CN109402192A - 生物质的处理 - Google Patents

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Abstract

本文描述用于将纤维素材料和木质纤维素材料加工成有用的中间体和产物如能量和燃料的方法和系统。例如，描述了照射方法和系统以有助于所述纤维素材料和木质纤维素材料的加工。电子束加速器具有多个窗口箔并且这些箔用冷却气体进行冷却。在一种配置中，次要箔与所述电子束加速器一体形成并且在另一种配置中，所述次要箔为用于生物质输送系统的外壳的一部分。

Description

生物质的处理
本申请是分案申请，母案的申请号为201380051055.9(国际申请号PCT/US2013/064332)，申请日为2013年10月10日，发明名称为“生物质的处理”。
本申请进一步如下进行描述：
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年10月10日提交的美国临时申请序列号61/711,807和2012年10月10日提交的美国临时申请序列号61/711,801的优先权。这些申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
背景
随着对石油的需求增加，对用于制造生物燃料和生物化学物质的可再生原料的兴趣也在增加。自20世纪70年代以来已对木质纤维素生物质作为用于所述制造方法的原料的用途进行了研究。木质纤维素生物质因其丰富、可再生、在国内生产，并且不与食品工业用途竞争而具有吸引力。
现今可获得许多潜在的木质纤维素原料，包括例如农业残余物、木质生物质、城市废物、油籽/油饼以及海草，仅举几例。目前这些材料用作动物饲料、生物堆肥材料、在联产设施中燃烧抑或被填埋。
木质纤维素生物质包括嵌入半纤维素基质中由木质素围绕着的晶体纤维素原纤维。这样产生紧凑基质，所述紧凑基质难以由酶以及其它化学、生物化学和生物方法接近。纤维素生物质材料(即，已基本上除去所有木质素的生物质材料)可以更易于由酶和其它转化方法接近，但是即便如此，天然存在的纤维素材料当与水解酶接触时通常具有低产率(相对于理论产率)。木质纤维素生物质甚至更难以受酶攻击。此外，每种类型的木质纤维素生物质具有其自身特定的纤维素、半纤维素和木质素组成。
虽然多种方法已试图从木质纤维素生物质中提取结构性碳水化合物，但其不是过于昂贵、生产产率过低、在所得产物中留有不期望的化学物质，就是仅降解糖类。
来自可再生生物质源的单糖可以通过代替、补充或取代石油和其它化石原料而成为化学和燃料工业的基础。然而，需要开发将使得可大量并且以可接受的纯度和价格获得这些单糖的技术。
概述
本文描述处理生物质材料的方法，其中所述方法包括使电子束穿过多个窗口箔并进入所述生物质材料中。所述多个窗口箔可包括冷却的窗口箔的系统。
在另一个实施方式中，本发明涉及用于冷却扫描式电子束加速器的主要和次要箔窗口的方法和系统。
在一个实施方案中，本发明涉及用于冷却扫描式电子束加速器的主要和次要箔窗口并且照射材料(例如生物质材料)的方法和系统。
提供一种用于产生处理的生物质材料的方法，其中所述方法包括：提供起始生物质材料；以及使电子束穿过多个窗口箔进入起始生物质材料中；从而产生处理的生物质材料。处理的生物质材料可具有相对于起始生物质材料更低的不顺应性水平。所述多个窗口箔可包括气体冷却的窗口箔的系统。
还提供一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的系统，其中所述系统包括：用于提供经过主要单型窗口箔的第一冷却气体的第一流动路径和用于提供经过次要单型窗口箔的第二冷却气体的第二流动路径，其中主要和次要单型窗口箔定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙。或者，如果电子束加速器的能量较高，那么可使用更大的间隙。可使用大至75cm的间隙。
还提供一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的方法，其中所述方法包括：使第一冷却气体经过主要单型窗口箔以及使第二冷却气体经过次要单型窗口箔，其中主要和次要单型窗口箔被面向彼此定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙。
气体冷却的窗口箔的系统可包括：附接至电子束加速器的扫描盒的主要单型窗口箔；定位在扫描盒的大气侧上的次要单型窗口箔；提供经过主要单型窗口箔的第一冷却气体的第一流动路径；提供经过次要单型窗口箔的第二冷却气体的第二流动路径；以及在主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间隙。气体冷却的窗口箔的系统可还包括：具有由一个或多个壁、主要单型窗口箔和次要单型窗口箔限定的内部体积的冷却腔室，其中所述冷却腔室包括：第一入口，其允许第一冷却气体进入所述内部体积；任选的第二入口，其允许任选使用的第二冷却气体进入所述内部体积；以及至少一个出口，其允许第一冷却气体和第二冷却气体离开所述内部体积。冷却腔室可包括四个壁并且内部体积可为近似矩形棱柱的形状。气体冷却的窗口箔的系统可还包括具有盖表面的处理外壳，其中所述外壳定位在次要单型窗口箔的与电子束加速器相反的一侧上。次要单型窗口箔可安装在盖表面上。盖表面可垂直于电子束加速器。处理外壳可具有第一开口。
所述方法和系统还可包括以下步骤：通过第一开口输送生物质材料；将生物质材料定位在次要单型窗口箔的下方；以及照射生物质材料；从而产生处理的生物质材料。处理外壳可包括第二开口。所述方法可包括通过第二开口将处理的生物质材料输送出处理外壳的步骤。定位所述生物质可以是瞬时的，即，定位步骤可包括在连续移动的输送带上输送所述材料。
所述方法还可包括用惰性气体或反应性气体吹扫处理外壳。
主要单型窗口箔可由选自由以下组成的组的元素制成：钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱，和任何这些的合金或混合物。
或者，次要单型窗口箔可由选自由以下组成的组的元素制成：钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱、铍、铝、硅，和任何这些的合金或混合物。
主要单型窗口箔和次要单型窗口箔可由相同的元素、合金或混合物制成，或者它们可由不同的元素、合金或混合物制成。主要单型窗口箔或次要单型窗口箔或两者可由低Z元素制成。主要单型窗口箔可由高Z元素制成，而次要单型窗口箔可由低Z元素制成。
主要单型窗口箔可为10至50微米厚、15至40微米厚、20至30微米厚、5至30微米厚、8至25微米厚或10至20微米厚。单型窗口箔可为相同厚度或不同厚度。
起始生物质材料选自由以下组成的组：纤维素材料、木质纤维素材料和淀粉质材料。生物质可为纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯末、农业废弃物、污水、青贮饲料、草、小麦秸秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、秸秆、玉米穗轴、玉米秸秆、苜蓿、干草、椰子毛、海草、海藻以及它们的混合物。
可用10至200Mrad的辐射、10至75Mrad的辐射、15至50Mrad的辐射或20至35Mrad的辐射处理生物质。
电子束可包括具有约0.5-10MeV、约0.8-5MeV、约0.8-3MeV、约1-3MeV或约1MeV的能量的电子。
电子束可具有至少约50mA、至少约60mA、至少约70mA、至少约80mA、至少约90mA、至少约100mA、至少约125mA、至少约150mA的射束电流。
电子束可包括具有约1MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于约30厘米。电子束可包括具有约1MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于20厘米。电子束可包括具有约1MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于10厘米。
或者，电子束可包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于75厘米。电子束可包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于60厘米。电子束可包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于50厘米。电子束可包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于40厘米。电子束可包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于30厘米。电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距可为小于20厘米。
本文描述方法和系统可包括射束阻挡件。
本发明讨论的方法和系统的一个优点在于，方法更稳健并且产生更少的因箔窗口故障所致的停机时间。具体地说，多个窗口系统极大地降低了主要窗口故障/内爆的可能性，故障/内爆会破坏昂贵的加速器部件。另一个优点在于，相对于一些常规方法，毒性副产物的产生减少。这些优点提供了更安全且更稳健的加工，例如在生产有用的产物中更高且更安全的流通量。所描述的一些方法和系统的又一个优点在于，可用高流速的冷却气体进行箔窗口的冷却，而不干扰用于照射的材料。一些方法和系统的另一个优点在于，窗口箔之间的间隙允许射束阻挡件可移除地放置在窗口之间。
本发明的实施方式可任选地包括以下总结的特征中的一个或多个。在一些实施方式中，可以任何次序应用或使用所选择的特征，而在其它实施方式中应用或使用特定选择的顺序。可在任何顺序中应用或使用单独特征多于一次。此外，所应用或使用的特征的整个顺序或顺序的一部分可以任何次序一次或重复地应用或使用。在一些任选的实施方式中，如由本领域的技术人员所确定，可用不同的或在适用情况下相同的、设定的或变化的定量或定性参数来应用或使用所述特征。例如，如由本领域技术人员所确定，在适用情况下可改变或设定特征参数如大小、单独尺寸(例如长度、宽度、高度)、位置、程度(例如，到何种程度如不顺应性程度)、持续时间、使用频率、密度、浓度、强度以及速度。
一种通过使电子束穿过多个窗口进入生物质材料中来照射生物质材料的方法。通过所述照射减少了生物质的不顺应性。多个窗口中的至少一个是金属箔。主要单型窗口箔位于电子束加速器的扫描盒的高真空侧上，而次要窗口定位于扫描盒的大气侧上。在一方面，主要单型窗口箔和次要窗口为同一电子束结构的部分并且通过冷却气体来冷却所述箔。在一种配置中，主要窗口箔和次要窗口箔都具有冷却气体。在另一方面，主要窗口箔位于电子束加速器的扫描盒的真空侧上并且存在具有盖表面的处理外壳，其中外壳定位在次要单型窗口箔的与电子束加速器相反的一侧上，并且次要单型窗口箔安装在盖表面上，所述盖表面垂直于电子束加速器并且与处理外壳机械地一体形成。
一种加工生物质的方法，其中将生物质输送到处理外壳的第一开口中，定位在次要单型窗口箔的下方并且照射它，随后将经照射的生物质从外壳的第二开口输送出来。可用惰性气体、反应性气体或这些气体的混合物吹扫处理外壳的气态空间。
窗口箔可由选自由以下组成的组的元素制成：钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱、铍、铝、硅，和任何这些的合金或混合物。窗口箔可由先前列出的相同或不同的元素或合金制成。窗口箔可由低Z元素制成并且单型主要窗口可由高Z元素制成。主要单型窗口箔为10至50微米厚，或者15微米至40微米，任选地为20至30微米厚。次要单型窗口箔为5至30微米厚，或者8微米至25微米，任选地为10至20微米厚。窗口箔可具有不同厚度。
