CN107868807A

CN107868807A - 加工生物量

Info

Publication number: CN107868807A
Application number: CN201711280470.8A
Authority: CN
Inventors: M·米多夫; T·马斯特曼
Original assignee: Xyleco Inc
Current assignee: Xyleco Inc
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2018-04-03
Also published as: JP2012527243A; EA029034B1; EP3205711A1; HUE038683T2; ES2676645T3; EA201500086A1; IL216174A; WO2010135365A3; IL216174A0; US20170240940A1; NZ626435A; KR101874763B1; ZA201604899B; KR20180073722A; EA201791865A1; SG10201508778PA; MY161122A; DK2432865T3; NZ716450A; BRPI1013007A2

Abstract

加工生物量原料(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，描述了可以将原料材料转换为糖溶液的系统，所述糖溶液随后可以发酵以产生乙醇。通过喷射混合器的操作，生物量原料在器皿中糖化，所述器皿还含有流体介质和糖化剂。

Description

加工生物量

本申请是分案申请，母案的申请号为201080027348.X(国际申请号 PCT/US2010/035315)，申请日为2010年5月18日，发明名称为“加工生物量”。

本申请进一步如下进行描述：

相关申请

本申请要求于2009年5月20日提交的美国临时申请序列号61/179,995和于2009年6月 19日提交的美国临时申请序列号61/218,832的优先权。这些临时申请各自的完全公开内容通过引用在此合并入本文。

背景

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；以及在多个专利应用中描述，包括于2006年3月23日提交的“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”， PCT/US2006/010648，和“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”，美国专利申请号 2007/0045456。

概述

一般地，本发明涉及通过例如使用酶将材料的纤维素部分转换为低分子量糖，用于糖化或液化材料例如纤维素或木质纤维素原料的过程。本发明还涉及例如通过发酵将原料转换为产物。

本文公开的过程可以利用低堆密度材料例如纤维素或木质纤维素原料，其已进行物理预处理以具有小于约0.5g/cm³的堆密度，例如小于约0.35g/cm³、0.25g/cm³、0.20g/cm³、0.15 g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³或更少，例如0.025g/cm³。

此类材料可以特别难以与液体例如与水或溶剂系统混合，用于糖化、发酵或其他加工。由于其低堆密度，材料趋于漂浮在液体表面而不是在其中分散。在某些情况下，材料可以是疏水、高度结晶或在其他方面难以润湿的。同时，希望以相对高固体水平分散加工原料，以便获得在糖化材料中糖的高终浓度，或在加工后所需产物(例如在发酵后乙醇或一种或多种其他醇)的高浓度。在某些实施方案中，利用本文描述的方法在加工过程中分散的固体水平可以是例如至少20、25、30、35、40、45或甚至至少50重量％溶解固体。

本发明人已发现通过使用某些混合技术和设备，可以增强原料在液体混合物中的分散，并且因此可以增加混合物的固体水平。本文公开的混合技术和设备还增强混合物中的质量转移和因此反应速率，并且避免对混合物的敏感成分例如微生物和酶的伤害，或使对混合物的敏感成分例如微生物和酶的伤害降到最低。特别地，已发现喷射混合技术包括例如喷射曝气和射流搅拌提供良好润湿、分散和机械破碎。通过增加混合物的固体水平，加工过程可以更快速、更有效和更划算地进行，并且可以增加所得到的最终产物浓度。

本文公开的某些过程包括原料的糖化，和原料从例如在其中产生或贮存原料的遥远场所转运到制造设施。在某些情况下，糖化可以部分或完全在转运过程中发生。在此类情况下，在转运器皿中提供混合例如喷射混合可以是有利的。在某些情况下，糖化可以在转运过程中完成。在某些情况下，发酵可以部分或完全在转运过程中发生。

在某些实现中，该加工过程进一步包括在糖化前或过程中减少原料的不顺应。该加工过程可以包括测量原料的木质素含量且基于测量的木质素含量测定是否需要预处理和在何种条件下的进一步步骤。

在一个方面，本发明的特征在于包括通过使用喷射混合器使原料与液体介质和糖化剂在器皿中混合，糖化生物量原料的方法。

某些实施方案包括一个或多个下述特征。原料可以具有小于约0.5g/cm³的堆密度。原料可以是例如纤维素或木质纤维素材料。液体可以包括水。糖化剂可以包括酶。喷射混合器可以包括例如射流搅拌器、喷射曝气型混合器或抽吸室喷射混合器。如果使用喷射曝气型混合器，那么它可以不通过喷射混合器注入空气而使用。例如，如果喷射曝气型混合器包括具有第一个进入线路和第二个进入线路的喷嘴，那么在某些情况下，2个进入线路供应液体。在某些情况下，混合包括将原料以增量加入液体介质中并且在添加之间混合。该方法可以进一步包括在混合过程中，监控原料、液体介质和糖化剂的混合物的葡萄糖水平，并且在某些情况下，在糖化过程中将另外的原料和糖化剂加入器皿中。混合器皿可以是例如槽、轨道车或油罐卡车。在某些情况下，糖化可以部分或完全在原料、液体介质和糖化剂的混合物的转运过程中发生。该方法可以进一步包括将乳化剂或表面活性剂加入器皿中的混合物中。

在另一个方面，本发明的特征在于通过使用在器皿内一般产生环形流动的混合器，使原料与液体介质和糖化剂在器皿中混合来糖化生物量原料。

在某些实施方案中，混合器配置为经过混合过程使液体介质的总体温度中的任何增加限制为小于5℃。在某些实施方案中，这个方面还可以包括上文讨论的任何特征。

在再进一步的方面，本发明的特征在于包括通过使用喷射混合器使低分子量糖与微生物在液体介质中混合，将低分子量糖转换为产物的方法。

某些实施方案包括一个或多个下述特征。液体介质可以包括水。微生物可以包括酵母。喷射混合器可以包括射流搅拌器、喷射曝气型混合器或抽吸室喷射混合器。

在另一个方面，本发明的特征在于包括槽、具有排列在槽内的喷嘴的喷射混合器、配置为将生物量原料递送至槽的递送装置，和配置为将测定量的糖化剂递送至槽的递送装置。

某些实施方案包括一个或多个下述特征。喷射混合器可以进一步包括发动机，并且该仪器可以进一步包括配置为监控在混合过程中在发动机上的转矩的装置。该仪器还可以包括基于来自转矩监控装置的输入，调整原料递送装置和/或糖化剂递送装置的操作的控制器。

本发明的特征还在于这样的方法，其包括糖化器皿中的生物量原料，以形成经糖化的混合物；用微生物接种器皿中的经糖化的混合物；且允许接种的经糖化的混合物在器皿中发酵。

在某些情况下，器皿的内容物在发酵过程中转移至转运器皿，并且发酵在转运器皿中继续。该方法可以进一步包括在糖化和发酵过程中用喷射混合器搅拌器皿的内容物。在某些实施方案中，该方法进一步包括监控发酵混合物的氧含量和乙醇含量和/或糖含量。

在另一个方面，本发明的特征在于发酵系统，其包括具有通风孔的器皿；与器皿联系的氧的来源；配置为监控器皿中液体的氧含量的氧监控器；和使用通风孔和氧来源，响应来自氧监控器的输入，配置为调整液体的氧含量的控制器。

如果需要氧合作用，那么进入器皿内的氧的流速可以是相对低的。例如，控制器可以配置为以小于0.2vvm的速率氧合器皿，例如小于0.1、0.05、0.025，或甚至小于0.01vvm。

发酵系统可以进一步包括配置为监控器皿中液体的糖浓度和/或乙醇浓度的发酵监控器；和基于由发酵监控器接受的输入，配置为停止发酵的控制器。在某些情况下，该系统包括响应配置为从监控器接受的信号而停止发酵的发酵停止模块。

本文提及或与之附着的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体合并用于它们包括的所有那种。

附图简述

图1是举例说明纤维素至葡萄糖的酶促水解的图解。

图2是举例说明经由葡萄糖溶液的生产和转运，原料至乙醇的转换的流程图。图2A是根据一个实施方案的糖化系统的图解举例说明。

图3是已翻新改进以利用本文公开的溶液和悬浮液的乙醇制造设施的示意图。

图4和4A是举例说明离开喷嘴的射流的图解。

图5是根据一个实施方案的射流搅拌器的图解透视图。图5A是图5的射流搅拌器的叶轮和喷射管的放大透视图。图5B是备选叶轮的放大透视图。

图6是根据一个实施方案的抽吸室喷射混合喷嘴的图解。图6A是根据另一个实施方案的抽吸室喷射混合系统的透视图。

图7是用于根据另一个备选实施方案的抽吸室喷射混合系统的喷射混合喷嘴的图解透视图。

图8是槽和置于槽中的喷射曝气型混合系统的图解透视图，其中槽显示为透明的，以允许看见喷射混合器和相关管道。图8A是在图8的喷射曝气系统中使用的喷射混合器的透视图。图8B是其中提供进气口的相似系统的图解透视图。

图9是根据一个实施方案的喷射曝气型混合器的横断面视图。

图10是根据一个备选实施方案的喷射曝气型混合器的横断面视图。

图11-13是举例说明含有喷射混合器的不同配置的槽中的备选流动模式。

图14是举例说明根据一个实施方案在反冲洗过程中在槽中发生的流动模式的图解。

图15和15A分别显示对于使用脉冲空气便携式混合系统的运输中混合建立的油罐卡车和轨道车。

图16和16A是根据一个备选实施方案在混合器中使用的混合珠的2个实施方案的透视图。

图17是根据另一个实施方案的喷射曝气型系统的侧视图，显示喷嘴在槽中的多水平安排。

图18和18A分别是使在混合过程中沿着槽壁的滞留量降到最低的装置的图解顶视图和透视图。

图19、20和21-21A是提供混合同时也使沿着槽壁的滞留量降到最低的多种喷水装置的视图。

图22是具有圆底和从上方延伸到槽内的2个喷射混合器的槽的横断面视图。

详述

使用本文描述的方法，可以加工生物量(例如植物生物量、动物生物量、纸和城市废物生物量)，以产生有用的中间产物和产物，例如本文描述的那些。本文描述了可以使用纤维素和/或木质纤维素材料作为原料材料的系统和加工过程，所述纤维素和/或木质纤维素材料是可容易获得的，但通过加工过程例如发酵可以难以加工。本文描述的许多加工过程可以有效降低原料的不顺应水平，使得其更易于加工，例如通过生物加工(例如用本文描述的任何微生物，例如同型产乙酸菌(homoacetogen)或同型产乙酸菌(heteroacetogen)，和/或本文描述的任何酶)、热加工(例如气化或热解)或化学方法(例如酸水解或氧化)。生物量原料可以使用本文描述的任何方法中的一种或多种进行处理或加工，所述方法例如机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。各种处理系统和方法可以以本文或其他地方所述的这些技术或其他中的2种、3种或甚至4种或更多种的组合使用。

本文公开的加工过程可以利用低堆密度材料例如纤维素或木质纤维素原料，其已进行物理预处理以具有小于约0.5g/cm³的堆密度，例如小于约0.35g/cm³、0.25g/cm³、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厘米表示的圆筒的已知体积来计算堆密度。

为了将原料转换为可以容易加工的形式，通过糖化剂例如酶或酸，使原料中的含葡聚糖或木聚糖纤维素水解为低分子量碳水化合物例如糖，称为糖化的加工过程。低分子量碳水化合物随后可以用于例如现有制造工厂中，例如单细胞蛋白质工厂、酶制造工厂或燃料工厂，例如乙醇制造设施。

