性对照和阴性对照(无样品)。将使体积达到总共20mL的足够反渗(RO)水加入管中。在使用前使柠檬酸钠缓冲液和水都加热至50℃。
将1000酶以0.25mL/克生物量的剂量(由Genencor推荐的最高剂量)加入每个管中。使管以45°角在150rpm和50℃下(由Genencor推荐)温育72小时。在0、3、6、9、12、18、24、48和72小时时获取样品(表52和53)，在14,000rpm下离心20分钟，并且使上清液冷冻于-20℃下。使用YSIBiochem分析仪(Interscience)，使用表51中描述的条件，分析样品中的葡萄糖浓度。通过使2.500克葡萄糖(Sigma目录#G7528-5KG，批次#:107H0245)溶解于蒸馏水中，制备2.5g/L葡萄糖标准溶液。溶解后，在容量瓶中用蒸馏水使总体积达到1L。标准新鲜制备且贮存于4℃。
表50.加入的每种样品的量
Xyleco编号 加入管中的量(g/20mL)
P132 0.5
P132-10 0.5
P132-100 0.5
A132 0.75
A132-10 0.75
A132-100 0.75
G132 0.75
G132-10 0.75
G132-100 0.75
WSl32 0.75
WSl32-10 0.75
WSl32-100 0.75
样品A 0.75
SolkaFloc200NF(对照) 0.2
Negative对照 0
表51.在摇瓶研究中使用的YsI组分
结果
表52.纤维素酶测定法结果
图表1.葡萄糖浓度(顶端的4种生产者)
如下计算在管中消化的纤维素量：
g/mL葡萄糖x20mL(样品体积)x0.9(以校正在纤维素水解后添加的水分子)
如下计算作为葡萄糖释放的总样品百分比(在下表53中)：
经消化的纤维素g/加入的样品g(关于细节参见表5)*100
表53.纤维素酶测定法结果
实施例30-使用树干毕赤酵母的摇瓶发酵
概述
使用来自表36具有最高性能％的4种纤维素材料执行使用树干毕赤酵母的摇瓶发酵。
方案
实验在表54-56中概述的参数下运行。
表54.设备和维修频率
表55.在摇瓶研究中使用的YSI组分
表56.用于摇瓶发酵的化学制品
培养基组分 制造商 参考# 批次#
尿素 ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
酵母氮源 Becton Dickinson 291940 7128171
蛋白胨 Becton Dickinson 211677 4303198
YM肉汤 Becton Dickinson 271120 6278265
木糖 Alfa Aesar A10643 10130919
葡萄糖 Fisher Scientific BP350-1 030064
种子发育
对于所有下述摇瓶实验，使用下述操作制备种子烧瓶。
由得自ARS培养物保藏中心的再水合冻干培养物制备树干毕赤酵母NRRLY-7124的工作细胞库。使包含在15％v/v甘油中的树干毕赤酵母培养物的冷冻小瓶贮存于-75℃下。将经解冻的工作细胞库材料的部分划线到YeastMold(YM)肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。在使用前，将平板放置在4℃2天。用1个菌落接种包含100mL培养基(40g/L葡萄糖、1.7g/L酵母氮源、2.27g/L尿素、6.56g/L蛋白胨、40g/L木糖，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和100rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有光密度4-8和干净的革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
使用样品A132-10、A132-100、G132-10和G132-100运行3次试验。实验#1测试在多种浓度的木糖和恒定浓度的葡萄糖下这4种样品的乙醇浓度。实验#2测试在表36的实验中使用的原料的加倍浓度下这4种样品的乙醇浓度。最后，实验#3测试在同时改变木糖和葡萄糖浓度时这4种样品的乙醇浓度。
实验#1-改变木糖浓度
在如下表57中列出的各种木糖浓度下测试4种纤维素样品(A132-10、A132-100、G132-10和G132-100)。
表57.实验#1烧瓶的培养基组成
测试器皿(总共40个250mL锥形瓶)包含100mL培养基。用表57中概述的木糖和葡萄糖的量制备5种不同类型的培养基。此外，培养基包含1.7g/L酵母氮源(BectonDickinson#291940)、2.27g/L尿素(ScholARChemistry#9472706)和6.56g/L蛋白胨(BectonDickinson#211677)。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行空高压灭菌，并且将过滤(0.22μm滤器)灭菌的培养基加入烧瓶中。在使用前使烧瓶在室温下保持4天并且检查污染(混浊)。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物，并且过滤灭菌不适合于固体灭菌。测试样品(以5g/100mL的A132-10、A132-100、G132-10和G132-100)在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶在30℃和150rpm下温育72小时。
不幸的是，1个烧瓶(具有100％木糖的样品A132-100)在测试过程中被打破。因此，在温育24小时后的所有结果作为单个烧瓶报告。在温育72小时后，将100％原始量的纤维素材料(5.0g)加入100％木糖烧瓶中(总共7个烧瓶，包含样品A132-100的1个烧瓶被打破)，并且如上温育另外48小时。
表58.在温育时间72小时时将原料加入100％木糖烧瓶中
分析
在0、6、12、24、36、48和72小时的温育时间时从40个测试烧瓶获取样品。此外，在100％木糖烧瓶中第二次原料量添加后24和48小时时获取样品(参见表58)。
使用YSIBiochem分析仪基于醇脱氢酶测定法(YSI，Interscience)，就乙醇浓度分析总共292份样品。样品在14,000rpm下离心20分钟，并且将上清液贮存于-20℃。值得注意的是，时间0样品需要通过0.45μm注射器式滤器过滤。在分析前使样品稀释至0-3.2g/L乙醇。约每30份样品分析2.0g/L乙醇标准，以确保膜的完整性得到维持。
对于细胞计数分析总共47份样品。在72小时温育和更多纤维素材料添加后48小时时获取样品。使适当稀释的样品与0.05％台盼蓝相混合，并且装载到Neubauer血球计内。细胞在40X放大率下进行计数。
实验#2-2X原料浓度的分析
测试器皿(总共8个250mL锥形瓶)包含100mL培养基。培养基包含40g/L葡萄糖、40g/L木糖、1.7g/L酵母氮源(BectonDickinson#291940)、2.27g/L尿素(ScholARChemistry#9472706)和6.56g/L蛋白胨(BectonDickinson#211677)。烧瓶如实验#1中一样制备。测试样品(以10g/100mL的A132-10、A132-100、G132-10和G132-100)在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶在上文30℃和150rpm下温育72小时。
分析
在0、6、12、24、36、48和72小时的温育时间时从8个测试烧瓶获取样品。56份样品的乙醇分析按照实验#1执行，并且在表59中报告。细胞计数按照实验#1对72小时样品执行，并且在表60中呈现。
表59.在具有加倍原料的烧瓶中的乙醇浓度
表60.在具有加倍原料的烧瓶中在72小时温育时间时的细胞浓度
实验#3-改变木糖和葡萄糖浓度
在如下表(表60)中列出的多种木糖和葡萄糖浓度下测试4种纤维素样品(A132-10、A132-100、G132-10和G132-100)。
表61.实验#3烧瓶的培养基组成
测试器皿(总共32个250mL锥形瓶)包含100mL培养基。用表61中概述的木糖和葡萄糖的量制备4种不同类型的培养基。此外，培养基包含1.7g/L酵母氮源(BectonDickinson#291940)、2.27g/L尿素(ScholARChemistry#9472706)和6.56g/L蛋白胨(BectonDickinson#211677)。烧瓶按照实验#1制备。测试样品(A132-10、A132-100、G132-10和G132-100)在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶在30℃和150rpm下温育72小时。
分析
在0、6、12、24、36、48和72小时的温育时间时从32个测试烧瓶获取样品(参见表62-65)。使用YSIBiochem分析仪基于醇脱氢酶测定法(YSI，Interscience)，就乙醇浓度分析总共224份样品。样品在14,000rpm下离心20分钟，并且将上清液贮存于-20℃。值得注意的是，某些样品需要离心且通过0.45μm注射器式滤器过滤。在分析前使样品稀释至0-3.2g/L乙醇。约每30份样品分析2.0g/L乙醇标准，以确保YSI膜的完整性得到维持。
表62.样品A132-10乙醇结果
*来自实验#3的分析。
表64.样品G132-10乙醇结果
*来自实验#3的分析。
表65.样品G132-100乙醇结果
*来自实验#3的分析。
表65.样品G132-100乙醇结果
*来自实验#3的分析。
对于细胞计数在72小时温育时获取样品(参见表66-67)。使适当稀释的样品与0.05％台盼蓝相混合，并且装载到Neubauer血球计内。细胞在40X放大率下进行计数。
结果
1个种子烧瓶用于接种所有实验#1和#2测试烧瓶。种子烧瓶的光密度(600nm)测量为5.14，并且细胞浓度是4.65x108细胞/mL(表65-66)。因此，在测试烧瓶中的细胞起始浓度是约4.65x106细胞/mL。
第二个种子烧瓶用于接种实验#3烧瓶。种子烧瓶的光密度(600nm)测量为5.78，并且细胞浓度是3.75x108细胞/mL。因此，在测试烧瓶中的细胞起始浓度是约3.75x106细胞/mL。
表66.在72小时的温育时间时的细胞计数
*样品在生长72小时后被高度污染。这是预期的，因为毕赤酵母属不添加糖无法良好生长，并且污染物(来自未灭菌样品)能够生长超过毕赤酵母属。
表67.在添加后(100％木糖和葡萄糖)48小时的温育时间时的细胞计数
实施例31-木质纤维素样品针对树干毕赤酵母和酿酒酵母的毒性测试
概述
37种样品就针对2种乙醇生产培养物(酿酒酵母和树干毕赤酵母)的毒性进行分析。在这项研究中，将葡萄糖加入样品中，以便区别培养物的饥饿和样品的毒性。
表68.用于毒性测试的条件
方案
所使用的方案概括在表68中列出。在毒性测试中使用的化学制品的描述在表69中列出。对于每周测试对于每种微生物执行2个对照烧瓶(不加入样品)。分析总共82个烧瓶。
在实验过程中，在温育前24小时内在包含样品C、C-1e、C-5e和C-10e的树干毕赤酵母烧瓶中未出现乙醇或细胞。为了证实结果，重复测试。第二次测试证实当样品C、C1E、C5E和C10E加入烧瓶时，树干毕赤酵母生长的一定程度抑制。
表69.用于毒性测试的化学制品和材料
培养基组分 制造商 参考# 批次#
尿素 ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
酵母氮源 Becton Dickinson 291940 7128171
蛋白胨 Becton Dickinson 211677 4303198
木糖 Alfa Aesar A10643 10130919
葡萄糖 Sigma G-5400 107H0245
酵母提取物 Becton Dickinson 288620 4026828
YM肉汤 Becton Dickinson 271120 6278265
表70.在毒性研究中使用的YSI组分
测试样品
使用适合于小样品的咖啡磨研磨7种测试样品(全部具有C指名)。使样品研磨至用肉眼一致的粒子大小(在样品之间)。样品编号C-100e易于研磨至小粒子大小。
将所有样品以50克/升的浓度加入烧瓶中，除6种P样品(25克/升)外。这些样品在颜色中是白色至灰白色，并且在视觉上是松散的，并且在50克/升的浓度下烧瓶无法适当混合(没有足够的游离液体)。样品S易于溶解并且在将来可以以更高浓度加入烧瓶中。样品A和G在将来可以以100克/升加入。
测试使用2种微生物如下所述执行。
酿酒酵母ATCC24858(美国典型培养物中心)
由得自美国典型培养物中心的再水合冻干培养物制备酿酒酵母ATCC24858的工作细胞库。使包含在15％v/v甘油中的酿酒酵母培养物的冷冻小瓶贮存于-75℃下。将经解冻的工作细胞库材料的部分划线到YeastMold(YM)肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。用来自YM平板的1个菌落接种包含50mL培养基(20g/L葡萄糖、3g/L酵母提取物和5.0g/L蛋白胨，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和200rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，具有OD9-15和纯革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)用于接种生长烧瓶。在生长23小时后，种子烧瓶具有低OD(5.14)和细胞计数(1.35x108细胞/mL)。值得注意的是，得自种子平板的菌落小于通常的。因此，将0.5mL种子材料(与计划的0.1ml形成对比)加入每个测试器皿中。
测试器皿是包含100mL上述无菌培养基的500mL锥形瓶。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行高压灭菌。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物。测试样品在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将0.5-1.0mL(0.5-1.0％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶如上所述温育72小时。
树干毕赤酵母(ARS培养物保藏中心)
由得自ARS培养物保藏中心的再水合冻干培养物制备树干毕赤酵母NRRLY-7124的工作细胞库。使包含在15％v/v甘油中的树干毕赤酵母培养物的冷冻小瓶贮存于-75℃下。将经解冻的工作细胞库材料的部分划线到YeastMold(YM)肉汤+20g/L琼脂(pH5.0)上，并且在30℃下温育2天。在使用前使平板在4℃下保持高达5天。用1个菌落接种包含100mL培养基(40g/L葡萄糖、1.7g/L酵母氮源、2.27g/L尿素、6.56g/L蛋白胨、40g/L木糖，pH5.0)的250mL锥形瓶，并且在25℃和125rpm下温育24小时。在生长23小时后，获取样品并且分析光密度(在UV分光光度计中600nm)和纯度(革兰氏染色)。基于这些结果，选择具有光密度5-9和纯革兰氏染色的1个烧瓶(被称为种子烧瓶)以接种所有测试烧瓶。
测试器皿是包含100mL上述无菌培养基的250mL锥形瓶。在加入测试材料前，所有烧瓶在121℃和15psi下进行空高压灭菌，并且将过滤(0.22μm滤器)灭菌的培养基加入烧瓶中。测试材料不进行灭菌，因为高压灭菌将改变样品的内容物，并且过滤灭菌不适合于固体灭菌。测试样品在接种时(而不是之前)加入，以减少污染的可能性。除测试样品外，还将1mL(1％v/v)种子烧瓶材料加入每个烧瓶中。使烧瓶如上所述温育72小时。
分析
紧在接种前从种子烧瓶以及在24和72小时时从每个测试烧瓶获取样品，并且使用直接计数分析细胞浓度。使适当稀释的酿酒酵母和树干毕赤酵母样品与0.05％台盼蓝相混合，装载到Neubauer血球计内。细胞在40X放大率下进行计数。
在0、6、12、24、36、48和72小时时从每个烧瓶获取样品，并且使用YSIBiochem分析仪基于醇脱氢酶测定法(YSI，Interscience)分析乙醇浓度。样品在14,000rpm下离心20分钟，并且将上清液贮存于-20℃。在分析前使样品稀释至0-3.2g/L乙醇。约每30份样品分析2.0g/L乙醇标准，以确保膜的完整性在分析过程中得到维持。
计算
下述计算用于使细胞计数和乙醇浓度与对照烧瓶相比较。
性能％＝(测试烧瓶中的乙醇浓度/对照中的乙醇)*100％细胞＝(测试烧瓶中的细胞数目/对照烧瓶中的细胞数目)*100
结果
酿酒酵母种子烧瓶具有5.14的光密度(600nm)和1.35x108细胞/mL的细胞浓度。将0.5mL种子烧瓶材料加入每个测试烧瓶中。因此，每个烧瓶中的起始细胞浓度是6.75x105/mL。在第二周测试过程中，酿酒酵母种子烧瓶具有4.87的光密度(600nm)和3.15x107细胞/mL的细胞浓度。将1mL种子烧瓶材料加入每个测试烧瓶中。因此，每个烧瓶中的起始细胞浓度是6.30x105/mL。在样品时间0小时时酿酒酵母烧瓶的pH在表71中呈现。烧瓶内容物的pH在用于酿酒酵母生长的最佳pH内(pH4-6)。不需要pH调整。
表71.在样品时间0小时时酿酒酵母烧瓶的pH
*“S”指蔗糖
*“C”指玉米
*“ST”指淀粉
酿酒酵母烧瓶中的乙醇浓度和性能在表72和73中呈现。最高乙醇浓度由S系列产生。
表72.酿酒酵母烧瓶中的乙醇浓度
*第2周分析
关于样品编号关键参见表72
表73.酿酒酵母烧瓶中的性能
*第2周分析
酿酒酵母烧瓶中的细胞浓度和细胞％在表74中呈现。在所有烧瓶中都观察到高细胞计数；然而，并非所有细胞看起来都制备乙醇。
表74.酿酒酵母细胞计数和细胞％
树干毕赤酵母种子烧瓶具有5.01的光密度(600nm)和3.30x108细胞/mL的细胞浓度。将1mL种子烧瓶材料加入每个测试烧瓶中。因此，每个烧瓶中的起始细胞浓度是3.30x106/mL。在第二周测试过程中，树干毕赤酵母种子烧瓶具有5.45的光密度(600nm)和3.83x108细胞/mL的细胞浓度。将1mL种子烧瓶材料加入每个测试烧瓶中。因此，每个烧瓶中的起始细胞浓度是3.83x106/mL。在样品时间0小时时树干毕赤酵母烧瓶的pH在表75中呈现。烧瓶内容物的pH在用于树干毕赤酵母生长的最佳pH内(pH4-7)。不需要pH调整。
表75.在样品时间0小时时树干毕赤酵母烧瓶的pH
树干毕赤酵母烧瓶中的乙醇浓度和性能在表76和77中呈现。最高乙醇浓度是G和A系列。烧瓶C-30e、C-50e和C-100e也包含高乙醇浓度。树干毕赤酵母烧瓶中的细胞浓度和细胞％在表78中呈现。在具有S指名的烧瓶中观察到低细胞浓度。在24小时样品时间时在包含样品C、C1E、C5E和C10E的烧瓶中也观察到低细胞计数。
表76.树干毕赤酵母烧瓶中的乙醇浓度
*第2周分析
表77.树干毕赤酵母烧瓶中的性能
*在第2周中分析
表78.树干毕赤酵母细胞计数和细胞％
*第2周分析
细胞毒性结果概括
运动发酵单胞菌
如图表1A中所示，在24小时时间点时，在包含P-132-10、G-132-10和WS-132-10的样品中观察到升高的细胞数目(例如，超过对照)。在所有其他样品的存在下的细胞数目与对照可比较。这个观察指出在种植后高达24小时，底物针对运动发酵单胞菌是无毒的。
在36小时时间点时，对于所有样品包括对照观察到细胞数目中的下降(例如，由于细胞丧失或细胞死亡)。对于包含P-132-10、G-132-10的那些样品观察到细胞数目中的最大下降。这个效应的可能原因对于所有样品包括对照是共同的。因此，这个效应的原因不是测试底物，因为这些在每种样品中不同，并且在对照中不存在。关于这个观察的可能解释包括不合适的培养条件(例如，温度、培养基组成)或样品中的乙醇浓度。
图表1A.关于运动发酵单胞菌的细胞浓度
如图表1B中所示，在每个时间点时所有细胞都产生可比较量的乙醇(例如，5-10g/L)，与底物无关。与图表1A中呈现的细胞数目数据一致，每种样品中的乙醇浓度在24小时时间点时达到峰值。与细胞数目数据形成对比，乙醇浓度在后续时间点时不下降。这是预期的，因为乙醇不从系统中取出。此外，这个数据暗示这些样品中的乙醇生产可能已起因于培养基中的葡萄糖发酵。所测试的底物无一看起来增加乙醇生产。
图表1B.关于运动发酵单胞菌的乙醇浓度
总之，图表1A和1B暗示高于约6g/L的乙醇浓度对于运动发酵单胞菌可能是有毒的。这个数据还作为针对对照标准化的百分率呈现，如图表1C中所示。
图表1C.关于运动发酵单胞菌的生长％和乙醇生产
树干毕赤酵母
如图表2A中所示，细胞数目与对照可比较。此外，尽管在包含G-132和WS-132的样品中存在略微减少的细胞数目，但对于G-132-10、G-132-100、A-132-10或A-132-100未观察到细胞数目减少。因此，不太可能底物G或A是有毒的。相反，对于G-132和WS-132观察到的细胞数目减少可能由实验异常或不知何故阻碍细胞生长的未经加工底物的存在引起。总之，这个数据暗示在对照和实验样品中存在的葡萄糖可能足以促进最佳树干毕赤酵母生长，并且样品中另外底物的存在不增加这个生长率。这些结果还暗示样品无一在树干毕赤酵母中是有毒的。
图表2A.关于树干毕赤酵母的细胞浓度
如图表2B中所示，尽管图表2B中报告了相似的细胞数目，但在包含实验底物的所有样品中都观察到极大增加的乙醇生产。对于所测试的3个时间点中的每个，乙醇浓度随着时间过去增加。在48小时时间点时，对于A-132-10观察到最高乙醇浓度(例如，约26.0g/L)。通过使具有最高乙醇生产水平的底物浓度与图表2B中呈现的细胞数目数据相比较，可以看出树干毕赤酵母看起来对于增加的乙醇浓度不敏感。此外，乙醇生产看起来与细胞数目无关，而是看起来与样品中存在的底物类型相关。
图表2B.关于树干毕赤酵母的乙醇浓度
总之，图表2A和2B中呈现的结果暗示实验底物不促进增加的树干毕赤酵母生长，然而，它们极大增加通过这个细胞类型生产的乙醇量。这个数据还作为针对对照标准化的百分率呈现，如图表2C中所示。
图表2C.关于树干毕赤酵母的生长％和乙醇生产
酿酒酵母
如图表3A中所示，与对照相比较，G-132-100、A-132、A-132-10、A-132-100和WS-132促进略微升高的细胞数目。对于任何样品未观察到细胞数目中的显著减少。这些结果暗示样品无一在酿酒酵母中是有毒的。
图表3A.关于酿酒酵母的细胞浓度
如图表3B中所示，与对照相比较，在用每种细胞类型处理的细胞中观察到增加的乙醇生产。包含最高量乙醇的那些样品与图表3A中呈现的细胞数目数据相比较，暗示超过5g/L的乙醇浓度可能对细胞数目具有不良作用。然而，这个观察不是对于所有样品的情况。
图表3B.关于酿酒酵母的乙醇浓度
这个数据还作为针对对照标准化的百分率呈现，如图表3C中所示。
图表3C.关于酿酒酵母的生长％和乙醇生产
总之，所测试的样品无一看起来在运动发酵单胞菌、树干毕赤酵母或酿酒酵母中是有毒的。此外，树干毕赤酵母看起来是3种细胞类型中对于由所测试的实验底物生产乙醇最有效的。
实施例32-使用照射-超声处理预处理的醇生产
关于生物量转变工厂的最佳大小受以下因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂加工过程相关的规模经济。然而，增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/生物量原料单位。分析这些因素的研究提出关于生物量转变工厂的合适大小可以是2000-10,000吨干燥生物量原料/天。下文描述的工厂大小为加工2000吨干燥生物量原料/天。
图39显示配置为加工柳枝稷的生物量转变系统的过程图解。进料制备子系统加工原始生物量原料，以去除外来物体且提供均匀大小的颗粒用于进一步加工。预处理子系统改变生物量原料的分子结构(例如，以减少平均分子量和结晶度)：通过照射生物量原料，使经照射的生物量原料与水相混合以形成浆，并且将超声能应用于浆。照射和超声处理将生物量原料的纤维素和木质纤维素组分转变成可发酵的材料。初级处理子系统使在预处理后存在的葡萄糖和其他低分子量糖发酵以形成醇。
进料制备
关于工厂所选择的设计进料率是2,000吨干燥柳枝稷生物量/天。设计进料是经剁碎和/或经剪切的柳枝稷。
以柳枝稷捆形式的生物量原料在货车拖车上由工厂接受。当货车接受时，它们进行称重且由铲车卸载。某些捆送至现场贮存，而其他直接走向传送机。从那里，将捆传送至自动解开系统，其切掉捆周围的塑料包裹和/或网。随后使生物量原料传送经过磁力分离器以去除夹杂金属，这之后将它引入切碎机-剪切机串，在其中材料在尺寸中减少。最后，将生物量原料传送给预处理子系统。
因为柳枝稷仅是季节性可用的，所以需要长期贮存以给工厂提供全年的进料。长期贮存将可能由在合理地接近于乙醇工厂的场地(或多个场地)处400-500英亩无覆盖的堆叠排列的捆组成。提供与在外部贮存区域处的72小时生产等价的现场短期贮存。捆和外界进路以及转运传送机将在混凝土板上。使用混凝土板是因为递送所需的大量生物量原料所需的交通量。混凝土板将使贮存区域中的静水的量降到最低，以及减少生物量原料对灰尘的暴露。经贮存的材料提供用于周末、假期和当材料正常直接递送到过程内中断时的短期供应。
捆通过铲车卸货，并且直接放置到捆转运传送机上或短期贮存区域中。捆也通过铲车从短期贮存中回收，并且装载到捆转运传送机上。
捆运送给2个捆解开站之一。经解开的捆使用平压机打碎并且随后排放到传送机上，所述传送机经过磁力分离器以在切碎前去除金属。提供铁质夹杂物磁体以捕获杂散的磁性金属，并且粗粒筛在多个切碎机-剪切机串前面去除肉眼可见的超尺寸和外来材料，这使生物量原料减少至用于预处理的适当大小。切碎机-剪切机串包括切碎机和旋转切割机。切碎机减少原始生物量原料的大小，并且将所得到的材料供应给旋转切割机。旋转切割机同时剪切生物量原料且筛选所得到的材料。最后，将生物量原料传送给预处理子系统。
提供3个贮存地窖以限制由于进料制备子系统设备的所需维持和/或故障的整个系统停工期。每个地窖可以容纳约55,000立方英尺的生物量原料(～3小时的工厂操作)。
预处理
传送带携带生物量原料从进料制备子系统110到预处理子系统114。如图40中所示，在预处理子系统114中，生物量原料使用电子束发射器进行照射，与水相混合以形成浆，并且实施超声能的应用。如上文讨论的，生物量材料的照射改变生物量原料的分子结构(例如，减少平均分子量和结晶度)。使经照射的生物量原料混合到浆内，并且将超声能应用于浆进一步改变生物量原料的分子结构。辐射和超声处理按顺序应用可以具有协同作用，因为技术的组合看起来达到比任一技术独自可以有效达到的对分子结构的更大改变(例如，减少不顺应、平均分子量和结晶度)。不希望受理论束缚，除通过破坏生物量原料的纤维素和木质纤维素组分的区段之间的分子内键减少生物量原料的聚合外，照射还可以使得生物量原料的总体物理结构更易碎。在易碎的生物量原料混合到浆内后，超声能的应用进一步改变(例如，减少平均分子量和结晶度)，并且还减少生物量原料颗粒的大小。
电子束照射
携带生物量原料进入预处理子系统内的传送带491将生物量原料分布到多个进料流(例如，50个进料流)内，各进料流导致分离的电子束发射器492。在这个实施方案中，生物量原料在其干燥时进行照射。每个进料流在分开的传送带上携带至结合的电子束发射器。每个照射进料传送带可以是约1米宽。在到达电子束发射器前，在每个传送带中诱导局限性振动，以使干燥生物量原料在传送带的横断面宽度上平均分布。
电子束发射器492(例如，从TitanCorporation，SanDiego，CA商购可得的电子束照射装置)配置为在300kW的功率下应用100kilo-Gray剂量的电子。电子束发射器以与传送带宽度相对应的1米扫掠宽度扫描束装置。在某些实施方案中，使用具有大的固定束宽度的电子束发射器。因素包括带/束宽度、所需剂量、生物量原料密度和所应用的功率，支配工厂加工2,000吨干燥进料/天所需的电子束发射器数目。
超声处理
在应用超声能前，使经照射的生物量原料与水相混合以形成浆。可以存在与每个电子束进料流结合的分离超声处理系统，或几个电子束流可以聚集为用于单个超声处理系统的进料。
在每个超声处理系统中，经照射的生物量原料通过第一个进入口1232注入储库1214，并且水通过第二个进入口1234注入储库1214内。合适的阀(手动或自动的)控制生物量原料的流动和水的流动，以产生所需生物量原料与水的比(例如，10％纤维素材料，容重)。每个储库1214包括混合器1240，以搅动容积1236的内容物，并且使生物量原料遍及水分散。
在每个超声处理系统中，将浆从储库1214抽吸出来(例如，使用凹式叶轮涡流泵1218)且通过包括超声换能器1226的流动池1224。在某些实施方案中，泵1218配置为搅动浆1216，从而使得生物量原料和水的混合物在流动池1224的入口1220处基本上均匀。例如，泵1218可以搅动浆1216，以造成在第一个泵和流动池1224的进口1220之间的管道自始至终持续的湍流。
在流动池1224内，当浆流经流动池1224时，超声换能器1226将超声能传导到浆1216内。超声换能器1226将电能转变成高频机械能(例如，超声能)，这随后通过助推器48递送给浆。超声换能器是商购可得的(例如，来自HielscherUSA，Inc.ofRingwood，NewJersey)，其能够递送16千瓦的连续动力。
在反应器容积1244中运送通过助推器1248的超声能在加工流1216中造成一系列压缩和稀化，其强度足以造成加工流1216中的空穴形成。空穴形成使加工流1216(例如，浆)中分散的生物量原料组分例如纤维素和木质纤维素材料解聚。空穴形成还在加工流1216(例如，浆)的水中产生自由基。这些自由基作用于进一步断裂加工流1216中的纤维素材料。一般而言，将约250MJ/m3的超声能应用于包含白杨碎片片段的加工流1216。其他水平的超声能(5-4000MJ/m3，例如10、25、50、100、250、500、750、1000、2000或3000)可以应用于其他生物量原料。在反应器容积1244中暴露于超声能后，加工流1216通过排出口1222退出流动池24。
流动池1224还包括与反应器容积1244的至少部分热联系的热交换器1246。冷却流体1248(例如，水)流入热交换器1246内，并且吸收当加工流1216(例如，浆)在反应器容积1244中超声处理时产生的热。在某些实施方案中，控制冷却流体1248进入热交换器1246内的流速，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。另外地或在备选方案中，控制流入热交换器1246内的冷却流体1248的温度，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。
流动池1224的出口1242安排在储库1214的底部附近，以诱导加工流1216(例如，浆)的重力进料离开储库1214朝向第二个泵1230的进口，所述第二个泵1230抽吸加工流1216(例如，浆)朝向初级处理子系统。
超声处理系统可以包括单个流路径(如上所述)或各自具有经结合的个别超声处理单元的多个平行流路径。多个超声处理单元也可以串联排列，以增加应用于浆的超声能量的量。
初级加工过程
在发酵前，转筒式真空滤器去除来自浆的固体。在进入发酵罐之前抽吸来自滤器的液体冷却。使经过滤的固体经过以传送给后加工子系统用于进一步加工。
发酵槽是具有圆锥形底部和低速搅拌器的大型低压力不锈钢器皿。多个第一阶段发酵槽可以串联排列。使用外部热交换器，将第一阶段发酵槽中的温度控制为30摄氏度。在每个串联槽的头部处将酵母加入第一阶段发酵槽中，并且携带通过串联中的其他槽。
第二阶段发酵由串联的2个连续发酵罐组成。2个发酵罐都用低速机械混合器进行连续搅拌。温度用具有连续再循环的外部交换器中的冷却水控制。由于高固体浓度，再循环泵是螺杆(progressivecavity)型的。
使来自发酵槽和发酵罐的废气相组合，并且在放出到大气前在对向流水柱中洗涤。废气进行洗涤以回收乙醇而不是用于空气排放控制。
后加工
蒸馏
蒸馏和分子筛吸附用于回收来自原始发酵啤酒的乙醇且产生99.5％乙醇。蒸馏在2个柱中完成――第一个柱被称为啤酒柱，去除溶解的CO2和大多数水，并且第二个柱使乙醇浓缩至近共沸组成。
来自近共沸混合物的所有水通过蒸气相分子筛吸附去除。吸附柱的再生要求乙醇水混合物再循环至蒸馏用于回收。
发酵通风口(主要包含CO2，但也包含某些乙醇)以及啤酒柱通风口在水洗涤器中进行清洗，回收几乎所有乙醇。洗涤器流出物连同发酵啤酒一起供应给第一个蒸馏柱。
来自第一次蒸馏的底部残留物包含所有未经转变的不溶性和溶解的固体。不溶性固体通过压滤器脱水且送至燃烧器。使用来自蒸馏的废热，使来自压滤器未再循环的液体在多效蒸发器中浓缩。使来自蒸发器的浓缩糖浆与送至燃烧器的固体相混合，并且经蒸发的冷凝物作为对于过程的相对清洁的再循环水使用。
因为可以再循环的釜馏物水量是有限的，所以在过程中包括蒸发器。来自压滤器直接再循环的水总量设为25％。有机盐如乙酸铵或乳酸铵、不由生物利用的液剂组分、或在生物量中的无机化合物在这个流中终止。再循环太多这种材料可以导致可以对于发酵生物的效率有害的离子强度和渗透压水平。对于未再循环的水，蒸发器使溶解的固体浓缩成糖浆，其可以送至燃烧器，使关于废水处理的负荷降到最低。
废水处理
废水处理部分处理过程水用于再使用，以减少工厂的补给水需求。废水最初进行筛选以去除大颗粒，这收集在漏斗中且送至填埋场。筛选随后为厌氧消化和需氧消化，以消化流中的有机物质。厌氧消化产生富含甲烷且供应给燃烧器的生物气流。需氧消化产生用于在过程中再使用的相对清洁水流以及主要由细胞群组成的污泥。污泥也在燃烧器中点燃。这个筛选/厌氧消化/需氧消化方案是当前乙醇工业内标准的，并且在1-5百万加仑/日范围中的设施可以作为“现成的”单元从厂家获得。
燃烧器、锅炉和涡轮发电机
燃烧器、锅炉和涡轮发电机子系统的目的是点燃多种副产物流用于蒸汽和电产生。例如，某些木质素、纤维素和半纤维素通过预处理和初级加工过程仍是未经转变的。来自过程的大部分废水浓缩至可溶性固体很高的糖浆。其余废水的厌氧消化产生甲烷很高的生物气。需氧消化产生少量废弃生物量(污泥)。点燃这些副产物流以产生蒸汽和电允许工厂在能量方面自给自足，减少固体废物处理成本，并且通过销售过量电产生附加收入。
3个初级燃料流(蒸馏后固体、生物气和蒸发器糖浆)供应给循环流化床燃烧器。来自废水处理的少量废弃生物量(污泥)也送至燃烧器。风扇将空气移动到燃烧室内。经处理的水进入燃烧器中的热交换器回路，并且进行蒸发且过热至510℃(950°F)和86atm(1265psia)蒸汽。来自燃烧器的烟道气使进入的燃烧空气预热随后进入袋滤室，以去除被填埋的微粒。气体通过烟囱进行排气。
多级式涡轮机和发电机用于产生电。蒸汽在3个不同条件下从涡轮机中提取，用于进样到预处理反应器内以及在蒸馏和蒸发中热交换。其余蒸汽用冷却水冷凝，并且连同来自过程中多种热交换器的冷凝物一起返回锅炉给水系统。处理好的水用作补给以替代在直接进样中使用的蒸汽。
其他实施方案
本发明的许多实施方案已得到描述。然而，应当理解可以进行各种修饰而不背离本发明的精神和范围。
在某些实施方案中，任选地与声能例如超声相组合的相对低剂量的辐射，用于交联、移植或以其他方式增加含碳水化合物的天然或合成材料的分子量，例如以本文描述的任何形式(例如，纤维形式)的这些材料中的任何，例如经剪切的或未经剪切的纤维素或木质纤维素材料，例如纤维素。通过选择采用的一种或多种辐射类型(例如，电子束和紫外线或电子束和γ)和/或所应用的辐射剂量或剂量次数，可以以控制和预定方式执行交联、移植或以其他方式增加含碳水化合物的天然或合成材料的分子量。具有增加的分子量的此类材料可以用于制备复合材料，例如纤维树脂复合材料，其具有改善的机械性质，例如耐磨损性、耐压强度、抗断裂性、冲击强度、抗弯强度、拉伸模量、弯曲模量和断裂伸度。相对于未经处理的材料，交联、移植或以其他方式增加所选择的材料的分子量可以改善材料的热稳定性。增加所选择的材料的热稳定性可以允许它在更高的温度下加工而不降解。此外，用辐射处理材料可以使材料灭菌，这可以减少其腐烂趋势，例如在复合材料中时。通过选择采用的一种或多种辐射类型和/或所应用的一种或多种辐射剂量，对于特定应用可以以控制和预定方式执行交联、移植或以其他方式增加含碳水化合物的天然或合成材料的分子量。
当使用时，辐射例如低剂量辐射和声能例如超声或超声能的组合可以改善材料吞吐量和/或使能量使用降到最低。
树脂可以是任何热塑性塑料、热固性材料、弹性体、胶粘剂或这些树脂的混合物。合适树脂包括本文所述的任何树脂或树脂的混合物。
除单独的树脂外，具有增加的分子量的材料可以与其他材料相组合、掺和或加入，所述其他材料例如金属、金属合金、陶瓷(例如，水泥)、木质素、有机或无机添加剂、弹性体、沥青、玻璃或这些中的任何和/或树脂的混合物。当加入水泥中时，可以产生具有改善的机械性质的纤维增强水泥，例如本文描述的性质，例如耐压强度和/或抗断裂性。
利用辐射交联、移植或以其他方式增加含碳水化合物的天然或合成材料的分子量可以提供以许多形式和用于许多应用的有用材料。例如，含碳水化合物的材料可以以下述形式：纸制品例如纸、纸浆或纸流出物，刨花板，胶合木层压板例如薄板或胶合板，木料例如松树、白杨、橡树或甚至轻木木材木料。处理纸、刨花板、层压板或可以木料增加其机械性质，例如其强度。例如，用辐射处理松树木料可以制备高强度结构材料。
当使用辐射制备纸时，辐射可以在其制造中在任何点时利用。例如，可以照射浆，可以照射经压缩的纤维预成型物，或可以照射完成的纸其自身。在某些实施方案中，辐射在制造过程期间在超过一个点时应用。
例如，可以以这样的方式照射包含具有第一种分子量的第一种纤维素和/或木质纤维素材料的纤维材料，以提供具有比第一种分子量高的第二种分子量的第二种纤维素和/或木质纤维素材料。例如，如果γ辐射用作辐射源，那么可以应用约0.2Mrad-约10Mrad的剂量，例如约0.5Mrad-约7.5Mrad、或约2.0Mrad-约5.0Mrad。如果利用电子束，那么可以应用较小剂量(相对于γ辐射)，例如约0.1Mrad-约5Mrad的剂量，例如约0.2Mrad-约3Mrad、或约0.25Mrad-约2.5Mrad。在相对低剂量的辐射后，第二种纤维素和/或木质纤维素材料可以与材料例如树脂相组合，并且例如通过压迫塑型、注入塑型或挤出形成复合材料。形成树脂纤维复合材料在WO2006/102543中描述。形成复合材料后，可以使它们照射以进一步增加在复合材料中时含碳水化合物的材料的分子量。
备选地，包括具有第一种分子量的第一种纤维素和/或木质纤维素材料的纤维材料可以与材料例如树脂相组合，以提供复合材料，并且随后可以用相对低剂量的辐射对复合材料进行照射，以便提供具有比第一种分子量高的第二种分子量的第二种纤维素和/或木质纤维素材料。例如，如果γ辐射用作辐射源，那么可以应用约1Mrad-约10Mrad的剂量。使用这种方法增加材料的分子量，当它与基质例如树脂基质一起时。在某些实施方案中，树脂是可交联树脂，并且像这样，它在含碳水化合物的材料增加分子量时交联，这可以提供协同效应，以对复合材料提供最大限度的机械性质。例如，此类复合材料可以具有极佳的低温性能，例如在低温下具有减少的破坏和/或破裂趋势，例如低于0℃的温度，例如低于-10℃、-20℃、-40℃、-50℃、-60℃或甚至低于-100℃，和/或在高温下的极佳性能，例如在相对高的温度下能够维持其有利的机械性质，例如在超过100℃的温度下，例如超过125℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃或甚至超过500℃。此外，此类复合材料可以具有极佳的化学抗性，例如对在溶剂例如烃溶剂中的膨胀的抗性，对例如通过强酸、强碱、强氧化试剂(例如，氯或漂白剂)或还原剂(例如，活跃金属例如钠和钾)的化学攻击的抗性。
在某些实施方案中，树脂或其他基质材料在照射过程中不交联。在某些实施方案中，当含碳水化合物的材料在基质内时应用另外辐射，以进一步增加含碳水化合物的材料的分子量。在某些实施方案中，辐射引起基质和含碳水化合物的材料之间形成键。
在某些实施方案中，含碳水化合物的材料以纤维的形式。在此类实施方案中，当纤维在复合材料中利用时，纤维可以在基质内随机定向。在其他实施方案中，纤维可以例如基本上以1、2、3或4个方向定向。需要时，纤维可以是连续或不连续的。
下述添加剂中的任何可以加入纤维材料、致密化纤维材料或本文描述的任何其他材料和复合材料中。可以例如向纤维材料和树脂的组合中加入以固体、液体或气体形式的添加剂。添加剂包括填充剂，例如碳酸钙、石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纤维、二氧化硅和滑石；无机阻燃剂，例如三水合氧化铝或氢氧化镁；有机阻燃剂，例如氯化或溴化有机化合物；地面建筑废物；地面轮胎橡胶；碳纤维；或金属纤维或粉末(例如，铝、不锈钢)。这些添加剂可以加强、延长或改变电、机械或相容性性质。其他添加剂包括木质素、香料、偶联剂、增容剂例如马来酸化聚丙烯、加工助剂、润滑剂例如氟化聚乙烯、增塑剂、抗氧化试剂、遮光剂、热稳定剂、着色剂、起泡剂、抗冲改性剂、聚合物例如可降解聚合物、光稳定剂、杀生物剂、抗静电剂例如硬脂酸盐或乙氧基化脂肪酸胺。合适的抗静电化合物包括导电碳黑、碳纤维、金属纤维、阳离子化合物例如季铵化合物，例如N-(3-氯-2-羟丙基)-三甲基氯化铵、烷醇酰胺和胺。代表性可降解聚合物包括聚羟基酸，例如聚乳酸、聚羟乙酸以及乳酸和羟乙酸的共聚物、聚(羟基丁酸)、聚(羟基戊酸)、聚[丙交酯共(e-己内酯)]、聚[乙交酯共(e-己内酯)]、聚碳酸酯、聚(氨基酸)、聚(羟基链烷酸酯)、聚酐、聚原酸酯和这些聚合物的掺和物。
当包括所述添加剂时，基于纤维材料的总重量，它们可以以基于干重计算的从低于1％到高达80％的量存在。更一般地，量范围是约0.5重量％-约50重量％，例如5％、10％、20％、30％或更多，例如40％。
本文描述的任何添加剂可以装入胶囊，例如喷雾干燥或装入微型胶囊，例如以保护添加剂不受在处理过程中的热或湿度。
纤维材料、致密化纤维材料、树脂或添加剂可以进行染色。例如，纤维材料可以在与树脂相组合且配料以形成复合材料前进行染色。在某些实施方案中，当需要这点时，这种染色可以帮助在制型或挤出部分中掩蔽或隐藏纤维材料，特别是纤维材料的大结块。当以相对高的浓度存在时，此类大结块可以作为斑点在制型或挤出部分的表面中显露出。
例如，所需纤维材料可以使用酸性染料、直接染料或活性染料进行染色。此类染料可从SpectraDyes、Kearny、NJ或KeystoneAnilineCorporation，Chicago，IL。染料的具体例子包括SPECTRATMLIGHTYELLOW2G、SPECTRACIDTMYELLOW4GLCONC200、SPECTRANYLTMRHODAMINE8、SPECTRANYLTMNEUTRALREDB、SPECTRAMINETMBENZOPERPURINE、SPECTRADIAZOTMBLACKOB、SPECTRAMINETMTURQUOISEG和SPECTRAMINETMGREYLVL200％，各自可从SpectraDyes获得。
在某些实施方案中，使包含色素的树脂彩色浓缩物与染料掺和。当此类掺和物随后与所需纤维材料配料时，纤维材料可以在配料过程中原位染色。彩色浓缩物可从Clariant获得。
将香味或香料加入纤维材料、致密化纤维材料或复合材料中可以是有利的。例如，对于复合材料嗅起来和/或看起来象天然木材例如雪松木材可以是有利的。例如，香料例如天然木材香料可以化合到用于制备复合材料的树脂内。在某些实现中，香料作为油直接化合到树脂内。例如，使用轧制机例如混合器，或挤压机例如具有正反转螺旋的双螺杆挤压机，可以将油化合到树脂内。混合器的例子是由Farrel制造的F-Series混合器。双螺杆挤压机的例子是由KruppWerner&Pfleiderer制造的WPZSK50MEGAcompunderTM。在化合后，可以将有香味的树脂加入纤维材料中，并且挤出或塑型。备选地，香料填充树脂的母料在商标名PolyIffTM下从InternationalFlavorsandFragrances或RTPCompany商购可得。在某些实施方案中，在复合材料中的香料量是约0.005重量％-约10重量％，例如约0.1重量％-约5重量％，或约0.25重量％-约2.5重量％。
其他天然木材香料包括常绿树或红杉。其他香料包括薄荷、樱桃、草莓、桃、酸橙、留兰香、肉桂、大茴香、罗勒、佛手柑、黑胡椒、樟脑、甘菊、香茅、桉树、松树、冷杉、天竺葵、姜、葡萄柚、茉莉、杜松子、薰衣草、柠檬、桔、马郁兰、麝香、myrhh、橙、广藿香、玫瑰、迷迭香、红根草、檀香、茶树、百里香、冬青、依兰依兰、香草、新车或这些香料的混合物。在某些实施方案中，在纤维材料香料组合中的香料量是约0.005重量％-约20重量％，例如约0.1重量％-约5重量％，或约0.25重量％-约2.5重量％。
尽管已描述了纤维材料，例如纤维素和木质纤维素材料，但其他填充剂也可以用于制备复合材料。例如，可以使用无机填充剂，例如碳酸钙(例如，沉淀碳酸钙或天然碳酸钙)、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、白陶土、粘土、皂粘土粘土、磷酸二钙、磷酸三钙、焦磷酸钙、不溶性偏磷酸钠、沉淀碳酸钙、正磷酸镁、磷酸三镁、羟磷灰石、合成磷灰石、铝、硅石干凝胶、金属铝硅酸盐复合物、硅酸铝钠、硅酸锆、二氧化硅，或可以使用无机添加剂的组合。填充剂可以具有例如超过1微米的粒子大小，例如超过2微米、5微米、10微米、25微米或甚至超过35微米。
纳米规模的填充剂也可以单独或与任何大小和/或形状的纤维材料组合使用。填充剂可以以例如粒子、平板或纤维的形式。例如，可以使用纳米大小的粘土、硅和碳纳米管，以及硅和碳纳米线。填充剂可以具有小于1000nm的横向尺度，例如小于900nm、800nm、750nm、600nm、500nm、350nm、300nm、250nm、200nm、小于100nm、或甚至小于50nm。
在某些实施方案中，纳米粘土是蒙脱石。此类粘土可从Nanocor，Inc.和SouthernClay产物获得，并且已在美国专利号6,849,680和6,737,464中描述。粘土可以在混合到例如树脂或纤维材料内之前进行表面处理。例如，粘土可以是这样处理的表面，从而使得它的表面在性质中是离子的，例如阳离子或阴离子的。
还可以使用聚集或凝聚的纳米级别填充剂，或装配成超分子结构例如自装配的超分子结构的纳米级别填充剂。聚集或超分子的填充剂在结构中可以是开放或闭合的，并且可以具有各种形状，例如药筒、管或球形。