起始生物质材料选自由以下组成的组：纤维素材料、木质纤维素材料和淀粉质材料，并且可选自由以下组成的组：纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯末、农业废弃物、污水、青贮饲料、草、小麦秸秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、秸秆、玉米穗轴、玉米秸秆、苜蓿、干草、椰子毛、海草、海藻以及它们的混合物。用10至200Mrad的辐射、任选地10至75Mrad、替代地15至50Mrad并且进一步任选地20至35Mrad的辐射处理生物质。对生物质进行处理，其中电子束具有0.5至10MeV、任选地0.8至5MeV、替代地0.8至3MeV并且进一步任选地1至3MeV的能量。对生物质进行处理，其中电子束具有至少50mA、替代地至少60mA、任选地至少70、进一步任选地至少80mA、替代地至少90mA、替代地至少100mA、任选地至少125mA并且进一步任选地至少150mA的射束电流。用具有约1MeV的电子的电子束对生物质进行处理，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距小于30厘米，替代地间距小于20厘米并且任选地间距小于10厘米。或者，使用具有约5MeV的电子的电子束，并且主要单型窗口箔与次要单型窗口箔之间的间距小于75厘米，替代地间距小于60厘米，任选地间距小于50厘米，任选地间距小于40厘米，替代地小于30厘米，并且替代地小于20厘米。
在所述处理方法中，电子束加速器具有射束阻挡件，射束阻挡件可以是能移动的以吸收不同水平的电子。射束阻挡件和其配置可吸收入射电子能的10％、20％、40％、60％、80％和96％。
所述方法和系统的其它特征和优点将根据以下详细描述以及根据权利要求而显而易知。
附图说明
图1为示出生物质材料到有用产物的示例性加工的图。
图2为示出包括在惰性气氛中的生物质照射的示例性加工的图。
图3为用于照射生物质原料的封闭的输送机的图示。
图4A为封闭的输送机和具有冷却窗口的扫描盒的放大截面图。图4B示出包括射束阻挡件的放大截面图的不同配置。图4C为封闭的输送机的放大截面图图示，其中枢转射束阻挡件阻挡电子。
图5为穿过扫描盒的深度的截面图。
详述
本文描述一种用于照射生物质材料的方法，所述方法促进所述材料转化成有用产物并且改善从生物质材料得到所述产物的产率。本文所述的处理方法因此适用于产生用于在其它过程中使用的生物质原料。
本文公开的方法可有效地降低生物质材料的不顺应性水平，从而改善其在有用中间体和产物的生产中用作原料的效用。所要求的方法使生物质材料更容易通过诸如生物加工(例如，使用本文所述的任何微生物，如同型产乙酸菌(homoacetogen)或异型产乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、热加工(例如，气化或热解)或化学加工(例如，酸水解或氧化)的方法进行加工。旨在用作原料的生物质材料可使用本文所述的任何方法中的一种或多种进行处理或加工，诸如机械处理、化学处理、照射、声波处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。各种处理系统和方法可与这些技术或本文以及别处描述的其它技术中的两种、三种或甚至四种或更多种方法组合使用。
然后可将糖化的生物质制造成各种产物。例如，图1示出用于制造糖和其它有用产物(例如)醇的方法。所述方法可包括例如任选地对原料进行机械处理(步骤110)，在此处理之前和/或之后，对原料进行另一物理处理，例如通过本文所述的方法进行照射，以进一步减少其不顺应性(步骤112)，以及将原料糖化，以形成糖溶液(步骤114)。任选地，所述方法还可包括例如通过管道、有轨车、卡车或驳船来将溶液(或原料、酶和水，如果糖化在途中执行)运输至制造厂(步骤116)。在一些情况下，可对糖化的原料进行进一步生物加工(例如，发酵)以产生所希望的产物(步骤118)和副产物(111)。在一些实施方式中，所得产物可例如通过蒸馏(步骤120)来进一步加工。如果需要，可在所述方法的各个阶段进行测量木质素含量(步骤122)以及基于此测量设定或调节工艺参数(步骤124)的步骤，例如，如在2010年2月11日提交的美国申请号2010/0203495 A1中所描述，所述申请的完整公开内容以引用的方式并入本文。
图2示出照射方法。此方法可以是图1中所描述的方法的一部分，或者它可以是单独方法的一部分。起初，可将生物质传送至输送机(150)。任选地，可将输送机封闭。可在生物质被封闭在输送机中时或在将材料封闭在封闭的输送机中之前，对生物质进行预照射加工。有利地，当在处理外壳中时输送机上的生物质受到保护以免于会导致生物质(例如，细粉和粉尘)漂浮在空气中的快速空气流。这可导致存在爆炸危险或损坏设备。可将生物质输送穿过照射区(例如辐射场)(154)。在照射之后，可对生物质进行后加工(156)。可重复所述方法(例如，虚线箭头A)。最后可将经照射的生物质从输送机中移除并且收集起来进行后加工或直接送去制备有用产物。
图3示出一个实施例，用于照射经粉碎生物质的封闭的输送系统。外壳具有封闭的分配系统(310)、封闭的输送机(311)、其中经照射材料离开输送机的材料移除系统(318)，以及照射拱顶和扫描盒(322)。电子窗口箔(未示出)和外壳窗口箔(未示出)具有窗口冷却器(320)和(326)，以分别用于吹送空气经过窗口的表面。封闭的材料分配系统(310)将生物质分配到输送机上并且将生物质从照射拱顶的外面带入到封闭的不锈钢输送机中，而不在外壳的外面产生粉尘(例如，保护生物质以免于来自窗口冷却系统的空气)。分配系统可装备有散布系统(未示出)以将生物质平均分配到输送机上达到约0.25英寸的深度。封闭的移除系统(318)允许材料离开输送带而不在外壳的外面产生粉尘，其中可将材料收集起来(例如，在照射拱顶的外面)或引导至别处进行进一步加工。扫描盒窗口和外壳窗口可相互靠近或排成列，使得电子束穿过扫描盒窗口、通过较小间隙的冷却空气，然后穿过外壳窗口。例如，可使输送机在脚轮上移动然后固定在适当的位置来将输送机对准。例如，可用永久性间隔、厚块或凹陷来阻挡脚轮。也可以通过其它方法和设备，例如呈任何组合的轨道、轮子、滑轮、垫片来将输送机对准。在这种窗口布置中，扫描盒窗口和外壳窗口不相互接触，使得留下的间隙允许有效冷却。扫描盒窗口是电子束装置的一部分，而外壳窗口是处理外壳系统的一部分。
图4A中示出图3的扫描盒和扫描盒窗口的截面细节图。扫描盒窗口冷却器(426)和外壳窗口冷却器(420)在高速度下将空气吹送过窗口，如由小箭头所指示。电子束(430)中的电子通过扫描盒窗口(428)穿过扫描盒(422)的高真空，穿过扫描盒窗口与外壳窗口之间的冷却空气间隙，穿过外壳窗口(429)并且撞击在输送机表面(415)上的生物质材料(444)上并穿透所述生物质材料。扫描盒窗口被示出为例如由于真空而朝向所述扫描盒的真空侧弯曲。在所示的实施例中，外壳窗口朝向所输送的材料弯曲。所述窗口的曲率可帮助冷却空气路径流经过窗口以用于有效冷却。外壳窗口被安装在封闭的输送机的盖(412)上。外壳窗口与盖表面对准。
图4B示出包括射束阻挡件的封闭输送机的细节截面图的不同配置。射束阻挡件(440)能够可枢转地固定至扫描盒并且被示出处于打开位置，例如允许电子束撞击到所输送的材料上。图4C示出具有射束阻挡件(440)的扫描盒和扫描盒窗口的截面放大图，其中射束阻挡件处于阻挡电子的位置。盖表面由414表示。
任选地，可通过经由连接至氮气源的入口进行温和的吹扫，使图3所示的输送系统维持在惰性气体或反应性气体的气氛之下。所述入口可定位在不同位置，例如，如果用惰性气体吹扫，则靠近生物质被照射的区从而更有效地减少臭氧形成；或如果使用被设计来与照射材料反应的反应性气体，则在照射的进一步下游处。
图5为用于扫描电子束的两箔窗口提取系统的另一实施例的截面图。示出在扫描盒(520)中的主要箔窗口(510)。所示出的区域为高真空区(525)。大体来说，主要窗口朝向高真空区(525)是凹进的。次要箔窗口(530)是较扁平的，但在相同方向上也是凹进的。此弯曲有助于为窗口提供支撑结构并且机械强度比扁平窗口强。或者，窗口在任何方向上可为扁平或弯曲的。侧壁(540)与主要窗口和次要窗口可限定内部空间(550)。由于主要窗口和次要窗口在此配置中通过侧壁连接，所以两个窗口都是电子束装置的一部分。电子(560)行进过两个窗口来撞击在设置于下方的生物质上并穿透生物质。一个侧壁上的第一入口(512)可被布置成允许冷却流体(例如，液体或气体)撞击在主要窗口箔上。冷却流体沿着窗口流动并且随后在相反方向上流动以与远的(对面的)壁交会并且大体上通过所示的内部空间的中央流回并随后通过排出端口和或出口(514)流出。所述侧壁上的第二入口(516)被布置成允许冷却流体以相似方式撞击在次要窗口箔上。任选地更多个入口(例如，2、3、4、5、6或更多个)可将冷却流体带到主要窗口和次要窗口表面，并且多于一个出口(例如，2、3、4、5、6或更多个)可允许冷却流体离开内部空间。在一些实施方案中，一个或多个侧壁可甚至为网、筛网或格栅，其具有冷却气体可流动通过的许多开口，同时为窗口提供支撑结构。系统可包括具有输送表面(570)的输送机。可沿例如为约0.25英寸的薄堆(574)所示的方向输送材料，例如生物质(444)。当材料在两箔提取系统之下被输送时，电子照射所述材料。
窗口
生物质在通常为金属箔(例如，钛、钛合金、铝和/或硅)的窗口下通过时被照射。窗口是气体不可透过的，而电子可以低阻力穿过。箔窗口优选为约10微米至100微米厚(例如，约10微米厚至约30微米厚、约15-40微米、约20-30微米、约5-30微米、约8-25微米、约10-20微米、约20-25微米厚、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、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100微米厚)。薄窗口比厚窗口优选，因为薄窗口随着电子束穿过它们而消散更少的能量(例如，电阻性加热更少，因为功率是电流平方和电阻的乘积，P＝I2R)。同时薄窗口机械强度不强并且更可能出故障，这会造成支出增加并且设备的停机时间更长。主要窗口箔的前表面与次要窗口箔的后表面之间的距离优选小于30em、更优选小于20cm、并且最优选小于10cm。
箔窗口可通过使空气或惰性气体在所述窗口上经过来冷却。当使用外壳时，通常优选将窗口安装到外壳上，并且从封闭的输送系统外侧的侧面冷却窗口，以避免放样被照射材料的任何微粒。
系统可包括多于一个窗口，例如主要窗口和次要窗口。两个窗口可形成用以含有吹扫气体和/或冷却气体的外壳。次要窗口可充当“牺牲”窗口以保护主要窗口。电子束装置在电子源与主要窗口之间包括真空，并且主要窗口的破损可能会造成生物质材料被吸起进入到电子束装置中，从而导致损害、修复成本以及设备停机时间。
窗口可为聚合物、陶瓷、涂覆陶瓷、复合物或涂覆复合物。次要窗口可为(例如)聚合物或涂覆聚合物的连续的片或卷，其可连续或间隔地推进以提供干净或新的区段来充当次要窗口。
主要窗口和次要窗口可由相同材料或不同材料制成。例如，主要窗口箔可由钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱或任何这些的合金或混合物制成。次要单型窗口箔可由钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱、铍、铝、硅或任何这些的合金或混合物制成。主要窗口和次要窗口可具有相同材料、材料的混合物，或合金，或不同材料、材料的混合物，或合金。窗口中的一个或两个可为不同材料、材料的混合物，或合金的相同层压件。
更多窗口中的一个可具有横跨其表面的支撑结构。如本文使用的术语“单型窗口”意指不具有横跨其表面的支撑结构的窗口。如本文使用的术语“双型窗口”意指具有横跨其表面的支撑结构的窗口，其中支撑结构将窗口表面有效地分成两部分。所述双型窗口在Nishimura的美国专利号5,877,582中示出。还可使用另外的支撑结构。
主要窗口箔和次要窗口箔均可由低Z元素制成。或者，主要窗口箔可由高Z元素制成，而次要窗口箔可由低Z元素制成。
本文所述实施方案不排除包含另外的窗口，所述另外的窗口可具有保护功能或者可被包括来改变辐射暴露。
窗口可为凹进、扁平或凸出的。通常优选的是，窗口在远离冷却流体方向的方向上为微凸的。此弯曲提高了窗口的机械强度并且增加了允许的温度水平，并且允许冷却流体的更好流动路径。在扫描角的那侧，由于真空(例如，约10-5至10-10托、约10-6至10-9托、约10-7至10-8托)使得弯曲倾向于朝向真空(例如，远离冷却流体)。
