加工生物质的制作方法

加工生物质的制作方法
【专利摘要】本文提供增加生物质糖化效率的方法。具体地说，所述方法包括在产生有用的产物期间避免反馈抑制的途径。
【专利说明】加工生物质
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年12月22日提交的美国临时申请号61/579，552和61/579，559的权益。以上申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
发明领域
[0003]本发明涉及适用于生物质材料的加工的效率。例如，本发明涉及避免酶促反应的负反馈的方法。
[0004]背景
[0005]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。
[0006]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。 [0007]木质纤维素生物质由于植物细胞壁具有坚硬并且紧凑的结构而难以降解。所述结构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。这种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(例如，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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]发明概述
[0011]本文提供了提高生物质的糖化效率的方法。具体地说，可通过避免酶促反应的负反馈抑制来实现效率。
[0012]本文提供了一种制备产物的方法，其中所述方法包括:使不顺应性减小的木质纤维素生物质糖化，并且向糖化的生物质中添加异构化剂。在一些实施方式中，所述糖化的生物质包含第一种糖和第二种糖，并且所述异构化剂用于将所述第二种糖转化为第三种糖。在一些情况下，所述方法还可包括使所述糖化的生物质与微生物接触以将所述第一种糖和所述第三种糖转化为一种或多种产物。
[0013]本文还提供了一种使用微生物由第一种糖和第二种糖制备产物的方法，其中所述微生物可使所述第一种糖转化为所述产物，但是不能代谢所述第二种糖，并且其中所述方法包括:提供纤维素或木质纤维素生物质；使所述生物质糖化以制备糖化的生物质，其中所述糖化的生物质包含第一种糖和第二种糖；提供能够将所述第一种糖转化为产物的微生物，但是其中所述微生物不能代谢所述第二种糖；将所述微生物与所述糖化的生物质组合，从而产生微生物-生物质组合；将所述微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述第一种糖转化为所述产物的条件下，从而产生包含所述产物和所述第二种糖的组合；将所述第二种糖转化为第三种糖，其中所述微生物能够将所述第三种糖转化为所述产物；以及将所述微生物维持在使所述微生物能将所述第三种糖转化为所述产物的条件下；从而使用微生物由所述第一种糖和所述第二种糖制备产物。
[0014]在另一方面，本发明的特征在于一种增加通过微生物由糖化的生物质制备的产物的量的方法，所述方法包括:提供纤维素或木质纤维素生物质；使所述生物质糖化以制备糖化的生物质，其中所述糖化的生物质包含第一种糖和第二种糖；提供能够将所述第一种糖转化为产物的微生物，但是其中所述微生物不能代谢所述第二种糖；将所述微生物与所述糖化的生物质组合，从而产生微生物-生物质组合；将所述微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述第一种糖转化为所述产物的条件下，从而产生包含所述产物和所述第二种糖的组合；将所述第二种糖转化为第三种糖，其中所述微生物能够将所述第三种糖转化为所述产物；以及将所述微生物维持在使所述微生物能将所述第三种糖转化为所述产物的条件下；从而增加通过所述微生物由所述糖化的生物质制备的所述产物的量。
[0015]在本文所提供的任何方法中，可对木质纤维素生物质进行处理以减小其对糖化的不顺应性。处理方法选自由以下组成的组:用电子轰击、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸、化学处理、机械处理或冷冻研磨。处理方法可以是用电子轰击。
[0016]在任何所述方法中，可在将微生物-生物质组合维持在使微生物能将第一种糖转化为产物的条件下之前进行第二种糖到第三种糖的转化。可在生物质的糖化之后立即进行第二种糖到第三种糖的转化，或者可在生物质的糖化期间进行所述转化。 [0017]在本文所提供的方法中，木质纤维素生物质可选自由以下组成的组:木材、刨花板、林业废弃物、锯末、杨木、木屑、草、柳枝稷、芒草、绳草、草芦、谷物残渣、稻壳、燕麦壳、小麦壳、大麦壳、农业废弃物、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、玉米秸杆、大豆秸杆、玉米纤维、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工残渣、甘蔗渣、甜菜浆、龙舌兰渣、海藻、海草、粪肥、污水、下水、农业或工业废弃物、秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草、西米、高粱、马铃薯、甘薯、芋头、山药、豆类、蚕豆、扁豆、碗豆、或任何这些物质的混合物。可机械处理木质纤维素生物质以减小其堆积密度和/或增加其表面面积。例如，可以例如通过干磨或通过湿磨来将其粉碎。可用一种或多种纤维素酶使生物质糖化。
[0018]在本文所提供的方法中，异构化剂可包括酸，例如聚苯乙烯磺酸。
[0019]在本文所提供的方法中，可将微生物-生物质组合维持在约10至约14的pH下或在约11至约13的pH下。可将其维持在约10°C至约30°C的温度下或在约20°C的温度下。还可将其维持在约60°C至约65°C的温度下。可将其维持在约6.0至约7.5的pH下或在约7的pH下。
[0020]在所述方法中，第二种糖可为葡萄糖，并且第三种糖可为果糖。异构化剂可包括酶。或者，第二种糖可为木糖，并且第三种糖可为木酮糖。酶可为木糖异构酶。
[0021]微生物可为酵母。产物可为醇。微生物可为梭菌属某些种(Clostridium spp.)，并且产物可为乙醇、丁醇、丁酸、乙酸或丙酮。微生物可为乳杆菌属某些种(Lactobacillusspp.)，并且产物可为乳酸。
[0022]应理解，本发明不限于此概述中所公开的实施方案，并且其旨在涵盖在如由权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的修改。
[0023]附图简述
[0024]上文将由如附图中所示的本发明的以下示例性实施方案的更具体的描述而显而易见，在附图中，相似参考标号指所有不同视图中的相同部分。附图不必按比例绘制，而是将重点放在示出本发明的实施方案上。 [0025]图1是示出纤维素酶促水解成葡萄糖的图表。纤维素底物(A)由内切纤维素酶
(i)转化为纤维素(B)，所述纤维素(B)由外切纤维素酶(ii)转化为纤维二糖(C)，所述纤维二糖(C)由纤维二糖酶(β-葡糖苷酶)(iii)转化为葡萄糖(D)。
[0026]图2是示出纤维素酶对纤维素和纤维素衍生物的作用的流程图。纤维素(200)由内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶/纤维二糖水解酶(205)分解为纤维二糖(210) (A)，所述纤维二糖(210)随后由β-葡糖苷酶(215)分解为葡萄糖(220) (B)。内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶/纤维二糖水解酶由纤维二糖(210) (D)和葡萄糖(E)直接抑制，并且β-葡糖苷酶由葡萄糖抑制(C)。
[0027]图3是示出生物质(300)到产物(340)的转化的流程图。将原料(300)与纤维素酶(305)和流体组合(A)以形成混合物(310)，随后允许所述混合物(310)糖化(B)，从而产生糖(320)。如本文所公开的，将添加剂(325)与糖的混合物(320)组合(C)，以制备糖和添加剂的混合物(330)。随后将所得的糖用于(D)下游加工，以产生一种或多种产物(340)，如醇、乳酸或糖本身的一种或多种。
[0028]详述
[0029]本文提供了提高由糖化的生物质产生糖(和/或由糖制成的产物)的效率的方法。所述方法在其中一种或多种糖或产物引起负反馈从而限制可产生的糖或产物的量的情况中尤其有用。
[0030]通常，所述方法从使生物质糖化开始。糖化通常产生糖的混合物。所述混合物包括可转化为有用产物的糖。然而，糖的混合物可包括不能由微生物代谢的糖。随着这些不可利用的糖的浓度增大，其代表代谢的“终端(dead-end)”。此外，一些糖可形成反馈抑制的基础并且限制制备所希望的糖或其它所希望的产物的代谢途径的流通量。
[0031]本文公开了用于防止反馈抑制并且增加来自生物质糖化的糖和其它有用产物的量的方法。
[0032]在糖化期间产生的葡萄糖可抑制葡萄糖的进一步产生。因此，在一个实施方案中，本发明涵盖通过将其转化为果糖(所述果糖不抑制糖化)而有效去除葡萄糖，从而允许产生额外的葡萄糖。葡萄糖不能通过酶(如木糖异构酶)、强酸或化学物质(如聚苯乙烯磺酸)的作用转化为果糖。同样地，不能被许多微生物代谢的木糖可通过木糖异构酶转化为可被许多微生物代谢的木酮糖。此外，与葡萄糖不同，木酮糖通常不抑制其自身的产生。
[0033]例如，可使生物质糖化以产生糖的混合物，其包括葡萄糖和木糖。大多数酵母菌株可将葡萄糖代谢成(例如)醇，但不代谢木糖。因此，如果所希望的终产物是醇，那么增加的糖化和增加的葡萄糖产量、随后的发酵将产生更多的醇，但是它也将产生更多的木糖。虽然木糖是无害的，但是其可代表代谢的“终端”。如果将木糖转化为木酮糖，那么其可发酵成醇，并且可提闻生广效率。
[0034]如图1所示，例如，在糖化期间，纤维素底物(A)由内切葡聚糖酶⑴在随机位置初始水解，以产生低聚中间体(例如，纤维素)(B)。这些中间体随后为外切葡聚糖酶(ii)(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(iii)裂解纤维二糖(C)以得到葡萄糖(D)。因此，内切葡聚糖酶特别有效于攻击纤维素的晶体部分以及增加外切纤维素酶的效力以产生纤维二糖，这随后需要纤维二糖的特异性来产生葡萄糖。因此，明显的是，取决于纤维素底物的性质和结构，可能需要改变三种不同酶的量和类型。
[0035]如图2所示，纤维素(200)到纤维二糖(210)的水解是多步骤方法，所述方法包括经由内切葡聚糖酶(EG)和外切葡聚糖酶/纤维二糖水解酶(CBH) (205)的协同作用在固-液界面进行初始分解(A)。此初始降解伴随有进一步液相降解、由β -葡糖苷酶(BG ；215)催化裂解(B)为葡萄糖(220)的可溶性中间产物(如寡糖和纤维二糖)的水解。然而，纤维二糖(210)直接抑制(D) CBH和EG (205)，并且葡萄糖(220)不仅直接抑制(C、Ε)BG (215)，而且直接抑制CBH和EG (205)。如本文所述的本发明减少或避免了这种抑制。
