CN107208120A - 快速预处理 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于在数秒内在低抑制剂形成的情况下预处理生物质的方法、系统和组合物。所述预处理过程用于通过使原料在压力和温度以及/或者化学反应物下经受快速保留时间来将生物质转化为燃料或其他有用的化学品。所述系统包括连续操作的阀排出装置，以在所述预处理系统上维持均匀压力的同时排出经预处理的原料。

Description

快速预处理
交叉引用
本申请要求2015年12月9日提交的美国临时申请第62/089,704号的权益，所述申请通过引用完整并入本文。
背景技术
在从生物质生产预处理终产物时，尽可能快速高效地进行预处理水解反应是有用的。碳水化合物聚合物的水解和与木质素分离的主要问题可能是产生各种副产物的可能性，这些副产物抑制纤维素的后续酶击或者所产生的糖的发酵。抑制剂形成的风险和期望碳水化合物的损失可能随着预处理时段延长而增加。此外，较长的预处理时间的能量需求可能增加该过程的成本。
增加的抑制剂还可能由于延长的酶水解和发酵时间而使成本升高，并且可能影响发酵终产物的产率。然而，减少的预处理水解时段可能意味着碳水化合物与木质素和蛋白质材料的不完全分离。此外，由此产生的结晶纤维素的不完全水解可能降低可用于酶水解和进一步发酵成期望终产物的碳水化合物。碳水化合物和随后发酵产物的这种降低的产率会令整个生物质利用过程更加昂贵。
用于预处理的方法和系统通常涉及在压力和热量下使用或不使用酸或碱长时段地处理生物质，所述长时段可以是一小时或更长时间。因此，需要能够高效处理生物质的更快速的做法，以便不仅降低预处理过程的成本，而且也降低酶水解和随后发酵的成本。
发明内容
在第一方面，本文公开了用于每天预处理至少一干吨生物质的工业规模方法，所述方法包括：(a)将所述生物质以每天至少一干公吨(MT)生物质的速率进给到挤出系统中，所述挤出系统包括限定包括进料区和反应区的内腔室的筒体；以及(b)在所述反应区内以升高的温度和压力对所述生物质进行处理达约少于20秒以生产经预处理的生物质组合物，所述生物质组合物包括液体馏分和固体颗粒，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
在一些实施方案中，所述挤出系统还包括一个或多个可旋转螺杆，所述一个或多个可旋转螺杆被配置用于使所述生物质从所述进料区并通过所述反应区而移动通过所述挤出系统。在一些实施方案中，所述一个或多个可旋转螺杆包括一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置用于从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述内腔室分离成包括所述进料区和所述反应区在内的两个或更多个区。一些实施方案包括一个、两个或三个可旋转螺杆。一些实施方案包括两个可旋转螺杆。
在一些实施方案中，所述生物质进给的速率至少约为2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干燥MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天。
一些实施方案还包括在所述反应区之前向所述生物质添加液体。在一些实施方案中，所述液体是水。在一些实施方案中，通过所述筒体上的一个或多个可密封端口将所述液体添加到所述进料区中。在一些实施方案中，添加所述液体以将所述生物质的水分含量增加至约从10-90％、15-85％、20-80％、30-70％或者约40-60％w/v。
在一些实施方案中，在所述反应区中对所述生物质进行处理达少于19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒。在一些实施方案中，在所述反应区中对所述生物质进行处理约达5至15秒。
在一些实施方案中，所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。在一些实施方案中，所述升高的温度约为150-300℃。
在一些实施方案中，所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。在一些实施方案中，所述升高的压力约为300-500PSI。
一些实施方案还包括将蒸汽注入到所述生物质中以增加温度和压力。在一些实施方案中，将所述蒸汽注入到所述反应区中。在一些实施方案中，所述蒸汽通过所述筒体中的一个或多个可密封端口注入。
一些实施方案还包括向所述反应区中的所述生物质添加化学剂。在一些实施方案中，所述化学剂包括酸、碱或其组合。在一些实施方案中，所述化学剂包括的酸是硫酸、过氧乙酸、乳酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、磷酸、盐酸、亚硫酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、草酸、苯甲酸或其组合。在一些实施方案中，所述化学剂包括的酸是硫酸。在一些实施方案中，添加所述化学剂约至0.1-20％w/v、1-15％w/v、1.5-10％w/v、1-10％w/v、1-5％w/v或2-4％w/v的水平。在一些实施方案中，添加所述化学剂约至2-4％w/v的水平。
在一些实施方案中，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％产率的C5单糖。在一些实施方案中，所述液体馏分包含与基于生物量的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
在一些实施方案中，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％产率的C6单糖。在一些实施方案中，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于35％产率的C6单糖。
在一些实施方案中，所述固体颗粒具有约1-500μm，1-250μm，1-200μm或1-150μm的大小范围。在一些实施方案中，所述固体颗粒具有约15-25μm的平均大小。
在一些实施方案中，所述方法产生低水平的一种或多种抑制剂化合物。在一些实施方案中，所述一种或多种抑制剂化合物包括甲酸、乙酸、羟甲基糠醛(HMF)、糠醛或其组合。在一些实施方案中，每MT干生物质产生小于30、25、20、15、10或5kg的甲酸。在一些实施方案中，每MT干生物质产生小于100、80、60、50、40、30、25、20、15、10或5kg的乙酸。在一些实施方案中，每MT干生物质产生小于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的羟甲基糠醛(HMF)。在一些实施方案中，每MT干生物质产生少于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的糠醛。
在一些实施方案中，所述生物质包括藻类、玉米、草、秸秆、谷物壳、木材、树皮、木屑、纸、杨木、柳木、柳枝稷、苜蓿、牧场须芒草、糖棕榈、水椰棕榈、木薯、高粱、蜀黍、白薯、糖蜜、块茎、根、梗、西米、木番薯、树薯、豌豆、豆类、土豆、甜菜、水果、果核、高粱、甘蔗、水稻、小麦、全麦、黑麦、大麦、竹子、种子、燕麦或其组合，或者其衍生物或副产物。在一些实施方案中，所述其衍生物或副产物包括玉米秸秆、玉米棒、玉米醪、玉米纤维、青贮饲料、甘蔗渣、酒糟、酒糟干可溶物、干酒糟、浓缩酒糟可溶物、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、纤维、果皮、稻草、稻壳、小麦秸秆、大麦秸秆、种皮壳、燕麦壳、食品废物、城市污水废物或其组合。在一些实施方案中，所述生物质包括木质生物质。
一些实施方案还包括用一种或多种酶水解包含纤维素的所述固体颗粒以产生单糖。
本文还提供了由本文所公开的所述方法中的任一种生产的经预处理的生物质组合物。
本发明还提供了包含C6单糖的糖流，其由本文所公开的所述方法中的任一种生产的所述固体颗粒的酶水解所生产。
在第二方面，本文公开了用于每天工业规模预处理至少一干吨生物质的系统，所述系统包括：(a)筒体，其限定内腔室，并且包括靠近所述筒体第一端的入口端口和在所述筒体第二端处的端部法兰盘；(b)一个或多个可旋转螺杆，其被配置用于使所述生物质移动通过所述筒体的内腔室并且容纳一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置用于从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述筒体的内腔室分离成包括进料区和反应区在内的两个或更多个区；以及(c)压力致动排出阀，其连接到所述端部法兰盘并且被配置成响应于所述筒体内的压力而打开和关闭，从而允许连续生产包含液体馏分和固体颗粒的经预处理的生物质组合物，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
一些实施方案包括一个、两个或三个可旋转螺杆。一些实施方案包括两个可旋转螺杆。
一些实施方案还包括被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆旋转的马达。在一些实施方案中，所述马达被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆以约100、250、400、500、750、1000、1100、1250、1500或2000RPM旋转。
在一些实施方案中，所述系统能够以至少约2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天的速率处理生物质。
在一些实施方案中，所述系统还包括连接到所述入口端口的料斗，用于向所述进料区中进给所述生物质。在一些实施方案中，所述料斗还包括进料器，所述进料器被配置用于使所述生物质从所述料斗移动通过所述入口端口。在一些实施方案中，所述进料器是被配置用于向所述进料区中均衡地分配所述生物质的递送螺旋钻。在一些实施方案中，所述料斗包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述料斗中的生物质添加液体。
在一些实施方案中，所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述进料区中的生物质添加液体。
在一些实施方案中，所述可旋转螺杆能够在约少于20、19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒内输送生物质通过所述反应区。在一些实施方案中，所述可旋转螺杆能够在约5至15秒内输送生物质通过所述反应区。
在一些实施方案中，所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加蒸汽。在一些实施方案中，所述桶还包括热护套。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于维持所述反应区中升高的温度。在一些实施方案中，所述升高的温度由蒸汽、热护套或其组合提供。在一些实施方案中，所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于维持所述反应区中升高的压力。在一些实施方案中，通过添加蒸汽、液体、生物质或其组合来维持所述升高的压力。在一些实施方案中，所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。
在一些实施方案中，所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加一种或多种化学剂。在一些实施方案中，所述化学剂包括酸，碱或其组合。
在一些实施方案中，所述压力致动排出阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。在一些实施方案中，所述压力致动排出阀包括提升阀。
在一些实施方案中，所述压力致动排出阀连接至致动器。在一些实施方案中，所述致动器是气动致动器、液压致动器、机电致动器或其组合。
在一些实施方案中，所述致动器在工作中耦合到背压控制单元。在一些实施方案中，所述背压控制单元在工作中耦合到一个或多个压力计。在一些实施方案中，所述一个或多个压力计经由所述筒体中的一个或多个可密封端口监测所述筒体中的压力。在一些实施方案中，所述一个或多个压力计中的至少一个被配置用于监测所述反应区内的压力。
在一些实施方案中，所述筒体还包括一个或多个端口，所述一个或多个端口包括温度计、压力计或其组合。
在一些实施方案中，所述系统还包括闪蒸罐。在一些实施方案中，所述闪蒸罐在所述经预处理的生物质组合物离开所述压力致动排出阀时收集所述经预处理的生物质组合物。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比小于35％产率的C6单糖。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于生产大小范围约为1-500μm、1-250μm、1-200μm或1-150μm的固体颗粒。
在一些实施方案中，所述系统被配置用于生产平均大小约为15-25μm的固体颗粒。
在一些实施方案中，所述生物质包括木质生物质。
援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入本文，程度如同具体地和单独地指出通过引用而并入每个单独的出版物、专利或专利申请。当通过引用并入的术语达到与本文定义的术语相冲突的程度时，以本说明书为准。
附图说明
本发明的新颖特征在随附权利要求中具体阐述。通过参考阐述了利用本发明原理的说明性实施方案的以下详细描述和附图，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，在附图中：
图1是用于本发明的装置的一个实施方案的示意图。
图2是用于本发明的装置的实施方案的不完整水平剖视图，图示了附接至本发明的双螺杆挤出机的筒体、螺杆和端阀。
图3是类似于图2的视图的截面图，描绘了具有双螺杆的挤出机。
图4是邻接排出阀端部的挤出机端板的截面图。
图5是挤出机端板以及邻接挤出机端部的阀板开口的示意性截面图。
图6是邻接挤出机端部的排出阀板端部的截面图，示出了密封件面层(“sealfacing”)。
图7是从双螺杆排出到出口孔口过渡的不完全水平剖视图。
图8是用于阀组件的外壳的水平剖视图。
图9是示出了阀组件如何装配到外壳中的图8的示意图。
图10是阀组件在外壳中的水平剖视图。
图11是用作排出阀的逐渐扩张文丘里管的一个实施方案的示意图，其中该阀大部分关闭。
图12是图11的逐渐扩张文丘里管实施方案的示意图，其中该阀大部分打开。
图13是示出根据本文公开的方法的实施方案的预处理之后的樱桃木屑生物质的颗粒大小分布的图表。
具体实施方式
如说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数的指代，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“一个纯化单体”包括两种或更多种纯化单体的混合物。本文所使用的术语“包括”与“包含”、“含有”或“特征为”同义，并且是包含性的或开放式的，而非排除附加的、未记载的元素或方法步骤。
本说明书中所使用的表示成分的量、反应条件等的所有数字应被理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非另有相反指示，本文所阐述的数值参数是能够根据寻求获得的期望性质而改变的近似值。至少，并且并非试图将本申请的等同原则限制于要求本申请优先权的任何申请的任何权利要求的范围，每个数值均应当根据有效数位的数目以及普通舍入方法来解释。
除非另有明确说明，否则无论本文中何处使用了短语“例如”、“诸如”、“包括”等，应当认为短语“但不限于”紧随其后。因此，“例如乙醇产物”意味着“例如但不限于乙醇产物”。
在本说明书和随后的权利要求书中，将提及应被定义为具有以下含义的多个术语。除非另有表征，否则本文使用的技术和科学术语具有如本领域普通技术人员通常理解相同的含义。
定义
除非另有表征，本文使用的技术和科学术语具有如本领域普通技术人员通常理解相同的含义。
“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或境况可能发生或者可能不发生，并且该描述包括所述事件或境况发生的情况以及不发生的情况。例如，短语“培养基可以可选地含有葡萄糖”意味着培养基可能含有或者可能不含有葡萄糖作为成分，并且该描述包括含葡萄糖的培养基和不含葡萄糖的培养基。
“约”意味着提及的数字指示加或减该提及的数字指示的10％。例如，术语约4将包括3.6到4.4的范围。
发酵是一种厌氧化学过程，通过发酵分解诸如葡萄糖和木糖等分子以释放能量，并合成发酵终产物。工业发酵过程开始于合适的微生物，诸如酵母和细菌，以及指定条件，诸如仔细调整营养物浓度。产物有许多种类型：来自各种糖的酵母发酵的醇、甘油和二氧化碳；来自各种细菌的丁醇、丙酮、乳酸、谷氨酸一钠和乙酸；以及来自霉菌发酵的柠檬酸、葡萄糖酸和少量抗生素、维生素B12以及核黄素(维生素B2)。乙醇和/或丁醇通过淀粉或糖的发酵生产，并且是液体生物燃料的重要来源。
“发酵性终产物”和“发酵终产物”在本文中可互换使用，以包括适合作为液体燃料、气体燃料、三酰基甘油(TAG)、试剂、化学原料、化学添加剂、加工助剂、食品添加剂、生物塑料和生物塑料前体以及其他产物的生物燃料、化学品、化合物。发酵性终产物的示例包括但不限于1,4二酸(琥珀酸、富马酸和苹果酸)、2,5呋喃二羧酸、3羟基丙酸、天冬氨酸、葡糖二酸、谷氨酸、衣康酸、乙酰丙酸、3-羟基丁内酯、甘油、山梨糖醇、木糖醇/阿拉伯糖醇、丁二醇、丁醇、甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、正丙烷、1-丙烯、1-丙醇、丙醛、丙酮、丙酸酯、正丁烷、1-丁烯、1-丁醇、丁醛、丁酸酯、异丁醛、异丁醇、2-甲基丁醛、2-甲基丁醇、3-甲基丁醛、3-甲基丁醇、2-丁烯、2-丁醇、2-丁酮、2,3-丁二醇、3-羟基-2-丁酮、2,3-丁二酮、乙苯、乙烯基苯、2-苯基乙醇、苯乙醛、1-苯基丁烷、4-苯基-1-丁烯、4-苯基-2-丁烯、1-苯基-2-丁烯、1-苯基-2-丁醇、4-苯基-2-丁醇、1-苯基-2-丁酮、4-苯基-2-丁酮、1-苯基-2,3-丁二醇、1-苯基-3-羟基-2-丁酮、4-苯基-3-羟基-2-丁酮、1-苯基-2,3-丁二酮、正戊烷、乙基苯酚、乙烯基苯酚、2-(4-羟基苯基)乙醇、4-羟基苯基乙醛、1-(4-羟基苯基)丁烷、4-(4-羟基苯基)-1-丁烯、4-(4-羟基苯基)-2-丁烯、1-(4-羟基苯基)-1-丁烯、1-(4-羟基苯基)-2-丁醇、4-(4-羟基苯基)-2-丁醇、1-(4-羟基苯基)-2-丁酮、4-(4-羟苯基)-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-2,3-丁二醇、1-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-丁酮、4-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-2,3-丁酮二酮、吲哚乙烷、吲哚乙烯、2-(吲哚-3-)乙醇、正戊烷、1-戊烯、1-戊醇、戊醛、戊酸酯、2-戊烯、2-戊醇、3-戊醇、2-戊酮、3-戊酮、4-甲基戊醛、4-甲基戊醇、2,3-戊二醇、2-羟基-3-戊酮、3-羟基-2-戊酮、2,3-戊二酮、2-甲基戊烷、4-甲基-1-戊烯、4-甲基-2-戊烯、4-甲基-3-戊烯、4-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、4-甲基-2-戊酮、2-甲基-3-戊酮、4-甲基-2,3-戊二醇、4-甲基-2-羟基-3-戊酮、4-甲基-3-羟基-2-戊酮、4-甲基-2,3-戊二酮、1-苯基戊烷、1-苯基-1-戊烯、1-苯基-2-戊烯、1-苯基-3-戊烯、1-苯基-2-戊醇、1-苯基-3-戊醇、1-苯基-2-戊酮、1-苯基-3-戊酮、1-苯基-2,3-戊二醇、1-苯基-2-羟基-3-戊酮、1-苯基-3-羟基-2-戊酮、1-苯基-2,3-戊二酮、4-甲基-1-苯基戊烷、4-甲基-1-苯基-1-戊烯、4-甲基-1-苯基-2-戊烯、4-甲基-1-苯基-3-戊烯、4-甲基-1-苯基-3-戊醇、4-甲基-1-苯基-2-戊醇、4-甲基-1-苯基-3-戊酮、4-甲基-1-苯基-2-戊酮、4-甲基-1-苯基-2,3-戊二醇、4-甲基-1-苯基-2,3-戊二酮、4-甲基-1-苯基-3-羟基-2-戊酮、4-甲基-1-苯基-2-羟基-3-戊酮、1-(4-羟基苯基)戊烷、1-(4-羟基苯基)-1-戊烯、1-(4-羟基苯基)-2-戊烯、1-(4-羟基苯基)-3-戊烯、1-(4-羟基苯基)-2-戊醇、1-(4-羟基苯基)-3-戊醇、1-(4-羟基苯基)-2-戊酮、1-(4-羟基苯基)-3-戊酮、1-(4-羟基苯基)-2,3-戊二醇、1-(4-羟基苯基)-2-羟基-3-戊酮、1-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-戊酮、1-(4-羟基苯基)-2,3-戊二酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)戊烷、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-戊烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-戊烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-1-戊烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-戊醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-戊醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-戊酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-戊酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-戊二醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-戊二酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-戊酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-羟基-3-戊酮、1-吲哚-3-戊烷、1-(吲哚-3)-1-戊烯、1-(吲哚-3)-2-戊烯、1-(吲哚-3)-3-戊烯、1-(吲哚-3)-2-戊醇、1-(吲哚-3)-3-戊醇、1-(吲哚-3)-2-戊酮、1-(吲哚-3)-3-戊酮、1-(吲哚-3)-2,3-戊二醇、1-(吲哚-3)-2-羟基-3-戊酮、1-(吲哚-3)-3-羟基-2-戊酮、1-(吲哚-3)-2,3-戊二酮、4-甲基-1-(吲哚-3-)戊烷、4-甲基-1-(吲哚-3-)-2-戊烯、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-戊烯、4-甲基-1-(吲哚-3)-1-戊烯、4-甲基-2-(吲哚-3)-3-戊醇、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-戊醇、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-戊酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-戊酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