因此，其他实施方案在下述权利要求的范围内。
附录A
内容
成员公司................................................................2
序言................................................................3
前言................................................................4
淀粉和淀粉颗粒......................................................5
玉米湿磨法加工过程..................................................7
淀粉的物理化学性质..................................................10
商业玉米淀粉........................................................13
未经修饰的、常规或普通玉米淀粉......................................13
玉米淀粉的遗传变异..................................................13
经修饰的淀粉........................................................15
酸修饰的玉米淀粉....................................................15
氧化的玉米淀粉......................................................16
糊精................................................................17
环糊精..............................................................19
淀粉衍生物..........................................................20
预胶化淀粉..........................................................23
漂白淀粉............................................................23
在联邦条例下的淀粉情况..............................................24
淀粉的运送和处理....................................................25
用于淀粉的蒸煮操作..................................................26
处理经蒸煮的淀粉....................................................29
淀粉的酶转变........................................................31
淀粉的分析检查......................................................33
术语表..............................................................37
附图
1.在脐周围形成的淀粉层
2.6种常见淀粉颗粒的形状
3.在偏振光下拍照的玉米淀粉
4.玉米的仁
5.玉米湿磨法加工过程
6.直链淀粉和支链淀粉分子
7.直链淀粉分子中的胶束形成
8.温度对胶化的作用
9.搅动对胶化的作用
10.pH对胶化的作用
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第11版
版权所有2006
序言
每年每天，以某种或另一种方式，每一个美国人的生活被最丰富的可再生资源之一――玉米淀粉触及。从我们穿着的衣服到我们餐桌上的食物，玉米淀粉是限定我们现代生活方式的成千上万种制造食品的组分。
淀粉的使用在早期埃及人的记录中记载，他们使用淀粉涂层制造了莎草纸。罗马人记录指出早期革新者发现了关于淀粉在食物、医学化妆品和织品中的用途。然而，直到十九世纪中叶才开发了关于从玉米中大规模有效提取淀粉的过程。这个过程的开发和连续改善已使得玉米加工工业能够给美国消费者提供适合淀粉的丰富供应，以满足个体消费者最苛刻需要。
我们的玉米淀粉第十版综述了淀粉颗粒的化学，描述了淀粉精炼机如何从玉米仁中提取淀粉，它如何进行处理以产生专门产物且综述了用于淀粉的处理和分析操作。我们希望你将发现这个指导有用，并且如果我们可以给你提供关于淀粉及其产物的进一步信息，那么希望你毫不犹豫地联系美国玉米加工协会。
AudraeErickson
主席
(美国玉米加工协会)CornRefinersAssociation
建议读者本文包含的信息和意见事实上是一般性的，并且专门技术问题应咨询协会或会员公司。关于所述产物的价格和/或可用性的问题应指向个别协会成员。
前言
玉米植物(玉蜀黍(Zeamays))是用于将来自太阳的大量辐射能有效转变成稳定化学能的高容积工厂。这种能量作为纤维素、油和淀粉贮存于玉米植物和玉米仁中。
玉米植物也是自然界最大的繁殖者之一。在种植后约4个月，称重约百分之一盎司淀粉的单个玉米仁将产生称重8盎司的800粒仁。与玉米中的这个800倍种子繁殖相比较，小麦将产生50倍得率/种植种子。
通过小心的遗传控制，已开发了可以在全世界温带和亚热带地区生长的玉米。对于最高100亿蒲式耳的玉米年生产，美国列为全世界最大的玉米种植者。因为玉米粒平均为约70-72％淀粉(干基)，所以玉米的这种巨大数量提供可以由其生产淀粉的几乎无限原材料供应。
在1844年，Colgate&Co.在JerseyCity，NewJersey和Columbus，Ohio建造了小型玉米淀粉工厂。在1848年，在Oswego，NewYork建造了大得多的KingsfordCornstarchPlant。从那以后，淀粉技术已得到稳定改良并且生产已增加许多倍。今天，玉米淀粉统治了世界的工业和食物淀粉市场。
这本小册子呈现了通过玉米加工(湿磨法)过程制造淀粉的简短、简化描述，使其对于人类具有此类极大价值的淀粉理化性质概括，以及淀粉如何在食物和工业应用中使用的一般信息。我们希望你发现这个信息有用。如果你希望关于淀粉、玉米或玉米加工的进一步信息，请联系美国玉米加工协会或其会员公司。
淀粉和淀粉颗粒
图1在脐周围形成的淀粉层
淀粉作为主要碳水化合物贮存产物存在于包含叶绿素的所有植物中。在称为光合作用的过程中，绿色植物提取来自日光的能量，以由二氧化碳和水形成葡萄糖。葡萄糖推动植物生长过程，并且是用于植物支持结构的主要建筑材料例如纤维素和半纤维素。当植物达到成熟时，生殖周期开始，以授粉和形成富含淀粉和油的种子胚胎告终。淀粉和油存在于玉米仁中，以给发芽种子供应能量。淀粉是通过使葡萄糖单位头尾相接连接成极长链制备的碳水化合物聚合物，类似于在珍珠项链制造中珍珠串在一起。
新近合成的淀粉以称为颗粒的结构在植物细胞内的脐核周围分层(图1)。淀粉颗粒在大小和形状中不同，特定植物来源特有。图2显示来自6种普通淀粉颗粒的比较大小和形状。淀粉分子以特定结晶式样在颗粒内定向。这在图3中举例说明，显示在偏振光下在水悬浮液中可见的这些晶体结构特有的马尔他(Maltese)十字式样。
淀粉颗粒的这种高度有结构性质通过其极大强度得到证实。在玉米湿磨法操作的湿润阶段中的所有磨粉、抽吸、离心循环和物理磨损，随后为干燥、研磨和干淀粉的机械转运或空运后，实际上所有颗粒都保持完整。颗粒完整性也在经修饰和衍生的淀粉中持续。
图26种常见淀粉颗粒的形状
经分离的淀粉一般是干燥、柔软的白色粉末。它在冷水、醇、醚和大多数有机溶剂中是不可溶的。如果保持干燥，那么淀粉在无限期的贮存中是稳定的。尽管淀粉颗粒在物理上是持久的，但它们可以非常容易地破裂。如果使水悬浮液中的颗粒逐步加热，那么它们开始吸收水。颗粒水合，尺寸增加并且最终丧失其结构完整性。这导致特有的双折射和不透明度丧失，粘度增加，和最终形成糊或凝胶。这个过程被称为淀粉糊化或胶化。在其下发生淀粉胶化的温度――胶化温度――依赖于此类因素如淀粉浓度、悬浮液pH、加热速率、特定盐的存在和随后的特定操作。在明确限定的条件下，淀粉可以使用胶化温度作为用于区分的手段进行分类。
图3在偏振光下拍照的玉米淀粉
淀粉颗粒的性质依赖于使在淀粉分子其自身内的葡萄糖单位彼此连接的键的排列。淀粉分子是通过α-糖苷键连接的重复脱水葡萄糖单位的同聚物，一个单位的醛基通过半缩醛键合与下一个单位上的羟基化学结合。在大多数淀粉中，α-1,4-键合占优势，仅具有偶然的1,6-键合。1,4-键合产生称为直链淀粉的直链淀粉分子，而1,6-键合充当称为支链淀粉的支链淀粉分子中的分支点(图6)。这2种淀粉分子类型的比例是遗传上确定的，并且对于每个淀粉种类是相对恒定的。例如，玉米淀粉包含27％的线性直链淀粉聚合物，马铃薯淀粉20％，并且木薯淀粉17％。
植物遗传学家已成功学习处理玉米中的遗传控制，并且已开发了被称为蜡质玉蜀黍的包含所有支链淀粉支链淀粉分子的玉米商业变种。在其他极端情况下，商业栽培包含高达70％直链的直链淀粉分子的变种，并且被称为高直链淀粉玉米。近期已宣布了82％和更高的直链淀粉杂种。蜡质玉蜀黍的颗粒胶化很像正常玉米淀粉。另一方面，高直链淀粉玉米即使在沸水中也不胶化，而是必须加压蒸煮或通过用稀释氢氧化钠处理水合。这些变化在分子结构中的效应的更详细描述在后文呈现。
淀粉颗粒的固有性质可以通过弱化学处理和/或衍生化加以改变。例如用次氯酸钠氧化与所使用的化学药品数量成正比降低胶化点。当淀粉用环氧乙烷或其他试剂衍生时，观察到类似效应。相比之下，可以制备当暴露于湿热和压力的严格条件下时，其中颗粒完全不胶化的淀粉衍生物。
淀粉的颗粒结构，自然界吸引人的建筑形式之一，是商业淀粉弹性中的关键元素，以迎合特定产物需要。
图4玉米的仁
玉米湿磨法加工过程
玉米仁具有3个主要部分：种皮或果皮、淀粉胚乳和通常称为胚芽的胚(图4)。果皮是作用于保护种子的仁的外皮或壳。胚乳主要能量储备构成仁的约80％总重量。它是约90％淀粉和7％谷蛋白蛋白质，其余部分由少量油、矿物质和痕量组成成分组成。胚的胚芽包含由根样部分和5或6片胚叶构成的微型植物。此外，存在大量高能量油，以在微小植物开始生长时，连同发芽和早期发育过程中所需的许多物质一起供给微小植物。
玉米湿磨法加工过程在图5中举例说明，其中仁分离成其组分部分，并且那些部分随后进一步再分且精炼。
玉米湿磨坊主人购买玉米苞，其通过货车、驳船或轨道车递送至工厂。通常购买基于USDA标准的#2级玉米。
使新来的玉米清洁以去除外来材料，例如玉米穗轴小片、异质种子、杂散金属和细砂粒。它随后传送至容纳高达350,000蒲式耳的贮存地窖，直至准备进行精炼时。
图5玉米湿磨法加工过程
将经清洁的玉米转运至称为浸泡槽(steeps)的大型槽。使包含少量溶解二氧化硫的温水(125°-130°F)循环通过浸泡槽约24-48小时以使仁软化。二氧化硫和水在浸泡过程中反应以形成亚硫酸，这控制不希望有的发酵且帮助淀粉和蛋白质分离。在浸泡过程中，从完整仁中提取可溶性组分。在浸泡结束时，水从仁中排出且在多效蒸发器中浓缩，以产生经浓缩的浸泡水。这种富含蛋白质的提取物可以在酶、抗生素和其他发酵产物的生产中用作关于微生物的营养物。然而，大多数浸泡水在动物饲料成分的生产中与纤维和谷蛋白相组合。关于通过玉米湿磨机生产的饲料产物的更多信息可以在美国玉米加工协会网站www.corn.org上可获得的小册子CornWetMilledFeedProducts中找到。
经软化的玉米仁接下来经过弱磨碎机，以使壳松散且从富含淀粉的胚乳中释放胚芽。将水加入磨碎机中，并且结果是被浸软的仁和完整胚芽的稠浆。因为在这个阶段时的胚芽包含40-50％油，所以它比胚乳和壳轻。离心力用于分离胚芽。
使清洁的经分离的胚芽干燥，并且通过机械压力和/或溶剂萃取去除粗油。粗油可以进行精炼，以产生上等色拉和食用油或用于制备玉米油人造黄油的原始材料。经提取的胚芽粉用于动物饲料中。关于玉米油生产和使用的更多信息可以在美国玉米加工协会网站www.corn.org上可获得的小册子CornOil中找到。
随后使壳和胚乳的其余混合物经过一系列研磨和筛选操作。大壳颗粒保留在筛子上并且去除，而更精细的蛋白质和淀粉颗粒经过。将壳加入动物饲料中，或在精炼玉米纤维(糠)的生产中进行洗涤且磨细。
接下来通过离心分离淀粉和谷蛋白蛋白质的水浆。因为淀粉和谷蛋白在浮力密度中广泛不同，所以获得接近完全的分离。一般操作产生包含超过60％蛋白质的谷蛋白流，而淀粉流是超过99％淀粉。使谷蛋白干燥且作为谷蛋白粉(60％蛋白质)销售。
使白色的、几乎纯的淀粉浆进一步洗涤以去除少量可溶物。在这个阶段时，淀粉浆可以进行进一步加工以制备任何普通的(未经修饰的)玉米淀粉，或进行转变以制备发酵产物的甜味剂。通过用化学药品或酶处理经洗涤的淀粉浆可以生产各种经修饰或衍生的淀粉。在处理后，通过过滤或回收回收产物，并且使淀粉干燥。
图6直链淀粉(上图)和支链淀粉(下图)分子
淀粉的物理化学性质
什么是淀粉？淀粉是在其未经修饰的状态中高度功能的碳水化合物。它也是高度反应的碳水化合物，其可以进行物理、化学或酶促修饰以满足特定需要。
淀粉具有使得其在食物和工业应用中有用的4种主要理化性质。2种类型的淀粉分子――直链淀粉和支链淀粉(图6)――是多羟基化合物，并且当在水中加热时，与个别水分子相结合而水合。当分子水合时，它们尺寸增加，固定存在的许多水，使水系统增稠并且形成糊。第一种有用的理化性质增稠对许多食物产物给予它们所需物理特征，所述食物产物例如布丁、肉汁、沙司和饼馅。这种性质在许多工业淀粉应用中也是有用的。
第二种有用的理化性质是淀粉糊使其他成分或颗粒物质分散且悬浮的能力。在许多食物中，脂肪和蛋白质在淀粉糊中悬浮和/或软化。在用于纸的涂层和某些粘附剂中，使粘土颗粒悬浮于稠淀粉糊中。
当允许淀粉糊冷却时，它们增稠并且可以凝结成半固体。第三种有用的理化性质凝胶形成提供基于淀粉的布丁、色拉调料和某些类型粘附剂一般的主体。
淀粉糊的第四种有用的理化性质是当在光滑表面上展开且干燥时，其产生强粘附膜的能力。淀粉的主要工业用途例如纸涂层和施胶、纺织品施胶、波纹纸板制造和所有粘附剂应用利用这种性质。
这4种重要性质从一种淀粉来源到另一种在程度中不同。当阐明线性和分支淀粉的结构，并且开发用于检测且定量2种类型分子的方法时，它们的功能性质最终得以解释。
直链的直链淀粉分子在溶液中趋于彼此平行排成直线。当溶液冷却时，存在可用于维持分子分开的较少能量。平行直链淀粉上的羟基发挥吸引力并且将分子拉在一起。在图7中举例说明的这种现象通常被称为凝沉。总体结果是胶凝的糊。定向区域被称为胶束。具有高百分率直链淀粉的淀粉难以胶化，因为水合和崩解直链淀粉紧密键合的结晶聚集物需要的额外能量。在胶化后，此类淀粉形成坚固凝胶，并且当适当制备时，产生坚硬结实的膜。
在功能谱的相反末端是蜡质淀粉，这是几乎100％的支链淀粉。它们容易胶化并且产生几乎透明的粘稠糊，其缓慢凝沉为弱凝胶。在这些极端情况之间发现广泛范围的天然淀粉以及许多淀粉修饰和衍生物。基于天然淀粉的行为多样性，通过选择适当的原始材料，随后应用所选择的修饰或衍生化技术，淀粉化学家可以设计具有广泛范围功能特征的产物。
图7直链淀粉分子中的胶束形成
商业玉米淀粉
未经修饰的、常规、天然或普通玉米淀粉
如果通过玉米湿磨法加工过程产生的淀粉进行简单干燥，那么它被称为普通、常规或未经修饰的玉米淀粉。它以各种物理形式可获得：玉米淀粉可以作为精细或粗糙粉末、作为薄片、作为小圆粒销售，或凝聚成较大颗粒。
通过调整pH、通过弱热处理、或通过在干燥前或后加入少量化学药品或佐剂，可以将轻微变异引入未经修饰的淀粉内。此类淀粉随后将在特定应用中更有效地表现。例如，预期用于酶转变的普通淀粉可以调整至特定pH，并且可以加入促进酶作用的少量无机盐。用于食物用途的淀粉也通常是pH调整的。
许多未经修饰的玉米淀粉以任何其他类型销售。它用于制造波纹纸板、涂料纸和施胶纸、卡纸、粘附剂、色拉调料、啤酒、罐头食品、干燥食物混合物(例如，布丁、蛋糕、发酵粉等)、塑型淀粉、洗衣用淀粉等。
未经修饰的玉米淀粉在蒸煮时，具有此类极大的增稠能力，使得包含超过4-5％固体的糊太稠而无法处理。此外，此类糊当冷却时非常快速地胶凝。对于许多用途，需要具有增稠趋势减少或具有形成更柔软凝胶能力的包含更高固体的糊。
淀粉的化学组成――高度氧合碳化合物――使得淀粉成为用于用作化学原料的极佳产物。今天衍生自石油化学原料的许多工业产物越来越多地由淀粉或纤维素原料合成。这种类型的目前商业产物的例子包括玉米淀粉在生物可降解塑料生产中的用途。
玉米淀粉的遗传变异
许多应用要求其中除粘度外的性质已进行修饰的淀粉。多年来，木薯淀粉是用于布丁、水果馅和特定类型硬饼干的选择。当木薯的供应在20世纪30年代末期变得不足时，并且随后变得无法获得时，开始深入研究以开发包含与木薯淀粉具有相似性质的淀粉的玉米遗传变种。在1908年首先在中国发现并且作为遗传珍品维持的一类玉米被称为蜡质玉米，因为其蜡质外观。这种玉米中的淀粉具有与来自木薯的淀粉相似的性质。
主动育种计划在1956-57年开始，以开发保留蜡质玉蜀黍特征的商业玉米变种。到1944年时，栽培了足够的蜡质玉蜀黍以证实它可以通过湿磨方法进行加工，以产生其为木薯的满意替代物的淀粉。
其为基本上100％的支链淀粉的蜡质玉蜀黍淀粉产生这样的糊，在冷却时其几乎澄清、非凝结和当在薄膜中干燥时，产生透明的水溶性涂层。蜡质淀粉用于使广泛多样的制备食物增稠。大多数商业蜡质淀粉通过交联和/或衍生进行修饰，以进一步增强其有利性质。
蜡质玉蜀黍的开发鼓励遗传学家寻找可能产生具有比常规玉米高得多的直链淀粉含量的淀粉的突变型。此类淀粉推测应该是极佳的成膜剂并且可能可以自旋成纤维。遗传研究最终导致2种玉米杂种的商业开发，一种包含约55％，另一种包含约70％直链淀粉。近期研究已导致开发具有超过80％直链淀粉的淀粉。最终目标是具有含100％直链淀粉的天然杂种玉米淀粉。
高直链淀粉颗粒小于来自常规或蜡质玉蜀黍淀粉的那些，并且它们具有罕见形状。即使在长时间煮沸时，某些颗粒也不胶化或丧失其双折射。然而，在稀释碱金属或碱性盐中，或当在升高的温度下在压力下在水中加热时，它们将胶化。溶液必须维持热，否则直链淀粉将快速胶凝且凝沉。高直链淀粉的淀粉用于产生用于纺织品的胶水，并且产生快速速凝的糖果粘胶。高直链淀粉的淀粉看起来对于人消化有抵抗力(因此，“抗性淀粉”)，并且可以在卡路里减少的食物产物中发现应用。
主动研究计划目前已进行到改变玉米遗传组成的新方法，以产生具有下文讨论的淀粉衍生物特征和功能性的淀粉的玉米。数种是目前商购可得的。遗传改造的淀粉允许处理器在其生产中使用较少的化学药品，并且除其独特功能性及其对新食物开发的贡献外，还要求“天然”标记。
经修饰的淀粉
天然淀粉具有用于在食物、药物和工业产物开发中使用的特定固有特征。连同其他优点，它们是容易获得的，价格一般很低，并且当在成分组中列出时产生简单的、消费者友好的标签。
然而，更复杂的加工系统的出现使得看起来原始淀粉的天然性质无法满足越来越复杂的产物配方的苛刻加工要求。
为了满足此类制造要求，淀粉化学家开发了经修饰的淀粉。用于制造食物和工业经修饰的淀粉的技术和化学药品已进行充分研究且测试，以确保安全和功能性。经修饰的食物淀粉由美国食品与药物管理局(FDA)在21CFR第1章，段落172.892中严格限定且管理，并且工业经修饰的淀粉由21CFR第1章，段落178.3520涵盖。
酸修饰的玉米淀粉
商业上用于减少淀粉糊的粘度的第一种方法是由Duryea在1899年取得专利权的酸修饰加工。在这种方法中，在升高但低于淀粉胶化温度的温度下，在实施用稀释矿物酸的温和处理的同时，搅动淀粉-水悬浮液不同时间段。当测试显示已达到所需粘度时，用碳酸钠中和酸并且使淀粉过滤、洗涤且干燥。以这种方式，生产了一系列淀粉，产生粘度降低的糊。
在酸修饰过程中发生的初级反应是淀粉分子中的糖苷键的水解。这种有限和控制的水解产生2个重要后果。首先，因为淀粉分子如此大，所以仅需要少量切割以明显减少粘度。其次，在颗粒内的键的破裂削弱颗粒结构。如同亲本淀粉，在温暖时所有酸修饰的淀粉糊具有减少的粘度，然而在冷却时具有胶凝的强烈趋势。这暗示酸修饰减少链长但基本上不改变分子构型。当淀粉片段重新定向时，经冷却的糊可以将凝固为坚固凝胶。这些所谓的酸修饰的或稀糊淀粉在纺织品经丝胶水中大量使用，特别是用于棉花和棉花聚酯掺和物。
应用于经纱且干燥的淀粉糊充当粘附剂，以结合经丝中的纤维，获得增加的强度和对编织过程中织机中所需的磨损的抗性。粘度较低的酸修饰的淀粉也用于造纸工业中的日历和施胶压榨应用中，以增强纸张表面的印刷性和磨损抗性。形成坚固凝胶的这种能力由糖果制造工用于制造基于淀粉的粘胶糖果。
氧化的玉米淀粉
用于减少淀粉粘度且改变性质的第二种方法是氧化。尽管可以使用氧化剂例如氯、过氧化氢和高锰酸钾，但通过玉米湿磨法工业生产的氧化淀粉几乎专一地使用次氯酸钠作为氧化剂进行制备。
如在酸修饰情况下一样，在连续搅动下的水淀粉悬浮液用包含少量过量苛性钠(NaOH)的稀释次氯酸钠进行处理。将试剂溶液缓慢加入在反应器中的淀粉悬浮液，所述反应器维持在约120°F下。反应器夹套或外部热交换器中的冷却水去除在氧化反应过程中产生的热。当已加入正确量的试剂且已经过用于反应的足够时间时，测定淀粉的粘度。当达到所需氧化程度时，用还原剂例如亚硫酸氢钠处理淀粉浆以去除过量次氯酸盐，调整至所需pH，过滤，洗涤且干燥。可以产生具有广泛范围修饰的产物。
氧化的淀粉保留其原始颗粒结构且在冷水中仍是不可溶的。由于次氯酸钠的漂白作用，它是非常白的。除具有降低的粘度外，氧化的淀粉糊是相对澄清的，并且当冷却时显示增稠的趋势减少或延缓。当干燥时，氧化的淀粉膜澄清且结实。因为高度氧化的淀粉在高固体下获得相对澄清的糊，所以它们有时被称为粘胶。
用次氯酸钠处理淀粉造成有限数目的羟基随机氧化为羧基或羰基，伴随所得到的相邻糖苷键裂开。因为氧化在过量氢氧化钠的存在下发生，所以羧基被中和，导致钠盐。因为羧基的钠盐比亲本羟基更庞大，所以推测直链淀粉分子结合且凝沉为凝胶的趋势减少。关于氧化淀粉的主要用途是在造纸工业中作为桶、施胶压榨和日历胶水；在纺织品工业中作为经丝胶水和在粘附剂中作为组分。它们用于其中需要高固体、低粘度和乳膏体的食物应用中，例如在烘烤食品馅中。由于与肉产物的良好粘附，氧化淀粉在面团和滚面包屑中表现良好。
糊精
通过使未经修饰的淀粉连同或不连同酸或碱性催化剂一起干热或烘烤由淀粉产生糊精。在这个过程中，干燥至5-7％湿度的未经修饰的淀粉通常是酸化的，具有非常少量的矿物酸，并且置于称为反应器或烘烤器的经加热的搅动器皿中。以控制速率增加温度，并且随后维持在最大限度温度下不同时间段。使所得到的产物冷却、掺和且有时老化。另一种糊精化方法利用流化床，其中将未经修饰的淀粉置于反应器中并且在加热空气流中悬浮或“流化”。淀粉随后进行酸化，并且如在常规或“烘烤器”过程中一样，在控制的时间和温度条件下加热直至取得所需终产物。随着在此类过程中可能的几种自由度，产生具有广泛不同性质的一系列糊精。
在糊精化过程中，颗粒不被破坏但颗粒完整性被破裂。当使糊精悬浮于水中且加热时，颗粒膨胀并且随后经历“剥皮”作用，分离成最终自由破坏且分散的层。这种行为发生的程度随着糊精的保守度而改变。
糊精与其他经修饰的淀粉的不同之处在于，它们不仅在粘度中减少，它们还具有可观的冷水可溶性，胶凝趋势减少且还原力增加。某些更高度转变的糊精的高固体溶液产生在制备所有类型的纸制品(袋、层压材料、纸盒、纸管和信封)中使用的胶粘的速凝粘附剂。
关于在糊精化过程中发生的事情存在几个理论。该过程减少化学键的强度，这对淀粉颗粒给予其完整性并且造成泛化的分子切断，这减少分子大小且改变分子排列。在其中存在酸的那些情况下，认为发生简单水解切割。水解、重组和新糖苷键形成的组合可能解释改变的糊粘度和凝结特征。
存在3种主要类型的糊精：白色、黄色和英国(British)胶。依赖于所涉及的加工条件，可能存在许多亚型。
白糊精
第一种类型，白糊精，具有与原始玉米淀粉相似的白色，但具有减少的粘度和5-超过90％的冷水可溶性。白糊精产生凝固为柔软但确定的凝胶的淡色糊。较低可溶性产物产生类似于最高度酸修饰的稀糊淀粉的糊。更高可溶性的白糊精(40-90％)可以在高得多的浓度下使用，以产生非常柔软的凝胶。
黄糊精
黄色或淡黄色糊精是第二种类型。通过使用更少的酸、更高的温度和更多的时间，可以产生具有高水溶性和独特黄色的糊精。黄糊精用于产生高固体糊(40-60％)，其是非常胶粘的，并且当在薄膜中应用时，快速干燥。它们产生极佳粘附剂，特别是用于纸制品。
英国胶
英国胶，第三种类型，通过将很少的酸或不将酸加入非常干燥的淀粉中，并且随后伴随缓慢增加的温度长时间烘烤产生。它们是在颜色中茶色至淡褐色的，并且具有不同的焦糖化气味。结果是从低到高可溶性的一系列产物。由这些糊精制备的糊从几乎固体的凝胶通过非常柔软的凝胶到粘稠液体不同。
环糊精
尽管在名称中与糊精相似，但环糊精通过非常不同的过程产生且具有不同用途。环糊精通过用糖基转移酶处理淀粉而产生。所得到的水溶性产物采取中空锥的物理形状，具有不同大小的内部腔，依赖于生产方法。锥体内部的独特性质是其疏水性质，使得环糊精能够用于封装广泛多样的化合物。
关于环糊精的用途包括封装控制风味食府，掩蔽气味和味道，稳定乳状液，增加起泡力，并且控制或掩蔽颜色。这些性质在化学、药物和食物市场中发现越来越多的应用。
淀粉衍生物
因为淀粉衍生物包含许多初级和次级羟基，所以它可以通过化学衍生加以修饰。
与迄今为止讨论的修饰不同，衍生化可以减少或不减少亲本淀粉的粘度。衍生化用于对衍生物赋予与亲本淀粉那些不同的性质。这允许衍生物更有效地满足特定最终用途的要求。无数淀粉衍生物已在技术文献和专利中得到描述，但仅有限数目在商业上制造且使用。
淀粉的衍生化不同于聚合物的大多数化学修饰之处在于性质中的改变伴随分子其自身中的非常轻微改变而取得。事实上，所有商业衍生物在此类温和条件下(通常在水悬浮液中)进行制备，使得淀粉颗粒保留其完整性。这允许产物以与先前讨论的普通淀粉非常相同的方式在加工和应用中进行处理。
淀粉衍生物通常通过将所需试剂加入玉米淀粉在水中的搅动悬浮液中进行制备。通过用碱并且有时用催化剂调整浆的pH，在仅轻微升高的温度下对于非胶化淀粉执行温和反应。在足够反应时间后，通过过滤或离心回收衍生物，用水洗涤，干燥且包装。
在商业上制备2种基本类型的衍生物：
交联/抑制
制备交联淀粉有时称为抑制淀粉，以克服淀粉溶胶对剪切和加工条件的敏感性。这通过用能够与颗粒内的2种不同分子上的羟基反应的痕量双功能试剂处理在颗粒状态中的淀粉来完成。
试剂例如磷酰氯或三偏磷酸盐可以用作交联剂。非常少量的这些试剂可以对经蒸煮的淀粉的行为发挥显著作用。交联程度控制淀粉在蒸煮时的膨胀速率和程度。交联降低淀粉溶胶对温度、搅动和酸的敏感性，改善对粘度中的丧失的抗性。
稳定化
通过使用单功能试剂使淀粉针对胶凝进行稳定。这些试剂与淀粉上的羟基反应，以引入干扰淀粉分子之间的分子间结合的取代基。特定试剂也可以将特定功能性引入淀粉内，例如增加其水组合能力或粘度，或对淀粉分子赋予正电荷。
羟乙基淀粉――为了产生羟乙基淀粉，将淀粉浆调整至碱性pH，并且加入盐以抑制淀粉胶化的趋势。将不同量的环氧乙烷缓慢加入经搅动的浆中，并且允许反应适当时间。大多数羟乙基淀粉也进行酸修饰，以减少其粘度。通过过滤回收羟乙基淀粉，洗涤且干燥。羟乙基的引入减少淀粉的胶化时间，并且导致澄清的稳定糊。羟乙基淀粉广泛用于表面施胶和涂料纸中。
阳离子淀粉――玉米淀粉与叔胺或季胺的反应产生季铵或氨基烷基淀粉。当分散时，这些淀粉显示出带正电的颗粒，其被纸张制造过程中带负电的纤维素纤维强烈吸收。使用较少的淀粉；但更重要的是，溶液中的几乎所有阳离子淀粉由纸张吸收，在转向废物处理系统的流出物中留下极少。这极大减少了生物需氧量(BOD)负荷。此外，阳离子淀粉促进过滤物和颜料在片层中的滞留，同时减少非常精细的纸纤维的丧失。另外保留的纤维和淀粉与纤维素纤维键合的能力一起产生对片层极大增加的内部强度。阳离子淀粉的这种实际特征使其还作为表面胶水和作为着色涂层中的粘附剂有用。随着纸张制造中再循环纸备料的使用增长，需要更加高度处理的阳离子淀粉以产生强度和纤维滞留性质。计算机打印纸需要更高阳离子处理的淀粉，以产生正确功能所需的性质。
淀粉乙酸酯――在小心控制的pH、温度和时间条件下，玉米淀粉可以由乙酸酐或乙酸乙烯酯进行乙酰化。在反应后，通过过滤分离淀粉，洗涤且干燥。引入足够的乙酰基，以预防淀粉糊的凝沉。乙酰化淀粉用于给纺织品经丝施胶，产生结实仍弹性的纱线。凝结的趋势减少使得淀粉乙酸酯易于抽吸且在浆纱机上应用。
淀粉乙酸酯也用作食物淀粉。例如蜡质玉蜀黍淀粉可以与磷酰氯交联，并且随后用乙酸酐或乙酸乙烯酯乙酰化，以产生在制备广泛多样的产物中使用的极佳的增稠剂、组织形成剂或稳定剂。
淀粉琥珀酸酯――使用琥珀酸酐代替乙酸酐产生淀粉琥珀酸酯，这也用作用于食物的增稠剂。还制备1-辛烯基琥珀酸酯，并且对于脂肪和油具有优于其他衍生物的亲和力。这些淀粉在此类产物如色拉调料、调味料和饮料中充当乳化剂。
淀粉磷酸酯――淀粉可以用磷酸二氢钠或三聚磷酸钠进行酯化，以产生淀粉磷酸酯，其产生凝胶比由亲本淀粉产生的那些更稳定的凝胶。磷酸化淀粉主要用于制备食物产物。
羟丙基淀粉――加入碱性淀粉悬浮液中的环氧丙烷与淀粉反应，以产生羟丙基衍生物。当依照21CFR172.892制备时，羟丙基淀粉用于其中需要低温或冷冻稳定性的食物产物中。羟乙基淀粉只能用于食物包装和工业应用中。
其他淀粉衍生物――淀粉可以通过用丙烯醛处理进行醚化。此类醚随后可以用乙酸酐或琥珀酸酐进行酯化。淀粉还用磷酰氯进行酯化，并且随后用环氧丙烷进行醚化。
预胶化淀粉
大多数淀粉和淀粉衍生物的悬浮液可以进行胶化且干燥，以产生广泛多样的预胶化淀粉。这通常在具有涂布辊的单滚筒干燥器上完成。使淀粉浆加热以使其胶化，立即干燥且研磨至所需造粒要求。这些产物可以伴随搅动在冷水中分散，以产生与通过蒸煮原始淀粉获得的那些可比较的糊。预胶化淀粉使得能够生产不需要热用于制备的许多独特的食物和工业产物。“瞬间”粘附剂和“瞬间”基于淀粉的布丁是这类产物的例子。使用水/醇反应制备新类型的冷水可溶性(CWS)淀粉，这促使颗粒膨胀且保留其结构而不被破裂。此类淀粉产生更易于使用，更光滑体现的产物。所使用的较新的机械过程是喷雾干燥和挤出。通常这些操作涉及几种处理的应用。
漂白淀粉
尽管淀粉是很白的，但特定用途要求完全白的淀粉。此类产物通过用少量此类试剂处理淀粉由淀粉制造，所述试剂如过氧化氢、过乙酸、过硫酸铵、高锰酸钾、亚氯酸钠或次氯酸钠。应用条件设计为增白而不产生淀粉中任何可检测的化学改变。在连续滤器或离心机上回收漂白淀粉，用大量水洗涤以去除由漂白剂形成的痕量无机盐，干燥且包装。漂白淀粉在功能上以与亲本淀粉相同的方式表现，但由于所使用的漂白剂在微生物群体中较低。它们在丸剂和爽身粉制造中使用。
在3000倍率下照相当玉米淀粉
在联邦条例下的淀粉情况
食品与药物管理局已提出确认食物级别未经修饰的或普通淀粉以及预胶化淀粉的“公认安全”(GRAS)状态。此外，相同条例提出确认具有不同直链淀粉/支链淀粉含量(例如高直链淀粉和蜡质玉米淀粉)的未经修饰的淀粉的GRAS状态。这些提议在50FR12821-12825中发现。玉米淀粉已在21CFR182.70和182.90中确认为用于在食物接触表面中使用GRAS的。糊精也已由食品与药物管理局确认为GRAS的。涵盖糊精的条例可以在21CFR184.1277中找到。
由FDA公布的2个特别条例涵盖批准用于在食物和食物包装中使用的漂白、未经修饰的和衍生化的淀粉。这些条例指定批准的处理，关于在制备产物中使用的修饰剂的数量和/或引入淀粉内的量的设置限制。它们还指定在成分列表中待用于经修饰的淀粉的名称。在制成食物标签上的成分列表中，名称是“食物淀粉-经修饰的”。2个条例是：
食物淀粉-经修饰的－21CFR172.892；和工业淀粉-经修饰的－21CFR178.3520。
对于食物淀粉-经修饰的，这些条例涵盖酸修饰的、漂白、氧化、酯化和醚化淀粉，以及用这些处理的各种组合处理的淀粉。
对于工业淀粉-经修饰的，条例涵盖通过相似方法处理的淀粉，以及经照射的淀粉和用特定表面活性试剂处理的淀粉。工业淀粉-经修饰的条例指定这些产物作为用于食物包装、加工和贮存物品的组分的用途。
除通过食品与药物管理局的管理行为外，各个团体例如FoodChemicalsCodex、U.S.Pharmacopeia和NationalFormulary已发表关于预期用于特定用途的淀粉、经修饰的淀粉和糊精的指导和规范。
淀粉的运送和处理
干燥淀粉在多层纸袋中以及在轨道车或散装货车运送中可获得。可以使用各种尺寸的其他容器例如纸滚筒、金属和橡胶容器以及波纹盒，但要求用户和供应商之间的特别安排。高达2000磅的集装袋可以用于工业用户，而较小的袋(25和50lb.)可用于零售顾客。散装装置在大小中从具有用于数千磅的容积的那些到具有一次处理数个散装轨道漏斗车淀粉的容积的那些不同。
因为淀粉是精细分开的有机材料，所以造成粉尘的处理条件可能增加爆炸危险。爆炸预防措施包括使用无火花的金属，防爆电机且消除在淀粉处理区域中的火花、火焰和热表面。需要遵守OSHA、EPA以及地方安全和健康条例。
来自干燥散装处理站的淀粉可以通过适当设计的空气、真空和机械系统转运至遍及工厂的使用点。干燥淀粉还可以在水中形成浆且抽吸至使用点。因为淀粉从水中非常快速地沉降，所以需要连续搅动或再循环以维持悬浮。干和湿淀粉处理系统的适当设计是必需的。淀粉制造商将供应在设计此类系统中的工程辅助。
如果保持干燥，那么淀粉是非常稳定的并且可以长时期贮存。然而，如同许多其他有机材料，如果允许变得潮湿，那么它将降解且分解。因为淀粉是稍微吸水的，所以它们在含湿量中将不同，依赖于它们已在其中贮存的大气中的湿度。贮存应避免其中贮存芳香产物的区域，因为淀粉可以容易地获得香味。
用于淀粉的蒸煮操作
关于淀粉的大多数应用要求它们悬浮于水中并且随后在胶化温度上加热。所得到的糊的粘度依赖于许多变量，例如淀粉类型、固体浓度、pH、在蒸煮过程中的搅动量、加热速率、所达到的最大限度温度、在那个温度下保持的时间和悬浮液中其他成分的存在。
如较早指出的，胶化温度将随着选择用于使用的淀粉类型而改变。此外，观察到的特定淀粉的胶化温度可以随着施加于系统的物理条件而改变。如图8中所示，如果在浓度、pH和搅动的特定专门条件下在维持于90℃下的水浴中加热淀粉，那么所观察到的胶化温度和所得到的粘度与维持于95℃下的浴不相同。90℃蒸煮在约18分钟内达到其最大限度粘度，并且随后维持相对稳定。另一方面，95℃蒸煮在刚超过9分钟内达到其最大值，但随后在粘度中逐步降低。实施更快速温度升高的颗粒达到其最大限度扩张，并且随后伴随所产生的粘度丧失开始破裂。通过使用低水平交联可以减少或预防不利的淀粉断裂。
图8温度对胶化的作用
搅动对玉米淀粉胶化和断裂的作用显示于图9中。在这个实验中，将在室温下的5％淀粉悬浮液置于维持于90℃下的水浴中，并且以2个不同速度搅动。实线显示在100rpm下搅动的糊需要约18分钟达到其最大限度粘度，并且随后对于最后3分钟维持恒定。相比之下，在200rpm下搅动的悬浮液在6分钟后达到最大限度粘度，随后为快速粘度降低和随后连续但慢得多的粘度降低。在200rpm蒸煮中，改善的热转移促使温度以更快的速率升高，并且颗粒更快速地胶化。然而，200rpm搅拌器的机械作用破裂膨胀的颗粒，导致粘度中的急剧下降。在颗粒被机械破裂后，连续搅动仅造成轻微粘度降低。交联减少由于通过使用搅拌器、泵和匀浆器的颗粒剪切的粘度丧失。
pH对玉米淀粉胶化和断裂的作用在图10中得到证实。在pH4.0下的参考样品产生关于正常玉米淀粉的一般蒸煮曲线。使pH增加至7.0促使更快速胶化，但在经蒸煮的糊中产生可比较的粘度。使pH从4.0增加到7.0增加淀粉颗粒水合和胶化的能力，但不提供足够碱性以在胶化后产生可观的粘度断裂。然而，当用碱使pH增加至10.0时，由于淀粉分子增加的水合速率，胶化在短得多的时间内发生。较高的碱性还破裂某些膨胀颗粒伴随所产生的粘度丧失。尽管在图10中未显示，但如果淀粉已分散在2％氢氧化钠溶液中，那么无需任何添加的热它将胶化至相对稳定，但比通过在pH10.0下加热产生的那种更不粘稠的糊。
图9搅动对胶化的作用
图10上的最终曲线显示调整至pH2.5的淀粉悬浮液的粘度行为。胶化开始更像在pH7.0下的悬浮液，但糊取得更低的最大限度粘度，并且随后经历粘度的快速和连续丧失。在pH2.5下且在温度达到80℃下，淀粉分子可能经历糖苷切割，削弱整个颗粒结构，这最终崩解，产生低分子量的水可分散的片段。还可以观察在溶液中的其他材料对淀粉胶化速率的作用和所产生的糊的特征。例如，当在10％蔗糖溶液中蒸煮时，淀粉较不快速地胶化且形成较不粘稠的糊，因为蔗糖结合水，从而使得对于颗粒胶化较少获得。当存在糖化酶α淀粉酶时，发生粘度中的显著下降。如果存在β淀粉酶，那么粘度下降且高达60％的淀粉可以转变成麦芽糖。如果存在葡糖淀粉酶，那么淀粉可以转变成超过95％葡萄糖。
用于制备淀粉糊的另一种方法涉及连续加压蒸煮，通常称为喷射蒸煮。在这个过程中，使淀粉悬浮液与流相混合，并且随后注入压力器皿内，在其中它在超过100℃下和在高于大气的压力下维持极短时间段。糊随后闪降至大气压，伴随所得到的蒸汽冷却和浓缩。需要时，通过在注入蒸煮器内前将少量特定化学药品加入淀粉浆中，可以获得淀粉的某些修饰。这允许用户在连续过程中改变淀粉糊的性质，以满足他的特定使用要求，但它的确意味着用户必须承担关于控制所达到的修饰程度的责任。
图9pH对胶化的作用
因为淀粉性质也可以通过衍生化和修饰加以改变，所以可以获得最终变异。这种通用性已使得能够开发设计用于专门应用领域的许多专业淀粉产物。在这个简短讨论中描述商购可得的许多产物是不可能的。在这个小册子结束时包括关于食物和工业淀粉和糊精的一般应用。鼓励希望关于这些产物的帮助的任何读者联系美国玉米加工协会的个别会员公司。它们将乐于在选择正确产物和推荐适当应用方法方面提供帮助。
处理经蒸煮的淀粉
经蒸煮的淀粉可以热、在室温下或冷却使用。如果要获得所需结果，那么必须将用于改变温度的适当条件应用于热糊。条件通常设计用于特定应用，但某些一般指导如下：
1.如果维持接近煮沸温度，那么热淀粉糊连续丧失粘度。它们应冷却至在其下它们紧在蒸煮后使用的温度。
2.淀粉糊与搅动力成正比丧失粘度。如果待维持粘度，那么在蒸煮后应使用轻柔但彻底的搅动。
3.淀粉糊在它们冷却时在粘度中增加。在冷却过程中所应用的搅动量影响经冷却的糊的物理特征。在冷却过程中的连续搅动产生在质地中更光滑且具有比未经搅拌的那些更少的胶凝趋势的糊。相反，最大限度胶凝要求在冷却过程中不应用搅动。
4.煮得欠熟的淀粉糊产生在静置后释放水的凝胶。尽管通常称为“漏液(weeping)”，但更正确的术语是脱水收缩。适当淀粉产物的选择、彻底蒸煮和适当冷却消除脱水收缩。
5.稀释淀粉糊，特别是未经修饰的和酸修饰的淀粉的那些，可以发展独特混浊。这可以是直链淀粉聚合物在淀粉中凝沉的结果。凝沉是分子对齐和脱水的过程，这产生大的、松散结合的分子聚集物。给予足够时间和不搅动，这些聚集物可能沉淀(沉降)。通过使淀粉糊维持在约170°F的温度下伴随轻柔的连续搅动，可以预防混浊和沉淀。氧化、特定衍生和大多数糊精化淀粉具有减少的凝沉趋势。蜡质淀粉不显示这种凝沉现象至任何显著程度。
6.由于糖的容易可及性，淀粉糊是用于许多空气传播的微生物生长的极佳培养基。如果贮存在或接近室温下超过24小时，那么必须加入防腐剂以预防发酵、粘度丧失和最终腐败。
淀粉的酶转变
所有类型的淀粉糊都对通过淀粉分解酶的水解敏感，导致较短的聚合物链长度和急剧减少的粘度。酶水解是广泛使用的，特别是在纺织品和造纸工业中以及在玉米糖浆和右旋糖制备中。
棉花经纱通常用淀粉施胶，以给予它们用于适当编织的所需强度。然而，在它染色前，淀粉必须从编织的布中去除。使淀粉快速水解成短的水溶性片段的糖化酶(α-淀粉酶)用于这个目的。将酶应用于湿布，允许静置正确时间段以允许酶作用于淀粉，并且随后用温水从布中洗涤增溶的水解产物。
纸制造商使用在造纸厂中进行酶转变的大量淀粉。酶转变过程允许造纸者用未经修饰的淀粉替换经修饰的或衍生化的淀粉用于某些应用。它还允许造纸者定制转变淀粉至对于特定应用所需的粘度。在一般造纸或纺织厂中，散装淀粉自动按比例进入转变设施内，在其中它在水中以正确浓度(对于高固体转变，35-40％淀粉悬浮液)成浆。将淀粉浆调整至所需pH，加入α-淀粉酶并且在操作中设定预编程热循环。在一般的转变循环中，将蒸汽应用于闭合的、加套的搅动器皿中，使淀粉悬浮液在15分钟内加热至80℃。这使淀粉膨胀并且起始快速酶转变。转变在80℃下保持45分钟，并且随后在15分钟内加热至约105℃。升高的温度维持30分钟以灭活酶且使淀粉彻底分散。
在105℃保持期结束时，使淀粉冷却至在其下它将通过数种方法之一使用的温度。如果它预期用于用作桶胶水或用于在施胶压榨下应用于造纸机，那么它将非常可能通过用冷水稀释进行冷却。颜料或其他化学助剂可以与稀释水同时加入。
如果转变预期用于制备用于纸的颜料涂层，那么它通过将其加入“粘土浆(slip)”中进行冷却，所述粘土浆是粘土或其他颜料与分散剂、染料和其他化学助剂的高固体混合物。因为纸张涂层以极高速度完成，所以必须小心控制淀粉-粘土-化学药品混合物(涂层颜色)的流变学性质。
经酶转变的淀粉的最终粘度的主要控制通过改变所使用的酶数量来实现，但施加于系统的物理条件的变化也影响经转变的淀粉的特征。通常采用分批系统，但在商业上也使用连续系统。
一般地，用于酶转变的淀粉是未经修饰的，并且特别制备用于这个用途。它们通常是pH调整且缓冲的；在可以使用干燥和特定干燥技术前，将少量各种佐剂掺入浆内。
关于经酶转变的淀粉的主要用途正好在湿磨工厂中发生，在其中每年使数十亿磅淀粉转变成营养碳水化合物甜味剂。这些加工过程利用α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡糖淀粉酶、脱支酶和异构酶。它们在美国玉米加工协会网站www.corn.org上可获得的名称为NutritiveSweetenersfromCorn的小册子中讨论。
今天酶处理通常用于制备用于后续衍生化和加工步骤的淀粉，这导致创造具有独特物理和功能性质的产物。
淀粉的分析检查
化学文献包含用于测定淀粉的化学和物理性质的无数方法的描述。
通过其技术事务委员会(TechnicalAffairsCommittee)，美国玉米加工协会已花费多年开发且标准化实际且有效的用于淀粉和淀粉衍生产物的分析操作。今天委员会活跃地继续其关于分析操作标准化的工作。
由于这个广泛工作，美国玉米加工协会公开了这些分析操作且使得它们对于公众可获得。这些方法在从美国玉米加工协会网站www.corn.org可获得AnalyticalMethodsoftheMemberCompanies中公开。
通过与美国公职分析化学家协会(AssociationofOfficalAnalyticalChemists)合作，这些方法中的许多也可通过该组织的参考文献公开获得。
美国玉米加工协会已公开了可应用于未经修饰的和经修饰的淀粉和糊精、甜味剂和玉米副产物的许多分析操作。
玉米加工工业产物用途
术语表
为了帮助理解这个小册子中的工业特定信息，在其中它们首次使用的地方解释技术术语。为了读者方便起见，此处列出了某些较困难术语和在玉米加工工业中具有特定含义的术语的定义。
直链淀粉-由在化学上以长直链排列的葡萄糖单位构成的淀粉分子。
支链淀粉-由在化学上排列成支链的葡萄糖单位构成的淀粉分子。
脱水葡萄糖单位-在所有淀粉分子中重复出现的基本C6H10O5单位。
含水-包含水。
BOD-生物需氧量，在水体中经过一段时间通过细菌和浮游生物活性使用以稳定可分解有机废物的氧量的量度。
Brabender-用于测量粘度的淀粉-粘度曲线单位。
碳水化合物-由碳、氢和氧组成的化学化合物(淀粉、糖和纤维素是3个最常见的例子)。
凝结-从液态改变成半固体、非流体团块。
转变-如通过糊精化、水解等改变成低分子量形式。
玉米-来自主要用于动物饲料以及玉米衍生的食物和工业产物的商业生长的玉蜀黍(玉蜀黍)的种子；非甜玉米。
衍生物-通过使淀粉与化学化合物反应获得的产物，导致独特的物理和功能性质。
酶-如在淀粉到葡萄糖的转变中，催化特异性生物化学转化的一类蛋白质分子中的任何。
流动性-粘度的倒数。
馏分-在淀粉中发现的2类分子――线性和分支的；直链淀粉和支链淀粉。
凝胶-类似果子冻的坚固、半硬的冷却淀粉糊；以形成凝胶。
胶化-使水悬浮液中的淀粉蒸煮至在其下发生颗粒肿胀的点，形成粘稠溶胶。
遗传学-研究植物和动物中的遗传变异的生物学分支。作为应用科学，它用于通过使所需特征培育到新变种内来改善玉米。
糖苷切割-葡萄糖聚合物的水解，由此水是这样的试剂，在酸或酶催化剂下，其作用于使相邻葡萄糖单位结合在一起的糖苷键分开，并且再生在每个葡萄糖组分上的羟基。
颗粒-植物中产生的小型谷粒样贮存粒子，由以特征模式排列的淀粉分子组成。
高直链淀粉的淀粉-包含超过50％直链淀粉(通常55-70％)的淀粉。
水合物-分子-水结合。
水解-通过与水的化学反应将分子分成较小部分的过程。
羟(OH)基-由一个氧和一个氢原子组成的化学原子团。
吸水-容易吸收且保留水分。
仁-谷类特别是玉米的完整谷粒或种子。
键-分子通过其连接以形成较大分子的特定键合排列。
胶束-线性淀粉分子和分支分子的线性区段聚集成的紧密束。
分子-物质单位；保留与团块中的物质的化学同一性的化合物最小部分。
突变体-在某些非常显著的特征中与其亲本不同的后代。
氧化-通过增加原子上的正电荷数目或负电荷丧失引起的氧化作用。
pH-溶液的酸度或碱度的量度，pH7是中性的，较低的值是酸性的并且较高的值是碱性的。
聚合物-通过将大量等同的较小单位(或单体)以重复模式化学连接形成的非常大的复杂分子。
凝沉-经蒸煮的淀粉从糊脱水和回复不溶性状态。
浆-水连同或不连同玉米的其他组分在水中的悬浮液。
稳定的-术语指示淀粉糊在粘度、澄清度或质地中不因年久而可观地改变。
淀粉糊-通过使水悬浮液中的淀粉蒸煮至超过其胶化温度的点形成的浓的、粘稠的、光滑悬浮液。
浸泡水-在玉米加工过程的起始阶段过程中玉米已在其中浸渍或“浸泡”的，包含溶解的蛋白质、矿物质和其他物质的水。
悬浮液-不溶性颗粒或粉末材料与流体的异质混合物。
合成-通过较简单化合物或其元素联合建造化合物。
粘度-术语用于指示液体对流动的抗性；通常用于描述淀粉糊的稠度。
蜡质玉蜀黍-玉米变种，只由分支分子组成的淀粉组分。
湿磨法-使用水-二氧化硫系统用于使玉米分离成其组分部分的过程。
附录B
用于癌症治疗的离子和离子加速器
KRSTOPRELEC
BrookhavenNationalLaboratory,Upton,NewYork,U.S.A.