[0036]图3示出一种用于从原料(300)制造产物(340)的方法。原料可以如通过减小原料的尺寸和不顺应性而进行预加工。这可包括(例如)任选地机械处理原料和在此处理之前和/或之后任选用另一种处理(例如，粒子轰击)处理原料以进一步减小其不顺应性。随后将上游加工的原料(300)与纤维素酶(305)和流体组合(A)以形成混合物(310)，随后允许所述混合物(31 0)糖化(B)，从而产生糖(320)。如本文所公开的，将添加剂(325)与糖的混合物(320)组合(C)，以制备糖和添加剂的混合物(330)。添加剂(325)在糖化期间(例如)通过减小纤维二糖和/或葡萄糖对纤维素酶的抑制来增加纤维素酶的效力。此增加的糖化效力导致糖的水平提高，随后将所述糖用于(D)下游加工，以产生一种或多种产物(340)，如醇、乳酸或糖自身的一种或多种。
[0037]在糖化期间，通常通过将原料和酶(305)组合在流体介质(例如，水溶液)中来用一种或多种纤维素分解酶处理原料。在一些情况下，在糖化之前在热水中对原料进行煮沸、浸泡或蒸煮，如在2011年10月18日提交并且在2012年4月26日公布的美国专利申请公布2012/0100577Α1中所描述，所述公布的全部内容以引用的方式并入本文。
[0038]可在糖化(B)开始时添加添加剂，例如，和生物质与纤维素酶。或者，可在已发生一些或全部糖化(B)之后添加添加剂。还可在开始产生产物时添加所述添加剂。
[0039]添加剂可为化学物质或酶。合适的添加剂的实例包括酸和碱。碱可催化Lobry-de-Bruyn-Alberda-van-Ekenstein转变，如以下更详细的描述。酸可催化纤维二糖的水解。硼酸可用于与葡萄糖的顺式-二元醇络合。木糖异构酶(又名葡萄糖异构酶)可用于使葡萄糖异构化为果糖。
[0040]添加剂可为物理负载的。有用的载体包括但不限于:阳离子聚合物载体、阴离子聚合物载体、中性聚合物载体、金属氧化物载体、金属碳酸盐载体、金属卤化物载体和/或其混合物。载体可添加到混合糖中或者可为静止的并且使得混合糖通过或经过负载的添加剂。
[0041]可将含有添加剂的混合物(330)返回生物质和纤维素酶阶段(310)，以在进一步加工之前释放更多的糖。这可包括将条件返回优选引起纤维素糖化的状态下而不是有利于添加剂作用的条件下。例如，可针对糖化将PH优化为酸性区(小于或等于pH7、小于或等于PH6、小于或等于pH5)并且大于或等于pH2(大于或等于pH3、大于或等于pH4)。可针对纤维素酶的作用将温度优化为例如大于或等于30°C (大于或等于40°C、大于或等于50°C、大于或等于60°C)并且小于或等于90°C (小于或等于80°C、小于或等于70°C、小于或等于60°C )。可针对增加的糖产量任选添加额外的生物质、纤维素酶和添加剂。
[0042]通过糖化产生的糖溶液或悬浮液可进行下游加工以获得所希望的产物。例如，可分离一种或多种糖和/或可发酵所述溶液。当利用发酵时，可蒸馏发酵产物。例如，可使糖氢化并且使糖醇分离。
[0043]在不受任何具体理论限制的情况下，认为这种转化能从糖的混合物中有效去除葡萄糖。如图2所示，此去除能除去抑制步骤C和E。这增加了生物质中的纤维素的总体糖化。
[0044]在很多情况下，用于使用葡萄糖异构酶的最佳温度范围是60°C至80°C。在本文所述的方法中，由于成本并且由于所述方法的其它组分的最佳温度可以不同，所以低于最佳温度的温度可能是优选的。例如，纤维素酶活性通常在30°C与65°C之间是最佳的。因此，约60°C至约65°C的温度范围可能是优选的，尤其是如果同时组合和使用葡萄糖异构酶和纤维素酶。如果它们不一 起使用，那么可选择每种酶的最佳温度。
[0045]葡萄糖异构酶活性的最佳pH范围在pH7与pH9之间。与温度范围的选择一样，在实践本发明中，由于在一些情况下所述方法的其它组分可能需要较低pH，所以较低pH可能是优选的。例如，纤维素酶在约3至7的pH范围内是有活性的。因此，组合酶的优选pH通常在PH7处或低于pH7。如果葡萄糖异构酶和纤维素酶不一起使用，那么可选择每种酶的最佳pH范围。
[0046]可以任何量添加葡萄糖异构酶。例如，浓度可低于约500U/g纤维素(低于或等于100U/g纤维素、低于或等于50U/g纤维素、低于或等于10U/g纤维素、低于或等于5U/g纤维素)。浓度可为至少约0.lU/g纤维素至约500U/g纤维素、至少约0.5U/g纤维素至约250U/g纤维素、至少约lU/g纤维素至约100U/g纤维素、至少约2U/g纤维素至约50U/g纤维素。
[0047]在一些情况下，葡萄糖异构酶的添加使所产生的糖的量增加至少5% (例如，至少10%、至少 15%、至少 20%、至少 30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% )。
[0048]可用于本发明的另一种添加剂为(例如)增加糖化剂活性的化学物质。所述化学物质可为(例如)促进 Lobry-de-Bruyn-van-Alberda-van-Ekenstein 转变(也称为Lobry-de-Bruyn-van-Ekenstein转变)的化学物质。此反应由醒糖形成烯醇，所述烯醇随后可形成酮糖。例如，在11至13的pH范围内并且在20°C的温度下，碱将催化D-葡萄糖转变为D-果糖和D-甘露糖。通常，所述反应是碱催化的，但是其也可为酸催化的或者发生在中性条件下。与葡萄糖异构酶的使用一样，此反应有效去除葡萄糖。
[0049]作为另一个实例，可使用酸催化纤维二糖的水解。通过使用化学手段而不是酶促或微生物手段将纤维二糖裂解为葡萄糖，不会发生葡萄糖对这些反应的抑制。
[0050]在另一个实例中，化学物质可为与葡萄糖反应的一种化学物质，如优先与顺式-二元醇结合的硼酸。
[0051]化学物质可以处于例如聚苯乙烯磺酸酯(如Amberlyst?)或聚苯乙烯胺的载体上。混合糖可通过负载的化学物质或流经所述化学物质。例如，化学物质可为聚苯乙烯负载的硼酸。葡萄糖可作为硼酸盐由聚苯乙烯载体捕获并且然后在后期例如通过添加碱来释放。
[0052]木糖异构酶
[0053]木糖异构酶(ES5.3.1.5)是在D-木糖与D-木酮糖之间来回催化化学反应的酶。它也被系统地称为葡萄糖异构酶和D-木糖醛糖-酮糖异构酶，并且属于异构酶家族，确切地说是使醛糖和酮糖相互转化的那些分子内氧化还原酶类。其它常用名称包括D-木糖异构酶、D-木糖酮异构酶，以及D-木糖酮醇-异构酶。所述酶参与戊糖与葡萄糖醛酸酯相互转化以及果糖与甘露糖代谢。在高果糖玉米糖浆的制造中，工业上使用它来将葡萄糖转化为果糖。有时它称为“葡萄糖异构酶”。“木糖异构酶”和“葡萄糖异构酶”在本文可互换地使用。在体外，葡萄糖异构酶催化葡萄糖与果糖的相互转化。在体内，它催化木糖与木酮糖的相互转化。
[0054]若干类型的酶被认为是木糖异构酶。第一种产自嗜水假单胞菌(Pseudomonashydrophila)。此酶与葡萄糖的亲和力比与木糖的亲和力低160倍,但尽管如此其适用于在葡萄糖的存在下增加果糖的量。第二种酶发现于中间型埃希杆菌(Escherichiaintermedia)中。此酶是磷酸葡萄糖异构酶(EC5.3.1.9)并且可仅在砷酸盐的存在下使未磷酸化的糖异构化。葡萄糖异构酶(EC5.3.16)可分离自巨大芽孢杆菌Al (Bacillusmegaterium Al)并且为NAD连接型并对葡萄糖是特异性的。具有相似活性的另一种葡萄糖异构酶是从类产气副大肠杆菌(Paracolobacteriumaerogenoide)中分离的。由异质乳酸菌产生的葡萄糖异构酶需要木糖作为诱导剂并且在高温下相对不稳定。木糖异构酶(EC5.3.1.5)最适用于商业应用，因为其不需要昂贵的辅因子，如NAD+或ATP，并且其为相对热稳定的。
[0055]葡萄糖异构酶通常在细胞间产生，但是葡萄糖异构酶的细胞外分泌的报道是已知的。所使用的酶可分离自许多细菌，所述细菌包括但不限于:Actinomyces olivocinereus、Actinomyces phaeochromogene、密苏里游动放线菌(Actinoplanes missouriensis)、产气杆菌(Aerobacter aerogenes)、阴沟气杆菌(Aerobacter cloacae)、果聚糖气杆菌(Aerobacter Ievanicum)、节杆菌属某些种(Arthrobacter spp.)、嗜热脂肪芽抱杆菌(Bacillus stearothermophilus)、巨型芽抱杆菌(Bacillus megabacterium)、凝结芽抱杆菌(Bacillus coagulans)、双歧杆菌属某些种(Bifidobacterium spp.)、未完短杆菌(Brevibacterium incertum)、Brevibacterium pentosoaminoacidicum、钦氏菌属某些种(Chainia spp.)、棒状杆菌属某些种(Corynebacterium spp.)、栗色棒状杆菌(Cortobacterium helvolum)、弗罗因德埃希杆菌(Escherichia freundii)、中间型埃希杆菌(Escherichia intermedia)、大肠杆菌(Escherichia col i)、树状黄杆菌(Flavobacterium arb orescens)、贪食黄杆菌(Flavobacterium devorans)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、布氏乳杆菌(Lactobacillus buchneri)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermenti)、甘露醇乳杆菌(Lactobacillus mannitopoeus)、盖氏乳杆菌(Lactobacillus gayonii)、植物乳杆菌(Lactobacillus pi ant arum)、蕃爺乳杆菌(Lactobacillus lycopersici)、戊糖乳杆菌(Lactobacillus pentosus)、肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、玫瑰小双抱菌(Microbispora rosea)、黄小荚抱囊菌(Microellobosporia flavea)、天蓝色小单抱菌(Micromonospora coerula)、分支杆菌属某些种(Mycobacterium spp.)、星形诺卡氏菌(Nocardia asteroids)、珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallia)、德松威利氏诺卡氏菌(Nocardia dassonvillei)、类产气副大肠杆菌(Paracolobacterium aerogenoide)、假诺卡氏菌属某些种(Pseudonocardiaspp.)、嗜水假单胞菌(Pseudomonas hydrophila)、八叠球菌属某些种(Sarcinaspp.)