2,3-戊二醇、4-甲基-1-(吲哚-3)-2,3-戊二酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-羟基-2-戊酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-羟基-3-戊酮、正己烷、1-己烯、1-己醇、己醛、己酸酯、2-己烯、3-己烯、2-己醇、3-己醇、2-己酮、3-己酮、2,3-己二醇、2,3-己二酮、3,4-己二醇、3,4-己二酮、2-羟基-3-己酮、3-羟基-2-己酮、3-羟基-4-己酮、4-羟基-3-己酮、2-甲基己烷、3-甲基己烷、2-甲基-2-己烯、2-甲基-3-己烯、5-甲基-1-己烯、5-甲基-2-己烯、4-甲基-1-己烯、4-甲基-2-己烯、3-甲基-3-己烯、3-甲基-2-己烯、3-甲基-1-己烯、2-甲基-3-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、2-甲基-3-己酮、5-甲基-2-己酮、5-甲基-3-己酮、2-甲基-3,4-己二醇、2-甲基-3,4-己二酮、5-甲基-2,3-己二醇、5-甲基-2,3-己二酮、4-甲基-2,3-己二醇、4-甲基-2,3-己二酮、2-甲基-3-羟基-4-己酮、2-甲基-4-羟基-3-己酮、5-甲基-2-羟基-3-己酮、5-甲基-3-羟基-2-己酮、4-甲基-2-羟基-3-己酮、4-甲基-3-羟基-2-己酮、2,5-二甲基己烷、2,5-二甲基-2-己烯、2,5-二甲基-3-己烯、2,5-二甲基-3-己醇、2,5-二甲基-3-己酮、2,5-二甲基-3,4-己二醇、2,5-二甲基-3,4-己二酮、2,5-二甲基-3-羟基-4-己酮、5-甲基-1-苯基己烷、4-甲基-1-苯基己烷、5-甲基-1-苯基-1-己烯、5-甲基-1-苯基-2-己烯、5-甲基-1-苯基-3-己烯、4-甲基-1-苯基-1-己烯、4-甲基-1-苯基-2-己烯、4-甲基-1-苯基-3-己烯、5-甲基-1-苯基-2-己醇、5-甲基-1-苯基-3-己醇、4-甲基-1-苯基-2-己醇、4-甲基-1-苯基-3-己醇、5-甲基-1-苯基-2-己酮、5-甲基-1-苯基-3-己酮、4-甲基-1-苯基-2-己酮、4-甲基-1-苯基-3-己酮、5-甲基-1-苯基-2,3-己二醇、4-甲基-1-苯基-2,3-己二醇、5-甲基-1-苯基-3-羟基-2-己酮、5-甲基-1-苯基-2-羟基-3-己酮、4-甲基-1-苯基-3-羟基-2-己酮、4-甲基-1-苯基-2-羟基-3-己酮、5-甲基-1-苯基-2,3-己二酮、4-甲基-1-苯基-2,3-己二酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)己烷、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-1-己烯、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-己烯、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-1-己烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-己烯、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己烯、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-己醇、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-己醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己醇、5-甲基-1-(4-羟苯基)-2-己酮、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-己酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-己酮、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-己二醇、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-己二醇、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-己酮、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-2-羟基-3-己酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-3-羟基-2-己酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)2-羟基-3-己酮、5-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-己二酮、4-甲基-1-(4-羟基苯基)-2,3-己二酮、4-甲基-1-(吲哚-3-)己烷、5-甲基-1-(吲哚-3)-1-己烯、5-甲基-1-(吲哚-3)-2-己烯、5-甲基-1-(吲哚-3)-3-己烯、4-甲基-1-(吲哚-3)-1-己烯、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-己烯、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-己烯、5-甲基-1-(吲哚-3)-2-己醇、5-甲基-1-(吲哚-3)-3-己醇、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-己醇、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-己醇、5-甲基-1-(吲哚-3)-2-己酮、5-甲基-1-(吲哚-3)-3-己酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-己酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-3-己酮、5-甲基-1-(吲哚-3)-2,3-己二醇、4-甲基-1-(吲哚基-3)-2,3-己二醇、5-甲基-1-(吲哚-3)-3-羟基-2-己酮、5-甲基-1-(吲哚-3)-2-羟基-3-己酮、4-甲基(吲哚-3)-3-羟基-2-己酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2-羟基-3-己酮、5-甲基-1-(吲哚-3)-2,3-己二酮、4-甲基-1-(吲哚-3)-2,3-己二酮、正庚烷、1-庚烯、1-庚醇、庚醛、庚酸酯、2-庚烯、3-庚烯、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-庚酮、3-庚酮、4-庚酮、2,3-庚二醇、2,3-庚二酮、3,4-庚二醇、3,4-庚二酮、2-羟基-3-庚酮、3-羟基-2-庚酮、3-羟基-4-庚酮、4-羟基-3-庚酮、2-甲基庚烷、3-甲基庚烷、6-甲基-2-庚烯、6-甲基-3-庚烯、2-甲基-3-庚烯、2-甲基-2-庚烯、5-甲基-2-庚烯、5-甲基-3-庚烯、3-甲基-3-庚烯、2-甲基-3-庚醇、2-甲基-4-庚醇、6-甲基-3-庚醇、5-甲基-3-庚醇、3-甲基-4-庚醇、2-甲基-3-庚酮、2-甲基-4-庚酮、6-甲基-3-庚酮、5-甲基-3-庚酮、3-甲基-4-庚酮、2-甲基-3,4-庚二醇、2-甲基-3,4-庚二酮、6-甲基-3,4-庚二醇、6-甲基-3,4-庚二酮、5-甲基-3,4-庚二醇、5-甲基-3,4-庚二酮、2-甲基-3-羟基-4-庚酮、2-甲基-4-羟基-3-庚酮、6-甲基-3-羟基-4-庚酮、6-甲基-4-羟基-3-庚酮、5-甲基-3-羟基-4-庚酮、5-甲基-4-羟基-3-庚酮、2,6-二甲基庚烷、2,5-二甲基庚烷、2,6-二甲基-2-庚烯、2,6-二甲基-3-庚烯、2,5-二甲基-2-庚烯、2,5-二甲基-3-庚烯、3,6-二甲基-3-庚烯、2,6-二甲基-3-庚醇、2,6-二甲基-4-庚醇、2,5-二甲基-3-庚醇、2,5-二甲基-4-庚醇、2,6-二甲基-3,4-庚二醇、2,6-二甲基-3,4-庚二酮、2,5-二甲基-3,4-庚二醇、2,5-二甲基-3,4-庚二酮、2,6-二甲基-3-羟基-4-庚酮、2,6-二甲基-4-羟基-3-庚酮、2,5-二甲基-3-羟基-4-庚酮、2,5-二甲基-4-羟基-3-庚酮、正辛烷、1-辛烯、2-辛烯、1-辛醇、辛醛、辛酸酯、3-辛烯、4-辛烯、4-辛醇、4-辛酮、4,5-辛二醇、4,5-辛二酮、4-羟基-5-辛酮、2-甲基辛烷、2-甲基-3-辛烯、2-甲基-4-辛烯、7-甲基-3-辛烯、3-甲基-3-辛烯、3-甲基-4-辛烯、6-甲基-3-辛烯、2-甲基-4-辛醇、7-甲基-4-辛醇、3-甲基-4-辛醇、2-甲基-4-辛酮、7-甲基-4-辛酮、3-甲基-4-辛酮、6-甲基-4-辛酮、2-甲基-4,5-辛二醇、2-甲基-4,5-辛二酮、3-甲基-4,5-辛二醇、3-甲基-4,5-辛二酮、2-甲基-4-羟基-5-辛酮、2-甲基-5-羟基-4-辛酮、3-甲基-4-羟基-5-辛酮、3-甲基-5-羟基-4-辛酮、2,7-二甲基辛烷、2,7-二甲基-3-辛烯、2,7-二甲基-4-辛烯、2,7-二甲基-4-辛醇、2,7-二甲基-4-辛酮、2,7-二甲基-4,5-辛二醇、2,7-二甲基-4,5-辛二酮、2,7-二甲基-4-羟基-5-辛酮、2,6-二甲基辛烷、2,6-二甲基-3-辛烯、2,6-二甲基-4-辛烯、3,7-二甲基-3-辛烯、2,6-二甲基-4-辛醇、3,7-二甲基-4-辛醇、2,6-二甲基-4-辛酮、3,7-二甲基-4-辛酮、2,6-二甲基-4,5-辛二醇、2,6-二甲基-4,5-辛二酮、2,6-二甲基-4-羟基-5-辛酮、2,6-二甲基-5-羟基-4-辛酮、3,6-二甲基辛烷、3,6-二甲基-3-辛烯、3,6-二甲基-4-辛烯、3,6-二甲基-4-辛醇、3,6-二甲基-4-辛酮、3,6-二甲基-4,5-辛二醇、3,6-二甲基-4,5-辛二酮、3,6-二甲基-4-羟基-5-辛酮、正壬烷、1-壬烯、1-壬醇、壬醛、壬酸酯、2-甲基壬烷、2-甲基-4-壬烯、2-甲基-5-壬烯、8-甲基-4-壬烯、2-甲基-5-壬醇、8-甲基-4-壬醇、2-甲基-4-壬醇、2-甲基-5-壬酮、8-甲基-4-壬酮、8-甲基-4,5-壬二醇、8-甲基-4,5-壬二酮、8-甲基-4-羟基-5-壬酮、8-甲基-5-羟基-4-壬酮、2,8-二甲基壬烷、2,8-二甲基-3-壬烯、2,8-二甲基-4-壬烯、2,8-二甲基-5-壬烯、2,8-二甲基-4-壬醇、2,8-二甲基-5-壬醇、2,8-二甲基-4-壬酮、2,8-二甲基-5-壬酮、2,8-二甲基-4,5-壬二醇、2,8-二甲基-4,5-壬二酮、2,8-二甲基-4-羟基-5-壬酮、2,8-二甲基-5-羟基-4-壬酮、2,7-二甲基壬烷、3,8-二甲基-3-壬烯、3,8-二甲基-4-壬烯、3,8-二甲基-5-壬烯、3,8-二甲基-4-壬醇、3,8-二甲基-5-壬醇、3,8-二甲基-4-壬酮、3,8-二甲基-5-壬酮、3,8-二甲基-4,5-壬二醇、3,8-二甲基-4,5-壬二酮、3,8-二甲基-4-羟基-5-壬酮、3,8-二甲基-5-羟基-4-壬酮、正癸烷、1-癸烯、1-癸醇、癸酸酯、2,9-二甲基癸烷、2,9-二甲基-3-癸烯、2,9-二甲基-4-癸烯、2,9-二甲基-5-癸醇、2,9-二甲基-5-癸酮、2,9-二甲基-5,6-癸二醇、2,9-二甲基-6-羟基-5-癸酮、2,9-二甲基-5,6-癸二酮-十一烷、1-十一烯、1-十一醇、十一醛、十一酸酯、正十二烷、1-十二烯、1-十二醇、十二醛、十二酸酯、正十二烷、1-十二烯、正十三烷、1-十三烯、1-十三醇、十三醛、十三酸酯、正十四烷、1-十四烯、1-十四醇、十四醛、十四酸酯、正十五烷、1-十五烯、1-十五醇、十五醛、十五酸酯、正十六烷、1-十六烯、1-十六醇、十六醛、十六酸酯、正十七烷、1-十七烯、1-十七醇、十七醛、十七酸酯、正十八烷、1-十八烯、1-十八醇、十八醛、十八酸酯、正十九烷、1-十九烯、1-十九醇、十九醛、十九酸酯、二十烷、1-二十烯、1-二十醇、二十醛、二十酸酯、3-羟基丙醛、1,3-丙二醇、4-羟基丁醛、1,4-丁二醇、3-羟基-2-丁酮、2,3-丁二醇、1,5-戊二醇、高柠檬酸酯、高异柠檬酸酯、b-羟基己二酸酯、戊二酸酯、戊半醛、戊二醛、2-羟基-1-环戊酮、1,2-环戊二醇、环戊酮、环戊醇、(S)-2-乙酰乳酸、(R)-2,3-二羟基-异戊酸酯、2-氧代异戊酸酯、异丁酰-CoA、异丁酸酯、异丁醛、5-氨基戊醛、1,10-二氨基癸烷、1,10-二氨基-5-癸烯、1,10-二氨基-5-羟基癸烷、1,10-二氨基-5-癸酮、1,10-二氨基-5,6-癸二醇、1,10-二氨基-6-羟基-5-癸酮、苯乙醛、1,4-二苯基丁烷、1,4-二苯基-1-丁烯、1,4-二苯基-2-丁烯、1,4-二苯基-2-丁醇、1,4-二苯基-2-丁酮、1,4-二苯基-2,3-丁二醇、1,4-二苯基-3-羟基-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-4-苯基丁烷、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-1-丁烯、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-2-丁烯、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-2-丁醇、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-2,3-丁二醇、1-(4-羟基苯基)-4-苯基-3-羟基-2-丁酮、1-(吲哚-3)-4-苯基丁烷、1-(吲哚-3)-4-苯基-1-丁烯、1-(吲哚-3)-4-苯基-2-丁烯、1-(吲哚-3)-4-苯基-2-丁醇、1-(吲哚-3)-4-苯基-2-丁酮、1-(吲哚-3)-4-苯基-2,3-丁二醇、1-(吲哚-3)-4-苯基-3-羟基-2-丁酮、4-羟基苯基乙醛、1,4-二(4-羟基苯基)丁烷、1,4-二(4-羟基苯基)-1-丁烯、1,4-二(4-羟基苯基)-2-丁烯、1,4-二(4-羟基苯基)-2-丁醇、1,4-二(4-羟基苯基)-2-丁酮、1,4-二(4-羟基苯基)-2,3-丁二醇、1,4-二(4-羟基苯基)-3-羟基-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3-)丁烷、1-(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3-)-1-丁烯、1-二(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3)-2-丁烯、1-(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3)-2-丁醇、1-(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3)-2-丁酮、1-(4-羟基苯基)-4-(吲哚-3)-2,3-丁二醇、1-(4-羟基苯基-4-(吲哚-3)-3-羟基-2-丁酮、吲哚-3-乙醛、1,4-二(吲哚-3-)丁烷、1,4-二(吲哚-3)-1-丁烯、1,4-二(吲哚-3)-2-丁烯、1,4-二(吲哚-3)-2-丁醇、1,4-二(吲哚-3)-2-丁酮、1,4-二(吲哚-3)-2,3-丁二醇、1,4-二(吲哚-3)-3-羟基-2-丁酮、琥珀酸半醛、己烷-1,8-二羧酸、3-己烯-1,8-二羧酸、3-羟基-己烷-1,8-二羧酸、3-己酮-1,8-二羧酸、3,4-己二醇-1,8-二羧酸、4-羟基-3-己酮-1,8-二羧酸、甘油、岩藻依聚糖、碘、叶绿素、类胡萝卜素、钙、镁、铁、钠、钾、磷酸盐、乳酸、乙酸、甲酸、类异戊二烯以及聚异戊二烯，包括橡胶。此外，此类产物可以包括琥珀酸、丙酮酸、诸如纤维素酶、多糖酶、脂肪酶、蛋白酶、木质素酶和半纤维素酶等酶，并且可以作为纯化合物、混合物或者不纯或稀释形式存在。
发酵终产物还可以包括多元醇或糖醇；例如，甲醇、乙二醇、甘油、赤藓糖醇、苏糖醇、阿糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇，岩藻糖醇、艾杜糖醇、肌醇、庚七醇、异麦芽酮糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇和/或多糖醇(polyglycitol)。
本文所用术语“pH调节剂”具有本领域技术人员已知的其通常含义，并且可以包括将倾向于增加、降低或保持培养液或培养基的pH稳定的任何材料。pH调节剂可以是与存在的其它材料反应以使pH升高、降低或保持稳定的酸、碱、缓冲液或材料。在一个实施方案中，可以使用不止一种pH调节剂，诸如不止一种酸、不止一种碱、一种或多种酸与一种或多种碱、一种或多种酸与一种或多种缓冲液、一种或多种碱与一种或多种缓冲液，或者一种或多种酸与一个或多种碱以及一种或多种缓冲液。在一个实施方案中，缓冲液可在培养液或培养基中或者单独地生产，并分别通过在酸或碱中至少部分与碱或酸反应而用作成分。当使用不止一种pH调节剂时，它们可以在同一时间或不同时间添加。在一个实施方案中，将一种或多种酸和一个或多种碱组合，从而得到缓冲液。在一个实施方案中，诸如碳源或氮源等培养基组分用作pH调节剂；合适的培养基组分包括具有高或低pH的那些或具有缓冲能力的那些。示例性培养基组分包括具有残余酸或碱的酸水解或碱水解的植物多糖，经氨纤维爆破(AFEX)处理的具有残余氨、乳酸、玉米渣固体或液剂的植物材料。
本文所用术语“植物多糖”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括一种或多种糖和糖衍生物的聚合物以及糖聚合物的衍生物和/或其它存在于植物物质中的聚合物材料。示例性植物多糖包括纤维素、淀粉、果胶和半纤维素。其他的是壳多糖以及诸如藻酸、琼脂糖、角叉菜胶、紫菜聚糖、红藻胶和海萝聚糖等磺化多糖。通常，多糖可以具有两个或者更多个糖单元或糖单元衍生物。糖单元和/或糖单元衍生物能够以规则图案或以其他方式重复。糖单元可以是己糖单元或戊糖单元，或它们的组合。糖单元衍生物可以是糖醇、糖酸、氨基糖等。多糖可以是直链的、支链的、交联的或其混合。一种或一类多糖可以与另一种或另一类多糖交联。含有诸如纤维素、半纤维素，淀粉或果胶等植物多糖的生物质中糖类的浓度能够用单糖当量表示。单糖当量浓度是假定多糖完全水解成单糖的糖类的浓度。
本文所用术语“糖化”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括将植物多糖转化为可由当前生物体利用的较低分子量的种类。对于一些生物体，这将包括转化为高达约七个单体单元的单糖、二糖、三糖和寡糖，和相似大小的糖衍生物链以及糖和糖衍生物的组合。
本文所用术语“生物质”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括可以转化为生物燃料、化学品或其它产物的一种或多种生物材料。本文所用的生物质与术语“原料(feedstock)”同义，包括玉米糖浆、糖蜜、青贮饲料、农业残留物(玉米秸秆、草、稻草、谷物壳、纤维、甘蔗渣等)、动物废物(牛、家禽和猪的粪肥)、酒糟干可溶物(DDS)、干酒糟(DDG)、浓缩酒糟可溶物(CDS)、湿酒糟(DWG)、具有可溶物的干酒糟(DDGS)、木质材料(木材或树皮、木屑、木板和轧屑)、城市废物(废纸、回收卫生纸，庭院修剪物等)以及能源作物(杨树、柳树、柳枝稷、芒草、紫花苜蓿、牧场须芒草和包括大型藻类在内的藻类等等)。生物质的一个示例性来源是植物物质。植物物质例如可以是包括软木或硬木在内的木本植物物质、非木本植物物质、纤维素材料、木质纤维素材料、半纤维素材料、碳水化合物、果胶、淀粉、菊粉、果聚糖、葡聚糖、玉米、甘蔗、诸如稻谷、玉米、大麦、小麦、柳枝稷、高粱、高生物质高粱、竹子等禾本科植物、藻类和衍生自这些的材料。植物可处于其天然状态或者是基因改性的，例如，以便增加细胞壁的纤维素或半纤维素部分，或者产生额外的外源或内源酶从而促进细胞壁组分的分离。植物物质还可以包括植物细胞培养物或植物细胞组织培养物。植物物质可以通过参考诸如蛋白质、多糖和油等存在的化学种类来进一步描述。多糖包括各种单糖和单糖衍生物的聚合物，所述各种单糖和单糖衍生物包括葡萄糖、果糖、乳糖、半乳糖醛酸、鼠李糖等。植物物质还包括农业废物副产物或侧线馏出物(side stream)，诸如果渣、玉米浆、玉米渣、酒糟、果皮、果核、发酵废物、秸秆、木材、污水、垃圾和食品残留物。果皮可以是柑属植物，其包括但不限于橘皮、葡萄柚皮、橙皮、橘皮、青柠皮和柠檬皮。这些材料可以来自农场、林场、工业源、家庭等。生物质的另一非限制性示例是动物物质，例如包括牛奶、肉类、脂肪、动物加工废物和动物废物。“原料”通常用于指用于诸如本文所描述的那些过程等过程的生物质。
生物质可以源自农业作物、作物残留物、树木、木片、木屑、纸、纸板、草、藻类、城市废物和如上所述的其他来源。在一个实施方案中，生物质含有纤维素、半纤维素和/或木质纤维素材料。在一个实施方案中，生物质是木本的(杨木、桉木、柳木、松木等)。在另一实施方案中，生物质是非木本植物材料，诸如草、双子叶植物、单子叶植物等。其他生物质包括藻类生物质、无维管植物生物质和源自植物的加工物质；例如，外壳、酒糟、城市污水废物等。
在一个实施方案中，包括纤维素、半纤维素和/或木质纤维素的生物质组合物包括苜蓿、藻类、甘蔗渣、竹子、玉米秸秆、玉米棒、玉米纤维、玉米粒、玉米醪、玉米浆、玉米渣、酒糟、酒糟干可溶物、干酒糟、浓缩酒糟可溶物、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、桉木、食品废弃物、果皮、园地残留物、草、谷壳、改良作物、城市废物、燕麦壳、纸、纸浆、牧场须芒草、杨木、稻壳、种皮、青贮饲料、高粱、秸秆、甘蔗、柳枝稷、小麦、小麦秸秆、麦麸、脱粒麦麸、柳木、木材、植物细胞、植物组织培养物、组织培养物或其组合。
用于生物质的术语“干重”意指去除了全部或基本上全部水份的生物质的重量。干重通常根据美国材料与试验学会(ASTM，American Society for Testing and Materials)标准E1 756-01(用于确定生物质中总固体的标准测试方法)或美国制浆造纸工业技术协会公司(TAPPI，Technical Association of the Pulp and Paper Industry)标准T-412 om-02(纸浆、纸和纸板中的水分)进行测量。
本文所用术语“生产率”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括在给定体积中在给定时间内产生的感兴趣材料的质量。单位例如可以是每升-小时的克数或质量、体积和时间的其他组合。在发酵中，经常使用生产率来表征在给定的发酵体积内可以制造产物的速度。体积可以参考发酵器皿的总容积，发酵器皿的工作容积或正发酵的培养液的实际体积。该短语的上下文将指示意指给本领域技术人员的含义。生产率与“滴度”不同之处在于生产率包括时间项，而滴度类似于浓度。滴度和生产率通常可以在发酵期间的任何时间进行测量，诸如在开始，结束或在某个中间时间测量，其中滴度与在感兴趣的时间点存在或产生的特定材料的量相关，而生产率与在给定时间里每升生产的特定材料的量相关。在生产率确定中所使用的时间量可以是从发酵开始或从某其它时间开始，并且直到发酵结束，诸如当不产生附加的材料时或者收获物出现时，或者由使用该术语的上下文所指示的某其他时间。“总体生产率”是指通过利用最终滴度和总体发酵时间确定的生产率。
