水解经预处理的密化生物质颗粒的方法及其相关系统的制作方法

水解经预处理的密化生物质颗粒的方法及其相关系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种对纤维素生物质颗粒进行预处理和密化的方法，从而被预处理和密化的纤维素生物质颗粒，相对于松散水解纤维素生物质纤维来说，能够以较高的固体载荷比率被水解。所得到的高浓度含糖物流能够容易地转化为生物燃料或整套的其他有用的生物产品。
【专利说明】水解经预处理的密化生物质颗粒的方法及其相关系统
[0001] 本申请要求优先权基于2012年4月27日提交的美国专利申请13/458,830,该申 请为部分继续申请基于2011年8月17日提交的美国专利申请13/202,011，该申请是根据 35U. S. C. 371的美国国家阶段申请基于2010年8月24日提交并于2011年3月10日用英 文以TO2011/028543公开的国际申请PCT/US2010/046525,该申请根据35U. S. C. 119(e)要 求2009年8月24提交的美国临时申请61/236, 403的权利。上述所有文献的全部内容均 在此通过引用纳入本文。 政府权利声明
[0002] 本发明得到美国能源部 Energy Sungrant Research Pro ject Award 项目 DE-FG36-08-G088073的政府资助。美国政府对本发明拥有相应的权利。 发明背景
[0003] 尝试生产基于纤维素的乙醇的现有技术成本高昂并且涉及大量步骤。


【发明内容】

[0004] 在一种实施方式中，所提供的产品包含至少一种水解密化生物质颗粒，其不含添 加的粘合剂而含有多种木质素涂覆的植物生物质纤维，其中，所述至少一种水解密化生物 质颗粒具有与含有粘合剂的水解密化生物质颗粒基本上相当的本质密度，并且具有基本上 光滑、非怪异的外表面。在一种实施方式中，所述新型产品包含微量的氨。在一种实施方式 中，所述产品包含一种或多种水解密化生物质颗粒，每种颗粒都不含添加的粘合剂而含有 一定量木质素涂覆的植物生物质纤维足以形成水解密化生物质颗粒，其具有与含有粘合剂 的水解密化生物质颗粒基本上相当的本质密度。
[0005] 在一种实施方式中，与含有粘合剂的水解密化生物质颗粒相比，至少一种不含添 加的粘合剂的水解密化生物质具有增强的抗变形性，增强的硬度，增强的抗降解性，改进的 保存期限，或上述性能的组合。在一种实施方式中，所述新型产品，与含有粘合剂的水解密 化生物质颗粒相比，更能抵抗压力从而不易碎裂。
[0006] 在一种实施方式中，与相同给定重量的含有粘合剂的水解密化生物质颗粒相比， 所述新型产品更为坚硬，例如硬度提高至少21 %，同时硬度上的变异性降低至少21 %。
[0007] 本文所述新型产品可以制备成任何合适的形状和尺寸，包括例如大体上的矩形或 者大体上的圆柱形。
[0008] 在一种实施方式中，水解密化颗粒中所述多种木质素涂覆的植物生物质纤维的每 种都完全地涂覆有木质素。在一种实施方式中，所述多种木质素涂覆的生物质纤维的至少 一些还涂覆有半纤维素。在一种实施方式中，水解密化颗粒中所述多种木质素涂覆的植物 生物质纤维中的大部分还涂覆有半纤维素。在一种实施方式中，水解密化颗粒中所述多种 木质素涂覆的植物生物质纤维基本上全部还涂覆有半纤维素，从而半纤维素和木质素出现 在表面成为"包裹"而不是作为分隔的组分。
[0009] 为了生产本文所描述的所述新型产品，可以采用任何合适的植物生物质，包括，但 不限于，玉米秸杆、柳枝稷、松树和/或草原索草。
[0010] 在一种实施方式中，所述的新型产品，与包含粘合剂的水解密化生物质颗粒相比， 具有改进的保存期限，增强的抗降解性、增强的流动性和较大的堆密度。
[0011] 在一种实施方式中，所提供的包装产品包括容器和置于容器中的一定量的不含添 加的粘合剂的水解密化生物质颗粒，其中，与同量的含有粘合剂的水解密化生物质颗粒相 t匕，所述一定量的水解密化生物质颗粒具有较大的堆密度。所述容器可为刚性的容器或者 柔性的袋子。
[0012] 在一种实施方式中，提供的一种整合的工艺过程，包括：对一定量的植物生物质纤 维进行氨处理，其中各种纤维中包含的至少部分的木质素迁移到所述纤维的外表面用以生 成一定量发粘的（即触摸带粘性的）生物质纤维；以及将所述一定量的发粘生物质纤维进 行密化处理以产生一种或多种水解密化生物质颗粒，其中所述一定量的发粘的生物质纤维 在未加粘合剂的情况下被密化。在一种实施方式中，所述氨处理至少致使各种纤维中包含 的至少部分的木质素迁移到所述各种纤维的外表面。在一种实施方式中，所述氨处理是氨 纤维膨胀（AFEX?)处理，例如气态AFEX?处理。
[0013] 在一种实施方式中，所述整合的工艺过程进一步包括水解步骤，其中所述水解密 化纤维素颗粒被水解，采用高的固体载荷，即高于12%。采用高的固体载荷致使纤维素糖物 流足够的集中从而让释放的糖类通过发酵（例如，按重量至少大约6%至大约8%的可发酵 的糖类）转化成为生物燃料或者成为整套的其他的有用生物产品。在一种实施方式中，所 述转化包括发酵。
[0014] 本发明还提供了制备纤维素糖物流和/或转化的纤维素生物质的各种系统。
[0015] 在一种实施方式中，提供了一种生物燃料，包含给定重量的至少一种水解密化生 物质颗粒，其不含添加的粘合剂而含有一定量的多种木质素涂覆的植物生物质纤维，其中 至少一种水解密化生物质颗粒具有与相同给定重量的含有粘合剂的水解密化生物质颗粒 相比基本上相当的本质密度，并且具有大体上光滑、非怪异的外表面。例如，生物燃料可以 用于燃烧生物质的炉灶或锅炉。
[0016] 在一种实施方式中，提供了一种动物饲料，包含至少给定量的一种水解密化生物 质颗粒，其不含添加的粘合剂而含有多种木质素涂覆的植物生物质纤维，其中，所述至少一 种水解密化生物质颗粒具有与含有粘合剂的水解密化生物质颗粒基本上相当的本质密度， 并且具有基本上光滑、非怪异的外表面，其中所述动物饲料，相对于包含带有粘合剂的水解 密化生物质颗粒的动物饲料，具有改进的消化性。
[0017] 在一种实施方式中，提供了一种固体材料，包含至少给定量的一种水解密化生物 质颗粒，其不含添加的粘合剂而含有多种木质素涂覆的植物生物质纤维，其中，所述至少一 种水解密化生物质颗粒具有与含有粘合剂的水解密化生物质颗粒基本上相当的本质密度， 并且具有基本上光滑、非怪异的外表面，其中，所述固体材料可以用于建筑，例如，用于纤维 板或挤压纤维建筑材料。