、 Staphylococcus bibila、黄绿色葡萄球菌(Staphylococcus flavovirens)、Staphylococcus echinatus、不产色链球菌(Streptococcus achromogenes)、产褐色链球菌(Streptococcus phaeochro mogenes)、弗氏链球菌(Streptococcus fracliae)、玫瑰产色链球菌(Streptococcus roseochromogenes)、撤揽色链球菌(Streptococcus olivaceus)、加州链球菌(Streptococcus californicos)、Streptococcus venuceus、Streptococcusvirginial、撤揽产色链霉菌(Streptomyces olivochromogene)、Streptococcusvenezaelie、威德摩尔链球菌(Streptococcus wedmorensis)、浅灰链球菌(Streptococcusgriseolus)、淡青链球菌(Streptococcus glaucescens)、比基尼链球菌(Streptococcusbikiniensis)、赤褐色链球菌(Streptococcus rubiginosus)、Streptococcus achinatus、肉桂地链球菌(Streptococcus cinnamonensis)、弗氏链球菌(Streptococcus fradiae)、白色链球菌(Streptococcus albus)、灰色链球菌(Streptococcus griseus)、Streptococcushivens、马特链球菌(Streptococcus matensis)、鼠灰色链球菌(Streptococcus murinus)、雪白链球菌(Streptococcus nivens)、普拉特链球菌(Streptococcus platensis)、白色链抱子囊菌(Streptosporangium album)、Streptosporangium oulgare、热多抱菌属某些种(Thermopolyspora spp.)、栖热菌属某些种(Thermus spp.)、黄单胞菌属某些种(Xanthomonas spp.)以及运动发酵单抱菌(Zymononas mobilis)。
[0056]葡萄糖异构酶可在溶液中游离地使用或者固定在载体上。可固定全细胞或不含细胞的酶。载体结构可为任何不溶性材料。载体结构可为阳离子材料、阴离子材料或中性材料，例如二乙氨基乙基纤维素、金属氧化物、金属氯化物、金属碳酸盐以及聚苯乙烯。固定可通过任何合适的手段来实现。例如，固定可通过使载体与全细胞或酶在溶剂(如水)中接触并随后去除溶剂来实现。溶剂可通过任何合适的手段(例如过滤或蒸发或喷雾干燥)来去除。作为另一个实例，喷雾干燥具有载体的全细胞或酶可为有效的。
[0057]葡萄糖异构酶也可以存在于活细胞中，所述活细胞在所述过程期间产生所述酶。例如，葡萄糖异构酶产生细菌可以在所述过程中与乙醇发酵细菌共培养。或者，葡萄糖异构酶产生细菌可首先与底物接触，随后用乙醇产生底物接种。
[0058]葡萄糖异构酶还可存在于能够进行糖的进一步有用转变的细胞内或从所述细胞中分泌。例如，可对葡萄糖发酵物种进行基因修饰以含有并表达用于产生葡萄糖异构酶的基因。
[0059]1.生物质材料的处理
[0060]A.粒子轰击
[0061]用高能粒子轰击进行的一种或多种处理可用于处理来自广泛多种不同来源的生原料，以从原料中提取有用物质，并且提供充当进一步的加工步骤和/或顺序的输入物的部分降解的有机材料。粒子轰击可减小原料的分子量和/或结晶度。在一些实施方案中，使用在从其原子轨道释放电子的材料中沉积的能量处理材料。可通过重带电粒子(如α粒子或质子)、电子(例如，在β衰变或电子束加速器中产生的)或电磁辐射(例如，Y射线、X射线或紫外线)提供轰击。可选地，可使用通过放射性物质产生的辐射来处理原料。可以任意顺序或同时利用这些处理的任何组合。在另一种方法中，可使用电磁辐射(例如，使用电子束发射器产生的)来处理原料。
[0062]每种形式的能量经由特定的相互作用使生物质电离。重带电粒子主要经由库仑散射使物质电离；此外，这些相互作用产生可进一步使物质电离的高能电子。α粒子与氦原子核相同并且由各种放射性核的α衰变产生，所述放射性核如铋、针、砹、氡、钫、镭、一些锕系(如锕、娃、铀、镎、锔、锎、镅、以及钚)的同位素。
[0063]当利用粒子时，其可以是中性(不带电)、带正电或带负电的。当带电时，带电粒子可携带单个正电荷或负电荷，或多个电荷，例如一个、两个、三个或甚至四个或更多个电荷。在其中希望断链的情况下，带正电的粒子部分由于其酸性特性而可为所希望的。当利用粒子时,粒子可具有静止电子的质量,或者更大,例如静止电子质量的500、1000、1500或2000或更多倍。例如，粒子可具有约I原子单位至约150原子单位，例如，约I原子单位至约50原子单位或约I原子单位至约25原子单位，例如1、2、3、4、5、10、12或15原子单位的质量。用于加速粒子的加速器可为静电DC、电动力学DC、RF线性波、磁感应线性波或连续波。例如，回旋型加速器可从IBA(离子束加速器，Louvain-1a-Neuve,比利时)购得,如Rhodotron?系统，而DC型加速器可从RDI (现在的IBA Industrial)购得，如Dynamitron?。在以下中讨论了离子和离子加速器:Introductory Nuclear Physics, Kenneth S.Krane, Johnffiley&Sons,Inc.(1988),Krsto Prelec, FIZIKA B6 (1997)4, 177-206 ；Chu, WilliamT., “Overview of Light-1on Beam Therapy” , Columbus-Ohio, ICRU-1AEA 会议,2006 年 3月 18-20 日；Iwata，Y.等，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-1on MedicalAccelerators，，, Pr oceedings of EPAC2006, Edinburgh, Scotland ；以及 Leitner, C.M.等，“Status of the Superconducting ECR 1n Source Venus”，Proceedings of EPAC2000,维也纳，奥地利。
[0064]剂量取决于所希望的效果和具体原料来应用。例如，高剂量可使原料组分内的化学键断开，而低剂量可增加原料组分内的化学键合(例如，交联)。
[0065]在一些情况下，当希望断链和/或希望聚合物链官能化时，可利用比电子重的粒子，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，带正电粒子由于其路易斯酸特性而可用于增强开环断链。例如，当需要含氧官能团时，可在氧存在下进行处理或甚至用氧离子进行处理。例如，当需要含氮官能团时，可在氮存在下进行处理或甚至用氮离子进行处理。
[0066]B.其它形式的能量
[0067]电子经由库仑散射和由电子速度的改变产生的轫制辐射相互作用。电子可由经历β衰变的放射性核(如碘、铯、锝和铱的同位素)产生。可选地，电子枪可经由热电子发射而用作电子源。
[0068]电磁辐射经由三个过程相互作用:光电吸收、康普顿散射、以及对产生。通过入射辐射的能量和材料的原子序数确定主要相互作用。促成纤维材料中的所吸收辐射的相互作用的总和可由质量吸收系数表示。
[0069]电磁辐射根据波长细分为Y射线、X射线、紫外线、红外线、微波或无线电波。
[0070]例如，可采用Y辐射处理材料。Y辐射具有进入样品的各种材料中的显著穿透深度的优点。Y射线源包括放射性核，如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊以及氙的同位素。
[0071]X射线源包括电子束与金属靶(如钨或钥或合金)的碰撞或紧凑光源，如由Lyncean商业化生产的那些。
[0072]紫外辐射源包括氘灯或镉灯。
[0073]红外辐射源包括蓝宝石、锌、或硒化物窗口陶瓷灯。
[0074]微波源包括速调管、Slevin型RF源、或采用氢气、氧气或氮气的原子束源。
[0075]在本文所公开的方法中可使用多种其它装置，包括场致电离源、静电离子分离器、场致电离发生器、热电子发射源、微波放电离子源、再循环或静电加速器、动态线性加速器、范德格拉夫加速器(van de Graaff accelerator)以及折叠式串列加速器。所述装置公开于例如美国专利号7，931，784B2中，所述专利的完整公开内容以引用的方式并入本文。
[0076]C.电子 轰击
[0077]1.电子束
[0078]可用电子轰击处理原料以改变其结构并且从而减小其不顺应性。所述处理可例如减小原料的平均分子量、改变原料的晶体结构，和/或增加原料的表面面积和/或孔隙率。
[0079]通常优选经由电子束的电子轰击，因为其提供非常高的流通量并且因为相对低电压/高功率电子束装置的使用消除了对昂贵的混凝土穹顶屏蔽物的需要，因为所述装置是“自屏蔽的”并且提供安全有效的方法。虽然“自屏蔽的”装置确实包括屏蔽物(例如，金属板屏蔽物)，但是其不需要构建混凝土穹顶，这大大减少了资本支出并且常常允许使用现有制造设施而无需昂贵的修改。电子束加速器可从例如IBA(1n BeamApplications, Louvain-la-Neuve, I:匕利时)、Titan Corporation (San Diego,加州,USA)以及 NHV Corporation (Nippon High Voltage,日本)购得。
[0080]可使用电子束装置进行电子轰击，所述电子束装置具有小于10MeV、例如小于7MeV、小于 5MeV、或小于 2MeV、例如约 0.5MeV 至 1.5MeV、约 0.8MeV 至 1.8MeV、约 0.7MeV 至IMeV或约IMeV至3MeV的标称能量。在一些实施方式中，标称能量为约500keV至800keV。
[0081]电子束可具有相对高的总束功率(所有加速头的组合束功率，或者如果使用多个加速器，则为所有加速器和所有头的组合束功率)，例如，至少25kW，例如至少30、40、50、60、65、70、80、100、125*150kW。在一些情况下，功率甚至高达 500kW、750kW 或甚至 1000kW或更大。在一些情况下，电子束具有1200kW或更大的束功率。
[0082]这种高的总束功率通常通过利用多个加速头来实现。例如，电子束装置可包括两个、四个或更多个加速头。各自具有相对低的束功率的多个头的使用防止材料中的温度过度上升，从而防止材料燃烧并且还增加贯穿材料层厚度的剂量均匀性。
[0083]在一些实施方式中，希望在电子轰击期间冷却材料。例如，可在例如通过螺杆挤出机或其它输送设备输送材料时冷却所述材料。
[0084]为了减少不顺应性减小过程中所需要的能量，希望尽可能快地处理材料。一般来说，优选以大于约0.2 5毫拉德(Mrad)/秒，例如大于约0.5,0.75、1、1.5、2、5、7、10、12、15或甚至大于约20毫拉德/秒，例如约0.25至2毫拉德/秒的剂量速率进行处理。更高剂量速率通常需要更高线速度，以避免材料的热分解。在一个实施方式中，对于约20_的样品厚度(例如，具有0.5g/cm3的堆积密度的粉碎的玉米穗轴材料)，将加速器设定为3MeV、50mAmp射束电流并且线速度为24英尺/分钟。
[0085]在一些实施方案中，进行电子轰击直到材料接收至少0.5毫拉德，例如至少5、10、20,30或至少40毫拉德的总剂量。在一些实施方案中，进行处理直到材料接收约0.5毫拉德至约150毫拉德、约I毫拉德至约100毫拉德、约2毫拉德至约75毫拉德、10毫拉德至约50毫拉德，例如约5毫拉德至约50毫拉德、约20毫拉德至约40毫拉德、约10毫拉德至约35毫拉德、或约25毫拉德至约30毫拉德的剂量。在一些实施方式中，优选25毫拉德至35毫拉德的总剂量，其(例如)以5毫拉德/道次(Mrad/pass)在几秒内理想地施加，其中每道次应用约一秒。在一些情况下施加大于7至8毫拉德/道次的剂量可引起原料材料的热降解。
