下。可补充 参与到生物转化过程的限速步骤中的特定微生物，以增加限速步骤的反应速率或收率。 [0110] 在利用微生物共同体的实施方案中，不同的微生物物种可被提供用于不同的目 的。例如，将特定微生物引入用于以下目的：增加养分、降低毒素的浓度和/或抑制参与转 化过程的共同体中的另外一种微生物的竞争微生物。一个或更多微生物物种可被引入来实 现两个或更多这样的目的。
[0111] 微生物可以是天然存在的或从天然存在的菌株中合成的。而且，该微生物可包含 遗传修饰的有机体。这些微生物可包括真菌、细菌、古生物和其组合。通常基于实现含碳分 子到感兴趣的特定产物的转化的代谢途径来选择微生物。
[0112] 在一些实施方案中，至少一种养分被引入微生物消化器中。这些养分可以是一种 或多种微生物物种所依赖的物质，或者养分可以是能够或将被转化为一种或多种微生物物 种所依赖的物质的物质。用于本发明的合适的养分包括铵、维生素 C、生物素、钙、泛酸钙、 氯、钴、铜、叶酸、铁、Κ2ΗΡ04、ΚΝ03、镁、锰、钼、Na 2HP04、NaN03、NH4C1、ΝΗ4Ν0 3、镍、烟酸、对氨基 苯甲酸、生物素、硫辛酸（lipoic acid)、巯基乙磺酸、烟酸、磷、钾、盐酸吡哆醇、核黄素、硒、 钠、硫胺素、硫辛酸（thioctic acid)、钨、维生素 B6、维生素 B2、维生素 B1、维生素 B12、维生 素 K、酵母提取物、锌和这些养分中的一种或多种的混合物。
[0113] 在一些实施方案中，至少一种酶也可被加入到微生物消化器中。该酶可被用于，例 如增强含碳材料的转化。例如，酶可被用于帮助特定的转化反应，优选地在生物转化过程中 的限速反应。在一些示例性的实施方案中，酶可用于进一步增加生物转化过程的收率、速率 和/或选择性，或者增加抑制对生物转化过程的收率、速率和/或选择性有抑制作用的至少 一种物种的生长的物质。
[0114] 适合于本发明的酶包括乙酰木聚糖酯酶、醇氧化酶、脲基甲酸水解酶、α淀粉酶、 α_甘露糖苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、α-L-鼠李糖苷酶、氨单加氧酶、淀粉酶、淀 粉- a -1，6-葡萄糖苷酶、芳基酯酶、细菌a -L-鼠李糖苷酶、细菌支链淀粉酶（Bacterial pullanases)、β -半乳糖苷酶、β -葡萄糖苷酶、羧化酶、羧酸酯酶、羧基粘糠酸脱羧酶、过 氧化氢酶、儿茶酚双加氧酶、纤维素酶、壳二糖酶/β -氨基己糖苷酶、辅脱氢酶、CoA连接 酶、脱羧酶（Dexarboxylases)、二稀醇内酯水解酶、双加氧酶、歧化酶、多巴4, 5-双加氧酶、 酯酶、家族4糖基水解酶、葡聚糖酶、葡萄糖右旋糖酐酶、葡萄糖苷酶、谷胱甘肽巯基转移 酶、糖基水解酶、透明质酸酶、水合酶/脱羧酶、氢化酶、水解酶、异淀粉酶、漆酶、果聚糖蔗 糖酶/转化酶、扁桃酸消旋酶、甘露糖基寡糖类葡糖苷酶、蜜二糖酶、甲烷微菌目蝶岭S-甲 基转移酶（Methanomicrobialesopterin S-methyltransferases)、甲川四氢甲烧噪呤环水 解酶（Methenyl tetrahydro-methanopterin cyclohydrolases)、甲基-辅酶 Μ 还原酶、甲 基粘康酸内酯甲基异构酶（Methylmuconolactone methyl-isomerase)、单加氧酶、粘糖酸 内酯δ -异构酶、固氮酶、0-甲基转移酶、氧化酶、氧化还原酶、加氧酶、果胶酯酶、周质果 胶裂解酶、过氧化物酶、酚羟化酶、酚氧化酶、酚酸脱羧酶、植烷酰辅酶Α双加氧酶、多糖脱 乙酰酶、支链淀粉酶、还原酶、四氢甲烧-噪呤S-甲基转移酶（Tetrahydromethan-opterin S-methyltransferase)、嗜热甲烧葡聚糖转移酶和色氨酸2, 3-双加氧酶。