本文所用术语“生物催化剂”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括一种或多种酶和/或微生物，其包括溶液、悬浮液以及酶和微生物的混合物。在一些上下文中，该词将是指可能使用酶或微生物来服务于特定功能，在其他上下文中，该词将是指这二者的组合使用，以及在其他上下文中，该词将是指这二者中的仅一个。该短语的上下文将指示意指给本领域技术人员的含义。例如，生物催化剂可以是发酵微生物。术语生物催化剂包括诸如酵母、细菌或藻类等发酵微生物。
本文所用术语“转化效率”或“产率”具有本领域技术人员已知的通常含义，并且可以包括由大量底物制成的产物的质量。该术语可以表示为来自起始质量的底物的产物的百分比产率。对于从葡萄糖生产乙醇，净反应通常被认为是：
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2
并且理论最大转化效率或产率为51％(wt.)。通常，转化效率将以理论最大值为参考，例如“理论最大值的80％”。在将葡萄糖转化为乙醇的情况下，该陈述将指示转化效率为41％(wt.)。该短语的上下文将指示意指给本领域技术人员的底物和产物。
“预处理”或“经预处理的”在本文中用于指任何机械、化学、热学、生物化学过程或者这些过程的组合，无论是在组合步骤中还是依次操作，所述过程或过程的组合实现生物质的破坏或膨胀，以使生物质更容易被酶和/或微生物侵袭。在一个实施方案中，预处理包括木质素的去除或破坏，以使植物生物质中的纤维素和半纤维素聚合物更适用于纤维素酶和/或微生物，例如，通过用酸或碱处理。在一个实施方案中，预处理包括纤维素和/或半纤维素材料的破坏或膨胀。化学预处理过程包括但不限于漂白、氧化、还原、酸处理、碱处理、亚硫酸盐处理、酸亚硫酸盐处理、碱亚硫酸盐处理、氨处理和水解。热预处理过程包括但不限于杀菌、氨纤维膨胀或爆破(“AFEX”)、蒸汽爆破、高温保持、加压或非加压、存在或不存在水以及冷冻。生化过程包括但不限于用由包括基因改性的植物所产生的酶在内的酶处理以及用微生物处理。可以使用的各种酶包括纤维素酶、淀粉酶、β-葡糖苷酶、木聚糖酶、葡糖酸酶和其他多糖酶；溶菌酶；漆酶和其他木质素改性酶；脂氧合酶、过氧物酶和其他氧化酶；蛋白酶；以及脂肪酶。机械过程、化学过程、热学过程、热化学过程和生物化学过程中的一种或多种可以结合或者单独使用。这样的结合的过程还可以包括在生产纸张、纤维素产品、微晶纤维素和纤维素制品中所使用的那些，并且可以包括制浆、硫酸盐法制浆、酸性亚硫酸盐加工。原料可以是侧线馏出物或废物流，其来自对诸如纤维素、半纤维素或木质纤维素材料等生物质材料利用这些过程中的一种或多种的设施。示例包括造纸厂、纤维素制品厂、蒸馏厂、棉花加工厂和微晶纤维素厂。原料还可以包括含纤维素或含纤维素制品的废料。原料还可以是诸如木材、草、玉米、淀粉或糖类等生物质材料，其作为用于诸如通过生物催化剂来生产乙醇或其他产物的预期原料而生产或收获。
可以进行对生物质组合物的预处理，使得任何固体的大小降低。降低生物质组合物中固体的大小可能是有利的，这是因为较小的颗粒具有较大的表面积与体积比率。提高表面积与体积的比率可能是有利的，这是因为其例如可以增加颗粒润湿的速率(例如，使用水或诸如酸或碱等化学剂)，增加酶对生物质中多糖的可及性，使得在生物质的水解期间能够使用较小剂量的酶，使得在预处理和/或水解步骤期间能够使用更少或更少量的化学品(例如，酸或碱)，使得在预处理或水解步骤中能够使用较弱的酸或碱，使得在任何进一步的处理步骤中(例如，在水解步骤期间)能够使用较高浓度的固体，以及/或者提高来自生物质水解的糖类的产率。
在大小上可以将生物质组合物降低为具有均匀或基本均匀的大小的颗粒混合物。这样的混合物可以称为均匀混合物。就进一步预处理过程而言和/或在产生糖类流的水解期间，均匀颗粒混合物与具有不均匀大小的颗粒混合物相比可能具有许多优点。例如，不均匀颗粒混合物在热和热化学处理步骤期间可能经历不均衡的加热。不均衡的加热可以导致颗粒的过度蒸煮(例如，炭化/燃烧)和/或颗粒的蒸煮不足。颗粒的碳化或燃烧可以降低来自颗粒水解的糖类的产率；这可能是由于诸如淀粉、半纤维素和/或纤维素等糖类聚合物的降解或变性的原因。颗粒蒸煮不足可能在酶或化学水解期间造成未水解的糖类聚合物(例如，淀粉、半纤维素、纤维素)，这也会降低糖类的产率。相比之下，使用具有均匀大小的颗粒混合物(例如，均匀混合物)可以实现均匀的加热、润湿、化学处理(例如，酸或碱处理)和/或酶水解。
本文使用“糖化合物”、“糖流”、“糖类化合物”或“糖类流”来主要指示溶解、结晶、蒸发或部分溶解的单糖，包括但不限于己糖和戊糖；糖醇；糖酸；糖胺；含有通过共价键或离子键直接或间接链接在一起的这些中的两个或更多个的化合物；及其混合物。本说明书中包括二糖；三糖；寡糖；多糖；和任何长度的支链和/或直链的糖链。糖流可以主要或基本上由C6糖、C5糖或者C6糖和C5糖二者以不同比率的所述糖的混合物组成。C6糖具有六碳分子主链，而C5糖具有五碳分子主链。术语“糖”和“糖类”在本文中可互换使用。
“液体”或“水性”组合物可以含有固体，并且“固体”组合物可以含有液体。液体组合物是指其中材料主要是液体的组合物，而固体组合物是其中材料主要是固体的组合物。
术语“kPa”是指压力单位千帕。标准大气压，将由10g质量置于1cm2面积上所施加的压力定义为101.325kPa。术语“psi”或“PSI”是指每平方英寸的磅力。这是一磅力施加于一平方英寸面积所得到的压力。
描述
以下描述和示例详细说明了本公开内容的一些示例性实施方案。本领域技术人员将认识到本公开内容存在众多变化和修改，其均为本公开内容的范围所涵盖。因此，对某一示例性实施方案的描述不应被视作是限制本公开内容的范围。
本文公开了使用高生物质浓度条件有效快速地处理生物质的方法。不同于可以将生物质材料长时间地保留在腔室中的现有方法，已经发现对这些材料的处理可以避免在热和化学处理下保留时间较长，从而避免C5糖、蛋白质和木质素降解为不期望的产物，诸如HMF和糠醛，同时允许碳水化合物材料——单体糖和聚合糖二者与其他生物质组分的分离。通常在预处理期间形成的抑制剂是乙酸(在C5糖释放期间形成)，并且还有甲酸、糠醛和HMF。后三种化合物的形成很大程度上取决于预处理期间的温度、压力和生物质停留时间。
此外，已经发现结晶纤维素的溶解不受曝光时间短的阻碍。这些方法还可以使生物质均匀地加热和加压，以改善处理反应物对生物质的接近。在这一过程中，能够产生栓塞(plug)，所述栓塞将生物质剪切成较小的颗粒，并进一步增加反应物的接近以水解和释放C5聚合物，同时还释放和溶解C6聚合物。在一个实施方案中，将生物质移动通过其中施加了蒸汽和压力的反应区，然后添加酸，最后通过快速打开和关闭端阀将材料释至大气压。整个过程在数秒钟内发生，从而与本领域已知的预处理方法相比，导致了热机械和化学水解的生物质的抑制剂水平降低或减小。
在一些情况下，本文提供的预处理方法允许糖在快速时间范围内的释放和解聚。糖可以在非常短的时间段内释放和解聚。该时间段可以小于20秒。通常，在反应区中的时间可以从1秒到小于20秒变化。这提供了使生物质持续移动通过管，从而导致不含、基本不含或几乎不含有抑制剂的经快速预处理的生物质。
本文描述了用于在酶水解之前快速处理木质纤维素、纤维素、半纤维素等生物质材料的改进的、低成本、节能的预处理设备和方法，其包括使用或不使用化学品的热机械处理以及由压力驱动的可变端阀控制的反应挤出。本文公开的方法可以包括使用这样的设备：所述设备包括分成管状区的圆柱形腔室，其中生物质可以连续地或分批地移动通过圆柱形腔室；大小得以减小；并且在经受温度和压力的快速差异(例如，爆破减压)之前在不同的管状区中使用压力、热量、化学品或其组合进行处理。生物质可以通过螺杆式机构移动，诸如存在于挤出机中的单螺杆、双螺杆或甚至三螺杆。或者，生物质可以通过诸如块或其他机械压力、由空气、油、活塞、真空或重力实现的差分静水压力等机构移动。这些机构还可以具有用于将生物质推动或向前驱动或分离进入用于特定处理或添加材料的腔室或区中的功能。
总的来说，用于该系统的挤出机包括细长的筒体，该筒体呈现出材料入口和邻近其相对端部的材料出口，该筒体内具有用于将材料从入口端向其出口端推进的一个或多个细长可轴向旋转的螺杆。螺杆被设计用于使材料的流动顺畅，同时减小其大小，并且各个螺杆元件被布置成增加或减少流动，或者在筒体内形成生物质的栓塞。在出口处在压力下与端阀耦合的(一个或多个)螺杆控制在生物质移动通过筒体并从其移出时施加给生物质的速度、压力和部分温度。
本领域技术人员将理解，可以使用各种经改进以包括本文描述的快速处理和水解的处理生物质的方法，来生产具有低水平的抑制剂的高水平的碳水化合物。例如，Andritz(US2014/0034260 A1)的管法可以与本发明的可分离内腔室和端阀过程相配合。所述方法可以使用双螺杆挤出机来执行。类似地，单螺杆或多螺杆挤出机可适用于本方法。此外，在预处理期间可以使用酸、碱或其它化学品，或者可以单独采用蒸汽。
本文公开的系统和方法可以用于以高速率的吞吐率对生物质进行工业规模的预处理。例如，据估计生物质可以依据本文公开的一些方法，通过连续操作双螺杆挤出机，依据下表1移动通过并得到处理。
表1
在一般概述中，该装置及其在挤出机中的用途如下描述。筒体螺杆反应器可以包括金属圆柱形筒体(其可以衬有诸如陶瓷、玻璃、铝、哈氏合金(hasteloy)、钛等特殊材料)，该金属圆柱形筒体具有可以从例如30mm到220mm的直径或者更大变动的大小，并配备有一个或多个水平或垂直取向的螺杆。筒体可以分成单独的部分，并且沿着顶面、侧面和/或底面可以配备有多个使用端口。这样的多个使用端口可以是可密封端口。多个使用端口可以允许注入水、蒸汽、酸或其他化学品。多个使用端口可以允许插入用于测量筒体内部温度和压力的热电偶和/或压力计。可以根据需要添加附加的端口。反应器筒体可配备有电加热元件或蒸汽护套，以均衡加热筒体。备选地或者另外，加热可以通过注入蒸汽来供给。反应器筒体可以附接到排出到闪蒸罐或其他容器中的导管上。闪蒸罐可以使用不锈钢构造。筒体可以通过具有座端的导管与闪蒸罐隔离，所述座端具有压力致动的排出阀布置，该排出阀布置能够根据阀上的背压和系统内的压力对位置进行连续调整。排出阀布置可以在中间包括金属或陶瓷密封座，以允许生物质的爆破排出。压力致动的阀布置可以包括连接到轴的锥形喷嘴(参见图1和图2)。端阀的直径可随机器的大小而变化，并且通常范围为30mm至220mm或更大。锥形喷嘴可以连接到轴上，该轴附接到背压发生器中的致动器上。致动器可以提供由背压发生器调节的气压，所述背压发生器监测压力。压力可以是高压，使得不会发生回流并且限制材料流动到管外。锥形喷嘴和座上的背压可以是可调整的。例如，可以使用到轴上50psi至600psi(表压)的背压进行操作，该轴连接至端部剪切阀的锥形喷嘴。端部剪切阀的锥体可以在完全关闭和完全打开位置之间以及任何中间位置行进。端部剪切阀出口处的导管可以将处理的固体向下引导到闪蒸罐的底部中，在该处可以分离并容易地去除固体和蒸汽。
图1示出了本文所提供的一种类型的反应器设计的实施方案。反应器可以是商业规模的反应器。它包括装配有双螺杆(未示出)的水平圆柱形筒体31和附接在筒体第二端处的特殊端部法兰14处的排出阀17。筒体可以是绝缘的，并且可以具有不可渗透式壁。用于移动螺杆的马达24可以附接在第一端附近。马达例如可以是电动马达与变速箱组合，具有或不具有滑轮和V形带或者使螺杆转动的任何其它机构。马达也可以是，例如但不限于同步扭矩马达。料斗20可以附接到筒体31的密封端的入口。可以通过料斗20的开口添加生物质。生物质可以是本文所提供的任何生物质。可以有用于不压实或压实流动生成物的进料器(未示出)，诸如控制生物质从料斗20到筒体31的添加的填料机。压实和/或非压实进料器可以是本领域已知的任何压实和/或非压实装载器。例如，非压实流动诱导进料器可以是非压实进料器或各种类型的活底箱流动诱导器，其后是流量计量输送机，诸如各种类型的牵引链、斗式提升机或旋转螺旋。在其最简单的形式中，非压实进料器可以是指手动将生物质装载到圆柱形筒体的敞开第一端中。压实进料器可以包括机械压实。可以通过提供诸如往复式柱塞或螺旋进料器等机械压实装置来实现机械压实。筒体31可以具有第一可密封端口29，用于在管移动远离料斗端时添加水以使该管中的生物质水合。螺杆可以设计成具有形成高剪切栓塞P1的部分，高剪切栓塞P1可以在添加水之后但在通过端口32和33添加蒸汽之前发生。高剪切栓塞P1可以将生物质破裂成大小较小(例如，约10至200微米)的颗粒。形成的栓塞可以将生物质分离成可以彼此不同地处理的部分或区。螺杆穿过不可渗透式筒室30的运动将生物质和水混合物从进料区推动到第一区91中。端口32、33在第一栓塞形成后向筒体添加加压蒸汽(例如，从约300psi至600psi)，从而将筒体压力增大到期望的温度和压力(例如，压力为600psi且温度为253℃)。可以在添加酸性水溶液(或其它化学品，例如碱)之前形成第二栓塞P2，并且第二栓塞P2可以将材料分离到第二区92中。在该第二区中，可以将C6聚合物溶解并且/或者可以将C5聚合物水解成单糖。在该区中可以维持热机械条件。在通过34添加酸(或碱溶液)之后，在生物质移动通过圆柱形筒室30时，可以形成第三栓塞P3。在形成第三栓塞之后也可以添加酸(或碱溶液)。在该第三区93中可以发生糖的进一步溶解，并且如果需要，可以通过第三区93中的另一端口(未示出)添加更多的水。
第三区93远端处的端阀17在座设时包括反应区R1的一部分。端阀可以处于恒定压力下。可以向筒形圆柱体31添加背压调节器(例如，参见图11和图12)，使得背压调节器监测区93端部处的压力。监测可以是连续的。背压调节器用来通过凭借连接到致动器的轴60(例如，参见图12和图13)打开和关闭端阀17(例如，连续地)来维持设定的压力。致动器可以是本文所提供的任何致动器。例如，致动器可以是气动致动器。阀活动可以快速发生以打开端阀17并将加压材料释放到通向敞开的闪蒸罐70的导管62中，从而吹出经处理的生物质并将温度和压力从几百psi迅速降至大气压。随着压力下降，背压调节器促使致动器经由轴60的运动而将端阀17关闭。压力差可以根据进一步溶解C6糖所需的量而变化。当在理想条件下操作时，端阀17可能永远不会完全关闭，并且永远不会完全打开，轴60在致动器的控制下来回移动。
在一些情况下，本文提供的任何设备可包括致动器。致动器可以由调节器控制。如本文提供的设备上的致动器可以是本领域已知的任何类型的机械、机电、线性、压电、超声、液压、电动液压、气动、分段式主轴、移动线圈或动铁式的可控致动器或马达。在一些情况下，如本文提供的设备中的致动器包括气动致动器。气动致动器可以是活塞致动器。在一些情况下，如本文提供的设备中的致动器包括液压致动器。机械致动器的示例可以包括螺杆式致动器(例如，导螺杆、螺旋千斤顶、滚珠螺杆或滚柱螺杆)、轮和轴(例如，起重机、绞盘、齿条和齿轮、链传动装置、皮带传动装置、刚性链或刚性带)、活塞致动器、隔膜致动器或凸轮致动器。如本文提供的用于控制任何设备中的致动器的调节器可以是压力调节器。压力调节器可以是背压调节器。压力调节器(例如，背压调节器)可以是单级调节器或双级调节器。压力调节器可以包括制约元件、加载元件和测量元件。制约元件可以是诸如球形、蝶形或提升阀等阀。为了精确控制，诸如线性球形阀等阀可以正常工作。其他类型的阀可以是快速开启的球形阀、浮球阀、蝶形阀或等百分比球形阀。
加载元件可以是与弹簧相组合的重物、弹簧或致动器(例如，活塞或隔膜致动器)。在一些情况下，本文提供的任何设备中的压力调节器是气动压力调节器。气动压力调节器与改造的提升阀一起工作。例如，可以使用ED05系列E/P压力调节器(Bosch Rexroth AG)。在一些情况下，本文提供的任何设备中的压力调节器是液压压力调节器。压力调节器还可以与用于测量如本文提供的设备内的流速的流量计连通和/或包括所述流量计。流量计可以是本领域已知的流量计、转子流量计或质量流量控制器。
筒形圆柱体31内的三个圆柱形腔室(区)91、92和93以及通过阀至大气压的排出导管62包括在其处发生生物质预处理的反应区R1。只要材料处于升高的温度和压力下，在筒室30内就会发生对输入到筒形圆柱体31中的生物质的预处理，因此当将材料闪蒸到大气时，反应区R1结束。该区中的热化学和机械压力以及停留时间可以依照正预处理的生物质的类型而变化。本领域技术人员将认识到具有高浓度的易溶解和水解的碳水化合物聚合物的生物质材料可能需要较少的时间和/或较小的压力和温度。
与本领域已知的其它预处理系统相比，在反应区中的停留时间能够非常短。在如本文提供的设备的反应区(例如，图1，R1)中的停留时间可以小于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50、55或60秒。在如本文提供的设备的反应区(例如，图1，R1)中的停留时间可以约为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50、55或60秒。在如本文提供的设备的反应区(例如，图1，R1)中的停留时间可以在约1秒至约2之间、约1秒至约3秒之间、约1秒至约4秒之间、约1秒至约5秒之间、约1秒至约6秒之间、约1秒至约7秒之间、约1秒至约8秒之间、约1秒至约9秒之间、约1秒至约10秒之间、约1秒至约15秒之间、约1秒至约20秒之间、约2秒至约4秒之间、约2秒至约6秒之间、约2秒至约8秒之间、约2秒至约10秒之间、约2秒至约15秒之间、约2秒至约20秒之间、约5秒至约10秒之间、约5秒至约15秒之间、约5秒至约20秒之间、约10秒至约12秒之间、约10秒至约14秒之间、约10秒至约16秒之间、约10秒至约18秒之间、约10秒至约20秒之间、约15秒至约20秒之间、约20秒至约30秒之间、约30秒至约45秒之间或者约45秒至约60秒之间。压力可以从0至800psi变化，优选地从300至700psi变化。温度范围很宽，从100℃至260℃或者以上，优选从160℃至230℃。所使用的温度常常取决于生物质中纤维素纤维的结晶度；例如，软木具有较高百分比的结晶纤维素并且需要210-240℃的温度。可以添加或可以不添加酸以帮助反应，并且可以在每干吨生物质0wt％的纯化学品到每干吨生物质8wt％的纯化学品内变动，优选在1wt％至5wt％内变动。
在另一实施方案中，可以在如本文提供的设备中在升高的温度和/或压力下对如本文提供的生物质进行预处理。在一个实施方案中，在20℃至400℃的温度范围内对生物质进行预处理。在另一实施方案中，在约20℃、25℃、30℃，35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、80℃、90℃、100℃、120℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃或更高的温度下对生物质进行预处理。在另一实施方案中，通过使用蒸汽、热水或热气体来提供升高的温度。在一个实施方案中，可以将蒸汽注入到含有生物质的器皿或筒室中。在另一实施方案中，可以将蒸汽、热水或热气体注入到器皿护套中，使得其加热但不直接接触生物质。在另外的实施方案中，可以使用电动筒体加热器从外部施加热量。
在另一实施方案中，可以在如本文提供的设备中在升高的温度和/或压力下对如本文提供的生物质进行预处理。在一个实施方案中，在从0至800PSI的压力范围下对生物质进行预处理。在一些实施方案中，在高于大气压的压力下进行对在如本文提供的装置中预处理的生物质进行加热。压力可以从约25PSI至约800PSI。压力可以从约300PSI和约500PSI。压力可以约为400PSI。例如，压力可以约为25-800、25-700、25-600、25-500、25-250PSI、25-225PSI、25-200PSI、25-175PSI、25-150PSI、25-125PSI、25-100PSI、25-75PSI、25-50PSI、50-225PSI、50-200PSI、50-175PSI、50-150PSI、50-125PSI、50-100PSI、50-75PSI、75-200PSI、75-175PSI、75-150PSI、75-125PSI、75-100PSI、100-175PSI、100-150PSI、100-125PSI、125-150PSI、25PSI、30PSI、35PSI、40PSI、45PSI、50PSI、55PSI、60PSI、65PSI、70PSI、75PSI、80PSI、85PSI、90PSI、95PSI、100PSI、105PSI、110PSI、115PSI、120PSI、125PSI、130PSI、135PSI、140PSI、145PSI、150PSI、155PSI、160PSI、165PSI、170PSI、175PSI、180PSI、185PSI、190PSI、195PSI、200PSI、205PSI、210PSI、215PSI、220PSI、225PSI、230PSI、235PSI、240PSI、245PSI、250PSI、300PSI、350PSI、400PSI、450PSI、500PSI、550PSI、600PSI、650PSI、700PSI、750PSI、800PSI、850PSI、900PSI、950PSI或1000PSI。在一个实施方案中，压力为从约25PSI至约250PSI。在另一实施方案中，压力为从约75PSI至约200PSI。在另一实施方案中，压力为从约100PSI至约400PSI。
在一个实施方案中，可以对一种或多种酸进行组合，从而得到可以用于在如本文提供的设备中进行对如本文提供的生物质的预处理的缓冲液。在一些情况下，pH可以降低至中性pH或酸性pH，例如pH为7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5、4.0或更低。例如，用于在如本文提供的设备中对如本文提供的生物质进行预处理的非中性水性培养基可以具有小于7、6.5、6、5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5或1的pH。例如，非中性水性培养基可以具有约为下列值的PH：6.5、6.4、6.3、6.2、6.1、6、5.9、5.8、5.7、5.6、5.5、5.4、5.3、5.2、5.1、5、4.9、4.8、4.7、4.6、4.5、4.4、4.3、4.2、4.1、4、3.9、3.8、3.7、3.6、3.5、3.4、3.3、3.2、3.1、3、2.9、2.8、2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或更低。在一些实施方案中，将pH降低和/或维持在约pH4.5至约7.1、或约4.5至约6.9、或约pH 5.0至约6.3、或约pH 5.5至约6.3、或约pH 6.0至约6.5、或约pH 5.5至约6.9或约pH 6.2至约6.7的范围内。
在一些实施方案中，在如本文提供的设备中对如本文提供的生物质的预处理包括在pH大于7的非中性水性培养基中对生物质组合物的水合。例如，非中性水性培养基可以具有大于7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5或更高的pH。例如，非中性水性培养基可以具有约为下列值的PH：7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10、10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6、10.7、10.8、10.9、11、11.1、11.2、11.3、11.4、11.5、11.6、11.7、11.8、11.9、12、12.1、12.2、12.3、12.4、12.5、12.6、12.7、12.8、12.9、13、13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6、13.7、13.8、13.9或更高。pH大于7的非中性水性培养基可以包括一种或多种碱，诸如氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氨、氢氧化铵、过氧化氢或其组合。一种或多种碱能够处于任何合适的浓度，诸如本文所公开的任何浓度。