通过使材料和糖化剂在液体介质例如溶剂例如水溶液中组合，可以用糖化剂处理包括纤维素的材料。使用具有本文描述的混合特征的一种或多种混合器例如一种或多种喷射混合器，充分混合糖化剂、材料和液体介质。在某些实现中，材料和/或糖化剂递增地而不是一齐加入。例如，可以将一份材料加入液体培养基中，并且与糖化剂混合，直至材料是至少部分糖化的，在这个点将第二份材料加入混合物中。这个过程可以继续直至获得所需糖浓度。

断裂生物量例如生物量的纤维素和/或木质素部分的酶和生物量破坏生物包括或制造多种纤维素分解酶(纤维素酶)、木质酶或多种小分子生物量破坏代谢产物。这些酶可以是协同作用以降解生物量的结晶纤维素或木质素部分的酶的复合物。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)。参考图1，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。合适的纤维素酶将在本文中稍后节段中讨论。

糖化加工过程可以部分或全部(a)在制造工厂中在槽(例如具有至少4000、40,000、 400,000、4,000,000或40,000,000L体积的槽)中执行，和/或(b)在运输中，例如在轨道车、油罐卡车中或在超大型油轮或船的货舱中执行。完全糖化所需的时间将取决于加工条件以及使用的原料和酶。如果糖化在制造工厂中在控制条件下执行，那么纤维素可以在约12-96小时内基本上完全转换为葡萄糖。如果糖化部分或全部在运输中执行，那么糖化可能花费更长时间。

在某些情况下，糖化在约4-7的pH下执行，例如约4.5-6、或约5-6。

一般优选糖溶液中葡萄糖的终浓度相对高，例如超过15％，或超过20、30、40、50、60、70、80、90，或甚至超过95重量％。这减少了待运送的体积，并且还抑制溶液中的微生物生长。在糖化后，水的体积可以例如通过蒸发或蒸馏而减少。

通过限制与酶一起加入原料中的水量，可以获得相对高浓度的溶液。浓度还可以通过控制发生多少糖化而得到控制。例如，可以通过将更多原料加入溶液中而增加浓度。例如通过增加溶液的温度，和/或通过如下文将讨论的加入表面活性剂，可以增加介质中原料的溶解度。例如，溶液可以维持在40-50℃、50-60℃、60-80℃或甚至更高。

参考图2，用于制造醇例如乙醇的加工过程可以包括例如任选在物理上预处理原料，例如以减少其尺寸(步骤110)，在这个处理前和/或后，任选处理原料，以减少其不顺应(步骤112)，且使原料糖化以形成糖溶液(步骤114)。如下文将详细讨论的，通过使原料在液体介质例如水中的分散体与酶混合(步骤111)可以执行糖化。在糖化过程中或之后，例如通过管道、轨道车、货车或驳船，可以将混合物(如果糖化在途中部分或完全执行)或溶液转运至制造工厂(步骤116)。在工厂，溶液可以进行生物加工，以产生所需产物例如乙醇(步骤118)，这随后例如通过蒸馏进一步加工(步骤120)。这个加工过程的个别步骤将在下文详细描述。需要时，可以在加工过程的多个阶段执行测量木质素含量(步骤122)和设置或调整加工过程参数(步骤124)的步骤，例如仅在用于改变原料的结构的一个或多个过程步骤前，如所示的。如果包括这些步骤，那么调整加工过程参数以补偿原料的木质素含量中的变化，如于2009年2月11日提交的美国临时申请号61/151,724中所述的，其完整公开内容通过引用合并入本文。

混合步骤111和糖化步骤114可以使用例如图2A中所示的系统执行。这个系统包括传送机130，这接受已通过原料预处理模块132处理以减少其尺寸和任选减少其不顺应(上文步骤110和112)的原料。原料134递送至含有液体介质138例如水的槽136，所述液体介质138通过有阀管道系统(未显示)递送至槽。分散系统可以用于促进原料起始分散到液体介质内，例如如于2010年1月20日提交的美国临时申请号61/296,658中公开的，其完全公开内容通过引用合并入本文。

糖化剂从漏斗140递送到槽，所述漏斗140包括计量装置142。槽的内容物通过一个或多个喷射混合器进行混合。喷射混合器144在图2A中图解表示；合适的喷射混合器的例子将在下文详细描述。喷射混合器使用发动机146产生喷射，所述发动机146驱动泵和/或转子 (未显示)。通过发动机146施加的转矩与槽中混合物的固体水平关联，这进而反映混合物已糖化的程度。转矩通过转矩监控器148测量，这对驱动传送机130的发动机150以及漏斗 140的计量装置142发送信号。因此，经处理的原料和酶的供应可以根据槽的内容物的糖化而中断且重新开始。通过转矩监控器测量的数据还可以用于调整喷射混合器，例如对于利用转子的混合器至更低RPM，或对于泵驱动的混合器至更低喷射速度。代替或加上转矩监控器，该系统可以包括Amp监控器(未显示)，其测量发动机的满载电流量。在某些情况下，喷射混合器可以包括变频器(VFD)，以允许调整发动机的速度。

该系统还可以包括热监控器(未显示)，其监控液体介质的温度，且响应温度中的增加而调整原料的补料速率和/或混合条件。此类温度反馈环可以用于预防液体介质达到将使酶变性的温度。

当一个或多个泵在本文描述的系统中使用时，一般优选使用正排量(PD)泵，例如进行性空腔或螺旋型PD泵。

在某些情况下，制造工厂可以是例如现有的基于谷物或基于糖的乙醇工厂或已通过去除或解除来自生物加工系统上游的设备(这在一般的乙醇工厂中通常包括谷物接受设备、锤磨机、浆混合器、蒸煮设备和液化设备)而翻新改进的工厂。因此，由工厂接受的原料直接输入发酵设备内。翻新改进的工厂示意性显示于图3中。现有的基于谷物或基于糖的乙醇工厂以这种方式的使用在于2010年2月11日提交的美国序列号12/704,521中描述，其完全公开内容通过引用合并入本文。

在某些实施方案中，代替将糖化的原料(糖溶液)转运至独立的制造工厂或甚至独立的槽，在相同槽或用于糖化的其他器皿中接种且发酵糖溶液。发酵可以在相同器皿中完成，或可以以这种方式开始且随后如上所述在转运过程中完成。在单个槽中的糖化和发酵在于2010 年1月20日提交的美国临时申请号61/296,673中描述，其完全公开内容通过引用合并入本文。

一般地，发酵器皿中的氧水平应例如通过监控氧水平且使槽通气或需要时使混合物曝气加以控制。还希望监控器皿中的乙醇水平，从而使得当乙醇水平开始下降时，发酵加工过程可以例如通过加热或添加亚硫酸氢钠得到停止。停止发酵的其他方法包括加入过氧化物(例如过氧乙酸或过氧化氢)，加入硫酸或其盐，使器皿的内容物冷却，或减少氧喷洒速率。可以使用这些方法中的任何2种或更多种的组合。如果发酵待在转运过程中进行或完成，那么转运器皿(例如轨道车或油罐卡车的槽)可以配备控制单元，这包括氧监控器和乙醇监控器，和用于将亚硫酸氢钠(或其他发酵终止添加剂)递送至槽的递送系统和/或用于调整槽中的参数以停止发酵的系统。

需要时，在发酵过程中可以利用喷射混合，并且如果发酵在与糖化相同的器皿中进行，那么可以利用相同设备。然而，在某些实施方案中，喷射混合是不必要的。例如，如果发酵在转运过程中进行，那么轨道车或油罐卡车的移动可以提供足够搅拌。

混合原料、酶和液体

混合特征

各种类型的混合装置在下文描述，并且可以使用其他混合装置。合适混合器具有的共同点在于它们产生高速循环流，例如以环形或椭圆形模式的流动。一般地，优选混合器显示高总体流速。优选混合器给这个混合作用提供相对低的能量消耗。一般还优选混合器产生相对低的剪切且避免液体介质的加热，因为剪切和/或热可以有害地影响糖化剂(或微生物，例如在发酵的情况下)。如下文将详细讨论，某些优选混合器将混合物通过入口吸取到混合元件内，所述混合元件可以包括转子或叶轮，并且随后通过出口喷嘴从混合元件中排出混合物。这个循环作用和喷射离开喷嘴的高速度，帮助分散在液体或材料的表面上漂浮的材料或已沉降至槽的底部的材料，取决于混合元件的定向。混合元件可以以不同定向放置，以分散漂浮和沉降材料，并且混合元件的定向在某些情况下可以是可调整的。

在某些优选混合系统中，当它遇到外围流体时，喷射的速度v_o是约2-300m/s，例如约5 -150m/s或约10-100m/s。混合系统的电力消耗对于100,000L槽可以是约20-1000KW，例如30-570KW或50-500KW或150-250KW。一般优选电力使用对于成本效益很低。

喷射混合

喷射混合涉及高速液体的沉没喷射或多个沉没喷射排放到流体介质内，在这种情况下是生物量原料、液体介质和糖化剂的混合物。液体的喷射穿透流体介质，其能量通过紊流和某些初热消散。这种紊流与速度梯度(流体剪切)相关。周围流体得到加速且夹带到射流内，其中这个次级夹带流随着与喷射喷嘴的距离增加而增加。当喷射扩张时，二次流的动量一般保持恒定，只要流动不击中壁、地板或其他障碍。在其击中任何障碍前流动继续越久，夹带到二次流内的液体越多，增加槽或器皿中的总体流量。当它遇到障碍时，二次流将丢失动量，或多或少取决于槽的几何学，例如流动在其上碰撞到障碍上的角度。一般希望这样定向喷射和/或设计槽，从而使得对于槽壁的水力损失降到最低。例如，可能希望槽具有弓形底部(例如圆顶头板)，并且希望喷射混合器定向相对接近于侧壁，如图22中所示。槽底部(较低头板)可以具有任何所需圆顶配置，或可以具有椭圆形或圆锥形几何学。

喷射混合不同于大多数类型的液体/液体和液体/固体混合，因为驱动力是水力而不是机械的。代替剪切流体和推进其环绕混合器皿，如机械搅拌器做的，喷射混合器迫使流体通过槽内的一个或多个喷嘴，产生夹带其他流体的高速喷射。结果是剪切(流体针对流体)和循环，这有效混合槽内容物。

参考图4，在来自沉没喷射和周围流体的核心流动之间的高速梯度引起涡流。图4A举例说明沉没喷射的一般特征。当沉没喷射扩展到周围外围环境内时，速度曲线随着与喷嘴的距离(x)增加而变平。此外，速度梯度dv/dr随着在给定距离x的r(与喷射中线的距离)改变，从而使得产生限定混合区带的涡流(来自喷嘴的圆锥形扩展)。

在空气中的沉没喷射的实验研究中(其结果可应用于任何流体，包括水)，Albertson 等人("Diffusion of Submerged Jets,"2409页，Amer.Soc.of CivilEngineers Transactions，第115卷:639-697，1950，在第657页)发展对于v(x)_r＝₀/v_o(中线速度)、v(r)_x/v (x)_r＝₀(在给定x的速度曲线)、Q_x/Q₀(流动夹带)和E_x/E₀(随着x的能量改变)的无量纲关系：

(1)中线速度，v(x)_r＝₀/v_o：

(2)在任何给定x的速度曲线，v(r)_x/v(x)_r＝₀：

(3)在任何x的流动和能量：

其中：

v(r＝0)＝沉没喷射的中线速度(m/s)，

v₀＝当它从喷嘴出现时的喷射速度(m/s)，

x＝与喷嘴的距离(m)，

r＝与喷嘴中线的距离(m)，

D₀＝喷嘴直径(m)，

Q_x＝在与喷嘴的距离x上跨越任何给定平面的流体的流动(me/s)，

Q₀＝从喷嘴出现的流体的流动(m3/s)，

E＝在与喷嘴的距离x上跨越任何给定平面的流体的能流(m³/s)，

E₀＝从喷嘴出现的流体的能流(m³/s)。

("Water Treatment Unit Processes：Physical and Chemical,"DavidW.Hendricks，CRC Press 2006，第411页.)