[0115] 在一些实施方案中，在加热步骤中产生的二氧化碳、一氧化碳和氢气可被供料至 微生物消化器，在该消化器中特定的微生物能够将这些气体转化为小分子有机酸、氢气、 醇、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和其组合。
[0116] 图3描述了根据本发明的一个实施方案的方法的图示被在。在预处理过程中含碳 原料原材料与试剂、水和空气或富氧空气相混合。该试剂包括至少一种增溶剂、至少一种氧 化剂和任选的催化剂。预处理过程也包括将混合物加热至合适的温度和合适的压力。
[0117] 来自加热步骤（预处理）的反应产物随后经历化学分离，在化学分离中矿物质、氧 基化学物质和其它化学物质从反应产物中分离。反应产物的剩余部分被引入微生物消化器 用于生物转化以产生生物气。
[0118] 预处理步骤有两个重要的目的：增强微生物消化器中的生物可降解性以及将含碳 材料转化为矿物质和希望的化学物质。在一些实施方案中，为了更好地实现两个目的到满 意，将加热步骤作为多个连续步骤来进行可能是合适的。例如，如果第一次加热具有为更高 的生物可降解性优化的条件，那么含碳原料的完全氧化裂化溶解可能就不会实现。本发明 因此包括在不同的条件下进行两个或更多个连续加热步骤的方法。
[0119] 在一些实施方案中，可以使用前一步骤的反应产物作为下一个步骤的供料，在不 同的条件下进行两个或更多个连续加热步骤。每一个子步骤的反应条件被调整为利于不同 的反应、反应速率、转化程度等。来自一个子步骤的反应产物或者其一种或多种组分可被供 料至下一个子步骤。例如，一个子步骤可以具有针对有价值的氧基化学物质的生产选择的 反应条件，而另一个子步骤可以具有针对增强反应产物的生物可降解性选择的反应条件。
[0120] 可选地，反应产物可以在将其供料至下一个步骤之前以某种方式被改变，例如，通 过化学或物理的方式分离反应产物的一种或多种组分。而且，反应产物或其一种或多种组 分也可以被再循环至最初的加热步骤。通过加热步骤的至少一个附加途径可被用于增强或 完成含碳原料中的含碳材料的转化和溶解。待再循环的产物的组分的实例是能够由机械方 式分离的部分被转化的固体。过滤、沉降、离心、水力旋流和其它技术可用于分离来自溶解 的含碳材料的未转化或部分转化的较大颗粒的产物材料。由于经过再循环步骤实现了较长 的结合停留时间，因此这些较大的、通常部分被氧化（被反应的）的材料可随后通过再循环 被进一步反应为较小的材料。
[0121] 参考图1-2,在一些实施方案中，本发明的方法可被配置为将反应产物或其组分 从加热、微生物消化和/或化学或物理分离步骤再循环至加热或传输步骤（communition step)。可选地，后一通过加热步骤的反应条件可以与第一次通过加热步骤的反应条件不 同。
[0122] 参考图4,本发明的方法可被配置为将来自含有金属离子和未转化的含碳材料的 微生物消化器的材料再循环至步骤（2)以增强氧化反应和重整的效率。
[0123] 与本发明相比，现有技术的方法通常基本上采用更苛刻的反应条件。该苛刻性可 以是以更高的温度、更高的压力或更高浓度的溶剂或氧化剂如纯〇2或其它昂贵的氧化剂的 形式。例如，在综述的现有技术中，溶剂的浓度是原料重量的0.12至10倍。本发明可用于 降低整体加工成本，并可使来自煤和类似的含碳原料的化学物质商业化，这在以前没有被 实现。此外，本发明的方法中，可控制转化或氧化的程度以产生不同类型和量的部分转化或 氧化产物。进一步地，可调整本发明的工艺条件以消除除灰分流（ash stream)中浓缩无机 物之外转化的煤固体，而不会显著损失C02。
[0124] 进一步地，本发明涉及用于处理黑液以产生大量不同类型的小分子有机化合物 (small organic compounds)的方法。该处理包括用氧化剂处理黑液，以产生一种或多种包 括约2至约20个碳原子的有机化合物的步骤。