[0018] 所获得的所述密化生物质颗粒具有多种用途，包括但不限于，生产动物饲料，经过 化学催化或化学转换作用的整套的其他生物产品，其他的生化用途，生物燃料（包括用于 发电，例如，燃烧于锅炉、燃用生物质的炉灶等等），作为固体材料的成分（例如纤维板和挤 压的建筑材料等等）。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1中的图像显示根据不同的实施方式的AFEX?预处理的玉米秸杆（AFEX?-CS)， AFEX?预处理的柳枝稷（AFEX?-SG)，AFEX?-CS团块和AFEX?-SG团块。
[0020] 图2中的图像显示根据不同的实施方式的含有粘合剂的非AFEX?_CS团块和 AFEX?-CS 团块。
[0021] 图3A-3E的图像是根据不同实施方式在不同时间取自三个生物质样品，包括 AFEX?-CS，AFEX?-CS 团块和浸泡的 AFEX?-CS 团块。
[0022] 图4的图表显示了根据不同实施方式关于图3C-3E的生物质样品在6小时、24小 时和72小时葡聚糖相对于生物质的转化百分率。
[0023] 图5的图表显不了根据不同实施方式关于图3C-3E的生物质样品在6小时、24小 时和72小时木聚糖相对于生物质的转化百分率。
[0024] 图6的图表显示了根据不同实施方式经AFEX?处理的玉米秸杆团粒在多种尺寸和 湿度条件下的堆密度。
[0025] 图7A-7H为根据不同实施方式示意描述采用水解密化颗粒的水解过程（7A-7D)与 采用松散生物质纤维的常规水解过程（7E-7H)进行对比的图示。
[0026] 图8的图表显示了根据不同实施方式经AFEX?处理的在四种不同水分含量下形成 的玉米秸杆团粒的葡萄糖浓度。 实施方式的详细描沭
[0027] 在下文的详细描述中，有关实施方式的详细描述足以使本领域技术人员能够进行 实施，并且应当理解，也可以采用其他的实施方式以及在化学和程序上进行调整而不偏离 本
【发明内容】
的精神和范围。因此，下述的详细描述并不用来进行限制，实施方式的范围只是 通过所附的权利要求书来定义。
[0028] 本文采用的术语"生物质（biomass) "，一般来说是指从作为能源可再生的生物资 源收获或收集的有机物料。所述可再生的生物资源可包括植物物料、动物物料和/或通过 生物途径产生的物料。所述术语"生物质"不包括化石燃料，化石燃料是不可再生的。
[0029] 本文采用的术语"植物生物质（plant biomass) "或"木质纤维素生物质 (ligno-cellulosic biomass (LCB)) "，是指实际上任何来自植物的有机物质，包含在可再 生基础上可用于产生能量的纤维素和/或半纤维素作为其基本碳水化合物（木质或非木 质）。植物生物质还包括但不限于农作物废料和残余物，例如玉米秸杆、小麦秸杆、稻草、 甘蔗渣等。植物生物质还包括但不限于木本能源作物、木材废料和残余物，例如树木，包括 果树，如结果的树（例如，苹果树、橘子树等）、软木森林疏伐、树皮废料、锯末、纸和纸浆工 业废料、木材纤维等。另外，草料作物有可能大规模生产作为其他的植物生物质来源，例如 各种大草原草类，包括草原索草（prairie cord grass)、柳枝稷（switchgrass)、大须芒草 (big bluestem)、小须芒草（little bluestem)、垂穗草（side oats grama)等。对于城市区 域，可能的植物生物质原料包括庭院垃圾（例如，修剪的碎草、叶子、修剪的树枝、灌木等） 以及蔬菜加工废物。植物生物质被认为是来自自然界的最普遍形式的碳水化合物，玉米秸 杆是美国目前容易获得的植物生物质的最大来源。当不使用限定词时，术语"生物质"是指 LCB。
[0030] 本采使用的术语"生物燃料（biofuel) "，是指经过生物和/或化学途径形成的，例 如来自生物质的，所有可再生的固态、液态或气态燃料。大多数生物燃料最初来自于生物过 程，例如光合作用过程，并且因此可被认作是太阳或化学能量来源。其它生物燃料，例如天 然聚合物（比如，几丁质或微生物纤维素的某些来源），不是在光合作用过程中合成的，但 是由于可生物降解从而能被看作是生物燃料。通常认为存在三种类型的、来自在光合作用 过程中合成的生物质的生物燃料，即，农业生物燃料（定义如后）、城市废物生物燃料（住宅 和商业垃圾或废物，其中除去了大部分诸如玻璃和金属的可回用的材料）以及林业生物燃 料（例如，树木、来自木料产品、木材纤维、纸浆和纸品的废物或副产物）。不是在光合作用 过程合成的由生物质形成的生物燃料包括，但不限于，来自几丁质，其为称作N-乙酰基葡 糖胺聚合物的化学修饰形式的纤维素。几丁质为水产业所生产的废物，由于带有海产品的 壳，的重要成分。
[0031] 本文采用的术语"农业生物燃料（agricultural biofuel) "，是指来自以下物质的 生物燃料：农作物、木质纤维素作物残余物、谷物加工过程废料（例如，小麦/燕麦壳、玉米 /豆粉、规格外物料等）、牲畜生产过程废物（例如，粪便、兽尸等）、牲畜加工过程废物（例 如，不需要的部位、清洗物流、被污染物料等）、食品加工过程废物（例如，被分离的废物流， 如油脂、脂肪、茎、壳、中间过程残余物、漂洗/清洗物流等）、有附加值的农业设施副产物 (例如，蒸馏器的湿谷物（DWG)和来自乙醇生产过程的浆料等）等。牲畜业设施的实例包括 但不限于牛肉、猪肉、火鸡、鸡肉、蛋品和奶类的处理设施。农作物的实例包括但不限于各种 类型的非木质植物（如棉花），诸如玉米、小麦、大豆、高粱、大麦、燕麦、黑麦等的谷物、药草 (如花生），诸如柳枝稷、苜蓿的短循环草本作物，等等。
[0032] 本文采用的术语"预处理步骤（pretreatment step) "，是指用来改变天然生物质 使其能更有效和经济地转化为诸如糖和有机酸等的反应中间体化合物的任何步骤，而这些 中间体可被进一步加工成多种有附加价值的最终产物，例如乙醇、异丁醇、长链烷类等。所 述预处理能够降低聚合物底物的结晶程度，降低木质素对于生物质转变以及涉及一些结构 碳水化合物水解带来的干扰，从而增加其酶消化性和加速生物质降解成为可用产品。预处 理方法可以利用具有不同浓度的酸类（包括硫酸、盐酸、有机酸等）和/或诸如氨、氢氧化 铵、氢氧化钠、石灰等的碱类。预处理方法可以另外或选择地利用热液处理，包括水、热量、 蒸汽或加压蒸汽。预处理可以在各种类型的容器、反应器、管道、流经单元等中进行或展开。 大部分的预处理方法会导致木质素部分地或完全地增溶和/或去稳和/或使半纤维素水解 成为戊糖糖类。
[0033] 本文采用的术语"水分含量（moisture content) "，是指生物质的百分含水量。所 述水分含量是以每克湿生物质（生物质干物质加上液体）的液体（例如水）克数乘以100% 来计算的。照此，在无限制条件的情形，百分水分含量是基于总重量。