由于电阻性加热与如上所讨论的电流的平方近似相关，所以窗口的冷却和/或窗口的凹进形状对于高射束电流变得尤其重要，所述高射束电流例如至少约100mA电子枪电流(例如，至少约110mA、至少约120mA、至少约130mA、至少约140mA、至少约150mA、至少约200mA、至少约500mA、至少约1000mA)。窗口可为任何形状，但通常近似为具有长与宽的高纵横比的矩形(其中宽度方向与垂直于输送方向的输送系统的宽度相同，并且长度与输送方向相同)。窗口与输送材料的距离可小于约10cm(例如，小于约5cm)并且大于约0.1cm(例如，大于约1cm、大于约2cm、大于约3cm、大于约4cm)。还可能使用具有不同并且变化的形状并以不同方式配置的多个窗口(例如，3、4、5、6或更多个)。例如，主要箔窗口或次要箔窗口可在相同平面上或分层包括一个、两个或更多个窗口并且可包括一个或多个支撑结构。例如，支撑结构可为处于相同平面并且接触窗口的棒或栅格。
在一些实施方案中，安装在封闭的输送系统上的窗口是用于扫描电子束的两个箔窗口提取系统中的次要箔窗口。在其它实施方案中，不存在用于输送生物质材料的外壳，例如在照射装置下在空气中输送生物质。
窗口间距
尽管例如出于以上所述的原因，窗口之间大的间距可能是有利的，但大的间距有一些缺点。窗口之间大的间距的一个缺点在于电子束将穿过较大体积的冷却气体，这可造成能量损失。例如，1MeV束损失约0.2MeV/m能量，5MeV束损失约0.23MeV/m并且10MeV束损失约0.26MeV/m。因此，在1MeV电子束穿过1cm空气的情况下，束仅损失其能量的0.2％，在10cm空气下，束损失其能量的2％，在20cm下，这为其能量的4％，而在50cm下，能量损失为10％。由于电子还必须通过另外的空气从次要箔窗口行进到生物质，所以必须仔细控制窗口之间的间隙。优选地，能量损失少于约20％(例如，少于10％、少于5％或甚至少于1％)。因此，将窗口之间的间距最小化以降低能量损失是有利的。对于如上所述的冷却的益处和对于减少能量损失的益处来说，窗口之间(例如，电子窗口箔的表面侧与次要窗口箔的对面表面之间)的最佳间距(例如，平均间距)为小于30cm(例如，约2cm与20cm之间、约3cm与20cm之间、约4cm与20cm之间、约5cm与20cm之间、约6cm与20cm之间、约7cm与20cm之间、约8cm与20cm之间、约3cm与15cm之间、约4cm与15cm之间、约5cm与15cm之间、约6cm与15cm之间、约7cm与15cm之间、约8cm与15cm之间、约3cm与10cm之间、约4cm与10cm之间、约5em与10cm之间、约6cm与10cm之间、约7cm与10cm之间、约8cm与10cm之间，优选地小于20cm，并且最优选地小于10cm。
或者，在更高MeV的设备下，可容忍更大的间隙。所述更大间隙可大到75cm。在一些实施方案中，窗口的支撑结构可横跨窗口使用，尽管这些类型的结构由于在电子束冲击这些种类的结构时所述电子束会发生的能量损失而不是优选的。
窗口之间大的间距可为有利的，因为其限定了窗口之间的较大体积并且允许用于非常有效的冷却的大体积冷却气体的快速流动。入口和出口的直径在1mm与120mm之间(例如，约2mm、约5mm、约10mm、约20mm、约50mm或甚至约100mm)。冷却气体流量可在约500CFM至2500CFM之间(例如，约600CFM至2500CFM、约700CFM至2500CFM、约800CFM至2500CFM、约1000CFM至2500CFM、约600CFM至2000CFM、约700CFM至2000CFM、约800CFM至2000CFM、约1000CFM至2000CFM、约600CFM至1500CFM、约700CFM至1500CFM、约800CFM至1500CFM、约1000CFM至1500CFM)。在一些实施方案中，约每60秒或更少时间(例如，在约50秒或更少时间内、在约30秒或更少时间内、在约10秒或更少时间内、在约1秒或更少时间内)交换约50％的气体。
冷却气体和吹扫气体
两箔窗口提取系统中的冷却气体可为吹扫气体或混合物(例如，空气)或纯气体。在一些实施方案中，气体是惰性气体，如氮气、氩气、氦气和或二氧化碳。优选使用气体而不是流体，因其使电子束的能量损失最小化。还可使用纯气体的混合物，在撞击窗口之前在管线中或在窗口之间的空间中预混合抑或混合。可例如通过使用热交换系统(例如，冷冻器)和/或通过使用来自冷凝气体(例如，液氮、液氦)的气化对冷却气体进行冷却。
当使用外壳时，还可用惰性气体吹扫封闭的输送机，以便将大气维持在降低的氧水平下。使氧水平保持较低避免了臭氧的形成，在一些情况下臭氧由于其反应性和毒性性质是不希望的。例如，氧可少于约20％(例如，少于约10％、少于约1％、少于约0.1％、少于约0.01％或甚至少于约0.001％的氧)。可用惰性气体进行吹扫，所述惰性气体包括但不限于氮气、氩气、氦气或二氧化碳。这可由例如液态来源(例如，液氮或液氦)的气化供应，从空气中就地产生或分离，或由储罐供应。惰性气体可再循环并且可使用催化剂(如铜催化剂床)去除任何残余氧。或者，可进行吹扫、再循环和氧去除的组合以使氧水平保持较低。也可用可与生物质反应的反应性气体吹扫外壳。
这可在照射过程之前、期间或之后进行。反应性气体可以是但不限于：一氧化二氮、氨、氧、臭氧、烃、芳香族化合物、酰胺、过氧化氢、叠氮化物、卤化物、卤氧化物、磷化物、膦、胂、硫化物、硫醇、硼烷和/或氢化物。可在外壳中例如通过照射(例如，电子束、UV照射、微波照射、加热、IR辐射)活化反应性气体，以使其与生物质反应。可例如通过照射活化生物质本身。优选地，生物质通过电子束活化，以产生随后例如通过自由基偶合或淬灭与活化或未活化的反应性气体反应的自由基。
供应至封闭的输送机的吹扫气体也可冷却到例如约25℃以下、约0℃以下、约-40℃以下、约-80℃以下、约-120℃以下。例如，气体可由压缩气体(如液氮)气化或者由固态二氧化碳升华。作为替代性实例，可通过冷冻器冷却气体，或者可冷却部分或整个输送器。
射束阻挡件
在一些实施方案中，系统和方法包括射束阻挡件(例如，光闸)。例如，可使用射束阻挡件快速停止或减少材料的照射而不用关掉电子束装置。或者，可在打开电子束时使用射束阻挡件，例如射束阻挡件可阻挡电子束直到实现所需水平的射束电流。射束阻挡件可置于主要箔窗口与次要箔窗口之间。例如，可安装射束阻挡件以使得其是可移动的，即，以使得其可移入和移出射束路径。甚至可使用射束的部分覆盖件，例如以控制照射的剂量。射束阻挡件可安装到底板上、安装到生物质的输送器上、安装到壁上、安装到辐射装置(例如，在扫描盒处)上或者安装到任何结构支撑件上。优选地，相对于扫描盒固定射束阻挡件，以使得可通过射束阻挡件有效地控制射束。射束阻挡件可结合铰链、轨道、轮子、狭槽或允许其以移入和移出射束的方式操作的其它装置。射束阻挡件可由任何材料制成，所述材料将阻挡至少5％的电子，例如至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、至少80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或甚至约100％的电子。阻挡电子的适用水平可为10％、20％、40％、60％、80％和96％
射束阻挡件可由金属制成，所述金属包括但不限于不锈钢、铅、铁、钼、银、金、钛、铝、锡、或这些的合金，或用所述金属制成的层压件(分层材料)(例如，金属涂覆的陶瓷、金属涂覆的聚合物、金属涂覆的复合物、多层金属材料)。
可例如用冷却流体(如水溶液或气体)冷却射束阻挡件。射束阻挡件可为部分或完全中空的，例如具有空腔。射束阻挡件的内部空间可用于冷却流体和气体。射束阻挡件可具有任何形状，包括扁平、弯曲、圆形、椭圆形、正方形、矩形、斜面以及楔形形状。
射束阻挡件可具有穿孔，以便允许一些电子通过，从而控制(例如，降低)窗口的全部面积上或窗口的特定区域中的辐射水平。射束阻挡件可为例如由纤维或线缆形成的网。可一起或独立使用多个射束阻挡件来控制照射。射束阻挡件可例如通过无线电信号远程控制或者硬接线至发动机以将射束移入或移出位置。
辐射源
辐射类型决定所使用的辐射源以及辐射装置和相关设备的种类。本文所述的例如用于用辐射处理材料的方法、系统和设备可利用如本文中所述的源以及任何其它有用的源。
γ射线源包括放射性核，如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙。
X射线源包括电子束与金属靶(如钨或钼或合金)的碰撞或紧凑光源，如由Lyncean商业化生产的那些。
α粒子与氦原子核相同，并且由各种放射性核的α衰变所产生，如铋、钋、砹、氡、钫、镭的同位素，一些锕系元素，如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚。
紫外辐射源包括氘灯或镉灯。
红外辐射源包括蓝宝石、锌或硒化物窗口陶瓷灯。
微波源包括速调管、Slevin型RF源或使用氢气、氧气或氮气的原子束源。
用于加速粒子(例如电子或离子)的加速器可以是静电DC、例如电动DC、RF线性、磁感应线性或连续波。例如，各种照射装置可在本文所公开的方法中使用，包括场电离源、静电离子分离器、场电离发生器、热离子发射源、微波放电离子源、再循环或静止加速器、动态线性加速器、范德格拉夫(van de Graaff)、考克饶夫特瓦尔顿(Cockroft Walton)加速器(例如，加速器)、线性加速器(LINACS)、高频高压加速器(例如，加速器)、回旋加速器(cyclotron)、同步加速器(synchrotron)、电子感应加速器(betatron)、变压器型加速器、电子回旋加速器(microtron)、等离子体发生器、级联加速器以及折叠式串列加速器。例如，回旋型加速器可从IBA，Belgium购得，如RHODOTRONTTM系统，而DC型加速器可从RDI(现在是IBA Industrial)购得，如其它适合的加速器系统包括例如：DC绝缘心型变压器(ICT)型系统，可从Nissin High Voltage，Japan获得；S-波段线性加速器，可从L3-PSD(USA)、线性加速器系统(Linac Systems)(France)、Mevex(Canada)以及Mitsubishi Heavy Industries(Japan)获得；L-波段线性加速器，可从Iotron Industries(Canada)获得；以及基于ILU的加速器，可从BudkerLaboratories(Russia)获得。离子和离子加速器讨论于以下文献中：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会议，2006年3月18-20日；Iwata，Y.等“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators”，Proceedings of EPAC2006，Edinburgh，Scotland；以及Leitner，C.M.等“Status of the Superconducting ECRIon Source Venus”，Proceedings of EPAC 2000，Vienna，Austria。一些粒子加速器及其用途公开于例如Medoff的美国专利号7,931,784中，所述专利的完整公开内容以引用的方式并入本文。
电子可以通过进行β衰变的放射性核产生，如碘、铯、锝和铱的同位素。或者，可以使用电子枪通过热电子发射作为电子源并且经由加速电势来加速。电子枪产生电子，通过大的电势(例如，大于约50万、大于约100万、大于约200万、大于约500万、大于约600万、大于约700万、大于约800万、大于约900万或甚至大于1000万伏特)使所述电子加速，并且然后在x-y平面上对其进行磁力扫描，其中最初使电子沿加速器管向下在z方向上加速并通过箔窗口提取。在照射输送穿过扫描光束的材料例如生物质时，扫描电子束适用于增加照射表面。扫描电子束也使热载荷均匀分布于窗口上并且帮助减少由于电子束的局部加热所致的箔窗口破裂。窗户箔破裂由于随后的必要修复和重新启动电子枪而造成显著停机时间。
