加工生物质
阅读：575发布：2020-05-12
专利汇可以提供加工生物质专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且加工 生物 质 原料(如， 植物 生物质、动物生物质和城市废物生物质)以生成可用的产物，例如 燃料 。例如，描述了可将原料物质转化为糖溶液，然后可 发酵 所述糖溶液生成产物例如 生物燃料 的系统。，下面是加工生物质专利的具体信息内容。
1.一种湿磨系统，其包括设置于同一容器中的一个或多个射流头以及一个或多个湿磨头，射流混合与湿磨同时进行，所述容器包括具有分散在其中的生物质的流体及糖化剂。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述生物质包括木质纤维素材料。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述木质纤维素材料选自由木质、刨花板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、柳枝稷、藻类及其混合物构成的组。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述木质纤维素材料的顽拗性已经降低。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述木质纤维素材料的顽拗性已经通过辐照所述木质纤维素材料而降低。
6.根据权利要求5所述的系统，其中辐照包括将所述材料暴露于电子束。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述湿磨通过使用包括转子和定子的头而进行。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述转子和所述定子之间的间隙为0.25-6.4mm。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述转子和定子包括齿的嵌套环。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述转子包括齿环，每个齿环中齿之间的间距为
2.5-7.6mm。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述定子包括两个或更多个齿的同心环。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括糖化剂。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括酶。
14.根据权利要求3所述的系统，其中所述农业废物选自由稻壳、蔗渣、稻草、玉米秸秆和椰子毛构成的组。
15.根据权利要求3所述的系统，其中所述青贮饲料是苜蓿。
16.根据权利要求3所述的系统，其中所述藻类是海藻。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述稻草是小麦秸秆。
18.根据权利要求3所述的系统，其中所述农业废物为草或者玉米棒。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述草是干草。
加工生物质
[0001] 本申请为国际申请号为PCT/US2012/041382，国际申请日为2012年6月7日，发明名称为“加工生物质”的PCT申请于2013年12月9日进入中国国家阶段后申请号为201280028148.5的中国国家阶段专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请案
[0003] 本申请要求提交于2011年6月9日的美国临时申请序列No.61/495,217的优先权。该临时申请的完整公开内容据此以引用的方式并入本文。
[0004] 背景
[0006] 概述
[0007] 本文所公开的工艺通过将生物质物质转化为低分子量糖而糖化或液化生物质物质，如纤维素、木质纤维素和/或淀粉原料，例如使用酶，如一种或多种纤维素酶和/或淀粉酶糖化原料。本发明还涉及例如通过生物加工，如发酵将原料转化为产物。该工艺包括湿磨原料。本发明人发现湿磨原料趋于减少糖化所需的时间，并且增加可在给定糖化时间内获得的糖的浓度。单独湿磨或与本文所述的任何处理协同作用可降低生物质物质的顽拗性。
[0008] 本文所公开的工艺可利用低堆密度物质，例如经物理预处理为具有小于约0.75g/cm3，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，如小于0.025g/cm3的堆密度的纤维素或木质纤维素原料。
[0009] 此类物质可能难以分散于液体，如水或用于糖化、发酵或其他加工的溶剂体系。由于其低堆密度，物质趋于浮在液体的表面，而不是浸透和分散于液体中。在一些情况下，物质可以是疏水的、高结晶性的，或者难以润湿的。同时，以相对高固体水平分散加工原料，以获得糖化物质中高终浓度的糖，或加工后高浓度的所需产物(如，发酵后的乙醇或其他醇)是所期望的。在一些情况下，利用本文所述的方法，加工期间的固体分散水平可为，例如溶解固体的至少10、15、20、22.5、25、27.5、30、35、40、45，或甚至至少50重量％。例如，固体水平可为约10至50％，例如约10-40％、10-30％或10-20％。
[0010] 在一个方面，本发明的特征是将木质纤维素物质的粒度减小至小于3000μm，如小于2000μm、小于1000μm或甚至小于500μm，如小于250μm或小于100μm。粒度范围可在100-3000μm，如200-2000μm、200-1000μm、500-1000μm之间。