在一些实施方案中，生物质组合物的预处理包括生物质组合物在非中性水性培养基中的水合，所述非中性水性培养基包括以干生物质重量计从约0.1％至约50％w/w或v/w的的一种或多种酸或一种或多种碱。例如，非中性水性培养基可以包括约25-50％、10-50％、10-25％、5-50％、5-25％、5-10％、4-50％、4-25％、4-10％、4-5％、3-50％、3-25％、3-10％、3-5％、3-4％、2-50％、2-25％、2-10％、2-5％、2-4％、2-3％、1-50％、1-25％、1-10％、1-5％、1-4％、1-3％、1-2％、0.5-50％、0.5-25％、0.5-10％、0.5-5％、0.5-4％、0.5-3％、0.5-2％、0.5-1％、0.5-％、0.1-50％、0.1-25％、0.1-10％、0.1-5％、0.1-4％、0.1-3％、0.1-2％、0.1-1％、0.1-0.5％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9.5％、9％、8.5％、8％、7.5％、7％、6.5％、6％、5.5％、5％、4.9％、4.8％、4.7％、4.6％、4.5％、4.4％、4.3％、4.2％、4.1％、4％、3.9％、3.8％、3.7％、3.6％、3.5％、3.4％、3.3％、3.2％、3.1％、3％、2.9％、2.8％、2.7％、2.6％、2.5％、2.4％、2.3％、2.2％、2.1％、2％、1.9％、1.8％、1.7％、1.6％、1.5％、1.4％、1.3％、1.2％、1.1％、1％、0.9％、0.8％、0.7％、0.6％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％或0.1％的一种或多种酸或一种或多种碱。一种或多种酸可以是硫酸、过氧乙酸、乳酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、磷酸、盐酸、亚硫酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、草酸、苯甲酸或其组合。一种或多种碱可以是氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氨、氢氧化铵、过氧化氢或其组合。在一些实施方案中，非中性水性培养基包括以干生物质重量计约1％至约5％v/w的一种或多种酸或一种或多种碱。在一些实施方案中，非中性水性培养基包括以干生物质重量计约1％至约5％v/w的硫酸。在一些实施方案中，非中性水性培养基包括以干生物质重量计约1.8％v/w的硫酸。在一些实施方案中，非中性水性培养基包括以干生物质重量计约1％v/w的硫酸。
在闪蒸罐70中，生物质可以移动通过向下定向的导管。可以从闪蒸罐70接近经预处理的生物质。在一些情况下，如本文提供的用于预处理生物质的设备可以被设计用于将生物质移动到分离步骤或者到酶水解罐。水汽可以通过闪蒸罐70的敞开顶部排出，或者在替代方案中，可以将闪蒸罐70关闭，则水汽通过导管排出到另一个区域或腔室。或者，导管可以通过管道连接到冷凝器。
可以使用碳钢、不锈钢或不渗透酸和碱且能够承受所产生的压力的任何其它材料来构造该装置(例如，筒形圆柱体)。也可以在腔室(例如，筒形圆柱体内腔室)的内部上具有化学惰性的涂层，该涂层不与酸或碱或本文提供的方法中所使用的任何化学品反应。圆柱形筒体可以是水平的或垂直的，并且被改造用于装载生物质或提供恰当排出压力。本领域技术人员可以容易地配置具有竖直筒体以便恰当操作的装置。
在一些情况下，如本文提供的用于预处理生物质的设备包括双螺杆挤出机。用于本文提供的方法的共转双螺杆挤出机的示例在图2中示出。图2中的双螺杆挤出机包括筒体31、包括两个螺旋式进料机构51和52的水平圆柱形腔室30。筒体包括用于添加生物质的敞开第一端11。生物质可以是如本文提供的任何生物质。整体挤出装置10包括主进料斗20，以容纳正添加的生物质。在料斗20内部是递送螺旋钻13，以将材料均衡地分配到敞开第一端11中。存在端口15，在生物质进入挤出机腔室30时可以向端口15中添加水。圆柱形腔室30具有用于添加水的另一端口29、用于添加加压蒸汽的可密封端口32、33以及用于添加化学反应物(例如，酸)的可密封端口34、35。如果在端口34和35的下游需要附加的蒸汽，则可以添加第三端口36。如在图1中，将筒室30分成由螺杆配置产生的3个区(未示出)，类似于图1中的91、92和93。注入加压蒸汽以提高生物质的温度和压力，并在必要时注入用于化学反应的化学品。绝缘部12可以设置在筒体31的外部或者作为其一部分，绝缘部12可以包围筒室30并且在腔室内部维持期望的温度。温度计83、87和压力计81、85分别用于监测腔室内部的温度和压力。
在生物质通过料斗20装载到腔室30中时，通过添加蒸汽和栓塞的配置(由于螺杆机构的各个部分的形状和运动的原因)热机械压力增长。双螺杆机构51、52使生物质移动通过管至筒室30的端板14与排出阀89之间的开口22。
如在图1中，在使生物质通过管从一端移动到另一端期间，图2的设备产生了三个栓塞P1、P2、P3(参见图1)。尽管图2中未示出，但是在通过端口32和33添加蒸汽之前，在通过端口29添加水之后形成了P1。在形成第一栓塞之后，端口32、33向筒体添加约300psi至600psi的加压蒸汽，从而将筒体压力增加到所需的温度和压力；例如600psi和253℃的温度。P2在通过端口32和33添加酸性水溶液之前形成，而P3通常在添加酸性水溶液之后形成。也如图1，在图2中，在筒室30内P1与P2之间的区是区91，而区92在P2与P3之间，并且区93在P3与排出区域之间。前两个栓塞之间的区91、栓塞P2与栓塞P3之间的区92、栓塞P3与通过特殊端部法兰14的排出区域之间的区共同构成了反应区R1(如图1所示)。在一些情况下，用于辅助对生物质的预处理的化学品(例如，酸或碱或另一种化学品)添加在反应区R1中形成的第二栓塞P2与第三栓塞P3之间。
在一些情况下，使用如图2中描绘的设备预处理生物质需要在生物质移动通过每个部分和添加包括酸和蒸汽的水性溶液之后密封图2的设备中的端口，并随后维持期望的温度。如图2所示，排出阀17可以部分地坐设于金属或陶瓷密封件89中，使得排出阀大部分是关闭的。在操作中，(图2和图12)在筒室30中的压力增长到某一点时，排出阀17被推开(远离筒室)。阀轴60通过管延伸到背压发生器(控制单元)73内或与其附接的致动器72。生物质、糖和水性化学品的混合物通过腔室30中双螺杆50、51从第一端朝向第二(出口)端的移动以及由于压力集聚而被推动穿过排出阀开口22。生物质穿过排出阀开口22并穿过导管62，在导管62处通过闪蒸罐顶部中允许经预处理的生物质进入和蒸汽离开的开口71将生物质收集在闪蒸罐70中。还可以有允许水汽排出的单独开口(未示出)。
在图3中描绘了图2所示的双螺杆挤出机的排出端的截面。如图3所示，筒体31收容由轴26、28转动的双螺杆51、52。在一个实施方案中，耐腐蚀和磨损的特种金属或其它化合物的可替换实心筒体插入件38可以围绕螺杆。双螺杆51、52的叶片边缘的范围以及穿过筒体插入件38的钻孔的边界由虚线表示。在螺杆元件的尖端与筒体插入件38之间有1毫米左右。在一些情况下，虚线可以是实际的筒体开口(而不是筒体31)，并且可以由添加以增加耐磨性并且钻孔以匹配螺杆直径的特殊金属插入件组成。在一个实施方案中，加热装置(未示出)装配在整个圆柱形筒体周围。图4示出了附接到挤出机端部的排出端特殊面法兰14的截面。法兰14连接到挤出机，并且双螺杆将材料向前输送到排出阀。图5描绘了当从阀开口端向与阀17连接的窄端看时从挤出机排出端法兰14中的双螺杆开口到阀开口22的单一出口的过渡。开口扩张以包围法兰14的双螺杆开口。图6进一步描绘了具有连接到挤出机法兰14附近的单一圆柱形开口22的排出阀端外壳19。经预处理的生物质通过由金属或陶瓷密封件89围绕的开口22排出，该密封件89固定到位，以与排出阀机构相互作用。陶瓷或金属密封件还可以延伸到阀开口22中并且在阀开口22与阀外壳19之间提供涂层或插入物。
如本文提供的挤出机的排出端处的阀(“端阀”)可以是许多不同设计之一。在该过程中使用的端阀可以是若干种可以由背压发生器精确监测和控制的类型之一。端阀可以是单向的或双向的。在一些情况下，如本文提供的挤出机中的端阀是单向的，同时通过挤出机的流动是单向的。在一些情况下，如本文提供的挤出机中的端阀是双向的，而通过挤出机的流动是单向的。图7是阀开口22在其外壳19中的水平视图，其中阀开口从挤出机的两螺杆开口向阀排出端变窄。
图8是具有排出导管62的阀外壳组件65的水平视图，其包括如图7所示的保持阀开口和外壳19的外壳63。图9描绘了图8的外壳，示出了阀组件如何与外壳相集成。图10是水平剖视图，其中阀17和阀轴60坐设于外壳65和63内的阀开口外壳19中。
图1和图2是示出生物质移动通过使用栓塞以装容不同反应并减小颗粒大小的反应器的实施方案。可以改变这些实施方案以适应不同类型和大小的生物质，从而优化单糖或甚至低聚物的处理和提取。例如，与纤维素部分相比，如果生物质含有少量百分比的半纤维素，则可以减小第二腔室的大小。在任何腔室中的停留时间可以改变，并且本领域技术人员将理解，产生栓塞并且切割并向前移动处理材料的部分中的螺杆元件的类型及其放置可以具有无限数目个变换。所使用的组合将取决于生物质的类型和最佳预处理所期望的颗粒大小。因此，使用这种方法，停留时间、温度、时间和化学处理可以是无限制的。
并入到该系统中的螺杆部分例如可以包括用于移动材料通过挤出机的输送元件和用于形成栓塞的捏合块元件。一个合适的系统可以包括螺杆轮廓中具有混合凹槽的单螺旋螺杆元件。该元件可以具有左侧手柄(反向输送)或右侧手柄(向前输送斜螺杆轮廓)。这些元件可以包括较少的混合凹槽和减小的凹槽深度，以减少螺杆轮廓通道之间的产物交叉流动，因而有助于维持生物质的均匀的压力和移动并减少回流。螺杆元件可以包含各种材料，所述材料例如包括Stellite、Hasteloy、Inconell、PM钢、铬钢和氮化钢，和/或可以制造成具有各种表面涂层以减少磨损和磨耗。这样的元件的示例可以在Extricom GmbH(www.extricom.de)处找到。本领域技术人员将理解元件的类型及其布置是无限制的，并且可以针对特定生物质材料以许多不同模式组织。
本发明方法中使用的生物质的初始干重至少约为生物质和酸性水溶液混合物总重量的10％。更典型地，生物质的干重至少约为20％，并且可以至少约为30％、45％、50％或更多。原料生物质通常将在30wt％与90wt％固体之间变动，并且离开预处理器的生物质通常在25wt％与40wt％固体之间变动。生物质的百分比干重可以变化，并且对于不同类型的生物质，最佳百分比可能不同。例如，当使用木屑(将用少量的蒸汽冷凝水将木屑稀释)时，期望至少约40％的生物质，以提供经预处理的生物质，该经处理的生物质经糖化用来生产浓度足够的可发酵糖，以便节约成本地发酵成乙醇。更合适的是至少约30％的木屑生物质。本领域技术人员可以容易确定用在用于生产高糖水解产物的本发明方法中的特定类型生物质的优选百分比干重。
生物质可以装载到诸如图1中图解的料斗等进料装置中，该进料装置进而将生物质进给到反应器。可以通过使用诸如螺旋输送机、填料机、牵引链、斗式提升机、输送带等流动输送机来促进装载。通过添加锥形螺杆等可以使生物质更均匀地进给到反应器中，这允许生物质以均匀的速率和密度进入反应器，这有助于防止进料装置堵塞。
使用该方法，包含酸或碱的水性溶液可以包括将碳水化合物聚合物水解所必需的任何浓度。因此，例如可以使用浓度为0.01％至7％或8％以上的酸，或者浓度为1％、2％、3％、4％、5％、6％或其间的任何值的酸。在如本文提供的预处理设备中，可以密封除添加蒸汽的一个或多个端口以外的端口。用于如本文提供的设备中的阀可以是本领域已知的可以打开或关闭的任何类型的阀。阀可以是浮球阀、提升阀、止回阀或旋转刀闸阀或其组合。
可以在第一栓塞形成后，通过在反应区开始处的圆柱形筒体中的一个或多个端口添加将生物质和酸性水溶液混合物的温度升高到期望点的所需量的蒸汽。可以使用不止一个端口，其中各端口间隔开，使得蒸汽接触遍布在生物质之上或者更快地升高温度和压力。可以添加加压蒸汽以将生物质和酸性水溶液混合物的温度升高到约80℃至约300℃之间，优选160℃至230℃之间。生物质和酸性水溶液的温度可约为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、80℃、90℃、100℃、120℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃或400℃。生物质和酸性水溶液的温度可以为从约20℃至约400℃、约50℃至约350℃、约80℃至约300℃、约100℃至约250℃或约160℃至约210℃。如果需要，可以通过圆柱形腔室的第二和第三栓塞形成之间的端口添加附加的蒸汽，以维持期望的温度和压力。所述装置可以包括加热护套、蒸汽护套、带状加热器、筒形加热器或绝缘护套，以有助于升高和/或维持温度和压力。加热或蒸汽护套特别适用于小型反应器，而绝缘护套适用于大型反应器。加热可以发生在不同阶段，包括在处理或预处理之前对筒体进行预热。正预处理的生物质的类型也可能影响本方法中的最佳处理时间和温度，本领域技术人员可以容易地进行评估。
这些方法中使用加压蒸汽使生物质达到所描述温度导致反应器腔室内的压力介于约300psi与约1000psi之间。更典型地，压力介于约300psi至800psi之间。通过端口添加处于约300至600psi的加压蒸汽。反应器腔室内的压力可以是25-250PSI、25-225PSI、25-200PSI、25-175PSI、25-150PSI、25-125PSI、25-100PSI、25-75PSI、25-50PSI、50-225PSI、50-200PSI、50-175PSI、50-150PSI、50-125PSI、50-100PSI、50-75PSI、75-2 00PSI、75-175PSI、75-150PSI、75-125PSI、75-100PSI、100-175PSI、100-150PSI、100-125PSI、125-150PSI、25PSI、30PSI、35PSI、40PSI、45PSI、50PSI、55PSI、60PSI、65PSI、70PSI、75PSI、80PSI、85PSI、90PSI、95PSI、100PSI、105PSI、110PSI、115PSI、120PSI、125PSI、130PSI、135PSI、140PSI,145PSI、150PSI、155PSI、160PSI、165PSI、170PSI、175PSI、180PSI、185PSI、190PSI、195PSI、200PSI、205PSI,210PSI,215PSI、220PSI、225PSI、230PSI、235PSI、240PSI、245PSI、250PSI、300PSI、350PSI,400PSI、450PSI、500PSI、550PSI、600PSI、650PSI、700PSI、750PSI、800PSI、850PSI、900PSI、950PSI或1000PSI。然而，在一定情况下，可能期望较低的压力。例如，从富含C5和/或不含木质素的生物质中释放C5聚合物需要很小的压力或不需要压力。
在本发明的实施方案中(例如，图1和图2)，在恰当的压力和温度下预处理如本文提供的生物质达期望时间后，将生物质和水性化学品或其它混合物通过圆柱形筒体30的端部处的排出阀17移动到闪蒸罐70中。在生物质与酸性水溶液或其它化学品在期望温度下反应期间，可以关闭排出阀17，继而打开以便生物质的穿通。在双螺杆腔室反应器中，如图2所例示，在蒸汽和生物质在反应腔室中集聚了压力之后，排出阀17随着挤出机端部与阀室之间的阀的打开而在挤出机的压力下打开，并且排出经预处理的生物质以将压力减轻至通过轴递送至端阀的压力更大的点。当使用栓塞形成来维持各个区时，使用外部阀比试图在筒体内维持均匀的压力更有利。当通过单独响应的加压阀来控制对加压材料的释放时，可以更容易地维持这些区。
例如，图12图示了如图2所描绘的设备中的打开的阀17，当圆柱形筒体31中的筒体腔室30(图2中)中的蒸汽和生物质的压力大于递送至端阀17的压力时发生这种情况。在腔室中的压力减小时，端阀17上的轴压力推动阀朝着抵靠挤出机端部而关闭，因而减少生物质向图2中的闪蒸罐70中的释放，并且允许压力再次在挤出机中增长。相比之下，图11图示了阀17在其坐设于金属或陶瓷密封件89中并且轴压力大于挤出机中的压力时的位置。图11和图12相结合地描绘了在圆柱形筒体31中处理生物质时端阀的前后恒定移动。在一些情况下，端阀17永远不会完全关闭并且永远不会完全打开。因此，在处理和释放生物质时，端阀在整个操作过程中维持基本上打开，同时在挤出机中维持一致的压力。
本文所述的应用可以是连续的，并且出口阀的关键是对系统压力的恒定监测。存在连续调整阀开口以便维持特定的系统压力的反馈回路。参见图11和图12。这可以允许连续的闪蒸过程，并且可以连续地调整挤出机以在连续的过程中维持期望的压力。总体而言，这可以是比普通预处理排出系统更复杂的机构，并且可以对连续的过程提供非常紧密精确的控制。
可以使用的排出阀的示例包括提升排出阀、刀闸阀、座阀、蝶形阀、旋转V端口阀等。活塞操作式线性球阀或提升式排出阀可能在较小规模的反应器中特别有用，其中阀座的硬面上游侧是陶瓷排出孔口，而阀座较软的下游侧抵靠硬面阀柱塞进行密封，其中当阀柱塞缩回以打开时，流动面积不断地增加超过阀座。
最适合地，提升式排出阀将并入了逐渐扩张文丘里管。图10中图解了可适合于生物质预处理反应器的逐渐扩张文丘里管提升阀的一个实施方案。该阀并入了锥形喷嘴和金属或陶瓷座端阀布置。为了避免栓塞，如图11(关闭位置)和图12(打开位置)中所例示的逐渐扩张文丘里管可以设计成使固体加速通过该文丘里管的固定圆柱体89与该文丘里管安装在阀轴60端部上的可移动内部锥体17之间的稳步扩大的间隙。通常可以将锥体装配于其中的排出圆柱体坐设到反应器腔室出口处的排出阀外壳19中。锥体89内部的文丘里管可以是阀轴60端部上的鼻状物。阀轴60可以附接至用于控制移动的致动器72。致动器72可以是本领域已知的能够使阀轴前后水平运动地移动的任何设备，诸如电动、气动或液压马达，气动阀致动器或液压活塞或本领域已知和/或本文提供的任何其它类型的致动器。致动器进而可以在电子压力调节器73内或与其附接，该电子压力调节器73接收来自反应腔室的压力信号。例如，可以使用ED05系列E/P压力调节器(Bosch Rexroth AG)。当阀轴处于其最左侧位置时，内部锥体的外边缘坐抵金属或陶瓷外部圆柱体的内边缘，以密封反应器的排出端。在预处理期间，阀轴可以向右移动以提供闪蒸文丘里管所期望的开口大小。该设计可以提供某长度的闪蒸区，该闪蒸区在流动方向上平滑地扩展。在这一设计中，生物质固体可以沿逐渐敞开的环形锥体的轴线向下加速，直到可以将腔室中的压力释放到这样的点：在该点处来自反应腔室的电子信号导致递送至端阀的、引起端阀朝着腔室移动的压力，从而使闪蒸文丘里管与金属或陶瓷座之间的间隙闭合。
可以对经处理的生物质进行闪蒸，通过排出阀移动到通向闪蒸罐中的导管中。继而可以释放水汽，并且可以使生物质冷却以便为pH调节、固体分离和/或酶水解做准备。可以使用任何典型的闪蒸罐。闪蒸罐可以是闪蒸可以导致压力从反应区(例如，图1和图2中所描绘的反应区)内部维持的压力下降至接近大气压的压力，并且一般可以将生物质材料冷却至约100℃。继而将温度降低至约50℃，这对于酶糖化可能是期望的。可以将生物质从闪蒸罐中移除并分批进行糖化。通常，在此刻，C5聚合物已经被水解成低聚物或单糖，这取决于在筒形腔室的反应区中进行处理期间所用的酸或碱的量以及所维持的温度和压力(参见图1和图2)，以及一定部分或百分比的无定形区域和C6聚合物的水解，留下残留的C6晶格打开以便进行糖化(例如，酶糖化)。
在一些情况下，在进一步处理(例如，酶糖化)之前，对在本文提供的设备中通过本文提供的方法预处理的原料的pH进行调节。经预处理的原料的pH的改变可以通过一次或多次洗涤原料(例如，用水洗涤)来去除在预处理过程中使用或产生的碱性或酸性物质或其它物质来实现。洗涤可以包括将经预处理的原料2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25或更多次地暴露于等体积的水。在另一实施方案中，可以添加pH调节剂。例如，可以添加酸、缓冲液或与存在的其它材料反应的材料以调控原料的pH。在一个实施方案中，可以使用不止一种pH调节剂，诸如一种或多种碱，具有一种或多种缓冲液的一种或多种碱，一种或多种酸，具有一种或多种缓冲液的一种或多种酸或者一种或多种缓冲液。当利用不止一种pH调节剂时，可以在同一时间或在不同时间添加它们。已经描述了用于中和用碱性物质处理的原料的其它非限制性示例性方法，例如在美国专利号4,048,341；4,182,780；和5,693,296中描述了。
在一些情况下，可以将系统设计成在C5聚合物在第二反应腔室区中经受强酸处理和/或高温或高压之前在第一反应腔室或区中水解并去除C5聚合物。可以使用稀释酸和热水处理方法来溶解全部半纤维素或其一部分。在预处理步骤期间，可以使用采用碱性试剂的方法来去除全部木质素或其大部分或一部分。可以在高酸浓度以及高温和高压下对剩余的C6聚合物和木质素残留物进行处理，而不会形成C5副产物，诸如糠醛和乙酸。这将会导致基本上无C5糖的C6聚合物与来自C5聚合物水解的抑制剂的混合物。这一类型的纯C6流是期望的，以生产诸如生物塑料等特定终产物，并补充淀粉发酵成乙醇和其他生物燃料。
在一些情况下，如本文提供的生物质或原料经受使用如本文提供的设备的预处理，使得将从预处理产生的糖(糖类)分离并提取为如本文提供的终产物。在没有水解步骤的情况下可以使用分离和提取的糖。分离和提取的糖可以是单糖或糖类低聚物或其组合。糖(例如，单糖和/或低聚物)可以是C5和/或C6糖类或其组合。在一些情况下，生物质经受了预处理以在玉米纤维中生产糖类低聚物。由玉米纤维产生的糖类低聚物可以是C5低聚物。在一个实施方案中，如本文提供的生物质或原料的预处理产生可溶性低聚物在经预处理的原料中为1％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或99％的经预处理器原料浓度。可溶性低聚物的示例包括但不限于纤维二糖和木二糖。在一个实施方案中，预处理的参数产生可溶性低聚物在预处理原料中为30％至90％的浓度。在一个实施方案中，预处理的参数使得可溶性低聚物在经预处理原料中的浓度为45％至80％。
酶水解
在一个实施方案中，使用酶处理来水解存在于生物质中的各种较高的糖类(较高分子量)至较低的糖类(较低分子量)，诸如为通过诸如酵母等生物催化剂发酵做准备以生产乙醇、氢或者诸如有机酸等其它化学品，有机酸包括琥珀酸、甲酸、乙酸和乳酸。这些酶和/或水解产物可以用在发酵中以生产包括燃料和其它化学品在内的各种产物。
在一个实施例中，用于将生物质材料转化为乙醇的方法包括预处理生物质材料(例如，“原料”)，水解经预处理的生物质以将多糖转化为寡糖，将寡糖进一步水解成单糖，以及将单糖转化为生物燃料和化学产物。诸如纤维素酶、多糖酶、脂肪酶、蛋白酶、木质素酶和半纤维素酶等酶帮助生产单糖，单糖可以用于生物合成发酵终产物。可以利用的生物质材料包括木本植物物质、非木本植物物质、纤维素材料、木质纤维素材料、半纤维素材料、碳水化合物、果胶、淀粉、菊粉、果聚糖、葡聚糖、玉米、藻类、甘蔗、其他草类、柳枝稷、甘蔗渣、小麦秸秆、大麦秸秆、稻草、玉米芯、竹子、柑橘皮、高粱、高生物质高粱、种皮壳，以及从这些中得到的材料。继而可以分离和/或纯化最终产物，如通过期望的最终产物的性质所示。在一些情况下，也可以使用与诸如糖醇或糖酸等糖相关的化合物。
用于本发明的方法的化学品是容易获得的，并且可以从诸如Sigma-Aldrich等商务供应商购买。另外，可以从诸如Specialty Enzymes&Biochemicals Co.、Genencor或Novozymes等供应商购买商品酶混合物(例如，AccelleraseTM 1000、CelluSeb-TL、CelluSeb-TS、CellicTM、CTec、STARGENTM、MaxaligTM、Spezyme.RTM、Distillase.RTM、G-Zyme.RTM、Fermenzyme.RTM、FermgenTM、GC 212或者OptimashTM)或者任何其他商品酶混合物。或者，可以通过使举例而言诸如真菌(例如，木霉(Trichoderma)、酵母(Saccharomyces)、毕赤酵母(Pichia)、白腐真菌等)、细菌(例如，梭菌(Clostridium)或大肠菌型细菌、发酵单胞菌属(Zymomonas)细菌、Sacharophagus degradans等)等一种或多种生物体在合适的培养基中生长，并收获由其产生的酶来制备酶混合物。在一些实施方案中，收获可以包括一个或多个酶纯化步骤。