[0125] 本文使用的术语"黑液"具有在纸浆和造纸工业中的通常含义。术语"黑液"还指 在苏打或硫酸盐的碱性溶液中蒸煮木质纸浆如牛皮纸，通过从木材中去除木质素、半纤维 素、妥尔油（tall oil)和其它提取物以释放纤维素纤维的造纸工艺中产生的液体。
[0126] 图9表示显示许多纸浆厂在生产黑液、处理黑液并从黑液中回收能量中实践的现 有技术方法的流程图。本发明在从制浆过程中回收黑液后并在通过燃烧回收能量的传统步 骤之前作用于黑液。
[0127] 图10例示了通过本发明的方法处理黑液的一个实施方案。将黑液和氧化剂连同 任选的附加试剂一起供料于反应器，并在压力下加热。反应器中的反应生成反应混合物，然 后该反应混合物可通过化学、物理或微生物方法处理和/或分离，以产生有机化合物。这些 有机化合物包括含有约2至约20个碳原子的有机化合物。
[0128] 在可选的实施方案中，在处理前将黑液分离或分馏成不同的组分。图11例示了一 种可能的实施方案。将黑液通过化学、物理或微生物方法分离，回收选择的有机聚合物作 为有经济价值的商品，黑液的剩余部分是黑液组分反应器原料（black liquor component reactor feedstock)。将黑液组分反应器原料连同氧化剂和任选的附加试剂一起供料至反 应器中，并在压力下加热。反应器中的反应生成反应混合物，然后该反应混合物可通过化 学、物理或微生物方法处理和/或分离产生有机化合物。这些有机化合物包括含有约2至 约20个碳原子的有机化合物。
[0129] 图11例示的实施方案的优势是那些有经济价值的有机聚合物，其可被出售以获 得比由反应器和随后的化学、物理或微生物分离产生的有机化合物更大的利润。
[0130] 在另一个可选的实施方案中，在处理前将黑液分离或分馏成不同的组分，如图12 所例示。来自纸浆生产线的黑液（"原黑液"）通过化学、物理或微生物方法分离，得到黑液 组分反应器原料和残渣。将黑液组分反应器原料连同氧化剂和任选的附加试剂一起供料至 反应器中并在压力下加热。反应器中的反应生成反应混合物，然后该反应混合物可通过化 学、物理或微生物方法处理和/或分离，产生有机化合物。这些有机化合物包括含约2至约 20个碳原子的有机化合物。从原黑液分离的残渣进一步脱水，并在回收炉中燃烧产生能量。
[0131] 图12例示的实施方案的优势是在供料至反应器之前黑液的分离形成纸浆生产 线，从而清理黑液以除去降低该方法的收率、效率、或利润率的组分，得到包含约2至约20 个碳原子的有机化合物。然后这些不需要的组分仍然可用作燃料。
[0132] 在又一个可选的实施方案中，在处理前将黑液分离或分馏成不同的组分，如图13 所例示。将黑液通过化学、物理或微生物方法分离得到选择的有机聚合物、黑液组分反应器 原料和残渣。将黑液组分反应器原料连同氧化剂和任选的附加试剂一起供料至反应器中， 并在压力下加热。反应器中的反应生成反应混合物，然后该反应混合物可通过化学、物理或 微生物方法处理和/或分离，产生有机化合物。这些有机化合物包括含有约2至约20个碳 原子的有机化合物。从原黑液分离的残渣进一步脱水，并在回收炉中燃烧产生能量。
[0133] 图13例示的实施方案的优势是原料黑液分离为三个流（即，有机聚合物、黑液组 分反应器原料和残渣），通过平衡三个流的含量可优化方法至实现最高的投资回报。
[0134] 可调整黑液组分反应器原料的组成以获得质量更好的反应器原料。这样的质量更 好的反应器原料可提高特别是有商业价值的有机化合物的收率，或者其可产生比纸浆生产 线的黑液反应更快、更容易或更廉价的组合物；或者更容易进行化学、物理或微生物分离。
[0135] 该黑液组分反应器原料包含水和有机固体的混合物。可选地，该黑液组分反应器 原料还可包含无机固体。该黑液组分反应器原料具有不同于来自纸浆生产线的黑液的组 成。具体地，其低于从黑液分离得到的任何内容物，例如一些有机聚合物（在图11例示的 实施方案的情况下），用于进一步蒸发和回收能量的残渣（在图12例示的实施方案的情况 下），或两者（图13例示的实施方案的情况下）。