[0011] 在一个方面，本发明的特征是降低木质纤维素物质的顽拗性以及湿磨木质纤维素物质。在一些情况下，顽拗性在湿磨之前降低。物质可在降低顽拗性之前或在降低顽拗性之后和湿磨物质之前致密化。
[0012] 在另一个方面，本发明的特征是包括湿磨木质纤维素物质，如具有降低顽拗性的木质纤维素物质的方法。
[0013] 在一些实施中，本发明的这些方面的任何一者可包括任何以下特征。
[0014] 生物质物质，如木质纤维素物质的顽拗性可以例如通过辐照木质纤维素物质，如通过将物质暴露于电子束而降低。在一些情况下，辐照包括给木质纤维素物质递送至少5毫拉德，如至少10、20、30、50、100、150或甚至200毫拉德的放射量。例如，放射量可在5-200毫拉德，如5-100毫拉德、5-50毫拉德、5-10毫拉德、10-100毫拉德或10-50毫拉德的范围内。
[0015] 木质纤维素物质可以是例如选自木质、刨花板、锯屑、农业废物、污物、青贮饲料、草、稻壳、蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、小麦秸秆、玉米棒、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、海藻、藻类及其混合物的物质。
[0016] 生物质还可以是淀粉、木质纤维素和/或纤维素物质的组合。例如，生物质可以是整个植物或诸如小麦植物、棉花植物、玉米植物、稻谷植物或树的植物的部分。
[0017] 在一些实施中，湿磨使用转子/定子头进行。转子和定子可包括齿的嵌套环。在一些情况下，定子包括两个或多个齿的同心环，并且转子包括被构造为在定子的齿的邻近环之间拟合的齿环。转子和定子之间的间隙通常很小，以产生高剪切，可以是例如约0.01至0.25英寸(0.25至6.4mm)。每个齿环中齿之间的间距通常也很小，如约0.1至0.3英寸(2.5至
7.6mm)。
7.6mm)。
[0018] 可使用多个转子/定子头进行湿磨，例如工艺在大型罐或容器中进行时。
[0019] 湿磨通常在相对高剪切速率下进行。剪切速率可为例如至少20,000秒-1，(例如，至少25,000秒-1、至少30,000秒-1、至少40,000秒-1或至少50,000秒-1)。剪切速率可为例如约-1 -1 -1 -1 -130,000秒 至约50,000秒 (例如，约25,000秒 至约50,000秒 、约30,000秒 至约50,000秒-1、约35,000秒-1至约50,000秒-1、约40,000秒-1至约50,000秒-1、约20,000秒-1至约45,000秒-1、约20,000秒-1至约40,000秒-1、约20,000秒-1至约30,000秒-1、约30,000秒-1至约40,000秒-1)。
[0020] 在一些实施中，以内嵌式进行湿磨。射流混合器可在湿磨期间施加。射流混合器也可在后续的加工期间，如在发酵期间使用。方法还可包括在湿磨之前、期间或之后将酶添加到生物质物质，如木质纤维素物质，和/或将微生物添加到生物质物质或来源于生物质物质的糖。在一些情况下，微生物在湿磨完成之后添加，例如以避免微生物在湿磨中受到伤害。在一些实施中，微生物将生物质原料或糖转化为选自醇、有机酸、糖、烃及其混合物的产物。
[0021] 本文所述的方法整体上提供相对高固体水平原料的相对迅速和有效的加工。通过提高混合物中原料的初始固体水平，工艺可更迅速、更有效以及更具成本效益地进行，并且所得的高浓度通常可以最终产物实现。在一些情况下，固体可在糖化期间，例如通过离心移除，并且可添加更多的原料。移除的固体可作为产物，例如作为电力的热电联产的可燃性燃料和/或作为动物饲料。
[0022] 本文所述的糖化工艺使得生物质物质，例如纤维素或木质纤维素原料转化为便利和浓缩形式，该形式可轻松地运输和用于另一个制造设施，例如被构造为将糖溶液发酵为醇的设施，以制造产物，如燃料例如乙醇、丁醇或烃。此类浓缩物可使用更少的水，其可以节省大量制造和运输成本。
[0023] 本文所公开的一些工艺包括原料的糖化，以及原料从远程位置，如原料生成或储存的位置运输到制造设施。在一些情况下，糖化可在运输期间部分或全部进行。
[0024] 在一些情况下，本文所述的系统或其组件，可为便携式的，以使得系统可以(如，通过铁轨、卡车或航海船舶)从一个位置运输到另一个。此类移动加工在提交于2009年1月21日的美国序列No.12/374,549和国际专利申请No.WO 2008/011598中有所描述，它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0025] 可通过利用本文所述的方法产生的示例性产物包括烃、蛋白质、醇(如，一元醇或二元醇)例如乙醇、异丁醇、正丙醇或正丁醇、羧酸例如乙酸、乳酸、柠檬酸、丙酸、琥珀酸、3-羟基丙酸或丁酸、羧酸盐、羧酸和羧酸盐以及羧酸酯(如，甲酯、乙酯和正丙酯)的混合物、酮、醛、α不饱和酸、β不饱和酸例如丙烯酸、烯烃例如乙烯、丁烯以及任何这些的混合物。具体例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、任何这些醇的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯，产物还包括糖，如葡萄糖、木糖和木糖醇。这些和其他产物在提交于2009年4月3日的美国序列No.12/417,900中有所描述；它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0026] 在一个方面，本发明的特征是湿磨系统，其包括设置于流体中的湿磨机，所述流体其中分散有生物质物质。该系统可以例如用于加工任选地经辐照(例如，使用电子束)的木质纤维素物质。该系统可包括设置于流体中的射流混合器。湿磨系统可包括转子/定子头，例如其中转子和定子包括齿的嵌套环。此外，定子可具有两个或多个齿的同心环。本发明的其他方面包括具有一个或多个射流头的罐，以及设置于罐中的一个或多个湿磨机。