喷射混合在大体积(超过1,000加仑)和低速(在1,000cPs下)应用中是特别划算的。在大多数情况下喷射混合器的泵或发动机不沉没一般也是有利的，例如当使用泵时，它一般定位在器皿外。

喷射混合的一个优点是外围流体的温度(除直接邻近喷嘴的出口外，在其中可能存在某些局限性加热)仅轻微增加，如果存在的话。例如，温度可以增加小于5℃、小于1℃或不至任何可测量的程度。

射流搅拌器

一类射流搅拌器显示于图4-4A中。这类混合器例如在商品名下ROTOTRON^TM从IKA商购可得。参考图4，混合器200包括发动机202，其使传动轴204旋转。混合元件206 固定在传动轴204的末端。如图4A中所示，混合元件206包括覆盖物208和在覆盖物内的叶轮210。如由箭头指出的，当叶轮以其“正向”方向旋转时，叶轮210通过覆盖物的开放上端212吸取液体，并且通过开放下端214迫使液体向外。离开末端214的液体以高速流或喷射的形式。如果叶轮210的旋转方向逆转，那么液体可以通过下端214吸取且通过上端212排出。这可以例如用于进入接近或在槽或器皿中液体的表面上漂浮的固体。 (应当指出“上”和“下”指图4中混合器的定向；混合器可以在槽中这样定向，使得上端低于下端。)

覆盖物208包括邻近其末端的钟形区域216和218。这些钟形区域被认为促成用这类混合器观察到的一般环形流动。使用相对低的电力消耗，覆盖物和叶轮的几何学也使流动集中到高速流内。

优选地，在覆盖物208和叶轮210之间的清除率是足够的，以便避免当它通过覆盖物时材料的过量碾磨。例如，清除率可以是混合物中固体的平均颗粒大小的10倍，优选至少100倍。

在某些实现中，配置柄204以允许通过柄的气体递送。例如，柄204可以包括通过其递送气体的孔(未显示)，和气体通过其离开而进入混合物内的一个或多个孔口。孔口可以在覆盖物208内，以增强混合，和/或在沿着柄204的长度的其他定位。

叶轮210可以具有以高速吸取液体通过覆盖物的任何所需几何学。叶轮优选是船舶叶轮，如图4A中所示，但可以具有不同设计，例如Rushton叶轮，或修改的Rushton叶轮，例如如此倾斜以便提供某些轴向流。

为了生成通过覆盖物的高速流动，发动机202优选是例如能够以500-20,000RPM操作的高速、高转矩发动机，例如3,000-10,000RPM。然而，混合器越大(例如覆盖物越大和/或发动机越大)，旋转速度可以越低。因此，如果使用大混合器，例如5hp、10hp、 20hp或30hp或更大，那么发动机可以设计为以更低旋转速度操作，例如小于2000RPM、小于1500RPM或甚至500RPM或更少。例如，尺寸为用以混合10,000-20,000升槽的混合器可以以900-1,200RPM的速度操作。当混合条件随着时间过去而改变时，例如由于固体的糖化，发动机的转矩优选是自我调整的，以维持相对恒定的叶轮速度。

有利地，混合器可以以在槽中所需角度或位置进行定向，以所需方向指导射流。此外，如上所述，取决于叶轮的旋转方向，混合器可以用于从覆盖物的任一末端吸取流体。

在某些实现中，2个或更多个喷射混合器置于器皿中，其中一个或多个配置为向上喷射流体(“上泵”)并且一个或多个配置为向下喷射流体(“下泵”)。在某些情况下，上抽泵混合器将置于下抽泵混合器邻近，以增强由混合器产生的湍流。需要时，一个或多个混合器可以在加工过程中在上向流和下向流之间转变。在原料开始分散于液体介质中的过程中将所有或大多数混合器转变为向上抽泵模式是有利的，特别是当原料倾倒或吹到液体的表面上时，因为向上抽泵产生在表面上的显著紊流。通过促使气体起泡至它可以在其中通气的表面，向上抽泵还可以在发酵过程中用于帮助从液体去除CO₂。

抽吸室喷射混合器

另一类的喷射混合器包括递送来自泵的增压流体的初级喷嘴，邻近初级喷嘴的抽吸入口，和在抽吸入口和次级喷嘴之间延伸的抽吸室，通过所述初级喷嘴外围流体被在初级喷嘴和较宽入口之间的压力降所吸取。高速流体的喷射离开次级喷嘴。

这类混合器的例子显示于图6中。如所示的，在混合器600中，来自泵的增压流体(未显示)通过进路602流动且通过初级喷嘴603离开。通过由增压流体的流动引起的压力降，外围流体通过抽吸入口604吸取到抽吸室606内。组合流体以高速通过次级喷嘴608从抽吸室离开进入外围液体内。混合在抽吸室和外围液体中发生，由于液体的离开喷射的喷射作用。

根据相似原理操作的混合系统显示于图6A中。体现这种设计的混合器在商品名Flygt^TM喷射混合器下从ITT Water和Wastewater商购可得。在系统618中，泵620通过抽吸喷嘴系统622生成递送至槽(未显示)的主要流动。抽吸喷嘴系统622包括以类似于上述初级喷嘴603的方式起作用的初级喷嘴624，引起外围流体吸取到排出管628的邻近开放末端626内，这由于通过离开初级喷嘴的流体诱导的压力降。当高速喷射时，组合流动随后离开充当次级喷嘴的排出管628的另一个末端630。

称为喷射器喷嘴的图7中所示的喷嘴在相似原理下操作。采用这种设计的喷嘴在商品名下商购可得。如所示的，在喷嘴700中，增压液体流如通过入口702，并且离开初级喷嘴704，将外围流体吸取到扩散器708的开放末端706内。组合流动以循环流速A+B离开扩散器的相对开放末端710，所述循环流速A+B是夹带外围流体的入口流速A和流速B的总和。

喷射曝气型混合器

可以利用的另一类喷射混合系统在废水工业中称为“喷射曝气混合”。在废水工业中，这些混合器一般用于递送增压空气和液体混合物的喷射，以提供曝气。然而，在本申请中，在某些情况下，利用不含增压气体的喷射曝气型混合器，如下文将讨论的。喷射曝气混合器的操作原理最初在其用增压气体的使用背景中描述，为了明确起见。

涡流喷射混合器例如图8-8B中所示的混合器800包括以辐射模式固定在中心插孔804上的多个喷射802。喷射的辐射模式一致地分布混合能量遍及槽。如所示的，涡流喷射混合器可以在槽中中心放置，以提供在槽的中心轴周围的环形流动。涡流喷射混合器可以固定在管道806上，这将高速液体供应给涡流喷射混合器。在图8B中所示的实施方案中，空气也通过管道812供应给涡流喷射混合器。高速液体通过泵808递送，所述泵 808放置在槽的外部，并且将液体吸取通过在槽的侧壁中的入口810。

图9和10显示了2类喷嘴配置，其设计为混合气体和液体流且排出高速喷射。这些喷嘴配置略微不同于图8和8A中所示的涡流喷射混合器，但以相似方式起作用。在图9 中所示的系统900中，主要或运动流体通过液体线路902导向内部喷嘴904，通过其液体以高速穿越进入混合区域906内。第二种流体例如气体例如压缩空气、氮或二氧化碳或液体通过第二个线路908进入混合区域，且夹带在通过内部喷嘴进入混合区域906的运动流体中。在某些情况下，第二种流体是氮或二氧化碳，以便减少酶的氧化。来自2 个线路的组合流动通过外部喷嘴910喷射到混合槽内。如果第二种流体是气体，那么微小气泡夹带在混合物中的液体中。液体通过泵供应给液体线路902。如果使用气体，那么气体通过压缩机提供。如果液体用作第二种流体，那么它可以具有与通过液体线路902 进入的液体相同的速度，或不同的速度。

图10显示备选喷嘴设计1000，其中外部喷嘴1010(其中仅显示一个)沿着狭长部件1011的长度放置，所述狭长部件1011包括与第二个线路1008平行放置的液体线路 1002。每个喷嘴包括单个外部喷嘴1010和单个内部喷嘴1004。运动液体与第二种流体的混合以与上文描述的系统900相同的方式进行。

图11和12举例说明喷射曝气型混合系统的例子，其中喷嘴沿着狭长部件的长度放置。在图11中所示的例子中，狭长部件1102沿着槽1104的直径放置，并且喷嘴1106 以相对方向从喷嘴延伸，以产生所示流动模式，这包括一般椭圆形流动的2个区域，一个在中心狭长部件的任一侧上。在图12中所示的例子中，槽1204在横断面中一般是直角的，并且狭长部件1202沿着槽的一个侧壁1207延伸。在这种情况下，喷嘴1206全部面对相同方向，朝向相对侧壁1209。这产生所示流动模式，其中在槽中的流动在主轴周围一般是椭圆形，所述主轴一般沿着槽的长度进行中心延伸。在图12中所示的实施方案中，喷嘴可以朝向槽地板倾斜，例如以距离水平线约15–30度的角度。

在图13中所示的另一个实施方案中，安排喷嘴1302、1304和抽吸入口1306，以引起槽的内容物在槽的中心垂直轴周围以环形、滚动环形物配置进行转动且旋转。在环形表面周围的流动吸取向下到槽中心，沿着地板，到壁上和回到中心，产生滚动螺旋模式，这清扫中心且阻止固体沉降。环形模式在使漂浮固体对于槽中心移动中也是有效的，在所述槽中心中它们被拉到底部，并且对于槽内容物变得同质的。结果是连续螺旋流动模式，这使槽死点降到最低。

反冲洗

在某些情况下，本文描述的喷射喷嘴可以变得塞紧，这可以引起效率和成本效益减少。喷嘴的塞紧可以通过运动液体通过喷嘴的反向流去除。例如，在图14中所示的系统中，这通过关闭在泵1404和流动至喷嘴1408的液体线路1406之间的阀1402，并且激活次级泵1410来完成。次级泵1410吸取流体通过喷嘴。由于阀1402被关闭，流体随后向上穿越通过垂直管1412。流体在其排出口1414离开垂直管1412用于再循环通过槽。

在运输/便携式混合器中的混合

如上所述，需要时，糖化可以部分或完全在混合物的转运过程中发生，例如在用于处理原料的第一个加工工厂和用于产生最终产物例如乙醇的第二个加工工厂之间。在这种情况下，混合可以使用设计用于轨道车或其他便携式用途的喷射混合器进行。此类混合器的例子将在下文讨论。如图15和15A中图解所示的，混合器1602、1604可以通过在例如卡车(图15)或轨道车(图15A)的槽中的孔1606插入。混合器可以使用对于槽外部的控制系统1608进行操作，这可以包括例如发动机和/或供应或压缩空气，取决于使用的混合系统的类型，和配置为控制混合器的操作的控制器。还可以提供通气(未显示)。