[0086]使用如上所讨论的多个头，可以在多道次，例如由几秒钟的冷却间隔开的10至20毫拉德/道次(例如12至18毫拉德/道次)下的两道次，或者7至12毫拉德/道次(例如9至11毫拉德/道次)的三道次处理材料。如以上所讨论，用若干相对低的剂量而不是一个高剂量处理材料倾向于防止材料过热并且还增加贯穿材料厚度的剂量均匀性。在一些实施方式中，在每道次期间或之后搅拌或以其它方式混合材料，并且随后在下一个道次之前再次将其平滑成均匀层，以进一步增强处理均匀性。
[0087]在一些实施方案中，将电子加速至例如大于光速的75%，例如大于光速的85%、90%、95%或99%的速度。
[0088]在一些实 施方案中，本文所述的任何加工发生在获得时就保持干燥或者已例如使用加热和/或减压进行干燥的木质纤维素材料上。例如，在一些实施方案中，在25°C和50%相对湿度下测量，纤维素和/或木质纤维素材料具有小于约5重量％的残留水。
[0089]可在纤维素和/或木质纤维素材料暴露于空气、富氧空气或甚至氧气本身或者由如氮气、氩气或氦气的惰性气体覆盖时施加电子轰击。当希望最大化氧化时，利用氧化环境(如空气或氧气)，并且优化与束源的距离以使反应性气体(例如臭氧和/或氮的氧化物)形成最大化。
[0090]在一些实施方案中，使用两个或更多个电子源，如两个或更多个电离源。例如，可以任意顺序用电子束、随后用Y辐射和具有约IOOnm至约280nm波长的UV光处理样品。在一些实施方案中，用三种电离辐射源(如电子束、Y辐射和高能UV光)处理样品。将生物质输送通过处理区域，其中用电子轰击所述生物质。通常优选的是，生物质材料床在处理时具有如先前所述的相对均匀的厚度。
[0091]重复处理以更彻底地减小生物质的不顺应性和/或进一步改性生物质可为有利的。具体地说，可根据材料的不顺应性，在第一(例如，第二、第三、第四或更多)道次之后调节工艺参数。在一些实施方案中，可使用包括循环系统的输送器，其中将生物质多次输送通过以上所述的各个过程。在一些其它实施方案中，使用多个处理装置(例如，电子束发生器)将生物质处理多次(例如，2次、3次、4次或更多次)。在其它实施方案中，单个电子束发生器可为可用于处理生物质的多个束(例如，2、3、4或更多个束)的来源。
[0092]改变分子/超分子结构和/或减小生物质材料的不顺应性的效力取决于所使用的电子能和所施加的剂量，而暴露时间取决于功率和剂量。
[0093]在一些实施方案中，(用任何电子源或源的组合)进行处理直到材料接收至少约 0.05 毫拉德，例如至少约 0.1,0.25,0.5,0.75,1.0,2.5,5.0,7.5,10.0、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175或200毫拉德的剂量。在一些实施方案中，进行处理直到材料接收 0.1-100 毫拉德、1-200、5-200、10-200、5-150、5-100、5-50、5-40、10-50、10-75,15-50,20-35毫拉德之间的剂量。
[0094]在一些实施方案中，以5.0千拉德/小时与1500.0千拉德/小时之间，例如10.0千拉德/小时与750.0千拉德/小时之间或50.0千拉德/小时与350.0千拉德/小时之间的剂量速率进行处理。在其它实施方案中，以10千拉德/小时与10000千拉德/小时之间、100千拉德/小时与1000千拉德/小时之间，或500千拉德/小时与1000千拉德/小时之间的剂量速率进行处理。
[0095]2.电子源
[0096]电子经由库仑散射和由电子速度的改变产生的轫制辐射相互作用。电子可由经历β衰变的放射性核(如碘、铯、锝和铱的同位素)产生。可选地，电子枪可经由热电子发射而用作电子源并且通过加速电势进行加速。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χ-y平面上对其进行磁力扫描，其中最初使电子在z方向上向管下方加速并通过箔窗口提取。对电子束进行扫描适用于在照射输送通过扫描束的材料(例如生物质)时增加照射表面。对电子束进行扫描还将热负荷均匀地分布在窗口上并且帮助减少由于电子束的局部加热造成的箔窗口破裂。箔窗口破裂由于随后的必要修复以及重启电子枪而造成大量停机时间。 [0097]在本文所公开的方法中可使用多种其它照射装置，包括场致电离源、静电离子分离器、场致电离发生器、热电子发射源、微波放电离子源、再循环或静电加速器、动态线性加速器、范德格拉夫加速器以及折叠式串列加速器。所述装置公开于例如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。
[0098]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10毫拉德/秒)、高流通量、更少的约束(containment)以及更少的限制(confinement)设备的优点。电子束还可具有高电效率(例如，80% )，以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能量的较小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加速器、具有线性阴极的低能加速器、线性加速器以及脉冲加速器产生。
[0099]电子还可(例如)通过断链机制更有效地引起生物质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/cm3的堆积密度和0.3-10cm的深度的材料。作为电离辐射源的电子可适用于(例如)相对薄的材料堆、材料层或材料床，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，电子束的每个电子的能量为约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。在2011年10月18日提交的美国专利申请公布2012/0100577A1中讨论了照射材料的方法，所述公布的全部公开内容以引用的方式并入本文。[0100]电子束照射装置可从1n Beam Applications (Louvain-la-Neuve,比利时)、Titan Corporation (San Diego,加州，USA)以及 NHV Corporation (Nippon High Voltage,日本)商业上获得。典型的电子能可为0.5MeV、lMeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或lOMeV。典型的电子束照射装置功率可为 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。
[0101]考察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、折旧以及装置占地面积。考察电子束照射的暴露剂量水平的权衡因素是能量成本与环境、安全以及健康(ESH)问题。通常，发生器容纳于例如铅或混凝土的穹顶中，特别是对于从在所述过程中产生的X-射线来产生。考察电子能的权衡因素包括能量成本。
[0102]电子束照射装置可产生固定束抑或扫描束。具有大的扫描扫掠长度和高扫描速度的扫描束可能是有利的，因为这将有效代替大的、固定的束宽。此外，可得到0.5m、lm、2m或更大的可用扫描宽度。由于扫描宽度较大并且窗口的局部加热和故障的可能性减小，所以扫描束在本文所述的大多数实施方案中是优选的。
[0103]3.电子枪-窗口
[0104]当用电子枪处理时，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。所述窗口不透气，而电子可在不透气的情况下以较低阻力通过。箔窗口优选为约10微米与100微米之间厚(例如，窗口可为10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)。薄窗口在电子束通过它们时耗散较少能量(例如，由于功率=I2R,所以电阻性加热较少)，这相对于用尽可能多的能量照射目标材料(例如，生物质)来说是有利的。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。
[0105]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。
[0106]系统可包括一个以上窗口，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。
[0107]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。
[0108]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、钥;、铬、镍、错、银、钥、钌、错、钮、铪、钽、鹤、铼、钼、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、银、铬、镍、错、银、钥、钌、错、钮、铪、钽、鹤、铼、钼、铱、铍、招、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。[0109]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。
[0110]主要窗口箔和次要窗口箔均可由低Z元素制成。可选地，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。
[0111]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。
[0112]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,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)。
[0113]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IOOmA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IOcm(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。
[0114]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。
[0115]用于扫描电子束的两箔窗口提取系统具有两个窗口，主要窗口和次要窗口。通常，主要窗口离电子源最近，并且由于窗口的那侧上的真空而在朝向扫描角的顶部为凹进的。次要箔窗口倾向于较扁平，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。可选地，窗口在任何方向上可为扁平或弯曲的。窗口箔通常为至少约10微米厚至约30微米厚(例如，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)。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30cm、更优选小于20cm、并且最优选小于10cm。侧壁与主要窗口和次要窗口组合可限定内部空间。电子行进通过两个窗口以撞击在设置于下方的材料(例如，生物质)上并穿透所述材料。第一入口可被包括在一个侧壁上并且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。冷却流体可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内部空间的中央流回并随后通过排出端口和或出口流出。第二入口可被包括在所述侧壁上并且可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。