电子束可用作辐射源。电子束具有高剂量速率(例如1、5或甚至10Mrad每秒)、高流通量、更小的容积和更小的密封设备的优点。电子束还可具有高电效率(例如，80％)，从而允许相对于其它辐射方法的较低能量使用，这可转化为与所使用的较少量的能量相对应的较低操作成本和较低温室气体排放。电子束可例如由静电发生器、级联发生器、互感发生器、具有扫描系统的低能量加速器、具有线性阴极的低能量加速器、线性加速器和脉冲加速器来产生。
电子还可(例如)通过断链机制更有效地引起含碳水化合物的材料的分子结构的改变。此外，具有0.5-10MeV能量的电子可穿透低密度材料，如本文所述的生物质材料，例如，具有小于0.5g/em3堆积密度和0.3-10cm深度的材料。作为电离辐射源的电子可适用于例如相对薄的材料堆、层或床，例如，小于约0.5英寸，例如，小于约0.4英寸、0.3英寸、0.25英寸或小于约0.1英寸。在一些实施方案中，电子束的各个电子的能量是约0.3MeV至约2.0MeV(兆电子伏特)，例如约0.5MeV至约1.5MeV，或约0.7MeV至约1.25MeV。照射材料的方法讨论于2011年10月18日提交的美国专利申请公布2012/0100577 A1中，所述专利申请的整个公开内容以引用的方式并入本文。
电子束照射装置可商业上获得或制造获得。例如，元件或部件如感应器、电容器、外壳、电源、电缆、电线、电压控制系统、电流控制元件、绝缘材料、微控制器和冷却设备可购买并且安装到装置中。任选地，可修改和/或适配商业装置。例如，装置和部件可购自本文所述的任何商业来源，包括Ion Beam Applications(Louvain-la-Neuve，Belgium)、NHVCorporation(Japan)、Titan Corporation(San Diego，CA)、Vivirad High Voltage Corp(Billeric，MA)和/或Budker Laboratories(Russia)。典型的电子能量可以是0.5MeV、1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。典型的电子束照射装置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、60kW、70kW、80kW、90kW、100kW、125kW、150kW、175kW、200kW、250kW、300kW、350kW、400kW、450kW、500kW、600kW、700kW、800kW、900kW或甚至1000kW。可使用的加速器包括NHV照射器中等能量系列EPS-500(例如500kV加速器电压和65、100或150mA射束电流)、EPS-800(例如800kV加速器电压和65或100mA射束电流)或EPS-1000(例如1000kV加速器电压和65或100mA射束电流)。此外，可使用来自NHV的高能量系列的加速器，如EPS-1500(例如1500kV加速器电压和65mA射束电流)、EPS-2000(例如2000kV加速器电压和50mA射束电流)、EPS-3000(例如3000kV加速器电压和50mA射束电流)以及EPS-5000(例如5000和30mA射束电流)。
考虑电子束照射装置功率规格的权衡因素包括操作成本、投资成本、折旧和装置占地面积。考虑电子束照射的暴露剂量水平的权衡因素是能量成本和环境、安全和健康(ESH)相关方面。通常，发生器容纳于例如铅或混凝土的拱顶中，特别是对于从在所述过程中产生的X-射线来产生。考虑电子能量的权衡因素包括能量成本。
电子束照射装置可以产生固定光束或扫描光束。具有大扫描长度和高扫描速度的扫描光束可能是有利的，因为这将有效地代替大的、固定的光束宽度。此外，可得到0.5m、1m、2m或更大的可用扫描宽度。由于较大扫描宽度和局部加热和窗口故障可能性减少，扫描光束在本文描述的大多数实施方案中是优选的。
原料的随后使用
使用本文所述的方法，起始生物质材料(例如，植物生物质、动物生物质、纸以及城市废物生物质)可用作原料以产生有用的中间体和产物如有机酸、有机酸的盐、酸酐、有机酸的酯和燃料，例如用于内燃机的燃料或用于燃料电池的原料。本文描述了可使用纤维素和/或木质纤维素材料作为原料的系统和方法，所述纤维素和/或木质纤维素材料容易获得但可能常常难以加工，例如城市废物流和废纸流，如包括报纸、牛皮纸、瓦楞纸或这些的混合物的流。
为了将原料转化成可被容易加工的形式，可通过糖化剂(例如酶或酸)将原料中的含有葡聚糖或木聚糖的纤维素水解成低分子量碳水化合物如糖，所过过程被称为糖化。然后，低分子量碳水化合物可用于例如现有制造厂中，如单细胞蛋白质厂、酶制造厂或燃料厂，例如，乙醇制造设施。
原料可使用酶，例如通过在溶剂例如水溶液中将材料与酶组合来进行水解。
或者，可通过有机体供应酶，所述有机体分解生物质(如生物质的纤维素和/或木质素部分)，含有或制造各种纤维分解酶(纤维素酶)、木质素酶或各种小分子生物质降解代谢物。这些酶可以是协同作用降解生物质的结晶纤维素或木质素部分的酶复合物。纤维素分解酶的实例包括：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡萄糖苷酶)。
在糖化期间，纤维素底物可通过内切葡聚糖酶在随机位置初步水解，从而产生低聚中间体。这些中间体随后被作为外切葡聚糖酶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。纤维二糖是水溶性的1，4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶裂解纤维二糖以得到葡萄糖。此过程的效率(例如，水解时间和/或水解完全性)取决于纤维素材料的不顺应性。
生物质材料制备--机械处理
生物质可处于干燥形式，例如具有小于约35％水分含量(例如，小于约20％、小于约15％、小于约10％、小于约5％、小于约4％、小于约3％、小于约2％或甚至小于约1％)。生物质还可在湿润状态下例如作为湿固体、具有至少约10wt％固体(例如，至少约20wt.％、至少约30wt.％、至少约40wt.％、至少约50wt.％、至少约60wt.％、至少约70wt.％)的浆液或悬浮液传送。
本文公开的方法可利用低堆积密度材料，例如已物理预处理成具有小于约0.75g/cm3，例如，小于约0.7、0.65、0.60、0.50、0.35、0.25、0.20、0.15、0.10、0.05或更小，例如，小于约0.025g/cm3的堆积密度的纤维素或木质纤维素原料。使用ASTM D1895B确定堆积密度。简单地说，所述方法涉及用样品填充具有已知体积的量筒以及获得样品的重量。堆积密度通过用样品重量(克)除以已知的量筒体积(立方厘米)来计算。如果需要，可以例如通过Medoff的美国专利号7,971,809中所述的方法对低堆积密度材料进行致密化，所述专利的全部公开内容以引用的方式由此并入。
在一些情况下，预照射加工包括生物质材料的筛选。可通过具有所需开口大小的网或多孔板进行筛选，所述开口尺寸例如小于约6.35mm(1/4英寸，0.25英寸)(例如，小于约3.18mm(1/8英寸，0.125英寸)、小于约1.59mm(1/16英寸，0.0625英寸)、小于约0.79mm(1/32英寸，0.03125英寸)、例如小于约0.51mm(1/50英寸，0.02000英寸)、小于约0.40mm(1/64英寸，0.015625英寸)、小于约0.23mm(0.009英寸)、小于约0.20mm(1/128英寸，0.0078125英寸)、小于约0.18mm(0.007英寸)、小于约0.13mm(0.005英寸)，或甚至小于约0.10mm(1/256英寸，0.00390625英寸))。在一种配置中，所需生物质穿过穿孔或筛网掉落，并且因此不照射大于穿孔或筛网的生物质。这些较大材料可例如通过粉碎来重新加工，或其可完全从加工中去除。在另一种配置中，照射大于穿孔的材料并且通过筛选方法来去除较小材料或将其再循环。在此类配置中，输送机本身(例如输送机的一部分)可为有穿孔的或用网制成。例如，在一个具体实施方案中，生物质材料可以是湿的并且穿孔或网允许在照射之前将水从生物质中排出。
材料的筛选还可通过手动方法，例如通过去除不想要的材料的操作员或机械体(例如，配备有颜色、反射率或其它传感器的机器人)进行。筛选还可通过磁筛选进行，其中将磁铁设置在输送的材料附近并且通过磁力去除磁性材料。
任选地预加工可包括加热材料。例如，输送机的一部分可被传送经过加热区。加热区可例如通过IR辐射、微波、燃烧(例如，气体、煤、油、生物质)、电阻性加热和/或感线圈来产生。可从至少一个侧面或多于一个侧面施加热量，热量可以是连续的或间断的，并且可仅用于部分材料或者用于所有材料。例如，可通过使用加热套来加热输送槽的一部分。加热可例如出于使材料干燥目的。在干燥材料的情况下，在加热或不加热的情况下，这还可通过在正在输送生物质时，气体(例如，空气、氧气、氮气、He、CO2、氩气)在生物质上和/或穿过所述生物质的移动来促进。
任选地，预照射加工可包括使材料冷却。冷却材料描述于Medoff的美国专利号7,900,857中，所述专利的公开内容以引用的方式并入本文。例如，可通过将冷却流体，例如水(例如，与甘油一起)或氮(例如，液氮)供应至输送槽的底部来进行冷却。或者，可将冷却气体，例如冷冻氮气吹送到生物质材料上或输送系统下。
另一种任选的预照射加工方法可包括向生物质添加一种材料。另外的材料可例如通过在输送生物质时将材料喷淋、喷洒和或倾倒至生物质上来添加。可添加的材料包括例如金属、陶瓷和/或离子，如美国专利申请公布2010/0105119 A1(2009年10月26日提交)和美国专利申请公布2010/0159569 A1(2009年12月16日提交)中所描述，所述专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。可添加的任选材料包括酸和碱。可添加的其它材料是氧化剂(例如，过氧化物、氯酸盐)、聚合物、可聚合单体(例如，含有不饱和键)、水、催化剂、酶和/或有机体。可例如以纯的形式、作为在溶剂(例如，水或有机溶剂)中的溶液和/或作为溶液来添加材料。在一些情况下，溶剂是挥发性的并且可例如通过加热和/或吹送如先前所述的气体使其蒸发。添加的材料可在生物质上形成均匀涂层或者为不同组分(例如，生物质和另外的材料)的均匀混合物。添加的材料可通过增加照射效率、阻尼照射或改变照射效果(例如，从电子束至X-射线或加热)来调节随后的照射步骤。所述方法可不影响照射，但是可适用于进一步的下游加工。添加的材料可例如通过降低粉尘水平来有助于输送材料。
可如本文所述，例如使用电子束辐射，在生物质被输送时对生物质进行处理。生物质可通过皮带输送机、气动输送机、螺旋输送机、料斗、管、手动或者通过这些的组合被传递至输送机。可通过任何这些方法将生物质例如掉落、倾倒和/或放置到输送机上。在一些实施方案中，使用封闭的材料分配系统将材料传送至输送机以帮助维持低氧气氛和/或控制粉尘和细粉。漂浮的或空气悬浮的生物质细粉和粉尘是不希望的，因为这些可形成爆炸危险或损害窗口箔。
可将材料平整以形成如下均匀厚度：约0.0312与5英寸之间(例如，约0.0625与2.000英寸之间、约0.125与1英寸之间、约0.125与0.5英寸之间、约0.3与0.9英寸之间、约0.2与0.5英寸之间、约0.25与1.0英寸之间、约0.25与0.5英寸之间、0.100+/-0.025英寸、0.150+/-0.025英寸、0.200+/-0.025英寸、0.250+/-0.025英寸、0.300+/-0.025英寸、0.350+/-0.025英寸、0.400+/-0.025英寸、0.450+/-0.025英寸、0.500+/-0.025英寸、0.550+/-0.025英寸、0.600+/-0.025英寸、0.700+/-0.025英寸、0.750+/-0.025英寸、0.800+/-0.025英寸、0.850+/-0.025英寸、0.900+/-0.025英寸、0.900+/-0.025英寸。
一般来说，优选尽可能快地将材料输送穿过电子束以使流通量最大化。例如，可以至少1ft/min，例如至少2ft/min、至少3ft/min、至少4ft/min、至少5ft/min、至少10fi/min、至少15ft/min、20、25、30、35、40、45、50ft/min的速率输送材料。输送速率与射束电流相关，例如对于1/4英寸厚的生物质和100mA，输送机可以约20ft/min移动以提供有用的照射剂量，在50mA下，输送机可以约10ft/min移动以提供大约相同的照射剂量。