[0034] 本文采用的术语"氨膨胀（Ammonia Fiber Expansion,下文中称为AFEX?)预处 理"，是指用氨预处理生物质使得木质素从植物细胞壁溶解然后重新沉积到生物质的表面 的过程。AFEX?破坏木质纤维素的基体，由此改变木质素的结构，部分地水解半纤维素，并 且增加了纤维素以及剩余的半纤维素对于后续酶降解的可及性。木质素为天然生物质酶水 解的主要障碍，并且木质素的去除、转移或转化是多种主要的预处理技术，包括AFEX?，的可 能的机理。
[0035] 然而，与许多其它预处理相反，AFEX?过程的低温和非酸性条件防止木质素和/或 糖类转化成能不利地影响微生物活性的糠醛、羟甲基糠醛和有机酸。该过程还导致纤维素 纤维膨胀和溶胀以及无定形半纤维素在木质纤维素生物质中进一步分裂。这些结构变化打 开了植物细胞壁结构，能够将木质纤维素生物质更有效和完全转变成有附加值的产物，同 时保存物质的营养价值和成分。参见，例如，在美国专利6, 106, 888 ;7, 187, 176 ;5, 037, 663 和4, 600, 590中所述的方法，所有这些专利文献通过引用整体并入本文。
[0036] 本文所用的术语"凝结AFEX?预处理（condensed AFEX? pretreatment) "，是指本 文定义的一种AFEX?预处理，其中使用气态氨而不是液态氨。让热氨气体直接凝结于较冷 的生物质，生物质迅速变热，从而氨和生物质发生密切接触。
[0037] 本文所用的术语"添加的粘合剂（added binder) "，是指以足够提高密化生物质颗 粒稳定性的量添加或施用到被预处理的生物质纤维中的天然的和/或合成的物质和/或能 量的形式。一般添加的粘合剂的例子包括，但不限于，外源热量、蒸汽、水、玉米淀粉、木质素 化合物、褐煤、咖啡渣、树液、树脂、聚合物、盐、酸、碱、糖浆、有机化合物、尿素和焦油。特种 添加剂也可用来改进粘合和其它性能，比如颜色、味道、pH稳定性和防水性。
[0038] 以添加能量的形式添加的粘合剂典型地是以热量的形式全部加入，S卩外源热量， 例如对流或传导热量，尽管辐射热量也可以用于同样的目的。故意添加的外源热量与内在 热量形成对照，内在热量是由于被处理的原料而产生，例如在密化设备的运操作过程中产 生的摩擦热量。照此，对于生物质的预处理和/或密化来说的内在热量在此并不被认为是 "添加的粘合剂"。添加的黏合剂可以在密化过程之前、期间或者之后的任何时间添加到被 预处理生物质。添加的粘合剂的量可以根据被密化的基质的量而变化。
[0039] 本文所用的术语"颗粒（particulate) "或者"生物质颗粒（biomass particulate)"，是指密化的（即结实的）生物质，由多个松散的生物质纤维压缩成单个的 颗粒产品，其可以分为分离的碎片。所述颗粒能够是可水解的或不可水解的，而且尺寸范围 可以从微小粒子（大于粉末）到团粒（pellet)和团块（briquette)或较大的物体，例如， 砖块，或者再大一些的如草捆，或者更大的任何合适的体积。颗粒的具体几何结构和体积取 决于多种因素，包括所用生物质的种类，颗粒制备所采用的压力，所需的颗粒长度，特定的 最终用途，等等。
[0040] 本文采用的术语"团块（briquette) "，是指经压缩的颗粒。
[0041] 本文采用的术语"团粒（pellet) "是指被挤压的颗粒，即采用成型工艺将材料强制 通过模具形成。
[0042] 本文采用的术语"流动性（flowability) "，是指颗粒仅仅在重力作用下流出容器 的能力。因此，具有较高流动性的产品能够以相对于较低流动性的产品来说较快的速度流 出容器。
[0043] 本文采用的术语"物流性能（logistical properties) "是指，颗粒的一种或多种 与存储、处理和运输相关的性能，其包括但不限于，稳定性、保存期限、流动性、高堆密度、高 真密度、压缩性、耐久性、松弛性、反弹性、渗透性、无约束屈服强度，等等。
[0044] 本文采用的术语"固体载荷（solids loading) "，是指在含有固体、液体和水解添 加剂（例如酶类）的水解混合物中固体的百分比。所述固体可以是松散的纤维素纤维或密 化的纤维素颗粒。
[0045] 来自木质纤维素生物质的产品由于环境和社会可持续性优势获得很大的发展势 头。然而，相应的技术还没有完全商业化。一种妨碍利用糖品台生产纤维素生物燃料的因 素是木质纤维素生物质中某些成分的抗水解性。
[0046] 几乎所有形式的木质纤维素生物质，即诸如例如单子叶植物的植物生物质，包含 三个主要的化学成分：半纤维素、纤维素和木质素。木质素，作为苯酚分子聚合物，提供了植 物结构的整体性状，并且难以水解。照此，当生物质中的糖类在发酵成诸如乙醇的生物产品 之后，木质素仍然以残留物（即难分解的木质素基质）的形式存在。
[0047] 植物细胞壁中的纤维素和半纤维素以复杂的结构存在于在难分解的木质素基质 中。半纤维素是具有较短且较多支链结构的的聚合物，大多为五个碳的戊糖（木糖和阿拉 伯糖），以及在较低程度上为六个碳的己糖（半乳糖，葡萄糖和甘露糖）。由于其支链结构， 半纤维素是无定形的，并且相对容易通过酶或稀酸处理水解成个体组分的糖。纤维素为线 状的聚合物，包括在植物细胞壁中的0 (1 - 4)连接的D-葡萄糖，很像包含a (1 - 4)连 接的D-葡萄糖的直链/支链聚合物的淀粉，其为干粒玉米颗粒和湿磨乙醇植物的最主要基 体。然而，与淀粉不同，纤维素的葡萄糖由￠-糖苷键捆绑在一起，致使纤维素形成密切关 联的线性链。由于在纤维素链之间可形成高度的氢键结合，纤维素构成刚性的结晶结构，它 是高度稳定的并且相对于淀粉或半纤维素聚合物来说更加具有抵抗由化学或酶攻击产生 的水解作用。尽管半纤维素糖类代表转化成生物燃料的"低挂"水果，更高含量的纤维素代 表了在每吨植物的基础上生物燃料产量的更大潜力。
[0048] 因此，预处理过程被用来改变和打开细胞壁基质，水解半纤维素，以及降低的结晶 度。预处理能够破坏木质纤维素生物质的难分解部分，例如，纤维素和木质素，从而提高其 可消化性。预处理之后，大部分生物质变得容易消化，然而相当量的残余物仍然难以被消 化。最后，预处理过程使得碳水化合物更易于接近（在后续的水解处理中）转化为可发酵 糖的纤维素（Balan et al. 2008 ;Sierra et al. 2008 ;Sun and Cheng 2002)。例如，氨纤 维膨胀（AFEX?)，与酸的预处理相比，能够打开农业残余物的细胞壁，具有大大降低的降解 产物（Chundawat et. al.，2010)，尽管酸性预处理仍然是一种可行的选择。