1997年11月12日接受
UDC537.567,537,563.3yyyyyy
PACSnumber:87.53.-j
科学综述论文
当与其他常规辐射类型相比较时，质量范围直到氖的能量离子在癌症治疗中可能具有重要优点。这篇综述将首次考虑几种辐射类型(光子、电子、质子和离子)的放射生物学性质，指出与其他类型相比较离子的相关特征。随后将限定用于癌症治疗所需的离子束的参数，随后为质子和离子疗法以及临床试验状态的综述，以及操作和计划设施的描述。最后，基于现有经验和所需未来性能，将建议此类设施的可能设计。
1.引言
放射疗法已成为癌症治疗中的最重要方式之一。估计个人在他或她一生期间有三分之一机会面临该疾病，并且其中少于一半将被治愈。虽然手术仍是最成功的治疗，但放射疗法单独或与其他方式组合促成约40％的总治愈率。有趣的是注意到化学疗法单独导致相当小部分的癌症治愈；它主要用作辅助疗法。所有其他方式仅促成治愈率的几个百分比。
理想地，任何癌症治疗方法的目的是去除或破坏肿瘤，而同时尽可能多地保存健康组织。出于这个目的差不多100年前低能量X射线开始用于这个用途，尽管它们的穿透很差，并且疗效有争议。在20世纪20年代早期，镭单位开始使用，产生更深穿透的γ射线；这随后为提供更高能量X射线的电子加速器。核反应堆使得可获得放射性钴来源，并且它们变成使用至今的用于放射疗法的标准γ射线来源(例如，γ刀)。用于X射线疗法的大多数现代和非常广泛使用的机器是紧凑的线性加速器，并且估计全世界存在高达4000台。多年以来，这种技术已得到不断改善，机器已适合于医院环境，并且递送至肿瘤的辐射已变得越来越精确，同时尝试不伤害健康组织。然而，仍存在其中无法避免肿瘤附近的要害器官照射的许多情况；对于要害器官允许的最大限度剂量在此类情况中将限制给予肿瘤的剂量，导致局部控制的可能失败。
约50年前，R.Wilson注意到单能质子(和其他较重的离子)的布拉格(Bragg)峰将允许辐射剂量优选递送在其路径尽头，在其中已造成最大损伤的肿瘤其自身中。通过调节质子(或离子)能量，原则上可以用均匀和足够的剂量照射肿瘤的整个体积，同时使递送至器官器官的剂量保持在较低值下。这个特征连同高侧束精确度是肿瘤的适形治疗的基础，这是朝向理想方法的重要步骤。因为这个首先提议，存在适合于或特别建造用于肿瘤治疗的许多质子机器。
用于癌症治疗辐射类型范围内的最近和相当有希望的引入是质量范围从碳到氖的能量离子。它们将被称为轻离子，尽管在医学文献中，它们通常被称为重离子。除显示具有质子的类似特征的布拉格峰，和甚至比质子更佳的侧束精确度的优点外，离子还具有使其比任何其他辐射更适合于治疗某些肿瘤类型的其他特征。沿着粒子路径的线性能量转移(LET)或能量沉积的速率对于轻离子(快中子具有相似性质)比对于常规辐射包括质子更高；如果LET值更高，那么相对生物学有效性(RBE)趋于更高。此外，某些肿瘤细胞是缺氧的，像这样由于特征在于氧增强比(OER)的氧效应，对常规辐射更有抵抗力。还存在轻离子辐射在肿瘤中的效应不象它们对于常规辐射那样依赖于细胞周期的指示。
然而，与常规辐射相比较，轻离子的可能优点导致用于束产生和特别地用于束递送至患者的更复杂系统。具有高LET粒子和其大部分能量在轨道尽头在布拉格峰中递送，不仅适当调整束的形状而且适当调整它照射肿瘤的特定部分花费的能量和时间，变得非常重要；否则，健康组织可能不必要地暴露，同时肿瘤无法获得所需剂量。轻离子的适当利用需要医学诊断学(CT、MRI、PET)的技术发展水平应用以测定肿瘤的确切形状和定位，加速器和束递送系统的完全计算机控制，以及在任何瞬间递送给患者的束剂量的快速和精确测量。直至最近，这种系统复杂性已变成轻离子为何在医学中特别是在癌症治疗中发现非常有限的用途的原因之一，从而使得目前在操作中仅存在一个专用设施Chiba，日本)。关于兴趣缺乏的另一个原因是在过去能够产生具有适合于医学应用的参数的轻离子束的少数加速器设计用于完全不同的目的(核和粒子物理学)，其能量和强度不匹配患者治疗的需要，使用复杂并且操作昂贵。与轻离子加速器相比较，用于质子产生的电子直线加速器已享有很长的开发史，并且目前设计完全适合于医院环境。
这篇综述将尝试解决数个问题，例如与质子和常规辐射相比较，轻离子疗法的可能优点，此类系统的复杂性及其对于医院环境的可能适合，以及与用于癌症治疗的其他方式相比较的成本有效性问题。
2.放射特征和效应
任何癌症治疗的目的都是控制或可能地永久消除肿瘤。因为这个过程涉及且导致细胞破坏，所以治疗的成功将始终依赖于健康组织和肿瘤其自身之间的区分程度。从最早的那天开始(使用单词“常规”是由于历史原因，而不暗示局限性或较低质量)，常规放射类型包括来自放射性同位素的γ射线、轫致辐射光子和电子，已广泛且常规用于人癌症治疗。递送给机体的剂量在入口区最高并且随着辐射穿透机体而减少，这是常规放射的共有性质(图1)。对于γ射线和光子，降低具有指数特征，这意味着在经过靶后，辐射剂量进一步降低，但在肿瘤外的健康组织和可能地要害器官仍被照射。因此，辐射对在肿瘤前面和后面的健康组织的作用可能限制递送给肿瘤的剂量。光子能量通过随机过程例如非弹性散射或光电过程转移至组织。因此，当光子束穿透机体时，它被实施强散射，并且这导致必须加以考虑的侧束分散。光子和γ射线被称为间接电离，因为生物学效应是由于快电子在组织中产生的作用。高能电子是直接电离的粒子；所递送的剂量随着深度甚至比对于光子更快速地降低，但它们具有有限射程，如果适当选择能量(图1)。它们还显示强散射的效应，导致当它穿透机体时束的侧面分散。如果通过使束围绕患者旋转且将它瞄准等中心点，从几个方向照射肿瘤，那么可以基本上改善常规辐射的递送。尽管这使束递送系统复杂，但结果是剂量在肿瘤中和外部的更有利比。在来自放射性钴的γ射线的情况下，这种方法的应用已导致所谓的“γ刀”的创造，其中来自超过100个来源的射线进行校准且集中到肿瘤上，促使其破坏。与其他辐射类型相比较，常规辐射现在是到目前为止的最广泛使用的类型，几乎唯一地促成癌症治愈率的大量部分。它们最有效的用途是在快速增长肿瘤的情况下，因为这些细胞频繁分裂，并且光子特别在其分裂过程中作用于细胞。
图1.关于几个辐射类型的深度剂量曲线[1]
尽管常规放射疗法单独或与其他方式(手术、化学疗法)组合的成功，但诊断有局部癌症(不存在转移)的约17％患者由于局部控制失败而死亡；局部复发在诸如上消化道、脑、颅底的部位中，在妇科肿瘤和具有高转移率的某些肿瘤中是频繁的[2,3]。这些患者最可能受益于放射疗法中的改善。存在达到此类改善的2种方法，一种通过常规辐射的更佳剂量递送，并且另一种通过引入新型辐射用于治疗。然而，存在关于第一种方法的局限性，其中之一是所提及的物理剂量的深度式分布。
比电子重的带电粒子(质子、离子)具有使其对于某些肿瘤治疗更有吸引力的性质[2,4a,5]。它们与物质的相互作用主要通过涉及靶原子中的电子的过程。因为其与电子相比较大得多的重量，所以它们经受明显更少的侧面散射和更少的束分散；这种差异随着离子质量增加而变得更显著。随着重带电粒子穿透到组织内，它在无弹性过程中丧失其能量并且它的速度降低。能量沉积速率是能量的函数，并且当粒子减慢时，速率起初快速增加(图2；虚线曲线)；这个区域通常被称为平台。
图2.拓展的布拉格峰(SOBP)[1]
朝向路径尽头，紧在其完全停止前，粒子经历能量损失速率中的急剧升高(布拉格峰)。布拉格峰的位置依赖于粒子的质量和能量以及靶的阻止能力。这2种效应，较不显著的侧面散射和在路径尽头的布拉格峰，导致在约50年前首次提议在放射疗法中使用质子。对于具有与布拉格峰宽度可比较的厚度的肿瘤，选择具有这样的能量使得峰与肿瘤一致的带电粒子束，原则上应能够将其大部分能量沉积到肿瘤其自身内，使对于在入口通道中的器官的损伤降到最低，并且完全避免在肿瘤外的任何照射。然而，许多肿瘤具有大于布拉格峰宽度的厚度，并且靶必须在几个步骤中进行照射，每次用不同能量的束，因而覆盖整个体积(图2；实线曲线)。这种展开布拉格峰的方法导致肿瘤的适形治疗，原则上可应用于任何肿瘤形状，并且代表关于理想程序的最接近方法。
用于估计且描述辐射效应的另一个相关参数是线性能量转移或LET，通常以单位keV/μm表示。这个参数的值依赖于粒子的电荷和能量，并且因此，当粒子穿透组织时改变。对于理想的单能束，LET值是有意义的，但对于实际束，它们始终平均值，依赖于计算平均值的方法。尽管如此，这个参数作为辐射生物学效应的指示还是有用的，并且不同类型描述为低LET(光子、质子)或高LET(中子、轻离子)。以keV/μm的LET值数量级是对于光子约1，对于质子10-100，并且对于轻离子高达1000。
图3.对于不同辐射类型和细胞系所测量的氧增强比(OER)范围[1]
用常规辐射治疗的肿瘤局部控制的失败在某些情况下由肿瘤核心中存在的缺氧细胞的较高辐射抗性引起[1,4a,6]。氧增强比(OER)是描述这种效应的参数；它被定义为给定辐射在缺氧细胞群体中产生特定生物学效应的吸收剂量与在正常氧合细胞群体中达到相同效应所需的剂量的比。已发现关于常规辐射的OER值高达3，这可能指示将足够高剂量递送至肿瘤核心中的(缺氧)细胞，而不引起对于周围健康组织或要害器官的不可恢复的损伤中的困难。氧增强比随着LET增加而降低，并且对于具有超过数百keV/μm的LET值的粒子，它甚至可以接近1(图3)。减少的OER值已被视为关于高LET粒子使用的重要论点，尽管临床研究仍为完全确认其重要性和预期。
关于放射生物学有效性的重要性的另一个现象是细胞对辐射的敏感性是细胞周期中的阶段的函数[4a,6]。对于常规辐射，细胞在分裂期是最敏感的，而它们在DNA合成期中更有抵抗力。这种差异可以是非常大量的。然而，对于轻离子，对于细胞周期中的阶段的敏感性的依赖性看起来极大减少，特别是对于超过数百keV/μm的LET值。
尽管线性能量转移(LET)描述了粒子沿着其路径的能量沉积(即，损失)，但辐射剂量是所吸收的能量/组织质量单位的测量；剂量以格雷(Gray)或拉德(1Gy＝10拉德)单位进行测量。这是在放射疗法中最重要的可测量数量之一，并且它通常在报告生物学实验或临床试验时引用[6,7a]。然而，相等剂量的不同辐射类型不一定产生相等生物学效应，导致相对生物学有效性(RBE)的不同值。RBE被正式定义为250keVX射线剂量与某些其他辐射类型剂量的比，两者都导致相同生物学效应。患者中的细胞、细胞群体和肿瘤对辐射的应答将极大不同，并且RBE值的一般比较不是非常相关的，除非指定实验或临床试验的所有条件。尽管如此，对于轻离子疗法有利的范围，对于更高LET(和更低OER)的辐射类型RBE较高的一般结论仍是有效的(图4)。
总之，质子和轻离子具有使其与常规辐射区分的几个性质，并且提供了癌症治疗中的新可能性。对于质子，由于减少的侧面散射和由于布拉格峰的存在，优点是递送剂量的更佳分布。轻离子经历甚至更少的侧面散射，并且它们具有使其与常规辐射和质子区分的另外特征。虽然后者是低LET辐射类型，轻离子是高LET粒子，并且像这样显示减少的氧效应，但它们的效应较不依赖于细胞周期，并且它们具有较高的相对生物学有效性。因此，轻离子在治疗缓慢增长、界限明确的肿瘤中有益。然而，它们也具有在核碰撞后破碎的趋势；更轻的碎片粒子可以具有给予其比最初粒子更深穿透的能量，并且引起在远侧峰外的组织的某些照射。还存在关于与其他辐射类型相比较轻离子增加的致瘤可能性的某些问题。这是因为目前考虑用于且用于肿瘤治疗中的轻离子的质量范围对于低于氖的那些是有限的这些新效应；在其中目前使用轻离子的2个设施(Chiba，GSI)中，碳离子是选择的种类。
图4.关于相对生物学有效性(RBE)因子根据线性能量转移(LET)
值的实验数据范围[1]。
3.粒子束用于癌症治疗的要求和参数
3.1.离子种类和能量
在Chiba设施中，已完成用直到氖的离子的轻离子对细胞作用的大多数研究和几乎所有临床试验，尽管其设施设计用于直到氩的离子。存在碳离子提供治疗中的优点(递送给肿瘤的剂量和入口剂量的非常有利的比，良好的放射生物学性质)和应降到最低(碎片，远侧剂量)的缺点之间非常良好妥协的一般同意。对于特定希望的穿透深度(或布拉格峰的位置)，递送给患者的离子能量将依赖于离子种类(图5)；离子能量随后将决定机器大小及其成本。尽管对于质子，250MeV的能量足以照射固定于高达30cm深度(水等价)的肿瘤，但轻离子需要更高的能量用于相同穿透。具有290MeV/u能量的碳离子将仅穿透15cm深度，并且对于30cm，将需要超过400MeV/u的能量。对于甚至更重的离子例如氖，需要约650MeV/u的能量。已选择离子种类的范围后，最重离子的最高能量将决定机器大小及其成本。存在在考虑这些参数中可用的某些权衡：设计用于特定离子种类的机器和完全穿透深度(设想的最高能量)能够以相似或略微更低的能量/核子递送甚至更重的离子(最大限度能量将依赖于离子的质量比)；
图5.关于癌症治疗中感兴趣的几个离子种类的能量范围曲线[1]。
尽管对于更重的离子，穿透将不够深，但它们仍可以用于治疗定位更接近于机体表面的那些肿瘤。为了比较，在400MeV/u的能量下，碳离子将具有28cm的穿透深度，氧离子20cm，并且氖离子仅17cm。如氦和更重的离子具有相对更高的平台(在入口和肿瘤之间递送的剂量)，并且对于浅肿瘤定位是优选的，以限制对于健康组织的损伤(图6)；因此，较低能量/核子仍是令人满意的。应需要更深的射程，应设计用于更高能量的机器。还将存在关于所需束能量(布拉格峰的位置)的精确性和允许束的能量分散(布拉格峰的加宽)的另外要求；通过在转运线中使用能量限定准直器可以减少这2种效应，但这必然导致束强度损失。然而，现代加速器已经达到能量设置和控制中的所需准确度(0.1％或更佳)；束能量分散也在治疗所需的限度内。组织在束路径中的性质的认识是更关键的，因为这将影响射程(或布拉格峰的位置)，并且将必须包括在治疗计划内。
用质子或轻离子疗法更大体积的肿瘤需要用不同能量的离子扫描体积，以达到拓展的布拉格峰[8]。存在达到束能量调节的2种方法，一种利用来自加速器的固定输出能量(或可能地，在大步骤时的少数能量)，当束能量的改变通过在治疗室中的能量降能器完成时(被动系统)，而另一种基于加速器其自身的能量调节(主动扫描)。目前专一地使用的第一种方法对加速器和束转移线没有任何另外要求，除固定和平稳的输出能量外，但它的确需要非常仔细设计的能量降能器，以及用于校准的元件；然而，当经过降能器(散射、破碎)时，可能导致束质量的退化，和治疗室中的另外本底辐射。对于某些类型的加速器，这是可应用的唯一方法。另一种方法通过调节加速器其自身的输出能量，使复杂性的负荷从转移线的最终部分移动到机器其自身。某些加速器例如同步加速器和的现代设计和束转移线已达到其中可以在脉冲间的基础上改变机器的输出能量和必需转移线参数的阶段，这可能仅花费数秒或更短时间。这种方法允许始终以合适能量和强度一个小元素一个小元素地(体素)扫描肿瘤体积。尽管主动扫描的另外复杂性，但加速器的进一步开发和束转运控制系统将很快使得能够引入这种方法用于测试和患者治疗。
最后，为了精确递送所需剂量遍及肿瘤，加速器必须提供具有极少污染的所需离子种类。在轻离子的情况下，加速器可能无法区分具有相同荷质比的不同种类，并且选择将必须在进样器阶段完成。
3.2.束强度
来自加速器所需的束强度(或流量)由几个因素决定，其中有所需治疗持续时间，开处方的剂量，束能量调节的方法以及靶的大小和定位。为了使患者动作在照射过程中的效应降到最低，希望治疗时间不长于最多数分钟(在某些情况下甚至可能必需使辐射脉冲与呼吸或心搏动同步)。在治疗时间长度的选择中存在一定灵活性；可以例如要求在全束能量下给2升的靶体积递送5Gy/分钟的剂量。对于此类照射率的轻离子束强度的相对应值是109个粒子/秒的级别，对于更重的离子种类更少，因为其更高的相对生物学效率。在加速器出口处的束强度将必须更高，因为束处理中和从机器转运到患者的损失。被动系统原则上将具有更高损失，可能高达80％，但即使用主动扫描系统也无法预期比50％好得多的转运效率。然而，后面一种系统具有下述优点：不递送给患者的束部分在治疗室外废弃而不促成本底辐射。加速器连同离子源和进样器阶段，应设计用于在离子种类的整个范围上的所需输出束强度。对于特定机器设计，束输出对于更重的离子将更低，但因此将是所需靶束强度。表1中给出的束强度应视为上限；如果这将导致更简单和成本更低的设计或更佳的束质量，那么甚至更低的值也是可接受的，因为许多肿瘤小于2升或可以允许更长的照射时间。
表1.治疗患者所需的束强度值
离子 C N O Ne Ar
在靶上的束强度(粒子/秒) 1x109 9x108 7x108 5x108 2x108
3.3.束在靶上的时间结构
在肿瘤体积上的精确剂量递送需要来自加速器的束的定义明确的时间结构。如果使用被动束递送系统，那么用宽束一片一片地照射靶，并且时间结构较不关键，只要可以监控且控制片暴露于束的时间。主动束扫描系统对时间结构提出更严格的要求，除非存在联机束检测系统，以准确测量递送给任何体积元素的剂量，和在已达到合适剂量后递送使束移动到下一个元素的信号。如果没有此类联机系统，那么来自加速器的提取束应尽可能平稳，具有仅在几个百分比内的强度波动，这导致对于加速器和束线元件及其电源非常严的容许量。
除束的稳定性外，还存在其他考虑。与机器类型无关，无论它是回旋加速器、线性加速器还是同步加速器，束将具有与rf加速电压相关的固有强度结构；依赖于机器类型，可以获得具有小于100％的宏观工作系数的束。回旋加速器用100％的工作系数操作，并且存在与加速电压频率相对应的rf结构；束强度控制在低能量末端、离子源或离子进样器处最佳地完成。线性加速器通常具有极低的工作系数，具有数毫秒持续时间的脉冲，但高强度，并且再次显示与加速电压相对应的rf结构。低工作系数使得线性加速器较不适合于离子递送系统。最后，具有缓慢提取系统的同步加速器可以具有高达50％的工作系数，并且它的rf结构原则上可以通过使束散束而去除，尽管在完成这点中没有特定优点。同步加速器作为脉冲装置与被动和主动束递送系统两者都良好匹配。可以使经提取的束脉冲的长度与完全或部分照射靶的片所需的时间相对应，并且随后可以容易地改变能量用于下一片。然而，同步加速器中经提取的束强度对磁体电源中的任何波动或噪声相当敏感，并且必须采取努力以解决这个问题。
4.质子和轻离子癌症治疗、临床试验的情况
4.1.设施和潜在患者数目
癌症发病率及其治愈率的统计学指出存在大量改善的空间。常规手术已达到高安全水平，并且通过引入创伤更小的操作(激光手术、剖腹手术)和重建手术的更广泛使用，可以预期进一步改善。化学疗法是选择少得多且证明的单一方式；患者得益于其作为辅助治疗的用途。对于局部控制，癌症治疗的最重要部分，放射疗法极大促成治愈率，并且对于新应用方法和新辐射类型仍是开放的。甚至常规的新辐射技术例如立体定位性放射手术和适形疗法促成递送给肿瘤的剂量增加，而不超过健康组织的允许剂量。然而，质子和轻离子提供其中常规辐射通常可能失败的特定肿瘤部位治疗中的进一步改善。如较早所述，其中质子和轻离子束可以是最有益于患者的部位是其中可以充分利用的其特征(物理选择性、放射生物学效应)的那些；优选部位将是在关键器官紧密附近中的那些或显示对于常规辐射的抗性的那些。使用质子束(良好物理选择性)、中子(高LET辐射)和轻离子(良好物理选择性、高LET辐射)的经验已显示，在局部控制和长期存活中，对于许多肿瘤可以达到基本上更好的结果。基于这些特征和由有限经验支持的，已作出关于可以受益于质子和轻离子疗法的潜在病例数目的估计[1,9,10,11a,12]。对于具有2千万人口的MetropolitanNewYork地区，已估计超过100000个新癌症病例/年，约15000例将受益于质子疗法；对于意大利进行的估计已显示在约6千万的人口中，约7000个患者/年将受益于轻离子疗法。在专用设施中，每年应可以治疗约1000-2000个患者。因此，质子设施可以在约1千万的任何人口中充分利用，而轻离子设施对于上千万的聚集将是合理的。
关于质子和离子设施的实际情况完全不同。尽管质子的使用已在50年前提出，但目前存在少于20个设施在运转中，迄今为止治疗了少于20000个患者。对于轻离子，获得的经验更少：迄今为止已治疗了少于3000个患者，其中约2500个在1993年关闭的Berkeley设施中。目前，仅存在在Chiba(日本)的用于轻离子癌症治疗的唯一一个设施，而临床试验将在GSI(德国)的核实验室中开始。存在在数年内规划投入运转的3个质子设施；在日本(Hyogo)的另一个离子设施规划在2001年用于运转，并且2个欧洲规划(TERA和CERN-AUSTRON-TERA-GSI协作)在设计阶段中。以更多精力从事轻离子的临床应用中的这种勉强不仅来自关于大量最初投资的需要，还来自由临床医生表示的不确定性：与其他辐射类型比较，轻离子的预期利益可能无法在临床试验中完全实现。
4.2.用质子的临床试验
尽管不是使用质子用于肿瘤治疗的第一个设施，但HarvardCyclotronLaboratory(HCL)与MassachusettsGeneralHospital(MGH)协作已治疗了最多数目的患者(迄今为止超过7000个)，并且获得本领域中最多的经验[5,4b,7b,7c,13,14,11b,11c]。结果是如此鼓舞人心的，使得再次回旋加速器但具有更高能量的新机器在1998年将在MGH投入运转。用质子束治疗的病理状态以特定优先次序分成几个范畴，从接近于高度临界结构的那些开始，其中质子的优点已得到明确证实并且不需要另外研究；在第二个组中的是特征在于占优势地局部进化的病理状态，其中局部控制将导致比通过使用常规辐射更大的治愈可能性。最后，质子可以用于非常预后不良的局部进展肿瘤的姑息治疗。在HCL/MGH，最大的患者组是就眼肿瘤特别是眼色素层黑素瘤治疗的那些。治疗就局部控制、眼保留和视力保存而言是高度成功的。还已治疗了具有颈椎和颅底脊索瘤和脊索肉瘤的大量患者。尽管当使用常规放射疗法和/或手术用于这些肿瘤时，结果通常是非常致命的，但组合的光子/质子疗法已导致高局部控制率和非常良好的长期存活率。对于前列腺癌的组合光子/质子治疗达到类似鼓舞人心的结果，而某些颅内肿瘤的治疗成功少得多。
在美国关于用质子的癌症治疗的另一个重要中心位于LomaLinda，作为完全专用的设施[11d]。它是250MeV同步加速器，在1990年投入运转，其中已治疗了超过2000个患者。经治疗的解剖区域包括脑、头与颈、脊柱、腹后和骨盆。大多数患者诊断有前列腺癌。连同MGH设施，LomaLinda同步加速器与其3个扫描架和1个固定束长期以来处于癌症治疗中的质子束应用的前沿。
在Villigen，瑞士的PaulScherrerInstitute(PSI)，迄今为止已用质子疗法了超过2000个患者，其中大多数用72MeV回旋加速器束用于眼肿瘤[2,7d,11e,11f]。结果是极佳的，与通过摘出术的治疗可比较，但具有保存眼和适当视敏度的优点，即使在大肿瘤的不利情况下。存在通过在PSI使用590MeV回旋加速器扩大质子束应用的计划；能量将必须减少以匹配甚至用于治疗深层肿瘤的所需范围。设想肿瘤体积将进行三维扫描，通过使用许多射程移位器纵向移动布拉格峰，在一个垂直方向上磁力扫掠束，并且以另一个方向缓慢移动患者。
在日本Tsukuba的ProtonMedicalResearchCenter[4c]已将其努力集中于胸腹部肿瘤的治疗，与其他相似中心不同的重点。迄今已治疗了约500个患者，使用500MeV同步加速器束，下降至250MeV。由于相对小数目的病例/肿瘤类型，结果不是结论性的，但存在食管、肺和肝的原发性恶性肿瘤可能受益于质子束改善的物理剂量分布的指示，当单独或与光子组合应用时。
自1969以后在俄罗斯已存在质子疗法的主动项目，大多数在Moscow的InstituteforTheoreticalandExperimentalPhysics(ITEP)[4d,11g]。通过使用来自ITEP同步加速器的200MeV质子束，已就大量各种肿瘤部位治疗了接近于3000个患者，其中许多在不宜手术阶段。尽管病例数目/部位是相当小的，并且因此统计学是不可靠的，但关于某些肿瘤的结果已是非常鼓舞人心的，与在其他中心的临床试验良好一致。关于俄罗斯的临床工作的主要困难是专用设施的缺乏；医学应用在机器上时间安排中通常具有少得多的优先权。然而，由于俄罗斯的目前经济状况，关于开发基于医院设施的近期制备项目的前景不是非常良好。
4.3.用轻离子的临床试验
尽管由于其更佳的物理选择性和另外的放射生物学效应，轻离子辐射的预期利益，但全世界存在极少的临床试验，具有非常有限的患者数目。如果从考虑中排除用氦核的试验(氦核具有与质子相似的特征，即它们具有低LET辐射)，那么迄今为止仅治疗了约500个患者，不是用氖也不是用碳离子。先驱工作在1979-1992时期在LawrenceBerkeleyLaboratory完成，当时约300个患者用来自Bevatron设施的氖离子进行照射；该设施其后不久关闭并且没有进行进一步试验[15,16,7e,4e,4f,11h]。最常用的氖离子能量是585MeV/u，足以穿透最深的肿瘤。大多数患者选择用于氖离子治疗是因为常规方式无效(不宜手术的肿瘤，不响应常规辐射的肿瘤)。这个事实使得比较更加困难，因为具有更有利结果的可容易治疗的病例被排除。这些试验的目的是开发用于治疗计划和递送的技术，研究关于各种肿瘤的应答且评估氖照射的急性和晚期毒性。所治疗的肿瘤类型列表很长，并且因此患者数目对于良好统计学太小。虽然如此，氖离子看起来仍对于许多肿瘤类型提供潜在改善的局部控制和存活率；结果与用其他高LET辐射例如中子获得的那些良好一致。对于具有鼻旁窦肿瘤、某些唾液腺肿瘤、导管癌、某些软组织和骨肉瘤以及晚期前列腺癌的患者达到改善的控制和存活率；在某些病例中，该速率是光子的2倍。其他肿瘤类型例如某些脑肿瘤，黑素瘤，晚期头与颈肿瘤，肺、食管、胃和胰腺恶性肿瘤的治疗结果不优于常规疗法，这通常意味着它不是有利的。LBL试验的结论是氖离子放射疗法提供用于几种选择的人癌症临床上可行的方式，当与常规光子疗法相比较时具有改善结果。预期用比在LBL使用的更好、更适形的束递送系统，可以获得更好的结果，伴随更少的副作用。
尽管在LBL用轻离子(排除氦)治疗的所有患者接受氖离子疗法，但这个选择看起来不是最佳的。碳离子具有与质子和氖离子相比较具有优势的放射生物剂量分布特征。虽然物理选择性对于所有这些粒子都是相似的，但碳离子具有高LET特征，并且与氖离子相比较，更低剂量在平台区和在靶外的更小碎片尾部中。其中使用(或不久将使用)轻离子的2个设施已决定将试验集中于碳离子，尽管可用种类的范围宽得多。第一个设施在Chiba，其中临床试验自1994年以后已在进行中，并且已用碳离子治疗了约200个患者[7f,17,18a,11i]。已治疗且将治疗广泛多样的肿瘤，包括不良好响应氖束的某些深层肿瘤。患者根据许多标准进行仔细选择，以测定肿瘤应答和对于正常组织的毒性；已选择了局部进展和/或不宜手术的局限性癌。对于局部进展的头与颈部位，选择用其他方式无法治疗的复发性或抗放射性肿瘤；选择用于治疗的脑肿瘤是恶性神经胶质瘤和星形细胞瘤，而其他部位包括不宜手术的肺肿瘤、原发性肝肿瘤、宫颈癌、前列腺癌、食管癌以及不宜手术的骨和软组织肉瘤。在第一个阶段，预期使用保守剂量，低于由健康组织耐受的那些，后来，剂量将以小增量增加。这种方法是合理的，因为需要建立用于治疗的适当方案，且因为关于必须尽可能多地不伤害的某些组织例如中枢神经的高因素RBE值。初步结果显示不存在主要健康组织病态，并且碳离子疗法是有希望的用于癌症治疗的方式。试验计划继续，使离子种类范围最终扩展至硅或氩(对于定位更接近于表面的肿瘤)，希望确定离子在放射疗法中的合适作用。
在Darmstadt(德国)的GSI重离子研究复合体，实验性癌症治疗项目在进行中，继续5年且包括约350个患者[18b,11j]。该项目的主要目的是通过使用与主动加速器能量调节偶联的二维磁光栅扫描，测试新型、最先进的束递送方法。在患者前面的电离箱测量在肿瘤体积中的特定点上的离子数目，并且控制扫描速度。在临床试验的成功结论后，计划设计且建造基于医院的设施。
5.用于轻离子疗法的加速器类型
5.1.回旋加速器
回旋加速器是具有恒定磁场和固定频率的加速电压的机器。来自离子源的束的注入，其在机器中的加速和喷射是连续过程；经提取的束具有固定能量并且它的强度也可以是连续的，当扫描肿瘤时这可以具有优势。尽管递送具有高达230MeV的能量的质子束的回旋加速器已经通过工业开发以在医院环境中运转，但它们作为用于轻离子疗法的加速器的应用不是非常可行的。对于相同穿透深度所需的能量/核子很高，此外，与质子相比较离子的荷质比很低；因为这些因素，用于癌症治疗的标准设计的轻离子回旋加速器将具有禁止性地大磁体。曾经考虑用于轻离子的唯一回旋加速器是目前放弃的EuropeanLightIonMedicalAccelerator(EULIMA)Project的部分。为了减少标准磁体的大尺寸和重量，考虑且开发了用于EULIMA的超导单个线圈设计，具有仅2.32m的外部半径。然而，回旋加速器不是用于这个设施的优选选择，因为所需超导技术非常尖端，未超过回旋加速器的其他优点。
5.2.线性加速器
常规线性加速器通常是极低工作系数的机器，在短脉冲中(具有约毫秒的持续时间)递送高离子束电流，通常用于注入下一个阶段加速器例如同步加速器内。它们可以接受且加速具有特定荷质比的离子，并且递送具有固定或最多在大步骤中可变的能量的束。尽管提取效率接近于100％，但目前不存在用于质子或轻离子疗法的线性加速器(提议使用来自BrookhavenNationalLaboratory's200MeV线性加速器的小部分质子束用于癌症治疗，但决定不进行)。线性加速器是需要大空间的机器，它们的建造和维持是昂贵的，并且束特征对于放射疗法不是最有利的。通过使用超导腔可以达到改善性能(更广谱的离子种类、更高的工作系数、在输出能量中的某些灵活性、减少的尺寸)，但这再次是并非非常适合于医院环境的尖端技术。
5.3.同步加速器
同步加速器是脉冲加速器，其中粒子在闭合的约圆形轨道上移动，其中磁场和加速电压频率随着粒子能量增加而及时改变。同步加速器的脉冲率是1/秒或更少的级别，除对于极大型机器外，并且工作系数可以高达50％。经提取的束的能量依赖于磁场的最终值，并且可以在脉冲间的基础上改变，这使得这类机器通过束能量调节与深度扫描非常良好地匹配。尽管经提取的束强度低于来自回旋加速器或线性加速器的，但通过适当设计可以变得足够高用于任何离子种类并且用于治疗在任何深度处的肿瘤。其他经提取的束的参数，例如发射率、能量分散或时间结构也可以与束递送系统的需要匹配。由于它的优点、在能量输出和离子种类中的灵活性、足够强度、可靠操作以及中等大小和成本，同步加速器是在用于轻离子癌症治疗的所有规划中选择的机器。
6.现存和未来的轻离子设施
6.1.历史：BEVALAC项目
尽管比氦重的离子的第一次加速在1971年完成，但临床试验一直等到1975年，用于完成由同步加速器Bevatron和充当其进样器的线性加速器SuperHILAC组成的BEVALAC复合体。这个设施的束资源在核物理学研究和生物医学研究之间共享。存在2个治疗室，两个都利用水平束。最初，具有2个箔的散射系统用于分散束，但难以达到大于20cm直径的均匀场而无束性质的显著退化。在1983年，安装了由2个正交偶极磁体组成的磁摇摆系统，并且在一组同心圆中递送束，其半径受磁线圈电流的波幅控制。随后开发了更先进的光栅扫描系统，并且紧在该设施在1993年关闭前交付使用。回顾起来，BEVALAC项目的主要缺点是运行机器用于2个不同项目中的困难，具有不同要求，相当高的运转成本，束特征并非对于医学应用最佳化和相对高的故障发生率，这对于常规放射疗法是无法接受的。
6.2.LomaLinda质子同步加速器
尽管这个机器并非设计用于轻离子，但现存设施的综述将从在UniversityatLomaLinda的质子同步加速器开始，因为这是建造用于医院并且专一地用于医学应用的第一个同步加速器[4g,11k]。加速器和束转运系统的工程设计和制造由FermiNationalAcceleratorLaboratory(Fermilab)完成，在1986年中开始。最大限度能量已选择为250MeV，足以治疗甚至最深的肿瘤。双等离子体质子源供给2MeV射频四极(RFQ)，这充当进入同步加速器内的进样器。该机器是弱聚焦的，这使得它更简单，但它可能限制强度。在1990年，治疗了第一个患者，并且从那以后，该设施已交付使用，以包括3个扫描架室和1个固定(水平)束室。机器其自身的运转是非常令人满意的，它是稳定、可靠和可重现的。使用这个设施的经验与不久将变得运转的MGH新回旋加速器设施相比较，将是非常有趣的，以察看在质子设施设计中的单一方法是否足够，还是应追求两者。作为参考，可以提及LomaLinda同步加速器可以加速更重的粒子，例如从氦完全剥离的粒子直到可能地氖，但具有少得多的强度和紧低于70MeV/u的最终能量，这几乎不能足够照射甚至非常接近于表面的肿瘤。
6.3.HIMAC设施(Chiba)
HeavyIonMedicalAcceleratorinChiba(HIMAC)是全世界第一和唯一的轻离子加速器，这已特别设计用于医学和放射生物学应用[7g,7h,7i,19,18c]。机器的参数广泛限定足以覆盖关于更重的离子种类的可能未来需要和更高的最大限度能量。可用离子的范围因此从氦到氩，并且最大限度能量对于硅选择为800MeV/u，对于30cm的穿透深度足够(对于氩离子，最大限度能量是700MeV/u，这对于其最佳应用――治疗接近于表面的肿瘤足够)。对于22cm直径的场大小，所需束强度基于5Gy/分钟的剂量率进行测定。这个剂量率需要从对于氩2.7x108粒子/秒(pps)到对于氦1.2x1010pps的强度；对于目前用于临床试验的碳，所需强度是2x109pps。同步加速器是能够满足关于此类广泛范围离子种类、束强度和能量的需求的唯一加速器。为了达到此类灵活性且增加设施的可靠性，决定建造2个同步加速器环，一个在另一个之上。上面的环设计用于略微更低的能量，最大限度600MeV/u，并且它将垂直束递送至2个治疗室和水平束递送至用于放射生物学研究的室。下面的环将在800MeV/u完全能量下的水平束递送至2个治疗室以及束用于一般研究。因为与质子相比较，在治疗中待使用的轻离子高得多的刚性(对于相同磁场，曲率半径对于最重的离子和最高的能量必须加大约4倍)，关于轻离子的扫描架将必须通过相似倍数加大，并且最通常不考虑用于在轻离子设施中使用。
进样器元件的详细设计和安排由可获得的离子源的束参数决定。存在在进样器中使用的2种离子源，具有适合于从氦到氖的离子的热阴极的Penning源，和用于直到氩的元素的电子回旋共振(ECR)离子源。升级ECR离子源的安装正在进行中，以给设施提供甚至更重的离子例如Fe。2种所选择的来源不产生完全剥离的离子，这是关于在HIMAC同步加速器中加速的要求；离子必须首先加速至足够高的能量，以达到有效剥离至裸核。加速的第一个阶段在设计为接受在低电荷状态(相对荷质比q/m>1/7)中的离子的射频四极(RFQ)加速器中完成；此类低q/m比值指定RFQ必须非常长(l＝7.3m)，这使设计复杂。RFQ的输出能量仍不够高以达到完全剥离，并且离子注入24m长的Alvarez型线性加速器，在其中它们的能量升高至6MeV/u；当束经过薄碳剥离箔时，这足以达到裸核的高部分。环的大小主要由最终、最大限度离子能量决定，并且在HIMAC，圆周是130m。分离功能类型的聚焦很强。最大限度偶极磁场是1.5T，具有高达2Ts-1的升高时间。重复率可以在0.3-15Hz之间变化，具有高达400ms的平顶。对于更重离子(Fe)的加速，2个环可以级联运转。
束递送系统是标准的，具有覆盖所需靶场的2个正交摇摆偶极磁体，达到更光滑的横向剂量分布的散射器，加宽动量分散和因此布拉格峰的隆起滤过板，和改变束能量的射程移位器。尽管同步加速器能量原则上可以在脉冲间的基础上改变，但必需装备仪器和控制器仍未安装，并且能量借助于射程移位器改变。最大限度场尺寸是15x22cm2。
Chiba设施是在1984年开发的对抗癌症的国家项目的部分。构建在1988年开始，机器在1993年交付使用，并且临床试验在下一年开始。该设施的成本很高，超过300000000美元(M$)，每年运转成本是45M$。整个系统良好、可靠且可重现地运转；目前，最重要的改善规划涉及去除所提取束中的波纹和波动。
6.4.GSI设施
在关于机器其自身的提案时考虑来自GSI同步加速器SIS的轻离子在放射疗法中的使用，但它的实现一直等到20世纪90年代早期[18b,4h,20a,18d]。在那时，用其BEVALAC设施在LBL已获得某些经验，显示在几种癌症治疗中与常规辐射相比较的更佳结果。尽管其为高LET辐射的轻离子就低LET质子而言应具有特定优势，但来自LBL的临床结果未完全证实这点；作为一个可能解释，提出在LBL的剂量递送系统已允许这种高LET辐射的基本部分在肿瘤外沉积，因此，限制对于肿瘤其自身的剂量。GSI项目的目的是开发最可能的适形剂量递送系统，并且测试轻离子在此类条件下的效应。机器其自身并非出于医学应用目的设计，而是用于产生直到铀的所有离子用于核物理学研究。环是相当大的，并且最大限度能量对于具有q/m＝0.5的粒子达到2GeV/u，或对于铀1GeV/u。离子束泄出可以长达1-2秒。近期升级以强度增加作为目的以隔开环的电荷限制，但最初轻离子强度对于肿瘤治疗已经足够。线性加速器UNILAC充当进入环的加速器；这是合理的解决方案，因为UNILAC是已获得且在运转中的。
在设计束递送系统中的2种基本方法中，选择主动束分散方法。另一种方法被动系统具有用潜在致命的高LET离子照射在肿瘤周围的大量健康组织部分的缺点。在被动系统中，依赖于肿瘤形状和束用于靶的特定片的能量，通过仔细设计用于每个患者的许多束成形模块，可以改善剂量与肿瘤和周围组织的比；这个过程是苛刻和费用大的。大量努力致力于研究在GSI的主动系统。原则上，这是简单系统：将治疗体积分割成相等厚度的片，并且通过使束跨越其横断面移动分别照射每个片。相邻片的形状彼此将非常不同。因此，使用主动束递送，应可以治疗任何形状的肿瘤。控制束能量以匹配片的深度通过调节加速器和束转移线参数来完成。
为了跨越片侧面扫描束，已考虑了2种不同方法，光栅和体素扫描。在光栅扫描中，束在片上连续移动，并且记录速度根据关于特定点的所需剂量进行调整。在体素扫描中，束在点上停留足够长以递送所需剂量，随后它关闭并且移动到下一个点。在实际实现中，在2种方法之间不存在基本差异，并且它们都能够造成适当的剂量分布。尽管束跨越片的运动原则上是控制束转移线的元件以匹配片的形状的问题，但将所需剂量适当递送至每个体积元件复杂得多。首先，其能量调整以使布拉格峰置于远侧片内的束将尽管较低的剂量递送至接近于表面的所有片。待递送给任何后续片的剂量必须考虑先前已沉积的。其次，当经过物质时对轻离子实施破碎，并且那些更轻的碎片可能具有更深的穿透，在布拉格峰外即在肿瘤外的健康组织中递送特定剂量(图6)。第三，相对放射生物学效率将是许多因素的非常复杂函数，例如粒子能量、核碎片和不同组织的性质；必须以最可能方式进行估计，以确定哪种剂量递送给每个体积元件，并且随后适当指导束递送系统。剩下的最后一个问题是联机测量已递送给特定点的剂量，并且随后给出移动束的信号；快速联机电离箱用于这个目的。剂量分布的联机控制具有另外优点：该系统将对所提取的束强度中的波纹或波动将更不敏感，这是关于被动系统的主要关注。
通过改变机器的参数来改变经提取的束能量；已选择大量固定能量值且相对应的机器设定贮存于计算机中，以使得能量的脉冲间改变成为可能。通过GSI选择的方法明显是最先进的，并且应能够对于肿瘤形状调整所递送的剂量，伴随对健康组织的最低限度损伤。在几年内，当首批结果已知时，不仅可以比较如在HIMAC使用的被动方法与GSI的主动方法，还可以测定更佳的剂量递送是否将证明轻离子的预期优点
数年前，作为练习，在GSI设计了用于轻离子的医学同步加速器。最大限度能量是480MeV/u，用于直到氖的所有种类；选择的强度相当低，108氖离子/秒，导致更小的真空室。机器的大小也相对很小，圆周约50m。
6.5.COSY设施
近期在德国Julich投入运转的冷却器同步加速器和贮存环COSY，已考虑用于医学应用[20b，11l]。尽管质子机器主要预期核物理学，但它应能够加速直到氖的轻离子。在最大限度磁场下，轻离子的能量将类似于HIMAC设施的那种，但需要进样器的大量修饰，以使范围从质子扩展到轻离子。存在由所提议的医学项目覆盖的几个研究领域，其中有主动和被动束分散系统的比较，用固定水平线与旋转扫描架比较的处理，和作为长期目的，质子和轻离子的比较。因为这个设施将主要保留核物理学中心，所以如果在未来某一时间开始临床试验，那么患者数目将限制为约100个/年。
6.6.TERA规划
TERA规划是通过意大利研究院、大学和医院的大型协作的宏伟研究，目的是建立意大利强子治疗中心[1,21,11m]。最初目的随后已扩大以形成用于强子癌症治疗的整个网络设施，被称为RITA。这个网络由与致力于质子疗法的几个中心和其他医院联系的肿瘤学强子治疗中心组成。对于肿瘤学中心，研究得出结论最终选项将是用于加速H--和轻离子的同步加速器。通过剥离加速的H--离子，将在提取时产生在60-250MeV能量范围内的质子。相同环可以在未来进行升级，以加速直到氧的完全剥离的轻离子，在120-400MeV/u的能量下。当用H--离子运转时，离子源将随后为具有2MeV输出能量的RFQ；束随后将在线性加速器中进一步加速直到11MeV的能量，并且注入同步加速器内。对于轻离子，离子源的选择对于进样器其自身的设计是至关重要的。已考虑了2种离子源，Penning离子源递送高离子电流但以低电荷状态，并且ECR离子源具有较低得率但具有更高电荷状态。第一个进样器设计基于递送O2+离子的Penning源；这随后为RFQ，以使能量升高至250keV/u。最终阶段同步加速器需要完全剥离的离子用于进样，并且低电荷状态氧离子必须预先加速至足够高的能量，以达到完全剥离。对于TERA规划，升高电荷状态的过程将在2个步骤中进行。在线性加速器中最初加速至850keV/u的能量后，在剥离后的最佳电荷状态是O6+；这随后为进一步加速至3MeV/u，对于完全剥离的氧原子的良好得率足够。这是相当复杂的方案，并且不是非常有效的，因为它需要2区段线性加速器，其中一个剥离箔插入区段之间，并且一个在第二个区段后。尽管在剥离箔后的最佳电荷状态的得率比在箔前的束强度低得多，但预期同步加速器输出足以将所需剂量递送给患者。2个进样器，用于质子疗法的H--和轻离子进样器，需要大约相同的进样磁场，这使操作简化。对于400MeV/u的能量，加速完全剥离的氧原子所需的最大限度磁场能量的设计值是1.4T；对于250MeV的H--离子的最大限度能量，场是仅0.537T，这允许有效加速，伴随由于H--离子在磁场中的剥离的极小损失。所提议的格栅是强聚焦，分开的功能类型，具有约60m的圆周。重复率对于H--操作是2Hz，并且对于轻离子操作是1Hz；平顶是0.3s。
肿瘤学中心已设计为具有5个治疗室，2个具有能够处理250MeV束的质子扫描架，1个室具有完全能量的水平和垂直质子束，1个室具有2个较低能量的水平束用于治疗眼、头与颈肿瘤，并且1个室致力于未来的轻离子疗法；还将存在用于质子和轻离子的实验室。当完全运转时，可以治疗约1000个患者/年。在规划的这个阶段时，被动和主动束递送系统处于考虑中。应提及作为TERA规划的部分，还必须考虑用于质子加速的其他选项，例如紧凑同步加速器和紧凑高频线性加速器。
6.7.Hyogo规划
除数年前已投入运转的HIMAC设施外，在日本还存在正在施工之中的另一个质子/轻离子设施。这是计划在2001年用于起始运转的HeavyIonMedicalAcceleratorProjectbyHyogoPrefectureGovernment[7j]。该设施将使用质子、氦和碳离子，对于质子和氦具有高达230MeV/u的能量，并且对于碳高达320MeV/u。根据关于递送至15cm直径靶体积的5Gy/分钟剂量率的需要，和完全延伸的拓展的布拉格峰，已测定束强度。离子束强度将允许对于质子和氦离子30cm，和对于碳原子20cm的穿透深度。同步加速器的重复率对于质子是1Hz，对于其他离子是0.5Hz，具有0.4s的泄出长度。还将存在5个束线，3个用于氦和碳离子(1个水平，1个垂直和1个45°斜线)，和具有扫描架的2个质子线。对于起始运转，设想了被动束递送系统。
6.8.Med-AUSTRON倡议
倡议Med-AUSTRON在1995年建立，目的是研究质子和离子癌症研究中心在澳大利亚的可行性。研究正在进行中，与TERAFoundation、CERN和GSI协作，并且结果将在预定为1997年10月的会议上呈现。环的初步参数与原始TERA提案略微不同，尽管机器仍设计用于质子和轻离子。在这个研究中考虑的轻离子种类是碳(如目前在Chiba和GSI设施中使用的)，具有425MeV/u的最大限度能量。环具有更大的圆周，71m，但这种尺寸中的增加对设施的总体成本增加极少。除来自同步加速器的缓慢束提取的研究外，还存在待涵盖的许多相关问题，例如在泄出过程中的束稳定性以及被动和主动束递送选项。