[0116]所述窗口系统描述于2012年10月10日由Medoff等提交的美国临时申请号61/711,801中，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。用于所述系统的多种配置对于本领域普通技术人员也将是已知的。
[0117]4.电子枪-窗口间隔
[0118]尽管例如出于以上所述的原因，窗口之间大的间隔可能是有利的，但大的间隔有一些缺点。窗口之间大的间隔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，IMeV束损失约0.2MeV/M能量，5MeV束损失约0.23MeV/M并且IOMeV束损失约0.26MeV/M。因此，在IMeV电子束穿过Icm空气的情况下，束仅损失其能量的0.2%，在IOcm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%)0因此，将窗口之间的间隔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)的最佳间隔(例如，平均间隔) 在约2cm与20cm之间(例如，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IOcm之间、约4cm与IOcm之间、约5cm与IOcm之间、约6cm与IOcm之间、约7cm与IOcm之间、约8cm与IOcm之间)。
[0119]本领域普通技术人员将平衡窗口间隔的优点和缺点以适应其需要。
[0120]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。
[0121]窗口之间大的间隔可为有利的，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Imm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I秒或更少时间内)交换约50%的气体。
[0122]5.电子枪-冷却和吹扫气体
[0123]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。在一个实施方案中，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。[0124]当使用外壳时，可用惰性气体吹扫封闭的输送器，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。可选地，可进行吹扫、再循环和氧去除的组合以使氧水平保持较低。
[0125]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。
[0126]应用于封闭的输送器的吹扫气体也可冷却到例如约25°C以下、约0°C以下、约-40°C以下、约_80°C以下、约_120°C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。
[0127]6.电子枪-射束阻挡件
[0128]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。
[0129]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、钥、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)。
[0130]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。
[0131]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。[0132]D.生物质材料的处理-超声处理、热解、氧化、蒸汽爆炸
[0133]如果需要，除其它处理之外或代替其它处理，可使用一种或多种超声处理、热解、氧化或蒸汽爆炸方法，以进一步减小生物质材料的不顺应性。这些方法可在另外一种或多种处理之前、期间和或之后应用。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。
[0134]I1.生物质材料
[0135]如本文使用的术语“生物质材料”包括木质纤维素、纤维素、淀粉以及微生物材料。
[0136]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、玉米秸杆、大豆秸杆、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。
[0137]在一些情况下，木质纤维素材料包括玉米穗轴。磨碎或锤磨粉碎的玉米穗轴可以相对均匀厚度的层进行铺展以用于照射，并且在照射之后易于分散在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所述植株的根系统。
[0138]有利地，对于乙醇生产，在玉米穗轴或含有显著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 另外的营养物(除了氮源，例如尿素或氨之外)。其它产物可能需要添加痕量金属、维生素或增加缓冲能力，但这些调节完全在本领域普通技术人员的知识范围内。
[0139]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。
[0140]纤维素材料包括例如纸、纸制品、废纸、纸浆、着色纸、装载纸、涂覆纸、填充纸、杂志、印刷品(例如，书、目录、手册、标签、日历、贺卡、小册子、内容说明书、新闻用纸)、打印纸、多涂层纸、卡片坯料、硬纸板、纸板、具有高α -纤维素含量的材料(如棉花)，以及任何这些的混合物。例如，如美国申请号13/396,365(在2012年2月14日由Medoff等提交的“Magazine Feedstocks”)中所述的纸制品,所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0141]纤维素材料还可包括已脱木质化的木质纤维素材料。
[0142]淀粉材料包括淀粉本身(例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或米淀粉)、淀粉衍生物或者包括淀粉的材料(如可食用的食物产品或农作物)。例如，淀粉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(oca)、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材料。
[0143]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基因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alveolates、chlorarachniophytes>隐藻、裸藻、灰藻、定鞭藻、红藻、不等鞭毛藻、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、超微型浮游生物以及超微微型浮游生物)、浮游植物、细菌(例如，革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌以及极端微生物)、酵母和/或这些的混合物。在一些情况下，微生物生物质可从天然来源获得，例如海洋、湖泊、水体(例如，咸水或淡水)或在陆地上。或者或另外，微生物生物质可从培养系统获得，例如大规模干燥与湿润培养和发酵系统。
[0144]生物质材料还可包括下水和类似来源的材料。
[0145]在其它实施方案中，如纤维素、淀粉和木质纤维素原料材料的生物质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。所述修饰可例如通过选择和育种的迭代步骤来在植物中获得所希望的性状。此外，所述植物相对于野生型品种可已被去除、修饰、沉默和/或添加遗传材料。例如,遗传修饰的植物可通过重组DNA方法产生，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，其中新的等位基因由内源基因人工形成。人工基因可通过多种方式形成，所述方式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、Y射线、中子、β粒子、α粒子、质子、氘核、UV辐射)以及温度冲击或其它外部应力处理植株或种子，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，随后将所希望的修饰的DNA插入到所希望的植株或种子中。在种子或植株中引入所希望的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、脂转染、微量注射以及病毒载体。另外的遗传修饰的材料已在2012年2月14日提交的美国申请序列号13/396，369中描述，所述申请的全部公开内容以引用的方 式并入本文。
[0146]可使用本文所述的任何生物质材料的混合物实践本文所述的任何方法。
[0147]II1.生物质材料制备-机械处理
[0148]生物质可处于干燥形式，例如具有小于约35%含湿量(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%固体的浆液或悬浮液(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.% )递送。
[0149]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。
[0150]在一些情况下，预处理加工包括生物质材料的筛选。可通过具有所希望的开口尺寸的网或多孔板进行筛选，所述开口尺寸例如小于约6.35mm(l/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(l/32英寸，0.03125英寸)、例如小于约0.51mm(l/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(l/256英寸，0.00390625英寸))。在一种配置中，所希望的生物质通过穿孔或筛网掉落，并且因此不照射大于穿孔或筛网的生物质。这些较大材料可以例如通过粉碎来重新加工或者可简单地将其从加工中去除。在另一种配置中，照射大于穿孔的材料并且通过筛选方法去除较小材料或将其再循环。在这种配置中，输送器本身(例如，输送器的一部分)可为有穿孔的或者用网制成。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。