在一个实施方案中，使用本文提供的方法和设备预处理生物质之后的生物质处理包括酶水解。在一个实施方案中，用酶或酶混合物对如本文提供的经过预处理之后的生物质进行处理，所述酶或酶混合物例如为内切核酸酶、外切核酸酶、纤维二糖水解酶、纤维素酶、β-葡糖苷酶、糖苷水解酶、糖基转移酶、裂合酶、酯酶和含有碳水化合物结合模块的蛋白质。在一个实施方案中，酶或酶混合物是具有不同活性的一种或多种单个酶。在另一实施方案中，酶或酶混合物可以是具有特定催化活性的酶域。例如，具有多种活性的酶可以具有多种酶域，包括例如糖苷水解酶、糖基转移酶、裂合酶和/或酯酶催化域。
在一个实施方案中，使用降解多糖的酶来水解生物质，并且所述酶可以包括降解纤维素的酶，即纤维素酶。一些纤维素酶的示例包括水解β-1,4-糖苷键的内切纤维素酶和外切纤维素酶。
在一个实施方案中，使用降解多糖的酶来水解生物质，并且所述酶可以包括具有降解半纤维素能力的酶，即半纤维素酶。半纤维素可以是植物生物质的主要组分，并且可以含有戊糖和己糖的混合物，例如，D-吡喃木糖、L-呋喃阿拉伯糖、D-吡喃甘露糖、D-吡喃葡萄糖、D-吡喃半乳糖、D-吡喃葡萄糖醛酸及其他糖。在一个实施方案中，使用降解多糖的酶来水解生物质，并且所述酶可以包括具有降解果胶能力的酶，即果胶酶。在植物细胞壁中，交联的纤维素网络可以嵌入果胶的基质中，该果胶的基质可以共价交联至木葡聚糖和某些结构蛋白质。果胶可以包含均聚半乳糖醛酸(HG)或鼠李半乳糖醛酸聚糖(RH)。
在一个实施方案中，生物质的水解包括可以水解淀粉的酶。水解淀粉的酶包括α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、β-淀粉酶、外-α-1,4-葡聚糖酶和支链淀粉酶。
在一个实施方案中，生物质的水解包括水解酶，水解酶可以包括水解壳多糖的酶，即壳多糖酶。在另一实施方案中，水解酶可以包括水解地衣聚糖(lichen)的酶，即地衣聚糖酶。
在一个实施方案中，这些步骤中的不止一个可以在任何给定时间发生。例如，对经预处理的原料的水解和对寡糖的水解可以同时发生，并且这些中的一个或多个可以同时发生以将单糖转化为燃料或化学品。
在另一实施方案中，酶可以将多糖直接转化为单糖。在一些情况下，酶可以将多糖水解成寡糖，并且酶或另一种酶可以将寡糖水解成单糖。
在另一实施方案中，酶可以添加给发酵，或者它们可以由发酵中存在的微生物产生。在一个实施方案中，存在于发酵中的微生物产生一些酶。在另一实施方案中，单独地生产酶并将其添加给发酵。
为了使经预处理的生物质到终产物的总体转化以高速率发生，对于每个转化步骤通常需要每个必需的酶以足够高的活性存在。如果缺少这些酶中的一种酶或其量不足，则可能降低终产物的生产速率。如果负责将单糖转化为产物的微生物仅缓慢溶解单糖以及/或者仅具有有限的用于对转化成终产物期间所产生的单糖和中间体的易位的能力，则也可能降低生产速率。添加从预处理和/或预处理和水解获得的馏分可以提高初始或总体生长速率。在另一实施方案中，低聚物被生物催化剂缓慢溶解，从而需要将多糖和低聚物几乎完全转化成单体糖。
在另一实施方案中，该方法的酶由生物催化剂生产，所述酶包括适用于发酵方法中使用的生物质材料的一系列水解酶。在一个实施方案中，生物催化剂在适合于诱导和/或促进对存在的多糖糖化所需的酶的产生的条件下生长。这些酶的生产可以发生在单独的器皿中，诸如种子发酵器皿或其他发酵器皿中，或者发生乙醇生产的产物发酵器皿中。当在单独的器皿中生产酶时，例如可以将它们连同细胞一起转移到产物发酵器皿中，或者作为含有具有酶的细胞间培养基的相对无细胞溶液。当在单独的器皿中生产酶时，还可以在将它们添加到水解或产物发酵器皿之前对它们进行干燥和/或纯化。经常通过使细胞在培养基中生长来管理适合于生产酶的条件，该培养基包含将会期望在随后发酵步骤中进行水解的生物质。附加的培养基组分，诸如盐补充剂、生长因子和辅因子，包括但不限于植酸盐、氨基酸和肽，也可以有助于生产在所期望产物的生产中微生物所使用的酶。
发酵
本公开内容还提供了一种发酵混合物，该发酵混合物包括：用碱性或酸性物质并在从约160℃至约210℃的温度下预处理的、随后用酶混合物水解的纤维素原料，以及能够发酵五碳糖和/或六碳糖的微生物。在一个实施方案中，五碳糖是木糖、阿拉伯糖或其组合。在一个实施方案中，六碳糖是葡萄糖、半乳糖、甘露糖或其组合。在一个实施方案中，碱性物质是NaOH。在一些实施方案中，添加按原料重量计约0.5％至约2％的浓度的NaOH。在一个实施方案中，酸等于或小于2％的HCl或H2SO4。在一个实施方案中，微生物是红球菌属(Rhodococcus)菌株、梭菌属(Clostridium)菌株、木霉属(Trichoderma)菌株、酵母属(Saccharomyces)菌株、发酵单胞菌属菌株或适于发酵生物质的其它微生物。在另一实施方案中，发酵过程包括使用微生物发酵生物质，该微生物是植物发酵梭菌(Clostridiumphytofermentans)、Clostridium algidixylanolyticum、解木素梭菌(Clostridiumxylanolyticum)、噬纤维梭菌(Clostridium cellulovorans)、解纤维梭菌(Clostridiumcellulolyticum)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)、约氏梭菌(Clostridiumjosui)、溶纸莎草梭菌(Clostridium papyrosolvens)、产纤维二糖芽孢梭菌(Clostridiumcellobioparum)、亨氏梭菌(Clostridium hungatei)、纤维素梭菌(Clostridiumcellulosi)、粪堆梭菌(Clostridium stercorarium)、白蚁梭菌(Clostridiumtermitidis)、热粪梭菌(Clostridium thermocopriae)、速生梭菌(Clostridiumcelerecrescens)、解多糖梭菌(Clostridium polysaccharolyticum)、波氏梭菌(Clostridium populeti)、缓纤维梭菌(Clostridium lentocellum)、Clostridiumchartatabidum、阿氏梭菌(Clostridium aldrichii)、Clostridium herbivorans、解纤维素醋弧菌(Acetivibrio cellulolyticus)、溶纤维素拟杆菌(Bacteroidescellulosolvens)、解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor saccharolyticum)、混浊红球菌(Rhodococcus opacus)、白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、生黄瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)、产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)、溶纤维真杆菌(Eubacterium cellulosolvens)、溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)、Anaerocellum thermophilum、解纤维素嗜盐菌(Halocella cellulolytica)、热解糖热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)、Sacharophagus degradans或解糖热厌氧杆菌(Thermoanaerobacterium saccharolyticum)。在又一实施方案中，将微生物进行基因改性以增强一种或多种水解酶的活性，诸如基因改性的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的活性。
在一个实施方案中，野生型或基因改良的微生物可用于通过发酵进行化学品生产。生产基因改良的菌株的方法可以包括基因改性、原生质体融合、诱变和诸如定向进化等自适应过程。例如，可以对酵母进行基因改性以发酵C5糖。其他有用的酵母是假丝酵母属(Candida)、隐球酵母属(Cryptococcus)、德巴利酵母属(Debaryomyces)、德克酵母属(Deddera)、有孢汉逊酵母属(Hanseniaspora)、克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces)、毕赤酵母属(Pichia)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)和接合酵母属(Zygosaccharomyces)的种。诸如混浊红球菌变种等红球菌属菌株是三酰基甘油和其它储存脂质的来源。(例如参见Waltermann等人的Microbiology 146：1143-1149(2000))。用于发酵的其它有用的生物体包括但不限于酵母，特别是酵母属菌株和细菌，诸如植物发酵梭菌、产乙醇热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)、热纤梭菌、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinickii)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)、热丁酸梭菌(Clostridium thermobutyricum)、解糖热厌氧杆菌、热硫化氢热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus)、丙酮丁醇梭菌、穆尔氏菌属的种(Moorella ssp.)、Carboxydocella ssp.、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、重组大肠杆菌(recombinant E.Coli)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、混浊红球菌以及拜氏梭菌。
酵母的优点是其在包括升高的乙醇浓度、高糖浓度、低糖浓度在内的条件下生长和/或在厌氧条件下操作的能力。这些特性以各种组合可以用于实现具有长或短发酵周期的操作，并且可以与分批发酵、补料分批发酵、自播/部分收获发酵以及从最终发酵回收细胞作为接种体相结合地使用。
在一个实施方案中，对经预处理以及随后经处理的生物质进行补料分批发酵以生产发酵终产物，诸如醇、乙醇、有机酸、琥珀酸、TAG或氢。在一个实施方案中，发酵过程包括使用诸如红球菌属菌株、梭菌属菌株、木霉属菌株、酵母属菌株、发酵单胞菌属菌株或适于生物质发酵的其他微生物等一种或多种微生物对生物质进行同时水解和发酵(SSF)。在另一实施方案中，发酵过程包括使用微生物对生物质进行同时水解和发酵，所述微生物是解木聚糖梭菌(Clostridium algidixylanolyticum)、解木素梭菌、噬纤维梭菌、解纤维梭菌、热纤梭菌、约氏梭菌、溶纸莎草梭菌、产纤维二糖芽孢梭菌、亨氏梭菌、纤维素梭菌、粪堆梭菌、白蚁梭菌、热粪梭菌、速生梭菌、解多糖梭菌、波氏梭菌、缓纤维梭菌、Clostridiumchartatabidum、阿氏梭菌、Clostridium herbivorans、植物发酵梭菌、解纤维素醋弧菌、溶纤维素拟杆菌、解糖热解纤维素菌、混浊红球菌、白色瘤胃球菌、生黄瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌、溶纤维真杆菌、溶纤维丁酸弧菌、Anaerocellum thermophilum、解纤维素嗜盐菌、热解糖热厌氧杆菌、Sacharophagus degradans或解糖热厌氧杆菌。
在一个实施方案中，发酵过程可以包括使用一种或多种酶对生物质进行单独的水解和发酵(SHF)，所述酶诸如为木聚糖酶、内切-1,4-β-木聚糖酶、木糖苷酶、β-D-木糖苷酶、纤维素酶、半纤维素酶、糖酶、葡聚糖酶、内切葡聚糖酶、内切-1,4-β-葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、葡糖苷酶、β-D-葡糖苷酶、淀粉酶、纤维二糖水解酶、外切纤维二糖水解酶、植酸酶、蛋白酶、过氧化物酶、果胶酸裂合酶、半乳糖醛酸酶或漆酶。在一个实施方案中，用于处理生物质的一种或多种酶是热稳定的。在另一实施方案中，在发酵之前用一种或多种诸如本文提供的那些酶等酶处理生物质。在另一实施方案中，在发酵期间用一种或多种诸如本文提供的那些酶等酶处理生物质。在另一实施方案中，在发酵之前以及在发酵期间用一种或多种诸如本文提供的那些酶等酶处理生物质。在另一实施方案中，用于水解生物质的酶与发酵期间添加的那些酶相同。在另一实施方案中，用于水解生物质的酶与发酵期间添加的那些酶不同。
在一些实施方案中，可以在诸如生物反应器、发酵器皿、搅拌罐反应器或流体化床反应器等装置中进行发酵。在一个实施方案中，经处理的生物质可以补充有合适的化学品以促进一种或多种发酵生物的强壮生长。在一个实施方案中，有用的补充物包括但不限于诸如酵母提取物、半胱氨酸或铵盐(例如，硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等)等氮和/或氨基酸来源；诸如玉米浆和麦芽糖浆等简单碳水化合物来源；诸如酵母提取物等维生素来源；诸如盐(包括但不限于柠檬酸盐、磷酸盐或碳酸盐)等缓冲剂；或者诸如镁、钙或铁的盐等矿物营养物。在一些实施方案中，向发酵混合物添加氧化还原改性剂，所述氧化还原改性剂包括但不限于半胱氨酸或巯基乙醇。
在一个实施方案中，通过微生物进行的发酵终产物生产的滴度和/或生产率通过在包含一种或多种化合物的培养基中培养微生物来改进，所述一种或多种化合物包括己糖和/或戊糖。在一个实施方案中，过程包括将起始材料(诸如生物质)转化为诸如一种或多种醇等生物燃料。在一个实施方案中，本发明的方法包括将包含己糖(例如，葡萄糖、纤维二糖)和戊糖(例如，木糖、阿拉伯糖)糖类的底物与可以水解C5和C6糖类的微生物接触以产生乙醇。在另一实施方案中，本发明的方法包括将包含己糖(例如，葡萄糖、纤维二糖)和戊糖(例如，木糖、阿拉伯糖)糖类的底物与混浊红球菌接触以产生TAG。
在本发明的一些实施方案中，使用本发明的方法用己糖和戊糖糖类混合物的微生物的分批发酵提供了约0.1-8g/L/h或更多的己糖吸收速率和约0.1-8g/L/h或更多的戊糖(木糖、阿拉伯糖等)吸收速率。在本发明的一些实施方案中，使用本发明的方法用己糖和戊糖糖类混合物的微生物的分批发酵提供了约0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1、2、3、4、5或6g/L/h或更多的己糖吸收速率和约0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1、2、3、4、5或6g/L/h或更多的戊糖吸收速率。
在一个实施方案中，用于生产乙醇或另一种醇的方法40小时或更少产生约10g/l至120增益。在另一实施方案中，用于生产乙醇的方法通过对生物质的发酵在40小时内产生约10g/L、11g/L、12g/L、13g/L、14g/L、15g/L、16g/L、17g/L、18g/L、19g/L、20g/L、21g/L、22g/L、23g/L、24g/L、25g/L、26g/L、27g/L、28g/L、29g/L、30g/L、31g/L、32g/L、33g/L、34g/L、35g/L、36g/L、37g/L、38g/L、39g/L、40g/L、41g/L、42g/L、43g/L、44g/L、45g/L、46g/L、47g/L、48g/L、49g/L、50g/L、51g/L、52g/L、53g/L、54g/L、55g/L、56g/L、57g/L、58g/L、59g/L、60g/L、61g/L、62g/L、63g/L、64g/L、65g/L、66g/L、67g/L、68g/L、69g/L、70g/L、71g/L、72g/L、73g/L、74g/L、75g/L、76g/L、77g/L、78g/L、79g/L、80g/L、81g/L、82g/L、83g/L、84g/L、85g/L、86g/L、87g/L、88g/L、89g/L、90g/L、91g/L、92g/L、93g/L、94g/L、95g/L、96g/L、97g/L、98g/L、99g/L、100g/L、110g/L、120g/L或更多的醇。在另一实施方案中，通过包括同时发酵己糖和戊糖糖类的方法生产醇。在另一实施方案中，通过包括同时发酵己糖和戊糖糖类的微生物生产醇。
在另一实施方案中，随着培养基组分被生物体消耗或吸收，通过添加附加的培养基组分来将培养基组分的水平维持在期望水平。培养基组分的示例包括但不限于碳底物、氮底物、维生素、矿物质、生长因子、辅因子和生物催化剂。可以连续地或者以规则或不规则的间隔添加培养基组分。在一个实施方案中，在培养基中的培养基组分完全消耗之前添加附加的培养基组分。在一个实施方案中，可以有效地利用完全消耗，例如以启动不同的代谢途径，以简化下游操作，或者也出于其他原因。在一个实施方案中，允许培养基组分水平围绕中点变化约10％，在一个实施方案中，允许其围绕中点变化约30％，以及在一个实施方案中，允许其围绕中点变化60％或更多。在一个实施方案中，通过允许将培养基组分消耗到适当的水平，随后将培养基组分水平提高到另一适当水平来维持培养基组分水平。在一个实施方案中，在发酵过程期间在两个不同的时间点添加诸如维生素等培养基组分。例如，在发酵开始时添加维生素总量的一半，而在发酵的中点时添加另一半。
在另一实施方案中，随着氮被生物体消耗或吸收时，通过添加附加的含氮材料来将氮水平维持在期望水平。可以连续地或者以规则或不规则的间隔添加含氮材料。有用的氮水平包括约5至约10g/L的水平。在一个实施方案中，还可以有用地采用约1至约12g/L的水平。在另一实施方案中，使用诸如约0.5、0.1g/L或甚至更低等水平以及诸如约20、30g/L或甚至更高等更高水平。在另一实施方案中，有用的氮水平约为0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、22、23、24、25、26、27、28、29或30g/L。可以供应氮以作为简单的含氮材料或更复杂的含氮材料，所述简单的含氮材料诸如为铵化合物(例如，硫酸铵、氢氧化铵、氨、硝酸铵或任何其它含有铵部分的化合物或混合物)、硝酸盐或亚硝酸盐化合物(例如，钾、钠、铵、钙或其他含有硝酸盐或亚硝酸盐部分的化合物或混合物)，所述更复杂的含氮材料诸如为氨基酸、蛋白质、水解蛋白质、水解酵母、酵母提取物、干啤酒酵母、酵母水解物、酒糟、大豆蛋白、水解大豆蛋白、发酵产物，以及加工的或玉米浆粉或未加工的富含蛋白质的植物或动物物质，包括来自豆科植物、种子、大豆、豆科牧草、坚果、牛奶、猪、牛、哺乳动物、鱼以及植物的其他部分和其他类型的动物的那些。可用于各个实施方案的含氮材料还包括含有含氮材料的材料，包括但不限于与碳源、另一种含氮材料、或其他营养物质或非营养物质以及AFEX处理的植物物质相混合的简单或更复杂的含氮材料的混合物。
在另一实施方案中，随着糖被生物体消耗或吸收，通过添加糖化合物或含有糖化合物的材料(“含糖材料”)来将碳水平维持在期望水平。可以连续地或者以规则或不规则的间隔添加含糖材料。在一个实施方案中，在培养基中可用的糖化合物完全消耗之前，添加额外的含糖材料。在一个实施方案中，可以有效地利用完全消耗，例如以启动不同的代谢途径，以简化下游操作，或者也出于其他原因。在一个实施方案中，允许碳水平(由存在于每升培养液的含糖材料中的糖的克数测量)围绕中点变化约10％，在一个实施方案中，允许其围绕中点变化约30％，以及在一个实施方案中允许其围绕中点变化60％或更多。在一个实施方案中，通过允许碳消耗到适当的水平，随后将碳水平提高到另一适当水平来维持碳水平。在一些实施方案中，碳水平可以维持在约5至约120g/L的水平。然而，也可以有效地采用约30至约100g/L的水平以及约60至约80g/L的水平。在一个实施方案中，一部分培养物的碳水平保持在大于25g/L。在另一实施方案中，碳水平约维持在5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L、10g/L、11g/L、12g/L、13g/L、14g/L、15g/L、16g/L、17g/L、18g/L、19g/L、20g/L、21g/L、22g/L、23g/L、24g/L、25g/L、26g/L、27g/L、28g/L、29g/L、30g/L、31g/L、32g/L、33g/L、34g/L、35g/L、36g/L、37g/L、38g/L、39g/L、40g/L、41g/L、42g/L、43g/L、44g/L、45g/L、46g/L、47g/L、48g/L、49g/L、50g/L、51g/L、52g/L、53g/L、54g/L、55g/L、56g/L、57g/L、58g/L、59g/L、60g/L、61g/L、62g/L、63g/L、64g/L、65g/L、66g/L、67g/L、68g/L、69g/L、70g/L、71g/L、72g/L、73g/L、74g/L、75g/L、76g/L、77g/L、78g/L、79g/L、80g/L、81g/L、83g/L、84g/L、85g/L、86g/L、87g/L、88g/L、89g/L、90g/L、91g/L、92g/L、93g/L、94g/L、95g/L、96g/L、97g/L、98g/L、99g/L、100g/L、101g/L、102g/L、103g/L、104g/L、105g/L、106g/L、107g/L、108g/L、109g/L、110g/L、111g/L、112g/L、113g/L、114g/L、115g/L、116g/L、117g/L、118g/L、119g/L、120g/L、121g/L、122g/L、123g/L、124g/L、125g/L、126g/L、127g/L、128g/L、129g/L、130g/L、131g/L、132g/L、133g/L、134g/L、135g/L、136g/L、137g/L、138g/L、139g/L、140g/L、141g/L、142g/L、143g/L、144g/L、145g/L、146g/L、147g/L、148g/L、149g/L或150g/L。
与同氮底物一样，碳底物对于细胞生产和酶生产来说是必需的，但与氮底物不同，它充当用于生产终产物的原材料。通常，更多的碳底物可以致使终产物的产量更大。在另一实施方案中，碳水平和氮水平相互关联地操作达至少一部分发酵时间是有利的。在一个实施方案中，碳与氮的比率维持在约30:1至约10:1的范围内。在另一实施方案中，碳氮的比率维持在从约20:1至约10:1或更优选地从约15:1至约10:1。在另一实施方案中，碳氮的比率约为30:1、29:1、28:1、27:1、26:1、25:1、24:1、23:1、22:1、21:1、20:1、19:1、18:1、17:1、16:1、15:1、14:1、13:1、12:1、11:1、10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2:1或1:1。
将碳氮比率的比率维持在特定范围内可以对操作带来益处，所述操作诸如为使取决于存在的碳底物的量和酶的量和活性的碳底物的代谢速率与终产物生产的速率平衡。使碳与氮的比率平衡例如可以促进这些酶的持续生产以便替代已经失去活性的那些酶。