6.9.BNL增强器
在BrookhavenNationalLaboratory，Upton，美国，存在200MeVH--线性加速器；近来提议使用小部分束用于质子疗法，但该计划被放弃，因为安排2个应用高能物理学和医学而一个不干扰另一个中的困难[10]。另一个加速器，设计且构建了增强器同步加速器，以充当进入AlternatingGradientSynchrotron(AGS)内的任何离子种类(质子至铀离子)的进样器。已通过AGS环和进一步地目前正在施工之中的RelativisticHeavyIonCollider(RHIC)的需要，测定最大限度能量以及束强度，并且用于任何医学应用绰绰有余。对于轻离子例如碳或氧，使用现存的串联vandeGraaff进样器，AGSBooster能够提供足够在肿瘤治疗所需的任何能量下的束强度。其他离子种类(氮、氖)将需要新离子源和进样器以替换串联。存在用直到铁的离子利用Booster束用于对NASA有利的放射生物学研究的提案，但患者治疗未包括在提案中。通过加入新离子源和进样器，将能够延伸Booster的参数范围(离子种类、能量、强度)，并且在脉冲间的基础上改变它们。与Booster用于加速注入AGS内离子的首要操作方式的干扰将是最低限度的，因为AGS和RHIC将需要仅部分时间的束。
7.用于癌症治疗的专用轻离子设施
7.1.加速器
肿瘤治疗所需的轻离子束参数的分析已显示在这个报告中考虑的3类加速器，只有同步加速器能够递送不同种类的束，具有在脉冲间的基础上的能量变量，和所提取的束与束递送的被动和主动模式良好匹配的工作系数[4i,4j]。回旋加速器是设计用于固定能量的机器，并且如果需要较低能量，那么必须使用射程移位器；这可能导致轻离子最重要的特征之一束性质的退化。当延伸至轻离子时，常规回旋加速器设计导致非常大型和笨重的机器。因此，必须考虑超导磁体。即使这种技术也需要大单元和非常尖端的设计，其并非非常适合于医院环境。对于肿瘤治疗中有利的离子能量的线性加速器是非常长且昂贵的机器；尽管原则上可以设计用于处理不同离子种类且甚至调节其最终能量的线性加速器，但存在排除这个选项的其他缺点。另一方面，迄今为止已构建了许多同步加速器，以可接受的成本，用于不同目的和广泛范围的参数(离子种类、能量、工作系数、平顶持续时间)。它们表现良好，可靠且具有良好的重现性，并且它们是选择用于轻离子肿瘤治疗的加速器。
同步加速器格栅设计已高度完善，并且目前可以找到接近于用于给定束参数的最佳条件的设计。关于适当设计的专业知识存在于全世界的许多实验室，并且企业将乐于参与构建，与一个或多个实验室协作。现有设计例如TERA或Med-AUSTRON可以充当关于任何新轻离子设施的基础。
7.2.离子源
然而，存在具有一定改善空间的一个加速器元件。这是先前阶段，进样器。几个考虑要求仅完全剥离的离子被注入同步加速器内。首先，加速效率依赖于离子的电荷状态，因此，机器的大小、其成本和关于离子达到最终能量的时间也将依赖于电荷状态；这是进入同步加速器内的进样器必须产生完全剥离的离子(裸核)的原因。相同原则应用于进样器其自身：在来源中产生的离子的高电荷状态将导致更有效的加速，以及更小、更简单和成本更低的进样器。Chiba设施的设计举例说明这点；来自离子源的束在7.3m长的RFQ中进行加速，随后为24m长的线性加速器，全都为了给予部分剥离的离子足够能量，用于在注入同步加速器内时的有效完全剥离。其次，同样重要的考虑是与真空室中的残留气体分子碰撞中的离子损失；它们对于完全剥离的离子将是最低的。
7.2.1.低电荷状态离子源
低电荷状态离子源的一般代表并且也是在加速器中频繁使用的一种是Penning或PIG(来自PhilipsIonizationGauge)离子源。它在原理上非常简单，由置于中空的圆柱状阳极的每个末端上的2个阴极组成；使电极结构浸入磁场中。由任一阴极发出的电子通过阴极电场加速进入中空阳极内，在其中它们被捕获且在它们消失至阳极之前被迫沿着磁场线进行许多振荡。具有足够能量的电子将使来源容积中的粒子电离，并且在其中将造成等离子体。Penning源能够产生任何元素的丰富离子电流，但在相当低的电离状态中且具有宽电荷状态分布；关于前者的原因是在来源中的等离子体可以经受的相对低的阴极至阳极电压。
基于低电荷状态离子源，高能量离子加速器(例如用于癌症治疗)设计中的标准方法是选择具有足够强度的电荷状态，随后使离子预先加速至中间水平，并且使它们经过薄剥离靶。在剥离器的出口，离子的电荷状态将高于之前，但它们的谱将加宽；付出的代价是将必须拒绝不希望有的状态的事实，导致强度的大量丧失。在某些情况下，该过程必须再一次重复，通过进一步加速和在注入同步加速器内前的最终剥离，如对于第一个TERA规划提议的。显而易见的是这个方案尽管基于简单的廉价的离子源，但就总体加速过程其自身而言可以是更昂贵的。
7.3.中间电荷状态离子源-ECR
电子回旋共振(ECR)离子源再次是磁性电子陷阱，在其中造成且在弱磁场中维持等离子体。电离通过逐步过程中的快电子执行，导致离子平均电荷状态中的增加。电子通过引入等离子体内的高频电磁波进行加热；在等离子体中存在其中波频率与磁场共振的区域。ECR离子源几十年来已广泛使用，它们是可靠的且易于操作，尽管比例如Penning源昂贵得多。它们能够产生直到铀的许多元素的中间电荷状态，但它们对于轻离子的表现与医学应用相关。现代ECR离子源的碳或氧离子的最佳得率是在氦样状态中，其中剩余2个电子，而对于更重的离子，最佳电荷状态很低。虽然如此，用于在医学加速器中使用的ECR离子源将需要仅一个剥离阶段以产生裸核，其中最终得率与Penning源没有很大不同。这类离子源用作或提议作为Penning源的替代方案，例如在Chiba或TERA提案中。关于改善ECR源的工作在许多实验室正在进行中，但在可预知的未来中取得足够进展以产生足够高得率的完全剥离的轻离子是有疑问的。
7.4.高电荷状态离子源-EBIS
电子束离子源(EBIS)是其中电子和离子局限于静电和磁场组合中的装置。磁场是螺线管型的，作用于压缩且限制高电流密度电子束。电子的负空间电荷放射状地限制离子，而同轴电极的系统经由适当选择的潜力轴向限制它们。电离过程再次是逐步地，在束中的快电子和局限离子之间的碰撞中。EBIS原则上是脉冲装置，其中该过程从所需种类的中性粒子或极低电荷状态离子的进样开始。在可以随意选择的限制时间过程中，限制离子的电荷状态分布从较低值移动到较高值；最终分布依赖于电子束电流密度和限制时间。这2种参数可以容易地调整，从而使得来源能够产生在任何电荷状态中的任何离子种类(例如，完全剥离的铀)。对于直到氖的轻离子，已经达到裸核的满意得率，而对于更重的离子例如氩，得率仍太低。ECR源与EBIS的性能比较不是直接的：ECR源原则上是递送特定电流的装置，而EBIS依赖于电子束参数和装置的大小递送特定正电荷。因此，来自EBIS的离子电流还将依赖于所选择的离子脉冲长度值，这可在特定范围内调整。EBIS的后面一种性质使得这种来源非常适合于注入同步加速器内，因为极高电流可以在短间隔过程中注入环内。目前，关于EBIS开发的工作在几个实验室正在进行中，并且在数年内，递送对于医学同步加速器所需的离子强度的简单室温装置应变得可获得。EBIS的主要优点是它产生具有足够强度直到氖的完全剥离的离子的可能性，因此消除在注入同步加速器内之前任何剥离的需要，并且使得进样器短小、简单且较不昂贵。完全剥离的轻离子的任何来源必须非常干净，以避免所提取的束被具有相同荷质比的不希望有的种类离子污染。
7.5.进样器
如果来源可以递送完全剥离的离子，那么结果是最简单的进样器设计。目前，只有EBIS能够递送足够强度的完全剥离的离子，但未来应开发具有相似性能的ECR，选择将在这2个类型之间，其中其他特征决定使用哪一种。在任何情况下，在来源和同步加速器环之间的唯一加速器阶段将仅是短RFQ，具有足够高的能量以加速且注入所需离子数目。剥离箔的消除将使得设计更简单、更可靠且更易于操作。
7.6.束递送系统
目前在用于肿瘤治疗的质子和轻离子加速器中使用的唯一束递送系统是被动类型。具有加速器能量调节和束光栅或体素扫描的主动型系统将在不久的将来在GSI设施进行测试。尽管主动系统看起来更复杂，但在所需技术开发后(加速器控制、束强度监控和控制、束递送系统和患者之间的界面)，最重要的元素将是测定肿瘤的确切定位、形状和性质，以及在肿瘤前面的组织的性质。健康组织的性质的认识至关重要，不仅因为它们将确定当通过朝向肿瘤时对于束将发生的事情，还因为它将作用于消除递送至健康器官的剂量。然而，加速器的设计应是这样的，以便满足被动或主动束递送系统的需求。
8.轻离子癌症治疗的成本有效性
当估计轻离子癌症治疗的成本有效性时，要考虑2个问题：与具有用于癌症治愈的相似前景的其他方式相比较患者的治疗成本，和对于其不存在用于治愈的其他(或更佳)方式的患者，与其他挽救生命的操作成本相比较的治疗成本。虽然第一个问题是经济学问题――如果可获得具有相似结果的几个方式，那么如何找到最大成本有效性的治疗，但第二个问题接近如何测定应挽救哪些生命的问题。
质子/轻离子设施成本的最彻底分析之一已对于TERA规划完成[21]；关于少数其他项目的估计也是可获得的[2,3,10]。TERA规划的阶段I将局限于仅质子的产生和使用，同时已考虑直到氧的轻离子的添加作为升级。设施的总成本已估计是约$M50，其中轻离子升级添加约$M7.5；这包括管理、安装和交付使用成本以及15％的意外损失。有趣的是注意到加速器其自身促成设施总构建成本的小于20％。为了估计治疗的成本/患者，在提案中已进行几个假定；首先是关于每年可以治疗的患者数目。在2年的最初时期后，并且以两班制操作，每年可以治疗约1000个患者(通过添加更多治疗室或通过以三班制操作，可以增加这个数目，所述三班制操作是关于核或高能物理学机器的标准操作方式)。假定25年分期偿还且包括运转成本，估计的成本/患者对于质子疗法是约$15000；轻离子疗法将更昂贵约20％。对于德国规划已达到略微更低的估计值。如果相反，每年治疗1500个患者，那么成本将相应减少。在美国存在2个主要质子疗法设施LomaLinda和HarvardCyclotronLaboratory；它们的费用已在从$10000到$60000的广泛范围中报价，依赖于期间数目。目前，在美国不存在现存或提议建造的轻离子设施。
使这些成本与用于癌症治疗的其他方式相比较并不容易，再次是由于从一个国家到另一个国家的广泛范围的成本，并且依赖于疾病的程度。在德国，常规放射疗法的平均成本总计约$5000，但现代适形辐射治疗将更昂贵；肿瘤手术将更昂贵，平均起来约$10000，并且化学疗法甚至更多，高达$40000。在美国，成本结构不同，从而使得例如肿瘤手术可以容易地花费$25000。根据这些数据，将推断质子疗法治疗比常规放射疗法贵约2倍，而轻离子治疗可以贵高达3倍。质子疗法的平均成本与肿瘤手术可比较，但低于化学疗法。然而，存在加以考虑的其他因素，例如在医院中逗留的时间长短(这在某些情况下是总成本的主要贡献)，全程治疗时间，生活质量和生活的社会经济破坏，以及急性和长期病态。当包括所有这些因素时，非常可能略微更昂贵的方式例如放射疗法与质子或甚至与轻离子将是优选的。
最后，解决第二个问题，应考虑其他社会和经济上可接受治疗的成本，例如对于单独的手术可能花费高达的$100000的骨髓移植术，和可能花费高达$140000的心脏移植术，和关于医院和药品成本的进一步几十万。长期挽救生命的后面一种操作目前在约60％的病例中，不仅受治疗其自身成本还受可获得的器官数目限制。然而，这个问题超出这个报告的范围。
9.结论
轻离子具有看起来提供比其他辐射类型更有希望的几个癌症类型治疗的几个独特特征。它们在剂量递送中的物理选择性极佳，在轨迹尽头具有较低的散射和增强的能量沉积。放射生物学性质例如对细胞周期中的阶段的敏感性减少，较低的氧增强比和较高的因子LET和RBE值，看起来对于癌症治疗也是有吸引力和有利的。对于几个规划执行的分析已显示，存在其中轻离子可以提供好得多或唯一的治愈前景的许多癌症类型，并且因此不能视为与已建立的方法竞争而是补充它们。虽然如此，迄今为止治疗的患者数目是相对非常小的并且局限于仅2个设施Berkeley和Chiba。关于引入这个新型辐射作为癌症治疗中的方式的勉强有几个原因，并且我们应尝试解决它们。
事实上除专用Chiba设施外，能够产生能量轻离子的所有其他加速器建造用于不同用途且具有与用于治疗所需不同的特征。其参数(离子种类、能量、强度)范围通常宽得多，并且构建和操作成本比对于医学应用可接受的高得多；设施趋于复杂且不够可靠。因为肿瘤治疗不是其最初目的，所以对于放射生物学研究和试验可用的时间是有限的。Chiba设施在完全运转后，将能够供应所需粒子束，并且在数年内将获得关于轻离子有效性和优点的有价值的经验。新Hyogo设施到2001年时应运转，并且给统计学添加更多数据。具有这2个设施，日本在探索轻离子的价值中已处于领先地位。欧洲努力尽管对于领域进展非常重要，但集中于在GSI以及关于TERAProject和Med-AUSTRON倡议的有限临床研究。如果这些努力导致专用轻离子设施在欧洲的构建，那么这将再次是确定轻离子使用在癌症治疗中的可行性的重要步骤。在美国，在Bevalac设施关闭后，目前不存在进行中的努力。能够产生轻离子用于癌症治疗的唯一加速器是在BrookhavenNationalLaboratory的Booster，但目前不存在在医学中使用其束的计划，尽管它有可能用于放射生物学研究。
使其对于癌症治疗有吸引力的轻离子的特征也是其应用关键和复杂得多的原因。肿瘤诊断学和束递送系统变得非常复杂，并且加速器控制也是如此。然而，在关于典型设施的硬件和软件开发的最初投资后，下一代应变得足够简单以在医院环境中操作。来自在加速器控制和主动束递送系统中的GSI研究的结果对于进一步开发将是非常重要的。
常规辐射类型包括质子的使用中的进展已变得重要，并且束递送已移动更接近于理想的适形治疗。这已作为针对在肿瘤治疗中引入新型辐射的论点提及。然而，从未假定轻离子替代已达到极佳结果的方法，而是尝试治疗其他方式对于其提供很少希望或无希望的那些病例。为了证明或反驳期望，基于物理和放射生物学性质，必须扩大研究和临床试验以获得更佳统计学。
最后，存在与其他方式相比较的成本有效性问题。再次，常规辐射治疗比用轻离子的那种费用更少，这是真实的，但此处论点与先前相同：如果轻离子治疗是对于特定肿瘤部位好得多的或唯一可用的方式，那么成本应具有次级重要性，考虑其他更昂贵但挽救生命的操作。
总之，对于此类通用医学问题如癌症，重要的是探索所有途经以实现治愈。用轻离子的辐射提供改善现有方法的可能性，但患者数目仍太少而无法达到关于其利益和优点的判断。在目前情况下，无法预期开始构建新设施变得可用的资金超过先前提及的那些。因此，重要的是已存在的设施，包括建造用于其他用途的那些，尽可能多地用于有限数目的肿瘤部位的放射生物学研究和临床试验，在所述肿瘤部位中其他方法失败或不是非常成功；国际合作将是达到所需结果不可缺少的。
致谢
这项工作在U.S.Dept.ofEnergy的赞助下进行。非常感谢RockefellerFoundation慷慨给予我在BellagioStudyandConferenceCenter居住以写作报告。U.Amaldi教授友情给予使用来自Ref.1的数字的许可。同时感谢与Dr.J.Sisterson，HarvardCyclotronLaboratory的讨论和来自他的建议。
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IONIIIONSKIUBRZIZARAKA
Upotrebaionavisokeenergijetemasedoneonaprednostipremametodamaunekihvrstaraka.Uovompreglednomradusevrsta(fotona，elektrona，protonaiiona)，snaglaskomnausporedbebrzihionaidrugihvrstaNadalje，separametriionskihsnopovazaraka，dajepregledradauionskojterapijiiispitivanjimasprotonimaibrzimionima，teopisujusustavikojisuuupotrebiikojiseplaniraju.Nakraju，naosnovipoznatihiskustavaipotreba，senajpovoljnijisustavionskogzaraka.
附录C
LawrenceBerkeleyNationalLaboratory
(UnicersityofCalifornia，UniversityofCalifornia)
2006年文章LBNL59883
轻离子束疗法的概述
WilliamT.Chu
ThispaperispostedattheeScholarshipRepository，UniversityofCalifornia.
http：//repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-59883
Copyright2006bytheauthor.
轻离子束疗法的概述
WilliamT.Chu＊
E.O.LawrenceBerkeleyNationalLaboratory
UniversityofCalifornia，Berkeley
强子疗法的历史
在1930年，ErnestOrlandoLawrence在Berkeley的UniversityofCalifornia发明了回旋加速器。他的学生之一M.StanleyLivingston构建了13-cm直径模型，其具有早期回旋加速器的全部特征，在现在称为“D形电极(dee)”的半圆形加速电极上，使用小于1kV使质子加速至80keV1。其后不久，Lawrence构建了第一个双D形电极27-英寸(69-cm)回旋加速器，其产生4.8MeV的质子和氘核。在1939年，Lawrence构建了60-英寸(150-cm)回旋加速器，其使氘核加速至19MeV。正好在WWII前，Lawrence设计了184-英寸回旋加速器，但战争阻止了这个机器的建造。紧在战争结束后，提出了Veksler-McMillan相位稳定性原理，这使得常规回旋加速器能够转化为成功的同步回旋加速器。当完成时，184-英寸回旋加速器产生340-MeV质子。在这之后，全球建造了更现代的同步回旋加速器，并且在Berkeley和Uppsala的同步回旋加速器连同Harvard回旋加速器，将执行使用加速强子(质子和轻离子)治疗人癌症的先驱工作。
当建造184-英寸回旋加速器时，Lawrence要求RobertWilson他以前的毕业生之一调查关于新加速器的屏蔽需求。Wilson很快认识到184-英寸将产生具有足够能量以穿透人体的丰富数目的质子和其他轻离子，并且可以用于治疗深层疾病。认识到当置于深层肿瘤内时在布拉格峰2中递送更大剂量的优点，他在医学期刊中发表了关于使用经加速的质子和轻离子用于治疗人癌症的原理的开创性(seminal)论文。3由质子和轻离子提供的精确剂量定位意味着，与在常规(光子)治疗中的那些相比较，给予与治疗体积相邻的正常组织的更低剂量。Wilson在1997年写作了他的这项先驱工作的个人说明。4
在1954年，CorneliusTobias和JohnLawrence在UniversityofCalifornia，Berkeley的RadiationLaboratory(以前的E.O.LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)执行了人患者首次治疗暴露于在184-英寸同步回旋加速器处的强子(氘核和氦离子)束。5到1984年，或在Berkeley的第一次质子治疗后30年，质子辐射治疗项目已在下述地方开放：UniversityofUppsala，瑞典，19576；MassachusettsGeneralHospital-HarvardCyclotronLaboratory(MGH/HCL)，美国，19617；在俄罗斯的Dubna(1967)，Moscow(1969)和StPetersburg(1975)8；在日本的Chiba(1979)和Tsukuba(1983)；和Villigen，瑞士，1984。这些中心使用最初构建用于核物理学研究的加速器。在这些中心的经验已证实质子和轻离子在相对于正常组织剂量增加肿瘤剂量中的功效，对于几个肿瘤部位具有局部控制和患者存活中的显著改善。M.R.Raju综述了早期临床研究。9
在1990年，在California的LomaLindaUniversityMedicalCenter预示了专用医学加速器时代，当它交付使用它的具有250-MeV同步加速器的质子疗法设施时。10从那以后，全世界基于医院的质子治疗中心数目中出现相对快速的增加，并且到2006年，存在超过12个商业建造的设施在使用中，5个新设施正在施工之中，并且更多的在计划阶段中。
轻离子束疗法
在20世纪50年代，在Brookhaven(3-GeVCosmotron)和Berkeley(6-GeVBevatron)建造了在GeV区域中的更大型的同步加速器，并且今天大多数全世界最大的加速器是同步加速器。随着20世纪70年代早期加速器设计中的进展，在Berkeley11和Princeton12的同步加速器使具有6-18原子数的离子加速，在允许起始几项生物学研究的能量下。13应当指出当Bevatron转变为加速轻离子时，主要推动来自生物医学使用者，其希望使用高LET辐射用于治疗人癌症。
轻离子束的物理特征
布拉格峰和拓展的布拉格峰
当能量轻离子进入吸收介质内时，它们经由主要通过使介质电离丧失其动能而减速。对于吸收剂的单位面积的能量损失/单位重量，或比电离(通常以在水中的keV/μm表示)，随着粒子速度下降而增加，引起在射程尽头附近在电离中的尖锐最大值，称为布拉格峰。当单能重带电粒子束进入患者机体时，深度剂量分布的特征在于在皮肤附近入口区域中的相对低剂量(平台)，和在射程尽头急剧升高的剂量(布拉格峰)，即，图1(a)。具有窄布拉格峰的早期束使得能够照射机体内非常小的局限性区域，其中入口剂量低于峰区域中的那种。14为了治疗延伸的靶，通过调节粒子能量以形成拓展的布拉格峰，使布拉格峰拓展以覆盖体积，即，图1(b)。
图1(a)离子束的布拉格曲线。(b)SOBP曲线，其具有被称为平台、近峰、峰中、远侧峰区域、远侧剂量下降边缘和尾部的几个区域。在SOBP区域内的均匀生物剂量分布通过补偿根据穿透深度在辐射的RBE中的变异而获得。
用RBE调整的几个离子束的SOBP电离曲线的例子显示于图2中。对于轻离子束，辐射剂量在布拉格峰外突然降低，使位于靶体积下游的任何要害器官和健康组织避免不希望有的辐射。与峰剂量相比较，入口剂量――靶上游的剂量也很低。
图2.显示了根据在水中的穿透深度，氦、碳和氖离子束的SOBPs的相对生物剂量用于比较。剂量在等存活(isosurvival)区域处进行标准化，并且该图显示对于这些束的不同相对入口、平台和尾部剂量。
多重散射和射程岐离
入射离子的多重散射源于由于与所穿过材料的核的碰撞它的小角度偏转。离子束中的众多小角度偏转导致入射离子远离中心轨道的侧面分散，导致更大的束发散。弹性库仑(Coulomb)散射以小的强相互作用散射校正支配这个过程。散射粒子的角度分布对于小偏转角大致是高斯的(Gaussian)，并且平均束偏转与穿透深度大致成比例(图3(B))
射程岐离是由于能量损失过程中的统计学波动，粒子束径长的分散。最终结果是产生停止粒子束射程的拖尾效应。对于以方向X运送、具有能量E和平均射程R的粒子，射程的分布S(X)是高斯的，15
s ( x ) = 1 2 &pi; &sigma; x e - ( x - R ) 2 / 2 &sigma; x 2
在其中这个公式有效的区域中(2<R<40cm)，σX与射程R几乎成比例，并且与粒子质量数A的平方根成反比。
关于粒子束的多重散射和射程岐离效应与粒子质量的平方根大约相反地改变。穿透吸收材料的几种轻离子的相互作用在于图3中表征，显示关于射程岐离的σ(A)和由于多重散射的平均束偏转(B)。从束线中去除材料可以使射程岐离和多重散射降到最低。例如磁偏转可以消除束在散射系统中分散所需的材料，或改变加速器能量可以消除用于改变束的能量的材料降能器。
图3.轻离子穿透吸收材料的相互作用通过关于射程岐离的σ(A)和关于多重散射(B)进行表征。例如，关于在20-cm水中的射程岐离的σ值是：对于质子、氦、碳和氖离子分别2.0、1.0、0.6和0.5mm。
侧面剂量减退的锐度通常被称为表观半影，具有临床重要性，因为与靶体积相邻的正常组织的辐射暴露通常限制治疗剂量。更重的粒子束显示在场边界上比对于更轻的离子更尖锐的侧面剂量减退：即，比较质子和碳束的半影的图4。半影宽度基本上随着束的穿透深度而线性增加。对于低Z离子，例如质子，当最终准直器在患者表面上时，获得最尖锐的剂量减退。对于更高的Z离子束，例如碳离子束，无需准直扫描狭窄笔形束将产生狭窄半影。
图4.碳束的半影比具有可比较射程的质子束的那种更加尖锐。(基于在2002年10月PTCOG，SanFrancisco的第39次会议上，由H.Tsuji呈现的论文)。
多重散射的效应对于小尺寸束变得更显著，如图5中所示，它检查关于未经准直的束和1-cm直径经准直的束，可比较射程的质子和碳离子束的深度剂量曲线。布拉格峰看起来对于2个碳离子束几乎是未改变的；而布拉格峰对于经准直的质子束更加抑制(图5(a))。经准直的1-cm直径质子束的侧面剂量分布显示特别是在其射程尽头更宽的半影，和更宽的射程岐离。经准直的碳离子束显示小得多的束散射和岐离。为了处理小型靶，其中侧面剂量减退的锐度是基本的，更重的离子束的选择变得重要。16
图5(a)。比较了具有可比较射程的质子和碳离子束的深度剂量曲线。对于每种离子，检查未经准直和经准直的1-cm直径束。布拉格峰看起来对于2个碳离子束几乎是未改变的；而布拉格峰对于经准直的质子束更加抑制。
图5(b)。显示了在包括质子和碳离子束的中央射线的投影中的剂量分布。2个束都准直至1-cm直径。
束破碎
当粒子束穿透经过物质时，初级粒子经受破碎碰撞，这伴随较轻碎片沿着穿透路径的相应增加而降低初级的数目。17破碎指其中在经受与靶核的核碰撞后，抛体核分裂成几个子代粒子的过程。抛体核残留部分自具有与原始发射核的那种相似速度的吸收材料出现。靶核也可以分裂，但这些碎片具有相对低的能量并且不随着束运送。
图6(a)。在残留能量上的碎片与LET比较的散布图(或dE/dx)。最亮的点是初级束粒子。条带是给的电荷的粒子。(CBB875-4105)
图6显示在穿过16cm水后，根据关于氖离子束的粒子电荷测量的碎片数目和剂量分布。测量用BERKLET进行。这种仪器由300-μm厚的Si检测器和5.5-cm厚的Ge检测器组成，这随后一致操作，分别测量粒子的dE/dx和总能量。18
图6(b)。2组数据显示不同原子电荷对所递送的总粒子数和总剂量的贡献。碎片来自在12-cm拓展的布拉格峰的近峰区域中的氖离子，在水中具有28cm的残留射程。它与穿过16cm水的束相对应。关于低Z值的数据集中在一起(1～2和3-4)。
对于与水样靶材料(例如，软组织)碰撞的质子，从靶核中敲除的中子是占优势的相互作用产物。这些中子促成在初级抛体的停止区域外递送的剂量。轻离子还产生此类中子本底。即使在说明所产生的中子的更高RBE后，它们促成递送给患者的小于0.5％的生物剂量。19它们的贡献在其中束射程在患者上游严重下降的情况下将更大，例如通过双重散射方法，随后全身暴露可以成为问题。
如上所述，碳和氖离子破裂成更大量的核种类。这些碎片导致在初级粒子的实际停止射程外的显著剂量，并且显著促成在拓展的布拉格峰内的剂量。一般而言，当针对在SOBP的近峰处通过初级离子递送的剂量进行标准化时，核抛体越重，那么在布拉格峰外的区域中递送的剂量越大。
另外的复杂情况是经破裂的束具有与初级束那种不同的放射生物学效应。随着初级束碎片增多，经破裂的束的LET分布变得非常复杂20；因此，其为束的LET函数的RBE是所穿透的材料深度的函数。对于SOBP，束的组成及其生物学效应也是深度的函数，并且必须通过调整物理深度剂量分布进行说明，以获得均匀的生物剂量分布。
关于轻离子的临床使用的生物学原理
到20世纪80年代晚期，基本上伴随成功和安全的临床研究项目的用轻离子束的放射生物学研究，具有3个主要方面。首先是通过分析肿瘤组织对以各种剂量和各种间隔递送的不同离子的生物学应答，测定用于肿瘤治疗的最佳策略。其次，测定对于正常组织的耐受剂量以及癌发生和细胞转化的危险。第三，基础放射生物学了解且表征物理现象例如粒子破碎和生物学效应例如DNA损伤和修复。得自基本研究的认识影响离子、能量、束递送系统和治疗方案的选择。同时，辐射通过其引起遗传损伤和DNA通过其试图从损伤恢复的新出现的过程图，增强我们对由一般而言的辐射暴露造成的危险的了解，所述辐射暴露包括与辐射事故相关的暴露和空间探索、以及放射疗法。
这些早期研究有时被称为“经典”细胞放射生物学，以使其与近年来开发的“新”分子放射生物学区分。21我们在此处将描述已从在Berkeley的早期放射生物学研究出现的某些显著结果，特别是当它们涉及随后进行的癌症治疗试验时。
LET、OER和RBE
当与更低Z离子束例如质子相比较时，更高Z离子束的更高相对生物学有效性(RBE)值指示增强的治疗潜力的高可能性。22每种离子的RBE已用各种生物学终末点略微详细地进行研究，显示离子束的RBE不是LET的简单函数，即使LET通常用于描述通过各种轻离子的辐射损伤中的差异(图7(a))。23RBE也依赖于测量的终末点，例如存活水平、离子种类以及在实验中使用的细胞和组织类型(图7(b))。一般而言，RBE的值和剂量定位的程度随着从质子到硅离子的Z值而增加，并且在高于约200keV/μm的LET值时，RBE值下降。
另外重要的一点是在用低LET辐射(常规和质子辐射)治疗的肿瘤局部控制中的失败通常是由于其无法完全根除对此类辐射有抵抗力的缺氧肿瘤细胞。高LET辐射显示较低氧效应(较低OER值)的生物学优点，如图8中所示。OER值被定义为致使对于缺氧细胞与对于充分氧合细胞相同的终末点所需剂量的比。
在1967年，Tobias和Todd给出关于利用轻离子束的科学论证，使轻离子束在LET、RBE和OER中的特征相组合。24在1980年，LBNL发表了汇集物理学、生物学和医学中关于轻离子疗法的研究结果的报告。25参考图9，推测是用于癌症治疗的最有利的离子种类位于“氧增益因子”的更高值处，所述氧增益因子是与OER的倒数成比例的参数，并且同时在RBE的更高值。对于更小和更浅的靶(上图)，看起来碳和氖离子束优于其他离子。对于更大和更深的靶(下图)，改变每种治疗方式的相对放置，并且质子、氦和碳离子束非常相似。
必须在其他临床考虑下仔细解释图9的含义。一心一意地，关于低RBE可以容易地用更高的物理剂量补偿的假设，可以认为RBE不关键；而氧增益因子是生物学重要的因子，其是离子种类的固有性质。然而，氧效应中的增益必须针对更高Z离子增加的诱变和癌发生进行权衡。一般同意具有碳和硅之间原子数的离子是用于临床使用的最有利的高LET离子。26,27今天，选择碳离子束用于治疗，因为碳离子具有优于更轻离子例如质子那些的生物学和剂量定位优点，然而避免与更高Z离子相关的某些复杂情况。对于碳离子束，存在足够高的LET以提供DNA损伤中的显著差异，和辐射修复的抑制。更重的离子例如氖和硅的使用导致治疗计划中的复杂性，因为在入口区域和碎片尾部中的高LET。必须仔细评估这些区域中的正常组织，并且设计避免特别是在CNS中的显著迟发效应的治疗计划。
如随后了解的，关于使用这些高Z离子用于治疗的放射生物学原理28,29可以概括如下：(a)当用高LET辐射照射时，相对于有氧(oxic)细胞，低氧细胞的高抗性减少。(b)如果用高LET辐射照射，那么缓慢增殖细胞(在细胞周期中的G0或长G1期中)显示敏感性中的相似增加。(c)可以缩短用高LET辐射的总体治疗时间，因为可以使用更大剂量的更少部分代替小剂量的多个部分，当可以保持与标准低LET部分的那种可比较的更少部分中的周围正常组织损伤时。最后一点针对下述原理正好形成对比：在使用多次、小部分的低LET辐射用于避免迟发损伤中存在优点。30削减离子束治疗次数将使个别患者以及临床管理受益。
图9。用于治疗下述的治疗方式的“载体代表”：小的浅靶(上图)和大的深靶(下图)。“氧增益因子”是与OER的倒数成比例的参数，并且“生物学有效剂量的比”代表所讨论的离子的RBEs。(XBL808-36238)
临床束的物理参数
用于重带电粒子束流剂量测定法的方案已通过AmericanAssociationofPhysicistsinMedicine对于质子和更重的离子确定。31它们描述了基于使用各种剂量计的测量计算剂量的方法。这些方法的讨论在其他出版物中综述。32
RBE和LET分布
治疗计划和递送的主要功能是造成产生均匀细胞杀死或均匀生物学应答的辐射场。来自破碎的初级粒子束中的改变导致辐射的生物学有效性中的改变。图10显示根据深度测量的RBE。剂量平均的LET，LD，被定义为：
LD＝∫LD(L)dL/∫LΦ(L)dL
其中D(L)是通过给定LET的粒子贡献的剂量，并且Φ(L)是具有给定L的粒子的注量，并且
D ( L ) = 1.6 &times; 10 - 7 &Phi; L &rho; ,
其中ρ是以g/cm3的材料密度，L以keV/μm，并且Φ以粒子/cm2测量。
图10(a)射程调节的束在水中的各种深度处测量的RBE数据。实线指导眼。(b)相关的物理剂量分布，当物理剂量乘以每个深度处的RBE时，这可以致使SOBP中的等存活区域。
深度剂量曲线的尾部区域是粒子的复杂混合物；它的RBE在预测在布拉格峰外的组织应答中是重要，其中关键结构可能发现。尾部剂量一般是近峰中剂量的十分之一，并且由于在近峰处所需的大剂量，尾部区域中的生物学测量很难，以便测量尾部中的可靠细胞应答。在这个区域中的剂量平均的LET的测量做起来更简单，但在预测生物学效应中不是非常直接。
使用放射性束的治疗计划和递送的验证
治疗计划和递送通常依赖于xCT数据，其中CT数目就在各个组织类型中的离子束停止能力进行校正(参见图11)。33此类治疗计划可以致使在10cm射程中大至±5mm的误差。34对于离子束治疗，对于小范围不准确性付出的处罚比对于光子治疗严重得多，如图12中示意性举例说明的。通过代替放射性束以根据治疗计划递送“治疗”，并且想象实际治疗体积，可以验证所递送剂量与靶体积的符合。35,36
图11。对于粒子束治疗计划，组织的CT数目转变成水等价的径长。
当离子束的稳定核与靶材料的核碰撞时，2个核在外周碰撞中敲掉彼此的小片(核子)。可以出现其中一个或两个中子被击倒的抛体离子，具有大约相同的速度。放射性次级波可以通过磁动量分析与初级离子束分开，并且收集且从产生靶转运到治疗室，并且进入患者体内。放射性束的产生和收集，例如由20Ne产生的19Ne以及由12C产生的11C和10C，已在LBNL进行研究。37最有利的同位素是10C(正电子发射体，19秒半衰期)，因为它适合于用于PET成像。如果已知动量的10C束的布拉格峰与患者体内的靶体积的远侧边缘对齐，那么可以可靠地将12C束递送到相同靶内。
图12。对于光子治疗，由左侧上的2条红线指示靶深度中的误差，导致小剂量误差(红色区域)。然而，对于轻离子，在移位布拉格峰中显示的射程测定中的相似误差，将导致如由红色区域指示的严重得多的剂量误差(在峰下大的剂量不足，和在剂量减退区域外的剂量过多)。
被称为"PositronEmittingBeamAnalyzer(PEBA)，特别开发的PET检测器的示意性图显示于图13(a)中。它举例说明通过测量由10C核衰变发出的正电子的湮灭光子，PEBA如何定位停止放射性(正电子发射)核。10C核停止区域的横向尺度以及停止核和湮灭点之间的距离在图13(a)中极大放大。使19Ne在人体模型中停止的PET图像显示于图13(b)中。使用尖端的PET系统可以确定在<0.5mm内的布拉格峰位置。
在相似静脉中，通过评估由束产生的放射性同位素，GSI已实现用于束内原位治疗控制的PET系统，即在离子束治疗过程中。38
图13(a)。PEBA的示意图。
图13(b)。19Ne的停止区域的图像。通过补偿器创造束，以从布拉格峰辐射中排除患者(人体模型)的脊髓区域。(XBC865-4162)用于宇宙生物学的离子束研究
在地球磁屏蔽的保护外，银河宇宙线轻和重离子的丰度是这样的，使得在到火星的3年旅行过程中在宇航员体内中的30％细胞核将由一种或多种重电离粒子(10≤Z≤28)穿过，假定今天的太空船一般的屏蔽。铁核是这些辐射效应的主要贡献者，但必须了解它们的后果。在轻离子疗法中的放射生物学研究自然地延伸到宇宙生物学研究项目内，首先在LBNL的Bevalac，并且目前在BrookhavenNationalLaboratory的RelativisticHeavyIonCollider(RHIC)的BoosterAcceleratorFacility。它集中于铁离子束和通过吸收材料中的碎片产生的次级粒子的效应。39正在进行实验以测定其对细胞灭活和肿瘤细胞转化的作用，并且计算通过低和高LET辐射用于细胞转化的横截面。初步结果指示与用于细胞灭活或死亡的横截面相比较，用于细胞转化的横截面小约10,000倍。此类差异暗示仅非常少数的基因涉及辐射诱导的细胞转化。用铁离子束照射的动物中的生命缩短、白内障形成和肿瘤发生也在研究之中。关于白内障表达的早期结果暗示，与低LET辐射相比较，关于铁离子暴露的潜伏期缩短。
使用轻离子的临床试验
在LBNL构建的其中SuperHILAC将离子束注入Bevatron内的Bevalac加速器复合体，扩展关于用轻离子束的医学研究的机会。40J.R.Castro和他的团队进行用于治疗人癌症的临床试验，从1977到1992年使用在184-英寸同步回旋加速器和Bevalac处的轻离子束，当加速器关闭时。41感兴趣的离子范围从4He到28Si。具有450-585MeV能量/核子的20Ne离子是最通常使用的。治疗的患者数目是用氦离子束的2054个患者，和用氖离子束的433个患者。用氦离子治疗的患者包括原发性颅底肿瘤：软骨肉瘤、脊索瘤、脑膜瘤等。在1987-1992年过程中治疗的患者显示增加的局部控制，代表改善的固定的影响，治疗计划和递送，和MRI的可用性。使用20Ne离子，他们还治疗癌损害，并且获得极佳的5年局部控制，所述癌损害起于鼻旁窦、鼻咽或唾液腺，并且延伸到颅底内。所观察到的并发症主要是脑神经损伤包括视神经，和脑干或颞叶中的辐射损伤。42
自1997年末以后，在GesellschaftfürSchwerionenforschung(GSI)，Darmstadt的临床试验已用碳离子束治疗相对辐射抗性的肿瘤，例如颅底的脊索瘤和低级别软骨肉瘤，腺样囊性癌和恶性脑膜瘤。43,44在头部区域中的这些肿瘤用常规治疗方法无法治疗。新疗法导致所有患者中肿瘤的显著减少而无任何复发征兆；所达到的局部控制率与中子疗法可比较，但具有更少毒性。到2005年6月，已在GSI成功治疗了约250个患者。基于在GSI的研究，在Heidelberg的治疗中心正在建造之中，其中每年可以治疗高达1,000个患者。
在1994年，在日本Chiba的NationalInstituteofRadiologicalSciences(NIRS)交付使用了它的HeavyIonMedicalAcceleratorinChiba(HIMAC)，这具有2个同步加速器，并且产生从4He到40Ar的离子束，直到800MeV的最大限度能量/核子。HIMAC容纳2个治疗室，一个具有水平和垂直束，并且另一个仅具有水平束。还存在次级(放射性)束室，生物学实验室和物理学实验室，全都装备水平束线。所有束线具有固定的束类型，与旋转扫描架形成对比。目前，他们的临床试验使用碳离子，并且到2004年2月，他们已成功治疗1796个患者。目前，I和II期临床试验正在进行中。他们已在很大程度上证实了碳离子的安全和功效。在不久的将来，他们计划建立最佳照射方法，鉴定其中碳离子特别有效的部位和组织学类型，并且阐明来自低LET辐射的适应症中的差异。在2004年，对于碳离子治疗，HIMAC已获得日本政府批准作为“高度先进的医学技术”，这与美国FDA批准可比较。
在2001年，在日本HarimaScienceGardenCity的HyogoIonBeamMedicalCenter(HIBMC)交付使用，作为全世界第一个基于医院的设施以提供质子和碳离子束疗法，这提供最大限度能量230MeV的质子和最大限度能量320MeV/核子的碳离子。可获得6个治疗室伴随7个治疗端口。这些室专用于碳离子束：一个具有垂直束线，一个具有水平，并且一个具有45度斜束线。2个质子治疗室配备商业上设计的旋转扫描架。到2005年末，HIBMC已使用质子治疗了825个患者和用碳离子束治疗了53个患者。
图14。在Heidelberg正在施工之中的IonTherapyUnit的平面图。
HeidelbergIonBeamTherapyCenter(HIT)构建在德国Heidelberg中的IonTherapyUnit。它是UniversityClinicHeidelberg、GermanCancerResearchCenter(DKFZ)、GesellschaftfurSchwerionenforschung(GSI)和ResearchCenterRossendorf(FZR)的联合规划。如图14中所示，2个离子源经由线性加速器供应同步加速器。它容纳3个治疗室：2个具有水平束(H-1和H-2)，并且1个具有旋转扫描架，这使得能够使束从所有方向瞄准患者。这个系统将能够用碳离子和质子治疗患者，预期在2007年开始治疗患者。
EuropeanNetworkforLIGHtionTherapy(ENLIGHT)计划用于4个国家中心：HeidelbergIonTherapy(HIT)；在Pavia的CentroNazionalediAdroterapiaOncologica(CNAO)；在WienerNeustadt的MedAustron；和在Lyon的ETOILE。在进一步的倡议中出现渐增的兴趣，并且更多国家表示创造国家规划中的兴趣，特别是瑞典、荷兰、比利时、西班牙和英国。在美国和日本的几个场所，在中国的Lanzhou，在韩国的Busan和其他地方存在关于轻离子设施的其他倡议。
呈现的报告与其他IAEA和ICRU报告之间的关系
呈现的报告将关于“用于开处方、记录和报告离子束疗法的剂量和体积说明书”－
●帮助准确施用治疗
○用于个别患者治疗
○用于治疗计划
○用于具有DICOM顺应(IMPAC)的数据管理
●使治疗报告标准化
●促进在碳离子中心的治疗结果的有意义的相互比较
○还与常规疗法相互比较
考虑包括在呈现的报告中的问题：
开处方且报告剂量与体积而不是不连续点
●证明它用于碳离子治疗是合理的。
剂量说明书在治疗计划中的定位/体积
●剂量应在其中对于测定离子束径中的小误差剂量改变最小的点上指定，由于整合的阻止能力中的不确定性。
○SOBP的中峰
○不在SOBP的近峰处
●剂量应在其中对于测定离子束径中的小误差剂量最快速改变的点上指定，由于整合的阻止能力中的不确定性。
○远侧剂量减退的中点
●剂量体积直方图
指定和报告的剂量单位
●以“格雷-当量(GyE)”(剂量加权因子)的“物理剂量和RBE”与“生物剂量”比较
在治疗计划中是否应指定误差？
●误差帮助评估在治疗体积内的剂量不足，和相邻正常组织中的剂量过多。45
●(推论)是否应呈现在特定体积内递送的剂量上和下限？
剂量递送的放射性束测量是否重要？
●它改善治疗计划和递送的准确性。
治疗递送的剂量验证
●对于扫描束递送，测量需要整个场的完全扫描。
○在治疗通过装配几个不均匀剂量分布来完成时，用于验证的每个剂量测量要求完全扫描。非常耗费时间和加速器资源的过程。
○多重检测器
用于在离子束中心中的相互比较的剂量测定法标准化
●剂量测定法校正
●是否比较物理或生物剂量？
○哪个单位用于生物剂量？
●与具有可比较束质量的“标准”离子束设置达成一致是否实际、或可行或甚至可取？所吸收的剂量的权衡暗示参考治疗条件的选择。46
*在合同号DE-AC02-05CH11231下由Director，OfficeofScience，OfficeofBasicEnergySciences，oftheU.S.DepartmentofEnergy支持。
1E.O.Lawrence和M.S.Livingstone，Phys.Rev37：1707(1931)；和M.S.Livingston，"TheProductionofHigh-VelocityHydrogenIonsWithouttheUseofHighVoltages,"PhDthesis，UniversityofCalifornia，Berkeley(1931).