其他混合系统/喷嘴

脉冲空气/流体

备选类型的混合器利用以脉冲递送给混合物的气体。此类混合器在图15和15A中图解显示，作为便携式轨道车混合器的例子。高压气体的测定量在放置接近槽底部的扁平圆盘(蓄电池极板)下注入或脉冲。空气的突然释放冲击液体。当气体在板和槽地板之间向外移动时，它清除已沉降的固体。气体随后在板上积累成大的卵形气泡。当每个气泡上升到表面时，它推动在其上的液体向上和向外朝向槽周长。液体朝向槽的侧面移动且向下穿越槽壁到底部。气泡的这个移动迫使固体至表面，且产生液体在槽中的一般圆形或环形循环。气体可以是例如空气、氮或二氧化碳。使槽通气(未显示)，以允许气体在混合过程中从槽中逃出。

低速搅拌器

图16和16A举例说明配置为固定在柄(未显示)上用于以相对低速旋转混合的搅拌器。搅拌器可以包括例如固定在中心固定插孔1703周围的支持臂1701上的2个混合元件1702(图16)，或3个混合元件(图16A)，所述中心固定插孔1703排列为接受柄。

混合元件1702以截短锥体的形式，其各自具有第一个末端1704和第二个末端1706。第一个末端具有大于第二个末端的横断面的横断面。混合元件如此放置，从而使得混合元件的中心轴以相对于混合元件的旋转平面的角度排列。

搅拌器以这样的方向旋转，使得液体以更高速度流入通过第一个末端1704和通过第二个末端1706出去，通过在每个混合元件的逐渐变细末端生成湍流产生动态流动条件。相对于旋转平面的混合元件的角度形成趋于引起连续闭合的循环流，这在邻近槽或容器壁附近向上流动，并且在槽或容器的中心部分对于混合器柄同轴地向下流动，在其中它经过在支持臂1701之间的中间空间。这个循环流动的强度取决于角度的幅度。

这个类型的混合器在商品名Visco-Jet^TM下从Inotec商购可得。可以放入轨道车或其他转运容器中的折叠混合器是可获得的。相似类型的混合器在美国专利号6,921,194中描述，其完全公开内容通过引用合并入本文。

使在槽壁上的滞留量降到最低

在某些情况下，特别在接近理论或实际限度的固体水平，材料可以在混合过程中沿着槽的侧壁和/或底壁积累。称为“滞留”的这个现象是不希望有的，因为它可以导致不充足的混合。可以采取几种方法，以使滞留量降到最低且确保遍及槽的良好混合。

例如，除一个或多个喷射混合装置外，可以给槽提供刮取装置，例如具有以“橡皮刮板”方式刮取槽侧面的刀片的装置。此类装置是例如乳品工业中众所周知的。合适的搅拌器包括由Walker Engineered Products，New Lisbon，WI制造的侧面和底部清扫搅拌器和刮刀刀片搅拌器。如图18中所示，侧面和底部清扫搅拌器1800可以包括固定为围绕槽的轴旋转的中心狭长部件1802。侧壁刮刀刀片1804固定在狭长部件1802的每个末端，并且以就狭长部件而言的角度排列。在所示实施方案中，一对底壁刮刀刀片1806固定在狭长部件1802上的中间点，以凑集在槽底部上积累的任何材料。如果材料不在槽底部上积累，那么这些刮刀可以省略。如图18A中所示，刮刀刀片1804可以是沿着侧壁放置的多个刮刀元件的形式。在其他实施方案中，刮刀刀片是连续的，或可以具有任何其他所需几何学。

在其他实施方案中，喷射混合器其自身这样配置，以便使滞留量降到最低。例如，喷射混合器可以包括在混合过程中移动的一个或多个可移动头和/或弹性部分。例如，喷射混合器可以包括具有沿着其长度的多个喷射喷嘴的狭长可旋转部件。狭长部件可以是平面的，如图19中所示，或具有非平面形状，例如它可以符合如图20中所示的槽壁的形状。

参考图19，喷射混合器喷嘴可以放置在旋转狭长部件1900上，这通过发动机1902和柄1904驱动。水或其他流体通过旋转部件中的通道例如通过泵叶轮1906抽泵，并且在部件1900旋转时，作为通过喷射孔口1908的多个喷射离开。为了减少在槽侧壁上的滞留量，孔口1910可以在部件1900的末端提供。

在图20中所示的实施方案中，为了符合槽2000的特定形状，狭长部件包括水平延伸的臂2002，向下倾斜的部分2004，向外和向上倾斜的部分2006，和垂直延伸的部分2008。流体通过狭长部件内的通道抽泵至多个喷射孔口38，在狭长部件旋转时通过其发出喷射。

在图19和20中所示的2个实施方案中，喷射提供混合同时还洗清槽的侧壁。

在其他实施方案中，喷射混合器可以包括通过其递送喷射的弹性部件和或可调节部件(例如可弯曲或伸缩套管)。例如，如图21和21A中图解显示的，喷射混合装置可以由以漂浮类型的池清洁器方式的弹性线路组成，例如如美国专利号3,883,368中公开的。在所示系统2100中，弹性供应软管2102将来自入口2104的流体递送到槽2106的侧壁中。经由一系列浮标2108和转体2110，供应软管2102沿着在槽中液体的表面延伸。多个弹性软管2112在其上端固定至在供应软管2102的漂浮部分中隔开的T型连接2114。流体从弹性软管2112的开放远末端喷射，导致槽的内容物混合和在槽侧壁上的滞留量去除。

在某些实现中，可以使用上述实施方案的组合。例如，可以使用平面和非平面旋转或振荡狭长部件的组合。上述移动喷嘴安排可以与彼此组合和/或与刮刀组合使用。多个移动喷嘴安排可以一起使用，例如图19中所示的2个或更多个旋转部件可以在槽中垂直叠加。当使用多个旋转部件时，它们可以配置为以相同方向或相对方向，并且以相同速度或不同速度旋转。

材料

生物量材料

生物量可以是例如纤维素或木质纤维素材料。此类材料包括纸和纸制品(例如，聚涂层纸和牛皮纸)、木材、木材相关材料例如刨花板、草、稻壳、甘蔗渣、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、柳枝稷、苜蓿、干草、玉米轴、玉米秸秆、椰子毛；和α-纤维素含量很高的材料，例如棉花。原料可以得自未用过的废弃纺织品材料例如碎布、消费后的废物例如破布。当使用纸制品时，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。生物量原料还可以得自或衍生自人(例如，污水)、动物或植物废物。另外的纤维素和木质纤维素材料已在美国专利号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，生物量材包括碳水化合物，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。任何2种或更多种淀粉质材料的掺和物也是淀粉质材料。

在某些情况下，生物量是微生物材料。微生物来源包括但不限于，任何天然存在或遗传修饰的微生物或包括或能够提供碳水化合物(例如纤维素)来源的生物，例如原生生物，例如动物原生动物(例如原生动物，例如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和植物原生动物(例如藻类，例如alveolates、chlorarachniophytes、隐藻、裸藻、灰绿藻、定鞭藻、红藻、stramenopiles和viridaeplantae)。其他例子包括海藻、浮游生物(例如大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物和超微微型浮游生物)、浮游植物、细菌(例如革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和极端微生物)、酵母和/或这些的混合物。在某些情况下，微生物生物量可以得自天然来源，例如海洋、湖泊、水体例如盐水或淡水、或在陆地上。备选地或另外地，微生物生物量可以得自培养系统，例如大规模干和湿培养系统。

糖化剂

合适的酶包括能够降解生物量的纤维二糖酶和纤维素酶。

合适是纤维二糖酶包括在商品名NOVOZYME 188^TM下销售的来自黑曲霉(Aspergillus niger)的纤维二糖酶。

纤维素酶能够降解生物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EP 458162)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(Humicola insolens)(再分类为嗜热革节孢(Scytalidium thermophilum)，参见例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinuscinereus)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝菌(Myceliophthorathermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭壳孢霉(Thielaviaterrestris)、枝顶孢属物种、桃色顶孢霉(Acremonium persicinum)、Acremoniumacremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremoniumobclavatum、Acremonium pinkertoniae、灰粉顶孢霉(Acremonium roseogriseum)、Acremonium incoloratum和棕色枝顶孢(Acremonium furatum)；优选来自物种特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰刀菌DSM 2672、嗜热毁丝菌CBS 117.65、头孢霉属物种RYM-202、枝顶孢属物种CBS 478.94、枝顶孢属物种CBS 265.95、桃色顶孢CBS 169.65、Acremoniumacremonium AHU 9519、头孢霉属物种CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73，Acremonium dichromosporum CBS 683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70，灰粉顶孢霉(Acremonium roseogriseum)CBS134.56，Acremonium incoloratum CBS 146.62和棕色枝顶孢CBS 299.70H。纤维素分解酶还可以得自金孢属，优选Chrysosporium lucknowense的菌株。此外，可以使用木霉特别是绿色木霉 (Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康氏木霉(Trichoderma koningii))、嗜碱芽孢杆菌(参见例如，美国专利号3,844,890和EP 458162)和链霉菌属(Streptomyces)(参见例如，EP 458162)。

可以利用酶复合物，例如在商品名下可从Genencore获得的那些，例如1500酶复合物。1500酶复合物包括多重酶活性，主要是外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶(2200-2800 CMC U/g)、半纤维素酶和β-葡糖苷酶(525-775pNPG U/g)，并且具有4.6-5.0的pH。酶复合物的内切葡聚糖酶活性以羧甲基纤维素活性单位(CMC U)表达，而β-葡糖苷酶活性以pNP-葡糖苷活性单位(pNPG U)报道。在一个实施方案中，使用1500酶复合物和NOVOZYME^TM188纤维二糖酶的掺和物。

在某些实现中，糖化剂包括酸例如矿物酸。当使用酸时，可以生成对微生物有毒的共同产物，在这种情况下该过程可以进一步包括去除此类共同产物。去除可以使用活性碳例如活性炭或其他合适技术执行。

发酵试剂

在发酵中使用的一种或多种微生物可以是天然微生物和/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。

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(Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomycesdistaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母属(Kluyveromyces)，例如物种马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromycesfragilis)；假丝酵母属(Candida)，例如假热带假丝酵母(Candida pseudotropicalis) 和芸苔假丝酵母(Candida brassicae)，树干毕赤酵母(休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的亲属)，棒孢酵母属(Clavispora)，例如物种葡萄牙棒孢(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae，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)(Philippidis，G.P.，1996，Cellulose bioconversion technology，inHandbook on Bioethanol：Production and Utilization，Wyman，C.E.，编辑，Taylor&Francis， Washington，DC，179-212)。

商购可得的酵母包括例如Red/Lesaffre Ethanol Red(可从Red Star/Lesaffre，美国获得)，(可从Fleischmann’s Yeast，Burns Philip Food Inc.的分部，美国获得)，(可从Alltech，现在的Lalemand获得)，(可从Gert Strand AB，瑞典获得)，和(可从DSM Specialties获得)。