在另一实施方案中，碳、氮或其它培养基组分添加的量和/或定时可以与发酵期间进行的测量关联。例如，可以测量存在的单糖的量、存在的不溶性多糖的量、多糖酶活性、存在的产物的量、细胞材料的量(例如，细胞压积、干细胞重量等)和/或存在的氮的量(例如，硝酸盐、亚硝酸盐、氨、尿素、蛋白质、氨基酸等)。可以考虑特定种类的浓度、存在于发酵罐中的种类的总量、发酵已经进行的小时数以及发酵罐的容积。在各个实施方案中，可以将这些测量值彼此比较和/或可以将它们与此前从相同发酵或另一种发酵获得的相同参数的先前测量值进行比较。可以诸如通过改变含有培养基组分的流的流速或通过改变该组分的添加频率来实现对该组分的量的调整。例如，当细胞生产比终产物生产增加得快时，可以增加糖类的量。在另一实施方案中，当酶活性水平降低时，可以增加氮的量。
在另一实施方案中，可以采用补料分批操作，其中在发酵期间在不去除发酵结束之前收获物的一部分培养液的情况下添加培养基组分和/或新鲜细胞。在一个实施方案中，补料分批过程基于将生长限制性营养培养基进给到微生物培养物。在一个实施方案中，将进料培养基高度浓缩以避免生物反应器的稀释。在另一实施方案中，营养物的受控添加直接影响培养物的生长速率并避免溢出代谢，诸如副代谢物的形成。在一个实施方案中，生长限制性营养物是氮源或糖类源。
在各个实施方案中，特定培养基组分可以对发酵的性能具有有益影响，诸如增加期望产物的滴度或者提高产生期望产物的速率。具体化合物可以作为诸如特定氨基酸等具体纯成分提供，或者其可以作为更复杂成分的组分提供，诸如使用微生物、植物或动物产物作为培养基成分以提供特定氨基酸、启动子、辅因子或其他有益化合物。在一些情况下，在培养基成分中提供的特定化合物可以通过生物体与其它化合物组合，从而导致发酵有益化合物。这种情况的一个示例是培养基成分提供生物体用来制备有利于发酵的酶的具体氨基酸。其他示例可以包括用于生成生长或产物启动子等的培养基组分。在这样的情况下，可以通过补充酶、启动子、生长因子等或者通过添加前体获得发酵有益的结果。在一些情况下，培养基组分有益于发酵的具体机制是未知的，仅知道实现了有益的结果。
在一个实施方案中，通过在具有木质素组分补充物和大量的一种或多种碳源的培养基中培养混浊红球菌生物催化剂菌株来进行生产燃料的发酵。由此得到的诸如TAG等终产物的生产的容积生产率是仅使用添加相对纯的糖类源的过程的至多1倍、2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍，并且在一些情况下是至多10倍且更高，并且可以实现接近理论最大值的碳转化效率。理论最大值可随着底物和产物而改变。例如，葡萄糖转化为乙醇的通常接受的最大效率是每克葡萄糖0.51g乙醇。在一个实施方案中，生物催化剂可以生产约40-100％理论最大产率的乙醇。在另一实施方案中，生物催化剂可以生产高达约40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％以及甚至100％理论最大产率的乙醇。在一个实施方案中，生物催化剂可以生产约高达1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.99％或100％理论最大产率的燃料。可以通过用预处理或水解组分补充培养基来获得发酵有益的结果。在一些情况下，培养基组分有利于发酵的具体机制是未知的，仅知道实现了有益的结果。
各个实施方案提供了与改进发酵终产物生产的滴度和/或生产率有关的益处，所述发酵终产物生产通过生物催化剂通过在包含一种或多种包括特定脂肪酸部分的化合物的培养基中培养生物体和/或在受控pH条件下培养生物体进行。
在一个实施方案中，对于至少一部分发酵，将培养基的pH控制在小于约pH 7.2。在一个实施方案中，将pH控制在约pH 3.0至约7.1或约pH 4.5至约7.1、或约pH 5.0至约6.3、或约pH 5.5至约6.3、或约pH 6.0至约6.5、或约pH 5.5至约6.9或约pH 6.2至约6.7的范围内。可以通过添加pH调节剂来控制pH。在一个实施方案中，pH调节剂是酸、碱、缓冲液或者与存在的其它材料反应的材料，以用于升高或降低pH值。在一个实施方案中，可以使用不止一种pH调节剂，诸如不止一种酸、不止一种碱、一种或多种酸与一种或多种碱、一种或多种酸与一种或多种缓冲液、一种或多种碱与一种或多种缓冲液，或者一种或多种酸与一个或多种碱以及一种或多种缓冲液。当利用不止一种pH调节剂时，可以在同一时间或在不同时间添加它们。在一个实施方案中，可以将一种或多种酸与一个或多种碱相组合，得到缓冲液。在一个实施方案中，诸如碳源或氮源等培养基组分也可以用作pH调节剂；合适的培养基组分包括具有高或低pH的那些或者具有缓冲能力的那些。示例性培养基组分包括具有残余酸或碱的酸或碱水解的植物多糖，AFEX处理的具有残余氨、乳酸、玉米渣或玉米浆的植物材料。
在一个实施方案中，可以在整个发酵过程中利用恒定的pH。在一个实施方案中，pH降低的定时和/或量可以与细胞的生长条件相关，诸如关于细胞计数、产生的终产物、存在的终产物或终产物生产的速率。在一个实施方案中，可以关于诸如粘度、培养基组成、气体产生、废气组成等发酵的物理或化学性质来进行pH降低。
发酵终产物的提取
在另一方面，提供了用于提取发酵终产物的方法，所述发酵终产物诸如为醇(例如乙醇、丙醇、甲醇、丁醇等)、另一生物燃料或化学产物。在一个实施方案中，将在发酵期间的某个时间点收获培养液，并将提取一种或多种发酵终产物。具有要提取的终产物的培养液将包含终产物和杂质二者。杂质包括诸如水、细胞体、细胞碎片、过量碳底物、过量氮底物、其它剩余营养物、其它代谢物和其它培养基组分或消化培养基组分等材料。在处理培养液的过程期间，可以将培养液加热和/或与各种试剂反应，从而导致培养液中的附加杂质。
在一个实施方案中，提取终产物的处理步骤经常包括若干分离步骤，例如包括从较不纯的含醇材料蒸馏高浓度醇材料。在一个实施方案中，可以对高浓度乙醇材料进一步浓缩以获得非常高浓度的醇，诸如98％或99％或99.5％(wt.)或者甚至更高。诸如过滤、离心、萃取、吸附等其他分离步骤也可以是用于将醇作为产物或生物燃料，或者用于其他生物燃料或化学产品的一些提取过程的一部分。
在一个实施方案中，可以对过程进行缩放以生产商业上有用的生物燃料。在另一实施方案中，使用生物催化剂来生产醇，例如乙醇、丁醇、丙醇、甲醇或者诸如烃氢、TAG和羟基化合物等燃料。在另一实施方案中，使用生物催化剂来生产诸如醛或酮(例如丙酮、甲醛、1-丙醛等)等羰基化合物、有机酸、诸如酯(例如蜡酯、甘油酯等)、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、丙酮酸等有机酸的衍生物，或者诸如纤维素酶、多糖酶、脂肪酶、蛋白酶、木质素酶和半纤维素酶等酶。
TAG生物合成在大自然中广泛分布，并且TAG作为储备化合物在植物、动物、酵母和真菌之中广泛存在。然而，相比之下，尚未将TAG视为细菌中常见的储存化合物。仅针对属于诸如链霉菌(Streptomyces)、诺卡氏菌(Nocardia)、红球菌、分枝杆菌(Mycobacterium)、迪茨氏菌(Dietzia)和戈登氏菌(Gordonia)属等放线菌群体的少数细菌，并在小范围内也在诸如Acinetobacter baylyi和泊库岛食烷菌(Alcanivorax borkumensis)等少数其它细菌中已经描述TAG的生物合成和积累。自20世纪90年代中期以来，经常报道这些属的碳氢化合物降解菌株中的TAG生产。TAG作为细胞内内含物存储在球形脂质体中，其中量取决于各自的种类、培养条件和生长阶段。通常，生产TAG的重要因素是供应给培养基的氮的量。在氮耗尽后可用于培养物的过量碳继续被细胞吸收，并且凭借处理必需酶的含油细菌直接转化为脂质。细菌TAG分子的组成和结构根据细菌和培养条件，尤其是碳源而相当大地变化。参见Brigham CJ等人(2011)J Microbial Biochem Technol S3：002。
在一个实施方案中，可以使用蒸汽或热水提取技术从非食用植物生物质中生产有用的生物化学品，通过使诸如玉米秸秆或高粱等经预处理的非食用植物生物质材料的装料，在加压器皿中在高达约160-220℃的升高温度下并且在低于约7.0的pH下与水和/或酸(具有或不具有附加的增强化合物或材料的过程)接触，以得到包含长链糖类(糖)、乙酸和木质素的有用糖的水性(提取物溶液)混合物，同时使木质纤维素材料的结构(纤维素和木质素)部分大部分保持原样。组合地，这些潜在的抑制性化学品，尤其是糖降解产物的量很低，并且还提取了天然存在的木质纤维素基组分的植物衍生营养物，这些植物衍生营养物有益于C5和C6发酵生物体。为了达到这个目的，除了向可发酵流中传送的其它半纤维素(富含C5)和纤维素衍生糖(富含C6)之外，通过生产浓缩的糖流来浓缩(通过离心、过滤、溶剂萃取、絮凝、蒸发)水性提取物。
在另一实施方案中，在酶/酸水解之后，用糖流提取释放的附加的化学化合物，从而得到含有木糖、甘露糖、阿拉伯糖、鼠李糖、半乳糖和葡萄糖(5和6碳糖)的短链糖溶液。现在显著富含C5和C6物质的糖流可以通过微生物发酵或化学催化转化为诸如三酰基甘油或TAG等产物，并且进一步精制以生产富含JP8或喷气燃料的流。如果尚未进行C5糖百分比校正，则可以在发酵之前进行，以满足用于发酵生物体和对应终产物所期望的C5和C6糖组合。
具体实施方案
本文公开了许多方法和系统。这些方法和系统的具体示例性实施方案在下文公开。
实施方案1。一种用于每天预处理至少一干吨生物质的工业规模方法，所述方法包括：将所述生物质以每天至少一干公吨(MT)生物质的速率进给至挤出系统中，所述挤出系统包括限定包括进料区和反应区的内腔室的筒体；以及在所述反应区内在升高的温度和压力下处理所述生物质达少于约20秒以生产经预处理的生物质组合物，所述生物质组合物包含液体馏分和固体颗粒，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
实施方案2。根据实施方案1所述的方法，其中所述挤出系统还包括一个或多个可旋转螺杆，所述一个或多个可旋转螺杆被配置用于使所述生物质从所述进料区并通过所述反应区移动通过所述挤出系统。
实施方案3。根据实施方案2所述的方法，其中所述一个或多个可旋转螺杆包括一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置用于从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述内腔室分离成包括所述进料区和所述反应区在内的两个或更多个区。
实施方案4。根据实施方案2-3中任一项所述的方法，包括一个、两个或三个可旋转螺杆。
实施方案5。根据实施方案4所述的方法，包括两个可旋转螺杆。
实施方案6。根据实施方案1-5中任一项所述的方法，其中所述生物质进给的速率至少约为2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天。
实施方案7。根据实施方案1-5中任一项所述的方法，其中所述挤出系统还包括连接到所述筒体的第一端处的入口端口的料斗，用于将所述生物质进给到所述进料区中。
实施方案8。根据实施方案7所述的方法，其中所述料斗还包括进料器，所述进料器被配置用于使所述生物质从所述料斗移动通过所述入口端口。
实施方案9。根据实施方案8所述的方法，其中所述进料器是被配置用于将所述生物质均衡地分配到所述进料区中的递送螺旋钻。
实施方案10。根据实施方案1-9中任一项所述的方法，还包括在所述反应区之前向所述生物质添加液体。
实施方案11。根据实施方案10所述的方法，其中所述液体是水。
实施方案12。根据实施方案10或11所述的方法，其中所述液体通过位于所述料斗的可密封端口添加。
实施方案13。根据实施方案10-12中任一项所述的方法，其中通过所述筒体上的一个或多个可密封端口将所述液体添加到所述进料区中。
实施方案14。根据实施方案10-13中任一项所述的方法，其中添加所述液体以将所述生物质的水分含量增加至约从10-90％、15-85％、20-80％、30-70％或者约40-60％w/v。
实施方案15。根据实施方案1-14中任一项所述的方法，其中在所述反应区中处理所述生物质达少于19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒。
实施方案16。根据实施方案1-14中任一项所述的方法，其中在反应区中处理所述生物质约达20、19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒。
实施方案17。根据实施方案1-14中任一项所述的方法，其中在所述反应区中处理所述生物质约达5至15秒。
实施方案18。根据实施方案1-14中任一项所述的方法，其中在所述反应区中处理所述生物质约达10秒。
实施方案19。根据实施方案1-18中任一项所述的方法，其中所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。
实施方案20。根据实施方案1-18中任一项所述的方法，其中所述升高的温度约为150-300℃。
实施方案21。根据实施方案1-18中任一项所述的方法，其中所述升高的温度约为200-250℃。
实施方案22。根据实施方案1-21中任一项所述的方法，其中所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。
实施方案23。根据实施方案1-21中任一项所述的方法，其中所述升高的压力约为300-500PSI。
实施方案24。根据实施方案1-21中任一项所述的方法，其中所述升高的压力约为350-450PSI。
实施方案25。根据实施方案1-24中任一项所述的方法，还包括将蒸汽注入到所述生物质中以增加温度和压力。
实施方案26。根据实施方案25所述的方法，其中所述蒸汽被注入所述反应区中。
实施方案27。根据实施方案25或26所述的方法，其中所述蒸汽通过所述筒体中的一个或多个可密封端口注入。
实施方案28。根据实施方案1-27中任一项所述的方法，其中所述挤出系统还包括加热护套。
实施方案29。根据实施方案1-28中任一项所述的方法，还包括向所述反应区中的所述生物质添加化学剂。
实施方案30。根据实施方案29所述的方法，其中所述化学剂包括酸、碱或其组合。
实施方案31。根据实施方案30所述的方法，其中所述化学剂包括的酸是硫酸、过氧乙酸、乳酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、磷酸、盐酸、亚硫酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、草酸、苯甲酸或其组合。
实施方案32。根据实施方案30所述的方法，其中所述化学剂包括的酸是硫酸。
实施方案33。根据实施方案30所述的方法，其中所述化学剂包括的碱是氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氨、氢氧化铵、过氧化氢或其组合。
实施方案34。根据实施方案29-33中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至0.1-20％w/v、1-15％w/v、1.5-10％w/v、1-10％w/v、1-5％w/v或2-4％w/v的水平。
实施方案35。根据实施方案29-33中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至2-4％w/v的水平。
实施方案36。根据实施方案29-33中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至2％w/v的水平。
实施方案37。根据实施方案29-33中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至4％w/v的水平。
实施方案38。根据实施方案1-37中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％产率的C5单糖。
实施方案39。根据实施方案1-37中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％产率的C5单糖。
实施方案40。根据实施方案1-37中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
实施方案41。根据实施方案1-37中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少85％产率的C5单糖。
实施方案42。根据实施方案1-41中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％产率的C6单糖。
实施方案43。根据实施方案1-41中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包括含与基于所述生物质的理论最大值相比少于45％产率的C6单糖。
实施方案44。根据实施方案1-41中任一项所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于35％产率的C6单糖。
实施方案45。根据实施方案1-42中任一项所述的方法，其中所述固体颗粒具有约1-500μm、1-250μm、1-200μm或1-150μm的大小范围。
实施方案46。根据实施方案1-42中任一项所述的方法，其中所述固体颗粒具有约1-150μm的大小范围。
实施方案47。根据实施方案1-46中任一项所述的方法，其中所述固体颗粒具有约1-50μm、5-40μm、10-30μm或15-25μm的大小范围。
实施方案48。根据实施方案1-46中任一项所述的方法，其中所述固体颗粒具有约15-25μm的平均大小。
实施方案49。根据实施方案1-48中任一项所述的方法，其中所述方法生产低水平的一种或多种抑制剂化合物。
实施方案50。根据实施方案49所述的方法，其中所述一种或多种抑制剂化合物包括甲酸、乙酸、羟甲基糠醛(HMF)、糠醛或其组合。
实施方案51。根据实施方案1-50中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于30、25、20、15、10或5kg的甲酸。
实施方案52。根据实施方案1-50中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于30kg的甲酸。
实施方案53。根据实施方案1-50中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于15kg的甲酸。
实施方案54。根据实施方案1-50中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于10kg的甲酸。
实施方案55。根据实施方案1-54中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于100、80、60、50、40、30、25、20、15、10或5kg的乙酸。
实施方案56。根据实施方案1-54中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于60kg的乙酸。
实施方案57。根据实施方案1-54中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于40kg的乙酸。
实施方案58。根据实施方案1-54中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于15kg的乙酸。
实施方案59。根据实施方案1-58中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的羟甲基糠醛(HMF)。
实施方案60。根据实施方案1-58中任一项所述的方法，其中每MT干生物质生产少于5kg的羟甲基糠醛(HMF)。
实施方案61。根据实施方案1-58中任一项所述的方法，其中每MT干生物质生产少于3kg的羟甲基糠醛(HMF)。
实施方案62。根据实施方案1-58中任一项所述的方法，其中每MT干生物质生产少于2kg的羟甲基糠醛(HMF)。
实施方案63。根据实施方案1-62中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生少于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的糠醛。
实施方案64。根据实施方案1-62中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于7.5kg的糠醛。
实施方案65。根据实施方案1-62中任一项所述的方法，其中每MT干生物质产生小于5kg的糠醛。
实施方案66。根据实施方案1-65中任一项所述的方法，其中所述挤出系统还包括压力致动排出阀。
实施方案67。根据实施方案66的方法，其中所述压力致动排出阀被配置成响应于所述挤出系统内的压力而打开和关闭。
实施方案68。根据实施方案66或67所述的方法，其中所述压力致动排出阀连接到所述筒体第二端处的端部法兰盘。
实施方案69。根据实施方案66-68中任一项所述的系统，其中所述压力致动排出阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
实施方案70。根据实施方案66-68中任一项所述的方法，其中所述压力致动排出阀包括提升阀。
实施方案71。根据实施方案66-70中任一项所述的方法，其中所述压力致动排出阀连接至致动器。
实施方案72。根据实施方案71所述的方法，其中所述致动器使用气动力、液压力、机电力或其组合。
实施方案73。根据实施方案71或72所述的方法，其中所述致动器在工作中耦合至背压控制单元。
实施方案74。根据实施方案73所述的方法，其中所述背压控制单元在工作中耦合至一个或多个压力计。
实施方案75。根据实施方案74所述的方法，所述一个或多个压力计中的至少一个监测所述反应区内的压力。
实施方案76。根据实施方案1-75中任一项所述的方法，其中所述挤出系统还包括闪蒸罐。
实施方案77。根据实施方案76所述的方法，其中所述闪蒸罐在所述经预处理的生物质组合物离开所述压力致动排出阀时收集所述经预处理的生物质组合物。
实施方案78。根据实施方案1-77中任一项所述的方法，其中所述生物质包括藻类、玉米、草、秸秆、谷物壳、木材、树皮、木屑、纸、杨木、柳木、柳枝稷、苜蓿、牧场须芒草、糖棕榈、水椰棕榈、木薯、高粱、蜀黍、白薯、糖蜜、块茎、根、梗、西米、木番薯、树薯、豌豆、豆类、土豆、甜菜、水果、果核、高粱、甘蔗、水稻、小麦、全麦、黑麦、大麦、竹子、种子、燕麦或其组合，或者其衍生物或副产物。
实施方案79。根据实施方案78所述的方法，其中所述其衍生物或副产物包括玉米秸秆、玉米棒、玉米醪、玉米纤维、青贮饲料、甘蔗渣、酒糟、干可溶物酒糟、干酒糟、浓缩可溶物酒糟、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、纤维、果皮、稻草、稻壳、小麦秸秆、大麦秸秆、种皮壳、燕麦壳、食品废物、城市污水废物或其组合。
实施方案80。根据实施方案1-77中任一项所述的方法，其中所述生物质包含木质生物质。
实施方案81。根据实施方案80所述的方法，其中木质生物质包括硬木、软木或其组合。
实施方案82。根据实施方案1-77中任一项所述的方法，其中所述生物质包含硬木。
实施方案83。根据实施方案1-82中任一项所述的方法，还包括用一种或多种酶水解包含纤维素的所述固体颗粒以产生单糖。
实施方案84。所述经预处理的生物质组合物通过实施方案1-83中任一项所述的方法生产。
实施方案85。一种包含C6单糖的糖流，由实施方案83所述的方法生产。
实施方案86。一种用于每天工业规模预处理至少一干吨生物质的系统，所述系统包括：(a)筒体，其限定了内腔室并且包括靠近所述筒体第一端的入口端口和所述筒体第二端处的端部法兰盘；(b)一个或多个可旋转螺杆，其被配置用于使所述生物质移动通过所述筒体的内腔室并且容纳一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置成从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述筒体的内腔室分离成包括进料区和反应区在内的两个或更多个区；以及(c)压力致动排出阀，其连接到所述端部法兰盘并且被配置成响应于所述筒体内的压力而打开和关闭，从而允许连续生产包含液体馏分和固体颗粒的经预处理的生物质组合物，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