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附录D
用于重离子医学加速器的交替相聚焦的IH-DTL
Y.Iwata*,T.Fujisawa,T.Furukawa,S.Hojo,M.Kanazawa,N.Miyahara,T.Murakami,M.Muramatsu,K.Noda,H.Ogawa,Y.Sakamato,S.Yamada,K.Yamamoto,
NIRS,4-9-1Anagawa,Inage,Chiba263-8555,JapanT.FujimotoT.Takeuchi,AEC,2-12-1Konakadai,Inage,Chiba263-8555,Japan.
T.Mitsumoto,H.Tsutsui,T.Ueda,T.Watanabe,SumitomoHeavyIndustries(SHI),Ltd.,9-11,Kita-Shinagawa5,Shinagawa,Tokyo141-8686,Japan
摘要
由具有200MHz的相同操作频率的射频四极(RFQ)直线加速器和InterdigitalH-modeDrift-Tube-Linac(IH-DTL)组成的紧凑型直线加速器，设计用于重离子医学加速器的进样器。对于IH-DTL的束聚焦，应用交替相聚焦(APF)的方法。RFQ直线加速器和IH-DTL的总长度是约6m。用2个直线加速器，通过ECR离子源(ECRIS)产生的碳离子可以加速直到4.0MeV/u。紧凑型直线加速器在NIRS进行构建且安装。我们已首次用APF直线加速器成功加速碳离子。呈现了紧凑型直线加速器的目前状态以及加速测试的结果。
引言
在NationalInstituteofRadiologicalSciences(NIRS)，自1994年6月以后已进行了使用来自HeavyIonMedicalAcceleratorinChiba(HIMAC)的高能量碳离子的癌症治疗[1]。迄今为止，在NIRS已治疗了超过2,600个患者。由于超过10年的成功临床结果，全世界已提议用于构建致力于癌症治疗的这些加速器复合体的许多项目。因为这些现有加速器复合体是昂贵且尺寸大的，所以需要开发用于基于医院的复合体的成本有效和紧凑的加速器，用于越来越多的重离子疗法使用。
在基于医院的加速器复合体的开发中，进样器的设计起关键作用，因为现有重离子直线加速器是非常大的。进样器的大小将影响复合体的总体大小以及构建总成本。因此，我们开发了紧凑型进样器用于重离子医学加速器。
图1：紧凑型进样器的示意图。
紧凑型进样器由ECRIS和2个直线加速器组成，其为具有200MHz的相同操作频率的RFQ直线加速器和IH-DTL。对于IH-DTL的束聚焦，应用APF的方法。2个直线加速器的进样和提取能量概括于表1中。在下述节段中，描述了紧凑型进样器的目前状态和束加速测试的结果。
紧凑型进样器
紧凑型进样器的示意图显示于图1中。对于离子源，采用永磁体10GHzECRIS[2]。使用永磁体产生所有所需磁场允许我们设计相当简单和成本有效的离子源，因为它将不需要任何电源以及麻烦的冷却系统。ECRIS首先在NIRS进行制造且测试。因此，发现ECRIS在30kV的提取电压下可以产生超过400eμA的12C4+，与10keV/u的离子能量相对应。
用低能束转运(Low-Energy-Beam-Transport)(LEBT)线分析由ECRIS产生的离子，并且选择具有10keV/u的12C4+碳原子。使经分析的碳原子转运经过LEBT线且随后注入RFQ直线加速器。通过调整在LEBT线中安装的聚焦元件，例如静电四极三重线和磁螺线管，达到与直线加速器匹配的横向相空间。在安装直线加速器前，使用LEBT线测量来自ECRIS的碳原子的横向发射率。通过LEBT线的束传输优于90％。
表1：紧凑型进样器的主要参数
参数 RFQ IH-DTL 单位
进样能量 0.01 0.61 MeV/u
提取能量 0.61 4.0 MeV/u
操作频率 200 200 MHz
q/m 1/3 1/3 -
腔长度 2.5 3.4 m
腔外部直径 0.42 0.44 m
RFQ直线加速器具有常规的4叶片结构。它可以使碳离子加速直到610keV/u。通过使用于碳离子加速的池参数最佳化且使用相当高的200MHz的操作频率，可以设计紧凑腔；腔的长度和外部直径分别是2.5m和0.42m。RFQ直线加速器的构建在2005年7月完成，并且在NIRS安装。RFQ直线加速器的照片在图2中呈现。
图2A紧凑型RFQ直线加速器的照片(从上游的视图)。
对于IH-DTL，采用APF方法以使加速粒子聚焦。该方法利用由rf加速场提供的聚焦和散焦强度，通过选择在每个缺口处交替地正和负的同步相。通过与强聚焦原理类比，将获得动作的纵向和横向稳定性。因此，在腔中不必安装另外聚焦元件，使得腔结构明显简单。这还指示可以构造更小和更短的漂移管，并且因此允许我们采用比先前用常规DTLs例如Alvarez结构更高的操作频率和更低的进样能量。尽管该方法具有此类吸引人的特征，但自从它在50年代首次提出后，它从未在实践上使用。
表2：对于APFIH-DTL计算的参数
参数 值 单位
单位池数目 72 -
进样束的标准化90％横向发射率 0.68 π·mm·mrad
提取束的标准化90％横向发射率 0.86 π·mm·mrad
进样束的标准化90％纵向发射率 1.3 π·ns·keV/u
提取束的标准化90％纵向发射率 1.6 π·ns·keV/u
能量分散(△E/E) ±0.4 ％
传输 99.6 ％
由于该方法的性质，与磁性聚焦的DTLs的这些相比较，通过rf加速场提供的聚焦强度很弱。此外，关于APF直线加速器的束运动强烈依赖于交替同步相的选择，并且一般难以最佳化同步相的阵列，以获得经提供的束的足够接受以及低发射率。通过使用正弦函数描述相阵列且迭代执行束动态模拟，我们成功地最佳化相阵列，如参考文献中所述[3,4]。经计算的传输达到高达99.6％，指示这种APF结构的足够接受。对于APFIH-DTL计算的参数概括于表2中。
图3AAPFIH-DTL的照片(从下游的视图)。
IH结构用于APFIH-DTL的腔。IH结构的想法首次在50年代提出。尽管已知该结构提供比常规DTLs那种更好的分流阻抗，但多年仍未使用IH-DTL。关于这点的主要原因是用现有的二维EM场解算器无法计算电磁(EM)场分布，因为IH腔中的场分布强烈依赖于其腔的总结构。因此，需要冗长且费用大的模型研究以测定腔的最终结构。伴随三维EM场解算器的近期开发，可以在IH腔中直接计算EM场。尽管这些解算器近来应用于设计IH-DTL，但这些解算器的准确度未经证实。为了验证解算器的精确度和我们的感应调谐器的调谐能力，构建了APFIH-DTL的原尺寸模型腔[4]。通过使用微扰方法测量模型腔的电场分布，并且与设计的分布相比较。比较的结果指出已执行用感应调谐器的调谐后，可以用极佳的准确度控制在模型腔上的缺口电压，同时维持所需腔频率。
基于模型腔，已开发了用于APFIH-DTL的高功率腔的设计。APFIH-DTL和rf放大器的构建已在2006年2月完成。APFIH-DTL的照片显示于图3中。电场进行测量且用感应调谐器进行调谐。在调谐后，大多数缺口电压在数个百分比的准确度内变成设计电压。质量因子测量为12,000，与计算值(Qc＝15,000)的80％相对应。假定80％的Qc，所需rf功率估计为360kW。
束加速测试
RFQ直线加速器首次与ECRIS结合进行构建且安装。在APFIH-DTL安装前，执行仅用ECRIS和RFQ直线加速器的束加速测试。测量具有610keV/u能量的经提取碳束的能量和相空间分布，并且与用PARMTEQ编码计算的那些相比较。因此，发现测量的分布非常良好地再现计算的分布。
在RFQ直线加速器的束加速测试后，将APFIH-DTL安装在RFQ直线加速器下游。在RFQ直线加速器和APFIH-DTL之间，安装磁性四极三重线用于匹配横向相空间。三重线的总长度是约38cm。经匹配的束将注入APFIH-DTL且最终加速直至4.0keV/u。
在2006年3月完成的整个紧凑型进样器系统交付使用后，通过具有500kW最大限度输出的3个rf放大器产生的rf功率递送至APFIH-DTL的腔。在调试数天后，360kW的设计功率成功供应到腔内而没有任何问题。
随后执行束加速测试，并且我们已成功加速碳离子。经提取的束用位于APFIH-DTL下游的束分析线进行测量。从APFIH-DTL提取的12C4+离子的束强度测量为高达390eμA，这将是用于治疗所需的那种的2倍。
图4：从APFIH-DTL提取的碳原子(12C4+)测量的横向相空间分布。
实线和虚线曲线显示100％和90％发射率拟合的结果。
图5A测量的12C4+能量分布
整个进样器系统包括LEBT、RFQ直线加速器和APFIH-DTL的束传输达到高达79％。对于LEBT和RFQ直线加速器的已知传输，通过APFIH-DTL的传输估计为几乎100％。
用在束分析线上安装的一对裂缝和谱监控器测量横向相空间分布。结果呈现于图4中。分布用椭圆形函数进行拟合，如图4中的曲线所示。用于2个坐标的标准化90％发射率通过拟合估计为约1.0π●mm●mrad，这略微高于表2中给出的计算值。经加速的12C4+离子的能量分布如图5中所示进行测量。平均能量和分散分别是约Eave＝4.0MeV/u和△E/E＝±0.4％，这良好再现计算的那些。此处指出这些测量的参数将满足由我们的同步加速器环设计给出的需求。
概括
设计且构建了紧凑型进样器，其由ECRIS和2种直线加速器(RFQ和APFIH-DTL)组成。执行加速测试，并且我们已首次用APF直线加速器成功加速碳离子。测试的结果进一步证实其极佳性能。
2个直线加速器的总长度减少至约6m，这比现有重离子直线加速器的那个短得多。由于这个成功结果，已开始了基于医院的复合体的最终设计和构建。
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*通讯作者。E-mail:y_iwatanirs.go.jp
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[4]Y.Iwataetal.,Nucl.Instrum.AndMeth.InPhys.Res.A(submitted).
附录E
传导ECR离子源VENUS的情况
M.A.Leitner,C.M.Lyneis,D.C.Wutte,C.E.Taylor,S.R.AbbottLBNL,Berkeley,CA94720,USA
Email:Mleitnerlbl.govWWW:http://ecrgroup.lbl.gov
摘要
新的极高磁场的超导ECR离子源VENUS在LEBT88-英寸回旋加速器的开发下。它将增强对于来自回旋加速器的重离子的最大限度能量和强度，特别对于具有超过60的质量的离子。它还充当R&D离子源用于在美国提议的RareIsotopeAccelerator(RIA)规划，这需要高达U30+的10pμA。超导磁体结构由3个螺线管和6个跑道型线圈组成，其中铁磁极形成六极。线圈设计为在进样处产生4T轴向磁镜场和在提取处3T，以及在等离子体室壁上2.4T的半径六极场。呈现了以最低限度训练超过设计要求的电磁线圈的测试结果。具有其低温恒温器的磁体组件将通过铁屏蔽封闭，并且因此必须设计为经得住在线圈和铁之间的任何可能力，这可以是高达35,000kg力。低能束转运线(LEBT)和离子源的质量分析系统设计为在20kV的提取电压下转运25mA的质子等价电流。将讨论离子源和LEBT的设计。
1引言
其R&D进展先前已得到证明[1，2]的超导ECR离子源(ECRIS)VENUS目前开始其构建阶段。VENUS规划旨在关于ECRIS的下述显著改善：
1.达到迄今为止在ECRIS中获得的最高磁场，以改善等离子体局限。
2.利用商购可得的10kW-CV28GHz回旋管放大器，以利用高磁场和大等离子体容积的优点。
3.开发用于超导线圈的新钳位方案，以便经得住强磁力。
4.使用现有技术发展水平的低温设备，利用低温冷却器和高Tc铅，消除液体-He填充系统的需要。
图1：VENUS离子源的剖面图
5.开发冷质量悬浮液系统，其可以经得住在ECRIS设计中发生的强磁力，并且同时维持低热泄露以允许使用低温冷却器。
6.开发微型高温烤箱(～2000摄氏度)，以轴向插入离子源内。
7.开发薄壁铝等离子体室，其允许壁的足够冷却且维持最大限度等离子体容积。
8.增加来源的电子绝缘能力，以便促进以更高的提取电压下操作。
9.开发束提取和分析系统，其可以转运更高预期的束强度。提取区域的高磁场(高达3T)导致对于不同离子的不同聚焦性质，因此需要通用转运系统。
为了证实这些技术进展，在表1中使某些VENUS设计参数与2个现有LBLECR离子源[3]的分别参数相比较。
表1：LBNLECR离子源之间的比较
磁场：安培-转动 ECR AECR VENUS
磁场：峰值场 231,000 317,000 3,000,000
微波：频率 0.4T 10GHz+14GHz 18GHz+28GHz
微波：总功率 600W 2.600W 14.000W
提取：高电压 10kV 15kV 30kV
2来源设计
图1显示VENUS离子源的机械布局图。等离子体室由具有深孔钻(gun-drilled)水冷却管道的铝管构成。铝提供用于等离子体的冷电子的来源。这种技术已开发且对LBNLAECR进行测试。除源于在表面上形成Al2O3的铝壁的有利次级发射性质外，铝对等离子体腐蚀是非常有抵抗力的。这减少离子的等离子体由壁的污染。为了进一步增加真空清洁性，使整个来源和束线进行金属密封。
3个离轴微波进料器以及2个烤箱和偏离盘从进样线管插入。我们已开发了高温(>2000摄氏度)微型烤箱，其通过2-3/4”合并凸缘安装。烤箱目前正在构造且将首先在AECR源中进行测试。偏离盘是星形的，以终止等离子体，并且仍给波导管和烤箱穿透提供足够空间。偏离盘的开放空间是用于等离子体室的唯一真空抽吸机会。考虑进样槽的有效导电性，1000l/秒的涡轮泵将允许等离子体室的足够抽吸。
在运转的第一年中，2个18GHzCPI速调管放大器(VKU-7791A12)在放大器输出下将提供高达5kWCW总微波功率。在随后的规划阶段，计划用28GHzCPI回旋管(VGA8028)系统升级VENUS，这可以递送10kWCW总功率。预期仅此类微波系统将允许VENUS的高磁场和大等离子体容积的最佳使用。
在图1中还显示的是铁屏蔽轭的端墙，这设计为使在轭外面的磁杂散场减少至<50高斯。除了是安全措施外――此类低磁场还是在磁体结构上的低温用塔中定位的低温冷却器和HTc铅需要的。使低温恒温器热休克降到最低的HTc铅在特定磁场水平下淬灭(依赖于铅电流)。
我们目前在Livermore，CA的WANGNMRInc构建了VENUS低温恒温器，其中所有超导电磁线圈都是缠绕的。磁体结构的构造在1999年秋天完成。与原型磁体相比较，它的设计在几个方面得到改善[2，4]。它强制消除超导线圈的任何可能移动，以便避免超导导线的淬灭。如[2，4]中所述，现有钳位方案无法充分限制六极线圈。因此，已开发了新钳位方法：可展开的囊－由堆叠在一起且在边缘上焊接的2个扁平0.25mm不锈钢片组成－沿着六极线圈且在六极线圈尽头插入。3mmOD不锈钢管与每个囊焊接，通过其流体可以加压2个钢片之间的空间。囊在适当位置时，六极组件加热至65摄氏度。轴向囊膨胀至10.4MPa，并且终端囊膨胀至2.6MPa，用具有47.2摄氏度的熔化温度的液体金属。合金Incaloy117在固化过程中具有非常小的体积改变。这样，线圈已在轴向和径向上均匀地压缩。
新钳位方案和其他改善的成功在1999年秋天在超导线圈装配(轴向和六极线圈)的磁体测试过程中得到证实[4]。当单独测试时，在仅5次训练淬灭后，六极线圈达到超过125％的线圈设计电流。在最大限度螺线管场下，在4次另外的训练淬灭后，六极线圈达到超过125％的设计场。(螺线管线圈直到先前测试中的电源限制才经历淬灭)。总之，通过利用永久膨胀的“可展开垫片”，VENUS磁体系统超过设计要求，从而提供在ECR线圈构型中曾经达到的最高磁场。
回旋加速器和来源组分的构造将继续直至今年底。第一次束测试时预定在束线装配后在2000年夏天。
3低能束转运
高磁离子源场(高达3T)对离子束提取和与束线匹配的作用已在[2，5]中进行研究。多种电荷状态不同地集中于超导ECR离子源的高磁场。这导致一般的发射率模式，其中每个电荷状态在相空间中不同定向。对于88-英寸回旋加速器操作，LEBT必须是通用的，足以转运在各种提取电压下的许多不同离子束和电荷状态。
图3：对于不同经提取的束电流的VENUS低能束转运模拟(GIOS)(第二个数字指在分析磁体后的电流)。
现有LBLECR束线的调谐灵活性源于螺线管透镜插入提取和分析磁体之间。在这种方案中，螺线管透镜使所提取的束集中于分析磁体的第一个焦点。离子光学模拟显示在分析磁体前面的小腰部(waist)诱导高空间电荷离子束的强象差。此外，对于考虑用于VENUS的提取电压(高达30kV)，螺线管透镜的磁场必须超过1特斯拉(Tesla)。
图3：VENUS束线布局图
因此，已决定消除在分析磁体前面的腰部。现在螺线管透镜的唯一目的是调整进入磁体内的束的角度(参见图2和3)。实际束直径无法用单个螺线管透镜控制。因此，必须选择足够大的磁体缺口，以容纳最高预期的束强度。
此类多用途分析磁体目前在设计中，并且将在磁体边缘上掺入2个四极和2个六极力矩，以及在磁体中心再掺入2个六极力矩以补偿更高级别的效应。3D磁体计算(Tosca3D)必须限定分析磁体的正确磁极形状。磁体的分辨率将是m/△m～100，它的束半径45cm，并且它的磁极缺口22cm。
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附录F
酒石酸铵固态丸剂关于用放射治疗光子和电子束的ESR剂量测定法的应答表征
ABartolotta1，MCD'Oca1，MBrai2，VCaputo3，VDeCaro4andLIGiannola4
1DipartimentoFarmacocmmico，TossicologicoeBiologicoUmversitadiPalermoviaArchirafi32-90123Palermo，意大利
2DipartimentodiFisicaeTecnologieRelativeeUnitaINFM，UmversitadiPalermo，意大利
3ServiziodiFisicaSanitariaARNAS，Palermo，意大利
4DipartimentodiChirmcaeTecnologieFarmaceutiche，UmversitadiPalermo意大利
2000年9月15日接受，以2000年11月2日的最终形式
摘要
用于电子自旋共振(ESR)剂量测定法的固态丸剂(1mm厚)使用酒石酸铵作为辐射敏感性物质进行制备。它们的行为根据用60Coγ射线的剂量在实验上进行研究。所获得的校准函数允许测量在2-50Gy范围中的吸收剂量，具有±4％的组合不确定度。最低可检测剂量是约0.5Gy。这些性质可与由其他材料制备的ESR剂量计的那些可比较或更佳。研究了在照射后在不同贮存条件下酒石酸铵剂量计的ESR信号的时间稳定性。观察到相当复杂的行为，这暗示更多种类的自由基通过辐射产生，并且迁移过程可能是有效的。对于通过放射疗法中使用的线性加速器产生的高能量光子和电子束发现对于束流质量的应答依赖性，而剂量用低能量x射线估计不足。
1.引言
基于通过ESR光谱法定量检测丙氨酸中的电离辐射产生的自由基的电子自旋共振(ESR)剂量测定法广泛用于控制工业辐射过程中的照射，其中使用在kGy范围中的吸收剂量值(ASTM1995，Mehta1996)。在放射疗法中使用的剂量计应满足2个矛盾需求，它们应具有小尺寸用于甚至在高剂量梯度区域中的剂量测量，并且它们应具有高灵敏度以使得能够测量甚至低于1Gy的剂量。因此，ESR剂量测定法延伸至放射疗法剂量范围仍是困难的，因为在低于约2Gy的剂量下照射的薄丙氨酸剂量计中的弱信噪比值(Bartolotta等人1993，Kuntz等人1996，Sharpe等人1996，Wieser等人1993)。
ESR剂量测定法中的改善可以通过最佳化数据采集且在分析操作中使用高分辨率获得(Coppola等人1999，Nette等人1993，Rakvin1996，Varshney和Choughule1999)，或通过用其他物质替代丙氨酸获得(Azorín等人2000，Hassan等人1998，1999，Hassan和Ikeya2000，Ikeya等人2000，Olsson等人1999，Yavuz和1999)。
在这篇论文中我们报告了关于在UniversityofPalermo进行的1mm厚的固态ESR剂量测定法的应答特征，使用酒石酸铵作为物质形成自由基，聚乙烯作为结合材料和硬脂酸镁作为润滑剂。所观察到的实验结果显示酒石酸铵可以作为丙氨酸的替代物用于光子和电子束剂量测定法，就原料同质性、剂量范围、再现性和剂量应答的总不确定度而言；就在照射后形成的自由基稳定性而言发现较不满意的行为。
2.材料与方法
2.1.固态剂量计的实现
酒石酸铵(CarloErba，意大利)、聚乙烯(Polysciences，分子量＝700)和硬脂酸镁(CarloErba，意大利)(分别为94重量％、5重量％和1重量％)的均一掺和物在我们的实验室通过下述操作进行制备。多晶酒石酸铵在玛瑙研钵中手工捣碎，并且用标准网目金属丝筛(EndecotsLtd，UK)进行筛分，以选择大小70-125μm的颗粒，即在与聚乙烯和硬脂酸镁颗粒(平均约90μm)相同的大小范围中。使3种化合物在配备旋转双壳的粉末混合器(LaboratoriMAG，意大利)中混合30分钟，并且使掺和物贮存于干燥环境中直至使用时。我们构建了用于掺和物的具有21个圆柱形机架的不锈钢模具。借助于配备可调节压力的手动压片机，通过用合适长度的小不锈钢活塞压制使所选择量的掺和物获得固体圆柱形丸剂。将24mg的等分试样插入每个机架中，并且应用约6x106Pa的压力，以获得具有1mm的预期厚度和4.8mm直径的丸剂。最后，使丸剂经历在130℃下20分钟和在85℃下15分钟的热循环，以改善其机械性质。
测量从500个原料中随机选择的100个酒石酸铵丸剂的质量和尺寸，具有下述结果(平均值±1SD)：直径4.80±0.05mm，厚度0.96±0.04mm，质量22.2±0.9mm。剂量计的平均质量密度因此是1.28gcm-3。掺和物的有效(Z/A)比是0.535。
发现质量和厚度值的频率分布围绕平均值相当对称(图1和2)。每个丸剂的质量低于所使用的等分试样，可能是由于在掺和物压制和从模具中提取丸剂过程中的丧失。这也可以证明在较低质量区域中分布的小尾部。
2.2.照射
在Palermo的RadiotherapyDepartmentoftheOncologyHospital'MAscoh'，用60Co源(AlcyonII，GeneralElectric，法国)、线性加速器II(GeneralElectric，法国)、PhilipsRT100(德国)和用于放射疗法治疗的SiemensStabilipan(德国)x射线管，在Perspex仿真模型中在室温下照射剂量计。束的主要特征和照射条件在表1中概括。
图1.酒石酸铵剂量计的质量频率分布；每个条与0.4mg宽度范围相对应，集中于在横坐标上报告的值。
图2.酒石酸铵剂量计的厚度频率分布；每个条与002mm宽度范围相对应，集中于在横坐标上报告的值。
用圆柱形电离箱(ComecerESC/87，意大利)测量在剂量计的中间平面位置上的吸收剂量率，所述圆柱形电离箱就空气柯玛而言校准且可追踪至基本标准；使用由AmericanAssociationofPhysicistsinMedicine(AAPM1983)推荐的体系。在剂量值中的95％置信水平下的总不确定度估计对于光子和电子束分别为±3％和±3.5％。关于低和中等能量x射线束，使用平行平板电离箱(PTW464，德国)；在这种情况下在吸收剂量中的总不确定度是±5％。
表1.在这项研究中使用的辐射束的主要特征；对于每一种，指出合适数量。
1半值层。
2在水中深度10和20cm处的电离比。
350％吸收剂量的深度。
4在水中的等价深度。
5最大限度剂量的深度。
图3.固态酒石酸铵剂量计在照射前(a)和在用60Co源以30Gy照射后(b)的ESR谱。
2.3.ESR测量
用在约9.7GHz下操作、配备TE102矩形腔的BruckerECS106分光计在室温下记录ESR谱。用仪器专用的计算机软件执行信号分析。酒石酸盐丸剂可再现地放置在腔内，在最大限度信号强度位置中，借助于石英小瓶和石英间隔器。图3显示固态酒石酸铵剂量计在照射前(a)和在用60Co源以30Gy照射后(b)的ESR谱。存在一条主要分辨线(1.10±0.05mT宽；g＝2.0030±0.0005)，由于通过分子中的光子产生的自由基(Olsson等人1999)。它的g值通过与用作场g标准的稳定自由基2,2-二苯基-1-苦基肼基(DPPH)比较进行测量(Weil等人1994)。出现在距离中心线约1.8mT处对称间隔的2种其他结构；其特征在研究中，但它们对于剂量评估无关，这是呈现工作的目的。事实上，中心线的峰间宽度不随着所研究范围中的剂量而改变，并且主要线的峰间信号高度H(图3)因此可以用作剂量依赖性参数(ASTM1995)。
图4.对于酒石酸铵剂量计，针对其最大限度值标准化的ESR信号高度的微波功率依赖性。
ESR记录参数大约设为获得最高信噪比(S/N)，既使引入某些信号失真。执行根据记录参数的ESR谱详细分析。
图4显示H对于用60Co源以30Gy照射的剂量计的微波功率平方根的依赖性。信号与直到0.5mW的微波功率平方根成比例(Weil等人1994)；饱和行为在更高功率下出现，并且超过1mW强度减少。对于相同剂量计，对于100kHz调节磁场波幅的依赖性显示于图5中。
基于这些结果，选择标准ESR记录参数的下述设置：
·场设置，346.8mT
·场扫掠，4.0mT
·微波功率，1.60mW
·调节波幅，0.88mT
·时间常数，655ms
·增益，5x104
·累积扫描数目，3。
使用这个实验设置，关于以30Gy剂量照射的剂量计的S/N值是37.5；这个值比在丙氨酸固态剂量计中测量的相对应那种(15)高得多，所述丙氨酸固态剂量计具有与酒石酸铵丸剂的那种相等的质量，且用相同操作照射(Bartolotta等人1999)。
图5.对于酒石酸铵剂量计，针对其最大限度值标准化的ESR信号高度的微波波幅依赖性。
因为ESR信号的波幅依赖于共振腔内的每个丸剂的定向(Kojima等人1995)，所以用于记录ESR谱的操作重复4次。在每次采集后，使剂量计在腔内旋转90°，并且每次测量峰间信号高度H。平均值Hm针对剂量计质量M进行标准化，以减少由于酒石酸铵含量中的差异的样品间散射。通过针对稳态样品的信号高度Hs标准化获得用于分光计灵敏度中的波动的校准。所得到的值
HR＝Hm/MHs
用作剂量敏感性参数。如果超过一个剂量计在相同剂量下照射，那么使用所有读数的平均值。
3.结果和讨论
3.1.ESR信号的时间稳定性
在照射后在不同贮存条件下的ESR信号的时间稳定性的了解从实际应用观点看具有重大意义(Arber和Sharpe1993，Nagy和Desrosiers1996)。如果这种依赖性是无法忽略的，那么当照射和ESR测量之间的时移与在校准操作过程中发生的那种不同时，校准因子必须应用于HR值。
2个剂量计分别用以8和50Gy的60Co源进行照射。在照射后30分钟测量HR，并且其后重复高达30天；在测量之间，将剂量计存在于室温和湿度条件下(10-25℃，相对湿度)。关于50Gy剂量计的结果显示于图6中；信号强度在照射后的前24小时过程中增加约20％，在6天后达到其最大限度值，并且其后缓慢降低。用在8Gy下照射的剂量计观察到相似但更不显著的行为。这种行为暗示产生具有不同稳定性质的更多自由基种类(Olsson等人1999)，并且可能存在扩散和重组过程。
图6.在50Gy下照射且在照射后贮存于室条件下的酒石酸铵剂量计的ESR谱的主要线的ESR信号强度依赖性。
在8和50Gy下照射的另一对剂量计在照射后贮存于50℃下在干燥环境中(低于50％的湿度)。在照射后约24小时时，在每个剂量下在这些剂量计中观察到约10％的显著降低；在6天后和以后测量到高达24％的信号丧失。
3.2剂量应答和本底信号
通过用在0.5-50Gy范围中的60Co源各自以11种不同已知剂量(校准剂量)照射具有3个剂量计的11组，根据剂量研究酒石酸铵剂量计的ESR信号强度。未研究针对更高剂量值的应答，因为这对于放射疗法应用具有很小利益。根据吸收剂量的HR值显示于图7中(误差条与在95％置信水平下的总不确定度相对应)。ESR读出总是在照射后24小时执行，以减少与信号的时间依赖性相关的不确定度。酒石酸铵剂量计的应答显示对于在整个0.5-50Gy范围上的吸收剂量的线性依赖性；线性回归系数实际上是约0.9992，比关于所使用的数据数目的临界值0.903高得多，并且P＝0.001。
因为ESR剂量计是相对方法，所以经照射的剂量计中的未知剂量应根据HR的测量和合适校准函数的使用进行测定(Nagy2000)。使计算和校准剂量之间的差异降到最低的函数选择为校准函数。
使用下述关系测定其中可以使用的线性校准函数的剂量范围：
D＝mHRC(1)
其中HRC是关于与HR回归线的纵坐标交叉的经校准的HR值与剂量比较。发现这个范围限制于3直到50Gy，其中在校准和计算剂量之间的偏差在±3％内，而偏差对于低于3Gy的剂量增加至超过20％。
图7.用60Co源γ射线照射的酒石酸铵剂量计的ESR信号强度(HR)对于剂量的依赖性。实线是最佳拟合的二次函数。
在整个0.5-50Gy范围上通过不确定度加权的数据通过最小二乘法(Mandel1984)用二阶多项式(回归系数＝0.99997)进行最佳拟合；相对应曲线也显示于图7中。需要反函数以获得校准函数，允许根据在经照射的剂量计中测量的HR值计算吸收剂量，D。具有二阶方程解答结构的下述函数是拟合我们的实验数据的最佳函数：
D = a + b + c H R - - - ( 2 )
其中a、b和c是待最佳化的函数。
在2-50Gy范围中，发现使用来自额定剂量值的函数(2)计算的剂量值中的差异百分率在-0.5％到+0.8％内，而偏差在1Gy下增加至约20％。在1-5Gy之间可以使用不同特异性校准函数，其中偏差低于±5％。
最低可检测剂量可以定义为经照射的剂量计中产生与未经照射的剂量计中的本底平均值相等的ESR信号的剂量加上3个标准差。因此在其中预期出现在照射后产生的自由基的ESR信号的磁场范围(346-348mT)中测量10个未经照射的剂量计中的信号强度；本底的平均值是0.52，具有0.14的标准差。使用涉及校准的结果，应产生可检测信号的最低剂量估计为0.3Gy；然而，仅在0.5Gy下照射的剂量计显示可测量信号。这个剂量值因此可以假定为最低可检测剂量。
其质量与本论文中讨论的酒石酸铵剂量计的那种可比较的薄丙氨酸剂量计(1-25mm厚)具有至少3Gy的最低限度可测量剂量(DeAngelis等人2000，Dolo等人1996，Gohs1996，Sharpe等人1996)。
表2.关于酒石酸铵剂量计的精确度、分辨率和总不确定度(95％置信水平)的结果。
因此如果检查涉及具有相等质量的样品的结果，那么酒石酸铵看起来具有比丙氨酸和用于ESR剂量计的其他材料更高的灵敏度(Azorín等人2000，Hassan等人1998，1999，Hassan和Ikeya2000，Ikeya等人2000，Yavuz和Kóksal1999)。
此外，如果使用更高质量的丸剂，那么可以改善酒石酸铵剂量计的剂量应答性质。例如，用2mm厚的丸剂，可以测量0.5Gy剂量伴随5％的总不确定度，并且可以检测出约0.2Gy的最低限度剂量。
3.3.精确度、分辨率和总准确度
HR(精确度)测量结果的可重复性对于分辨率和对于总不确定度的贡献评估是重要的。
在表2中报告了关于酒石酸铵剂量计在5种不同剂量下的精确度百分率；它作为用60Co源在相同剂量下照射的3个剂量计的12次测量的变异系数获得。剂量分辨率，即，根据引起HR中至少1SD的变异的剂量增量评估在可以有意义地区分的2个剂量值之间的最小差异，并且也在表2中报告。
使用校准函数(2)评估在所测量的吸收剂量中的总不确定度。不确定度依赖于来自HR评估、功能参数和校准剂量中的不确定度的多种贡献(Bergstrand等人1998)。HR中的不确定度主要依赖于精确度和时间稳定性。剂量评估中的总不确定度(95％置信水平)在表2中作为剂量函数报告；它使用不确定度传播定律(ISO1995)进行计算，假定在照射后24小时执行的12次HR测定。如果使用不同时移，那么根据ESR信号的时间依赖性必须应用校准因子。
3.4.对束流质量的依赖性
还研究了酒石酸铵剂量计对束流质量的应答依赖性。使用由线性加速器产生的高能量光子和电子束，以及用于放射疗法的低和中等能量x射线束。对于每个束，在30Gy下照射4个剂量计；评估ESR信号的平均值，并且针对用参考60Co源在相同剂量下照射的剂量计之一的那种标准化，以校准相对有效性。表3中报告的结果显示相对有效性与仅对于低能量x射线束的一致显著偏离。
表3.酒石酸铵剂量计应答对于束流质量的依赖性的研究结果。HR是在30Gy下照射的4个剂量计的平均ESR信号。相对有效性(RE)是针对用60Co束获得的值标准化的HR。不确定度在95％置信水平下进行评估。
4.结论
在这篇论文中呈现的实验研究的结果显示在UniversityofPalermo用酒石酸铵作为敏感物质制备的1mm厚固态丸剂具有使得其适合于ESR剂量测定法的应答特征。在2-50Gy之间可以使用独特的校准函数，并且可以测量在这个范围中的吸收剂量，伴随约±4％的总不确定度，前提是在照射后1天执行测量，并且使用超过一个剂量计，特别是在低剂量范围中。用2mm厚的丸剂执行的某些实验显示可以精确测量低至0.5Gy的剂量；然而，更大的厚度恶化执行剂量计的空间分辨率性质。剂量计厚度的选择因此必须考虑剂量和空间分辨率的矛盾需求。
对于具有高于60Coγ射线的能量的光子束或对于高能量电子束，应答对于束流质量的显著依赖性不是显而易见的。剂量的估计不足对于中等和低能量x射线束是显而易见的。
迄今为止，这些剂量计的主要缺点已是由于ESR信号的时间不稳定性，甚至在室条件下；这值得进一步研究。初步结果指出在酒石酸铵中产生超过一个种类的自由基，并且它们之间的迁移可以解释ESR谱中的主要线强度的时间依赖性。我们的意图是紧在照射后和在不同时间间隔下执行对于经照射的剂量计谱的去卷积分析；结果可以给出关于不同原子团种类中的扩散或重组效应的信息。
致谢
这篇论文中描述的研究受到来自MinisteroUniversitaRicercaScientificaeTechnologica的拨款支持。作者感谢ChiefoftheRadiotherapyDepartmentoftheOncologyHospital‘MAscoh’inPalermo允许我们使用照射设施。
参考文献
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ArberJMandSharpePHG1993Fadingcharacteristicsofirradiatedalaninepelletstheimportanceofpre-irradiationconditioningApplRadiatIsot4419-22
附录G
ESR固态剂量测定法：多种氨基酸和掺和物制备操作的行为
A.M.V.Caputo§，V.DeCaro||，L.I.Giannola||，R.andG.