[0027] 使用ASTM D1895B确定堆密度。简而言之，方法涉及用样品填充已知体积的量筒，以及获得样品的重量。堆密度通过将样品重量(单位为克)除以量筒的已知体积(单位为立方厘米)来计算。
[0031] 图3是乙醇制造设施的示意图，其经改进为利用本文所公开的溶液和悬浮液。
[0032] 图4是根据一个实施例的湿磨头的组装转子和定子的顶部平视图。图4A是图4的放大剖视图，其示出了转子和定子之间的间隙。
[0033] 图5是转子和定子结合的透视图。
[0034] 图6是转子和定子的分解透视图。
[0035] 图7是沿图6的视线7-7截取的转子的底部平面图。
[0036] 图8是沿图6的视线8-8截取的定子的顶部平面图。
[0037] 图9是图7中显示的转子区域的放大视图。
[0038] 图10是图8中显示的定子区域的放大视图。
[0039] 图11是根据第二实施例的湿磨头的组装转子和定子的顶部平视图。图11A是图11的放大剖视图，其示出了转子和定子之间的间隙。
[0040] 图12是转子和定子结合的透视图。
[0041] 图13是转子和定子的分解透视图。
[0042] 图14是沿图13的视线14-14截取的转子的底部平面图。
[0043] 图15是沿图13的视线15-15截取的定子的顶部平面图。
[0044] 图16是图14中显示的转子区域的放大视图。
[0045] 图17是图15中显示的定子区域的放大视图。
[0048] 图20是用于湿磨的系统的剖视图。
[0049] 详述
[0050] 使用本文所述的方法，可加工生物质(如，植物生物质、动物生物质、纸材和城市废物生物质)以生成可用的中间物和产物，例如有机酸、有机酸盐、酸酐、有机酸酯和燃料，如内燃机的燃料或燃料电池的原料。本文描述了可用作易得的原料纤维素和/或木质纤维素物质的系统和工艺，但通常难以加工例如城市废物流和废纸流，例如包括报纸、牛皮纸、瓦楞纸或这些的混合物的流。
[0051] 一般来讲，如有需要，可物理处理物质以用于加工和/或在加工后物理处理物质，所述物理处理通常通过磨碎进行。本文所述的多种工艺可有效地降低原料的顽拗性水平，使其易于加工，例如通过生物加工(如，使用本文所述的任何微生物，例如同型产乙酸菌或异型产乙酸菌，和/或本文所述的任何酶)、热加工(如，气化或高温分解)或化学方法(如，酸水解或氧化)。生物质原料可使用一种或多种本文所述的任何方法，例如机械处理、化学处理、辐射、超声、氧化、高温分解或蒸汽爆破来处理或加工。各种处理系统和方法可结合两种、三种或甚至四种或更多种这些技术或本文或别处所述的其他技术使用。在某些情况下，单独湿磨可降低顽拗性或与本文所述的其他处理工艺协同作用。
[0052] 本文所公开的工艺可利用低堆密度物质，例如经物理预处理为具有小于约0.75g/cm3，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，如小于0.025g/cm3的堆密度的纤维素或木质纤维素原料。堆密度使用ASTM D1895B确定。简而言之，方法涉及用样品填充已知体积的量筒，以及获得样品的重量。堆密度通过将样品重量(单位为克)除以量筒的已知体积(单位为立方厘米)来计算。如果需要，低堆密度物质可以例如通过美国专利7,971,809中描述的方法致密化，该专利的全部公开内容据此以引用的方式并入。
[0053] 糖化
[0054] 为了将原料转化为可易于加工的形式，原料中的含葡聚糖或木聚糖纤维素水解为低分子量碳水化合物，例如糖，所述水解通过糖化剂如酶或酸，称为糖化的加工进行。然后，低分子量碳水化合物可用于例如现有的制造设施，例如单细胞蛋白设施、酶制造设施或燃料设施如乙醇制造设施。
[0055] 原料在液体介质，如溶剂例如水溶液中与糖化剂组合，并且湿磨混合物。在液体介质中湿磨物质的方法在下面详细讨论。在一些实施中，在湿磨期间和/或之后，使用射流混合器混合糖化剂、物质和液体介质。在一些情况下，在整个糖化期间继续射流混合。
[0056] 在一些实施中，物质和/或糖化剂递增而不是同时添加。例如，物质的一部分可添加到液体介质，分散于其中，并且与糖化剂混合直到物质至少部分糖化，此时物质的第二部分分散于介质中并且添加到混合物。该工艺可继续直到获得所需的糖浓度。
[0057] 原料可使用酶，例如纤维素酶或淀粉酶或这些酶的混合物水解。例如，生物质物质可与溶剂，如水溶液中的酶组合。
[0058] 分解生物质的酶和生物质破坏生物，例如生物质的纤维素和/或木质素部分，包含或生成各种纤维分解酶(纤维素酶)、木质素酶或各种小分子生物质破坏代谢物。这些酶可以是协同作用以降解生物质的结晶纤维素或木质素部分的酶复合物。纤维分解酶的例子包括：内葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡萄糖苷酶)。参见图1，纤维素底物初始通过内葡聚糖酶在随机位置水解，生成低聚中间物。然后这些中间物作为外切葡聚糖酶，例如纤维二糖水解酶的底物，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葡萄糖1,4-连接二聚体。最后，纤维二糖酶裂解纤维二糖生成葡萄糖。合适的纤维素酶将在本文的后面部分讨论。
[0059] 完成糖化需要的时间取决于工艺条件以及所用的原料和酶。如果糖化在制造设施中的控制条件下进行，则纤维素可在约12-96小时，如小于48小时、小于36小时、小于24小时、小于18小时、小于12小时或甚至小于8小时内基本上完全转化为葡萄糖。如果糖化在运输中部分或完全进行，则糖化可持续更长时间。