实施方案87。根据实施方案86所述的系统，包括一个、两个或三个可旋转螺杆。
实施方案88。根据实施方案86所述的系统，包括两个可旋转螺杆。
实施方案89。根据实施方案86-88中任一项所述的系统，还包括被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆旋转的马达。
实施方案90。根据实施方案89所述的系统，其中所述马达被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆约以100、250、400、500、750、1000、1100、1250、1500或2000RPM旋转。
实施方案91。根据实施方案89所述的系统，其中所述马达被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆约以100-2000RPM、250-1500RPM、400-1100RPM或500-1000RPM旋转。
实施方案92。根据实施方案86-91中任一项所述的系统，其中所述系统能够以至少约2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天的速率处理生物质。
实施方案93。根据实施方案86-92中任一项的系统，其中所述系统还包括连接到所述入口端口的料斗，用于将所述生物质进给到所述进料区中。
实施方案94。根据实施方案93所述的系统，其中所述料斗还包括进料器，所述进料器被配置用于使所述生物质从所述料斗移动通过所述入口端口。
实施方案95。根据实施方案94所述的系统，其中所述进料器是被配置用于将所述生物质均衡地分配到所述进料区中的递送螺旋钻。
实施方案96。根据实施方案93-95中任一项所述的系统，其中所述料斗包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述料斗中的生物质添加液体。
实施方案97。根据实施方案96所述的系统，其中所述液体是水。
实施方案98。根据实施方案86-97中任一项所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述进料区中的生物质添加液体。
实施方案99。根据实施方案98所述的系统，其中所述液体是水。
实施方案100。根据实施方案86-99中任一项所述的系统，其中所述可旋转螺杆能够在少于约20、19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1秒内输送生物质通过所述反应区。
实施方案101。根据实施方案86-99中任一项所述的系统，其中所述可旋转螺杆能够在约20、19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1秒内输送生物质通过所述反应区。
实施方案102。根据实施方案86-99中任一项所述的系统，其中所述可旋转螺杆能够在约5至15秒内输送生物质通过所述反应区。
实施方案103。根据实施方案86-102中任一项所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加蒸汽。
实施方案104。根据实施方案86-103中任一项所述的系统，其中所述筒体还包括热护套。
实施方案105。根据实施方案86-104中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成维持所述反应区中升高的温度。
实施方案106。根据实施方案105所述的系统，其中所述升高的温度由蒸汽、热护套或其组合提供。
实施方案107。根据实施方案105或106所述的系统，其中所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。
实施方案108。根据实施方案105或106所述的系统，其中所述升高的温度约为150-300℃。
实施方案109。根据实施方案105或106所述的系统，其中所述升高的温度约为200-250℃。
实施方案110。根据实施方案86-109中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成维持所述反应区中升高的压力。
实施方案111。根据实施方案110所述的系统，其中通过添加蒸汽、液体、生物质或其组合来维持所述升高的压力。
实施方案112。根据实施方案110或111所述的系统，其中所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。
实施方案113。根据实施方案110或111所述的系统，其中所述升高的压力约为300-500PSI。
实施方案114。根据实施方案110或111所述的系统，其中所述升高的压力约为350-450PSI。
实施方案115。根据实施方案86-114中任一项所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加一种或多种化学剂。
实施方案116。根据实施方案115所述的系统，其中所述化学剂包括酸、碱或其组合。
实施方案117。根据实施方案116所述的系统，其中所述化学剂包括的是硫酸、过氧乙酸、乳酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、磷酸、盐酸、亚硫酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、草酸、苯甲酸或其组合。
实施方案118。根据实施方案116所述的系统，其中所述化学剂包括的酸是硫酸。
实施方案119。根据实施方案116所述的系统，其中所述化学剂包括的所是氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氨、氢氧化铵、过氧化氢或其组合。
实施方案120。根据实施方案115-119中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于添加所述化学剂约至0.1-20％w/v、1-15％w/v、1.5-10％w/v、1-10％w/v、1-5％w/v或2-4％w/v的水平。
实施方案121。根据实施方案115-119中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于添加所述化学剂约至2-4％w/v的水平。
实施方案122。根据实施方案115-119中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于添加所述化学剂约至2％w/v的水平。
实施方案123。根据实施方案115-119中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于添加所述化学剂约至4％w/v的水平。
实施方案124。根据实施方案86-123中任一项所述的系统，其中所述压力致动排出阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
实施方案125。根据实施方案86-123中任一项所述的系统，其中所述压力致动排出阀包括提升阀。
实施方案126。根据实施方案86-125中任一项所述的系统，其中所述压力致动排出阀连接至致动器。
实施方案127。根据实施方案126所述的系统，其中所述致动器是气动致动器、液压致动器、机电致动器或其组合。
实施方案128。根据实施方案126或127所述的系统，其中所述致动器在工作中耦合至背压控制单元。
实施方案129。根据实施方案86-128中任一项所述的系统，其中所述背压控制单元在工作中耦合至一个或多个压力计。
实施方案130。根据实施方案129所述的系统，其中所述一个或多个压力计经由所述筒体中的一个或多个可密封端口监测所述筒体中的压力。
实施方案131。根据实施方案130所述的系统，所述一个或多个压力计中的至少一个被配置用于监测所述反应区内的压力。
实施方案132。根据实施方案86-131中任一项所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个端口，所述一个或多个端口包括温度计、压力计或其组合。
实施方案133。根据实施方案86-132中任一项所述的系统，其中所述挤出系统还包括闪蒸罐。
实施方案134。根据实施方案133所述的系统，其中所述闪蒸罐在所述经预处理的生物质组合物离开所述压力致动排出阀时收集所述经预处理的生物质组合物。
实施方案135。根据实施方案86-134中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％产率的C5单糖。
实施方案136。根据实施方案86-134中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％产率的C5单糖。
实施方案137。根据实施方案86-134中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
实施方案138。根据实施方案86-134中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少85％产率的C5单糖。
实施方案139。根据实施方案86-138中任何一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％产率的C6单糖。
实施方案140。根据实施方案86-138中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于45％产率的C6单糖。
实施方案141。根据实施方案86-138中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于35％产率的C6单糖。
实施方案142。根据实施方案86-141中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产大小范围约为1-500μm、1-250μm、1-200μm或1-150μm的固体颗粒。
实施方案143。根据实施方案86-141中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产大小范围约为1-150μm的固体颗粒。
实施方案144。根据实施方案86-141中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产平均大小约为1-50μm、5-40μm、10-30μm或15-25μm的固体颗粒。
实施方案145。根据实施方案86-141中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于生产平均大小约为15-25μm的固体颗粒。
实施方案146。根据实施方案86-145中任一项所述的系统，其中所述生物质包括藻类、玉米、草、秸秆、谷物壳、木材、树皮、木屑、纸、杨木、柳木、柳枝稷、苜蓿、牧场须芒草、糖棕榈、水椰棕榈、木薯、高粱、蜀黍、白薯、糖蜜、块茎、根、梗、西米、木番薯、树薯、豌豆、豆类、土豆、甜菜、水果、果核、高粱、甘蔗、水稻、小麦、全麦、黑麦、大麦、竹子、种子、燕麦或其组合，或者其衍生物或副产物。
实施方案147。根据实施方案146所述的系统，其中所述其衍生物或副产物包括玉米秸秆、玉米棒、玉米醪、玉米纤维、青贮饲料、甘蔗渣、酒糟、干可溶物酒糟、干酒糟、浓缩可溶物酒糟、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、纤维、果皮、稻草、稻壳、小麦秸秆、大麦秸秆、种皮壳、燕麦壳、食品废物、城市污水废物或其组合。
实施方案148。根据实施方案86-145中任一项所述的系统，其中所述生物质包含木质生物质。
实施方案149。根据实施方案148所述的系统，其中木质生物质包括硬木、软木或其组合。
实施方案150。根据实施方案86-145中任一项所述的系统，其中所述生物质包含硬木。
实施方案151。一种适于预处理生物质的系统，包括：限定反应隔室的筒体；用于预处理保留在反应隔室内的生物质的装置；螺杆组件，其在工作中耦合至所述筒体第一端处的第一移动装置，其中所述螺杆组件被配置用于诱导所述生物质在所述反应隔室内形成一个或多个栓塞，以及用于在对所述生物质进行预处理时沿所述反应隔室移动所述生物质到所述筒体的第二端部；以及压力调制器模块，其在工作中耦合到所述筒体第二端处的第二移动装置，用于在所述反应隔室内提供恒定的压力。
实施方案152。根据实施方案151所述的系统，其中所述反应隔室进一步分成进料区、反应区和压力调制区。
实施方案153。根据实施方案152所述的系统，其中所述进料区位于所述第一端处。
实施方案154。根据实施方案152或153所述的系统，其中料斗附接到所述第一端以便向所述进料区中递送所述生物质。
实施方案155。根据实施方案152-154中任一项所述的系统，其中所述料斗还包括用于向所述进料区中均衡地分配所述生物质的螺旋钻。
实施方案156。根据实施方案152-155中任一项所述的系统，其中第一可密封端口附接到所述筒体以向所述进料区中递送水性溶液。
实施方案157。根据实施方案152-156中任一项所述的系统，其中所述反应区位于所述进料区与所述筒体的第二端之间。
实施方案158。根据实施方案152-157中任一项所述的系统，其中所述反应区通过第一栓塞与所述进料区分离。
实施方案159。根据实施方案152-158中任一项所述的系统，其中所述反应区进一步细分为第一区、第二区和第三区。
实施方案160。根据实施方案159所述的系统，其中所述第一区和所述第二区由第二栓塞分离。
实施方案161。根据实施方案159所述的系统，其中所述第二区和所述第三区由第三栓塞分离。
实施方案162。根据实施方案159-161中任一项所述的系统，其中第二可密封端口附接到所述筒体，用于向所述第一区域和/或所述第二区域中递送蒸汽。
实施方案163。根据实施方案159-162中任一项所述的系统，其中第三可密封端口附接到所述筒体，用于向所述第二区域中递送化学反应物。
实施方案164。根据实施方案163所述的系统，其中所述化学反应物是酸、碱或附加的化学反应物。
实施方案165。根据实施方案151-164中任一项所述的系统，其中温度计和压力计附接到所述筒体，用于监测所述反应区内部的温度和压力。
实施方案166。根据实施方案152所述的系统，其中所述压力调制区位于所述筒体的第二端处。
实施方案167。根据实施方案152或166所述的系统，其中所述压力调制区和所述反应区由端板分离。
实施方案168。根据实施方案167所述的系统，其中所述端板被构造成包含用于允许所述生物质从所述反应区移动到所述压力调制区中的孔。
实施方案169。根据实施方案168所述的系统，其中移动到所述压力调制区中的所述生物质是经预处理的生物质。
实施方案170。根据实施方案168或169所述的系统，其中导管将所述压力调制区连接到用于储存所述经预处理的生物质的闪蒸罐。
实施方案171。根据实施方案151所述的系统，其中所述压力调制器模块包括端阀。
实施方案172。根据实施方案171所述的系统，其中所述端阀在工作中耦合到所述筒体第二端处的所述第二移动装置，用于在所述反应区内提供恒定的压力。
实施方案173。根据实施方案172所述的系统，其中所述端阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
实施方案174。根据实施方案173所述的系统，其中所述端阀是提升阀。
实施方案175。根据实施方案151或172所述的系统，其中所述第二移动装置是外部第二移动装置。
实施方案176。根据实施方案151、172或175中任一项所述的系统，其中所述第二移动装置包括致动器。
实施方案177。根据实施方案176所述的系统，其中所述致动器被配置成使用气动力。
实施方案178。根据实施方案176所述的系统，其中所述致动器被配置成使用液压力。
实施方案179。根据实施方案176所述的系统，其中所述致动器被配置成使用机电力。
实施方案180。根据实施方案151、172或175-179中任一项所述的系统，其中所述第二移动装置还连接到压力调节器。
实施方案181。根据实施方案180所述的系统，其中所述压力调节器被配置用于接收来自所述压力计的反馈。
实施方案182。根据实施方案151所述的系统，其中所述第一移动装置是外部第一移动装置。
实施方案183。根据实施方案151或182所述的系统，其中所述第一移动装置包括马达和变速箱组合。
实施方案184。根据实施方案151所述的系统，其中所述螺杆组件的长度跨通所述进料区和所述反应区。
实施方案185。根据实施方案151或184所述的系统，其中所述螺杆组件包括两个或更多个螺杆。
实施方案186。根据实施方案180所述的系统，其中所述压力调节器包括背压调节器。
实施方案187。根据实施方案186所述的系统，其中所述背压调节器包括气动调节器。
实施方案188。一种用于预处理生物质的方法，包括：(a)将生物质装载到包括反应隔室的筒体中，其中所述反应隔室包括生产用于生成反应区的一个或多个栓塞的装置；以及(b)在升高的温度和恒定的压力下对所述反应区内的所述生物质进行预处理多达20秒的时间；其中在反应区内所述生物质的大小降低。
实施方案189。根据实施方案188所述的方法，其中所述反应隔室还包括进料区和压力调制区。
实施方案190。根据实施方案188或189所述的方法，其中所述进料区和所述反应区由第一栓塞分离。
实施方案191。根据实施方案188-190中任一项所述的方法，其中向所述进料区中的所述生物质添加水性溶液以生成包含从约1％至约90％w/v悬浮固体的水性组合物。
实施方案192。根据实施方案188-190中任一项所述的方法，其中向所述进料区中的所述生物质添加水性溶液以生成包含从约1％至约60％w/v悬浮固体的水性组合物。
实施方案193。根据所述实施方案191或192所述的方法，其中所述悬浮固体包含纤维素、半纤维素和/或木质素。
实施方案194。根据实施方案191或192所述的方法，其中所述水性溶液是水。
实施方案195。根据实施方案188-194中任一项所述的方法，其中还向所述反应区中的所述生物质添加化学反应物。
实施方案196。根据实施方案195所述的方法，其中所述化学反应物是酸、碱或附加的化学反应物。
实施方案197。根据实施方案188-196中任一项所述的方法，其中还向所述反应区中的所述生物质添加蒸汽以进一步增加所述反应区内的温度。
实施方案198。根据实施方案188-197中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的温度介于约80℃至约300℃之间。
实施方案199。根据实施方案188-197中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的温度介于约160℃至约210℃之间。
实施方案200。根据实施方案188-199中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的压力介于约300psi至约1000psi之间。
实施方案201。根据实施方案188-199中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的压力介于约400psi至约800psi之间。
实施方案202。根据实施方案188-199中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的压力介于约400psi至约600psi之间。
实施方案203。根据实施方案188-202中任一项所述的方法，其中所述反应区内的生物质的压力进一步由所述压力调制区内的压力调节器模块维持。
实施方案204。根据实施方案203所述的方法，其中所述压力调制器模块包括端阀。
实施方案205。根据实施方案204所述的方法，其中所述端阀在工作中耦合到所述筒体第二端处的移动装置，用于在所述反应区内提供恒定的压力。
实施方案206。根据实施方案204或205所述的方法，其中所述端阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
实施方案207。根据实施方案206所述的方法，其中所述端阀是提升阀。
实施方案208。根据实施方案205所述的方法，其中所述移动装置是外部移动装置。
实施方案209。根据实施方案205或208所述的方法，其中所述移动装置包括致动器。
实施方案210。根据实施方案209所述的方法，其中所述致动器使用气动力。
实施方案211。根据实施方案209所述的方法，其中所述致动器使用液压力。
实施方案212。根据实施方案209所述的方法，其中所述致动器使用机电力。
实施方案213。根据实施例205或208-212中任一项所述的方法，其中所述移动装置还连接到压力调节器。
实施方案214。根据实施方案213所述的方法，其中所述压力调节器被配置用于接收来自所述压力计的反馈。
实施方案215。根据实施方案214所述的方法，其中所述压力计附接到所述筒体，用于监测所述反应区内的压力。
实施方案216。根据实施例214或215中任一项所述的方法，其中所述压力调节器是背压调节器。
实施方案217。根据实施方案216所述的方法，其中所述背压调节器包括气动调节器。
实施方案218。根据实施方案188-217中任一项所述的方法，其中还向闪蒸罐中排出所述生物质以作为经预处理的生物质。
实施方案219。根据实施方案218所述的方法，其中所述经预处理的生物质包含从约5％至约55％w/v的总糖类浓度。
实施方案220。根据实施方案218所述的方法，其中所述经预处理的生物质包含从约15％至约45％w/v的总糖类浓度。
实施方案221。根据实施方案216所述的方法，其中所述经预处理的生物质包含从约25％至约35％w/v的总糖类浓度。
实施方案222。根据实施方案218所述的方法，其中所述一个或多个栓塞由螺杆组件产生。
实施方案223。根据实施方案222所述的方法，其中所述螺杆组件包括两个或更多个螺杆。
实施方案224。根据实施方案188-223中任一项所述的方法，其中所述生物质包括藻类、玉米秸秆、玉米棒、玉米醪、玉米纤维、青贮饲料、草、秸秆、谷物壳、甘蔗渣、酒糟、酒糟干可溶物、干酒糟、浓缩酒糟可溶物、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、木材、树皮、木屑、纸、杨木、柳木、柳枝稷、苜蓿、牧场须芒草、糖棕榈、水椰棕榈、纤维、木薯、高粱、蜀黍、白薯、糖蜜、块茎、根、梗、西米、木薯，树薯、豌豆、豆类、土豆、甜菜、水果、果皮、果核、高粱、甘蔗、水稻、稻草、稻壳、小麦、小麦秸秆、全麦、黑麦、大麦、大麦秸秆、竹子、种子、种壳、燕麦、燕麦壳、食品废物、城市污水废物或其组合。
实施方案225。根据实施方案218-221中任一项所述的方法，其中所述经预处理的生物质还经历发酵步骤。
实施方案226。根据实施方案225所述的方法，其中向所述经预处理的生物质中添加一种或多种发酵微生物。
实施方案227。根据实施方案226所述的方法，其中所述一种或多种发酵微生物包含细菌种类、酵母种类、藻类、非酵母真菌或其组合。
实施方案228。根据实施方案226所述的方法，其中所述一种或多种发酵微生物包括酿酒酵母菌株。
实施方案229。根据实施方案226所述的方法，其中所述一种或多种发酵微生物包括基因改性的微生物。
实施方案230。根据实施方案188-229中任一项所述的方法，其中预处理包括在非中性pH水性培养基中水合所述生物质。
实施方案231。根据实施方案230所述的方法，其中所述非中性pH水性培养基处于从约30℃至约70℃下。
实施方案232。根据实施方案230或231所述的方法，其中所述非中性水性培养基包含以干生物质重量计从约0.1％至约5％v/w的酸或碱。
实施方案233。一种发酵终产物，通过实施方案188-229所述的方法生产。