在生物质材料输送穿过处理区例如辐射区之后，可进行任选的后加工。任选的后加工可例如为本文所述的任何过程。例如，生物质可进行筛选、加热、冷却和/或与添加剂组合。对于后照射独特的是可发生自由基的淬灭，例如通过添加流体或气体(例如，氧气、一氧化二氮、氨、液体)、使用压力、加热和或添加自由基清除剂进行自由基的淬灭。例如，可将生物质输送出封闭的输送机并将其暴露于气体(例如，氧气)，其在所述气体中淬灭，从而形成羧基化基团。在一个实施方案中，可在照射反应性气体或流体期间暴露生物质。已照射的生物质的淬灭在Medoff的美国专利号8,083,906中描述，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。
如果需要，可使用除照射之外的一种或多种机械处理以进一步减小含碳水化合物材料的不顺应性。可在照射之前、期间和或之后应用这些方法。
在一些情况下，机械处理可包括如通过粉碎(例如切割、研磨、剪切、磨粉或斩切)来初始制备所接收的原料，例如材料的大小缩减。例如，在一些情况下，通过剪切或切剁来制备疏松原料(例如，再生纸、淀粉质材料或柳枝稷)。机械处理可减小含碳水化合物材料的堆积密度、增加含碳水化合物材料的表面积和/或降低含碳水化合物材料的一个或多个尺寸。
或者或另外，原料材料可首先通过一种或多种其它物理处理方法(例如化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸)进行物理处理，并随后进行机械处理。这个顺序可以是有利的，因为通过一种或多种其它处理(例如照射或热解)进行处理的材料倾向于更易碎，并且因此可更易于通过机械处理进一步改变材料的结构。例如，可如本文所述使用输送机将原料材料输送通过电离辐射并且随后进行机械处理。化学处理可去除一些或所有木质素(例如化学制浆)并且可使材料部分或完全水解。所述方法还可用于预先水解的材料。所述方法还可用于未预先水解的材料。所述方法可用于水解材料和未水解材料的混合物，例如具有约50％或更多的未水解材料、具有约60％或更多的未水解材料、具有约70％或更多的未水解材料、具有约80％或更多的未水解材料或甚至具有90％或更多的未水解材料。
除了大小缩减(可在加工期间初期和/或后期进行)之外，机械处理还可有利地打开、压紧、破坏或破碎含碳水化合物材料，从而使材料的纤维素在物理处理期间更易于断链和/或晶体结构破裂。
机械处理含碳水化合物材料的方法包括例如碾磨或研磨。可使用例如锤磨机、球磨机、胶体磨、圆锥或锥形磨、盘磨机、轮碾机、威利磨(Wiley mill)、谷物碾磨机或其它磨进行碾磨。可使用例如切割/冲击型研磨机进行研磨。一些示例性研磨机包括石料研磨机、销棒研磨机、咖啡研磨机以及磨盘式研磨机。研磨或碾磨可例如通过使销棒或其它元件往复移动来提供，在销棒碾磨机中就是这样。其它机械处理方法包括机械撕破或撕裂、对纤维施加压力的其它方法以及空气摩擦碾磨。合适的机械处理进一步包括继续进行由先前加工步骤引发的材料内部结构破裂的任何其它技术。
机械进料制备系统可被配置成产生具有特定特征(例如像特定最大大小、特定长宽比或特定表面积比)的流。物理制备可提高反应速率、改进材料在输送机上的移动、改进材料的照射分布、改进材料的辐射均匀度、或减少打开材料并使其对于方法和/或试剂(如溶液中的试剂)更易接近所需要的加工时间。
可控制(例如，增加)原料的堆积密度。在一些情况下，可能希望例如通过使材料致密化(例如，致密化可使将其运输到另一个地点更容易并且成本更低)，并且随后使材料恢复到较低堆积密度状态(例如，在运输之后)来制备低堆积密度材料。可使材料致密化，例如从小于约0.2g/cc至大于约0.9g/cc(例如，小于约0.3g/cc至大于约0.5g/cc、小于约0.3g/cc至大于约0.9g/cc、小于约0.5g/cc至大于约0.9g/cc、小于约0.3g/cc至大于约0.8g/cc、小于约0.2g/cc至大于约0.5g/cc)。例如，可通过在Medoff的美国专利号7,932,065和国际公布号WO 2008/073186(2007年10月26日提交，以英语公布并且指定美国)中公开的方法和设备来使材料致密化，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。可通过本文所述的任何方法来加工致密化的材料，或由本文所述的任何方法加工的任何材料可随后致密化。
在一些实施方案中，有待加工的材料呈纤维材料形式，其包括通过剪切纤维源来提供的纤维。例如，可用旋转刀切割机来进行剪切。
例如，可例如在旋转刀切割机中剪切例如具有不顺应性的或其不顺应性水平已减小的纤维源，以提供第一纤维材料。使第一纤维材料通过例如具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口大小的第一筛网，以提供第二纤维材料。如果需要，可在剪切之前例如用切碎机切割纤维源。例如，当使用纸作为纤维源时，可首先使用切碎机，例如反相旋转螺旋切碎机(如由Munson(Utica，N.Y.)制造的那些)将纸切割成例如1/4-英寸至1/2-英寸宽的条。作为切碎的替代方案，可通过使用闸刀式切割机切割至所需大小来减小纸的大小。例如，闸刀式切割机可用于将纸切割成例如10英寸宽×12英寸长的片。
在一些实施方案中，剪切纤维源和使所得第一纤维材料通过第一筛网是同时进行的。还可以在间歇型过程中进行剪切和通过。
例如，旋转刀切割机可用于同时剪切纤维源和筛选第一纤维材料。旋转刀切割机包括可装载有通过切碎纤维源制备的切碎的纤维源的料斗。切碎的纤维来源。在一些实施方式中，在糖化和/或发酵之前对原料进行物理处理。物理处理方法可包括一种或多种本文所述的任何那些方法，如机械处理、化学处理、照射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。处理方法可以两种、三种、四种或甚至所有这些技术的组合使用(以任意顺序)。当使用多于一种处理方法时，所述方法可同时或不同时应用。改变生物质原料的分子结构的其它方法也可单独使用或与本文所公开的方法组合使用。
可使用的机械处理以及机械处理的含碳水化合物材料的特征在2011年10月18日提交的美国专利申请公布2012/01000577 A1中进一步详细描述，所述专利申请公布的全部公开内容特此以引用的方式并入本文。
超声处理、热解、氧化、蒸汽爆炸
如果需要，除照射之外，还可使用一种或多种超声处理、热解、氧化、加热或蒸汽爆炸方法，以进一步减小含碳水化合物材料的不顺应性。可在照射之前、期间和或之后应用这些方法。这些方法在Medoff的美国专利号7,932,065中详细描述，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。
照射后的生物质加工
在照射之后，可将生物质转移至容器以用于糖化。或者，可在糖化步骤之前照射生物质之后对生物质进行加热。生物质可例如通过IR辐射、微波、燃烧(例如，气体、煤、油、生物质)、电阻性加热和/或感应线圈来产生。这种加热可以是在液体中，例如在水或其它基于水的溶剂中。可从至少一个侧面或多于一个侧面施加热量，热量可以是连续的或间断的，并且可仅用于部分材料或者用于所有材料。可将生物质在可具有酸或碱存在的含水液体中加热至高于90℃的温度。例如，可将含水生物质浆料加热至90℃至150℃，或者105℃至145℃，任选地110℃至140℃，或进一步任选地115℃至135℃。将含水生物质混合物保持在峰值温度下的时间是1至12小时，或者1至6小时，任选地在峰值温度下1至4小时。在一些实例中，含水生物质混合物是碱性的并且pH在1与5之间，任选地1至4或可替代的2至3。在其它实例中，含水生物质混合物是碱性的并且pH在6与13之间，或者8至12或任选地8至11。
糖化
处理的生物质材料通常可通过将材料与纤维素酶在流体介质(例如水溶液)中组合来进行糖化。在一些情况下，在糖化之前在热水中对材料进行煮沸、浸泡或蒸煮，如在2011年10月18日提交的美国专利申请公布2012/01000577 A1中所描述。
糖化过程可在制造厂中的储罐(例如，具有至少4000、40,000或500,000L体积的储罐)中部分或完全地进行，和/或可在转运中，例如，在轨道车、油罐卡车中或在超级油轮或船舱中部分或完全地进行。完全糖化所需要的时间将取决于工艺条件和所使用的含碳水化合物材料和酶。如果糖化是在受控的条件下在制造厂中进行，则纤维素可在约12-96小时内大致上完全转化成糖，例如葡萄糖。如果糖化是在转运中部分或完全地进行，则糖化可能花费较长时间。
通常优选在糖化期间例如使用喷射混合对储罐内容物进行混合，如在2010年5月18日提交的国际申请号PCT/US2010/035331中所描述，所述申请以英语公布为WO 2010/135380并且指定美国，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
表面活性剂的添加可提高糖化速率。表面活性剂的实例包括非离子型表面活性剂(如20或80聚乙二醇表面活性剂)、离子型表面活性剂或两性表面活性剂。
通常优选由糖化得到的糖溶液的浓度相对较高，例如，大于40重量％，或大于50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或甚至大于95重量％。可例如通过蒸发去除水以增加糖溶液的浓度。这减小了待装运的体积并且还抑制了溶液中的微生物生长。
或者，可使用较低浓度的糖溶液，在这种情况下，可能希望以低浓度(例如，50至150ppm)添加抗微生物添加剂，例如广谱抗生素。其它适合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。抗生素将在运输和储存期间抑制微生物的生长，并且可以适当的浓度(例如，以重量计在15与1000ppm之间，例如，在25与500ppm之间，或在50与150ppm之间)使用。如果希望，则即使糖浓度相对较高也可包括抗生素。或者，可使用具有抗微生物防腐特性的其它添加剂。优选地，抗微生物添加剂是食品级的。
可通过限制与酶一起添加到含碳水化合物材料中的水量来获得相对较高浓度的溶液。可例如通过控制糖化发生到何种程度来控制浓度。例如，可通过向溶液中添加更多含碳水化合物材料来增加浓度。为了保持正在溶液中产生的糖，可添加表面活性剂，例如，上文所论述的那些表面活性剂中一种。还可通过增加溶液的温度来增加溶解度。例如，可将溶液维持在40℃-50℃、60℃-80℃或甚至更高的温度下。
糖
在本文所述的方法中，例如在糖化之后，可对糖(例如，葡萄糖和木糖)进行分离。例如，可通过沉淀法、结晶法、色谱法(例如，模拟的移动床色谱法、高压色谱法)、离心法、萃取法、本领域已知的任何其它分离方法以及其组合来对糖进行分离。
氢化和其它化学转化
本文所述的方法可包括氢化。例如，葡萄糖和木糖可分别氢化成山梨糖醇和木糖醇。可通过在高压(例如，10至12000psi)下与H2组合使用催化剂(例如，Pt/γ-Al2O3、Ru/C、雷尼镍或本领域已知的其它催化剂)来实现氢化。可使用来自本文所述方法的产物的其它类型的化学转化，例如有机糖衍生的产物(例如，糠醛和糠醛衍生的产物)的产生。糖衍生的产物的化学转变描述于2012年7月3日提交的美国临时申请号61/667,481中，所述申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
发酵
酵母和发酵单胞菌属(Zymomonas)细菌，例如，可用于将一种或多种糖发酵或转化成一种或多种醇。其它微生物在下文进行讨论。发酵的最佳pH是约pH 4至7。例如，酵母的最佳pH是约pH 4至5，而发酵单胞菌的最佳pH是约pH 5至6。典型的发酵时间是约24至168小时(例如，24至96小时)，其中温度在20℃至40℃(例如，26℃至40℃)范围内，然而嗜热微生物偏好较高的温度。
在一些实施方案中，例如，当使用厌氧有机体时，至少一部分发酵是在不存在氧的情况下，例如，在惰性气体如N2、Ar、He、CO2或其混合物的覆盖层下进行。另外，混合物可具有在部分或全部发酵期间流经储罐的惰性气体的恒定吹扫。在一些情况下，可通过发酵期间的二氧化碳产生来实现或维持厌氧条件而不需要额外的惰性气体。