[0060] 在一些情况下，在约4至7，如约4.5至6，或约5至6的pH下进行糖化。
[0061] 糖溶液中葡萄糖的最终浓度相对较高，如大于10重量％，或大于15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大于95重量％通常是优选的。这减少了运输量，同时抑制了溶液中微生物的生长。在糖化后，水的体积可以例如通过蒸发或蒸馏减少。
[0062] 相对较高浓度溶液可通过限制加入含酶原料的介质例如水量获得。浓度可以例如通过控制糖化进行的程度来控制。例如，浓度可通过向溶液添加更多的原料来增加。在一些情况下，固体在糖化期间例如通过离心移除，以允许更多的原料加入。介质中原料的溶解度可以例如通过提高溶液的温度，和/或通过添加如下讨论的表面活性剂而增加。例如，溶液可保持在40-50℃、50-60℃、60-80℃或甚至更高的温度。
[0063] 发酵
[0064] 微生物可通过低分子量糖的发酵产生多种可用中间物和产物，所述低分子量糖由处理原料的糖化产生。例如，发酵或其他生物工艺可生成醇(如，正丁醇、异丁醇、乙醇或赤藓醇)、有机酸(如，乙酸、丁酸、柠檬酸或乳酸)、烃、氢气、蛋白质或任何这些物质的混合物。
[0065] 酵母和发酵单胞菌(Zymomonas)细菌，例如可用于发酵或转化。其他微生物在如下物质部分中讨论。发酵的最佳pH为约pH 4至7。酵母的最佳pH为约pH 4至5，而发酵单胞菌的最佳pH为约pH 5至6。典型的发酵时间为约24至168(如，24-96小时)小时，温度在20℃至40℃(如，26℃至40℃)的范围内，然而嗜热微生物偏好高温。
[0066] 在一些实施方案中，如当使用厌氧生物时，至少部分发酵在缺乏氧气的条件下，如在惰性气体例如N2、Ar、He、CO2或其混合物的覆盖层下进行。另外，在部分或所有发酵期间通过罐后，可用惰性气体不断清扫混合物。在一些情况下，厌氧条件可通过发酵期间产生二氧化碳实现或保持，不需要另外的惰性气体。
[0067] 在一些实施方案中，所有或部分发酵工艺可在低分子量糖完全转化为产物(如，乙醇)前中断。中间物发酵产物包含高浓度的糖和碳水化合物。糖和碳水化合物可如下文所讨论分离。这些中间物发酵产物可用于制备人或动物消耗的食物。除此之外或作为另外一种选择，中间物发酵产物可在不锈钢实验型磨中研磨为细小粒度，产生粉状物质。
[0068] 发酵包括提交于2011年12月22日的美国临时申请序列No.61/579,559和提交于2011年12月22日的美国专利申请序列No.61/579,576中公开的方法和产物，它们的公开内容以引用的方式并入本文。
[0069] 可利用移动发酵罐，如美国临时专利申请序列No.60/832,735，现为公布国际专利申请No.WO 2008/011598中所描述。相似地，糖化设备可为移动的。此外，糖化和/或发酵可在部分或整个运输期间进行。
[0070] 燃料电池
[0071] 当本文所述的方法生成糖溶液或悬浮液时，该溶液或悬浮液可随后用于燃料电池。例如，利用糖的燃料电池，所述糖来源于纤维素或木质纤维素物质在提交于2011年12月22日的美国临时申请序列No.61/579,568中有所公开，其完整公开内容以引用的方式并入本文。
[0072] 热化学转化
[0073] 热化学转化可使用处理的原料进行，生成一种或多种所需的中间物和/或产物。热化学转化工艺包括在高温下改变含碳物质的分子结构。具体例子包括气化、高温分解、变形、部分氧化以及这些的混合(任何顺序)。
[0074] 气化将含碳物质转化为合成气体(合成气)，所述合成气可包括甲醇、一氧化碳、二氧化碳和氢气。多种微生物，例如产乙酸菌或同型产乙酸菌能够利用生物质热化学转化产生的合成气，生成包含醇、羧酸、羧酸盐、羧酸酯或任何这些的混合物的产物。生物质(如，纤维素或木质纤维素物质)的气化可通过多种技术实现。例如，气化可利用上升蒸气变形使用流化床反应器实现，其中含碳物质在缺乏氧气的条件下首先热解，然后高温分解蒸气变形为含蒸汽的合成气，提供添加的氢气和氧气。在此类技术中，加工热来自灼热的炭。另一种技术利用螺旋推进反应器，其中水分和氧气在高温分解阶段引入，并且加工热由后面阶段生成的一些气体的燃烧生成。另一种技术利用气流变形，其中外部流和空气二者引入单级气化反应器。在部分氧化气化中，纯氧的利用无需蒸汽。
[0075] 处理原料的系统
[0076] 参见图2，原料转化为糖和其他产物如乙醇的工艺可包括例如任选地物理预处理原料，例如以减小其尺寸(步骤110)，在该处理之前和/或之后，任选地处理原料以降低其顽拗性(步骤112)，并且糖化原料以形成糖溶液(步骤114)。糖化可通过原料在液体介质如水中的分散体与酶混合而进行(步骤111)，如下面详细讨论。在糖化期间或之后，混合物(如果糖化在途中部分或完全进行)或溶液可以例如通过管道、机动有轨车、卡车或驳船运输到制造设施(步骤116)。在设施处，可生物加工溶液以生成所需的产物，如乙醇(步骤118)，然后其通过蒸馏进一步加工(步骤120)。此加工的单个步骤在下面详细描述。如果需要，测量木质素含量的步骤(步骤122)以及加工参数的设置或调整(步骤124)可在加工的不同阶段进行，例如如图所示在用于改变原料结构的加工步骤之前。如果包括这些步骤，则调整加工参数以补偿原料木质素含量的变化，如提交于2010年2月11日的美国专利申请序列No.12/704,519中所描述，其完整公开内容以引用的方式并入本文。
[0077] 混合步骤111和糖化步骤114可使用例如图2A和2B中示出的系统中的一者进行。这些系统包括罐136，其最初包含液体介质，后来包含液体介质、原料和糖化剂的混合物138。液体介质通过带阀管道系统(未示出)递送至罐。系统还包括与分散单元134连通的料斗