细菌也可以用于发酵中，例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996，同上)。

添加剂

抗生素

虽然一般优选在糖化溶液中具有高糖浓度，但可以使用较低浓度，在所述情况下可能希望加入以低浓度例如50-150ppm的抗微生物添加剂，例如广谱抗生素。其他合适的抗生素包括两性霉素B、氨苄青霉素、氯霉素、环丙沙星、庆大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘌呤霉素、链霉素。抗生素将抑制在转运和贮存过程中的微生物生长，并且可以以合适浓度例如按重量计的15-1000ppm，例如25-500ppm或50-150 ppm使用。需要时，即使糖浓度相对很高，也可以包括抗生素。

表面活性剂

表面活性剂的添加可以增强糖化率。表面活性剂的例子包括非离子型表面活性剂例如20或80聚乙二醇表面活性剂、离子型表面活性剂或两亲型表面活性剂。其他合适的表面活性剂包括辛基酚乙氧基化物，例如从Dow Chemical商购可得的TRITON^TMX系列非离子型表面活性剂。还可以加入表面活性剂，以维持在溶液中特别是在高浓度溶液中产生的糖。

糖化介质

在一个实施方案中，介质具有组分的下述浓度：

原料的物理处理

在某些实现中，原料在糖化和/或发酵前在物理上进行处理。物理处理过程可以包括本文描述的那些中的任何一种或多种，例如机械处理、化学处理、照射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。处理方法可以以这些技术中的2、3、4种或甚至所有的组合使用 (以任何次序)。当使用超过一种处理方法时，方法可以同时或不同时应用。还可以使用改变生物量原料的分子结构的其他过程，单独或与本文公开的过程组合。

机械处理

在某些情况下，方法可以包括机械处理生物量原料。机械处理包括例如切割、研磨、压制、磨碎、剪切和剁碎。研磨可以包括例如球磨、锤磨、转子/定子干或湿磨法、或其他类型的研磨。其他机械处理包括例如石研磨、裂化、机械撕开或撕裂、针研磨或空气碾磨。

机械处理对于“打开”、“压紧”、破坏和破碎纤维素或木质纤维素材料可以是有利的，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。

在某些情况下，机械处理可以包括如接受的原料的最初制备，例如材料的粉碎，例如通过切割、磨碎、剪切、磨粉或剁碎。例如，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。

可替代地或另外地，原料材料可以首先通过一种或多种其他物理处理方法进行物理处理，所述物理处理方法例如化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸，并且随后进行机械处理。这个顺序可以是有利的，因为通过一种或多种其他处理例如照射或热解处理的材料趋于更易碎，并且因此更易于通过机械处理进一步改变材料的分子结构。

在某些实施方案中，原料材料以纤维材料的形式，并且机械处理包括剪切以暴露纤维材料的纤维。剪切可以例如使用旋转切割机执行。机械处理原料的其他方法包括例如研磨或磨碎。研磨可以使用例如下述来执行：锤磨机、球磨机、胶体磨、圆锥形或锥形磨、盘磨机、碾碎机、维利磨粉机(Wiley mill)或磨粉机。磨碎可以使用例如石研磨机、针研磨机、咖啡磨或磨盘式磨机(burr grinder)执行。磨碎可以例如通过往复式运动的针或其他元件来提供，如在针磨机的情况下。其他机械处理方法包括机械撕开或撕裂、对材料施加压力的其他方法、和空气研磨。合适的机械处理进一步包括改变原料的分子结构的其他技术。

需要时，机械处理的材料可以经过例如具有1.59mm或更少(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸的筛子。在某些实施方案中，同时执行剪切或其他机械处理和筛选。例如，旋转切割机可以用于同时剪切和筛选原料。原料在固定叶片和旋转叶片之间进行剪切，以提供经过筛子且捕获在箱中的剪切材料。

纤维素或木质纤维素材料可以以干燥状态(例如在其表面上具有很少的游离水或无游离水)、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％的水进行机械处理。纤维来源甚至可以在部分或全部没入液体下时进行机械处理，所述液体例如水、乙醇、异丙醇。

纤维素或木质纤维素材料还可以在气体(例如除空气外的气流或气氛)例如氧或氮，或蒸汽中进行机械处理。

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，所述材料可以在机械处理或照射前或在机械处理或照射过程中用热、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。例如磨碎可以在酸的存在下进行。

机械处理系统可以配置为产生具有特定形态特征的流，例如表面积、多孔性、堆密度，和在纤维原料的情况下，纤维特征例如长度宽度比。

在某些实施方案中，经机械处理材料的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。

经机械处理材料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％、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，在机械处理后，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ASTM D1895B进行测定。简言之，该方法涉及用样品填充已知体积的量筒，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。

如果原料是纤维材料，那么经机械处理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/或直径长度比分布。

如本文使用的，平均纤维宽度(例如直径)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。

如果原料是纤维材料，那么经机械处理材料的纤维的平均直径长度比可以例如大于 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。经机械处理材料的平均纤维长度可以是例如约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，如果原料是纤维材料，那么经机械处理材料的纤维长度的标准差可以小于经机械处理材料的平均纤维长度的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％。

在某些情况下，可能希望制备低堆密度材料，使材料致密(例如使得转运至另一个地点更容易和成本更少)，并且随后使材料恢复较低堆密度状态。致密化材料可以通过本文描述的任何方法进行加工，或通过本文描述的任何方法加工的任何材料可以随后致密化，例如如美国序列号12/429,045和WO 2008/073186中公开的，其完全公开内容通过引用合并入本文。

辐射处理

一个或多个辐射加工顺序可以用于加工原料，并且提供结构上修饰的材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。照射可以例如减少原料的分子量和/或结晶度。辐射还可以灭菌材料或生物加工材料所需的任何介质。

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。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。所应用的剂量依赖于所需效应和具体原料。

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，当需要最大限度氧化时，可以利用氧离子，并且当需要最大限度硝化时，可以利用氮离子。重粒子和带正电的粒子的使用在美国序列号12/417,699中描述，其完全公开内容通过引用合并入本文。

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，其是或包括具有第一个数量平均分子量(M_N1)的纤维素，以提供第二种材料，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(M_N2)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(含或不含酶处理)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料或其组成成分糖或木质素，以产生中间产物或产物，例如本文描述的那些。

因为第二种材料包括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，所以第二种材料例如在包括微生物和/或酶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，第二种材料更易于加工且对化学、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。

在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(M_N2)比第一个数量平均分子量(M_N1)低超过约10％，例如超过约15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。

在某些情况下，第二种材料包括这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(C₁)低的结晶度(C₂)。例如，(C₂)可以比(C₁)低超过约10％，例如超过约 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(在照射前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在照射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，例如在广泛照射后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在照射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(在照射前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在照射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，例如在广泛照射后，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(O₁)高的氧化水平(O₂)。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含碳材料电离，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，并且通过多种放射性核的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、2000、10,000或甚至100,000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：IntroductoryNuclear Physics，Kenneth S.Krane，John Wiley&Sons，Inc.(1988)，Krsto Prelec，FIZIKA B 6(1997)4，177-206，Chu，William T.，“Overview of Light-Ion BeamTherapy”，Columbus-Ohio，ICRU-IAEA Meeting，18-20 March 2006，Iwata，Y.等人，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators”，Proceedings of EPAC 2006，Edinburgh，Scotland，和Leuner，C.M.等人， “Status of theSuperconducting ECR Ion Source Venus”，Proceedings of EPAC 2000，Vienna，奥地利。

γ辐射具有进入多种材料内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、铊和氙的同位素。

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。

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，例如用于相对薄切片的材料，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。

电子束照射装置可以由Ion Beam Applications、Louvain-la-Neuve、比利时或Titan Corporation、San Diego、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。原料解聚的水平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。

离子粒子束

比电子重的粒子可以用于照射材料例如碳水化合物或包括碳水化合物的材料，例如纤维素材料、木质纤维素材料、淀粉质材料、或本文描述的这些和其他中的任何的混合物。例如，可以利用质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。在某些实施方案中，比电子重的粒子可以诱导更高量的断链(相对于更轻的粒子)。在某些情况下，由于其酸性，与带负电的粒子相比较，带正电的粒子可以诱导更高量的断链。

例如使用线性加速器或回旋加速器，可以产生更重的粒子束。在某些实施方案中，束的每个粒子的能量是约1.0MeV/原子单位-约6,000MeV/原子单位，例如约3MeV/原子单位-约4,800MeV/原子单位，或约10MeV/原子单位-约1,000MeV/原子单位。

在特定实施方案中，用于照射含碳材料例如生物量材料的离子束可以包括超过一种类型的离子。例如，离子束可以包括2种或更多种(例如3、4种或更多种)不同类型离子的混合物。示例性混合物可以包括碳离子和质子、碳离子和氧离子、氮离子和质子、以及铁离子和质子。更一般地，上文讨论的任何离子(或任何其他离子)的混合物可以用于形成照射离子束。特别地，相对高和相对更重的离子的混合物可以在单一离子束中使用。

在某些实施方案中，用于照射材料的离子束包括带正电的离子。带正电的离子可以包括例如带正电的氢离子(例如质子)、稀有气体离子(例如氦、氖、氩)、碳离子、氮离子、氧离子、硅离子、磷离子，以及金属离子例如钠离子、钙离子和/或铁离子。不希望受任何理论束缚，认为当暴露于材料时，此类带正电的离子在化学上表现与路易斯酸部分一样，在氧化环境中起始且支持阳离子开环断裂反应。

在特定实施方案中，用于照射金属的离子束包括带负电的离子。带负电的离子可以包括例如带负电的氢离子(例如氢阴离子)和多种相对负电性核的带负电的离子(例如氧离子、氮离子、碳离子、硅离子和磷离子)。不希望受任何理论束缚，认为当暴露于材料时，此类带负电的离子在化学上表现与路易斯碱部分一样，在还原环境中引起阴离子开环断裂反应。

在某些实施方案中，用于照射材料的束可以包括中性原子。例如，氢原子、氦原子、碳原子、氮原子、氧原子、氖原子、硅原子、磷原子、氩原子和铁原子中的任何一种或多种可以包括在用于照射生物量材料的束中。一般而言，上述类型原子中的任何2种或更多种(例如3种或更多种、4种或更多种或甚至更多种)的混合物可以存在于束中。

在特定实施方案中，用于照射材料的离子束包括单一荷电离子，例如H⁺、H^-、He⁺、Ne⁺、Ar⁺、C⁺、C^-、O⁺、O^-、N⁺、N^-、Si⁺、Si^-、P⁺、P^-、Na⁺、Ca⁺和Fe⁺中的一种或多种。在某些实施方案中，离子束可以包括多重荷电离子，例如C²⁺、C³⁺、C⁴⁺、N³⁺、N⁵⁺、N^3-、 O²⁺、O^2-、O₂ ^2-、Si²⁺、Si⁴⁺、Si^2-和Si^4-中的一种或多种。一般而言，离子束还可以包括更复杂的多核离子，其具有多重正或负电荷。在特定实施方案中，由于多核离子的结构，正或负电荷可以有效分布在离子的基本上完整结构上。在某些实施方案中，正或负电荷可以略微定位在离子结构的部分上。

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。

猝灭和受控官能化

在用电离辐射处理后，本文描述的材料或混合物中的任何可以变得电离；即，经处理的材料可以包括在用电子自旋共振光谱仪可检测的水平上的原子团。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。因此，可以希望猝灭经电离的材料。

在电离后，可以猝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不再用电子自旋共振光谱仪可检测。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(猝灭)，可以使原子团猝灭。使用至少帮助原子团猝灭的气体或液体可以用于以所需量和种类的官能团来官能化经电离的生物量，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。通过淬灭的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，并且可以改善通过多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。