在一些实施方案中，可在低分子量糖完全转化成产物(例如，乙醇)之前中断全部或部分发酵过程。中间体发酵产物包括高浓度的糖和碳水化合物。糖和碳水化合物可经由本领域已知的任何手段进行分离。这些中间体发酵产物可用于制备用于人或动物消耗的食品。另外或或者，可通过粉碎将发酵产物研磨至适当的颗粒大小。
可在发酵期间使用射流混合，并且在一些情况下在同一储罐中进行糖化和发酵。
可在糖化和/或发酵期间添加微生物的营养物，例如，在2011年7月15日提交的美国专利申请公布2012/0052536中所述的基于食品的营养物包，所述专利申请公布的完整公开内容以引用的方式并入本文。
发酵包括在2012年12月22日提交的美国临时申请号61/579,559和2012年12月22日提交的美国临时申请号61/579,576中所公开的方法和产物，所述申请的内容均以引用的方式整体并入本文。
可以利用移动发酵罐，如在国际申请号PCT/US2007/074028(所述申请在2007年7月20日提交，以英语公布为WO 2008/011598并且指定美国)中所描述的，所述申请的内容以引用的方式整体并入本文。类似地，糖化设备可为移动的。此外，糖化和/或发酵可以在转运期间部分或完全地进行。
蒸馏
发酵之后，可以使用例如“醪塔”蒸馏所得流体以使乙醇和其它醇与大部分水和残余固体分离。流出醪塔的蒸气可以是例如35重量％乙醇并且可被进料到精馏塔中。可使用气相分子筛将来自精馏塔的接近共沸的(92.5％)乙醇与水的混合物纯化为纯(99.5％)乙醇。可将醪塔底部物传送至三级蒸发器的第一级。精馏塔回流冷凝器可为此第一级提供热量。在第一级之后，可使用离心机分离固体并且在旋转干燥器中干燥。可将离心机流出液的一部分(25％)再循环至发酵，并且将其余部分传送至第二蒸发器级和第三蒸发器级。大部分蒸发器冷凝液可作为相当干净的冷凝液返回所述过程中，其中分离一小部分至废水处理以防止低沸点化合物的堆积。
中间体和产物
使用本文所述的方法，可将生物质材料转化成一种或多种产物，如能量、燃料、食品以及材料。产物的具体实例包括但不限于：氢气、糖(例如，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、果糖、二糖、寡糖以及多糖)、醇(例如，一元醇或二元醇，如乙醇、正丙醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇或正丁醇)、水合醇或含水醇(例如，含有大于10％、20％、30％或甚至大于40％的水)、生物柴油、有机酸、烃(例如，甲烷、乙烷、丙烷、异丁烯、戊烷、正己烷、生物柴油、生物汽油以及其混合物)、副产品(例如，蛋白质，如纤维素分解蛋白(酶)或单细胞蛋白质)、以及处于任何组合或相对浓度的这些物质中的任何物质的混合物，并且所述任何物质任选与任何添加剂(例如，燃料添加剂)组合。其它实例包括羧酸、羧酸的盐、羧酸与羧酸的盐的混合物以及羧酸的酯(例如，甲基、乙基和正丙基酯)、酮(例如，丙酮)、醛(例如，乙醛)、α和β不饱和酸(例如，丙烯酸)以及烯烃(例如，乙烯)。其它醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1，4-丁二醇、1，3-丙二醇、糖醇(例如，赤藓醇、乙二醇、甘油、山梨醇、苏糖醇、阿糖醇、核糖醇、甘露醇、半乳糖醇、岩藻糖醇、艾杜醇、异麦芽酮糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、木糖醇以及其它多元醇)以及任何这些醇的甲基或乙基酯。其它产物包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、戊酸、己酸、3-羟基丙酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、戊二酸、油酸、亚油酸、乙醇酸、γ-羟基丁酸以及其混合物、任何这些酸的盐、任何酸及其相应盐的混合物。获得的许多产品(如乙醇或正丁醇)可用作燃料，用于为汽车、卡车、拖拉机、船或火车提供动力，例如作为内部燃烧燃料或作为燃料电池原料。获得的许多产品还可用于为飞行器(如，例如具有喷气发动机的飞机，或直升机)提供动力。此外，本文所述的产物可以例如在常规蒸汽发电厂或燃料电池工厂中用于电能产生。
包括食品和药物产品的其它中间体和产品描述于2009年4月3日提交的美国申请号12/417,900，所述申请的全部公开内容以引用的方式由此并入本文。
含碳水化合物的材料(生物质材料)
如本文使用的，术语“生物质材料”可与术语“含碳水化合物的材料”互换使用并且包括木质纤维素、纤维素、淀粉以及微生物材料。可使用本文所述的任何生物质材料的混合物来实践本文所述的任何方法。
木质纤维素材料包括但不限于木材、刨花板、林业废弃物(例如，锯末、杨木、木屑)、草(例如，柳枝稷、芒草、绳草、草芦)、谷物残渣(例如，稻壳、燕麦壳、小麦壳、大麦壳)、农业废弃物(例如，青贮饲料、油菜秸、小麦秸、大麦秸、燕麦秸、稻秸、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、玉米穗轴、玉米秸秆、大豆秸秆、玉米纤维、苜蓿、干草、椰子毛)、糖加工残渣(例如，甘蔗渣、甜菜浆、龙舌兰渣)、海藻、海草、粪肥、污水、以及任何这些的混合物。
在一些情况下，木质纤维素材料包括玉米穗轴。研磨或锤磨的玉米穗轴可以相对均匀厚度的层散布以用于照射，并且在照射之后易于分散于介质中以进行进一步加工。为了促进收获和收集，在一些情况下使用整个玉米植株，包括玉米秸杆、玉米粒，并且在一些情况下甚至包括植株的根系。
有利地，在玉米穗轴或含有大量玉米穗轴的纤维素或木质纤维素材料的发酵期间不需要另外营养物(除了氮源，例如，尿素或氨以外)。
玉米穗轴在粉碎之前和之后也更易于输送和分散，并且与如干草和草的其它纤维素或木质纤维素材料相比，具有较小的在空气中形成爆炸混合物的倾向。
纤维素材料包括例如纸、纸制品、废纸、纸浆、着色纸、装料纸、涂覆纸、填充纸、杂志、印刷品(例如，书、目录、手册、标签、日历、贺卡、宣传册、内容说明书、新闻用纸)、打印纸、涂塑纸、卡片坯料、卡纸板、纸板、具有-纤维素含量的材料如棉花，以及任何这些材料的混合物。例如，纸制品如美国申请号13/396,365(2012年2月14日提交的“MagazineFeedstocks”，Medoff等)中所描述，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
纤维素材料还可包括已脱木质化的木质纤维素材料。
淀粉质材料包括淀粉本身，例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或大米淀粉、淀粉衍生物或包括淀粉的材料，如可食用的食品产品或作物。例如，淀粉质材料可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草、西米、高粱、普通家用马铃薯、甜薯、芋头、山药，或一种或多种豆类，如蚕豆、扁豆或豌豆。任何两种或更多种淀粉质材料的共混物也是淀粉材料。还可使用淀粉、纤维素和或木质纤维素材料的混合物。例如，生物质可以是整个植株、植株的一部分或植株的不同部分，例如，小麦植株、棉花植株、玉米植株、水稻植株或树。可通过本文所述的任何方法处理淀粉质材料。
微生物材料包括但不限于含有或能够提供碳水化合物(例如，纤维素)源的任何天然存在或遗传修饰的微生物或有机体，例如原生生物，例如动物原生生物(例如，原生动物，如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和植物原生生物(例如，海藻，如囊泡虫(alveolates)、绿蜘藻(chlorarachniophytes)、隐藻、裸藻、灰藻、定鞭藻、红藻、原生藻菌(stramenopiles)以及绿色植界(viridaeplantae))。其它实例包括海草、浮游生物(例如大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物和超微微型浮游生物(femtoplankton))、浮游植物、细菌(例如，革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌和极端微生物)、酵母和/或这些的混合物。在一些情况下，微生物生物质可从天然来源获得，例如海洋、湖泊、水体例如咸水或淡水，或在陆地上。或者或此外，微生物生物质可从培养系统获得，例如大规模干燥和湿润培养和发酵系统。
在其它实施方案中，生物质材料，如纤维素、淀粉质和木质纤维素原料材料，可从已相对于野生型品种修饰的转基因微生物和植物获得。这类修饰可以是例如通过选择和育种的迭代步骤来获得植物中的所需性状。此外，植物可已经相对于野生型品种将遗传物质移除、修饰、沉默和/或添加。例如，遗传修饰的植物可通过重组DNA方法来产生，其中遗传修饰包括引入或修饰来自亲本品种的特定基因；或者例如通过使用转基因育种来产生，其中将一个或多个特定基因从不同品种的植物和/或细菌中引入到植物中。形成遗传变异的另一种方式是通过突变育种，其中新的等位基因从内源性基因人工形成。人工基因可通过多种方式来形成，包括用例如化学诱变剂(例如，使用烷化剂、环氧化物、生物碱、过氧化物、甲醛)、照射(例如，X-射线、γ射线、中子、β粒子、α粒子、质子、氘核、UV辐射)和温度冲击或其它外部应力来处理植株或种子，以及随后的选择技术。提供修饰的基因的其它方法是通过易错PCR和DNA改组，随后将所需的修饰的DNA插入到所需植株或种子中。在种子或植株中引入所需遗传变异的方法包括例如细菌载体的使用、基因枪、磷酸钙沉淀法、电穿孔、基因剪接、基因沉默、脂质转染、显微注射以及病毒载体。另外遗传修饰的材料已描述于2012年2月14日提交的美国申请序列号13/396,369中，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
糖化剂
合适的纤维素分解酶包括来自以下属中的种的纤维素酶：芽孢杆菌属、鬼伞属、毁丝霉属、头孢霉属、柱顶孢霉属、青霉属、曲霉属、假单孢菌属、腐质霉属、镰刀菌属、梭孢壳属、枝顶孢属、金孢子菌属以及木霉属；特别是由选自以下种的菌株产生的那些纤维素酶：曲霉属(参见，例如，欧洲公布号0458 162)、特异腐质霉(Humicola insolens)(被重新分类为嗜热柱顶孢霉(Scytalidium thermophilum)，参见例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭孢壳霉(Thielavia terrestris)、枝顶孢属某种(Acremonium sp.)(包括但不限于桃色枝顶孢(A.persicinum)、A.acremonium、A.brachypenium、A.dichromosporum、A.obclavatum、A.pinkertoniae、粉灰枝顶孢(A.roseogriseum)、A.incoloratum以及棕色枝顶孢(A.furatum))。优选菌株包括特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰刀菌DSM 2672、嗜热毁丝霉CBS117.65、头孢霉属RYM-202、枝顶孢属CBS 478.94、枝顶孢属CBS 265.95、桃色枝顶孢CBS169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、头孢霉属CBS 535.71、Acremoniumbrachypenium CBS 866.73、Acremonium dichromosporum CBS 683.73、Acremoniumobclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、粉灰枝顶孢CBS134.56、Acremonium incoloratum CBS 146.62，以及棕色枝顶孢CBS 299.70H。纤维素分解酶还可以从金孢子菌属(Chrysosporium)，优选Chrysosporium lucknowense的菌株获得。可使用的另外菌株包括但不限于，木霉属(特别是绿色木霉(T.viride)、里氏木霉(T.reesei)以及康宁木霉(T.koningii))、嗜碱性芽孢杆菌(alkalophilic Bacillus)(参见，例如美国专利号3,844,890和欧洲公布号0458 162)以及链霉菌属(参见，例如欧洲公布号0458 162)。