[0049] 其它的预处理方法包括，例如，氨循环渗滤（ARP)，浓酸水解预处理，稀酸水解，二 级酸水解预处理，基于高压热水的方法（即，水热处理，如蒸汽爆破和水性的热水提取），反 应器系统（例如，间歇式，连续流动式，逆流式，流通式，等等），石灰处理和基于pH的处理， 水热或化学预处理，随后是酶水解（即酶催化水解）或同时的酶水解和糖化。如上文中所 指出的，某些方法致使半纤维素部分几乎完全水解，有效地高产回收可溶性戊糖类。这些糖 类的回收还可以促进物理去除周边的半纤维素和木质素，从而暴露纤维素以便后续处理。
[0050] 虽然纤维素更容易于在预处理后的水解中转化成其组成糖类，为了在下游发生的 发酵，所得到的糖类的浓度需要被控制在合适的程度（即，例如按重量计算至少约6%的可 发酵糖，或在一种实施方式中，至少约7%或约8%或更高，直到约9%或更高，例如高到约 18%或更高，包括它们之间的任何范围）。有些增加糖物流浓度的尝试，包括使用较低量的 预处理生物质以产生一种更为稀释的纤维素糖物流然后将该物流进行浓缩以达到较高糖 的浓度。然而，采用这种糖物流浓缩的方式是昂贵的。
[0051] 此外，由于经预处理的松散生物质纤维迅速吸收水分，使用较高量的松散生物质 纤维，即大于12%或更高的生物质的固体载荷（例如每千克总重的生物质、液体和酶，120 克预处理的松散生物质纤维），所得到的产物可能难以混合和/或不能有效地水解。解决这 些问题的尝试包括，通过加入较少预处理的松散生物质纤维进行分批处理，只在先前加入 的生物质纤维液化实现后才向水解罐中逐步加入后续的载荷。所述分批处理过程，即便是 仅仅包括两个或三个批次，由需要系列的液化操作，就会导致初始液化时间延长。
[0052] 克服这些问题的其它选择方案包括使用反应器和叶轮，而这样的方案，由于叶轮 相对于反应器内径的尺寸，被视为是"特别的"。这样的反应器带有直径大体上与反应器内 部直径相比具有相同长度的叶轮，亦即，叶轮尺寸与反应器直径之比大于3:4。实例包括但 不限于，水平桨式混合机、水平带式搅拌机、垂直螺旋丝带、锚式叶轮，等等。然而，这些反应 器通常比那些带有较小叶轮的更昂贵。另外，由于其重量，它们并不总是适合于大型容器 (>500, 000L)。
[0053] 各种实施方式提供了对松散生物质纤维进行预处理和密化以生成水解预处理密 化生物质颗粒（hydrolysable pretreated densified biomass particulates，以下称"水 解颗粒"）的方法。与常规的密化处理不同，本文所述实施方式并不依赖添加的粘合剂来提 高所得水解颗粒的物流性能或稳定性。而是，如此处所讨论的，本发明人令人惊奇地和出乎 意料地确定在不添加粘合剂即在密化阶段"无添加的粘合剂"的情况下，可以生产出高稳定 和高质量的水解颗粒，并且，在不同实施方式中，在预处理阶段密化之前或之后的任何时候 都没没有添加粘合剂。
[0054] 这些颗粒现在已经表明在时间和/或产率方面提高水解的效率，并且最终允许发 生下游的转化。这些改善的发生，部分地是因为，相较于松散的生物质纤维甚至包括经预处 理的松散的生物质纤维，本文描述的水解颗粒出乎意料地允许在水解的过程中有更高的固 体载荷。本文所述一种实施方式的使用水解密化颗粒的新颖水解过程相对于使用松散生物 质纤维的常规水解过程的视觉比较示意地显示于图7A-7H。由于这些视觉表述与实施例8 的测试内容相关联，在实施例8中对图7A-7H的内容进行了进一步的描述。不仅是所得糖 物流的浓度足够高以提供有效的转化，下游的生物产品的生产也更为有效并且更为经济合 算。
[0055] 在一种实施方式中，水解颗粒进行酶水解，采用高固体载荷（即水解颗粒在水解 颗粒、液体和酶的组合物中的含量大于12% )，其高达大约15%或更高，比如高达约35%， 包括其间的任何范围。使用高固体载荷的水解颗粒使得纤维素糖流具有足够的浓缩进行诸 如发酵的转化。
[0056] 各种合适的预处理方法都可被采用。在一种实施方式中，使用了氨纤维膨胀法 (AFEX?)〇
[0057] 在一种实施方式中，松散的生物质纤维在浓氨水存在下被加热到约60°C至约 100°C 〇 参见例如 Dale, B. E. et al. , 2004, Pretreatment of corn stover using ammonia fiber expansion (AFEX?). Applied Biochem, Biotechnol. 115:951-963,其全部内容在此通 过引用并入本文。然后压力迅速下降导致生物质结构的物理破坏，露出纤维素和半纤维素 纤维，而不发生通常许多预处理出现的极度的糖降解。
[0058] 几乎所有的氨都可被回收和再用，而剩余的氨可作为发酵过程微生物的氮的来 源。在一种实施方式中，大约1到2wt%的氨残留在预处理的生物质中。
[0059] 此外，由于在过程中没有清洗物流，AFEX?预处理之后干物质的回收基本上是定量 的。这是因为AFEX?基本上是一种干到干的过程。
[0060] 经AFEX?处理的生物质，与未经AFEX?处理的生物质相比，稳定的时间更长（例 如，长达至少一年），并且，与不能轻易高于20%固体的稀酸或其他水性预处理相比，在酶 水解或发酵处理中能够以非常高的（例如至少大约40%)固体载荷进料。
[0061] 纤维素和半纤维素在AFEX?过程中也得到较好的保留，表现出很少的降解。照此， 在AFEX?处理的生物质的酶水解之前没有必要进行中和。AFEX?处理的生物质的酶水解也 会为随后的发酵生产出清洁的糖物流。
[0062] 由AFEX?处理的生物质产生的降解产品也被识别和量化。在一项研究中采用 LC-MS/GC-MS技术对AFEX?和酸预处理的玉米秸杆进行了对比。在酸预处理的原料中，检 测出了超过40种的主要化合物，包括有机酸、呋喃类、芳香族化合物、酚类、酰胺类和低聚 糖。在轻微碱性条件下进行的AFEX?预处理产生非常少的醋酸、HMF和糠醛。参见Dale，B. E.et al.,2004,supra, and Dale, B. E. et al,2005b,Pretreatment of Switchgrass Using Ammonia Fiber Expansion(AFEX?), Applied Biochemistry and Biotechnology. Vol. 121 - 124. pp. 1133 - 1142?也见 Dale, B. E. et al.，2005a. Optimization of the Ammonia. Fiber Explosion(AFEX?)Treatment Parameters for Enzymatic Hydrolysis ofCorn Stover,Bioresource Technology. Vol. 96, pp. 2014 - 2018.