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紧密的接近中，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15000 psi。

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。

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，那么可以利用氮离子或包括氮的阴离子。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。

剂量

在某些情况下，以大于约0.25Mrad/秒的剂量率执行照射，例如大于约0.5、0.75、1.0、1.5、2.0，或甚至大于约2.5Mrad/秒。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，执行照射(用任何辐射源或源的组合)直至材料接受至少0.1Mrad、至少0.25Mrad的剂量，例如至少1.0Mrad、至少2.5Mrad、至少5.0Mrad、至少10.0Mrad、至少60Mrad或至少100Mrad。在某些实施方案中，执行照射直至材料接受约0.1Mrad-约500Mrad，约0.5Mrad-约200Mrad、约1Mrad-约100Mrad、或约5Mrad- 约60Mrad的剂量。在某些实施方案中，应用相对低剂量的照射，例如小于60Mrad。

超声处理

超声处理可以减少材料的分子量和/或结晶度，所述材料例如本文描述的材料中的任何中的一种或多种，例如一种或多种碳水化合物来源，例如纤维素或木质纤维素材料、或淀粉质材料。超声处理还可以用于对材料进行灭菌。如上文就辐射而言讨论的，用于超声处理的过程参数可以取决于多种因素而改变，例如取决于原料的木质素含量。例如，具有更高木质素水平的原料一般需要更高的停留时间和/或能量水平，导致递送至原料的更高总能量。

在一种方法中，使包括具有第一个数量平均分子量(M_N1)的纤维素的第一种材料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，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(M_N2)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(含或不含酶处理) 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中间产物或产物。

因为第二种材料包括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，所以第二种材料例如在包括微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶。

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(O₁)高的氧化水平(O₂)。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性的。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。

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含碳材料，以从材料中提取有用物质，并且提供部分降解的材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。热解还可以用于灭菌材料。热解条件可以取决于原料的特征和/或其他因素而改变。例如，具有更高木质素水平的原料可能需要更高的温度、更长的停留时间和/或在热解过程中引入更高水平的氧。

在一个例子中，通过使第一种材料在管式炉(在氧的存在或不存在下)中加热，使包括具有第一个数量平均分子量(M_N1)的纤维素的第一种材料热解，以提供第二种生物量材料，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(M_N2)的纤维素。

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(O₁)高的氧化水平(O₂)。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比第一种材料更多的羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，从而增加材料的亲水性。

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。

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含碳材料，以从材料中提取有用物质，并且提供部分降解和/或改变的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。氧化条件可以取决于原料的木质素含量而改变，其中更高程度的氧化一般是更高木质素含量原料所需的。

在一种方法中，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(M_N1)和具有第一个氧含量(O₁)的纤维素的第一种材料氧化，以提供第二种生物量材料，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(M_N2)和具有比第一个氧含量(O₁)高的第二个氧含量(O₂)的纤维素。

第二种材料的第二个数量平均分子量一般低于第一种材料的第一个数量平均分子量。例如，分子量可以减少至与上文就其他物理处理而言讨论的相同的程度。第二种材料的结晶度也可以减少至与上文就其他物理处理而言讨论的相同的程度。

在某些实施方案中，第二个氧含量比第一个氧含量高至少约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，第二个氧含量比第一种材料的第一个氧含量高至少约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LECO CHNS-932分析仪。

一般地，材料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，多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)。

减少生物量原料中的不顺应的某些氧化方法采用芬顿型化学。此类方法公开于美国序列号12/639,289中，其完整公开内容通过引用合并入本文。

示例性氧化剂包括过氧化物例如过氧化氢和过氧化苯甲酰、过硫酸盐例如过硫酸铵、激活型氧例如臭氧、高锰酸盐例如高锰酸钾、高氯酸盐例如高氯酸钠、和次氯酸盐例如次氯酸钠(家用漂白剂)。

在某些情况下，pH在接触过程中维持在或低于约5.5，例如1-5、2-5、2.5-5或约3-5。氧化条件还可以包括例如2-12小时、例如4-10小时或5-8小时的接触时期。在某些情况下，温度维持在或低于300℃，例如在或低于250、200、150、100或50℃。在某些情况下，温度保持基本上环境的，例如在或约20-25℃。

在某些实施方案中，一种或多种氧化剂作为气体应用，例如通过经由用粒子束例如电子通过空气照射材料原位生成臭氧。

在某些实施方案中，混合物进一步包括一种或多种氢醌例如2,5-二甲氧基氢醌(DMHQ)，和/或一种或多种苯醌例如2,5-二甲氧基-1,4-苯醌(DMBQ)，其可以帮助电子传递反应。

在某些实施方案中，一种或多种氧化剂电化学地原位生成。例如，过氧化氢和/或臭氧可以在接触或反应器内电化学地产生。

溶解、减少不顺应或官能化的其他加工过程

这个段落的任何加工过程可以无需本文描述的任何加工过程单独使用，或与本文描述的任何加工过程组合使用(以任何次序)：蒸汽爆炸、化学处理(例如酸处理(包括用矿物酸例如硫酸、盐酸和有机酸例如三氟乙酸的浓和稀酸处理)和/或碱处理(例如用石灰或氢氧化钠处理))、UV处理、螺旋挤出处理(参见例如于2008年11月17日提交的美国专利申请序列号61/115,398、溶剂处理(例如用离子液体处理)和冷冻研磨(参见例如美国序列号12/502,629)。

燃料、酸、酯和/或其他产物的产生

在已对生物量执行上文讨论的一个或多个加工步骤后，在纤维素和半纤维素部分中包括的复杂碳水化合物可以使用糖化加工过程加工成可发酵糖，如上所述。

在所得到的糖溶液已转运至制造设施后，糖可以转换成各种产物，例如醇例如乙醇或有机酸。所获得的产物取决于利用的微生物和生物加工在其下发生的条件。这些步骤可以例如利用基于玉米的乙醇制造设施的现有设备执行。

需要时，本文讨论的混合加工过程和设备也可以在生物加工过程中使用。有利地，本文描述的混合系统不对液体赋予高剪切，并且不显著升高液体的总体温度。因此，在生物加工中使用的微生物在加工过程自始至终维持在有活力的条件中。混合可以增强反应速率且改善加工过程的效率。

一般地，发酵利用多种微生物，通过木质纤维素材料的糖化产生的糖溶液一般将包括木糖以及葡萄糖。可能希望例如通过色谱法去除木糖，因为某些常用微生物(例如酵母)不作用于木糖。木糖可以收集且用于制造其他产物，例如动物饲料和甜味剂木糖醇。木糖可以在糖溶液递送至发酵将在其中执行的制造设施前或后去除。

微生物可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，在本文材料节段中讨论的任何微生物。

关于酵母的最佳pH是约pH 4-5，而关于发酵单胞菌属的最佳pH是约pH 5-6。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。

羧酸基团一般降低发酵溶液的pH，趋于抑制由某些微生物例如树干毕赤酵母(Pichia stipitis)的发酵。因此，在某些情况下，在发酵前或发酵过程中希望加入碱和/或缓冲液，以培养(bring up)溶液的pH。例如，氢氧化钠或石灰可以加入发酵培养基中，以使培养基的pH升高至对于利用的微生物最佳的范围。

发酵一般在水性生长培养基中进行，这可以包括氮源或其他营养素来源，例如尿素，连同维生素和痕量矿物质和金属。一般优选生长培养基可以是无菌的，或至少具有低微生物载量，例如细菌计数。生长培养基的灭菌可以以任何所需方式完成。然而，在优选实现中，灭菌通过照射生长培养基或在混合前照射生长培养基的个别组分来完成。辐射剂量一般尽可能低，同时仍获得足够结果，以便使能量消耗和所产生的成本降到最低。例如，在许多情况下，生长培养基其自身或生长培养基的组分可以用小于5Mrad，例如小于4、3、2或1Mrad的辐射剂量进行处理。在特定情况下，生长培养基用约1-3Mrad 的剂量进行处理。

在某些实施方案中，所有或部分发酵加工过程可以在低分子量糖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。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。

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WO 2008/011598中所述。类似地，糖化设备可以是移动的。进一步地，糖化和/或发酵可以部分或完全在运输过程中执行。

后加工

在发酵后，所得到的流体可以使用例如“啤酒柱(beer column)”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。啤酒柱底部残留物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。

中间产物和产物

使用本文描述的加工过程，可以将经处理的生物量转换为一种或多种产物，例如能量、燃料、食物和材料。产物的具体例子包括但不限于氢，醇(一元醇或二元醇，例如乙醇、正丙醇或正丁醇)，例如包括大于10％、20％、30％或甚至大于40％水的水合或含水醇，木糖醇，糖，生物柴油，有机酸(例如乙酸和/或乳酸)，烃，共同产物(例如蛋白质，例如分解纤维素的蛋白质(酶)或单细胞蛋白质)，和以任何组合或相对浓度的这些中的任何的混合物，和任选与任何添加剂例如燃料添加剂组合。其他例子包括羧酸例如乙酸或丁酸，羧酸的盐，羧酸和羧酸的盐和羧酸的酯(例如甲、乙和正丙酯)的混合物，酮(例如乙酮)，醛(例如乙醛)，α,β不饱和酸，例如丙烯酸和烯烃例如乙烯。其他醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、这些醇中的任何的甲或乙酯。其他产物包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟基丙酸、酸中的任何的盐以及酸和分别盐中的任何的混合物。

其他中间产物和产物包括食物和药剂在美国序列号12/417,900中描述，其完整公开内容通过引用在此合并入本文。

本申请还包含以下的实施方案：

1、方法，其包括：

通过使用喷射混合器将木质纤维素原料和流体介质以及糖化剂混合形成混合物，糖化在器皿中的木质纤维素原料的颗粒或浆料，其中所述喷射混合器包括射流搅拌器，并且所述器皿具有弓形底部表面，

所述射流搅拌器的纵轴侧向偏离器皿的纵轴，并且糖化所述原料包括使用所述射流搅拌器搅拌所述混合物，其中在相同条件下，所述喷射混合器糖化时产生的能耗低于所述射流搅拌器的纵轴与器皿的纵轴对齐时的能耗。

2、实施方案1的方法，其中所述原料具有小于0.5g/cm³的堆密度。

3、实施方案1的方法，其中所述流体介质包括水。

4、实施方案1的方法，其中所述糖化剂包括酶。

5、实施方案1的方法，其中所述喷射混合器包括固定在柄的远端的叶轮和在所述叶轮周围的覆盖物。

6、实施方案1的方法，其中所述喷射混合器包括多个射流搅拌器，每个射流搅拌器配置为可逆地操作，在第一种模式中向器皿的顶部，并且在第二种模式中向器皿的底部抽泵流体。

7、实施方案6的方法，其中在至少部分混合的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

8、实施方案6的方法，其中在至少部分混合的过程中，某些所述射流搅拌器以第一种模式操作，并且同时，其他的以第二种模式操作。

9、实施方案6的方法，其进一步包括将微生物加入所述器皿中，并且使所述糖化的原料发酵，其中在至少部分发酵的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

10、实施方案1的方法，其中所述喷射混合器包括具有递送喷嘴的喷射曝气型混合器，并且其中糖化所述原料包括通过所述递送喷嘴递送喷射。

11、实施方案10的方法，其中所述喷射曝气型混合器不通过所述递送喷嘴注入空气而操作。

12、实施方案10的方法，其中糖化包括将液体供应给所述喷射曝气型混合器的两个进入线路。

13、实施方案1的方法，其中所述喷射混合器包括抽吸室喷射混合器。

14、实施方案1的方法，其中所述喷射混合器包括与排出管的第一个末端流体联系的喷嘴，所述排出管的第一个末端与所述喷嘴隔开，并且所述排出管具有配置为发出流体喷射的第二个末端。