实施方案234。根据实施方案233所述的发酵终产物，其中所述发酵终产物是醇。
实施方案235。根据实施方案234所述的发酵终产物，其中所述发酵终产物是乙醇。
实施方案236。一种糖流，通过实施方案188-229所述的方法生产。
实施方案237。一种阀组件，包括：反应隔室，其包括第一端和第二端；端板，其中所述端板位于所述反应腔室的第一端与第二端之间，从而将所述反应隔室分离成反应区和压力调制区，并且其中所述端板被构造成含有孔；以及端阀，其中所述端阀位于所述压力调制区中，并且其中所述端阀在工作中耦合到所述反应隔室第二端处的移动装置，用于在所述反应区内提供恒定的压力。
实施方案238。根据实施方案237所述的阀组件，其中所述端阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
实施方案239。根据实施方案237所述的阀组件，其中所述端阀是提升阀。
实施方案240。根据实施方案237所述的阀组件，其中所述移动装置是外部移动装置。
实施方案241。根据实施方案237或240所述的阀组件，其中所述移动装置包括致动器。
实施方案242。根据实施方案241所述的阀组件，其中所述致动器被配置成使用气动力。
实施方案243。根据实施方案241所述的阀组件，其中所述致动器被配置成使用液压力。
实施方案244。根据实施方案241所述的阀组件，其中所述致动器被配置成使用机电力。
实施方案245。根据实施例237-244中任一项所述的阀组件，其中所述移动装置还连接到压力调节器。
实施方案246。根据实施方案245所述的阀组件，其中所述压力调节器包括背压调节器。
实施方案247。根据实施方案246所述的阀组件，其中所述背压调节器包括气动调节器。
实施方案248。根据实施方案237-247中任一项所述的阀组件，还包括阀法兰，其中所述阀法兰包括被配置用于坐设所述端阀的座部。
实施方案249。根据实施方案248所述的阀组件，其中所述座部包括陶瓷座。
实施例
以下实施例用于说明某些实施方案和方面，而不应被解释为限制其范围。
实施例1。使用双螺杆挤出机预处理生物质
使用如图2所图解的双螺杆挤出机进行四次连续运行，各自为224、695、1100和977小时。在通过反应器壁的间接加热的情况下运行挤出机直至实验结束。通过挤出机达到高达136kg/hr的流速，其中直接蒸汽注入以提供处理热。所选材料是耐酸的。进料通过重量带式进料器计量，并落入填料机进料器中，从而供给挤出机的筒体。当蒸汽和酸通过连接到如图2所示的挤出机的圆柱形筒体的蒸汽和酸端口注入时，两个螺杆相互结合并提供快速的热和质量传递。蒸汽和酸供应端口由螺杆中的反向流动部分密封。将液压操作的压力控制阀坐设于陶瓷密封件中，并且控制压力以在挤出机的反应部分中维持尽可能恒定的压力。
将固体在爆破进入闪蒸罐中之前在如图2描绘的挤出机中所示的反应区中暴露于高温高压和低pH达最多约10秒。在反应区中的停留时间由螺杆的旋转时间控制。泵式进料器中螺杆上方的浪涌腔室用作闪蒸器皿，其中使热水蒸发，从而将产物冷却并去除一些低沸点抑制剂，诸如糠醛。在这些条件下，只要在较短反应时段的情况下避免过煮，挤出就不会产生抑制酵母生长或发酵的足够的糠醛或HMF。转换抑制剂——HMF和糠醛在该预处理期间形成的量少(例如，总计经预处理的干产物的0.3至0.5wt％)。
实施例2。使用双螺杆挤出机预处理后的颗粒大小
进行该运行以评估在改造的双螺杆挤出机中在生物质预处理期间发生的颗粒大小减小。使用平均颗粒大小约3mm×3mm×1mm且平均含水量31％的樱桃木屑作为原始生物质原料。将樱桃生物质进给到由Coperion制造的ZSK-30双螺杆挤出机中，实际上如实施例1中所述。用于实验的处理参数列于表2中。
表2-颗粒大小分布实验参数
连续地处理樱桃木屑。经过处理的樱桃木屑的最终含水量约为76.8％。一旦达到稳定状态，收集经预处理的材料的样品以供颗粒大小分析。通过使用Horiba LA-920的米氏散射理论分析样品，Horiba LA-920能够测量0.02μm至2000μm的粒径。结果表明在整个预处理过程中颗粒大小发生了显着的减小。平均颗粒大小从原材料的3mm减小到经预处理的流出物的20.75μm。颗粒大小分布的总结如图13中所示。
实施例3
预处理后的生物质浆料分析
表3是在一组优化条件下所预处理的各种类型生物质的总结，其中分析了从预处理中分离出来作为生物质浆料的所得液体馏分的糖和有机酸组成。添加水或蒸汽以调整至期望的固体含量以供预处理。
将湿度为68.10％的湿酒糟进给到双螺杆挤出机填料机中。挤出机中的条件设定在39.0kg/hr、232℃的蒸汽阀压力以及400psi的端阀压力下，其中4.0％的H2SO4。生物质作为21.8％的总固体浆料离开挤出机。对于预处理后分析，使用水分平衡分析仪(moistureanalyzer-balance)确定生物质浆料的水分含量。将均匀浆料的样品以6000rpm离心达5分钟，并将上清液用于标准HPLC样品制备。在具有RID-10A检测器和BIORAD Aminex HPX-87H柱(300x7.8mm)的Shimadzu HPLC系统上进行了所有的糖和有机酸分析。流动相为0.01NH2SO4，并且HPLC进行了0.1g/L至50.0g/L的8点校准。
樱桃木屑以34.4％的水分转移(resift)。挤出机系统中的条件设定在232℃、27.2kg/hr的蒸汽阀压力以及400psi的端阀压力下，其中2.0％的H2SO4。生物质作为25.9％的总固体均匀浆料离开该系统。将生物质浆料冷却，继而如上所述进行分析。
将测量为22.50％水分的红枫在30.4kg/hr、232℃的蒸汽阀压力和400psi的端阀压力下，以及在2.0％的H2SO4下进给到挤出机系统。生物质作为29.1％的总固体均匀浆料离开挤出机系统。将生物质浆料冷却，继而如上所述进行分析。
将37.58％水分的黄杨在30.4kg/hr、232℃的蒸汽阀压力和400psi的端阀压力下，以及在2.0％的H2SO4下进给到挤出机系统。生物质作为26.8％的总固体均匀浆料离开挤出机系统。将生物质浆料冷却，继而如上所述进行分析。
对经预处理的浆料的液体馏分的分析显示了来自木质纤维素生物质的富含半纤维素的提取物，以及低浓度的有机酸和抑制剂。
表3。经预处理的材料的液体馏分的预处理条件和组成；kg/MT表示千克每干公吨生物质。
*表示经处理的湿酒糟的液体馏分中甘油的量(kg/MT)。
表4提供了表3和表5中概述的各种原料的糖组成分析的总结。
组成分析
湿酒糟：使用原料的骨干样品分析玉米粒糖组成。通过在高压釜中在35℃下使用72％的硫酸水解达1小时，随后在249℃下使用4％的硫酸水解达1小时遵循NREL LAP for“Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass”(NREL/TP-510-42618:A.Sluiter,B.Hames,R.Ruiz,C.Scarlata,J.Sluiter,D.Templeton,andD.Crocker)来量化原始原料内总理论可得糖。在具有RID-10A检测器和BIORAD AminexHPX-87H柱(300x7.8mm)的Shimadzu HPLC系统上进行糖分析。流动相为0.01NH2SO4，并且HPLC进行了0.1g/L至50.0g/L的8点校准。
分析樱桃树、红枫和黄杨预处理后的糖组成。通过酶水解确定理论单体糖的组成分析，用过量的纤维素酶混合物来水解纤维素和半纤维素馏分中存在的所有可能的糖。在具有RID-10A检测器和BIORAD Aminex HPX-87H柱(300x7.8mm)的Shimadzu HPLC系统上进行糖分析。流动相为0.01NH2SO4，并且HPLC进行了0.1g/L至50.0g/L的8点校准。
表4。原始原料的组成分析
表5总结了预处理和随后如下文描述的酶水解的糖转化率。转化效率计算为单体糖组成分析的百分比，作为理论最大糖产率。
酶水解
使用水分平衡分析仪确定经预处理的生物质浆料的水分含量。添加水以产生15％总固体的浆料，并将浆料混合均匀。使用10MNaOH将浆料的pH调整至5.2，继而将100g等分的浆料转移到单个250mL摇瓶中。将市售的纤维素酶以每公吨干固体8kg蛋白质添加到每个250mL摇瓶中。在Kuhner培养箱摇床(Climo-Shaker ISF4-X)中在50℃和200rpm下进行水解达72小时的持续时间。
在整个水解过程中的多个时间点进行取样并且在72小时后进行取样，计算转化效率。收集水解物样品以供分析并且对其进行离心。针对单体糖以及有机酸和抑制剂，通过如上文描述的HPLC分析了上清液。
表5。从预处理和酶水解的糖提取，以单体糖的组成分析的百分比计算。
实施例4。
除了上文描述的处理之外，通过本文定义的装置处理众多其它类型的原料。例如，在Fitzmill中磨碎来自废料管理工厂的废纸以通过2.36mm的筛网，并在处理之前在水中混合到1.25wt％。其他原料包括了25％固体的玉米纤维、甘蔗渣(16条(run))、软木(33条)、稻草(12条)、小麦秸秆(8条)、混合秸秆、大麦秸秆(8条)和燕麦壳(10条)。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方案只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方案的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同项。

Claims (82)

1.一种用于每天预处理至少一干吨生物质的工业规模方法，所述方法包括：
a.将所述生物质以每天至少一干公吨(MT)生物质的速率进给到挤出系统中，所述挤出系统包括限定包括进料区和反应区的内腔室的筒体；以及
b.在所述反应区内以升高的温度和压力对所述生物质进行处理达约少于20秒以生产经预处理的生物质组合物，所述生物质组合物包括液体馏分和固体颗粒，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出系统还包括一个或多个可旋转螺杆，所述一个或多个可旋转螺杆被配置用于使所述生物质从所述进料区并通过所述反应区而移动通过所述挤出系统。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个可旋转螺杆包括一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置用于从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述内腔室分离成包括所述进料区和所述反应区在内的两个或更多个区。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的方法，包括一个、两个或三个可旋转螺杆。
5.根据权利要求4所述的方法，包括两个可旋转螺杆。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质进给的速率至少约为2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干燥MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述反应区之前向所述生物质添加液体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述液体是水。
9.根据权利要求7所述的方法，其中通过所述筒体上的一个或多个可密封端口将所述液体添加到所述进料区中。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中添加所述液体以将所述生物质的水分含量增加至约从10-90％、15-85％、20-80％、30-70％或者约40-60％w/v。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述反应区中对所述生物质进行处理达少于19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在所述反应区中对所述生物质进行处理约达5至15秒。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述升高的温度约为150-300℃。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述升高的压力约为300-500PSI。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括将蒸汽注入到所述生物质中以增加温度和压力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述蒸汽注入到所述反应区中。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述蒸汽通过所述筒体中的一个或多个可密封端口注入。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括向所述反应区中的所述生物质添加化学剂。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述化学剂包括酸、碱或其组合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述化学剂包括的酸是硫酸、过氧乙酸、乳酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、磷酸、盐酸、亚硫酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸、草酸、苯甲酸或其组合。
23.根据权利要求21的方法，其中所述化学剂包括的酸是硫酸。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至0.1-20％w/v、1-15％w/v、1.5-10％w/v、1-10％w/v、1-5％w/v或2-4％w/v的水平。
25.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其中添加所述化学剂约至2-4％w/v的水平。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％产率的C5单糖。
27.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％产率的C6单糖。
29.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比少于35％产率的C6单糖。
30.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体颗粒具有约1-500μm，1-250μm，1-200μm或1-150μm的大小范围。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体颗粒具有约15-25μm的平均大小。
32.根据权利要求1的方法，其中所述方法产生低水平的一种或多种抑制剂化合物。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述一种或多种抑制剂化合物包括甲酸、乙酸、羟甲基糠醛(HMF)、糠醛或其组合。
34.根据权利要求32所述的方法，其中每MT干生物质产生小于30、25、20、15、10或5kg的甲酸。
35.根据权利要求32所述的方法，其中每MT干生物质产生小于100、80、60、50、40、30、25、20、15、10或5kg的乙酸。
36.根据权利要求32所述的方法，其中每MT干生物质产生小于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的羟甲基糠醛(HMF)。
37.根据权利要求32所述的方法，其中每MT干生物质产生少于20、15、10、7.5、5、4、3、2或1kg的糠醛。
38.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质包括藻类、玉米、草、秸秆、谷物壳、木材、树皮、木屑、纸、杨木、柳木、柳枝稷、苜蓿、牧场须芒草、糖棕榈、水椰棕榈、木薯、高粱、蜀黍、白薯、糖蜜、块茎、根、梗、西米、木番薯、树薯、豌豆、豆类、土豆、甜菜、水果、果核、高粱、甘蔗、水稻、小麦、全麦、黑麦、大麦、竹子、种子、燕麦或其组合，或者其衍生物或副产物。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述其衍生物或副产物包括玉米秸秆、玉米棒、玉米醪、玉米纤维、青贮饲料、甘蔗渣、酒糟、酒糟干可溶物、干酒糟、浓缩酒糟可溶物、湿酒糟、具有可溶物的干酒糟、纤维、果皮、稻草、稻壳、小麦秸秆、大麦秸秆、种皮壳、燕麦壳、食品废物、城市污水废物或其组合。
40.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质包括木质生物质。
41.根据权利要求1所述的方法，还包括用一种或多种酶水解包含纤维素的所述固体颗粒以产生单糖。
42.一种经预处理的生物质组合物，通过如权利要求1-41中任一项所述的方法生产。
43.一种包含C6单糖的糖流，由权利要求41所述的方法生产。
44.一种用于每天工业规模预处理至少一干吨生物质的系统，所述系统包括：
a.筒体，其限定内腔室，并且包括靠近所述筒体第一端的入口端口和在所述筒体第二端处的端部法兰盘；
b.一个或多个可旋转螺杆，其被配置用于使所述生物质移动通过所述筒体的内腔室并且容纳一个或多个部分，所述一个或多个部分被配置用于从所述生物质形成一个或多个栓塞，以将所述筒体的内腔室分离成包括进料区和反应区在内的两个或更多个区；以及
c.压力致动排出阀，其连接到所述端部法兰盘并且被配置成响应于所述筒体内的压力而打开和关闭，从而允许连续生产包含液体馏分和固体颗粒的经预处理的生物质组合物，所述液体馏分包含单糖，而所述固体颗粒包含纤维素。
45.根据权利要求44所述的系统，包括一个、两个或三个可旋转螺杆。
46.根据权利要求44所述的系统，包括两个可旋转螺杆。
47.根据权利要求44-46中任一项所述的系统，还包括被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆旋转的马达。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述马达被配置用于使所述一个或多个可旋转螺杆以约100、250、400、500、750、1000、1100、1250、1500或2000RPM旋转。
49.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统能够以至少约2干MT/天、3干MT/天、4干MT/天、5干MT/天、7.5干MT/天、10干MT/天、15干MT/天、20干MT/天、25干MT/天、50干MT/天、75干MT/天、100干MT/天、150干MT/天或200干MT/天的速率处理生物质。
50.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统还包括连接到所述入口端口的料斗，用于向所述进料区中进给所述生物质。
51.根据权利要求50所述的系统，其中所述料斗还包括进料器，所述进料器被配置用于使所述生物质从所述料斗移动通过所述入口端口。
52.根据权利要求51所述的系统，其中所述进料器是被配置用于向所述进料区中均衡地分配所述生物质的递送螺旋钻。
53.根据权利要求50-52中任一项所述的系统，其中所述料斗包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述料斗中的生物质添加液体。
54.根据权利要求44所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述进料区中的生物质添加液体。
55.根据权利要求44所述的系统，其中所述可旋转螺杆能够在约少于20、19、18、17、16、15、14、13、12、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1秒内输送生物质通过所述反应区。
56.根据权利要求44所述的系统，其中所述可旋转螺杆能够在约5至15秒内输送生物质通过所述反应区。
57.根据权利要求44所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加蒸汽。
58.根据权利要求44所述的系统，其中所述筒体还包括热护套。
59.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于维持所述反应区中升高的温度。
60.根据权利要求59所述的系统，其中所述升高的温度由蒸汽、热护套或其组合提供。
61.根据权利要求59或60所述的系统，其中所述升高的温度约为50-500℃、75-400℃、100-350℃、150-300℃或200-250℃。
62.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于维持所述反应区中升高的压力。
63.根据权利要求62所述的系统，其中通过添加蒸汽、液体、生物质或其组合来维持所述升高的压力。
64.根据权利要求62或63所述的系统，其中所述升高的压力约为50-1000PSI、100-750PSI、200-600PSI、300-500PSI或350-450PSI。
65.根据权利要求44所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个可密封端口，所述一个或多个可密封端口被配置用于向所述反应区添加一种或多种化学剂。
66.根据权利要求65所述的系统，其中所述化学剂包括酸、碱或其组合。
67.根据权利要求44所述的系统，其中所述压力致动排出阀包括提升阀、浮球阀、止回阀或旋转刀闸阀。
68.根据权利要求44所述的系统，其中所述压力致动排出阀包括提升阀。
69.根据权利要求44所述的系统，其中所述压力致动排出阀连接至致动器。
70.根据权利要求69所述的系统，其中所述致动器是气动致动器、液压致动器、机电致动器或其组合。
71.根据权利要求69或70所述的系统，其中所述致动器在工作中耦合到背压控制单元。
72.根据权利要求44所述的系统，其中所述背压控制单元在工作中耦合到一个或多个压力计。
73.根据权利要求72所述的系统，其中所述一个或多个压力计经由所述筒体中的一个或多个可密封端口监测所述筒体中的压力。
74.根据权利要求73所述的系统，所述一个或多个压力计中的至少一个被配置用于监测所述反应区内的压力。
75.根据权利要求44所述的系统，其中所述筒体还包括一个或多个端口，所述一个或多个端口包括温度计、压力计或其组合。
76.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统还包括闪蒸罐。
77.根据权利要求76所述的系统，其中所述闪蒸罐在所述经预处理的生物质组合物离开所述压力致动排出阀时收集所述经预处理的生物质组合物。
78.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比至少70％产率的C5单糖。
79.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于生产所述液体馏分，所述液体馏分包含与基于所述生物质的理论最大值相比小于35％产率的C6单糖。
80.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于生产大小范围约为1-500μm、1-250μm、1-200μm或1-150μm的固体颗粒。
81.根据权利要求44所述的系统，其中所述系统被配置用于生产平均大小约为15-25μm的固体颗粒。
82.根据权利要求44所述的系统，其中所述生物质包括木质生物质。
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