130。在图2B中示出的实施方案中，料斗130接收原料，所述原料通过原料预处理模块132处理，以减小其尺寸并且任选地降低其顽拗性(上述步骤110和112)。在两个实施方案中，料斗可接收其他干燥成分，例如来自给料器30的酵母和营养物质。任选地，振动装置36可与料斗相连，以便从料斗递送物质。系统还可任选地包括分散单元134，例如如果原料难以被液体初始润湿。液体介质从罐吸入分散单元134，并且由分散单元通过出口管137返回罐。出口管
137的开口可以高于液位，如图所示，或在某些情况下可以浸入罐中的液体。在一些情况下，取决于所用的研磨单元和分散单元的类型，系统可包括泵139，例如被构造为循环液体介质的正位移泵，和/或监测分散体粘度的粘度计141，当测量的粘度达到预定值时，启动泵。
130。在图2B中示出的实施方案中，料斗130接收原料，所述原料通过原料预处理模块132处理，以减小其尺寸并且任选地降低其顽拗性(上述步骤110和112)。在两个实施方案中，料斗可接收其他干燥成分，例如来自给料器30的酵母和营养物质。任选地，振动装置36可与料斗相连，以便从料斗递送物质。系统还可任选地包括分散单元134，例如如果原料难以被液体初始润湿。液体介质从罐吸入分散单元134，并且由分散单元通过出口管137返回罐。出口管
137的开口可以高于液位，如图所示，或在某些情况下可以浸入罐中的液体。在一些情况下，取决于所用的研磨单元和分散单元的类型，系统可包括泵139，例如被构造为循环液体介质的正位移泵，和/或监测分散体粘度的粘度计141，当测量的粘度达到预定值时，启动泵。
[0078] 在图2A中示出的实施方案中，原料递送至罐中液体介质的表面，例如通过具有递送导管34(如，软管或管)的递送装置32递送。递送装置32也可与振动装置36相连，以便物质流入装置。递送装置32可以是例如被构造为将纤维和/或颗粒物质通过软管从源吹到远离源的位置的鼓风机，例如绝缘鼓风机如获自Intec,Frederick,Colorado的FORCE 3鼓风机。或者，物质可使用其他技术，例如重力自流进料或螺旋运输器递送至液体的表面。
[0079] 在一些实施中，罐设有柔性、透气性覆盖件，或被构造为允许空气在原料递送期间从罐排放，同时防止原料吹出罐和/或污染物进入罐的其他装置。
[0080] 当颗粒通常为球形，如锤磨玉米棒、或者允许易于给料的形态的情况时，原料可定量地给料。例如，原料可从罐上的料斗递送。
[0081] 随着原料物质通过递送导管34递送至罐中液体的表面，液体通过物质上分散单元134的出口管137流出。流出的液体润湿原料物质，使其沉入液体，在该处可通过分散单元
134(如果提供)分散，任选地与如下讨论的射流混合器144的混合作用组合。
134(如果提供)分散，任选地与如下讨论的射流混合器144的混合作用组合。
[0082] 一旦原料递送至罐，则使用湿磨单元160进行湿磨，该湿磨单元通常包括高剪切转子/定子头。合适的研磨单元的例子在下面详细描述。湿磨单元可安装到罐中的任何所需位置。其可以安装在侧面，如图所示，或安装在顶部和底部。在一些实施中，湿磨单元可以在罐的外部，并且罐的内容物可通过湿磨单元泵送并且返回罐。在一些情况下，湿磨单元邻近如下描述的射流混合单元144安装。在一些情况下，提供多个湿磨头。例如，在大型罐中，多个湿磨头可安装在罐内的间隔位置。以内嵌式或作为批量工艺进行湿磨。
[0083] 湿磨通常以高剪切速率，例如约20,000秒-1至60,000秒-1，或约30,000秒-1至50,000秒-1进行。
[0084] 湿磨单元可运行任何所需的时间长度。湿磨单元可以脉冲方式运行(如，驱动湿磨的马达的电源是脉冲的)，例如剪切速率可周期性或非周期性变化，或又如湿磨单元可重复开启和关闭。一般来讲，当湿磨不能再提高糖化的效率(这可以通过给定加工参数集合的实验确定)，或湿磨单元产生的剪切力使罐的内容物的温度超出预定最大值时，湿磨停止。预定最大值可以例如根据糖化剂在短时间内变性的温度设置。
[0085] 剪切可使生物质物质的平均粒度减小。例如，粒度可从约大于1mm(如，大于5mm或大于10mm)减小至小于1mm(如，小于0.5mm、小于0.1mm或甚至小于0.01mm)。
[0086] 在一些实施中，湿磨单元可用于使罐的内容物加热或部分加热至所需的加工温度。例如，在一个实施中，罐的内容物通过其他方式加热至大约40℃，然后湿磨单元运行足以使温度升高至大约50℃(有利于糖化的温度)的时间。在一些情况下，湿磨进行小于8小时，例如1至4小时或1至2小时。可在甚至更短的时间，如30分钟或更少进行湿磨。一旦达到该所需温度，则关闭湿磨装置，以防止温度进一步升高。在一些情况下，罐的内容物可在湿磨期间或之后冷却，以防止过热。为了防止用于糖化的酶变性，罐的内容物保持等于或低于50℃通常是优选的，或至少大于50℃的超温持续足够短的时间，以便不使酶变性。
[0087] 在湿磨之前、期间或之后，糖化剂从料斗140递送至罐，该料斗包括计量装置142。在糖化期间，混合罐的内容物，例如通过一个或多个射流混合器混合。在一些情况下，射流混合器在湿磨期间运行。射流混合器144在图2A和2B中示意性地表示；合适的射流混合器的例子将在下面详细描述，并且还在提交于2010年5月18日的美国序列No.12/782,694、提交于2011年11月10日的13/293,985和提交于2011年11月10日的13/293,977中有所描述，它们的完全公开内容据此以引用方式并入本文。射流混合器使用驱动泵和/或转子(未示出)的马达146生成射流。马达146施加的扭矩与罐中混合物的固体水平相关，该水平又反映了混合物糖化的程度。扭矩通过扭矩监测器148测量，该监测器向驱动运输器130的马达150以及料斗140的计量装置142发送信号。因此，处理原料和酶的供应可随罐的内容物糖化的变化而中断和重新开始。扭矩监测器测量的数据也可用于调整射流混合器，如降低使用转子的混合器的RPM，或降低泵驱动混合器的射流速度。作为扭矩监测器的替代或除扭矩监测器之外，系统可包括安培监测器(未示出)，测量马达的满载安培数。在一些情况下，射流混合器可包括变频驱动器(VFD)，以允许调整马达的速度。