[0151]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。
[0152]任选预处理加工可包括加热材料。例如，输送器的一部分可传送通过加热区域。加热区域可例如通过IR辐射、微波、燃烧(例如，气体、煤、油、生物质)、电阻性加热和/或感应线圈来形成。可从至少一个侧面或一个以上侧面施加热量，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溜槽的一部分。可以例如出于干燥材料的目的进行加热。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/或通过所述生物质的移动来促进。
[0153]任选地，预处理加工可包括冷却所述材料。冷却材料在Medoff的美国专利号7，900, 857中描述，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，具有甘油)或氮(例如，液氮)供应至输送溜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。
[0154]另一种任选的预处理加工方法可包括向生物质添加一种材料。所述另外的材料可以(例如)通过在输送所述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2010/0105119A1 (2009年10月26日提交)和美国专利申请公布2010/0159569A1(2009年12月16日提交)中所描述，所述公布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。可添加的其它材料为氧化剂(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，但可对进一步的下游加工有用。添加的材料可例如通过降低粉尘水平来帮助输送材料。
[0155]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递送至输送机。可通过任何这些方法将生物质例如滴加、倾倒和/或放置在输送机上。在一些实施方案中，使用封闭的材料分配系统将材料递送至输送机，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隐患或损害电子枪的窗口箔(如果所述装置用于处理材料)。
[0156]可使材料均衡以形成在约0.0312英寸与5英寸之间的统一厚度(例如，在约
0.0625英寸与2.000英寸之间、在约0.125英寸与I英寸之间、在约0.125英寸与0.5英寸之间、在约0.3英寸与0.9英寸之间、在约0.2英寸与0.5英寸之间、在约0.25英寸与
1.0英寸之间、在约0.25英寸与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)。
[0157]一般来说，优选尽可能快地将材料输送通过电子枪以使流通量最大化。例如，可以至少lft/min的速率，例如至少2ft/min、至少3ft/min、至少4ft/min、至少5ft/min、至少10ft/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I/4英寸厚的生物质和IOOmA,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移动以提供近似相同的照射剂量。
[0158]生物质材料在输送通过辐射区域之后，可进行任选后处理加工。任选后处理加工可以是例如相对于预照射加工所描述的方法。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，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。
[0159]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生物质材料的不顺应性。可在照射之前、期间和或之后应用这些方法。
[0160]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，如材料的尺寸缩减。例如，在一些情况下，通过剪切或切剁来制备疏松原料(例如，再循环的纸、淀粉材料或柳枝稷)。机械处理可减小生物质材料的堆积密度、增加生物质材料的表面面积和/或降低生物质材料的一个或多个尺寸。
[0161]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脆，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。化学处理可除去一些或全部木质素(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的混合物。
[0162]除了尺寸缩减(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”、破坏或破碎生物质材料，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。
[0163]机械处理生物质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。研磨或碾磨可以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的加工步骤引发的材料内部结构破裂的任何其它技术。
[0164]机械进料制备系统可被配置成产生具有特定特征(例如像特定最大尺寸、特定长宽比或特定表面积比)的进料流。物理制备可提高反应速率、改善材料在输送机上的移动、改善材料的照射曲线、提高材料的辐射均匀度、或者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。
[0165]可以控制(例如，增大)原料的堆积密度。在一些情况下，可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位置更容易并且成本更低)以及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W02008/073186(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加工致密化的材料，或者由本文所述的任何方法加工的任何材料可随后致密化。
[0166]在一些实施方案中，待加工的材料呈纤维材料的形式，所述纤维材料包括通过剪切纤维来源提供的纤维。例如，可用旋转切割机进行剪切。
[0167]例如，可以例如在旋转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来源，以提供第一纤维材料。使第一纤维材料通过例如具有1.59_或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸的第一筛网，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来源。例如，当使用纸作为纤维来源时，可首先用切碎机，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，可通过使用闸刀式切纸机切割至所希望的尺寸来减小纸的尺寸。例如，闸刀式切纸机可用于将纸切割成例如10英寸宽X 12英寸长的片。
[0168]在一些实施方案中，纤维来源的剪切和使所得的第一纤维材料通过第一筛网是同时进行的。也可以在间歇型过程中进行剪切和通过。
[0169]例如，旋转切割机可用于同时剪切纤维来源和筛选第一纤维材料。旋转切割机包括可装载有通过切碎纤维来源制备的切碎的纤维来源的料斗。切碎的纤维来源。[0170]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。处理方法可与两种、三种、四种或甚至所有这些技术组合使用(以任意顺序)。当使用一种以上的处理方法时，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。
[0171]可使用的机械处理以及机械处理的生物质材料的特征在2011年10月18日提交的美国专利申请公布2012/0100577A1中进一步详细描述，所述公布的全部公开内容以引用的方式由此并入。
[0172]IV.处理的生物质材料的用途
[0173]使用本文公开的方法，可使用起始生物质材料(例如，植物生物质、动物生物质、纸以及城市废物生物质)作为原料来生产有用的中间体和产品，如有机酸、有机酸的盐、酸酐、有机酸的酯以及燃料，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。
[0174]为了将原料转化成可易于加工的形式，可通过糖化剂(例如酶或酸)将原料中含有葡聚糖或木聚糖的纤维素水解为低分子量碳水化合物，如糖，这个过程称为糖化。随后，低分子量碳水化合物可用于例如现有制造工厂，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)。
[0175]例如通过使材料和酶在溶剂(例如，水溶液)中组合，可以使用酶水解原料。 [0176]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。这些酶可为协同作用来降解生物质的晶体纤维素或木质素部分的酶的复合物。纤维素分解酶的实例包括:内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶以及纤维二糖酶(β -葡糖苷酶)。
[0177]在糖化期间，可通过内切葡聚糖酶在随机位置初步水解纤维素底物产生低聚中间体。这些中间体随后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，水解的时间和/或水解的完成度)取决于纤维素材料的不顺应性。
[0178]V.中间体和产品
[0179]使用本文所述的方法，可将生物质材料转化为一种或多种产品，如能量、燃料、食品以及材料。产品的特定实例包括但不限于: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、乙基以及正丙基酯)、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、糖醇以及多元醇(例如，乙二醇、甘油、赤藓醇、苏糖醇、阿糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、半乳糖醇、艾杜醇、肌醇、庚七醇、异麦芽酮糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、麦芽三糖醇、麦芽四糖醇以及聚糖醇和其它多元醇)以及任何这些醇的甲基或乙基酯。其它产品包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、戊酸、己酸、3-羟基丙酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、Y-羟基丁酸以及其混合物、任何这些酸的盐、任何所述酸及其对应盐的混合物。