Farmacochimico，UniversitàdiPalermoviaArchirafi32，90123Palermo，意大利
dellaBiocumunicazione，UniversitàdiPalermo，意大利
§ServiziodiFisicaSanitaria，AziendaCivico.Palermo，意大利
||DipartimentodiChimicaeTecnologieFarmaceutiche，UniversitàdiPalermo，意大利
摘要—在全世界的几个实验室中，电子自旋共振(ESR)剂量测定法是电离辐射的工业应用中充分建立的参考剂量测定法系统，并且它的用途也在放射疗法和事故剂量测定法中提出。在呈现的实验研究中，限定了具有最佳化特征的丙氨酸-聚乙烯固态剂量仪(SSD)的制备操作，修饰常用的掺和物组成和制备，并且选择最佳ESR谱记录条件；还测试某些其他氨基酸，其可以是获得具有比丙氨酸更佳性能的ESR剂量仪的丙氨酸替代物。迄今为止获得的结果(研究仍在进行中)证实丙氨酸看起来是用于ESR剂量测定法的最合适材料。还讨论了改善再现性的方法。
引言
在全世界的几个实验室中，电子自旋共振(ESR)剂量测定法是电离辐射的工业应用中充分建立的参考剂量测定法系统，并且它的用途也在放射疗法和事故剂量测定法中提出(1)。氨基酸丙氨酸通常用作辐射敏感性材料，同时使用多种粘合剂和固态剂量仪制备操作(2-4)。然而，因为丙氨酸剂量仪的固有特征(例如，ESR本底信号的各向异性)，所以它们的用途仍局限于高于约1格雷的剂量(5,6)。
呈现的实验研究的目的是：
(i)基于由AmericanSocietyforTestingandMaterials(7)提出的配方，限定具有最佳化特征(可再现性、灵敏度、最低可检测剂量、机械性质)的丙氨酸-聚乙烯固态剂量仪(SSD)的制备操作，修饰常用的掺和物组成和制备，并且选择最佳ESR谱记录条件；
(ii)测试在获得具有更佳性能的ESR剂量仪中可以是丙氨酸的替代物的其他材料。
迄今为止获得的结果(研究仍在进行中)证实丙氨酸看起来是用于ESR剂量测定法的最合适材料。
材料与方法
通过下述最终操作制备丙氨酸-聚乙烯SSDs。以多晶形式的高纯度(>99％)L-α-丙氨酸(Fluka，Buchs，瑞士)在玛瑙研钵中手工捣碎，并且随后用EndecottsOctagon2000测试摇筛机和标准网目金属丝筛(EndecottsLtd，英国)进行筛分，用于颗粒大小分布分析；选择在75-125μm范围中的颗粒。低密度聚乙烯(Polysciences，MW＝700，额定颗粒大小90μm)用作粘合剂，并且加入硬脂酸镁(CarloErba，Milano，意大利)作为润滑剂。使丙氨酸、聚乙烯和硬脂酸镁(分别为90重量％、9重量％和1重量％)在配备旋转双壳的粉末混合器(LaboratoriMAG，意大利)中混合至少1小时，并且使掺和物贮存于干燥环境中直至使用时。用手动压片机通过在不锈钢模具中压制合适质量的掺和物制备固态圆柱形剂量仪(直径4.9mm，高1.1mm)。为了改善片剂的机械性质，使它们经历由在130℃下20分钟随后为在85℃下15分钟组成的热循环(8)。用相似操作制备具有在测试下的其他氨基酸的片剂。
用配备TE102矩形腔且在以约9.70GHz的X条带中操作的BruckerECS106分光计获得ESR测量。石英支架和石英间隔器用于使剂量仪定位在腔内其中获得最强信号的位置。用下述参数在室温下记录ESR吸光度谱的第一个衍生物：中心场346.8mT，场扫掠2.5mT，微波功率1mW，调节波幅0.98mT，时间常数655ms。测量中心线的峰间波幅，并且除以稳态参考标准的相对应值，以几乎抵偿由于分光计行为的长期波动的任何信号变异；还应用质量校准因子，以消除由于丙氨酸浓度的差异。
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YavuzMandF1999Electronparamagneticresonanceofgammairradiated(CH3)3NHClO4andCH3NH3ClO4singlecrystalsRadiat.Phys.Chem.54143-9
因为信号幅度依赖于剂量仪在腔内的定向(5，6，9)，所以它在4个不同位置(90°分离)中进行测量，并且平均值用作剂量仪参数。通过测量参考样品的平均波幅检查在共振腔内的样品定位的短期再现性；在10次重复测量中的标准差是0.7％，具有2％的最高差异；在每次测定后，从腔中取出剂量仪，再次重定位，并且重新设定所有ESR参数。图1显示针对其平均值标准化的所获得的结果。
剂量仪在DepartmentoftheOncologyHospitalofPalermo用放射疗法的60Co源进行照射；照射在有机玻璃仿真模型中执行，具有10X10cm2的场大小，在5cm水当量的深度和80cm的来源检测器距离下。在有效剂量仪定位处的剂量率用ENEA次级标准电离箱(EnteNazionaleEnergieAlternative，意大利)进行评估，具有±4％的总不确定度(95％置信水平)。
结果
在初步设置中，使用聚乙烯(10％)和具有小于200μm颗粒大小的丙氨酸(90％)的掺和物制备的剂量仪被证明是相当脆的，并且掺和物与混合器和模具的内壁轻微粘着。为了改善这些结果，使在75-125μm范围中经筛分的丙氨酸(90％)与其颗粒发现在75-125μm范围中的9％聚乙烯，和1％润滑剂即作为结晶粉末的滑石(掺和物A)或硬脂酸镁粉末(CarloErba，Milano，意大利)(掺和物B)相混合，两者都是药物级别的。制备来自每种掺和物的25种剂量仪，并且使其特征相比较，以研究样品间质量变异、本底信号波幅和波动、和剂量应答的同质性。
图1.ESR测量的短期再现性；对于每次试验，报告在4个不同角度位置中测量的信号波幅值(实线)；误差条指示±1标准差；所有数据除以所有测量的平均值。
对于2种剂量仪类型，最终质量是平均21.4mg，具有3％的变异系数(CV)，得到约1.03mg.mm-3的体积(volumic)质量，非常接近于水的那种。
每种剂量仪的本底(BG)信号在4个不同角度位置中进行测量；关于每种剂量仪的测量的平均CV对于2种掺和物是9％，而25种剂量仪的平均值的CV对于掺和物A是12％，并且对于掺和物B是7％；在质量校准后未获得改善。这些结果指出信号波幅中的定向效应的主因归因于BG信号对于在腔内的样品定向的依赖性，而不是剂量仪中的显著差异。
从每个组中随机选择的9种剂量仪随后在30Gy下照射；相对应信号波幅是BG信号的约20倍，并且仍显示定向效应；关于每种剂量仪的测量的平均CV在这种情况下对于2种掺和物都是1.3％；经照射的剂量仪的平均值的CV对于掺和物A是3％，并且对于掺和物B是2.7％；这些值在质量校准后分别减少至1.5和1.0；变异检验给出在掺和物A的剂量仪中的显著差异(p<0.003)，这在掺和物B中不是显而易见的(p＝0.16)。
对于20Gy经照射的剂量仪执行ESR信号特征的分析。对于这项研究，调节波幅减少至0.1mT，以避免信号失真，这对于剂量仪测量并不重要。图2(a)和2(b)分别显示根据微波功率平方根的掺和物B样品ESR中心线的波幅和宽度(对于掺和物A样品获得相似结果)。信号饱和在大于1mW的功率下显著，与由其他作者公开的结果(10-12)一致，并且总体行为是极端稀释的自旋系统(13)的典型(完全不同质的加宽)。ESR信号的更详细研究仍在研究中。
还用下述氨基酸制备其他剂量仪，以研究对于分子结构的灵敏度依赖性：L-组氨酸、L-亮氨酸、L-甲硫氨酸、L-色氨酸、L-缬氨酸；对于每种氨基酸，测量BG信号的波幅，并且某些片剂在75Gy下照射，以更好地引发任何辐射诱导的信号；用下述参数在室温下记录未经照射和经照射的样品的ESR谱：中心场346.8mT，场扫掠10mT，微波功率1mW，调节波幅0.98mT，时间常数328ms。在照射后观察到不同类型的ESR信号，其详细分析超出这项研究的范围。测量信号强度S，并且与BG信号的那种相比较。表1显示S/BG比，这可以与在相同剂量下测量的丙氨酸剂量仪的那些相比较。
图2.(a)根据微波功率平方根的中心线的峰间ESR波幅；虚线表示在直到1mW的功率值下的线性行为。(b)根据微波功率平方根的ESR中心线的峰间线宽度；虚线表示在高功率值下的渐近行为。
表1.在各种氨基酸中的剂量-ESR应答比较。对于每一种，显示了在75Gy下照射的片剂中的ESR信号波幅和相对应本底强度之间的比。
氨基酸 信号(75Gy)与本底比
L-丙氨酸 50
L-组氨酸 2
L-亮氨酸 6.5
L-甲硫氨酸 1
L-色氨酸 2.5
L-缬氨酸 8
基于这些结果，具有硬脂酸镁作为润滑剂的掺和物证明优于其他制剂，并且因此用于制备超过100个片剂的新组。在这种情况下，片剂的平均质量是21.8mg(1σ＝0.6)，和体积质量1.05mg.mm-3。
首先，为了测定质量校准因子的贡献在改善再现性中如何有效，制备具有在19.6-24.5mg范围中的多种质量的剂量仪，并且在30Gy下照射；应当指出这些质量值完全在标准制剂的范围外。发现ESR信号波幅线性依赖于质量，如图3中所示；所有测量的CV是9％，并且最大限度和最低限度值之间的比是1.28。在应用质量校准因子后，在剂量仪中的差异几乎消失，如由新CV(0.8％)所示。应用于具有信号波幅中的最高差异的2种剂量仪(比等于1.02)的t检验未指出任何显著差异(p＝0.12)，这如果没有质量标准化将是不存在的(p<10-5)。
通过使3个剂量仪组照射0.5-30Gy剂量值研究针对60Co的剂量应答。直到2Gy，信号与BG几乎可比较，并且准确的剂量测量是不可能的；在2-30Gy剂量范围中，ESR波幅值可以用二阶多项式进行拟合；给定和重新计算的剂量之间的差异一直小于4％(图4)。
图3.在30Gy下照射的丙氨酸-聚乙烯剂量仪的ESR信号波幅的质量依赖性；误差条指示±1标准差。
图4.丙氨酸-聚乙烯剂量仪的ESR信号波幅的质量依赖性；实线代表二阶多项式拟合函数；误差条指示总不确定度(95％置信水平)。
讨论
在这项研究中获得的结果已显示在其他氨基酸中，L-α-丙氨酸给出最高ESR应答；其他研究在进行中，以测试从灵敏度或其他应答特征(例如，同质性、线性范围)观点看所提出的适合于ESR剂量测定法的其他材料。
最佳化用于由L-丙氨酸、聚乙烯和硬脂酸镁的掺和物制备剂量仪的方法，以及用于测量剂量仪参数(ESR中心线的峰间波幅)的操作。特别地，强调了使用具有相同颗粒大小分布的原材料和润滑剂以获得同质掺和物的重要性；质量校准因子的应用实际上是有效的，并且对于在相同剂量下照射的更多剂量仪可以获得小于1％的变异系数。本底信号的定向依赖性仍是使ESR剂量测定法用途延伸至低于1Gy的剂量的限制因素，并且需要更多努力以显著减少未经照射的样品的ESR信号中的强度和波动。
致谢
这项工作部分受到来自MinisteroUniversitaRicercaScientificaeTechnologica的拨款支持。
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附录H
(12)专利申请公布(10)公布号：US2008/0067724A1
MURATOGLUetal.(43)公布日期：2008年3月20日
(54)用于制备氧化抗性聚合材料的方法
(75)发明人：OrhunK.MURATOGLU，Cambridge，MA(US)；
StephenH.Spiegelberg，Winchester，MA(US)
联系地址：
PROSKAUERROSELLP
1001PENNSYLVANIAAVE，N.W.，
SUITE400SOUTH
WASHINGTON，DC20004(US)
(73)受让人：MassachusettsGeneralHospital，Boston，MA(US)；CambridgePolymerGroup，Inc.，Boston，MA(US)
(21)申请号：11/948,393
(22)提交：2007年11月30日
相关美国申请数据
(63)2004年1月15日提交的申请号10/757,551的继续
(60)2004年1月15日提交的临时申请号60/440,389
公布归类
(51)Int.Cl.
B29C35/08(2006.01)
(52)U.S.Cl...............................264/496
(57)摘要
本发明涉及用于制备氧化抗性医疗装置的方法，所述氧化抗性医疗装置包括聚合材料，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。本发明还提供了制备掺杂抗氧化剂的医学植入物的方法，例如通过扩散用维生素E掺杂包含经交联的UHMWPE的医疗装置，和其中使用的材料。
图1
图2
图3
图4
图5
用于制备氧化抗性聚合材料的方法
本申请要求于2003年1月16日提交的美国申请序列号60/440,389的优先权，所述美国申请序列号整体通过引用在此合并。
发明领域
本发明涉及用于制备包含聚合材料的氧化抗性医疗装置的方法。还提供了用抗氧化剂例如维生素E掺杂聚乙烯的方法和与之一起使用的材料。
发明背景
氧化抗性的交联聚合材料例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)在医疗装置是希望的，因为它显著增加装置的耐磨性。优选的交联方法是通过使UHMWPE暴露于电离辐射。然而，除交联外，电离辐射也将产生残留自由基，这是氧化诱导的脆变的前体。在照射后的熔化用于消除晶体且允许残留自由基彼此重组。伴随后续熔化的照射用于减少残留自由基继发的氧化的可能性。然而，照射后熔化减少UHMWPE的结晶度，这依次降低UHMWPE的屈服强度、极限抗张强度、模量和疲劳强度。对于需要高抗疲劳性的特定应用，此类高度交联的UHMWPE(其经照射且熔化)可能是不合适的；因为，长期的疲劳衰坏可能妥协医疗装置的性能。因此，需要无需熔化而消除残留自由基或残留自由基的氧化效应。此类方法将保存经照射的UHMWPE的结晶度且还保存机械性质和抗疲劳性。
一般已知在固结前使聚乙烯粉末与抗氧化剂混合可以改善聚乙烯材料的氧化抗性。在改善耐磨性的尝试中，抗氧化剂例如维生素E和β-胡萝卜素已由几个研究者(参见，Mori等人第1017页，Hand-outatthe47thAnnualMeeting，OrthopaedicResSoc，2001年2月25-28日，SanFrancisco，Calif.；McKellop等人WO01/80778；Schaffner等人EP0995450；HahnD.美国专利号5,827,904；Lidgren等人美国专利号6,448,315)与UHMWPE粉末或颗粒相混合。Mori等人还描述了照射不降低掺杂抗氧化剂的聚乙烯的氧化抗性。研究者(参见McKellop等人WO01/80778；Schaffner等人EP0995450；HahnD.美国专利号5,827,904；Lidgren等人美国专利号6,448,315)描述了使聚乙烯粉末与抗氧化剂相混合，随后为固结抗氧化剂粉末混合物，以获得氧化抗性聚乙烯。树脂粉末、薄片或颗粒与维生素E混合且其后固结导致聚合材料颜色改变成黄色(参见例如，美国专利号6,448,315)。此外，在照射前抗氧化剂加入UHMWPE中可以抑制在照射过程中的UHMWPE交联。然而，需要交联以增加聚合物的耐磨性。因此，将优选具有以其固结的固体形式掺杂抗氧化剂的医学植入物或其任何聚合组分，所述固体形式例如给料、经机械加工的组分或经塑型的组分。然而，这对于现有技术颗粒是不可能的。
发明概述
总的来说，本发明涉及制备包括一种或多种聚合材料的氧化抗性医疗装置的方法。更具体而言，本发明涉及制造包含交联聚乙烯(例如交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE))的掺杂抗氧化剂的医疗装置的方法，和其中使用的材料。更具体而言，本发明涉及制造掺杂抗氧化剂的非氧化医疗装置的方法，所述医疗装置包含具有残留自由基的交联聚乙烯，例如经照射的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，和其中使用的材料。
在一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)提供已用电离辐射照射的固结且交联的聚合材料；和b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)提供已用电离辐射照射的固结且交联的聚合材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的聚合材料；和c)使固结且交联的聚合材料加热至低于固结且交联的聚合材料的熔点的温度。
在另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其中所述交联聚合材料浸泡在抗氧化剂溶于醇例如乙醇的约50重量％溶液中，其中所述交联聚合材料在超临界流体例如CO2中用抗氧化剂扩散。
在另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)将固结且交联的聚合材料置于压力室中；b)用以纯形式(约100％)或以溶液例如抗氧化剂和醇例如乙醇的50％混合物的抗氧化剂填充室；和c)使室增压以增强抗氧化剂扩散到固结且交联的聚合材料内。
在另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；b)用电离辐射照射固结的聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料；和c)使固结且交联的聚合材料在固结且交联的聚合材料熔化上或下的温度下退火。
根据另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)固结聚合材料；b)用电离辐射照射聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的聚合材料；和d)在低于固结且交联的聚合材料的熔点的温度下加热固结且交联的聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)用电离辐射照射聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料；d)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；和e)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)用电离辐射照射聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料；c)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；和d)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)用电离辐射照射固结的聚合材料，从而形成交联聚合材料；b)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；和c)照射医学植入物，从而形成包含交联聚合材料的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)用电离辐射照射聚合材料，从而形成交联聚合材料；和b)通过扩散用抗氧化剂掺杂交联聚合材料，其中所述交联聚合材料在固结且交联的聚合材料熔化下或熔化上的温度下退火。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；b)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂经交联且互锁的杂化材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂经交联且互锁的杂化材料；和c)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的无菌医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料直接压缩塑模，从而形成医学植入物；b)照射医学植入物，以使聚合材料交联；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂经照射的医学植入物；d)包装经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌包装的经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的无菌医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)照射医学植入物，从而形成包含交联聚合材料的医学植入物；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；d)包装经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌经包装的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；和c)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料直接压缩塑模，从而形成医学植入物；b)通过电离辐射照射医学植入物，从而形成固结且交联的医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)照射医学植入物，从而形成包含交联聚合材料的医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料直接压缩塑模，从而形成医学植入物；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；c)包装医学植入物；和d)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成固结且交联且无菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；c)包装医学植入物；和d)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成固结且交联且无菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备交联聚合材料的方法，其包括步骤：a)将固结且交联的聚合材料置于压力室中；b)用抗氧化剂填充室；和c)使室增压以增强抗氧化剂扩散到固结且交联的聚合材料内。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医疗装置的方法，其包括：a)用电离辐射照射由固结的聚合材料组成的经制造的医疗装置，从而形成固结且交联的聚合材料；和b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的固结且交联的聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了制备用于医疗装置的包装的方法，当实施灭菌或交联剂量的电离辐射时，所述包装对于氧化有抵抗力，所述方法包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂包装材料；b)将医疗装置插入包装材料中；c)使包含医疗装置的包装材料密封，从而形成经包装的医疗装置；和d)用电离辐射或气体灭菌照射经包装的医疗装置。
在另一个方面，本发明提供了制备用于药物化合物的包装的方法，当实施灭菌或交联剂量的电离辐射时，所述包装对于氧化有抵抗力，所述方法包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂包装材料；b)将药物化合物插入包装材料中；c)使包含药物化合物的包装材料密封，从而形成经包装的药物化合物；和d)用电离辐射或气体灭菌照射经包装的药物化合物。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其中所述植入物包括医疗装置，包括髋臼衬里、肩盂、髌骨组分、指关节组分、踝关节组分、肘关节组分、腕关节组分、趾关节组分、双极头髋关节置换、胫膝插入物、具有增强金属和聚乙烯柱(posts)的胫膝插入物、椎间盘、心脏瓣膜、腱、支架和人造血管，其中所述聚合材料是聚合树脂粉末、聚合薄片、聚合颗粒等或其混合物。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物包括非永久性植入物的方法，其中所述植入物包括医疗装置，包括气泡式导管、缝线、管道、静脉内管道，其中所述聚合材料是聚合树脂粉末、聚合薄片、聚合颗粒等或其混合物。如本文描述的，聚合气泡例如聚醚嵌段共聚酰胺聚合物(尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)气泡掺杂维生素E，并且在掺杂之前、之时或之后照射。
在另外一个方面，本发明提供了制备用于医疗装置的包装的方法，当实施用电离辐射或气体灭菌的灭菌时，所述包装对于氧化有抵抗力。所述包装包括防护材料，例如吹塑泡罩包装、热收缩包装、热密封包装等或其混合物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；和b)用电离辐射照射聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料。
在一个方面，包装掺杂抗氧化剂的医学植入物，并且通过电离辐射或气体灭菌来灭菌，以获得灭菌且交联的医学植入物。
在另一个方面，本发明的聚合材料是聚合树脂粉末、聚合薄片、聚合颗粒等或其混合物，其中照射可以在包含约1％-约22％氧的大气中执行，其中辐射剂量是约25kGy-约1000kGy。
在另一个方面，本发明的聚合材料是聚合树脂粉末、聚合薄片、聚合颗粒等或其混合物，其中所述聚合材料在包含气体的惰性大气中固结后进行照射，所述气体例如氮、氩、氦、氖等或其组合，其中辐射剂量是约25kGy-约1000kGy。
在另一个方面，本发明的聚合材料是固结的聚合材料，其中所述固结可以通过压缩塑模执行，以形成由其机械加工医疗装置的厚板。
在另一个方面，本发明的聚合材料是固结的聚合材料，其中所述固结可以通过直接压缩塑模执行，以形成完成的医疗装置。
在另外一个方面，本发明的聚合材料是固结的聚合材料，其中所述固结可以通过压缩塑模成另一个小片执行，以形成界面和经互锁的杂化材料。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；b)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂经交联且互锁的杂化材料。
根据一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括使聚合材料压缩塑模成另一个小片，例如金属或非金属小片，例如金属、陶瓷或聚合物，从而形成界面和经互锁的杂化材料，其中所述界面是金属聚合物或金属陶瓷界面。
根据另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；b)通过扩散用抗氧化剂例如α-生育酚例如维生素E掺杂经互锁的杂化材料；和c)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料。
本发明的另外一个方面提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)压缩塑模聚合材料，从而形成医学植入物；b)照射医学植入物，以使聚合材料交联；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂经照射的医学植入物；d)包装经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌包装的经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)照射医学植入物，以使聚合材料交联；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂经照射的医学植入物；d)包装经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌包装的经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
根据另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成界面和经互锁的杂化材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂经互锁的杂化材料；和c)通过电离辐射照射经互锁的杂化材料，从而形成经交联且互锁的杂化材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料直接压缩塑模，从而形成医学植入物；b)通过电离辐射照射医学植入物，从而形成固结且交联的医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；b)通过电离辐射照射医学植入物，从而形成固结且交联的医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；d)通过电离辐射照射掺杂抗氧化剂的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和e)对交联聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；c)通过电离辐射照射掺杂抗氧化剂的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和d)对交联聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；d)对掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的聚合材料；和e)通过电离辐射照射掺杂抗氧化剂的交联聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料；c)对掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的聚合材料；和d)通过电离辐射照射掺杂抗氧化剂的交联聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)使聚合材料直接压缩塑模，从而形成医学植入物；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；c)包装医学植入物；和d)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成固结且交联且无菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；d)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；e)包装医学植入物；和f)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；d)包装医学植入物；和e)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；d)对掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；e)包装医学植入物；和f)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的聚合材料；c)对掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；d)包装医学植入物；和e)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的无菌医学植入物的方法，其包括：a)照射固结的聚合材料，从而形成交联聚合材料；b)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物；d)包装经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌经包装的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的无菌医学植入物的方法，其包括：a)用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)使掺杂抗氧化剂的聚合材料固结；c)对固结的掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；d)照射医学植入物，从而形成包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物；e)包装掺杂抗氧化剂的交联医学植入物；和f)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌经包装的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的无菌医学植入物的方法，其包括：a)用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)使掺杂抗氧化剂的聚合材料固结；c)照射固结的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；d)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物；e)包装掺杂抗氧化剂的交联医学植入物；和f)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌经包装的医学植入物，从而形成经交联且灭菌的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)通过电离辐射照射掺杂抗氧化剂的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和c)使掺杂抗氧化剂的交联聚合材料压缩塑模成另一个小片，从而形成经交联且互锁的杂化材料。
在另一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)通过电离辐射照射固结的聚合材料，从而形成固结且交联的聚合材料；b)聚合材料的直接压缩塑模，从而形成固结且交联的医学植入物；和c)通过扩散用抗氧化剂掺杂固结且交联的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)固结掺杂抗氧化剂的聚合材料；c)对固结的掺杂抗氧化剂的聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；和d)照射医学植入物，从而形成包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物的方法，其包括：a)用抗氧化剂掺杂聚合材料；b)固结掺杂抗氧化剂的聚合材料；c)照射固结的聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和d)对固结且交联的聚合材料进行机械加工，从而形成包含掺杂抗氧化剂的交联聚合材料的医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备包含交联聚合材料的非永久性医疗装置的方法，其包括：a)通过扩散用抗氧化剂掺杂包含固结的聚合材料的经制造的医疗装置，从而形成掺杂抗氧化剂的聚合材料；和b)用电离辐射照射医疗装置，从而形成交联聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了具有可检测的残留自由基的非氧化交联聚合材料。
在另一个方面，本发明提供了具有可检测的残留自由基的非氧化交联聚合材料，包括永久性和非永久性医疗装置。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；d)用电离辐射照射医学植入物，从而形成交联医学植入物；和e)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；c)用电离辐射照射医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物；和d)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；d)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；和e)用电离辐射照射医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)对固结的聚合材料进行机械加工，从而形成医学植入物；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；和d)用电离辐射照射医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)固结聚合材料；c)用电离辐射照射聚合材料，从而形成交联聚合材料；d)通过扩散用抗氧化剂掺杂聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和e)对聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
在另外一个方面，本发明提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供固结的聚合材料；b)用电离辐射照射聚合材料，从而形成交联聚合材料；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂聚合材料，从而形成掺杂抗氧化剂的交联聚合材料；和d)对聚合材料进行机械加工，从而形成掺杂抗氧化剂的交联医学植入物。
本发明的另一个方面提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供聚合材料；b)使聚合材料压缩塑模，从而形成医学植入物；c)通过扩散用抗氧化剂掺杂包含界面或经互锁的杂化材料的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；d)包装医学植入物；和e)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。在另一个方面，聚合材料被压缩塑模成另一个小片或医学植入物，从而形成界面或经互锁的杂化材料。
本发明的另一个方面提供了制备医学植入物的方法，其包括：a)提供形成医学植入物的经压缩塑模的聚合材料；b)通过扩散用抗氧化剂掺杂包含界面或经互锁的杂化材料的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的医学植入物；c)包装医学植入物；和d)通过电离辐射照射经包装的医学植入物，从而形成掺杂抗氧化剂的经交联且无菌的医学植入物。在另一个方面，聚合材料被压缩塑模成另一个小片或医学植入物，从而形成界面或经互锁的杂化材料。
本发明的另一个方面提供了增加在经掺杂的聚合材料中抗氧化剂的均匀性的方法，通过低于经掺杂的聚合材料的熔点使经掺杂的聚合材料退火。
本发明的另一个方面提供了增加在经掺杂的聚合材料中抗氧化剂的均匀性的方法，通过高于经掺杂的聚合材料的熔点使经掺杂的聚合材料退火。
附图简述
图1显示了在室温、100℃、120℃和130℃下，维生素E扩散到UHMWPE内的穿透深度。
图2显示了根据进入所研究的7个组(组TCRT、组RT1、组RT16、组TC100C16、组100C1、组TC100C1和组100C16)的代表性老化立方体(cubes)之一内的深度的氧化指数谱。所有立方体由经照射的聚乙烯进行构造，并且其中4个在各种条件下掺杂维生素E。热对照立方体未用维生素E进行处理。掺杂维生素E的立方体在表面上和在大量样品中显示比其相对应热对照更少的氧化。
图3显示了根据在130℃下的后续退火时间，维生素E通过在130℃下掺杂96小时的未经照射的UHMWPE的扩散谱。
图4示意性显示了在各个步骤下加工UHMWPE且掺杂的顺序的例子。
图5示意性显示了在各个步骤下加工UHMWPE且掺杂的顺序的例子。
发明详述
本发明提供了制备包括聚合材料例如聚乙烯的氧化抗性医学植入物和包装的方法，所述氧化抗性医学植入物包括医疗装置，包括永久性和非永久性装置。本发明涉及在使固结的聚乙烯交联之前、之时或之后用抗氧化剂掺杂固结的聚乙烯例如UHMWPE的方法。
在本发明的一个方面，通过抗氧化剂例如α-生育酚例如维生素E的扩散可以执行固结的聚乙烯的掺杂。根据本发明的一个方面，通过增加温度和/或压力加速抗氧化剂的扩散。
根据本发明的另一个方面，抗氧化剂以各种形式进行递送，包括以纯形式，例如作为纯维生素E，或溶解于溶剂中。
根据本发明的另一个方面，通过增加抗氧化剂溶液例如维生素E溶液的浓度来增加抗氧化剂进入聚乙烯内的扩散速率。
依照本发明的另一个方面，通过使固结的聚乙烯在超临界流体例如超临界CO2中膨胀，即温度高于超临界温度31.3℃，和压力高于超临界压力73.8巴，增加抗氧化剂进入聚乙烯内的扩散速率。
一般而言，例如，在维生素E作为抗氧化剂的情况下，树脂粉末、薄片、颗粒或其混合物与维生素E混合且其后固结导致聚合材料颜色改变成黄色。根据本发明，在固结后掺杂避免维生素E暴露于固结的高温和高压，并且预防聚合材料的变色。本发明还降低了对于抗氧化剂的热效应。热效应可以减少抗氧化剂在保护聚合材料不受氧化中的有效性。
在固结的状态中掺杂也允许达到在固结的聚合材料中的抗氧化剂梯度。可以掺杂特定厚度的表面层，其中在医疗装置中聚合材料的氧化就磨损而言有意义。这可以通过在给定温度和给定时间量下使完成的装置例如完成的医学植入物例如简单浸渍或浸泡在纯维生素E或维生素E的溶液中来达到。
根据本文描述的方法，抗氧化剂例如维生素E可以在照射之前、之时或之后掺杂聚合材料内(参见例如，图4和5)。
在使用前的贮存过程中或在体内服务的过程中，经掺杂的抗氧化剂可以在医学植入物或医疗装置的构造中使用的聚合材料中浸出，这可以是可能的。对于永久性医疗装置，体内持续时间可以长达患者的其余生命，这是装置埋植和患者死亡之间的时间长度，例如1-120年。如果抗氧化剂的浸出是问题，那么医学植入物或医疗装置的照射或其任何部分的照射可以在掺杂抗氧化剂后执行。这可以确保抗氧化剂通过共价键与主体(host)聚合物交联，并且从而预防抗氧化剂从医学植入物或装置中丧失。
根据本发明的另一个方面，使聚合材料例如树脂粉末、薄片、颗粒或其混合物与维生素E混合，并且随后使混合物固结。固结的掺杂抗氧化剂的聚合材料可以进行机械加工，以在医学植入物中用作组分或用作医疗装置。
根据本发明的另一个方面，通过扩散可以用抗氧化剂例如以α-生育酚形式的维生素E掺杂固结的聚合材料，例如固结的树脂粉末、塑型层、吹膜、管、气泡、薄片、颗粒或其混合物。固结的聚合材料例如固结的UHMWPE可以浸泡在100％的维生素E或α-生育酚溶于醇例如乙醇或异丙醇的溶液中。与超临界流体例如CO2接触，α-生育酚溶于乙醇的约50重量％溶液可以用于扩散到UHMWPE内。气泡例如尼龙和PET可以用维生素E掺杂，并且在掺杂之前、之时或之后照射。
本发明还涉及下述加工步骤，以构造用高度交联聚乙烯制造出且包含金属小片的医疗装置，例如双极头髋关节置换、具有增强金属和聚乙烯柱的胫膝插入物、椎间盘系统，并且用于包含无法通过气体灭菌方法容易灭菌的表面的任何植入物。
根据本发明的一个方面，医学植入物的聚乙烯组分与另一种材料紧密接触，所述另一种材料例如金属网或背面、非金属网或背面、胫骨托、髌骨托或髋臼外壳，其中聚乙烯例如树脂粉末、薄片和颗粒直接压缩塑模成这些配合端面。例如，通过聚乙烯树脂粉末压缩塑模成胫骨托、金属网或背面或非金属网或背面制造聚乙烯胫插入物。在后面一种情况下，使网成形以充当与骨的固定界面，通过骨性向内生长或粘合剂例如聚甲基甲基丙烯酸盐(PMMA)骨接合剂的使用。这些形状具有各种形式，包括髋臼衬里，用于总或单踝室膝植入物的胫骨托，髌骨托和盂组分、踝、肘或指组分。本发明的另一个方面涉及经塑型的聚乙烯与构成植入物的部分的其他一个或多个小片的机械互锁，例如金属或非金属小片。
界面几何形状是关键的，因为聚乙烯采取该几何形状作为其固结的形状。聚乙烯具有值得注意的‘形状记忆’性质，由于其导致高密度的物理牵连的极高分子量。在固结后，塑料变形引入永久性形状改变，其在熔化时得到优选的高熵形状。原始固结的形状的这种恢复是由于‘形状记忆’，这在聚乙烯进行固结时达到。
当在猝灭残留自由基的努力中实施变性时，聚合材料的恢复在具有高取向度的医疗装置中也是有问题的。气泡式导管通常可以具有预期的聚合链轴向和径向比对。由聚乙烯制成的气泡式导管获益于由交联产生的改善的耐磨性，当与支架一起使用时。另外，用药物包被的导管和支架的使用在某些情况下排除环氧乙烷灭菌的使用；因此，必须使用电离辐射，并且气泡式导管必须被保护不受自由基诱导的氧化的有害效应。这些材料接近于熔化转变温度的退火将导致大量链运动和部分二维耐受性的后续丧失。在暴露于用于交联或灭菌的电离辐射之前、之时或之后，通过使100％维生素E或α-生育酚在醇例如乙醇或异丙醇中的溶液扩散到医疗装置例如气泡式导管内，可以避免与照射后氧化相关的问题，而无需热处理。如本文描述的，气泡例如例如尼龙和PET气泡可以用维生素E掺杂，并且在掺杂之前、之时或之后照射。
本发明的另一个方面提供了在聚乙烯压缩塑模成具有机械互锁的配合端面后，使用电离辐射使杂化组分照射至所需剂量水平，例如约25kGy-约1000kGy，优选约25kGy-约150kGy，更优选约25kGy-约100kGy。本发明的另一个方面公开了照射步骤产生残留自由基，并且因此其后引入熔化步骤，以猝灭残留自由基。因为聚乙烯固结成界面的形状，从而设定聚合物的‘形状记忆’，聚乙烯不与配合端面分离。
在本发明的另一个方面，提供了使聚乙烯交联的方法，以制备基于聚乙烯的医疗装置，其中所述装置浸入非氧化介质例如惰性气体或惰性流体中，其中所述介质加热至超过经照射的聚乙烯例如UHMWPE的熔点(高于约137℃)，以消除结晶物质且允许残留自由基的重组/消除。因为经压缩塑模的聚合物的形状记忆在机械互锁界面上设定，并且记忆通过交联步骤加强，所以在聚乙烯和配合端面之间的界面上不存在显著分离。
本发明的另一个方面提供了在上述自由基消除步骤后，由于在照射过程中使用的高照射剂量水平，金属和聚合物之间的界面变得无菌。当在自由基消除步骤或照射步骤过程中诱导的聚乙烯外表面上存在后续氧化时，装置表面可以进行进一步机械加工，以去除经氧化的表面层。在另一个方面，本发明提供了在植入物的熔化后机械加工的情况下，熔化步骤可以在惰性气体的存在下执行。
本发明的另一个方面包括经构造的装置的灭菌方法，其中所述装置用环氧乙烷、气体等离子或其他气体进行进一步灭菌，其中界面是无菌的，但组分的其余部分则不是。