[0088] 系统也可包括热监测器(未示出)，其监测液体介质的温度，并且响应于温度升高而调整原料的进料速率和/或混合条件。此类温度反馈回路可用于防止液体介质达到使酶变性的温度。热监测器也可用于确定关闭湿磨单元的时间，以避免罐的内容物过热。
[0089] 当一个或多个泵用于本文所述的系统时，使用正位移(PD)泵，如渐进式空腔或螺旋式PD泵通常是优选的。
[0090] 在一些情况下，制造设施可以是例如现有基于谷物或基于糖的，或通过移除或停运生物加工系统(在典型的乙醇设施中通常包括谷物接收设备、锤磨机、浆液搅拌器、熬炼设备和液化设备)上游的设备来改进的乙醇设施。因此，设施接收的原料直接输入发酵设备。改进的设施在图3中示意性地示出。现有基于谷物或基于糖的乙醇设施的如此使用在提交于2010年2月11日的美国序列No.12/704,521中有所描述，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0091] 在一些实施方案中，糖溶液接种于相同的罐或用于糖化的其他容器中并且发酵，而不是将糖化原料(糖溶液)运输至单独的制造设施，或甚至单独的罐。发酵可在相同的容器中完成，或可以该方式开始，然后如上所讨论在运输期间完成。单个罐中的糖化和发酵在提交于2011年11月18日的美国专利申请序列No.12/949,044中有所描述，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0092] 一般来讲，应当例如通过监测氧气水平和罐排气，使混合物按需要充气(如，通过在氧气或混合物中混合或喷射含氧气体)或脱气(如，通过在惰性气体例如氮气、二氧化碳、氦气和/或氩气中混合或喷射)控制发酵容器中的氧气水平。在一些情况下，例如如上所讨论其中厌氧条件是所期望的情况下，混合速率是决定性的。例如，在加工过程中，混合不是所期望的，以使得发酵期间产生的气体(如，CO2、H2和/或甲烷)可更有效地置换来自发酵容器的氧气。监测容器中乙醇的水平，以使得乙醇水平开始下降时，发酵工艺可停止，例如通过加热或加入亚硫酸氢钠而停止也是所期望的。其他停止发酵的方法包括加入过氧化物(如，过氧乙酸或过氧化氢)，加入琥珀酸或其盐，冷却容器的内容物，或降低氧气喷射速率。可使用任何两种或更多种这些方法的组合。如果发酵在运输期间进行或完成，则运输容器(如，机动有轨车或油罐卡车的罐)可配有控制单元，该控制单元包括氧气监测器和乙醇监测器，以及将亚硫酸氢钠(或其他发酵终止添加剂)递送至罐的递送系统和/或调整罐中的参数以停止发酵的系统。
[0093] 如果需要，射流混合可在发酵期间使用，并且如果发酵在与糖化相同的容器中进行，则可使用相同的射流混合设备。然而，在一些实施方案中，射流混合不是必要的。例如，如果发酵在运输期间进行，则机动有轨车或油罐卡车的移动可提供充分搅拌。
[0094] 分散、湿磨和混合
[0095] 本文所公开的系统包括一个或多个罐、一个或多个搅拌器如一个或多个射流头搅拌器以及一个或多个湿磨机。在某些情况下，所有磨机和搅拌器头均在罐内。
[0096] 分散
[0097] 任选的分散单元134可包括任何类型的分散设备，其通过液体介质润湿原料。多个分散单元包括室和室中的转子，其布置方式使得原料和液体介质向转子轴向抽吸，并且向外径向推至转子的周边，从而以离心泵的方式通过单元的出口。根据分散单元的构造，可需要备用泵(如上讨论的泵139)，以高粘度抽吸流体通过分散单元。一些分散单元被构造成在单元内生成非常高的静态流体压力；当使用此类单元时，备用泵通常不是必须的。
[0098] 合适的分散系统的例子在提交于2010年11月18日的美国序列No.12/949,004中有所公开，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0099] 湿磨
[0100] 用于湿磨单元160的两个湿磨头例子在图4-10和图11-17中示出。每个头包括转子和定子，并且安装到轴(未示出)上，如转子/定子混合器领域所熟知。在两种情况下，当组装转子和定子时，转子的齿之间的间隙不与定子的齿之间的间隙成一直线。这建立了剪切间隙，液体在转子的旋转期间通过其在高剪切下流动。
[0101] 湿磨装置可商购获得，例如获自Quadro Engineering,(Waterloo Ontario)、IKA Works Inc.,(Wilmington,Delaware)、Admix Inc.(Manchester,NH)和Silverson,(Dartmouth Massachusetts)。
[0102] 在图4-10中示出的实施中，定子包括齿的两个同心环(参见图6)。在给定的条件集合下，该定子构造通常产生比图11-17中示出的单环定子构造更高的剪切力。另一方面，图11-17中示出的头的转子包括叶轮样部分，如下所示，其提供某些情况下所需的泵送作用。
[0103] 参见图4-10，头162包括转子164和定子166。转子和定子的每个包括中心毂，分别为158和159，其限定孔，所述孔的尺寸被设计为接收轴(未示出)。轴连接到使转子在定子内旋转的马达，其中转子中的孔被轴锁着，所述轴在定子中的孔内自由旋转，如本领域所熟知。
[0104] 臂161和163分别从毂延伸，支撑转子和定子齿环。如图6和8中所示，定子166包括两个齿环–外齿环170和内齿环171。转子164包括单个齿环169，其在嵌套关系定子的环之间拟合。转子164的上表面165包括三个突出部167，它们围绕头建立湍流。