发酵剂
在发酵中使用的微生物可以是天然存在的微生物和/或工程化的微生物。例如，微生物可以是细菌(包括但不限于，例如纤维素分解细菌)、真菌(包括但不限于，例如酵母)、植物、原生生物，例如，原生动物或真菌样原生动物(包括但不限于，例如，黏菌)或海藻。当有机体相容时，可使用有机体的混合物。
合适的发酵微生物具有将碳水化合物(如葡萄糖、果糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)转化成发酵产物的能力。发酵微生物包括以下种属的菌株：酵母属菌种(Sacchromyces spp.)(包括但不限于酿酒酵母(S.cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(S.distaticus)、葡萄汁酵母(S.uvarum))、克鲁维酵母属(Kluyveromyces)(包括但不限于马克斯克鲁维酵母(K.marxianus)、脆壁克鲁维酵母(K.fragilis))、假丝酵母属(Candida)(包括但不限于假热带假丝酵母(C.pseudotropicalis)和芸薹假丝酵母(C.brassicae))、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)(休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的亲缘菌)、棒孢酵母属(Clavispora)(包括但不限于葡萄牙棒孢酵母(C.lusitaniae)和仙人掌棒孢酵母(C.opuntiae))、管囊酵母属(Pachysolen)(包括但不限于嗜鞣管囊酵母(P.tannophilus))、酒香酵母属(Bretannomyces)(包括但不限于，例如B.clausenii(Handbook on Bioethanol：Production and Utilization，Wyman，C.E.编辑，Taylor&Francis，Washington，DC，179-212中的Philippidis，G.P.，1996，Cellulosebioconversion technology))。其它合适的微生物包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)、梭菌属菌种(Clostridium spp.)(包括但不限于热纤维梭菌(C.thermocellum)(Philippidis，1996，同上)、糖丁基丙酮梭菌(C.saccharobutylacetonicum)、糖丁酸梭菌(C.saccharobutylicum)、略紫色梭菌(C.Puniceum)、拜氏梭菌(C.beijernckii)以及丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum))、Moniliella pollinis、解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)、短梗霉属(Aureobasidium sp.)、三型孢菌属(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、毛孢子菌属(Trichosporon sp.)、丛梗孢酵母属(Moniliellaacetoabutans sp.)、变异核瑚菌(Typhula variabilis)、木兰假丝酵母(Candida magnolia)、黑粉菌纲属(Ustilaginomycetes sp.)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母属(Zygosaccharomyces)的酵母种、德巴利酵母属(Debaryomyces)、汉逊酵母属(Hansenula)和毕赤酵母属(Pichia)、以及暗丛梗孢形圆酵母属(Torula)的真菌。
许多所述微生物菌株可公开商购获得抑或通过储藏所获得，所述储藏所如，例如，ATCC(美国典型培养物保藏中心(American Type Culture Collection)，Manassas，Virginia，USA)、NRRL(农业研究机构培养物保藏中心(Agricultural Research SeviceCulture Collection)，Peoria，Illinois，USA)或DSMZ(德意志微生物保藏中心(DeutscheSammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GrnbH)，Braunschweig，Germany)。
可商购的酵母包括，例如，RED/Lesafffe Ethanol Red(可从Red Star/Lesaffre，USA获得)、(可从Fleischmann’s Yeast(Burns Philip Food Inc.的部门)，USA获得)、(Lallemand Biofuels和Distilled Spirits，Canada)、EAGLE C6 FUELTM或C6 FUELTM(可从Lallemand Biofuels和Distilled Spirits，Canada获得)、GERT(可从Gert Strand AB，Sweden获得)以及(可从DSMSpecialties获得)。
除了本文中的实施例以外或除非另外明确规定，否则本说明书的以下部分和所附权利要求书中的如关于材料、要素含量、反应时间和温度、数量比率和其它项目的量的所有数值范围、量、值和百分比可理解为前面加上措词约摂，即使术语约摂可能未明确地与值、量或范围一起出现也如此。因此，除非有相反的指示，否则以下说明书和所附权利要求书中所陈述的数值参数均是近似值，所述近似值可取决于本发明要寻求获得的所需特性而变化。在最低限度并且不试图限制对权利要求书范围的等价范围的原则的应用，每个数值参数均应当至少根据报道的有效数字的数值和通过应用普通四舍五入技术来解读。
尽管陈述本发明的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实施例中所陈述的数值尽可能准确地报告。然而，任何数值都固有地含有必然由其各自测试测量值中存在的标准偏差引起的某些误差。此外，当在本文阐述数值范围时，这些范围是将所引用范围端点包含在内的。当本文使用重量百分比时，所报告的数值是相对于总重量。
此外，应了解本文叙述的任何数值范围意欲包括纳入其中的所有子范围。例如，“1至10”的范围意在包括在引用的最小值1与引用的最大值10(含1及10)之间的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值。除非另外指明，否则如本文使用的术语“一个/种”意在包括“至少一个/种”或“一个或多个/一种或多种”。
据称以引用的方式全部或部分并入本文的任何专利、公布或其它公开材料必须仅在以下程度上并入本文：并入的材料不得与本公开内容中阐述的现有定义、声明或其它公开材料冲突。因此，并且在必要的程度上，如本文所明确阐述的公开取代以引用的方式并入本文的任何冲突的材料。据称以引用的方式并入本文、但与本文所阐述的现有定义、陈述、或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分将仅仅是在不会在所并入的材料与现有公开材料之间出现冲突的程度上并入。
虽然本发明已参考其优选实施方案进行特定显示和描述，但本领域技术人员应了解，可在不脱离由所附权利要求涵盖的本发明的范围下在其中在形式和细节方面做出各种改变。
本申请还包括以下的实施方案：
1.一种生产处理的生物质材料的方法，所述方法包括：
通过使电子束穿过多个窗口进入生物质材料中来照射所述生物质材料。
2.如实施方案1所述的方法，其中所述窗口中的一个或多个是呈金属箔的形式。
3.如实施方案1所述的方法，其中照射所述生物质材料减少所述生物质材料的不顺应性。
4.如实施方案1所述的方法，其中所述多个窗口箔包括气体冷却的窗口箔的系统，其中
主要单型窗口箔与电子束加速器的扫描盒的高真空侧连通，并且
次要单型窗口箔定位在所述扫描盒的大气侧上。
5.如实施方案4所述的方法，其中所述气体冷却的窗口箔的系统在所述主要窗口与所述次要窗口之间限定间隙，以及
对所述主要窗口箔提供冷却的第一流动路径；
对所述次要窗口箔提供冷却的第二流动路径。
6.如实施方案5所述的方法，其中所述气体冷却的窗口箔的系统还包括，其中所述主要窗口箔和所述次要窗口箔都为所述电子束加速器的所述扫描盒的一部分，其中
至少一个入口，其允许冷却气体进入限定在所述主要窗口与所述次要窗口之间的所述间隙，以及
至少一个出口，其用于从限定在所述主要窗口与所述次要窗口之间的所述间隙提取冷却气体。
7.如实施方案6所述的方法，其中冷却腔室包括四个壁并且内部体积为近似矩形棱柱的形状。
8.如实施方案4所述的方法，其中所述系统还包括具有盖表面的处理外壳，其中所述外壳定位在所述次要单型窗口箔的与所述电子束加速器相反的一侧上。
9.如实施方案8所述的方法，其中所述次要单型窗口箔安装在所述盖表面上并且与所述处理外壳一体形成。
10.如实施方案9所述的方法，其中所述盖表面垂直于所述电子束加速器。
11.如实施方案8所述的方法，其中所述处理外壳具有第一开口。
12.如实施方案11所述的方法，其还包括：
通过所述第一开口输送所述生物质材料；
将所述生物质材料定位在所述次要单型窗口箔的下方；以及
照射所述生物质材料。
13.如实施方案11所述的方法，其中所述处理外壳包括第二开口。
14.如实施方案12所述的方法，其还包括：
通过所述第二开口将所述处理的生物质材料输送出所述处理外壳。
15.如实施方案12或14所述的方法，其还包括用惰性气体吹扫所述处理外壳。
16.如实施方案12或14所述的方法，其还包括用反应性气体吹扫所述处理外壳。
17.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔由选自由以下组成的组的元素制成：钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱，和任何这些的合金或混合物。
18.如实施方案4所述的方法，其中所述次要单型窗口箔由选自由以下组成的组的元素制成：钛、钪、钒、铬、镍、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铪、钽、钨、铼、铂、铱、铍、铝、硅，和任何这些的合金或混合物。
19.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔由相同的元素、合金或混合物制成。
20.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔由不同的元素、合金或混合物制成。
21.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔或所述次要单型窗口箔或两者由低Z元素制成。
22.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔由高Z元素制成，而所述次要单型窗口箔由低Z元素制成。
23.如实施方案4所述的方法，其中所述主要单型窗口箔为10至50微米厚。
24.如实施方案23所述的方法，其中所述主要单型窗口箔为15至40微米厚。
25.如实施方案23所述的方法，其中所述主要单型窗口箔为20至30微米厚。
26.如实施方案23所述的方法，其中所述次要单型窗口箔为5至30微米厚。
27.如实施方案23所述的方法，其中所述次要单型窗口箔为8至25微米厚。
28.如实施方案23所述的方法，其中所述次要单型窗口箔为10至20微米厚。
29.如实施方案23所述的方法，其中所述主要单型窗口箔为相同厚度。
30.如实施方案23所述的方法，其中所述单型窗口箔为不同厚度。
31.如实施方案1所述的方法，其中所述起始生物质材料选自由以下组成的组：纤维素材料、木质纤维素材料和淀粉质材料。