在另一个方面，本发明公开了经照射且掺杂抗氧化剂的医学植入物或医疗装置包括经压缩塑模的植入物或装置的包装，其中所述植入物或装置可以通过电离辐射或气体灭菌进行灭菌，以获得灭菌且交联的医学植入物或医疗装置。
定义
“抗氧化剂”指本领域已知作为抗氧化剂的那种(参见例如，WO01/80778，美国专利号6,448,315)。α和δ-生育酚；没食子酸丙、辛或十二酯；乳酸、柠檬酸和酒石酸及其盐；正磷酸盐、生育酚乙酸酯。优选维生素E。
“超临界流体”指本领域已知的那种，例如超临界丙烷、乙炔、二氧化碳(CO2)。在这个上下文中，临界温度是在其上气体无法通过压力单独液化的温度。在其下物质可以作为气体在临界温度下与液体平衡存在的压力是临界压力。超临界流体条件一般意指对流体实施此类温度和此类压力，使得获得超临界流体和因此获得超临界流体混合物，温度高于超临界温度，这对于CO2是31.3℃，压力高于超临界压力，这对于CO2是73.8巴。更具体而言，超临界条件指当形成超临界流体混合物，并且随后从混合物中蒸发CO2时，在升高的温度和压力下混合物例如UHMWPE与抗氧化剂的条件，获得用抗氧化剂掺杂的UHMWPE(参见例如，美国专利号6,448,315和WO02/26464)。
如本文提及的，术语“压缩塑模”一般指本领域已知的那种，并且特别指高温塑型的聚合材料压缩成厚片形式，或医学植入物的模可以进行机械加工，其中聚合材料以任何物理状态，包括粉末形式，所述医学植入物例如胫插入物、髋臼衬里、盂衬里、髌骨或单髌室插入物。
如本文提及的，术语“直接压缩塑模”一般指本领域已知的那种，并且特别指在基于聚乙烯的装置中可应用的塑型，例如其中以任何物理状态包括粉末形式的聚乙烯压缩成固体载体，例如金属背面，金属网，或包含凹槽、底切或切口的金属表面。压缩塑模还包括以各种状态的聚乙烯包括树脂粉末、薄片和颗粒的高温压缩塑模，以制备医学植入物例如胫插入物、髋臼衬里、盂衬里、髌骨或单髌室插入物的组分。
术语“机械互锁”一般指聚乙烯和配合端面的互锁，其通过各种方法包括压缩塑模、热和照射产生，从而形成互锁界面，导致经互锁的聚乙烯的‘形状记忆’。具有此类互锁界面的装置的组分可以被称为“杂化材料”。具有此类杂化材料的医学植入物包含基本上无菌的界面。
术语“基本上无菌的”指物体例如界面或杂化材料或包含一个或多个界面的医学植入物的状况，其中界面充分灭菌至医学上可接受的，即将不引起感染或需要修正手术。
“金属网”指各种孔径例如0.1-3mm的多孔金属表面。多孔表面可以通过几种不同方法获得，例如金属粉末用粘合剂熔结，所述粘合剂随后去除以留下多孔表面；直径0.1-3mm的短金属纤维的熔结；或不同尺寸金属网在彼此之上熔结，以提供开放的连续孔结构。
“骨接合剂”指本领域已知作为在使医疗装置与骨结合中使用的粘合剂。一般地，骨接合剂由聚甲基甲基丙烯酸盐(PMMA)制造出。
“高温压缩塑模”指以各种形式例如树脂粉末、薄片和颗粒的聚乙烯的压缩塑模，以在压力和温度下赋予新几何形状。在高温(高于聚乙烯的熔点)压缩塑模的过程中，使聚乙烯加热至超过其熔点，增压成所需形状的模，并且允许在压力下冷却以维持所需形状。
“形状记忆”指本领域已知作为聚乙烯例如UHMWPE的性质的那种，其在熔化时得到优选的高熵形状。当树脂粉末通过压缩塑模固结时，得到优选的高熵形状。
短语“基本上无法检测的残留自由基”指聚乙烯组分的状态，其中消除足够的自由基以避免氧化降解，这可以通过电子自旋共振(ESR)进行评估。短语“可检测的残留自由基”指通过ESR可检测的最低水平的自由基或更多。用现有技术仪器可检测的最低水平的自由基是约1014自旋/克，并且因此术语“可检测的”指通过ESR的1014自旋/克的检测极限。
在数值和范围的背景中的术语“约”或“大约”指近似或接近于所述值或范围的值或范围，从而使得本发明可以如预期的进行，例如具有所需交联程度和/或所需自由基的缺乏，如根据本文包含的教导对于技术人员显而易见的。这至少部分是由于聚合物组成的不同性质。因此，这些术语包括超过起因于系统误差的那些的值。
聚合材料：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)指具有超过约500,000分子量的线性非分支乙烯链，优选超过约1,000,000，并且更优选超过约2,000,000。通常，分子量可以达到8,000,000或更多。起始平均分子量意指在任何照射前UHMWPE原材料的平均分子量。参见美国专利号5,879,400，于1999年7月16日提交的PCT/US99/16070，和于1997年2月11日提交的PCT/US97/02220。
本发明的产物和过程也应用于各种类型的聚合材料，例如任何聚烯烃，包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、或其混合物。如本文使用的，聚合材料也应用于各种形式的聚合材料，例如树脂粉末、薄片、颗粒、粉末、或其混合物，或衍生自上述任何的固结的形式。
使聚合材料交联：聚合材料例如UHMWPE可以通过各种方法进行交联，包括采用交联化学制品(例如过氧化物和/或硅烷)的那些和/或照射。用于交联的优选方法采用照射。交联UHMWPE也可以根据美国专利号5,879,400、美国专利号6,641,617和PCT/US97/02220的教导获得。
固结的聚合材料：固结的聚合材料指可以进行固结的固体、固结的条料、由原料机械加工的固体材料、或衍生自如本文描述的任何形式的半固体形式的聚合材料，所述形式例如树脂粉末、薄片和颗粒、或其混合物。固结的聚合材料也可以以厚片、块、固体条料、经机械加工的组分、膜、管、气泡、预先形成、植入物或完成的医疗装置的形式。
术语“非永久性装置”指本领域已知作为预期用于植入体内短于数月的时间段的装置。某些非永久性装置可以在体内数秒至数分钟，而其他的可以植入数天、数周、或高达数月。非永久性装置包括例如导管、管道、静脉内管道和缝线。
如本文描述的，“药物化合物”指以粉末、悬浮液、乳状液、颗粒、膜、团块形式；或经塑型的形式的药物。药物可以是独立的或作为医疗装置的组分掺入。
术语“压力室”指其中内部压力可以升高至超过大气压的水平的器皿或室。
术语“包装”指医疗装置在其中进行包装和/或运送的一个或多个容器。包装可以包括几个水平的材料，包括袋、泡罩包装、热收缩包装、盒、安瓿、瓶、管、托盘等或其组合。单个组分可以在几个个别类型的包装中进行运送，例如组分可以置于袋中，所述袋依次置于托盘中，所述托盘依次置于盒中。整个部件可以进行灭菌且运送。包装材料包括但不限于植物羊皮纸、多层聚乙烯、尼龙6、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、和聚氯乙烯乙酸乙烯酯共聚物膜、聚丙烯、聚苯乙烯和乙烯乙酸乙烯酯(EVA)共聚物。
术语“密封”指通过关闭室或包装中的开口使室或包装与外部大气分离的过程。密封可以通过多种方法完成，包括热的应用(例如，热密封)、粘合剂的使用、卷边、冷塑型、装订或压力的应用。
术语“泡罩包装”指由刚性塑料碗与盖等组成的包装，使所述盖剥落或刺破，以取出经包装的内容物。盖通常由铝或可透气的膜例如Tyvek制成。泡罩包装通常是吹塑的，其中使塑料加热超过其变形温度的过程，在这个点下经增压的气体迫使塑料成为所需形状。
术语“热收缩包装”指在其中具有高取向度的塑料膜、袋或管。在热应用后，包装随着定向链缩回而向下收缩，通常紧紧包裹在医疗装置周围。
术语“椎间盘系统”指使脊柱中的椎骨分开的人工盘。这个系统可以由一种类型的材料组成，或可以是复合材料结构，例如具有金属边缘的交联UHMWPE。
术语“气泡式导管”指本领域已知的作为用于扩张血管内空间或类似的装置。气泡式导管通常是具有可充气尖端的薄壁聚合装置，并且可以扩张闭塞的动脉，支架，或可以用于测量血压。常用聚合气泡包括例如聚醚嵌段共聚酰胺聚合物尼龙和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)气泡。在气泡和导管中使用的常用的聚合材料包括例如聚醚和聚酰胺的共聚物(例如)、聚酰胺、聚酯(例如PET)、和导管构造中使用的乙烯乙烯醇(EVA)。
医疗装置管道：在医疗装置管道包括静脉内管道中使用的材料包括聚氯乙烯(PVC)、聚氨基甲酸乙酯、聚烯烃和掺和物或合金例如热塑性弹性体、聚酰胺/酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯或各种含氟聚合物。
术语“支架”指本领域已知作为金属或聚合笼样装置的那种，其用于保持机体脉管例如血管开放。支架通常以折叠状态引入体内，并且在体内所需位置处用气泡式导管充气，当它们保留时。
“熔化转变温度”指在其下材料中的所有结晶域都消失的最低温度。
界面：本发明中的术语“界面”被定义为当植入物处于其中组分与另一个小片(例如金属或非金属组分)接触的构型时，医疗装置中形成的裂缝，这形成聚合物和金属或另一种聚合材料之间的界面。例如，在医学假体中的聚合物-聚合物或聚合物-金属界面，例如整形外科关节和骨置换部分，例如髋、膝、肘或踝关节置换。
包含与聚乙烯紧密接触的工厂装配小片的医学植入物形成界面。在大多数情况下，界面对于在气体灭菌过程期间的环氧乙烷气体或气体等离子不容易接近。
照射：在本发明的一个方面，使用辐射类型优选电离。根据本发明的另一个方面，使用范围约25kGy-约1000kGy的电离辐射剂量。辐射剂量可以是约25kGy、约50kGy、约65kGy、约75kGy、约100kGy、约150kGy、约200kGy、约300kGy、约400kGy、约500kGy、约600kGy、约700kGy、约800kGy、约900kGy、或约1000kGy、或超过1000kGy、或在那附近或在中间的任何整数。优选地，辐射剂量可以是约25kGy-约150kGy，或约50kGy-约100kGy。这些类型的辐射包括γ和/或电子束杀死或灭活潜在污染医学植入物包括界面的细菌、病毒或其他微生物因子，从而达到产物无菌。依照本发明可以是电子或γ照射的照射可以在包含氧的空气大气中执行，其中大气中的氧浓度是至少1％、2％、4％或高达约22％、或在那附近或在中间的任何整数。在另一个方面，照射可以在惰性大气中执行，其中大气包含选自氮、氩、氦、氖等或其组合的气体。照射也可以在真空中执行。
依照本发明的优选特征，照射可以在敏化大气中执行。这可以包括气态物质，其具有足够小的分子大小以扩散到聚合物内，并且其在照射下充当多功能移植部分。例子包括经取代或未经取代的多不饱和烃；例如炔烃例如乙炔；经缀合或未经缀合的烯烃例如丁二炔和(甲基)丙烯酸酯单体；一氯化硫，其中氯三氟乙烯(CTFE)或乙炔是特别优选的。“气态”在本文中意指敏化大气在气相中，在其临界温度上或下，在照射温度下。
金属小片：依照本发明，与聚合材料形成界面的小片是例如金属。根据本发明，与聚乙烯功能相关的金属小片可以由例如钴铬合金、不锈钢、钛、钛合金或镍钴合金制成。
非金属小片：依照本发明，与聚合材料形成界面的小片是例如非金属。根据本发明，与聚乙烯功能相关的非金属小片可以由例如陶瓷材料制成。
惰性大气：术语“惰性大气”指具有不超过1％氧的环境且更优选地无氧条件，其允许聚合材料中的自由基在灭菌过程期间无需氧化形成交联。惰性大气用于避免O2，其否则将氧化包括聚合材料例如UHMWPE的医疗装置。惰性大气条件例如氮、氩、氦或氖用于通过电离辐射灭菌聚合医学植入物。
惰性大气条件例如氮、氩、氦、氖或真空也用于通过电离辐射灭菌医学植入物中的聚合物-金属和/或聚合物-聚合物。
惰性大气条件还指惰性气体、惰性流体或惰性流体介质，例如氮气或硅油。
缺氧环境：“缺氧环境”指包含具有小于21％-22％氧，优选具有小于2％氧的气体例如氮的环境。缺氧环境中的氧浓度也可以是至少1％、2％、4％、6％、8％、10％、12％14％、16％、18％、20％或高达约22％，或在那附近或在中间的任何整数。
真空：术语“真空”指具有无法评估量的气体的环境，这否则将允许聚合材料中的自由基在灭菌过程期间无需氧化形成交联。真空用于避免O2，其否则将氧化包括聚合材料例如UHMWPE的医疗装置。真空条件可以用于通过电离辐射灭菌聚合医学植入物。
真空条件可以使用商购可得的真空泵产生。当通过电离辐射灭菌医学植入物中的聚合物-金属和/或聚合物-聚合物的界面时，也可以使用真空条件。
残留自由基：“残留自由基”指当聚合物暴露于电离辐射例如γ或电子束照射时，产生的自由基。尽管某些自由基彼此重组以形成交联，但某些变得捕获在结晶域中。经捕获的自由基也称为残留自由基。
根据本发明的一个方面，在电离辐射(例如γ或电子束)过程中产生的聚合物中的残留自由基水平优选使用电子自旋共振进行测定，并且适当地进行处理以减少自由基。
灭菌：本发明的一个方面公开了包含聚合材料例如交联UHMWPE的医学植入物的灭菌方法。该过程包括灭菌医学植入物，通过例如在范围25-70kGy的剂量水平下用γ或电子束辐射的电离灭菌，或通过用环氧乙烷或气体等离子的气体灭菌。
本发明的另一个方面公开了包含聚合材料例如交联UHMWPE的医学植入物的灭菌方法。该过程包括灭菌医学植入物，通过例如在范围25-200kGy的剂量水平下用γ或电子束辐射的电离灭菌。灭菌的剂量水平高于在照射中使用的标准水平。这允许在灭菌过程中医学植入物的交联或进一步交联。
在另一个方面，本发明公开了灭菌包含聚合材料例如交联UHMWPE的医学植入物的方法，所述医学植入物与另一个小片接触，包括通过压缩塑模与另一个小片固结的聚合材料，从而形成界面和经互锁的杂化材料，所述方法包括通过电离辐射灭菌界面；使介质加热至超过经照射的UHMWPE的熔点(超过约137℃)，以消除结晶物质且允许残留自由基的重组/消除；且用气体例如环氧乙烷或气体等离子灭菌医学植入物。
加热：本发明的一个方面公开了在制造过程中医学植入物中掺杂聚合组分后增加抗氧化剂的均匀性的方法，通过依赖于聚合材料的熔化温度加热一段时间。例如，优选温度是约137℃或更少。本发明的另一个方面公开了可以在空气、包含氧的大气中执行的加热步骤，其中氧浓度是至少1％、2％、4％或高达约22％，或在那附近或在中间的任何整数。在另一个方面，本发明公开了可以在植入物与惰性大气接触时执行的加热步骤，其中惰性大气包含选自氮、氩、氦、氖等或其组合的气体。在另一个方面，本发明公开了可以在植入物与非氧化介质例如惰性流体介质接触时执行的加热步骤，其中介质包含不超过约1％氧。在另一个方面，本发明公开了可以在植入物在真空中时执行的加热步骤。
在本发明的另一个方面，描述了植入物的加热方法，以减少增加抗氧化剂的均匀性。在用抗氧化剂掺杂步骤后，包括聚合原始材料例如UHMWPE的医疗装置一般加热至约137℃或更少的温度。医疗装置保持在惰性介质中加热，直至达到抗氧化剂的所需均匀性时。
术语“低于熔点”或“低于熔化”指低于聚乙烯例如UHMWPE的熔点的温度。术语“低于熔点”或“低于熔化”指小于145℃的温度，这可以依赖于聚乙烯的熔化温度而改变，例如145℃、140℃或135℃，这再次依赖于待处理的聚乙烯的性质，例如分子量平均值和范围、批次变异等。熔化温度一般使用差示扫描量热计(DSC)以10℃/分钟的加热速率进行测量。因此测量的峰熔化温度被称为熔点，并且对于某些级别的UHMWPE例如在约137℃下发生。可能希望对聚乙烯原材料进行熔化研究，以便测定熔化温度且决定照射和退火温度。
术语“退火”指使聚合物低于其峰熔点加热。退火时间可以是至少1分钟-长数周。在一个方面，退火时间是约4小时-约48小时，优选24小时-48小时，并且更优选约24小时。“退火温度”指依照本发明用于退火的热条件。
术语“接触”包括物理接近或触摸，从而使得敏化剂可以执行其预期功能。优选地，聚乙烯组合物或预先形成充分接触，从而使得它浸泡在敏化剂中，这确保接触充分。浸泡被定义为使样品置于特定环境中在合适温度下充分时间段，例如使样品浸泡在抗氧化剂的溶液中。使环境加热至范围从室温到低于材料熔点的温度的温度。接触时期范围从至少约1分钟到数周，并且持续时间依赖于环境的温度。
术语“非氧化的”指在80℃烤箱下在空气中使聚合材料老化5周后，具有小于约0.5的氧化指数(A.U.)的聚合材料状态。因此，非氧化的交联聚合材料在老化期后一般显示小于约0.5的氧化指数(A.U.)。
掺杂：掺杂指本领域众所周知的过程(参见例如，美国专利号6,448,315和5,827,904)。在这个上下文中，掺杂一般指在特定条件下使聚合材料与抗氧化剂接触，如本文所述，例如在超临界条件下用抗氧化剂掺杂UHMWPE。
更具体而言，通过使材料浸泡在抗氧化剂的溶液中，可以用抗氧化剂掺杂固结的聚合材料。这允许抗氧化剂扩散到聚合物内。例如，材料可以浸泡在100％抗氧化剂中。材料还可以浸泡在抗氧化剂溶液中，其中载体溶剂可以用于稀释抗氧化剂浓度。为了增加抗氧化剂的扩散深度，材料可以掺杂更长的持续时间，在更高的温度下，在更高的压力下和/或在超临界流体的存在下。
掺杂过程可以涉及聚合材料、医学植入物或装置用抗氧化剂例如维生素E浸泡约1小时直到数天，优选约1小时-24小时，更优选1小时-16小时。抗氧化剂可以加热至室温或高达约160℃，并且掺杂可以在室温或高达约160℃下执行。优选地，抗氧化剂可以加热至100℃，并且掺杂在100℃下执行。
掺杂步骤可以在空气或缺氧环境中的加热步骤后，以改善在聚合材料、医学植入物或装置内抗氧化剂的均匀性。加热可以在峰熔点上或下或时执行。
在本发明的另一个方面，医疗装置在包装和灭菌前进行清洁。
本发明通过下述实施例进一步描述，所述实施例不以任何方式限制本发明。
实施例
维生素E：除非另有说明，在本文描述的实验中使用维生素E(AcrossTM99％D-α-生育酚，FisherBrand)。所使用的维生素E在颜色中是非常淡的黄色，并且在室温下是粘性流体。它的熔点是2-3℃。
实施例1
与维生素E混合的UHMWPE树脂的固结
使维生素E溶解于乙醇中，以产生具有10％(w/v)维生素E浓度的溶液。维生素E-乙醇溶液随后用GUR1050超高分子量聚乙烯(UHMWPE)树脂进行干掺和。制备2批：一批具有0.1％(w/v)的维生素E浓度，并且另一批具有0.3％(w/v)。维生素E浓度在乙醇蒸发后进行测量。2批随后在空气中在230℃下在Carver实验室台式压机上进行固结。固结的块是变色的。0.1％(w/v)溶液看起来是暗黄色的，并且0.3％(w/v)溶液具有褐色。变色遍及固结的UHMWPE块是均匀的。
变色被认为是当在氧的存在下加热时，维生素E降解的结果。
实施例2
当在空气或真空中暴露于热时，维生素E的变色
执行实验以测定维生素E变色是否是由于在升高的温度下暴露于空气，并且变色是否可以通过在真空下加热维生素E得到避免。
如本文描述的，将1滴维生素E溶液置于实验室载玻片上。随后使载玻片在空气对流烤箱中在空气中加热至180℃共1小时。维生素E使其颜色改变成暗褐色。变色很可能是由于维生素E的降解。
将1滴维生素E溶液置于实验室载玻片上。随后使载玻片在真空烤箱中在真空下加热至180℃共1小时。与在空气中加热形成对比，维生素E在真空中加热后显示无法辨别的颜色改变。因此，在不存在空气或氧的情况下，维生素E的加热处理导致无法辨别的颜色改变。
实施例3
UHMWPE/维生素E在缺氧环境中的固结
使维生素E溶解于乙醇中，以产生溶液。使GUR1050聚乙烯树脂在真空中除气或保持在缺氧环境中，以基本上去除溶解氧。维生素E-乙醇溶液随后用GUR1050聚乙烯树脂进行干掺和。制备2批，一批具有经除气的GUR1050，并且另一批具有如接受的GUR1050聚乙烯树脂。随后使干掺和的混合物在Carver实验室台式压机上进行分开固结。固结可以在缺氧环境中执行，以使固结的原料的变色降到最低。
实施例4
用0.1％和0.3％维生素E处理的销的销盘(POD)磨损测试
执行实验以测定维生素E对UHMWPE的交联效率的作用。使维生素E(α-生育酚)以2个浓度例如0.1％和0.3％重量/体积与GUR1050UHMWPE粉末混合，并且固结。通过压缩塑模达到UHMWPE固结成块。无需维生素E添加剂执行一次另外固结，以充当对照。使3种固结的块机械加工成一半，并且各自的一半在真空中包装且用γ辐射(Steris，Northborough，Mass.)照射至100kGy。
从经照射的块中切出直径9mm和长度13mm的圆柱销。首先对销实施在空气中在80℃下的加速老化5周，并且随后在双向销盘(POD)上进行测试。POD测试用以每0.5百万次循环的磨损比重测定评估运行总共2百万次循环。测试用牛血清作为润滑剂以2Hz的频率运行。
无辐射史且无维生素E的UHMWPE的一般磨损率是约8.0毫克/百万次循环。对于0.1％和0.3％维生素E浓度，关于100kGy照射的加入维生素E的销的磨损率分别是2.10±0.17和5.01±0.76毫克/百万次循环。对于更高的维生素E含量，耐磨性中的减少更少。
通过增加维生素E含量，可以降低辐射诱导的聚乙烯的长期氧化不稳定性。换言之，通过与维生素E掺和，可以达到UHMWPE对辐射后氧化的抗性改善。然而，通过高照射剂量达到的UHMWPE的交联密度随着混合物中的维生素E含量浓度增加而降低。
实施例5
维生素E扩散到固结的聚乙烯内
将1滴维生素E置于在空气中在固结的GUR1050UHMWPE的机械加工表面上。在6小时中，维生素E滴在那个机械加工表面上不再可见，指出它已扩散到聚乙烯内。
实施例6
维生素E扩散到经照射的聚乙烯内
使用γ辐射以100kGy的剂量水平照射经压缩塑模的GUR1050UHMWPE(Perplas，Lanchashire，UK)。从经照射的原料中机械加工直径9mm和高度13mm的圆柱销(n＝10)。5个销(n＝5)的基本表面之一用维生素E润湿。另5个销充当对照样品。2组销在空气中在室温下静置16小时。随后将它们置于对流烤箱中在80℃下在空气中用于加速老化。
在5周后从烤箱中取出老化的销，以测定氧化程度。首先使销沿着圆柱体的轴切成一半。随后使切割表面之一进行超薄切片(microtomed)(150-200微米)，并且根据远离与圆柱体的基本表面之一相对应的边缘的距离，BioRadUMA500红外显微镜用于收集红外光谱。在维生素E处理的销的情况下，根据用维生素E润湿的基本表面定量氧化水平。
在扣除相对应基线后，通过使羰基振动(1740cm-1)下面积针对以1370cm-1的亚甲基振动下面积标准化计算氧化指数。
通过在经照射的聚乙烯表面上应用维生素E基本上减少氧化水平。因此，这种方法可以用于改善例如在包含聚合材料的医疗装置中经照射的聚乙烯的长期氧化稳定性。
实施例7
通过照射后维生素E扩散到聚乙烯内
使经压缩塑模的GUR1050UHMWPE(Perplas，Lanchashire，UK)机械加工成每边19mm的立方体(n＝4)。2个立方体的表面用维生素E润湿，并且在室温下静置16小时。另2个立方体不添加维生素E而静置。含和不含维生素E的每组的一个立方体在缺氧环境中(例如约2％氧)进行包装，并且每组的其余5个立方体在空气中进行包装。立方体在其分别包装中使用γ辐射以100kGy的剂量水平进行照射。
从包装中取出经照射的立方体，并且置于烤箱中在80℃下在空气中用于加速老化。
在5周后从烤箱中取出老化的立方体，以测定氧化程度。首先使立方体切成一半。随后使切割表面之一进行超薄切片(150-200微米)，并且根据远离边缘之一的距离，BioRadUMA500红外显微镜用于收集红外光谱。
在扣除相对应基线后，通过使羰基振动(1740cm-1)下面积针对以1370cm-1的亚甲基振动下面积标准化计算氧化指数。
在空气或缺氧环境中照射前，通过在聚乙烯表面上应用维生素E基本上减少氧化水平。因此，这种方法可以用于改善聚乙烯的长期氧化稳定性，所述聚乙烯随后可以进行照射，以使聚合材料灭菌和/或交联，例如包含聚合材料的医疗装置。
实施例8
高度交联的医疗装置的构造
由经压缩塑模的GUR1050UHMWPE机械加工胫膝插入物。随后使插入物浸泡在100％维生素E或维生素E的溶液中。通过增加温度和/或压力可以加速维生素E扩散到插入物内，这可以在空气或惰性或缺氧环境中执行。在达到所需维生素E扩散水平后，在空气或惰性或缺氧环境中包装插入物。随后使经包装的插入物照射至100kGy剂量。照射发挥2个目的：(1)使聚乙烯交联且改善耐磨性，和(2)使植入物灭菌。
在这个实施例中，聚乙烯植入物可以是任何聚乙烯医疗装置，包括具有与其他材料例如金属的邻接界面的那些。这个的例子是在全关节成形术中使用的非模块、金属背部的聚乙烯组分。
实施例9
维生素E在聚乙烯中扩散
执行实验以研究合成维生素E(DL-α-生育酚)到UHMWPE内的扩散。使固结的GUR1050UHMWPE(Perplas，Lanchashire，UK)机械加工成2cm立方体。使立方体浸入α-生育酚(FisherScientific，Houston，Tex.)中用于掺杂。掺杂在烤箱中用氮净化进行。立方体在25℃、100℃、120℃或130℃下在0.5-0.6atm氮压力下掺杂16小时，通过首先用氮净化烤箱，随后应用真空，并且随后调整氮量来应用这点(对于除25℃外的全部，这在空气中在环境压力下执行)。在掺杂后，样品用乙醇冲洗，以从立方体的表面中去除过量α-生育酚。通过使用红外显微镜检查且根据远离自由表面的深度测量α-生育酚的特征吸光度，定量α-生育酚扩散到聚乙烯内的程度。
用α-生育酚掺杂的立方体机械加工成一半，并且使用LKBSledgeMicrotome(瑞典)切片(约100μm薄切片)。使用BioRadUMA500红外显微镜(Natick，Mass.)分析薄切片。
根据远离与立方体的自由表面一致的边缘之一的深度，用50×50μm的孔大小收集红外光谱。通过定量吸光度分析光谱，所述吸光度一般通过维生素E产生，即在1226和1275cm-1波数目之间的吸光度。使吸光度下面积整合，并且针对位于在1850和1985cm-1之间的参考吸光度峰下面积进行标准化。维生素E吸光度和参考吸光度的整合排除分别基线。标准化的值被称为维生素E指数。
图1证实了在4个不同温度下(25℃、100℃、120℃和130℃)掺杂的聚乙烯立方体的扩散谱。α-生育酚在聚乙烯中的扩散深度在环境压力下随着温度从在25℃下的400μm增加到在130℃下的3mm。
抗氧化剂在这个实施例中维生素E的扩散深度和均匀性可以通过改变掺杂温度而改变。
实施例10
含和不含维生素E的UHMWPE的人工老化
执行实验以研究维生素E对经照射的UHMWPE的热氧化稳定性的作用。从用γ辐射照射至100kGy的UHMWPE块中机械加工出2个等同的圆柱销(直径9mm和高度13mm)。圆柱销之一的一个基底用天然维生素E(DL-α-生育酚)进行包被，并且另一个销干净静置。随后对2个销实施在烤箱中在80℃下在空气中的加速老化共5周。在老化后，使销超薄切片，以制备与2个圆柱体基底垂直的200μm薄切片。随后用BioRadUMA500红外显微镜分析超薄切片的切片(各200μm)。根据远离与维生素E暴露的圆柱体基底相对应的超薄切片的切片边缘的深度，收集红外光谱。通过定量在1680和1780cm-1波数目之间的羰基吸光度分析光谱。使吸光度下面积整合，并且针对位于在1330和1390cm-1之间的参考吸光度峰下面积进行标准化。羰基吸光度和参考吸光度的整合排除分别基线。标准化的值被称为氧化指数。
干净的UHMWPE销样品显示比维生素E处理的销的那种高约6倍的氧化指数。
实施例11
具有维生素E掺杂的改善氧化抗性
经压缩塑模的GUR1050UHMWPE块(PerplasLtd.，Lanchashire，UK)(直径3英寸)在真空中γ照射至111-kGy的剂量(SterisIsomedix，Northborough，Mass.)。使经照射的块机械加工成尺度约2cm×2cm×1cm的半立方体。
使4组半立方体浸泡在α-生育酚(α-D,L-T，FisherScientific，Houston，Tex.)中用于掺杂。组RT1的半立方体在室温下浸泡1小时。组RT16的半立方体在室温下浸泡16小时。组100C1的半立方体在100℃下浸泡1小时。组100C16的半立方体在100℃下浸泡16小时。在每组中存在总共3个半立方体。此外，在每组中用3个半立方体制备3组热对照。组TCRT由从经照射的块之一机械加工的半立方体组成。组TC100C1由在空气中加热至100℃共1小时的半立方体组成。组TC100C16由在空气中加热至100℃共16小时的半立方体组成。
上文描述的经浸泡和热对照的半立方体随后在洗碗机中进行清洁。通过携带式Kenmore洗碗机(SearsInc，HoffimanEstates，Ill.)以具有冲洗和热干燥的正常循环进行清洁。在清洁过程中，所有半立方体测试样品置于直径2英寸的圆柱形非弹性聚乙烯网中，并且在末端上封闭。这确保样品不来回移动，但清洁介质可以通过。ElectrasolTM(ReckittBenckiserInc.，Berkshire，UK)用作清洁剂。
在清洁后，对样品实施加速老化，以测定在不同条件下的生育酚掺杂对经照射的UHMWPE的氧化稳定性的作用。通过将样品置于烤箱中在80℃下在空气中共5周执行加速老化。
在老化后，使半立方体切成一半，并且进行超薄切片，以制备与2cm×2cm表面之一垂直的200μm薄切片。用BioRadUMA500红外显微镜分析超薄切片的切片(各200μm)。根据远离超薄切片的切片边缘的深度，收集红外光谱，所述边缘与浸泡在生育酚中并且在老化过程中也暴露于空气中的表面相对应。通过定量在1680和1780cm-1波数目之间的羰基吸光度分析光谱。使吸光度下面积整合，并且针对位于在1330和1390cm-1之间的参考吸光度峰下面积进行标准化。羰基吸光度和参考吸光度的整合排除分别基线。标准化的值被称为氧化指数。
计算每个超薄切片的切片的最大限度氧化值，并且来自上述每组的3个切片的平均值显示于表1中。关于在室温下用生育酚掺杂的UHMWPE的111-kGy照射、清洁且老化的样品的热对照显示高水平的氧化。在照射、掺杂生育酚、清洁且老化分别1小时和16小时持续时间的样品中的平均最大限度氧化水平低于其分别的不掺杂但具有相同热历史的热对照。
表1
关于在100℃下用生育酚掺杂1小时的UHMWPE的111-kGy照射、清洁且老化的样品的热对照(组TC100C1)显示比相对应掺杂生育酚的测试样品(组100C1)更高水平的氧化。类似地，关于在100℃下用生育酚掺杂16小时的UHMWPE的111-kGy照射、清洁且老化的样品的热对照(组TC100C16)显示比掺杂生育酚的测试样品(组100C16)更高水平的氧化。热对照和测试样品的氧化水平在1小时和16小时的浸泡时间之间不显示显著差异。关于在100℃下掺杂样品的氧化水平小于在室温下掺杂的那些。
图2显示了根据进入所研究的每组(组TCRT、组RT1、组RT16、组TC100C16、组100C1、组TC100C1和组100C16)的代表性老化立方体之一内的深度的氧化指数谱。
这些结果显示通过洗涤和干燥清洁不去除扩散到UHMWPE内的生育酚，并且生育酚能够保护不受在攻击性老化条件下高剂量照射的UHMWPE的氧化。
实施例12
气泡式导管的电离灭菌
在气泡和支架上的药物包被的增加使用在许多情况下排除环氧乙烷灭菌的使用。另外，对于用于充气金属支架的气泡需要改善的磨损行为。使聚乙烯气泡在室温和压力下浸泡在维生素E中16小时。随后使气泡暴露于在25kGy-100kGy剂量水平中的电离辐射。辐射使组分灭菌而不影响药物，并且使聚乙烯交联以改善磨损行为。起因于残留自由基的氧化可以通过维生素E的存在而降到最低。
实施例13
包装材料的改善的氧化抗性
由聚乙烯膜制成的包装在室温下浸泡在维生素E中，并且在压力下保持16小时。随后通过以25-40kGy剂量的电离辐射来灭菌包装。使包装不受氧化诱导的牵连，这可以影响包装的机械完整性和气体阻隔性。
实施例14
UHMWPE的照射和掺杂
由GUR1050UHMWPE制造出的3种不同条料机械加工立方体(每边20mm)，所述GUR1050UHMWPE进行如下处理：(1)γ照射至65kGy，(2)γ照射至100kGy，和(3)未进行照射。随后通过在室温下浸泡在维生素E(DL-α-生育酚)中16小时使立方体掺杂。在用维生素E掺杂后的2组立方体进行包装，一组由65kGy机械加工，并且另一组由100kGy机械加工，并且再次用以25-40kGy剂量水平用于灭菌的γ照射进行照射。在用维生素E掺杂后由未经照射的原料机械加工的另外一组立方体进行包装，并且再次用以125-140kGy剂量水平用于交联和灭菌的γ照射进行照射。
实施例15
在老化前和后经照射且掺杂维生素E的UHMWPE的销盘(POD)磨损行为
固结的GUR1050UHMWPE条料在65kGy和100kGy下进行γ照射。由经照射的条料机械加工用于POD磨损测试的圆柱销(直径9mm和长度13mm)样品。样品在室温下在空气中用维生素E(α-生育酚)掺杂16小时。在掺杂后，使样品在27kGy的剂量下进行进一步γ灭菌。用92kGy和127kGy总辐射剂量的这2个组分别被称为α-T-92和α-T-127。
对一半圆柱体样品实施在80℃下在空气中5周的加速老化。对未经老化和老化的样品实施POD磨损测试。通过以直角磨损路径使销针对植入物抛光钴-铬配合端面摩擦，在定制双向销盘磨损测试器上以2Hz的频率测试销的磨损行为(Muratoglu等人，Biomatenals20(16)1463-1470，1999)。在测试过程中的峰接触压力是6MPa。胎牛血清用作润滑剂，并且以0.5百万次循环的间隔比重测定定量磨损。最初，对销实施POD测试的200,000次循环，以达到不依赖于表面上的扩散或粗糙度的稳态磨损率。其后，每组的3个销测试总共2百万次循环。磨损率计算为磨损与从0.2到2百万次循环的循环数目比较的线性回归。经掺杂且老化的交联聚乙烯的磨损率显示于表2中。
表2
经掺杂的样品的磨损行为在老化前和后可比较，指出通过扩散掺入的抗氧化剂的存在可以保护经照射的聚乙烯不受氧化，并且因此预防在老化后磨损中的增加。一般地，100-kGy经照射的UHMWPE的磨损率是约1毫克/百万次循环(Muratoglu等人，Biomatenals20(16)1463-1470，1999)。105-kGy经照射的UHMWPE的老化可以使其磨损率增加至超过20毫克/百万次循环(Muratoglu等人，ClinicalOrthopaedics&RelatedResearch，417:253-262，2003)。
实施例16
聚醚嵌段共聚酰胺气泡的氧化稳定化
在包装后由聚醚嵌段共聚酰胺聚合物构造的气泡用γ或电子束进行灭菌。因为存在关于这些材料由于自由基产生的氧化脆变的关注，所以自由基的猝灭是确保延长的保存期(例如，3年保存期)所需的。这些材料无法在照射后进行热处理，考虑到当暴露于升高温度时高度对齐的聚合物链松弛，导致径向和轴向收缩。
使聚醚嵌段共聚酰胺气泡浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。使气泡包装，并且随后实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且还可以减少不希望有的交联。
实施例17
尼龙气泡的氧化稳定化
在包装后由尼龙构造的气泡用γ或电子束进行灭菌。因为存在关于这些材料由于自由基产生的氧化脆变的关注，所以自由基的猝灭是确保3年保存期所需的。这些材料无法在照射后进行热处理，考虑到当暴露于升高温度时高度对齐的聚合物链松弛，导致径向和轴向收缩。
使尼龙浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。使气泡包装，并且随后实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且还可以减少不希望有的交联。
实施例18
聚对苯二甲酸乙二醇酯气泡的氧化稳定化
在包装后由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚合物构造的气泡用γ或电子束进行灭菌。因为存在关于这些材料由于自由基产生的氧化脆变的关注，所以自由基的猝灭是确保延长的保存期(例如，3年保存期)所需的。这些材料无法在照射后进行热处理，考虑到当暴露于升高温度时高度对齐的聚合物链松弛，导致径向和轴向收缩。
使PET气泡浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。使气泡包装，并且随后实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且还可以减少不希望有的交联。
实施例19
多组分气泡的氧化稳定化
在包装后由聚合物组合(包括聚乙烯、PET、聚醚嵌段共聚酰胺、聚乙酸乙烯酯和尼龙)构造的多组分气泡用γ或电子束进行灭菌。因为存在关于这些材料由于自由基产生的氧化脆变的关注，所以自由基的猝灭是确保延长的保存期(例如，3年保存期)所需的。这些材料无法在照射后进行热处理，考虑到当暴露于升高温度时高度对齐的聚合物链松弛，导致径向和轴向收缩。
使这些多组分气泡浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。使气泡包装，并且随后实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且还可以减少不希望有的交联。
实施例20
聚乙烯医疗装置的灭菌
聚乙烯通常通过注射塑型在医学工业中广泛用于生产注射器、小瓶和众多其他装置。已知当对其实施用γ或电子束的电离灭菌或用环氧乙烷或气体等离子的气体灭菌时，聚乙烯显示出氧化降解。
使聚乙烯注射器浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。使注射器包装，并且随后实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且还可以减少不希望有的交联。
实施例21
柔性聚氯乙烯管道的灭菌
柔性聚氯乙烯(PVC)用于各种医疗装置包括管道中。虽然以前用环氧乙烷灭菌，但更多制造商使用γ或电子束灭菌。在暴露于电离辐射后，这些材料通常变暗和变黄，这被认为是由于氧化(MedicalPlasticsandBiomaterialsMagazine，1996年3月，DouglasW.Luther和LeonardA.Linsky)。当抗氧化剂用机械混合器或压出机化合到PVC内时，变黄减少。
使PVC管道浸泡在维生素E或维生素E和溶剂例如醇的溶液中。对管道实施范围25-70kGy的灭菌剂量。较高的辐射剂量起因于加倍灭菌剂量。灭菌可以在空气或低氧大气中发生。维生素E使在灭菌过程期间引入的残留自由基的氧化行为降到最低，并且导致颜色稳定的PVC组分以及改善的保存期。
实施例22
在掺杂后的退火
掺杂后退火可以用于达到更均匀的抗氧化剂分布。通过浸泡在未经稀释的α-生育酚中，未经照射的UHMWPE立方体在130℃下掺杂96小时。一个立方体进行一半机械加工且进行超薄切片。如上文在实施例9中所述，根据远离在掺杂过程中自由的表面之一的深度，使用红外显微镜检查分析超薄切片的切片，以测量维生素E指数。在掺杂后，其他经掺杂的立方体在130℃下退火增加的时间段。经掺杂且退火的立方体也使用红外显微镜进行分析，以测定根据退火时间关于维生素E指数谱的改变。图3显示了在经掺杂的以及经掺杂且退火的立方体中测量的扩散谱。在仍未退火的样品中，表面浓度比关于大块的那种高得多，但在相同温度下已退火100小时的样品显示几乎均匀的谱。因此，在掺杂后的退火可以用于增加遍及主体聚合物的抗氧化剂分布的均匀性。退火温度和时间可以通过执行如本文所述的参数分析进行修改。
实施例23
加工UHMWPE的顺序
UHMWPE可以在各个阶段时用抗氧化剂掺杂，例如如图4和5中示意性显示的。
应当理解说明书、特定例子和数据在指出示例性实施方案的同时，作为举例说明而给出并且不预期限制本发明。在本发明内的各种改变和修饰根据本文包含的说明书、公开内容和数据对于技术人员将变得显而易见，并且因此视为本发明的部分。
1-79(删除)
80.制备医疗装置的方法，所述医疗装置具有经互锁的杂化材料并且包括非氧化的交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，其中所述方法包括：
a)在高于31.3℃的温度和约73.8巴的超临界压力下，在超临界流体中通过扩散用抗氧化剂掺杂超高分子量聚乙烯(UHMWPE)约16小时，从而形成掺入抗氧化剂的UHMWPE；
b)使所述掺入抗氧化剂的UHMWPE压缩塑模成金属材料的配合端面，从而形成具有在所述掺入抗氧化剂的UHMWPE和所述金属材料之间的界面的经互锁的杂化材料；
c)在惰性环境中通过以100kGy剂量的电离辐射照射所述经互锁的杂化材料，从而形成在所述掺入抗氧化剂的UHMWPE中的交联，并且得到掺入抗氧化剂的经交联且互锁的杂化材料用于医疗装置，其中：(i)所述交联增强所述聚合掺和物，以使在所述界面上的分离降到最低，(ii)所述抗氧化剂提供了针对照射后氧化的抗性，和(iii)所述照射使所述界面灭菌；
d)对所述掺入抗氧化剂的经交联且互锁的杂化材料进行机械加工，以形成具有非氧化的交联UHMWPE和经互锁的杂化材料的医疗装置；
e)包装具有非氧化的交联UHMWPE和经互锁的杂化材料的医疗装置；和
f)通过电离辐射或气体灭菌来灭菌具有非氧化的交联UHMWPE和经互锁的杂化材料的所述经包装的医疗装置，从而形成具有经互锁的杂化材料的经交联且灭菌的医疗装置。
附录I
(12)美国专利(10)专利号：US7,166,650B2
MURATOGLUetal.(43)专利日期：2007年1月23日*
(54)低于熔化制备的具有减少的残留自由基浓度的高模量交联聚乙烯
(75)发明人：OrhunK.MURATOGLU,Cambridge,MA(US)；
StephenH.Spiegelberg,Winchester,MA(US)；GarethH.McKinley,Acton,MA(US)
(73)受让人：MassachusettsGeneralHospital，Boston，MA(US)；CambridgePolymerGroup，Inc.，Boston，MA(US)
(*)备注：由于任何放弃，在第0天本专利根据35U.S.C154(b)进行扩展或调整。该申请用于最终的放弃。
(21)申请号：11/030,115
(22)提交：2007年1月7日
(65)在先公布数据US2005/01247182005年1月9日相关美国申请数据
(63)2002年9月24日提交的申请号10/252,582，现在的专利号6,852,772的继续
(60)2002年1月4日提交的临时申请号60/344,354
(51)Int.Cl.
C08F2/46(2006.01)
A61F2/00(2006.1)
A61F2/02(2006.1)
(52)U.S.Cl..........................522/161；522/125；522/150；522/113；623/11.11；623/13.12；623/18.11；623/22.11；623/22.11；526/352；526/352.2；526/72；526/73；526/348/523/113
(58)分类检索领域..................................522/161,522/125,150,113,114,133；523/115,113；526/352.2,72,73,348,352；623/18,22,623/11.11,13.12,18.11,22.11,22.21
(56)所引用的参考
美国专利文件
4,113,595A9/1978Hagiwaraetal.....................204/159.17
(待续)
外国专利文件
DE101050854/2002
(待续)
其他文献
MuraliJasty,记录时间1999年1月11日
(待续)
主审查员——SanzaL.McClendon
(74)律师，代理人或公司——ProskauerRoseLLP
(57)摘要
本发明提供了包含减少的自由基的经照射的交联聚乙烯，优选基本上不包含残留自由基。公开了通过在低于熔点的升高温度下照射与敏化环境接触的聚乙烯，制备经照射的交联聚乙烯的方法，以便使残留自由基的浓度减少至无法检测的水平。本文还公开了任选在敏化环境中，通过使聚乙烯在低于聚乙烯熔点的温度下机械变形，制备具有减少的自由基含量的经照射的交联聚乙烯组合物的方法，优选基本上不包含残留自由基。
12个权利要求，2个附图
美国专利文件
4,587,163A5/1986Zachariades.......................428/292
5,030,402A7/1991Zachariades.......................264/138
5,414,049A5/1995Sunetal.........................525/33.7
5,428,079A6/1995Bastiaansenetal.................522/161
5,449,745A9/1995Sunetal.........................528/483
5,508,319A4/1996DeNicolaetal....................522/161
5,543,471A8/1996Sunetal.........................525/33.7
5,577,368A11/1996Hamiltonetal....................53/432
5,594,041A1/1997Dearnaley.........................522/2
5,650,485A7/1997Sunetal.........................528/483
5,728,748A3/1998Sunetal.........................522/65
5,753,182A5/1998Higgins...........................422/23
5,824,411A10/1998Shalabyetal.....................428/364
5,834,113A11/1998Shalabyetal.....................428/364
5,879,400A3/1999Merrilletal.....................623/22
6,017,975A*1/2000Saumetal........................522/161
6,143,232A11/2000Rohr..............................264/460
6,165,220A*12/2000McKellopetal....................128/898
6,168,626B11/2001Hyonetal........................623/18.11
6,174,934B11/2001Sunetal.........................523/113
6,184,265B12/2001Hamiltonetal....................522/189
6,228,900B15/2001Shenetal..............522/153
6,242,507B16/2001Saumetal..............522/161
6,281,264B18/2001Saloveyetal...........523/115
6,316,158B111/2001Saumetal..............430/130
6,395,799B15/2002Johnson.................522/161
6,464,926B110/2002Merrilletal...........264/485
6.852.772B22/2005Muratogluetal.........522/161
2001/0027345A110/2001Merrilletal.