[0136] 这种从原料黑液分离组分可能降低一些组分的浓度，并因此提高其它组分的相对 浓度。例如，除去脂肪酸盐（soaps)和/或妥尔油会增加木质素的浓度。在一个实施方案 下，相对于总有机物增加至至少55wt%，木质素的浓度从约35wt%增加至45wt%。在另一 个实施方案下，木质素浓度增加到至少65wt %。在另一个实施方案下，木质素浓度增加到至 少 75wt%。
[0137] 术语"木质素"是指无定形结构的苯丙烷聚合物，包含约17至约30wt%的木材 (wood)。木质素可与全纤维素相关，全纤维素可以构成通过在高温下进行化学反应分离的 木质材料的剩余部分。通常，尽管不希望受到理论的束缚，但认为木质素用作全纤维素纤维 的塑料粘合剂。
[0138] 术语"纤维素"的定义包括天然糖类高分子例如多糖，包括通过氧键连接以形成基 本上是线性的长分子链的葡糖酐单位。聚合度可以是约1，〇〇〇个单位（对于木质纸浆）至 约3, 500个单位（对于具有约160, 000-约560, 000分子量的棉纤维）。
[0139] 术语"半纤维素"是指具有150或更少聚合度的纤维素。
[0140] 术语"全纤维素"是指木材的水不溶性的碳水化合物部分。
[0141 ] 术语"妥尔油"是指来自将木材如松树消化或制浆得到的碱液进行酸处理获得的 松香酸、脂肪酸和其它材料的混合物。此外，将来自制浆工艺的废黑液浓缩直至不同酸的钠 盐如脂肪酸可被分离和然后撇去。这些盐可通过硫酸酸化提供额外的妥尔油。该组成可以 广泛变化，但可以，例如，平均为约35至约40wt%的松香酸和约50至约60wt%的脂肪酸。
[0142] 本发明提供一种将至少部分的黑液原料转化为转化产物和可生物降解的底物的 方法。本发明可以同时或连续氧化、解聚、重整和/或溶解黑液原料中的低值高分子量材料 为较低分子量的烃和氧合有机化合物，以及其它的低分子量化合物。
[0143] 短语"氧合有机化合物"是指包含至少一个氧原子的有机化合物。氧合有机化合 物的实例包括氧合经（oxygenated hydrocarbons)，以及含有其它杂原子的氧合化合物。
[0144] 术语"杂原子"是指除了氢或碳以外的任何原子。杂原子的实例包括氧、氮、磷、硫、 氟和氯。
[0145] 氧合烃的实例包括醇、醛、羧酸、羧酸盐、酯、醚、酸酐，等。氧合化合物可以是单官 能的、双官能的、三官能的或多官能的。氧合烃的定义也包括具有多于一个官能团的化合 物，例如多元醇、二羧酸、三元酸、聚酯、聚醚、醛酸等。氧合烃的定义也包括其中存在多于一 个官能团的化合物，其中所述官能团是不同的。
[0146] 羧酸的实例包括式R-C00H的化合物，其中R是烷基。具体的实例包括蚁酸 (formic acid)或甲酉爱（mathanoic acid)、酉昔酉爱（acetic acid)或乙酉爱（ethanoic acid)、 丙酸（propionic acid)、酪酸（butyric acid)、丁酸（butanoic acid)、结?草酸（valeric acid)、戊酸（pentanoic acid)、羊油酸（caproic acid)、己酸（hexanoic acid)、葡萄花 酸（enanthic acid)、庚酸（heptanoic acid)、羊脂酸（caprylic acid)、辛酸（octanoic acid)、天竺葵酸（pelargonic acid)、壬酸（nonanoic acid)、发酸（capric acid)、癸 酸（decanoic acid)、十一酸（undecylic acid)、十一烧酸（undecanoic acid)、月桂酸 (lauric acid)、十二烧酉爱、十三酉爱（tridecylic acid)、十三烧酉爱（tridecanoic acid)、 肉豆蔻酸（myrist