[0063] 在一种实施方式中，采用了一种改进AFEX?预处理方法，S卩如实施例1中所述的气 态AFEX?预处理。在这种方法中，使用了气态氨，其凝结在生物质上。
[0064] 在一种实施方式中，将AFEX?预处理的条件针对特定生物质种类进行了优化。这 些条件包括，但不限于，氨载荷、生物质水分含量、温度和持续时间。在一种实施方式中，对 玉米秸杆进行了 AFEX?预处理，条件为温度约90°C、氨：干玉米秸杆的质量比1:1、玉米秸 杆水分含量37.5%、持续时间（保持在目标温度）5分钟。在一种实施方式中，对柳枝稷进 行了 AFEX?预处理，条件为温度约100°C、氨载荷1:1kg氨：kg干物质、水分含量45% (以 总重为基准）、持续时间5分钟。
[0065] 经AFEX?处理和未经处理的样品的水解结果分别显示93%相对于16%葡聚糖的 转换。优化的AFEX?处理的柳枝稷的乙醇产率经测定为约0. 2g乙醇/g干生物质，是未经 处理的样品的2. 5倍。参见Dale, B. E. et al.，2005b (见前）。
[0066] 在一种实施方式中，在经AFEX?处理的玉米秸杆的酶水解过程中，使用60滤纸单 位（FPU)的纤维素酶/g葡聚糖（相当于22FPU/g干玉米秸杆），获得理论葡萄糖产量的大 约 98%。
[0067] 乙醇产量的增加显不比未经处理样品的高出2. 2倍。在一种实施方式中，15和 7. 5FPU/g葡聚糖的较低酶载荷，与60FPU相比，不会显著影响葡萄糖产量。在该实施方式 中，不同酶水平的效果之间的差异随着处理温度的增加而减小。参见，例如，Dale, B.E. et al. 2004 (见前）；以及 Dale, B. E. et al.，2004 (见前）。
[0068] 对柳枝稷和玉米秸杆进行水解和发酵的优化的AFEX?预处理条件也被讨论 于 Dale, B. E. et al.，2004 (见前）；Dale，B. E. et al，2005b (见前）；以及 Dale, B. E. et al.，2005b (见前）。
[0069] 在一种实施方式中，采用了具有显著减少的氨载荷和较低需求氨浓度的改进 AFEX? 予页处理。参见 Elizabeth (Newton) Sendich，et al. , Recent process improvements for the ammonia fiber expansion(AFEX?)process and resultinR reductions in minimum ethanol selling price, 2008, Bioresource Technology 99:8429-8435 以及对 Dale, B. E.的美国专利申请公布2008/000873。
[0070] 在一种实施方式中，蒸汽被用作预处理，取代或外加于AFEX?处理。然而，蒸汽趋 于降低糖的可用性，从而降低饲料的整体质量。无论怎样，蒸汽仍然是预处理的可选实施方 式。
[0071] 在生物质纤维被密化时，随着纤维形成水解颗粒其本身通常变热。这种内在的热 量可包括本领域所知的在挤压或压缩过程中产生的摩擦热。如本文定义，这样的热量不能 被认为是"添加的粘合剂"。
[0072] 尽管在此所述的密化过程中并没有使用添加的粘合剂，在一种实施方式中，添加 的粘合剂可以在密化之前加入或施用到松散的生物质纤维。添加的液体，例如水，在预处理 过程中可提高水解颗粒的水分含量约10%至约50%。
[0073] 蒸汽可以在预处理，比如AFEX?预处理，之前和/或之中用于反应容器。在预处理 过程中向松散的生物质纤维中加入蒸汽可以允许水更为均匀地分布于水解中的水解颗粒。 在一种实施方式中，添加的粘合剂被施用或加入到水解微粒（即密化之后），尽管这样的步 骤会增加加工费用。当致密化过程完成时，蒸汽经蒸发离开水解颗粒，留下充分干燥的产 物，即水分含量一般为约5至约20%，尽管该实施方式并不受此限制。
[0074] 应当指出的是，最小量的由所述"添加的粘合剂"定义的不同物质和能量来源的加 入能够以不提高生物质颗粒的流动性和/或稳定性的量并在处理过程中和/或密化过程中 和/或密化过程之后的任何时间段进行，从而在技术上不具备本文定义的"添加的粘合剂" 的功能。然而，这样的添加可能增加加工费用。
[0075] 尽管非挥发性碱，诸如氢氧化钠，也可以用来使木质素移到表面，蒸发后残留的氢 氧化钠会对经处理的物质的诸如作为动物饲料或其他的进一步应用产生不良影响。
[0076] 由于纤维（例如木质素、半纤维素）内的温度达到低聚物的玻璃化转变温度，预处 理，比如AFEX?(和/或蒸汽），还将这些低聚物（主要是木质素）以及在有些实施方式中 的一些半纤维素转移到表面。一旦在表面，木质素和半纤维素是发粘的。令人惊奇的是，这 些低聚物（木质素或木质素和半纤维素）带有足够的粘性从而提供至少能与采用了添加的 粘合剂（该术语在本文中定义）进行密化的水解颗粒的性能。在各种实施方式中，在所述 过程的任何时间，包括密化之前、期间或之后，使用没有添加的粘合剂。
[0077] 照此，发明人发现不需要在形成水解颗粒之前将"添加的粘合剂"施用或添加到 (也可称为"固化（curing)"，通常是通过使用添加的蒸汽）预处理的生物质（例如，使用 外源热）。其它令人惊奇和意想不到的发现是，在密化过程中不需要以任何形式施用或加 入"添加的粘合剂"（并且在不同的实施方式中，在密化过程之前或之后不需要施用或加入 "添加的粘合剂"）以形成与常规含有添加的粘合剂的水解颗粒相比即便不是更好也至少同 样好流动性的水解颗粒。在过工艺程中，尤其是在密化过程中的任何时间，省去添加和/或 施用添加的粘合剂的步骤，能够进一步显著地降低工艺过程的成本，从而所提供的产品不 仅在环境上是绿色的，也是非常经济和便于包括任何常规方式的运输。
[0078] 在一种实施方式中，所述密化装置利用啮合系统通过相邻轮齿之间的锥形通道压 紧生物质。所述密化装置在低于60°C的温度下操作（参见实施例2)。所述密化装置可用 来制备团块，该术语如本文定义。在一种实施方式中，能耗被最小化，并且物理的和下游加 工的性能被优化。
[0079] 在一种实施方式中，所述密化装置是一种挤压装置，该装置可以用来形成常规的 基本上圆柱状的颗粒，现在通常称为团粒（pellets)(参见实施例4)。
[0080] 在一种实施方式中，提供了一种整合的生物质预处理和密化过程。在一种特定的 实施方式中，在没有添加的粘合剂的过程采用了氨处理，比如氨纤维膨胀（AFEX?)预处理 或浓缩AFEX?预处理，并结合压缩工艺，以形成水解颗粒。
[0081] 在一种实施方式中，所述水解颗粒为水解团块，其堆密度为切碎的生物质（其为 约50kg/m3)的至少10倍。在一种实施方式中，所述水解颗粒为水解团粒，具有堆密度约 550kg/m3。使用本文所述的整合过程，就不需要在处理设施中进一步进行预处理，并进一步 减少低密度原料梱需要运送的距离。
[0082] 在一种实施方式中，水解颗粒通过利用现有用于谷物的运输和操作设施而被输送 到集中处理设备作进一步处理，例如水解和/或转化（如发酵），和/或进一步处理以产生 各种生物广品。
[0083] 在一种实施方式中，AFEX?的条件根据被处理生物质的种类进行优化，以提高松散 纤维颗粒内在的粘合性，并且提高密化和存储之后的水解效率。
[0084] 进一步预期的是团块的下游工艺特征，与未经密化的生物质比较，在转化率（如 发酵率）、产率等方面至少同样好或者更好。的确，如本文所提到的，对团粒的水解的改进出 乎意料地是至少部分地由于水解颗粒吸收水分的能力下降。
[0085] 常规的学识会建议较差的吸水率会降低酶水解的效率。相反，随着水解团粒吸收 水分的能力下降，水解颗粒能够在较高固体载荷的液体和酶溶液中自由移动，即使是在水 解团粒完全分解之后。在一种实施方式中，即使在较高固体载荷的情形，水解颗粒由于其促 进物料混合的能力而增加水解能力。
[0086] 在一种实施方式中，水解发生在垂直搅拌反应器中，其叶轮尺寸与容器直径的比 率为1:4至1:2。在一种实施方式中，水解发生在垂直搅拌反应器中，其叶轮尺寸与容器直 径的比率为约1:3,尽管各种实施方式并非如此限制。在一种实施方式中，下游的转化过程， 例如发酵，也可发生在这样的反应器中。具有如此叶轮长度和反应器直径之比的反应器的 例子包括但不限于船用叶轮、把叶片涡轮、Rushton叶轮，等等。这不同于不涉及固体悬浮 的常规操作，其在整个水解和/或转化步骤中需要专门和更贵的反应器。