15、实施方案1的方法，其中糖化包括

将所述原料以不连续增量加入所述流体介质中；并且

在加入另一个增量的原料前，用所述喷射混合器使原料的每个不连续增量混合到所述流体介质内。

16、实施方案1的方法，其进一步包括在所述喷射混合器的操作过程中，监控所述原料、所述流体介质和所述糖化剂的混合物的葡萄糖水平。

17、实施方案1的方法，其进一步包括在糖化过程中将另外的原料和糖化剂加入所述器皿中。

18、实施方案1的方法，其中所述器皿包括槽。

19、实施方案1的方法，其中所述器皿包括轨道车或油罐卡车的槽。

20、实施方案19的方法，其中糖化在原料、流体介质和糖化剂的混合物的转运过程中部分或完全发生。

21、实施方案1的方法，其中所述原料包括纸。

22、实施方案1的方法，其进一步包括将乳化剂或表面活性剂加入所述器皿的混合物中。

23、实施方案1的方法，其进一步包括将微生物加入所述器皿中且使所述糖化的原料发酵。

24、方法，其包括：

通过使用喷射混合器将木质纤维素原料和流体介质以及酶混合形成混合物，糖化在器皿中的木质纤维素原料的颗粒或浆料，其中所述喷射混合器包括射流搅拌器，并且所述器皿具有弓形底部表面，

所述射流搅拌器的纵轴横向偏离器皿的纵轴，并且糖化所述原料包括使用所述射流搅拌器搅拌所述混合物，其中在相同条件下，所述喷射混合器糖化时产生的能耗低于所述射流搅拌器的纵轴与器皿的纵轴对齐时的能耗。

25、方法，其包括：

通过使用喷射混合器将原料颗粒与液流介质中的微生物混合将原料颗粒转化为产物，其中所述喷射混合器包括射流搅拌器，并且所述器皿具有弓形底部表面，

所述射流搅拌器的纵轴横向偏离器皿的纵轴，并且所述原料颗粒通过糖化木质纤维素原料获得，并且含有低分子量糖残余固体。

26、实施方案25的方法，其中所述流体介质包括水。

27、实施方案25的方法，其中所述微生物包括酵母。

28、实施方案25的方法，其中所述喷射混合器包括具有递送喷嘴的喷射曝气型混合器，并且其中转化所述原料包括通过所述递送喷嘴递送喷射。

29、实施方案25的方法，其中所述喷射混合器还包括抽吸室喷射混合器。

30、实施方案25的方法，其中在相同条件下，所述喷射混合器在实施所述方法时产生的能耗低于所述射流搅拌器的纵轴与器皿的纵轴对齐时产生的能耗。

31、实施方案25的方法，其中所述射流搅拌器包括固定在柄的远末端的叶轮和在所述叶轮周围的覆盖物。

32、实施方案25的方法，其中所述喷射混合器包括多个射流搅拌器，每个射流搅拌器配置为可逆地操作，在第一种模式中向器皿的顶部，并且在第二种模式中向器皿的底部抽泵流体。

33、实施方案25的方法，其中转化包括发酵。

34、实施方案25的方法，其中糖化包括使用喷射搅拌器搅拌所述木质纤维素材料和液体介质的混合物。

35、系统，其包括：

具有弓形底部表面的器皿；

将木质纤维素原料和液体介质递送到所述器皿的递送系统；

位于所述器皿内的喷射混合器，所述喷射混合器包括射流搅拌器，所述射流搅拌器具有固定在柄的远末端的叶轮和在所述叶轮周围的覆盖物，所述射流搅拌器的纵轴横向偏离所述器皿的纵轴；以及

配置为监控所述器皿中所述液体介质的糖浓度和/或乙醇浓度的监控器，所述监控器连接到发酵控制模块。

36、实施方案35的系统，其中所述递送系统配置为递送具有小于0.5g/cm³的堆密度的原料。

37、实施方案35的系统，其中所述喷射混合器包括多个射流搅拌器，每个射流搅拌器配置为可逆地操作，在第一种模式中向器皿的顶部，并且在第二种模式中向器皿的底部抽泵流体。

38、实施方案35的系统，其中所述监控器配置为在所述喷射混合器的运行中监控所述流体介质的葡萄糖水平。

39、实施方案35的系统，其中所述器皿包括槽。

40、实施方案39的系统，其中所述槽的体积至少为4000L。

41、实施方案40的系统，其中所述槽的体积至少为40000L。

42、实施方案39的系统，其中所述喷射混合器包括具有至少10马力功率的发动机。

43、实施方案42的系统，其中所述喷射混合器包括具有至少20马力功率的发动机。

44、实施方案35的系统，其进一步含有将测定量的糖化剂递送到所述槽的糖化剂递送装置。

45、实施方案35的系统，其中所述喷射混合器包括发动机，所述发动机配置为其转矩是自我调整的，以维持相对恒定的叶轮速度。

46、实施方案35的系统，其中所述喷射混合器还包括发动机，所述系统进一步包括监控混合过程中所述发动机的转矩的转矩监控器，和/或监控所述发动机的满载电流量的安倍监控器。

47、实施方案46的系统，其进一步包括控制器，所述控制器基于来自所述转矩监控器的输入来调节所述原料递送装置和/或所述糖化剂递送装置的操作。

48、实施方案39的系统，其中所述槽包括用于从所述槽去除材料的口。

49、实施方案46的系统，其进一步包括热监控系统，所述热监控系统被配置为监控所述液体介质的温度，并且响应于温度的增加而调整所述递送系统的原料补料速率和/或所述发动机的转矩或满载电流。

50、实施方案42的系统，其中所述发动机能够在500-20000RPM下运行。

51、糖化木质纤维素材料的方法，其包括：

向器皿中加入包含木质纤维素材料、水和酶的浆料，所述浆料具有至少20重量％的溶解固体；

将浆料从器皿中倒出并将浆料喷射到器皿中，同时糖化至少一部分所述木质纤维素材料，产生糖。

52、实施方案51的方法，其中喷射所述浆料包括使用具有喷嘴的喷射混合器，并且在压力下引导所述浆料通过所述喷嘴。

53、实施方案52的方法，其中泵产生压力，所述喷嘴与所述泵流体联系。

54、实施方案52的方法，其中所述喷嘴包括在叶轮周围的覆盖物，所述叶轮被配置为提供通过所述喷嘴的喷射流。

55、实施方案52的方法，其中当在第一种模式下操作时，所述喷射混合器以第一方向引导浆料通过喷嘴的第一端，并且当在第二种模式下操作时，以第二方向引导浆料通过所述喷嘴的第二端。

56、实施方案51的方法，其中喷射所述浆料包括在压力下引导所述浆料通过多个喷嘴，所述压力由一个或多个泵产生，所述多个喷嘴中的每一个喷嘴与所述一个或多个泵中的至少一个泵流体联系。

57、实施方案51的方法，其中喷射所述浆料包括将浆料通过入口抽吸至泵，所述入口与所述器皿流体联系；并且在压力下泵送所述浆料通过喷嘴，所述喷嘴与所述泵流体联系。

58、实施方案57的方法，其中所述泵位于所述器皿之外。

59、实施方案57的方法，其中所述入口从所述器皿中的浆料的表面附近抽吸所述浆料。

60、实施方案57的方法，其中所述入口从所述器皿的底部表面附近抽吸所述浆料。

61、实施方案51的方法，其中所述浆料以5米/秒至150米/秒的速度通过所述喷嘴喷射到所述器皿中。

62、实施方案51的方法，其中将所述浆料喷射到所述器皿中在器皿中引起液体浆料的次级夹带流。

63、实施方案51的方法，其中将所述混合物喷射到所述器皿中使其在器皿中有效混合，且使对酶的伤害降到最低。

64、实施方案51的方法，其中所述器皿具有平的底部表面。

65、实施方案51的方法，其中所述器皿具有弓形的底部表面。

66、实施方案51的方法，其中所述器皿的体积至少为4000L。

67、实施方案51的方法，其中所述器皿的体积至少为40000L。

68、实施方案51的方法，其中浆料中所述木质纤维素材料的初始固体浓度为至少20重量％，并且其中所述木质纤维素材料包括玉米轴。

69、实施方案51的方法，其中所述木质纤维素材料已经过辐射，所述辐射由离子束和电子束中的一种或多种提供。

70、实施方案69的方法，其中所述木质纤维素材料已经接受了至少10Mrad的辐射。

71、实施方案69的方法，其中所述木质纤维素材料已经接受了剂量率为至少1Mrad/秒的辐射。

72、实施方案51的方法，其中所述木质纤维素材料具有小于0.5g/cm³的堆密度。

73、实施方案51的方法，其中所述酶包括纤维素酶。

74、实施方案51的方法，其进一步包括用微生物发酵所述糖的至少一部分。

75、方法，其包括：

向器皿中加入包含木质纤维素材料、水和酶的浆料，

从所述器皿中抽吸浆料并将所述浆料喷射到器皿中，同时糖化至少一部分所述木质纤维素材料，产生糖，

向所述器皿中加入微生物；并且，

继续从所述器皿中抽吸其内容物并将它们喷射回所述器皿中，发酵所述糖以产生产物。

76、实施方案75的方法，其中喷射所述浆料包括使用具有喷嘴的喷射混合器，并且在压力下引导所述浆料通过所述喷嘴。

77、实施方案76的方法，其中泵产生压力，所述喷嘴与所述泵流体联系。

78、实施方案76的方法，其中所述喷嘴包括在叶轮周围的覆盖物，所述叶轮被配置为提供通过所述喷嘴的喷射流。

79、实施方案76的方法，其中当在第一种模式下操作时，所述喷射混合器以第一方向引导浆料通过喷嘴的第一端，并且当在第二种模式下操作时，以第二方向引导浆料通过所述喷嘴的第二端。

80、实施方案75的方法，其中喷射所述浆料包括在压力下引导所述浆料通过多个喷嘴，所述压力由一个或多个泵产生，所述多个喷嘴中的每一个喷嘴与所述一个或多个泵中的至少一个泵流体联系。