[0105] 如图4A中所示，间隙α设置于转子的齿169的外表面168(转子的OD)、定子的外齿环170的邻近内表面172之间。间隙α优选地很小，以产生高剪切，并且可为例如约0.01至0.250英寸(0.25至0.64mm)，如约0.03至0.10英寸(0.76至2.5mm)。定子的内环和外环之间的距离等于该间隙加上转子的齿的径向厚度，如下所讨论。
[0106] 转子和定子的外径(OD1和OD2，图7和8)取决于其中使用磨头的罐的体积，以及设置在罐中的磨头的数量。定子的外径OD2可为例如约3至50”，如约5至25英寸，其中较大的头用于较大的罐。例如，4”定子可用于300加仑的罐。
[0107] 如图5中所示，定子外环上的每个齿170包括其顶部表面176和外侧壁178之间的斜面174。
[0108] 对于转子(S1，图9)和定子的两个环(S2和S3，图10)，邻近齿之间的环向间距通常是相同的。与间隙α类似，该间距还影响定子旋转期间头产生的剪切力的量，较大的间距产生较小的剪切力。在一些实施中，间距S1、S2和S3为约0.1至0.5英寸(2.5至12.5mm)。
[0109] 齿的尺寸可根据所需的头直径在一定程度上变化，较大的头在一些情况下具有稍大的齿，更耐用。然而，通常齿的尺寸和齿的间距随着头的直径增加仍然保持相对恒定，齿的数量随着头的直径增加而增加。参见图9和10，在一些实施中，齿的尺寸可以例如如下：
[0110] T1：0.10”
[0111] T2：0.35”
[0112] T3：0.10”
[0113] T4：0.30”
[0114] T5：0.10”
[0115] T6：0.30”
[0116] 其中T1是转子齿的径向厚度，T2是转子齿的环向厚度，T3是外定子齿的径向厚度，T4是外定子齿的环向厚度，并且T5和T6分别是内定子齿的径向和环向厚度。
[0117] 如上所述，可供选择的实施例在图11-17中示出，其中定子仅具有单排齿。该实施例在其他方面还不同于图4-10中所示。
[0118] 第一，转子的臂1161在两个平面上弯曲，如图11-13所示，使转子除了在转子/定子构造中的剪切作用之外，还能够作为叶轮。该叶轮的功能通过转子环中存在三个大型齿1180(参见图13和14)的而增强，其作为转子臂的延伸。
[0119] 第二，转子的齿1169的邻近侧壁1182的排列相对于环的半径不成角度R，如图14和16中最佳地示出。该角度可为例如约0至30度。齿的角度有助于泵物质通过间隙。
[0120] 该实施方案中转子和定子的尺寸与上述图11-17中示出的实施例的那些基本上相同。
[0121] 转子或定子可用多种物质制成。例如，陶瓷(如，氧化物、碳化物或氮化物)、不锈钢或超合金(如，Hastelloy、Inconel、Waspaloy、Ren合金、Haynes合金、TMS合金和CMSX单晶合金)。
[0122] 转子/定子头在一些情况下可与如下所述的射流混合头互换，尤其是图19-19B中示出的那些。例如，就射流混合器转化为转子/定子而言，移除覆盖物208(图19)和混合元件206(图19A)，并且将转子/定子头安装到轴204上。
[0123] 图20示出了湿磨系统的剖视图，其包括罐(252)、两个马达(250)、两个轴(254)、湿磨头(256)和射流混合器头(258)。如图所示，一个轴连接到一端上的一个马达和湿磨头，如上所述。另外如图所示，其他轴连接到一端上的其他马达和另一端上的射流磨头。
[0124] 射流混合
[0125] 糖化和发酵期间使用的特别有利的混合器称为“射流混合器”。一般来讲，合适的混合器的共同点是它们产生高速度循环流，例如环形或椭圆形流。一般来讲，优选的混合器表现出高容积流速。优选的混合器以相对较低的能耗提供该混合作用。混合器产生相对较低的剪切力并且避免加热液体介质通常也是优选的，因为剪切力和/或热可对糖化剂(或微生物，如就发酵而言)产生有害影响。如下面详细讨论，一些优选的混合器抽吸混合物通过入口进入混合元件，所述混合元件可包括转子或叶轮，然后使混合物通过出口喷嘴从混合元件排出。该循环作用以及离开喷嘴的高速度射流有助于分散液体表面漂浮的物质或沉淀到罐的底部的物质，取决于混合元件的取向。混合元件可以不同的取向设置，以分散漂浮和沉淀的物质二者，并且混合元件的取向在一些情况下可调整。
[0126] 在一些优选的混合系统中，射流的速度v0满足外围流体，为约2至300m/s，如约5至150m/s或约10至100m/s。对于100,000L罐，混合系统的功耗可为约20至1000KW，如30至
570KW、50至500KW或150至250KW。
570KW、50至500KW或150至250KW。
[0127] 射流混合涉及浸没射流的排放，或高速液体的多个浸没射流进入流体介质(在这种情况下为生物质原料、液体介质和糖化剂的混合物)。液体的射流穿透流体介质，其能量通过湍流和一些初热散失。该湍流与速度梯度(流体剪切力)有关。周围流体加速并且输送到射流，该第二输送流体随着射流喷嘴的距离增加而增加。第二流的动量通常随着射流的扩展保持恒定，只要流体不碰到壁、底或其他障碍物。在碰到任何障碍物之前延续的流体越长，输送到第二流体的液体越多，增加了罐或容器中的流体容积。当其遇到障碍物时，第二流体丧失动量，或多或少取决于罐的几何形状，如流体撞击障碍物所成的角度。流体取向和/或罐的设计使得射向罐壁的水力损失最小化通常是所期望的。例如，罐具有弓形底部(如，穹顶形顶板)，并且射流混合器靠近侧壁相对取向可为所期望的。罐的底部(下顶板)可具有任何所需的穹顶形构造，或可具有椭圆形或锥形的几何形状。
[0128] 射流混合不同于大部分类型的液体/液体和液体/固体混合，因为驱动力为水力而不是机械力。与机械搅拌器剪切流体并且推动其围绕混合容器不同的是，射流混合器推动流体通过罐内的一个或多个喷嘴，建立输送其他流体的高速射流。结果是剪切(流体对流体)和循环，其有效地混合罐的内容物。