外国专利文件
EP0729981B19/1996
WOWO96/093303/1996
WOWO97/297938/1997
WOWO98/0108511/1998
WOWO01/053371/2001
WOWO03/0592007/2003
其他文献
MuraliJasty,记录时间1999年1月30日
*由审查员引用
图1
图2
低于熔化制备的具有减少的残留自由基浓度的高模量交联聚乙烯
本申请是于2002年9月24日提交的美国序列号10/252,583现在的美国专利号6,852,772的继续申请，所述美国专利号6,852,772要求于2002年1月4日提交的美国序列号60/344,354的优先权，所述专利整体通过引用在此合并。
本发明涉及具有减少的自由基含量的经照射的交联聚乙烯(PE)组合物，优选包含减少的残留自由基或基本上不包含残留自由基，和制备交联聚乙烯的方法。该方法可以包括在低于熔点的升高温度下在其与敏化环境接触时照射聚乙烯的步骤，以便使残留自由基的浓度减少优选至无法检测的水平。本发明还涉及制备具有减少的自由基含量的交联聚乙烯的方法，优选基本上不包含残留自由基，通过在低于聚乙烯熔点的温度下，在照射过程中伴随或不伴随与敏化环境接触使经照射的PE机械变形。这些方法是互补的，并且可以一起或分开使用。
领域描述
在聚乙烯中增加的交联密度在用于关节成形术的轴承表面应用中是希望的，因为它显著增加这种材料的耐磨性。优选交联方法是通过使聚乙烯暴露于电离辐射。然而，除交联外，电离辐射也将产生残留自由基，这是氧化诱导的脆变的前体。这已知不利地影响体内装置性能。因此，希望减少在照射后的残留自由基的浓度，优选至无法检测的水平，以避免长期氧化。
过去，为了基本上减少经照射的聚乙烯中残留自由基的浓度，聚乙烯必须加热至超过其熔化温度(例如，约140℃)。熔化使结晶结构释放或消除，残留自由基被视为在其中捕获。自由基移动性中的这种增加促进重组反应，通过其残留自由基浓度可以显著减少。这种技术尽管在使残留自由基重组方面是有效的，但已显示降低材料的最终结晶度。结晶度中的这种丧失聚乙烯减少聚乙烯的模量，然而，对于高应力应用，例如单髌室膝设计、薄聚乙烯胫膝插入物、低一致咬合等，需要高模量以使蠕变降到最低。
因此希望减少残留自由基浓度而不加热超过熔点，以便避免显著减少聚乙烯的结晶度，以便允许模量中的非实质降低、基本维持或增加。
发明概述
本发明的一个目的是提供具有减少的自由基浓度的改善照射的交联聚乙烯，通过包括在低于聚乙烯熔点的温度下照射聚乙烯的方法制备，任选在其与敏化环境接触时，以便减少自由基的含量，优选至无法检测的水平，任选通过机械变形。
依照本发明的一个方面，提供了经照射的交联聚乙烯，其中聚乙烯的结晶度是至少约51％或更多。
依照本发明的另一个方面，提供了经照射的交联聚乙烯，其中聚乙烯的弹性模量高于或仅略低于，即约等于，起始未经照射的聚乙烯或已实施熔化的经照射的聚乙烯的那种。
根据本发明，聚乙烯是聚烯烃，并且优选选自低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、或其混合物。
在本发明的一个方面，聚乙烯在照射前与敏化环境接触。敏化环境例如可以选自乙炔、氯三氟乙烯(CTFE)、三氯氟乙烯、乙烯等、或其包含稀有气体的混合物，优选选自氮、氩、氦、氖和本领域已知的任何惰性气体。气体可以是乙炔和氮的混合物，其中混合物包括例如约5体积％乙炔和约95体积％氮。
在本发明的一个方面，聚乙烯的原材料可以以固结的原料的形式，或原材料也可以以最终产物的形式。
在本发明的另一个方面，提供了具有减少的自由基浓度的经照射的交联聚乙烯，优选具有无法检测的残留自由基(即，自由基的含量低于1014自旋/克的目前检测极限)，如通过约等于或略高于起始未经照射的聚乙烯或已实施熔化的经照射的聚乙烯的那种的弹性模量表征的。在本发明的另外一个方面，提供了具有减少的自由基含量的交联聚乙烯，其特征在于当与起始未经照射的聚乙烯或已实施熔化的经照射的聚乙烯的那种比较时改善的抗蠕变性。
依照本发明的一个方面，提供了制备交联聚乙烯的方法，其包括在其与敏化环境接触时，在低于聚乙烯熔点的温度下照射聚乙烯，以便减少自由基的含量，优选至无法检测的水平。
依照本发明的另一个方面，提供了处理交联聚乙烯的方法，其中聚乙烯的结晶度约等于起始未经照射的聚乙烯的那种，其中聚乙烯的结晶度是至少约51％或更多，其中聚乙烯的弹性模量约等于或高于起始未经照射的聚乙烯或已实施熔化的经照射的聚乙烯的那种。
还提供了制备交联聚乙烯的方法，其中退火温度低于聚乙烯的熔点，其中退火温度小于约145℃，优选小于约140℃，并且更优选小于约137℃。
本文还提供了起因于本发明的材料是实施电离辐射的具有减少的自由基浓度的聚乙烯，优选基本上不包含残留自由基，通过照射后在低于熔点下退火达到，在小于145℃下，优选小于140℃，并且更优选小于137℃，在敏化环境的存在下。
在本发明的一个方面，提供了制备交联聚乙烯的方法，其中聚乙烯在照射前与敏化环境接触。
在根据本发明的另一个方面，提供了制备交联聚乙烯的方法，其中敏化环境是乙炔、氯三氟乙烯(CTFE)、三氯氟乙烯、乙烯气体等、或其气体的混合物，其中所述气体是乙炔和氮的混合物，其中混合物包括例如约5体积％乙炔和约95体积％氮。
在根据本发明的另外一个方面，提供了制备交联聚乙烯的方法，其中敏化环境是具有不同碳数目的二烯，或其液体和/或气体的混合物。
本发明的一个方面是提供制备交联聚乙烯的方法，其中使用γ辐射和/或电子束辐射执行照射，其中所述照射在低于熔化温度的升高温度下执行，其中辐射剂量水平是约1-约10,000kGy。
在一个方面，提供了制备交联聚乙烯的方法，其中在敏化环境的存在下的退火在超过至少约1.0大气(atm)的环境大气压下执行，以增加敏化分子进入聚乙烯内的扩散速率。
在另一个方面，提供了方法，其中在敏化环境的存在下的退火用高频超声处理执行，以增加敏化分子进入聚乙烯内的扩散速率。
在另外一个方面，提供了处理经照射的交联聚乙烯的方法，其包括步骤：使聚乙烯与敏化环境接触；在低于聚乙烯熔点的温度下退火；并且在敏化环境的存在下使低于熔点的温度升高，以便减少残留自由基的浓度，优选至无法检测的水平。
本发明的另一个方面提供了具有减少的自由基浓度的改善照射的交联聚乙烯，通过包括在低于聚乙烯熔点的温度下照射的方法制备，任选在敏化环境中；使聚乙烯机械变形，以便减少残留自由基的浓度，并且任选低于聚乙烯的熔点退火，优选在约135℃下，以便减少热应力。
依照本发明的一个方面，在低于聚乙烯熔点的升高温度下在敏化环境的存在下执行聚乙烯的机械变形，其中聚乙烯具有减少的自由基含量，并且优选具有通过电子自旋共振无法检测的残留自由基。
依照本发明的另一个方面，在空气或选自氮、氩、氦、氖和本领域已知的任何惰性气体的惰性环境中执行照射。
依照本发明的另外一个方面，机械变形是单轴、通道流动、单轴压缩、双轴压缩、振荡压缩、张力、单轴张力、双轴张力、超声振荡、弯曲、平面应力压缩(通道模具(channeldie))或上述任何的组合，并且在敏化气体的存在或不存在下在低于聚乙烯熔点的温度下执行。
依照本发明的另外一个方面，聚乙烯的机械变形在小于聚乙烯熔点且超过室温的温度下执行，优选约100℃-约137℃，更优选约120℃-约137℃，更加优选约130℃-约137℃，并且最优选在约135℃下。
在一个方面，经照射的交联聚乙烯的退火温度低于聚乙烯的熔点，优选小于约145℃，更优选小于约140℃，并且更加优选小于约137℃。
在另外一个方面，提供了经照射的交联聚乙烯，其中聚乙烯的弹性模量约等于或高于起始未经照射的聚乙烯的那种。
依照本发明，提供了制备经照射的交联聚乙烯的方法，其包括在低于聚乙烯熔点的温度下照射，任选在敏化环境中；使聚乙烯机械变形，以便减少残留自由基的浓度，并且任选低于聚乙烯的熔点退火，优选在约135℃下，以便减少热应力。
依照本发明的一个方面，提供了聚乙烯机械变形的方法，任选在敏化环境的存在下，在低于聚乙烯熔点的升高温度下，优选在约135℃下，其中聚乙烯具有减少的自由基含量，并且优选具有通过电子自旋共振无法检测的残留自由基。
依照本发明的另一个方面，提供了使聚乙烯变形的方法，其中温度小于聚乙烯的熔点且超过室温，优选约100℃-约137℃，更优选约120℃-约137℃，更加优选约130℃-约137℃，并且最优选在约135℃下。
在本发明的另外一个方面，提供了处理经照射的交联聚乙烯组合物以便减少残留自由基的方法，其包括步骤：使聚乙烯机械变形；并且在低于聚乙烯熔点的温度下退火，以便减少热应力，其中任选在敏化环境的存在下执行机械变形(优选在约135℃下)。
在本发明的另外一个方面，提供了通过包括下述步骤的方法制备的经照射的交联聚乙烯组合物：在低于聚乙烯熔点的温度下照射；低于经照射的聚乙烯的熔点使聚乙烯机械变形，以便减少残留自由基的浓度；在高于熔点的温度下退火；并且冷却至室温。
在另一个方面，本发明提供了制备经照射的交联聚乙烯组合物的方法，其包括步骤：使在固态或熔融状态下的聚乙烯机械变形；使在变形状态下的聚乙烯结晶/固化；低于聚乙烯的熔点照射聚乙烯；并且低于熔点加热经照射的聚乙烯，以便减少残留自由基的浓度，并且恢复原始形状或保存形状记忆。
在另外一个方面，本发明提供了提供了通过包括下述步骤的方法制备的经照射的交联聚乙烯组合物：使在固态或熔融状态下的聚乙烯机械变形；使在变形状态下的聚乙烯结晶/固化；低于聚乙烯的熔点照射聚乙烯；并且低于熔点加热经照射的聚乙烯，以便减少残留自由基的浓度，并且恢复原始形状或保存形状记忆。
在另外一个方面，本发明提供了具有基本上减少或无法检测的残留自由基的经照射的交联聚乙烯，其中聚乙烯的结晶度是至少约51％或更多。
就下文阐述的说明书而言，本发明的这些和其他方面对于技术人员将变得显而易见。
附图简述
图1。图1示意性显示了在制备本文公开的实施例中描述的某些样品中使用的通道模具设置。首先使测试样品A连同通道模具B一起加热至所需温度。随后将通道模具B置于压缩塑模机中，并且将经加热的样品A置于且集中于通道中。将也优选加热至相同温度的活塞C置于通道中。随后通过压迫活塞C使样品A压缩至所需压缩比。流动方向(FD)、壁方向(WD)和压缩方向(CD)如标记的。
图2。图2示意性显示了氧化老化或加速老化过程和其后残留自由基的测定。通过在通道模具的流动方向中沿着样品长轴接近体中心通过切割3mm×3mm×10mm小片制备样品。随后用电子自旋共振就残留自由基分析样品。其余一半测试样品进行进一步机械加工，以获得具有1cm×1cm×1cm尺度的立方体。随后对这个立方体样品(参见B)实施在空气对流烤箱中在80℃下的热氧化老化或加速老化共3周。这种老化方法将诱导聚乙烯中的氧化，如果存在残留自由基。在老化结束时，将立方体样品切成一半，并且进行超薄切片，以取出200微米的薄切片。根据如图中用箭头所示远离超薄切片的切片边缘的深度，使用BioRadUMA500红外显微镜分析切片。
发明详述
本发明描述了允许经照射的聚乙烯中残留自由基的浓度减少优选至无法检测水平的方法，而不超过其熔点加热材料。这种方法涉及使经照射的聚乙烯与敏化环境接触，并且使聚乙烯加热至超过临界温度，所述临界温度允许自由基与敏化环境反应，但仍低于熔点。可能这个临界温度与聚乙烯的α转变相对应。聚乙烯的α转变通常是约90-95℃；然而，在聚乙烯中可溶的敏化环境的存在下，α转变可能被抑制。α转变被认为诱导结晶相中的活动，这被认为增加敏化环境扩散到这个相内和/或释放经捕获的自由基。自由基现在可以与敏化气体和/或液体反应，这被认为充当相邻自由基之间的连接试剂。
起因于本发明的材料是交联聚乙烯，其具有减少的残留自由基，并且优选无法检测的自由基，同时基本上不妥协结晶度和模量。
根据本发明，聚乙烯进行照射，以便使聚合物链交联。一般而言，γ照射给出高穿透深度，但花费更长时间，导致某些氧化的可能性。一般而言，电子照射给出更有限的穿透深度，但花费更短时间，并且因此减少氧化的可能性。可以改变照射剂量，以控制最终聚乙烯产物中的交联度和结晶度。优选地，使用大于约1kGy的剂量，更优选使用大于约20kGy的剂量。当使用电子照射时，可以改变电子能量，以改变电子的穿透深度，从而控制最终产物中的交联的穿透程度。优选地，能量是约0.5MeV-约10MeV，更优选约5MeV-约10MeV。当经照射的物体是不同厚度或深度的物品时，例如用于医学假体的关节杯，此类变异性是特别有用的。
本发明还提供了包含减少的自由基浓度且优选包含基本上无法检测的自由基的改善照射的交联聚乙烯，通过包括下述步骤的方法制备：使经照射的聚乙烯与敏化环境接触；在低于聚乙烯熔点的温度下退火；并且在敏化环境的存在下升高至低于熔点的温度，以便减少残留自由基的浓度，优选至无法检测的水平。
本发明提供了处理聚乙烯的方法，其中聚乙烯的结晶度高于起始未经照射的聚乙烯或已实施熔化的经照射的聚乙烯的那种，其中聚乙烯的结晶度是至少约51％，其中聚乙烯的弹性模量约等于或高于起始未经照射的聚乙烯的那种。
本发明还描述了允许经照射的聚乙烯中残留自由基的浓度减少甚至至无法检测水平的方法，而不超过其熔点加热材料。这种方法涉及对经照射的样品实施低于熔点的机械变形。变形温度可以高达约135℃。变形引起结晶晶格中的运动，这允许先前在晶格中捕获的自由基通过与相邻链交联的重组，或沿着相同链的主链形成异向次乙烯亏氢作用。如果变形具有足够小的波幅，那么可以避免塑性流动。因此不应妥协结晶度百分比。另外，可以对经机械加工的组分执行机械变形，而不丧失机械耐受性。起因于本发明的材料是交联聚乙烯，其具有减少的残留自由基浓度，并且优选无法检测的自由基，同时基本上不妥协结晶度和模量。
本发明进一步描述了变形可以具有大量级，例如在通道模具中的压缩比2。变形可以提供足够的塑性变形，以移动在结晶晶格中捕获的残留自由基。它还可以诱导聚合物中可以提供各向异性机械性质的定向，这在植入物构造中可以是有用的。如果不需要，那么用在低于或高于熔点的增加温度下退火的另外步骤可以去除聚合物定向。
根据本发明的另一个方面，高应变变形可以施加于经照射的组分。以这种方式，在结晶晶格中捕获的残留自由基可以与相邻结晶平面中的自由基反应，当平面在变形诱导的流动过程中彼此经过时。高频率振荡例如超声频率可以用于引起结晶晶格中的运动。这种变形可以在低于聚乙烯熔点的升高温度下执行，并且连同或不连同敏化气体的存在。由超声引入的能量得到结晶可塑性而无总体温度中的增加。
本发明还提供了在低于熔点的自由基消除后进一步退火的方法。根据本发明，通过敏化气体方法和/或机械变形方法达到低于熔化的自由基消除。由于各种原因完成包含减少或无法检测的残留自由基的交联聚乙烯的进一步退火，例如：
1.机械变形，如果量级很大(例如，在通道模具变形过程中的压缩比2)，将诱导分子定向，这对于特定应用例如髋臼衬里可能是不希望的。因此，对于机械变形：
a)低于熔点(例如，小于约137℃)退火用于减少定向的量，并且还减少在升高温度下的机械变形且冷却后可以持续的某些热应力。在退火后，希望以足够慢的冷却速率(例如，以约10℃/小时)使聚乙烯冷却，以便使热应力降到最低。如果在给定环境下，低于熔点的退火不足以达到定向中的减少和/或热应力的去除，那么可以使聚乙烯加热至超过其熔点。
b)高于熔点(例如，超过约137℃)退火可以用于消除结晶晶格，并且允许聚合链松弛至低能量、高熵状态。这种松弛将导致聚合物定向中的减少，并且将基本上减少热应力。随后以足够慢的冷却速率(例如，以约10℃/小时)执行至室温的冷却，以便使热应力降到最低。
2.在照射之前、之时和/或之后与敏化环境接触，以得到当与否则在照射和后续熔化后发生的结晶度中的减少比较时，在其结晶度中基本不减少的聚乙烯。通过使聚合物高于熔点(例如，超过约137℃)退火，减少与敏化环境接触的聚乙烯的结晶度和辐射处理的聚乙烯的结晶度。随后以足够慢的冷却速率(例如，以约10℃/小时)执行至室温的冷却，以便使热应力降到最低。
如本文描述的，证实机械变形可以消除辐射交联的UHMWPE中的残留自由基。本发明还提供了可以首先例如通过压缩使在固体或熔融状态下的UHMWPE变形至新形状。根据本发明的过程，当在熔融状态下进行UHMWPE的机械变形时，聚合物在负荷下结晶，以维持新变形的形状。在变形步骤后，变形的UHMWPE样品低于熔点照射以交联，这产生残留自由基。为了消除这些自由基，使经照射的聚合物样品加热至低于经变形且照射的聚乙烯熔点的温度(例如，高达约135℃)，以允许形状记忆，以部分恢复原始形状。一般地，预期恢复约80-90％原始形状。在这个恢复过程中，结晶经历运动，这可以帮助自由基重组和消除。上述过程被称为‘反向-IBMA’。就使该技术达到基于UHMWPE的医疗装置的大规模生产而言，反向-IBMA(反向低于熔化照射和机械退火)技术可以是合适过程。
就下文阐述的说明书而言，本发明的这些和其他方面对于技术人员将变得显而易见。
“敏化环境”指包含一种或多种敏化气态和/或液体组分的气体和/或液体(在室温下)的混合物，其可以与残留自由基反应，以帮助残留自由基的重组。气体可以是乙炔、氯三氟乙烯(CTFE)、乙烯等。气体或其气体的混合物可以包含稀有气体，例如氮、氩、氖等。其他气体例如二氧化碳或一氧化碳也可以存在于混合物中。在其中经处理的材料的表面在装置制造过程中机械加工掉的应用中，气体掺和物也可以包含氧化气体例如氧。敏化环境可以是具有不同碳数目的二烯，或其液体和/或气体的混合物。敏化液体组分的例子是辛二烯或其他二烯，其可以与其他敏化液体和/或非敏化液体例如己烷或庚烷混合。敏化环境可以包括敏化气体例如乙炔、乙烯或相似气体或气体的混合物，或敏化液体，例如二烯。使环境加热至范围从室温到低于材料熔点的温度的温度。
“残留自由基”指当聚合物暴露于电离辐射例如γ或电子束照射时，产生的自由基。尽管某些自由基彼此重组以形成交联，但某些变得捕获在结晶域中。经捕获的自由基也称为残留自由基。
短语“基本上无法检测的残留自由基”指无法检测的自由基或基本上无残留自由基，如通过电子自旋共振(ESR)测量的。用现有技术仪器可检测的最低水平的自由基是约1014自旋/克，并且因此术语“可检测的”指通过ESR的1014自旋/克的检测极限。
在数值和范围的背景中的术语“约”或“大约”指近似或接近于所述值或范围的值或范围，从而使得本发明可以如预期的进行，例如具有所需交联程度和/或所需自由基的缺乏，如根据本文包含的教导对于技术人员显而易见的。这至少部分是由于聚合物组成的不同性质。因此，这些术语包括超过起因于系统误差的那些的值。
术语“α转变”指转变温度且通常是约90-95℃；然而，在聚乙烯中溶解的敏化环境的存在下，α转变可能被抑制。α转变被认为(“α转变温度”的解释可以在AnelasticandDielectricEffectsinPolymericSolids，第141-143页，通过N.G.McCrum，B.E.Read和G.Williams；J.Wiley和Sons，N.Y.，N.Y.，1967年出版中找到)诱导结晶相中的活动，这假定增加敏化环境扩散到这个相内和/或释放经捕获的自由基。
术语“临界温度”与聚乙烯的α转变相对应。
术语“低于熔点”或“低于熔化”指低于聚乙烯例如UHMWPE的熔点的温度。术语“低于熔点”或“低于熔化”指小于145℃的温度，这可以依赖于聚乙烯的熔化温度而改变，例如145℃、140℃或135℃，这再次依赖于待处理的聚乙烯的性质，例如分子量平均值和范围、批次变异等。熔化温度一般使用差示扫描量热计(DSC)以10℃/分钟的加热速率进行测量。因此测量的峰熔化温度被称为熔点，并且对于某些级别的UHMWPE例如在约137℃下发生。可能希望对聚乙烯原材料进行熔化研究，以便测定熔化温度且决定照射和退火温度。
术语“压力”指对于在敏化环境中退火，至少约1atm的大气压力，超过环境压力。
术语“退火”指使聚合物低于其峰熔点加热。退火时间可以是至少1分钟-长数周。在一个方面，退火时间是约4小时-约48小时，优选24小时-48小时，并且更优选约24小时。达到机械变形后的所需恢复水平需要的退火时间在较低退火温度下通常较长。“退火温度”指依照本发明用于退火的热条件。
术语“接触”包括物理接近或触碰，从而使得敏化剂可以执行其预期功能。优选地，聚乙烯组合物或预先形成充分接触，从而使得它浸泡在敏化剂中，这确保接触充分。浸泡被定义为使样品置于特定环境中在合适温度下充分时间段。环境包括敏化气体例如乙炔、乙烯或相似气体或气体的混合物，或敏化液体例如二烯。使环境加热至范围从室温到低于材料熔点的温度的温度。接触时期范围从至少约1分钟到数周，并且持续时间依赖于环境的温度。在一个方面，在室温下的接触时间段是约24小时-约48小时，并且优选约24小时。
术语“机械变形”指低于材料熔点发生的变形，基本上‘冷工作’材料。变形模式包括单轴、通道流动、单轴压缩、双轴压缩、振荡压缩、张力、单轴张力、双轴张力、超声振荡、弯曲、平面应力压缩(通道模具)或上述任何的组合。变形可以是静态或动态的。动态变形可以是以小或大波幅振荡方式的变形模式的组合。可以使用超声频率。所有变形可以在敏化气体的存在下和/或在升高温度下执行。
术语“变形状态”指在变形过程例如机械变形后聚乙烯材料的状态，如本文描述的，在固体或熔化下。在变形过程后，允许在固体状态或熔化下的变形聚乙烯固化/结晶，同时仍维持变形的形状或新近获得的变形状态。
“IBMA”指低于熔化照射和机械退火。“IBMA”以前被称为“CIMA”(冷照射和机械退火)。
使用在10–100kHz的频率范围下的超声处理或超声，伴随以1-50微米级别的波幅。超声处理的时间依赖于超声处理的频率和温度。在一个方面，超声处理或超声频率范围从约1秒到约1周，优选约1小时到约48小时，更优选约5小时到约24小时，并且更加优选约12小时。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)意指具有超过约500,000g/mol分子量的乙烯链，优选超过约1,000,000g/mol，并且更优选超过约2,000,000g/mol。通常，分子量可以达到8,000,000g/mol或更多。起始平均分子量意指在任何照射前UHMWPE原材料的平均分子量。关于UHMWPE的性质，参见美国专利号5,879,400；于1999年7月16日提交的PCT/US99/16070，WO20015337和于1997年2月11日提交的PCT/US97/02220，WO9729793。
“结晶度”意指其为结晶的聚合物部分。通过已知样品的重量(以克表示的重量)、在熔化中由样品吸收的热量(E，以J/g表示)和聚乙烯结晶熔化的热量(△H＝291J/g)，并且使用下述等式计算结晶度：
结晶度％＝E/w*△H
张力“弹性模量”意指对于应变的额定应力与相对应应变比，如使用标准测试ASTM638MIII等或其后继者测定的。
术语“常规UHMWPE”指分子量大于约500,000的商购可得的聚乙烯。优选地，UHMWPE原材料具有大于约2百万的平均分子量。
“起始平均分子量”意指在任何照射前，UHMWPE原材料的平均分子量。
本发明中的术语“界面”被定义为当植入物处于其中聚乙烯与另一个小片(例如金属或聚合组分)功能相关的构型时，医疗装置中形成的裂缝，这形成聚合物和金属或另一种聚合材料之间的界面。例如，在医学假体中的聚合物-聚合物或聚合物-金属界面，例如整形外科关节和骨置换部分，例如髋、膝、肘或踝关节置换。包含与聚乙烯紧密接触的工厂装配小片的医学植入物形成界面。在大多数情况下，界面对于在气体灭菌过程期间的环氧乙烷(EtO)气体或气体等离子(GP)不容易接近。
与聚合材料形成界面的小片可以是金属。根据本发明，与聚乙烯功能相关的金属小片可以由例如钴铬合金、不锈钢、钛、钛合金或镍钴合金制成。
本发明的产物和方法也应用于各种类型的聚合材料，例如高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、UHMWPE和聚丙烯。
本发明通过下述实施例进一步证实，所述实施例不以任何方式限制本发明。
实施例
实施例1
样品制备中的通道模具设置
参考图1，首先使测试样品‘A’连同通道模具B一起加热至所需温度。随后将通道模具‘B’置于压缩塑模机中，并且将经加热的样品A置于且集中于通道中。将也优选加热至相同温度的活塞‘C’置于通道中。随后通过压迫活塞‘C’使样品‘A’压缩至所需压缩比。在去除在活塞上的负荷后，样品将具有弹性恢复。在弹性恢复后的通道模具变形后，测量测试样品的压缩比λ(最终高度/起始高度)。流动方向(FD)、壁方向(WD)和压缩方向(CD)如图1中标记的。
实施例2
低于α转变用敏化气体的温照射
将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的样品或最终医学产物置于不透气的小袋(例如，聚乙烯层压铝箔)中，用敏化气体净化，并且用基本上填充包装的敏化气体密封。随后使包装加热至室温和90℃之间的温度。随后使用电子束或γ照射在加热温度下照射包装。
实施例3
伴随在敏化气体中的后续退火低于α转变用敏化气体的温照射
将UHMWPE的测试样品或最终医学产物置于不透气的小袋(例如，聚乙烯层压铝箔)中，用敏化气体净化，并且用基本上填充包装的敏化气体密封。随后使包装加热至室温和90℃之间的温度。随后使用电子束或γ照射在加热温度下照射包装。随后在低于聚乙烯熔点的温度下使包装退火。
实施例4
高于α转变且低于熔点用敏化气体的温照射
将UHMWPE的测试样品置于不透气的小袋(例如，聚乙烯层压铝箔)中，用敏化气体净化，并且用基本上填充包装的敏化气体密封。随后使包装加热至90℃和熔化温度(约145℃)之间的温度。随后使用电子束或γ照射在加热温度下照射包装。
实施例5
伴随在敏化气体中的后续退火高于α转变且低于熔点
用敏化气体的温照射
将UHMWPE的测试样品置于不透气的小袋(例如，聚乙烯层压铝箔)中，用敏化气体净化，并且用基本上填充包装的敏化气体密封。随后使包装加热至90℃和熔化温度(约145℃)之间的温度。随后使用电子束或γ照射在加热温度下照射包装。随后在低于聚乙烯熔点的温度下使包装退火。
实施例6
在升高的温度下照射后与5％/95％乙炔/氮气掺和物接触，以减少残留自由基的浓度
使GUR1050锤出的(ram-extruded)UHMWPE条料(直径3.5”)机械加工成4cm厚的圆柱体。使用Impela-10/50AECL10MeV电子束加速器(E-BeamServices，CranberryN.J.)使圆柱体在空气中照射至100kGy的剂量水平。使经照射的圆柱体机械加工成2mm厚的切片。使用具有3＝3＝2mm尺度的切片制备测试样品。将测试样品置于聚乙烯层压铝箔小袋(3个测试样品/小袋)中。通过抽真空随后用气体掺和物回填充小袋3次，用5％乙炔/95％氮气混合物(BOCGas，Medford，Mass.)净化3个小袋。使小袋密封且在乙炔/氮气掺和物的轻微正压下静置。使用相同方法用100％的氮气净化第4个小袋，并且用小袋内的氮气的轻微正压密封。
随后将2个乙炔/氮填充小袋和氮填充小袋置于对流烤箱中在100℃下24小时。使另一个乙炔/氮填充小袋在环境温度下保持24小时。随后打开小袋，并且用电子自旋共振分析测试样品，以测定样品中残留自由基的浓度。在室温下在空气中静置的一组另外3个测试样品也使用电子自旋共振进行分析。结果显示于表1中。
结果显示在室温下在5％乙炔/95％氮气混合物中静置24小时的经照射的测试样品具有大量残留自由基，如在室温下在空气中贮存24小时的测试样品一样。在100℃下在100％氮气中静置24小时的测试样品显示残留自由基浓度中的略微增加。在100℃下在5％乙炔/95％氮气混合物中静置24小时的测试样品具有基本上无法检测的残留自由基。因此，在100kGy的电子束照射后，将5％乙炔加入氮内足以使残留自由基的浓度减少至无法检测的水平。
表1
实施例7
在室温下在敏化气体的存在下最终聚乙烯医疗装置的照射
由常规UHMWPE制备医疗装置，并且在可透气的材料(例如Tyvek)中包装。随后将其置于不透气的包装(例如，箔层压包装)中。随后使用敏化大气净化这个包装数次，并且在那个大气中密封。整个部件随后使用γ照射或电子束照射至1–1000kGy剂量水平。在照射后，使整个部件退火。这样选择退火温度，使得包装保持完整，并且不破坏在外部和组分之间的至少一个气密封水平，以维持医疗装置组分的无菌。随后运送组分用于手术用途。如果希望如此，那么在运送前去除其余敏化气体。通过刺破包装执行敏化气体的去除；或通过去除外部箔小袋且在可透气的内部包装中运送组分。
实施例8
在最终聚乙烯医疗装置中残留自由基的减少
将由具有残留自由基的聚乙烯制造出的医疗装置置于敏化大气中，并且在低于聚乙烯熔点的大气中退火，以便使残留自由基的浓度减少至至少基本上无法检测的水平。
实施例9
经照射的聚乙烯的通道模具变形
使用电子束或γ辐射在室温下照射超高分子量聚乙烯的测试样品。随后将样品置于通道模具中在120℃下，并且通过因子2以单轴压缩变形进行变形。如用电子自旋共振测量的，使残留自由基浓度与在120℃下保持相同时间量的样品比较。
实施例10
与敏化环境接触的经照射的聚乙烯的通道模具变形
使用电子束或γ辐射在室温下照射超高分子量聚乙烯的测试样品。使样品与敏化气体例如乙炔接触直至饱和时。随后将样品置于通道模具中在120℃下，并且通过因子2以单轴压缩变形进行变形。如用电子自旋共振测量的，使残留自由基浓度与在120℃下保持相同时间量的样品比较。
实施例11
伴随机械退火的温照射
用电子束辐射在120℃下绝热地(即，没有至环境的显著热量丧失)照射超高分子量聚乙烯的测试样品。随后将样品置于通道模具中在120℃下，并且通过因子2以单轴压缩变形进行变形。如用电子自旋共振测量的，使残留自由基浓度与在120℃下保持相同时间量的样品比较。
实施例12
在升高的温度下在混合的5％/95％乙炔/氮气的存在下的照射后退火，以减少大型聚乙烯测试样品中残留自由基的浓度
使GUR1050锤出的UHMWPE条料(直径3.5”)机械加工成4cm厚的圆柱体。使用Impela-10/50AECL10MeV电子束加速器(E-BeamServices，CranberryN.J.)使圆柱体在空气中照射至75kGy的剂量水平。使经照射的圆柱体机械加工成具有约2＝2＝2cm立方体尺度的测试样品。将2个测试样品置于2个分开的聚乙烯层压铝箔小袋中。通过抽真空随后用气体掺和物回填充小袋，用5％乙炔/95％氮气混合物(BOCGas，Medford，Mass.)净化1个小袋。使小袋密封且在乙炔/氮气掺和物的轻微正压下静置。使用相同方法用100％的氮气净化第2个小袋，并且用小袋内的氮气的轻微正压密封。
随后将2个小袋置于对流烤箱中在133℃下24小时。随后打开小袋，并且使测试样品进一步机械加工，以制备用于由电子自旋共振分析的样品。这些样品接近测试样品的体中心进行制备。
ESR分析显示在由经照射的聚乙烯制备的样品中基本上无法检测的自由基，所述经照射的聚乙烯在与5％乙炔/95％氮气混合物接触时进行退火。由在100％氮中退火的测试样品制备的样品显示自由基信号，这进行定量以代表6×1014自旋/克。
这个实施例显示甚至低浓度的敏化气体例如5％乙炔的存在也可以减少具有聚乙烯整形外科植入物一般尺度的大型测试样品中残留自由基的浓度，而不使所述测试样品加热至超过其熔点。自由基浓度中的这种减少超过通过对相同经照射的聚乙烯实施在100％氮的存在下的等同热历史获得的那种。
实施例13
在升高的温度下的照射后机械变形，以减少残留自由基的浓度
使GUR1050压缩塑模的UHMWPE条料机械加工成4×4×4cm尺度的立方体。使用γ照射使立方体在氮中照射至75kGy的剂量水平。使经照射的立方体机械加工成具有2×2×1cm立方体尺度的测试样品。将2个测试样品置于空气对流烤箱中，并且在空气中加热至135℃过夜(约10小时或更多)。随后将测试样品之一置于加热至135℃的铝通道模具中，并且压迫至约2的压缩比λ。随后释放压力，并且使样品静置以冷却至室温。另一个测试样品简单地从对流烤箱中取出，并且允许冷却至室温而无机械变形。
使这2个测试样品进一步机械加工。切割仅实施加热的测试样品，以从体中心中取出长5mm条片(约2×2cm横断面)。切割实施加热和通道模具压缩的另一个样品，以从体中心中取出长5mm条片(约2×2cm横断面)。条片的长轴与通道模具流动方向平行。随后用电子自旋共振分析这2个条片。
ESR分析显示由加热至135℃过夜的测试样品制备的条片中的自由基信号(这进行定量以代表2×1015自旋/克)。相比之下，由加热至135℃过夜且在那个温度下在通道模具(λ＝2)中机械变形的测试样品制备的条片中显示无法检测的残留自由基。这个实施例证实在升高的温度下的机械变形减少残留自由基的浓度。
实施例14
用差示扫描量热计(DSC)方法测定结晶度
差示扫描量热计(DSC)技术用于测量聚乙烯测试样品的结晶度。除非另有说明，由聚乙烯测试样品的体中心制备DSC样品。
用ANDGR202天平称重DSC样品至0.01毫克的分辨率，并且置于铝样品盘中。盘用铝盖进行卷边，并且置于TA仪器Q-1000差示扫描量热计中。首先使样品冷却至0℃，并且在0℃下保持5分钟以达到热平衡。随后以10℃/分钟的加热速率使样品加热至200℃。
随后通过从20℃到160℃的DSC痕迹整合计算就焦耳/克而言测量的熔化焓。通过100％结晶聚乙烯的理论熔化焓(291焦耳/克)通过标准化熔化焓测定结晶度。如对于技术人员显而易见的，依照本发明的教导还可以采用其他合适整合。
记录得自接近聚乙烯测试样品的体中心的3个样品的平均结晶度与标准差。
Q1000TA仪器DSC每天用铟标准就温度和焓测量进行校准。
实施例15
在升高的温度下照射和通道模具变形后，聚乙烯的结晶度测量
使GUR1050压缩塑模的UHMWPE条料机械加工成4×4×4cm尺度的立方体。使用γ照射使立方体在氮中照射至75kGy的剂量水平。使经照射的立方体机械加工成具有2×2×1cm立方体尺度的测试样品。将1个测试样品(CIMA-12)置于空气对流烤箱中，并且在空气中加热至135℃过夜(10小时)。随后将测试样品置于加热至135℃的铝通道模具中，并且压迫至约2的压缩比λ。随后释放压力，并且使样品静置以冷却至室温。
使经压缩的测试样品进一步机械加工，以制备来自接近体中心的样品以用于测定结晶度。使用Q1000TA仪器差示扫描量热计以10℃/分钟的加热速率和0℃-200℃的温度扫描范围，分析得自接近体中心的3个此类样品
随后通过从20℃到160℃的DSC痕迹整合计算熔化焓(就焦耳/克而言)。通过100％结晶聚乙烯的理论熔化焓(291焦耳/克)通过标准化熔化焓测定结晶度。
得自接近测试样品的体中心的3个样品的平均结晶度是58.9％，伴随0.7的标准差。
实施例16
经照射和机械变形的聚乙烯样品的自由基浓度和热氧化老化或加速老化行为
使GUR1050压缩塑模的UHMWPE条料机械加工成4×4×4cm尺度的立方体。使用γ照射使立方体在氮中照射至75kGy的剂量水平。使经照射的立方体机械加工成具有2×2×1cm立方体尺度的测试样品。将1个测试样品(CIMA-28)置于空气对流烤箱中，并且在空气中加热至135℃4小时。随后将测试样品置于加热至135℃的铝通道模具中，并且压迫至约2的压缩比λ。随后释放压力，并且将样品放回空气对流烤箱内，并且在135℃下加热另外4小时，以恢复大部分塑性变形。
通过在通道模具的流动方向中沿着样品长轴接近体中心通过切割3×3×10mm小片制备样品(参见图2中的A)。用电子自旋共振分析样品，并且未检测出残留自由基。其余一半测试样品进行进一步机械加工，以获得具有1×1×1cm尺度的立方体。随后对这个立方体样品(参见图2中的B)实施在空气对流烤箱中在80℃下的热氧化老化或加速老化共3周。这种老化方法将诱导聚乙烯中的氧化，如果存在残留自由基。在老化结束时，将立方体样品切成一半，并且进行超薄切片，以取出200微米的薄切片。根据如图2中所示远离超薄切片的切片边缘的深度，使用BioRadUMA500红外显微镜分析切片。用这种方法收集的红外光谱显示遍及超薄切片的切片无法检测的羰基振动，指出无法检测的氧化。使用上文实施例14中所述的DSC方法，还使用从所述老化测试样品中切割的3个样品测定老化测试样品的结晶度。当通过从20℃到160℃的DSC痕迹整合计算熔化焓时，3个样品的结晶度平均为59.2％，伴随0.9的标准差。
老化方法提供了关于电子自旋共振在显示下述中的另外支持：在升高的温度下的照射随后为机械变形导致残留自由基的浓度中的显著减少，和经照射的聚乙烯的热氧化稳定性中的增加。
实施例17
在升高的温度下在使用通道模具压缩的自由基减少后的退火
GUR1050UHMWPE条料用γ照射在氮中照射至75kGy。随后使经照射的块机械加工成具有2×2×1cm尺度的块。将这2个块置于空气对流烤箱中在133℃4小时。随后使这2个经加热的块在加热至133℃的通道模具中压缩。压缩比λ＝起始高度/最终高度是约2。在其冷却至室温后测量且记录这些块的尺度(参见表2)。
块之一(表2中的块I)随后在无负荷下在135℃下退火16小时，并且冷却至室温。在这个退火循环后，如表2中所示再次测量块的尺度。这个观察显示通过低于熔点退火显著恢复塑性变形。
另一个块(表2中的块II)在无负荷下在150℃下退火6小时，并且冷却至室温。在这个退火循环后，如表2中所示再次测量块的尺度。这个观察显示通过高于熔点退火几乎完全恢复塑性变形。
表2
实施例18
经加热且机械变形的经照射的交联聚乙烯与经照射的交联加热的聚乙烯比较的热氧化或加速老化行为
使GUR1050UHMWPE条料机械加工成9×9×4cm的块。块在真空包装中用γ照射至100kGy。随后使块机械加工成19mm立方体。
使4组立方体(对于每个温度n＝2)分别在125℃、128℃、132℃或135℃下加热1小时。随后，使每个经加热的立方体在保持在室温下的2块扁平铝板之间机械变形至4.5的压缩比λ。压缩位移在这个点下维持5分钟，以允许应力松弛发生。监控使位移在这个点下保持恒定所需的负荷。在5分钟结束时，负荷已降低且达到稳态，这这个点下从压力下取出样品。随后使所有变形的立方体在135℃下退火1小时，以部分恢复变形。随后使样品在压缩方向中机械加工成一半，以暴露内部表面用于加速老化。
制备另外4组立方体(对于每组n＝2)，以充当无变形历史的热对照。对这些立方体实施与上述4组那些相同的热历史。即，使4组分别在125℃、128℃、132℃或135℃下加热1小时。随后允许立方体冷却至室温，并且在135℃下退火1小时。随后使热对照样品在压缩方向中机械加工成一半，以暴露内部表面用于加速老化。
使加速老化测试样品置于空气对流烤箱中在80℃下且老化6周。在老化结束时，将样品切成一半，并且取出200μm的薄切片。根据在老化过程中与空气接触的经保留的内部自由表面的距离，使用BioRadUMA500红外显微镜以100微米间隔扫描薄切片。扫描用于发现最大限度羰基振动的定位。在这个最大限度羰基位置处收集的红外光谱用于指定关于那个老化立方体的氧化指数。通过使羰基振动下面积针对在1370cm-1振动下面积标准化计算氧化指数。样品中的氧化越高，羰基振动越强，并且因此氧化指数越高。
4组变形样品的氧化指数小于0.03。相比之下，热对照组显示对于125℃、128℃、132℃或135℃的预热温度分别1.3、1.2、1.2和1.3的氧化指数。
基于上述结果，得出结论单独的加热(低于熔点)不使经照射且交联的聚乙烯的氧化抗性改善至与加热和后续变形相同的程度。
应当理解说明书、特定例子和数据在指出示例性方面的同时，作为举例说明而给出并且不预期限制本发明。在本发明内的各种改变和修饰根据本文包含的说明书、公开内容和数据对于技术人员将变得显而易见，并且因此视为本发明的部分。
权利要求
1.制备包括聚乙烯组分的医疗装置的方法，其中所述方法包括步骤：
a)机械加工所述聚乙烯组分，其中所述聚乙烯组分已
i)在低于所述聚乙烯熔点的温度下照射，以便形成交联聚乙烯，
ii)在高于室温且低于所述交联聚乙烯熔点的温度下机械变形，以便减少所述残留自由基的浓度，和
iii)在低于所述交联聚乙烯熔点的温度下退火，以便允许形状恢复；
b)装配包括所述组分的所述医疗装置；
c)包装所述医疗装置；和
d)灭菌所述经包装的装置。
2.根据权利要求1的方法，其中所述变形温度和所述退火温度小于约140℃。
3.根据权利要求1的方法，其中所述辐射剂量水平是约1–约1,000kGy。
4.根据权利要求1的方法，其中所述辐射剂量水平是约25–约125kGy。
5.根据权利要求1的方法，其中所述机械变形在敏化环境的存在下执行。
6.根据权利要求1的方法，其中所述机械变形在敏化气体的存在下在这样的温度下执行，所述温度低于所述聚乙烯的熔点且高于室温。
7.根据权利要求1的方法，其中所述机械变形是单轴、通道流动、单轴压缩、双轴压缩、振荡压缩、张力、单轴张力、双轴张力、超声振荡、弯曲、平面应力压缩(通道模具)之一或其组合。
8.根据权利要求1的方法，其中所述照射在空气或惰性环境中执行。
9.根据权利要求1的方法，其中所述聚乙烯是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。
10.制备包括聚乙烯组分的医疗装置的方法，其中所述方法包括步骤：
a)机械加工所述聚乙烯组分，其中所述聚乙烯组分已
i)在高于室温且低于所述聚乙烯熔点的温度下照射，以便形成交联聚乙烯，
ii)在低于所述交联聚乙烯熔点的温度下机械变形，以便减少所述残留自由基的浓度，和
iii)在敏化环境中在低于所述交联聚乙烯熔点的温度下退火，以便允许形状恢复；
b)装配包括所述组分的所述医疗装置；
c)包装所述医疗装置；和
d)灭菌所述经包装的装置。
11.根据权利要求10的方法，其中所述辐射剂量水平是约1–约1,000kGy。
12.根据权利要求10的方法，其中所述辐射剂量水平是约25–约125kGy。
13.根据权利要求10的方法，其中所述敏化环境包括约5体积％乙炔和约95体积％氮。
14.根据权利要求10的方法，其中所述聚乙烯在照射前与敏化环境接触。
15.根据权利要求10的方法，其中所述照射在空气或惰性环境中执行。
16.根据权利要求10的方法，其中所述变形温度和所述退火温度小于约140℃。
17.根据权利要求10的方法，其中在高于环境大气压下执行在敏化环境的存在下的所述退火。
18.根据权利要求10的方法，其中所述敏化环境包括约5体积％乙炔和约95体积％氮。
19.根据权利要求10的方法，其中所述聚乙烯是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。
20.制备包括聚乙烯组分的医疗装置的方法，其中所述方法包括步骤：
a)在低于所述聚乙烯熔点的温度下照射聚乙烯，以便形成交联聚乙烯，
b)在高于室温且低于所述交联聚乙烯熔点的温度下使所述交联聚乙烯机械变形，以便减少所述残留自由基的浓度，并且随后允许所述聚乙烯冷却；
c)通过加热至低于所述交联聚乙烯熔点的温度，使所述经机械变形的交联聚乙烯退火，以便允许形状恢复；
d)机械加工所述经退火的经机械变形的交联聚乙烯组分，从而形成所述组分；
e)装配包括所述组分的所述医疗装置；
f)包装所述医疗装置；和
g)灭菌所述经包装的装置。
21.制备包括聚乙烯组分的医疗装置的方法，其中所述方法包括步骤：
a)在低于所述聚乙烯熔点的温度下照射聚乙烯，以便形成交联聚乙烯，
b)在高于室温且低于所述交联聚乙烯熔点的温度下使所述交联聚乙烯机械变形，以便减少所述残留自由基的浓度，并且随后允许所述聚乙烯冷却；
c)在敏化环境中在低于所述交联聚乙烯熔点的温度下，使所述经机械变形的交联聚乙烯退火，以便允许形状恢复；
d)机械加工所述经退火的经机械变形的交联聚乙烯组分，从而形成所述组分；
e)装配包括所述组分的所述医疗装置；
f)包装所述医疗装置；和
g)灭菌所述经包装的装置。
22.权利要求21的医疗装置，其中所述敏化环境包括乙炔。
23.制备包括聚乙烯组分的医疗装置的方法，其中所述方法包括步骤：
a)在惰性环境中包装所述装置；
b)在低于所述聚乙烯熔点的温度下照射所述经包装的装置；
c)在敏化环境的存在下同时在低于所述聚乙烯熔点的温度下使所述医疗装置退火，以便减少所述自由基的含量；
d)包装所述医疗装置；和
e)灭菌所述经包装的装置。
本发明申请的优选实施方式可以是：
1.方法，其包括：
使具有纤维生物量、微生物和水的混合物中的低分子量糖转变成除糖外的产物。
2.项目1的方法，其中转变包括允许所述微生物使至少部分所述低分子量糖转变成乙醇。
3.项目1或2的方法，其中所述微生物包括酵母，特别是选自酿酒酵母和树干毕赤酵母的酵母。
4.项目1或2的方法，其中所述微生物包括细菌例如运动发酵单胞菌。
5.上述项目中任一项的方法，其进一步包括在混合前，例如用电离辐射照射所述纤维生物量。
6.项目5的方法，其中照射使用粒子束执行。
7.项目5的方法，其中照射在所选择以减少所述生物量的分子量的条件下进行。
8.项目5的方法，其中所述电离辐射以至少约5Mrad的总剂量应用。
9.上述项目中任一项的方法，其中在加入到所述混合物中之前，所述纤维生物量具有小于约0.5g/cm3的堆密度。
10.上述项目中任一项的方法，其进一步包括在物理上制备生物量，例如通过剪切或经由石研磨、机械撕开或撕裂、针研磨、破碎或空气碾磨减少所述生物量的大小。
11.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量包括纤维素或木质纤维素材料。
12.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量具有大于0.25m2/g的BET表面积。
13.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量具有至少5的长度直径比。
14.上述项目中任一项的方法，其中转变包括发酵。
15.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量选自纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、海藻、藻类及其混合物。
16.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量具有内部纤维，并且所述生物量原料已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。
17.上述项目中任一项的方法，其中所述生物量具有大于50％例如大于70％的多孔性。
18.上述项目中任一项的方法，其进一步包括对所述生物量实施酶促水解。
19.项目18的方法，其进一步包括使所述经水解的材料转变成产物。
20.上述项目中任一项的方法，其中所述转变步骤显示出至少140％例如至少170％的性能％。
21.混合物，其包括：
低分子量糖，
生物量材料，和
溶剂。
22.项目21的混合物，其进一步包括微生物。
23.项目21或22的混合物，其中所述生物量选自纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、海藻、藻类及其混合物。

Claims (11)

1.混合物，其包括：
(a)低分子量糖，
(b)经处理的木质纤维素材料，其具有至少35％的多孔性和在分子链中排列的多个糖单位，其中每2个糖单位中的约1个至每250个糖单位中的约1个包括羧酸官能团，以及
(c)溶剂，
(d)发酵微生物，其中
经处理的木质纤维素材料包括这样的木质纤维素材料，其已经通过电离辐射进行照射而提供第一个原子团水平并且随后在氧化基质中淬灭至原子团处于低于第一个水平的第二个水平的程度，并且所述木质纤维素材料被氧化至产生羧酸基团的程度，并且所述羧酸基团充当用于通过微生物附着的受体位点。
2.权利要求1的混合物，其中所述辐射通过离子束照射提供。
3.权利要求1的混合物，其中所述电离辐射提供至少5Mrad的总剂量的辐射给所述木质纤维素材料。
4.权利要求1的混合物，其中所述微生物是酵母。
5.权利要求4的混合物，其中所述酵母选自酿酒酵母和树干毕赤酵母。
6.权利要求1的混合物，其中所述微生物是细菌。
7.权利要求1的混合物，其中所述低分子量糖是葡萄糖或木糖。
8.权利要求1的混合物，其中所述经处理的木质纤维素材料包括这样的木质纤维素材料，其已剪切并且所述木质纤维素材料的内部纤维已经基本上暴露。
9.权利要求1的混合物，其中所述经处理的木质纤维素材料具有小于约0.5g/cm3的堆密度
10.权利要求1的混合物，其中所述木质纤维素材料选自纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、海藻、藻类及其混合物。
11.权利要求1的混合物，其还包括醇。
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