81、实施方案75的方法，其中喷射所述浆料包括通过入口将浆料抽吸至泵，所述入口与所述器皿流体联系；并且在压力下通过喷嘴泵送所述浆料，所述喷嘴与所述泵流体联系。

82、实施方案81的方法，其中所述泵位于所述器皿之外。

83、实施方案81的方法，其中所述入口从所述器皿中的浆料的表面附近抽吸所述浆料。

84、实施方案81的方法，其中所述入口从所述器皿的底部表面附近抽吸所述浆料。

85、实施方案75的方法，其中所述浆料以5米/秒至150米/秒的速度通过所述喷嘴喷射到所述器皿中。

86、实施方案75的方法，其中将所述浆料喷射到所述器皿中引起所述器皿中液体浆料的次级夹带流。

87、实施方案75的方法，其中将所述混合物喷射到所述器皿中使其在器皿中有效混合，且使对酶的伤害降到最低。

88、实施方案75的方法，其中所述器皿具有平的底部表面。

89、实施方案75的方法，其中所述器皿具有弓形的底部表面。

90、实施方案75的方法，其中所述器皿的体积至少为4000L。

91、实施方案75的方法，其中所述器皿的体积至少为40000L。

92、实施方案75的方法，其中浆料中所述木质纤维素材料的初始固体浓度为至少20重量％，并且其中所述木质纤维素材料包括玉米轴。

93、实施方案75的方法，其中所述木质纤维素材料已经过辐射，所述辐射由离子束和电子束中的一种或多种提供。

94、实施方案93的方法，其中所述木质纤维素材料已经接受了至少10Mrad的辐射。

95、实施方案93的方法，其中所述木质纤维素材料已经接受了剂量率为至少1Mrad/秒的辐射。

96、实施方案75的方法，其中所述木质纤维素材料具有小于0.5g/cm³的堆密度。

97、实施方案75的方法，其中所述酶包括纤维素酶。

98、方法，其包括：

通过使用喷射混合器将生物质原料与流体介质和糖化剂混合，糖化在器皿中的生物量原料。

99、实施方案98的方法，其中所述原料具有小于约0.5g/cm³的堆密度。

100、实施方案98或实施方案99的方法，其中所述流体介质包括水。

101、上述实施方案中任一项的方法，其中所述糖化剂包括酶。

102、上述实施方案中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括喷射流动搅拌器，且糖化所述原料包括用所述喷射流动搅拌器搅拌所述原料。

103、实施方案102的方法，其中所述射流搅拌器包括固定在柄的远末端的叶轮和在所述叶轮周围的覆盖物。

104、实施方案102或103的方法，其中所述喷射混合器包括多个射流搅拌器，每个射流搅拌器配置为可逆地操作，在第一种模式中向器皿的顶部，并且在第二种模式中向器皿的底部抽泵流体。

105、实施方案104的方法，其中在至少部分混合的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

106、实施方案104或105的方法，其中在至少部分混合的过程中，某些所述射流搅拌器以第一种模式操作，并且同时，其他的以第二种模式操作。

107、实施方案104的方法，其进一步包括将微生物加入器皿中，并且使所述糖化的原料发酵，其中在至少部分发酵的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

108、上述实施方案中任一项的方法，其中所述器皿具有弓形底部表面。

109、上述实施方案中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括具有递送喷嘴的喷射曝气型混合器，并且其中糖化所述原料包括通过所述递送喷嘴递送喷射。

110、实施方案109的方法，其中所述喷射混合器不通过所述递送喷嘴注入空气而操作。

111、实施方案109的方法，其中糖化包括将液体供应给所述喷射曝气型混合器的2个进入线路。

112、上述实施方案中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括抽吸室喷射混合器。

113、上述实施方案中任一项的方法，其中所述喷射混合器还包括与排出管的第一个末端流体联系的喷嘴，所述排出管的第一个末端与所述喷嘴隔开，并且所述排出管具有配置为发出流体喷射的第二个末端。

114、上述实施方案中任一项的方法，其中糖化包括

将所述原料以不连续增量加入所述流体介质中；并且

在加入另一个增量的原料前，用所述喷射混合器使原料的每个不连续增量的原料混合到所述流体介质内。

115、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括在所述喷射混合器的操作过程中，监控所述原料、所述流体介质和所述糖化剂的混合物的葡萄糖水平。

116、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括在糖化过程中将另外的原料和糖化剂加入所述器皿中。

117、上述实施方案中任一项的方法，其中所述器皿包括槽。

118、上述实施方案中任一项的方法，其中所述器皿包括轨道车或油罐卡车的槽。

119、实施方案118的方法，其中糖化在原料、流体介质和糖化剂的混合物的转运过程中部分或完全发生。

120、上述实施方案中任一项的方法，其中所述原料包括纤维素或木质纤维素材料。

121、实施方案120的方法，其中所述原料包括纸。

122、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括将乳化剂或表面活性剂加入所述器皿中的混合物中。

123、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括将微生物加入所述器皿中且使所述糖化的原料发酵。

124、方法，其包括：

通过在器皿内一般产生环形流动的混合器的操作来糖化生物量原料，在所述器皿中已放置所述生物量原料连同流体介质和糖化剂。

125、实施方案124的方法，其中所述混合器配置为经过混合过程使所述流体介质的总体温度中的任何增加限制为小于5℃。

126、方法，其包括：

通过使用喷射混合器使所述低分子量糖与微生物在流体介质中混合，将低分子量糖转换为产物。

127、实施方案126的方法，其中所述流体介质包括水。

128、实施方案126或实施方案127的方法，其中所述微生物包括酵母。

129、实施方案126-128中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括射流搅拌器，并且其中转换包括用射流搅拌器搅拌所述原料。

130、实施方案126-129中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括具有递送喷嘴的喷射曝气型混合器，并且其中糖化所述原料包括通过所述递送喷嘴递送喷射。

131、实施方案126-130中任一项的方法，其中所述喷射混合器包括抽吸室喷射混合器。

132、原料糖化仪器，其包括：

槽，

配置为将生物量原料递送至所述槽的生物量原料递送装置，和

配置为将测定量的糖化剂递送至所述槽的糖化剂递送装置，和

具有排列在所述槽内的喷嘴且配置为混合所述递送的生物量原料和糖化剂的喷射混合器。

133、实施方案132的仪器，其中所述喷射混合器进一步包括发动机，并且所述仪器进一步包括监控在混合过程中所述发动机的转矩的转矩监控器，和/或监控所述发动机的满载电流量的安培监控器。

134、实施方案132或实施方案133的仪器，其进一步包括基于来自所述转矩监控器的输入，调整所述原料递送装置和/或所述糖化剂递送装置的操作的控制器。

135、实施方案132-134中任一项的仪器，其中所述喷射混合器包括发动机，并且所述仪器进一步包括配置为调整所述发动机的速度的变频器。

136、实施方案132-135中任一项的仪器，其中所述槽具有弓形底部表面。

137、方法，其包括：

糖化器皿中的生物量原料，以形成经糖化的混合物；

用微生物接种所述器皿中的所述经糖化的混合物；和

允许所述接种的经糖化的混合物在所述器皿中发酵。

138、实施方案137的方法，其进一步包括在发酵过程中，将所述器皿的内容物转移至转运器皿，并且允许发酵在所述转运器皿中继续。

139、实施方案137或实施方案138的方法，其进一步包括在糖化和发酵过程中用喷射混合器搅拌所述器皿的内容物。

140、实施方案137-139中任一项的方法，其进一步包括监控所述发酵混合物的氧含量和乙醇含量和/或糖含量。

141、发酵系统，其包括：

具有通风孔的器皿；

与所述器皿联系的氧的来源；

配置为监控所述器皿中液体的氧含量的氧监控器；和

使用所述通风孔和氧来源，响应来自所述氧监控器的输入，配置为调整所述液体的氧含量的控制器。

142、实施方案141的发酵系统，其中所述控制器配置为以小于0.2vvm的速率氧合所述器皿。

143、实施方案141或实施方案142的发酵系统，其进一步包括配置为监控所述器皿中所述液体的糖浓度和/或乙醇浓度的发酵监控器；和基于从所述发酵监控器接受的输入，配置为停止发酵的控制器。

144、实施方案143的发酵系统，其进一步包括配置为响应从所述监控器接受的信号而停止发酵的发酵停止模块。

实施例

剪切的纸原料如下制备：

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International Paper。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3hp Flinch Baugh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。

为了糖化纸原料，首先将7升水加入器皿中。水的温度在糖化过程自始至终维持在50℃，并且pH维持在5。将原料以增量加入水中，如下表中所示。在每次添加后，执行混合直至原料分散，在这之后加入2种酶的混合物，再次如下表中所示。(酶1是 1500酶复合物，酶2是Novozyme^TM188纤维二糖酶)。在每次添加后，混合最初以10,000RPM执行，只要原料已分散将混合调低到4,000RPM。使用IKA Werks T-50喷射搅拌器混合器，伴随50K-G-45喷射混合工具。

原料以增量加入，因为在可以加入更多前必须使原料至少部分糖化；否则混合物变得太难以混合。观察到需要比先前摇瓶实验中所需的更少的酶，以获得给定葡萄糖水平。对于前300小时未观察到通过不希望有的微生物例如霉菌的污染。在约300小时，在其中糖浓度最低的槽壁上，但未在槽自身中观察到霉菌样生物。

*经过数小时的过程进行1600克添加。

其他实施方案

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公开内容的精神和范围。

例如，本文描述的喷射混合器可以以任何所需组合和/或与其他类型的混合器组合使用。

一个或多个喷射混合器可以固定在槽内的任何所需位置中。就柄固定的喷射混合器而言，柄可以与槽的中心轴共线或可以与其偏离。例如，需要时，可以提供具有不同类型的中心固定混合器例如船舶叶轮或Rushton叶轮的槽，并且喷射混合器可以偏离中心轴或在中心轴上固定在槽的另一个区域中。在后面一种情况下，一个混合器可以从槽的顶部延伸，而另一个从槽的地板向上延伸。

在本文描述的任何喷射混合系统中，通过喷射混合器的流体(液体和/或气体)的流动可以是连续或脉冲的，或连续流动时期与脉冲流动的间隔的组合。当流动是脉冲的时，脉冲可以是规则或不规则的。在后面一种情况下，驱动流体流动的发动机可以按程序工作，例如以提供间隔的脉冲流动，以阻止混合变得“粘滞”。脉冲流动的频率可以是例如约0.5Hz至约10Hz，例如约0.5Hz、0.75Hz、1.0Hz、2.0Hz、5Hz或10Hz。通过使发动机打开和关闭，和/或通过提供中断流体流动的流动分流器，可以提供脉冲流动。

虽然在本文中提及的是槽，但喷射混合可以在任何类型的器皿或容器中使用，包括废水池、池、池塘等。如果混合在其中发生的容器是地内结构(in-ground structure)例如废水池，那么它可以是加衬的。容器可以是覆盖的，例如如果它是室外的，或未覆盖的。

虽然本文已描述了生物量原料，但可以使用其他原料和生物量原料与其他原料的混合物。例如，某些实现可以利用生物量原料与含烃原料的混合物，例如于2009年7月 20日提交的美国临时申请号61/226,877中公开的那些，其完全公开内容通过引用合并入本文。

因此，其他实施方案在下述权利要求的范围内。

Claims

1.方法，其包括：

2.权利要求1的方法，其中所述原料具有小于0.5g/cm³的堆密度。

3.权利要求1的方法，其中所述流体介质包括水。

4.权利要求1的方法，其中所述糖化剂包括酶。

5.权利要求1的方法，其中所述喷射混合器包括固定在柄的远端的叶轮和在所述叶轮周围的覆盖物。

6.权利要求1的方法，其中所述喷射混合器包括多个射流搅拌器，每个射流搅拌器配置为可逆地操作，在第一种模式中向器皿的顶部，并且在第二种模式中向器皿的底部抽泵流体。

7.权利要求6的方法，其中在至少部分混合的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

8.权利要求6的方法，其中在至少部分混合的过程中，某些所述射流搅拌器以第一种模式操作，并且同时，其他的以第二种模式操作。

9.权利要求6的方法，其进一步包括将微生物加入所述器皿中，并且使所述糖化的原料发酵，其中在至少部分发酵的过程中，所有所述射流搅拌器以第一种模式操作。

10.权利要求1的方法，其中所述喷射混合器包括具有递送喷嘴的喷射曝气型混合器，并且其中糖化所述原料包括通过所述递送喷嘴递送喷射。