[0087] 在一种实施方式中，进行了酶水解。可以采用各种能够水解所选生物质的酶，包 括内切葡聚糖酶（endoglucanases)、纤维二糖水解酶（cellobiohydralases)、木聚糖酶 (xylanases)、果胶酶（pectinases)、木质素酶（ligninases)、膨胀素（swollenins)等。
[0088] 在一种实施方式中，提供了没有添加的粘合剂的AFEX?处理的水解颗粒。与常 规含有粘合剂的颗粒不同，本文所述经过新颖AFEX?处理的水解颗粒具有基本上光滑、非 怪异的外表面，大概是由于木质素以及在一些实施方式中半纤维素出现于水解颗粒的外表 面，基本上是作为一种涂层。就这样，AFEX?处理的水解颗粒不会像常规包含粘合剂的颗粒 (其不带有涂层并且在其外表面上带有可去的片块）那样容易剥落（损失质量）。
[0089] 在一些实施方式中，木质素和/或半纤维素的存在并不仅限于表面上，也可以在 水解颗粒的微细孔内。因此，AFEX?处理的水解颗粒还会额外获益，例如，较之于常规的含 粘合剂的颗粒（其含有添加的粘合剂，所含的粘合剂在化学上被限制仅仅处于含有粘合剂 的颗粒的表面）具有更为有效的与褐煤的燃烧/共烧效率。
[0090] 所述AFEX?处理的水解颗粒还是具有较小的可弯曲性，因此，与常规的未经预处 理的颗粒相比更为挺直。令人惊讶的是，与常规的的未经预处理的微粒的柔软感觉相比，该 新型AFEX?处理的水解颗粒具有较硬的"感觉"（以及可能较少脆性）。
[0091] 硬度试验（如实施例4)揭示AFEX?处理的团粒在突然断裂之前是较为牢固的。 与此相反，常规的团粒保持较长时间的强度，然而与本文所述新型AFEX?处理的水解团粒 相比，实质上是更为"可压缩"或"被挤压"（更为可比"雪茄"的软度）。在一种实施方式 中，AFEX?处理的玉米秸杆（CS)的水解团粒，与未经预处理的CS水解团粒相比，显示出至少 21%更为坚硬并且在硬度上具有至少20%较小的可变性。在一种实施方式中，新型AFEX? 处理的水解颗粒，与常规的未经预处理的CS水解团粒相比，表现出较小的变形（参见，例如 表7)。看来AFEX?处理的水解团粒、AFEX?处理的水解团块以及由其他类型生物质制成的 颗粒会表现出类似或更好的效果。
[0092] 木质素通常比植物材料中的其他成分颜色更暗，因此所得到的材料与不是基本上 由木质素包围的材料相比在外观上明显更暗。
[0093] 在一种实施方式中，为与比重不超过0. 87的未经预处理的CS团粒相比，AFEX?处 理的CS团粒具有高达1. 16的比重，尽管并非各种实施方式都受此限。与常规的未经预处理 的团粒相比，AFEX?处理的团粒显现为较少孔隙并且进一步显示出较高的硬度特性，AFEX? 处理的水解团粒很可能会显示出改进的短期和长期储藏性能，包括流动性、压缩强度、水溶 性、吸收性和总储存寿命，以及降低由于热和虫等原因导致分解的可能性。
[0094] AFEX?处理的水解颗粒还可预期具有改进的流动性。进一步的测试，如在预示的 实施例所描述的，会对改进的结果进行量化。
[0095] 在一种实施方式中，上述的一些或全部特征也存在于除团粒之外的其他水解颗粒 (例如团块）。在一种实施方式中，上述的一些或全部特征也额外地或替代地存在于采用除 AFEX?之外的其他方法预处理的水解颗粒，例如采用氨预处理或本文所述的其他的预处理 方法。参见实施例6-11。
[0096] 在一种实施方式中，提供了一种方法，包括水解（例如酶水解）一种或多种水解 密化纤维素生物质颗粒，其中固体载荷为大约12%至大约35% (例如大约18%和大约 24% )，以产生含有可转换糖的物流。在一种实施方式中，转化步骤包括将含有可转换糖的 物流进行发酵以产生生物产品。在一种实施方式中，在水解密化纤维素生物质颗粒中的生 物质是玉米秸杆、柳枝稷、木料、草原索草，或它们的组合。
[0097] 在一种实施方式中，水解密化纤维素生物质颗粒的产生是通过：将一定量的松散 纤维素纤维进行预处理（例如氨预处理），其中包含在各种纤维中的至少部分的木质素迁 移到各种纤维的外表面以产生一定量发粘松散生物质纤维；以及密化一定量的发粘松散纤 维素生物质纤维以产生所述一种或多种水解密化生物质颗粒，其中所述一定量的发粘生物 质纤维的密化不使用添加的粘合剂。在一种实施方式中，所述预处理步骤和密化步骤构成 一种整合过程。在一种实施方式中，氨预处理是氨纤维膨胀（AFEX?)处理，例如气态AFEX? 处理。在一种实施方式中，所述方法进一步包括在预处理步骤中添加水和/或蒸汽。
[0098] 所述方法产生的生物产品是生物燃料（例如乙醇或丁醇）。
[0099] 在一种实施方式中，提供了一种系统，包括水解设备用于水解一种或多种水解密 化纤维素生物质颗粒，其中固体载荷为大约12%至大约35%，以产生含有可转换糖的物 流。所述水解设备可以是生物产品生产设备，例如乙醇生产设施，的一部分。在一种实施方 式中，所述生物质颗粒中的生物质是玉米秸杆。
[0100] 在一种实施方式中，所述系统还包括：预处理设备，用于将一定量的松散纤维素纤 维进行预处理，其中包含在各种纤维中的至少部分的木质素迁移到各种纤维的外表面以产 生一定量发粘松散生物质纤维；以及密化设备，用以密化一定量的发粘松散纤维素生物质 纤维以产生所述一种或多种水解密化生物质颗粒，其中所述一定量的发粘生物质纤维的密 化不使用添加的粘合剂。在一种实施方式中，所述预处理设备和密化设备是同位安置。
[0101] 所获得的所述密化生物质颗粒具有多种用途，包括但不限于，生产动物饲料，经过 化学催化或化学转换作用的整套的其他生物产品，其他的生化用途，生物燃料（包括用于 发电，例如，燃烧于锅炉、燃用生物质的炉灶等等），作为固体材料的成分（例如纤维板和挤 压的建筑材料等等）。
[0102] 本文所述的各种AFEX?过程中的氨预处理能溶解确定量的木质素并进一步将显 著数量的纤维素从植物材料的内部带到纤维的外表面或外边缘。如此，物料就更容易被动 物消化。在一种实施方式中，组合的所述预处理水解颗粒，例如本文所述的AFEX?处理团块 或团粒，连同本领域已知的合适的添加剂和填充料一起生产新型的动物饲料。
[0103] 在一种实施方式中，经预处理的水解颗粒，如AFEX?处理的团块或团粒，与煤混合 为发电厂提供了一种新型的给料。
[0104] 低堆密度的物料的收割、处理、运输和存储对于生物产业的开发来说形成相当的 挑战。假设产率为70gal/ton，以密度120kg/m3捆包的生物质，对于设定量的乙醇，会需要 相较于玉米粒超过十倍的物料体积。这样较低的堆密度不会使卡车到达最大载重能力，从 而进一步增加物料供应所需的卡车数量。
[0105] 随着开发替代生物产品的生物经济的发展，个体商由于经济因素需要便利地将其 生物质产品出售到生物能源市场。例如，利用区域生物质处理中心（RBPCs)(例如在5至10 英里区域之内），圆梱物料可利用现有货运行业的设施和工具进行输送。由于RBPCs的适当 测量，圆梱物料的货车运输距离可被最小化。此外，多个分布式RBPCs的存在，能够尽量减 少圆梱物料长期贮存的需要。较短期的贮存可以采用圆梱打包和其他的现有方式，以减少 开支。利用本文所述的新颖整合预处理（例如AFEX?预处理）/密化系统，水解颗粒可被更 有效地运输到集中加工点。
[0106] 所述不同的实施方式将进一步通过参考以下实施例作进一步的描述。这些实施例 是用来进一步阐明各种实施方式。然而，应当理解，可以进行许多变化和调整而不超出所述 不同的实施方式的范围。 实施例1
[0107] 使用的玉米秸杆（CS)(颗粒收获后剩下的所有物料，典型地包括茎杆和叶子但不 包括棒芯）是从 Michigan State University(MSU)Agronomy Center Field 种植的交种 玉米植物（Zea mays L.)于2007年10月收获，并且在室温下保存在置于30加仑垃圾桶 中的单独5公斤包袋。所述柳枝稷（SG)是从Farm Lane at MSU的Thelen Field种植的 "Alamo"低地种Panicum virgatum L于2005年10月收获，并保存于密封的Ziploc?牌塑 料袋，放置于4°C的冰箱中。
[0108] 所述CS和SG是参照前文所述美国专利'888，'176，'663和'590中描述的方法 进行了 AFEX?处理，其中有一定的变动。具体而言，不是对生物质施用液态氨以及像常规 AFEX?处理那样让氨与生物质反应，而是采用气态氨的方法。让热氨气直接冷凝于较冷的 生物质，致使氨和生物质充分混合。