32.如实施方案31所述的方法，其中所述生物质选自由以下组成的组：纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯末、农业废弃物、污水、青贮饲料、草、小麦秸秆、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、秸秆、玉米穗轴、玉米秸秆、苜蓿、干草、椰子毛、海草、海藻以及它们的混合物。
33.如实施方案1所述的方法，其中用10至200Mrad的辐射处理所述生物质。
34.如实施方案33所述的方法，其中用10至75Mrad的辐射处理所述生物质。
35.如实施方案33所述的方法，其中用15至50Mrad的辐射处理所述生物质。
36.如实施方案33所述的方法，其中用20至35Mrad的辐射处理所述生物质。
37.如实施方案1所述的方法，其中所述电子束包括具有约0.5-10MeV能量的电子。
38.如实施方案37所述的方法，其中所述电子束包括具有约0.8-5MeV能量的电子。
39.如实施方案37所述的方法，其中所述电子束包括具有约0.8-3MeV能量的电子。
40.如实施方案37所述的方法，其中所述电子束包括具有约1-3MeV能量的电子。
41.如实施方案37所述的方法，其中所述电子束包括具有约1MeV能量的电子。
42.如实施方案1所述的方法，其中所述电子束具有至少约50mA的射束电流。
43.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约60mA的射束电流。
44.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约70mA的射束电流。
45.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约80mA的射束电流。
46.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约90mA的射束电流。
47.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约100mA的射束电流。
48.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约125mA的射束电流。
49.如实施方案42所述的方法，其中所述电子束具有至少约150mA的射束电流。
50.如实施方案4所述的方法，其中所述电子束包括具有约1MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于30厘米。
51.如实施方案50所述的方法，其中所述电子束包括具有约1MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于20厘米。
52.如实施方案50所述的方法，其中所述电子束包括具有约1MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于10厘米。
53.如实施方案4所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于75厘米。
54.如实施方案53所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于60厘米。
55.如实施方案53所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于50厘米。
56.如实施方案53所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于40厘米。
57.如实施方案53所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于30厘米。
58.如实施方案53所述的方法，其中所述电子束包括具有约5MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于20厘米。
59.如实施方案4所述的方法，其中所述方法还包括射束阻挡件。
60.一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的系统，其包括：
用于提供经过主要单型窗口箔的第一冷却气体的第一流动路径和用于提供经过次要单型窗口箔的第二冷却气体的第二流动路径，其中
所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔被定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙。
61.一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的方法，所述方法包括：
使第一冷却气体经过主要单型窗口箔以及使第二冷却气体经过次要单型窗口箔，其中
所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔被面向彼此定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙。
62.如实施方案59所述的方法，其中所述射束阻挡件能够移动以吸收不同量的所述电子束。
63.如实施方案59所述的方法，其中所述射束阻挡件吸收至少20％的所述入射电子。
64.如实施方案59所述的方法，其中所述射束阻挡件吸收至少40％的所述入射电子。
65.如实施方案59所述的方法，其中所述射束阻挡件吸收至少60％的所述入射电子。
66.如实施方案59所述的方法，其中所述射束阻挡件吸收至少80％的所述入射电子。
据称以引用的方式全部或部分并入本文的任何专利、公布或其它公开材料必须仅在以下程度上并入本文：并入的材料不得与本公开内容中阐述的现有定义、声明或其它公开材料冲突。因此，并且在必要的程度上，如本文所明确阐述的公开取代以引用的方式并入本文的任何冲突的材料。据称以引用的方式并入本文、但与本文所阐述的现有定义、陈述、或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分将仅仅是在不会在所并入的材料与现有公开材料之间出现冲突的程度上并入。虽然本发明已参考其优选实施方案进行特定显示和描述，但本领域技术人员应了解，可在不脱离由所附权利要求涵盖的本发明的范围下在其中在形式和细节方面做出各种改变。
虽然已参考优选实施方案对本发明进行了特定显示和描述，但本领域技术人员应了解，可在不脱离由所附权利要求涵盖的本发明的范围的情况下在其中在形式和细节方面作出各种改变。

Claims (24)

1.一种生产处理的生物质材料的方法，所述方法包括：
通过使电子束穿过多个窗口进入生物质材料中来照射所述生物质材料，其中所述多个窗口包括至少：
主要单型窗口箔，其与电子束加速器的扫描盒的高真空侧连通，以及
次要单型窗口箔，其定位在所述扫描盒的大气侧上，
其中所述次要单型窗口箔朝向高真空区是凹进的。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述窗口中的一个或多个是呈金属箔的形式。
3.如权利要求1所述的方法，其中照射所述生物质材料减少所述生物质材料的不顺应性。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述多个窗口箔包括气体冷却的窗口箔的系统。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述气体冷却的窗口箔的系统在所述主要窗口与所述次要窗口之间限定间隙，以及
对所述主要窗口箔提供冷却的第一流动路径；以及
对所述次要窗口箔提供冷却的第二流动路径。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述气体冷却的窗口箔的系统还包括，其中所述主要窗口箔和所述次要窗口箔都为所述电子束加速器的所述扫描盒的一部分，其中
至少一个入口，其允许冷却气体进入限定在所述主要窗口与所述次要窗口之间的所述间隙，以及
至少一个出口，其用于从限定在所述主要窗口与所述次要窗口之间的所述间隙提取冷却气体。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述气体冷却的窗口箔的系统还包括冷却腔室，其中所述冷却腔室包括四个壁并且内部体积为近似矩形棱柱的形状。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述系统还包括具有盖表面的处理外壳，其中所述外壳定位在所述次要单型窗口箔的与所述电子束加速器相反的一侧上。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述次要单型窗口箔安装在所述盖表面上并且与所述处理外壳一体形成。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述盖表面垂直于所述电子束加速器。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述处理外壳具有第一开口。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括：
通过所述第一开口输送所述生物质材料；
将所述生物质材料定位在所述次要单型窗口箔的下方；以及
照射所述生物质材料。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述处理外壳包括第二开口。
14.如权利要求13所述的方法，其还包括：
通过所述第二开口将所述处理的生物质材料输送出所述处理外壳。
15.如权利要求12或14所述的方法，其还包括用惰性气体或反应性气体吹扫所述处理外壳。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔由相同或不同的元素、合金或混合物制成。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述主要单型窗口箔为10至50微米厚。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述次要单型窗口箔为5至30微米厚。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质选自由以下组成的组：纤维素材料、木质纤维素材料和淀粉质材料。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述电子束包括具有约1MeV的能量的电子，并且所述主要单型窗口箔与所述次要单型窗口箔之间的间距为小于30厘米。
21.一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的系统，其包括：
用于提供经过主要单型窗口箔的第一冷却气体的第一流动路径和用于提供经过次要单型窗口箔的第二冷却气体的第二流动路径，其中所述次要单型窗口箔定位在所述电子束加速器的扫描盒的大气侧上；以及
所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔被定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙，并且所述次要单型窗口箔朝向高真空区是凹进的。
22.一种用于冷却电子束加速器的多个单型窗口箔的方法，所述方法包括：
使第一冷却气体经过主要单型窗口箔以及使第二冷却气体经过次要单型窗口箔，其中所述次要单型窗口箔定位在所述电子束加速器的扫描盒的大气侧上；以及
所述主要单型窗口箔和所述次要单型窗口箔被面向彼此定位成在它们之间具有小于约9cm的间隙，并且所述次要单型窗口箔朝向高真空区是凹进的。
23.一种射束阻挡件，其由金属制成，所述金属选自不锈钢、铅、铁、钼、银、金、钛、铝、锡、或这些的合金。
24.一种生物质加工的方法，其在糖化步骤之前照射生物质之后对生物质进行加热。
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