[0180]以上产品与彼此的任何组合和/或以上产品与其它产品(所述其它产品可通过本文所述的方法或以其它方式制备)的任何组合可包装在一起并且作为产品出售。可将产品组合，例如混合、共混或共溶解，或者可简单地包装在一起或一起出售。
[0181]本文所述的任何产品或产品的组合可在产品出售之前，例如纯化或分离之后或甚至在包装之后进行消毒或灭菌，以中和可能存在于一种或多种产品中的一种或多种潜在不希望的污染物。可以用例如小于约20毫拉德，例如从约0.1毫拉德至15毫拉德、从约0.5毫拉德至7毫拉德或从约I毫拉德至3毫拉德剂量的电子轰击进行所述消毒。
[0182]本文所述的方法可产生适用于产生用于工厂的其它部分(热电联产)或在公开市场上出售的蒸汽和电力的各种副产品流。例 如，由燃烧副产品流产生的蒸汽可用于蒸馏过程。作为另一个实例，由燃烧副产品流产生的电力可用于为预处理中使用的电子束发生器提供动力。
[0183]用于产生蒸汽和电力的副产品来源于整个过程的众多来源。例如，废水的厌氧消化可产生甲烷含量高的沼气和少量废弃生物质(污泥)。作为另一个实例，可使用糖化后和/或蒸馏后固体(例如，从预处理和主要过程剩余的未转化的木质素、纤维素和半纤维素)，例如作为燃料燃烧。
[0184]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。
[0185]包括食品和药物产品的其它中间体和产品描述于Medoff的2010年5月20日公布的美国专利申请公布2010/0124583Α1，所述公布的全部公开内容以引用的方式由此并入。
[0186]V1.由微生物产生酶
[0187]产生纤维素酶的丝状真菌或细菌通常需要碳源和用于产生纤维素酶的诱导剂。
[0188]木质纤维素材料包括纤维素、半纤维素和木质素的不同组合。纤维素是形成相当坚硬的线性结构而没有大量卷绕的葡萄糖的线性聚合物。由于这个结构以及可形成氢键的羟基的布置，纤维素含有晶体和非晶体部分。晶体部分还可具有不同类型，例如取决于链之间的氢键的位置标注为I ( α )和I ( β )。聚合物长度本身可发生改变从而导致纤维素形式的更多种类。半纤维素是若干杂聚物中的任一种，如木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿糖基木聚糖以及木糖葡聚糖。存在的主要糖单体是木糖，但是也存在其他单体，如甘露糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖。通常，半纤维素形成具有低于纤维素的分子量的分支结构。因此，半纤维素是通常易于进行酶促水解的无定形材料。木质素通常为复合的高分子量杂聚物。尽管所有木质素显示出其组成的不同，但是已将其描述为苯基丙烯单元的无定形枝状网络聚合物。特定生物材料中纤维素、半纤维素和木质素的量取决于生物材料的来源。例如，源自木材的生物材料取决于类型可为约38% -49%纤维素、7% -26%半纤维素和23% -34%木质素。草通常为33% -38%纤维素、24% -32%半纤维素以及17% -22%木质素。显然，木质纤维素生物质构成一大类底物。
[0189]生物质材料的多样性可通过预处理，例如通过改变聚合物的结晶度和分子量进一步增加。
[0190]产生纤维素酶的有机体当与生物质接触时将倾向于产生释放有利于有机体的生长的分子(如葡萄糖)的酶。这通过如上所述的酶诱导的现象来实现。由于在具体生物材料中存在多种底物，所以存在多种纤维素酶，例如先前所讨论的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及纤维二糖酶。通过选择特定木质纤维素材料作为诱导剂，可以调节这些酶的相对浓度和/或活性，以使得所得酶复合物将有效作用于用作诱导剂的木质纤维素材料或类似材料。例如，与具有很少晶体纤维素的生物材料相比，具有较高部分的晶体纤维素的生物材料可诱导更有效或更大量的内切葡聚糖酶。
[0191]本领域普通技术人员可通过添加酵母提取物、玉米浆、蛋白胨、氨基酸、铵盐、磷酸盐、钾盐、镁盐、钙盐、铁盐、锰盐、锌盐、钴盐或其它添加剂和/或营养物和/或碳源来对由微生物产生酶进行优化。在加工期间可添加和去除多种组分以优化所希望的有用产物的产生。
[0192]对于微生物生长和酶产生最佳的温度、pH和其它条件通常是本领域已知的。
[0193]VI1.糖化
[0194]处理的生物质材料通常可通过将材料和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2012年4月26日公布的Medoff和Masterman的美国专利申请公布2012/0100577A1中所描述，所述公布的全部内容并入本文。
[0195]糖化过程可在制造工厂的罐(例如，具有至少4000、40，000或500，000L的体积的
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、或在超级油轮或船仓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生物质材料和酶。如果在受控的条件下在制造工厂中进行糖化，则可在约12-96小时内将纤维素基本上完全转化为糖，例如葡萄糖。如果在转运中部分或完全地进行糖化，则糖化可能花费较长时间。
[0196]通常优选在糖化期间例如使用喷射混合对罐内容物进行混合，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W02010/135380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。
[0197]表面活性剂的添加可提高糖化的速率。表面活性剂的实例包括非离子型表面活性剂(如Tween? 20或Twe en? 80聚乙二醇表面活性剂)、离子型表面活性剂或者两性表面活性剂。
[0198]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％。可以例如通过蒸发去除水分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。
[0199]可选地，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，50ppm至150ppm)添加抗微生物添加剂，例如广谱抗生素。其它合适的抗生素包括两性霉素B、氣节青霉素、氣霉素、环丙沙星、庆大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘿吟霉素、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15ppm与1000ppm之间，例如，在25ppm与500ppm之间，或在50ppm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。可选地，可使用具有抗微生物防腐特性的其它添加剂。优选的，一种或多种抗微生物添加剂是食品级的。
[0200]可以通过限制与酶一起添加到生物质材料中的水量来获得相对较高浓度的溶液。可以例如通过控制糖化发生多少来控制浓度。例如，可以通过向溶液中添加更多生物质材料来增加浓度。为了保持正在溶液中产生的糖，可以添加表面活性剂，例如，以上所讨论的那些中的一种。也可以通过增加溶液的温度来增加溶解度。例如，可将溶液维持在400C -500C>600C _80°C或甚至更高的温度下。
[0201]VII1.糖化剂
[0202]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0458162)、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)、尖抱键刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophi Ia)、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.0bclavatum、A.pinkertoniae、粉灰枝顶抱(A.roseogriseum)、A.1ncoloratum 以及棕色枝顶孢(A.furatum))。优选菌株包括特异腐质霉DSM1800、尖孢镰刀菌DSM2672、嗜热毁丝霉CBS117.65、头孢霉属某种RYM-202、枝顶孢菌属某种CBS478.94、枝顶孢菌属某种 CBS265.95、桃色枝顶抱 CBS169.65、Acremonium acremonium AHU9519、头抱霉属某种 CBS535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73、A.dichromosporum CBS683.73、Acremonium obclavatum CBS311.74、Acremonium pinkertoniae CBS157.70、粉灰枝顶抱CBS134.56、Acremonium incoloratum CBS146.62，以及棕色枝顶孢 CBS299.70H。纤维素分解酶还可由金孢子菌属，优选Chrysosporium Iucknowense的菌株获得。可使用的另外的菌株包括但不限于: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O 458 162)以及链霉菌属(参见，例如欧洲公布号O 458 162)。
[0203]可用于使生物质材料糖化并且产生糖的许多微生物也可用于使那些糖发酵并且转化为有用的产物。
[0204]IX.糖
[0205]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，可以通过沉淀法、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。
[0206]X.氢化和其它化学转变
[0207]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为山梨醇和木糖醇。可以通过在高压(例如，IOpsi至12000psi)下与H2组合使用催化剂(例如，Pt/ y _A1203、Ru/C、雷尼镍或本领域已知的其它催化剂)来实现氢化。可以使用来自本文所述方法的产物的其它类型的化学转变，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。
[0208]X1.发酵
[0209]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。用于发酵的最佳PH为约pH4至pH7。例如，酵母的最佳pH为约pH4至pH5,而发酵单胞菌的最佳pH为约pH5至pH6。典型的发酵时间为约24小时至168小时(例如，24小时至96小时)，其中温度范围为20°C至40°C (例如，26°C至40°C )，然而嗜热微生物偏好较高的温度。
[0210]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缺乏氧气，例如在惰性气体(如N2、Ar、He、C02或其混合物)的覆盖下进行的。另外，所述混合物可在部分或全部发酵期间使惰性气体的持续吹扫流动通过罐。在一些情况下，可以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。