[0109] 所述气态 AFEX? 预处理是在 Michigan State University, East Lansing, Michigan 的 Biomass Conversion Research Laboratory 进行的。除非另有说明， 使用了常规实验室备有可用的标准实验设备。所述AFEX?预处理是在具有防护玻璃且最低 面速为75英尺/分钟的经过检验的标准通风罩中进行的。
[0110] 本实验中使用了 Parr Instruments Model 4524型台式反应器（下文称"4254反 应器"）。反应室首先被放入4254反应器的加热套。J型T耦合温度探针的一端被连接到 Parr Instruments Model 4843Modular 型（热）控制器（下文称"4843 控制器"），而另一 端通过将温度探针放置于靠着反应室的内壁（约向下的中间位置）连接到反应器。然后， 在该反应室盖上定制的圆形不锈钢金属片，其上带为温度探针设置的直径为约12. 7cm(约 5in)的切口。所述控制器被开到低档（利用红色加热开关），以及J型温度（蓝色）控制 器显示室温读数为约25°C ±5°C。
[0111] 从所述控制器短暂地连接了（黄色）K型热电偶（红色显示）和（绿色）Omega牌 CX105型压力连接器（在Stamford, CT设有办事机构）（绿色显示）用以测试4254反应器 盖探针。所述红色显示表明室温读数为约25°C±5°C。所述绿色显示表明latm表压读数 为-0. 34至约0. 34atm(约-5至5psig)。所述黄色和绿色连接器和4254反应器的盖子置 于一旁，蓝色预热温度被开启以预热4254反应器到室温+20°C的目标温度。所述蓝色显示 被观测大约5分钟以确保蓝色温度按3°C /min的速度上升。
[0112] 采用Sartorius MA35型水分分析仪（Goettingen, Germany)确定每个生物质样品 的水分含量。样品的初始水分测量值一般为5到10%。加入到4254反应器的各种样品的 重量为150g干重，S卩"干生物质"。然后称出能得到150g干生物质（通过总水分计算的到） 的生物质的量。例如，对于带有5%水分含量的生物质样品，可进行如下的计算：生物质中 x(g)水=(150g干生物质八1-0.05) - 150g干生物质）。求解"x"得到存在于生物质中的 水为7. 9g。因此，在本实施例中，添加150g干重的生物质的操作包括称取并加入5 %水分 含量的生物质样品157. 9g。
[0113] 然后计算需要添加到每个样品中的去离子水的量。对于玉米秸杆，所需的水分含 量是37. 5%。对于柳枝稷，所需的水分含量为45%。之所以选择这些数值，是因为它们分 别代表在AFEX?后的酶水解中葡萄糖和木糖产率最高的优化的生产物质水分。
[0114] 因此，对于已经带有7. 9g水分的玉米秸杆样品，但需要37. 5%水分含量，可进行 如下的计算：要加入生物质的x(g)水=(150g干生物质/(1-0. 375)-150g-7. 9g已经存在 于生物质的水。求解"x"结果为要加入的水为82. lg。该实施例中150g干玉米秸杆样品的 总重会是82. lg+7. 9g+150g = 240g。使用水瓶将水喷雾到各个生物质样品，直到达到总重 量（干生物质（g) +所需水分（g))。通过搅拌，使得生物质被水均匀覆盖。
[0115] 称量了空的500ml氨罐，其最大充装量为208g (Parker 500ml spun 316不锈钢压 力容器（以下称"Parker罐")）并带有安装在两端的由Swagelok Co?公司（在Chicago，IL 设有办事机构）制造的高压Swagetok? Series 83型双向球阀门。由于在完成所述步骤后， 瓶内残留的氨大致有8g，AFEX?预处理所需的氨罐和氨的总重量确定为将8g加到所需氨的 量。
[0116] 将Parker罐连接到Airgas, Inc. (Radnor, PA)制造的Airgas?牌存氨罐（带有虹 吸管），开启所述氨罐上的入口阀，然后开启Parker罐上的入口阀。让所述Parker罐充满 直到其冷却并且从罐内不再能听到充装噪音（经过的时间为大约1分钟）。存氨罐上的出 口阀被打开到大约1/4的程度。经过数次试验之后，确定大概需要约20秒的时间将158g 的氨加入到Parker罐。此后，关闭所有的阀门，从Parker罐的出口阀最后到存氨罐的出口 阀。将Parker罐称重，确保其总重量等于预期的总重量。如果重量过大，在风罩下释放一 些氨。当重量不足时，就要重复上述的步骤。
[0117] 所述 Parker 罐，现已装有氨，首先米用 Briskheat (Columbus, 0H)的 BH Thermal 牌加热带进行包裹，然后插上Briskheat (Columbus, 0H)的BH Thermal牌加热带的控制器 进行加热。罐压开始在〇-125psig(取决于罐内氨的温度，由于在充装过程中变冷）。所 述Parker罐被加热直到600psig(40bar)，从对于"冷"反应（80°C )的400psig(27bar)调 节到热反应（160°C)的1000psig(70bar)。压力慢慢地增加，其速度总是低于0.034atm/ sec(5atm/sec)〇
[0118] 将所需的生物质加入到反应室中。将（黑色）温度探针从反应室中取出并且放置 到加热罩侧面的沟槽内使得能够测量反应室外表的温度。将（蓝色）显示温度调节到（利 用箭头键）比初始预热温度高出+20度以便对反应室进行继续加热。
[0119] 将反应室的盖子挪开并加上漏斗。然后，将所选择的生物质样品倾倒从漏斗进入 反应室。加入之后，（黄色）温度探针的针尖完全被生物质覆盖并且可见离盖子的氨输入 喷嘴大约2. 54cm(约lin)。然后移去漏斗，将盖子放回到4254反应器的顶部，并且利用螺 栓将支架拧紧使盖子密封到位。
[0120] 然后将所述Parker罐连接到反应室。还将Welch 8803型真空泵 (Niles, Illinois)附连到反应室。将4254反应器上的真空阀打开，并且启动真空以从4254 反应器吸取空气约1分钟。将真空阀关闭，并且真空也被停止。所述（黄色）温度探针和 所述（绿色）压力连接器也被插入4843控制器。存氨罐（仅仅）通往反应室的阀门被打 开。
[0121] 通过打开连接到Parker罐的4254反应器阀门开始进行AFEX?反应。当Parker 氨罐和反应室之间的压力达到平衡时，氨罐和反应室之间的阀门被关闭（即，大约1分钟 后）。Parker罐上的加热带也被关闭。所述4843反应器的加热器被留置在比用于预热的 初始预热温度高出20°C的较低设定。在1分钟之后，峰值（红色）显示温度和（绿色）压 力被记录。当（红色）显示温度没有在1分钟内达到>l〇〇°C，就意味着原料没有接触到温 度探针。此后大约每5分钟分别记录温度和压力。
[0122] 从后文提到的膨胀步骤之前大约5分钟开始，将所述真空从4524反应室盖子分离 开。将氨罐管子从反应室盖子移除。将反应室转动致使4524压力释放阀朝向通风罩的背 面。将通风罩的框格调到最大面速（建议为75英尺/分钟）。膨胀步骤：戴上耳防护用具。 通过打开压力释放阀迅速释放4524的氨压力。
[0123] 将反应室盖移除。将生物质移走，放置在托盘中并且留置于通风罩下让氨气挥发。 所述AFEX?生物质被空气干燥过夜。对Parker罐进行称重以测定施加到生物质中留存氨 的克数，并记录重量。从置于通风罩内的Parker罐将残余的氨（约8g)释放出来。 实施例2 原未4矛口样品泡丨备
[0124] 使用与实施例1所述从相同资源获得的玉米秸杆（CS)。每种类型的生物质两个 样品，各自2kg，被用来进行根据实施例1所述方法的AFEX?预处理。预处理后，所述样品 被通过压块装置进行密化，（Federal Machine Co. d/b/a ComPAKco，LLC, Fargo, ND)以形成 AFEX?玉米秸杆（AFEX?-CS)团块和AFEX?柳枝稷（AFEX?-SG)团块。
[0125] 图1显示了四种所得到的产品，包括7g的AFEX?-CS 102，12g的AFEX?-SG104,22g 的 AFEX?-CS 106 团块以及 23g 的 AFEX?-SG 108 团块。所述 AFEX?-CS 和 AFEX?-SG 团块， 106和108,分别地具有大体上矩形的形状。团块106和108都具有约2. 54cm(约lin)的 宽度，约1. 27cm(约0. 5in)的厚度，以及约10. 16至约12. 7cm(约4至5in)的长度（团块 的长度取决于ComPAKco机器上使用的特定设置）。