[0211]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。另外或者可选地，可以在不锈钢实验室磨中将中间体发酵产物磨碎成细小颗粒大小，以产生面粉状物质。
[0212]可在发酵期间使用喷射混合，并且在一些情况下，可在同一个罐中进行糖化和发酵。
[0213]可以在糖化和/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中所述的基于食物的营养物包，所述公布的完整公开内容以引用的方式并入本文。
[0214]“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。
[0215]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W02008/011598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/或发酵可在转运期间部分或完全地进行。
[0216]XI1.发酵剂
[0217]在发酵中使用的一种或多种微生物可以是天然存在的微生物和/或工程改造的微生物。例如，微生物可为细菌(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，原生动物或类真菌原生生物(包括但不限于，例如黏菌)或海藻。当有机体相容时，可利用有机体的混合物。
[0218]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:酵母属某些种(Saccharomyces 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)(包括但不限于伪热带假丝酵母(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抱酵母(C.1usitaniae)和仙人掌棒抱酵母(C.0puntiae))、管囊酵母属(Pachysolen)(包括但不限于嗜縣管囊酵母(P.tannophilus))、酒香酵母属(Bretannomyces)(包括但不限于，例如 B.clausenii (Handbook on Bioethanol:Production andUtilization, Wyman, C.E.编辑，Taylor&Francis, Washington, DC, 179-212 中的Philippidisj G.P.，1996，Cellulose bioconversion technology))。其它合适的微生物包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、梭菌属某些种(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.bei jernckii)以及丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum))、丛梗抱酵母(Moniliella pollinis)、Moniliella megachiliensis、乳杆菌属某些种(Lactobacillus spp.)、解脂耶氏酵母(Yarrowia Iipolytica)、短梗霉属某种(Aureobasidium sp.)、三型抱菌某种(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、毛抱子菌属某种(Trichosporon sp.)、丛梗抱酵母属某种(Moniliellaacetoabutans sp.)、Typhula variabilis、木兰假丝酵母(Candidamagnolia)、黑粉菌纲某种(Ustilaginomycetes sp.)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母属(Zygosaccharomyc es)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。
[0219]例如，梭菌属某些种可用于产生乙醇、丁醇、丁酸、乙酸和丙酮。乳杆菌属某些种可用于产生乳酸。
[0220]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(农业研究机构保藏中心(Agricultural Research Sevice CultureCollection)，Peoria，Illinois, USA)或DSMZ (德意志微生物保藏中心(Deutsche Sammlungvon Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)，Braunschweig, Germany)。
[0221]可商购获得的酵母包括，例如，Red Star?./Lesaffre Ethanol Red(购自Red
Star/Lesaffre, USA)、FAT.T? (购自 Fleischmann，s Yeast (Burns Philip Food Inc.的部门)，USA)、SUPERSTART? (购自 Alltech，现在的 Lalemand)、GERT STRAND^ (购自 Gert Strand AB，Sweden)以及 FERMOL? (购自 DSM Specialties)。[0222]可用于使生物质材料糖化并且产生糖的许多微生物还可用于使那些糖发酵并且转化成有用的产物。
[0223]XII1.蒸馏
[0224]发酵之后，可使用例如“醪塔”对所得的流体进行蒸馏，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％乙醇并且可进料到精馏塔中。可以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到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，可以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到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到所述过程中，其中分离小部分至废水处理以防止低沸点化合物的堆积。
实施例
[0225]实施例1.外来果糖对糖化的影响
[0226]这个实施例测试了外来果糖是否抑制糖化酶。
[0227]准备三个225mL爱伦美氏烧瓶，各自具有IOg处理的玉米穗轴生物质(网孔尺寸在15与40之间，并且用电子束照射至35毫拉德)、100mL水以及2.5mL的DuetAccelerase?(Danisco)。向第一、第二和第三烧瓶中分别添加:0g,、5g和IOg果糖。用招箔覆盖烧瓶并且在50°C和200rpm的振荡培养箱中放置四天。通过HPLC监测木糖和葡萄糖的量。糖化的结果显示在下表中。
[0228]表1.不同的外来果糖水平下的糖化。
[0229]
【权利要求】
1.一种制备产物的方法，所述方法包括: 使不顺应性减小的木质纤维素生物质糖化，以及向所糖化的生物质中添加异构化剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述糖化的生物质包含第一种糖和第二种糖，并且所述异构化剂用于将所述第二种糖转化为第三种糖。
3.如权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括使所述糖化的生物质与微生物接触以将所述第一种糖和所述第三种糖转化为一种或多种产物。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述不顺应性减小的生物质已用选自由以下组成的组的处理方法进行预处理:用电子轰击、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸、化学处理、机械处理、冷冻研磨。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述处理方法为用电子轰击。
6.如权利要求2所述的方法，其中在将所述微生物-生物质组合维持在使所述微生物能将所述第一种糖转化为所述产物的条件下之前进行所述第二种糖到所述第三种糖的所述转化。
7.如权利要求2所述的方法，其中在所述生物质的糖化之后立即进行所述第二种糖到所述第三种糖的所述转化。
8.如权利要求2所述的方法，其中在所述生物质的糖化期间进行所述第二种糖到所述第三种糖的所述转化。
9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述木质纤维素生物质选自由以下组成的组:木材、刨花板、林业废弃物、锯末、杨木、木屑、草、柳枝稷、芒草、绳草、草芦、谷物残洛、稻壳、燕麦壳、小麦壳、大麦壳、农业废弃物、青忙饲料、油菜稻、小麦稻、大麦稻、燕麦稻、稻秸、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、玉米穗轴、玉米秸杆、大豆秸杆、玉米纤维、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工残渣、甘蔗渣、甜菜浆、龙舌兰渣、海藻、海草、粪肥、污水、下水、农业或工业废弃物、秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、葛藤、圆齿酢酱草、西米、高粱、马铃薯、甘薯、芋头、山药、豆类、蚕豆、扁豆、碗豆以及任何这些物质的混合物。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述异构化剂包括酸。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述酸为聚苯乙烯磺酸。
12.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述异构化剂包括固定在载体上的酶。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述酶为木糖异构酶。
14.如权利要求3至13中任一项所述的方法，其中将所述微生物-糖化的生物质组合维持在约6.0至约7.5的pH下。
15.如权利要求2 至14中任一项所述的方法，其中所述第二种糖是葡萄糖，并且所述第二种糖是果糖。
16.如权利要求2至14中任一项所述的方法，其中所述第二种糖是木糖，并且所述第三种糖是木酮糖。
17.如权利要求3至16中任一项所述的方法，其中所述微生物是酵母。
18.如权利要求3至16中任一项所述的方法，其中所述微生物是梭菌属某些种。
19.如权利要求3至18中任一项所述的方法，其中所述产物选自由以下组成的组:乙醇、丁醇、丁酸、乙酸以及丙酮。
20.如权利要求3至16中任一项所述的方法，其中所述微生物是乳杆菌属某些种。
21.如权利要求20 所述的方法，其中所述产物是乳酸。
【文档编号】C12P19/24GK104011219SQ201280062853
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】M·梅多夫, T·马斯特曼, M·芬 申请人:希乐克公司