[0126] 该图像表明，仅仅7至12g未经压块的（即松散的）生物质，如AFEX?_CS 102和 AFEX?-SG 104,比起22或23g的团块，例如AFEX?-CS团块106和AFEX?-SG团块108,的生 物质占用更多的空间。在本实施例中，未经压块的生物质（102和104)比经过压块的生物 质（106和108)，占用约570至约980%或更多的空间。
[0127] 图2是包含粘合剂的非AFEX?_CS团块和根据不同实施方式的AFEX?_CS团块的图 像。 完成的测骀
[0128] 另外的几种样品是根据上述的方式进行制备，并且进行例如对静堆角（Angle of Repose (° ))的初步物理测试，相关方法的描述可参见例如Carr, R. L. Jr. 1965. Evaluating flow properties of solids. Chemical Engineering 72(3):163-168。
[0129] 热导率（W/m °C )的测定采用了热力性能仪表（KD2, Decagon Devices，Pullman，WA),是利用文献，Baghe_Khandan，M.，S.Y Choi, and M. R. Okos.1981, Improved line heat source thermal conductivity probe, T. of Food Science 46(5) :1430-1432,描述的线热源探针技术进行的。
[0130] 水分活性是通过使用校准的水分活度仪（AW Sprint TH 500, Novasina, Talstras se, Switzerland)测定的。
[0131] 堆密度（kg/m3)，真密度（kg/m3)和孔隙度是通过使用多体积比重 计（Micromeritics model 1305，Norcross，GA)进行测定的，参见 Sahin，S.and S. G. Sumnu. 2006, Physical properties of foods,New York, NY: Springer Science Media, LLC〇
[0132] 水分含量是采用ASAE standard method S352. 1的方法并通过使用ISOTEMP实验 室天平（型号：838F，Fisher Scientific，Pittsburg, PA)测定的，参见ASAE Standards. 51sted. 2004. S352. 1:Moisture measurement-Grain and seeds, St. Joseph, Mich. :ASABE〇
[0133] 色彩属性（L*，a*，b*)是通过使用光谱色度计（LabScan XE, Hunter Associates Laboratory, Reston，VA)进行测定。
[0134] 圆度和球度是通过使用带有DP数码相机的Olympus SZH10立体显微镜测定的，随 后利用Image Pro Plus?软件对颗粒进行图像分析。
[0135] 水溶性指标（％ )和吸水性指标（-)是通过使用下述文献描述的方法进行计算 StJ ：Anderson, R. A. , H. F. Conway, V. F. Pfeifer, and E. L. Griffin. 1969, Gelatinization of corn grits by roll and extrusion cooking, Cereal Science Today 14(1):4〇
[0136] 测定结果列于表1 : 表1 :AFEXa-CS和AFEX^-SG对比AFEX^-CS和AFEXn-SG闭块的物理件质*

【权利要求】
1. 一种方法，包括： 水解一种或多种水解密化生物质颗粒以生产可转化的含糖物流，其中所述密化生物质 颗粒由下述步骤制备： 将一定量的植物生物质纤维进行预处理，致使包含在各种纤维中的至少部分的木质素 和/或半纤维素迁移到所述纤维的外表面以产生一定量的经过预处理的发粘植物生物质 纤维；以及 密化所述一定量的经过预处理的发粘植物生物质纤维以产生所述一种或多种水解密 化生物质颗粒，其中所述生物质纤维的密化不使用添加的粘合剂。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中固体载荷为大约12%至大约35%。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中固体载荷为大约12%至大约20%。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述水解为酶水解。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述生物质纤维是玉米秸杆纤维，柳 枝稷纤维、草原索草纤维，或它们的组合。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述预处理和所述水解步骤是以整合工艺并在单 一位置进行的。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中所述预处理是氨预处理或氢氧化钠预处理。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述氨预处理为液态氨纤维膨胀（AFEX)预处理或 气态氨纤维膨胀预处理。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述预处理过程中添加水 和/或蒸汽。
10. 根据权利要求5所述的方法，其中所述可转化的含糖物流被发酵以制备生物产品。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中发酵率与采用非密化植物生物质所达到的发酵 率相比较获得改善。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中所述生物产品是生物燃料。
13. -种根据权利要求1所述方法制备的产品。
14. 一种系统，包括： 水解设备用于水解一种或多种水解密化生物质颗粒以生产可转化的含糖物流，其中所 述密化生物质颗粒由下述步骤制备： 预处理一定量的植物生物质纤维致使包含在各种纤维中的至少部分的木质素和/或 半纤维素迁移到所述纤维的外表面用以生产一定量经过预处理的发粘植物生物质纤维；以 及 密化所述一定量经过预处理的发粘植物生物质纤维以生产所述一种或多种水解密化 生物质颗粒，其中所述生物质纤维的密化不使用添加的粘合剂。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中所述水解设备是生物产品生产设备的一部分， 并且所述可转化的含糖物流在所述生物产品生产设备中被发酵以制备生物产品。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中所述生物产品生产设备是乙醇生产设备。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中所述生物质纤维是玉米秸杆纤维。
18. 根据权利要求14所述的系统，其中固体载荷为大约12%至大约35%。
19. 根据权利要求14所述的系统，其中固体载荷为大约12%至大约20%。
20. 根据权利要求14至19任一项所述的系统，进一步包括： 预处理设备，用于所述预处理步骤；以及 密化设备，用于所述密化步骤。
21. 根据权利要求20所述的系统，其中所述预处理是氨预处理或氢氧化钠预处理。
22. 根据权利要求21所述的系统，其中所述氨预处理为液态氨纤维膨胀（AFEX)预处理 或气态预处理。
23. 根据权利要求20所述的系统，其中所述预处理设备和所述密化设备是同位安置。
【文档编号】D21C1/06GK104284983SQ201380022053
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】布莱恩·巴尔斯, 法札内·塔莫里, 蒂莫西·Ｊ·坎贝尔, 布鲁斯·E·戴尔 申请人:密歇根生物技术研究院, 密歇根州立大学董事会