[0129] 参见图18，来自浸没射流的核心流体和周围流体之间的高速梯度产生漩涡。图18A示出了浸没射流的一般特性。随着浸没射流扩展到周围环境，速度曲线随着喷嘴距离(x)的增加变平坦。另外，速度梯度dv/dr在给定的距离x下随着r(与射流中心线的距离)而变化，以建立限定混合区(从喷嘴锥形扩展)的漩涡。
[0130] 在空气中浸没射流的实验研究中(其结果适用于任何流体，包括水)，Albertson等人(“Diffusion of Submerged Jets,”论文2409,Amer.Soc.of Civil Engineers Transactions，第115卷:639-697,1950，第657页)推导了对于v(x)r＝0/v0(中心线速度)，v(r)x/v(x)r＝0(给定x下的速度曲线)，Qx/Q0(流体输送)和Ex/E0(能量随x的变化)的无因次关系：
[0131] (1)中心线速度，v(x)r＝0/v0：
[0132]
[0133] (2)任何x下的速度曲线，v(r)x/v(x)r＝0：
[0134]
[0135] (3)任何x下的流速和能量：
[0136]
[0137]
[0138] 其中：
[0139] v(r＝0)＝浸没射流的中心线速度(m/s)，
[0140] v0＝从喷嘴喷出的射流的速度(m/s)，
[0141] x＝与喷嘴的距离(m)，
[0142] r＝与射流的中心线的距离(m)，
[0143] D0＝喷嘴的直径(m)，
[0144] Qx＝在与喷嘴距离x处横跨任何给定平面的流体流速(me/s)，
[0145] Q0＝从喷嘴喷出的流体流速(m3/s)，
[0146] E＝在与喷嘴距离x处横跨任何给定平面的流体能通量(m3/s)，
[0147] E0＝从喷嘴喷出的流体能通量(m3/s)。
[0148] (“Water Treatment Unit Processes:Physical and Chemical,”David W.Hendricks,CRC Press 2006，第411页)
[0149] 射流混合在大体积(大于1,000加仑)和低粘度(低于1,000厘泊)应用中尤其具有成本效益。在大多数情况下，射流混合器的泵或马达不浸没通常也是有利的，例如当使用泵时，其通常位于容器的外部。
[0150] 射流混合的一个优点是周围流体的温度(除直接邻近喷嘴的出口可存在一些局部加热之外)如果全部仅稍微提高。例如，温度可提高小于5℃、小于1℃或任何不可测量的程度。
[0151] 射流搅拌器
[0152] 一种类型的射流搅拌器在图19-19A中示出。该类型的混合器可商购获得，例如以商品名ROTOTRONTM获自IKA。参见图19，混合器200包括马达202，其旋转驱动轴204。混合元件206安装在驱动轴204的末端。如图19A中所示，混合元件206包括覆盖物208，以及覆盖物内的叶轮210。如箭头所示，当叶轮以其“前进”方向旋转时，叶轮210抽吸液体进入覆盖物的开口上端212，并且推动液体流出开口下端214。液体流出端214为高速流体或射流的形式。如果叶轮210旋转的方向颠倒，则液体可抽吸进入下端214并且从上端212射出。这可用于例如在罐或容器中抽吸漂浮在液体表面附近或上面的固体。(注意到“上”和“下”是指图19中混合器的取向；混合器可在罐中取向，使上端在下端的下面。)
[0153] 覆盖物208包括邻近其末端的钟形区域216和218。据信这些钟形区域有助于该类型混合器观察到的基本上环形流体。覆盖物和叶轮的几何形状还使用相对低的功耗将流体浓缩为高速流体。
[0154] 优选地，覆盖物208和叶轮210之间的间隙随着物质通过覆盖物足以避免其过度研磨。例如，间隙可为混合物中固体平均粒度的至少10倍，优选地至少100倍。
[0155] 在一些实施中，轴204被构造为允许气体通过轴递送。例如，轴204可包括钻孔(未示出)，气体通过该钻孔递送，以及一个或多个孔口，气体通过该孔口排出进入混合物。孔口可以在覆盖物208内以增强混合，和/或沿着轴204的长度的其他位置。
[0156] 叶轮210可具有任何所需的几何形状，以高速抽吸液体通过覆盖物。叶轮优选地为船用叶轮，如图19A中所示，但可具有不同的设计，例如图19B中所示出的Rushton叶轮，或改进Rushton叶轮，如倾斜以得到一些轴流。
[0157] 为了生成通过覆盖物的高速流体，马达202优选地为高速、高扭矩马达，如能够在500至20,000RPM，如3,000至10,000RPM下运行。然而，混合器越大(如，覆盖物越大和/或马达越大)旋转速度越小。因此，如果使用大型混合器，例如5hp、10hp、20hp或30hp或更大，马达可设计为在低旋转速度，如小于2000RPM、小于1500RPM或甚至500RPM或更小下运行。例如，尺寸设定成混合10,000-20,000升罐的混合器可在900至1,200RPM的速度下运行。随着混合条件随时间的变化，如由于固体的糖化，马达的扭矩优选地自动调整，以保持相对恒定的叶轮速度。
[0158] 有利的是，混合器可以罐中的任何所需角度或位置取向，以所需方向引导射流。此外，如上所讨论，取决于叶轮旋转方向，混合器可用于从覆盖物的任何一个末端抽吸流体。
[0159] 在一些实施中，两个或多个射流混合器设置在容器中，其中一个或多个被构造为向上射出流体(“向上泵送”)，并且一个或多个被构造为向下射出流体(“向下泵送”)。在一些情况下，向上泵送混合器邻近向下泵送混合器设置，以增强混合器产生的湍流。如果需要，在加工期间一个或多个混合器可在向上流动和向下流动之间切换。原料在液体介质中的初始分散期间，将所有或大多数混合器切换为向上泵送模式可为有利的，尤其是废弃原料或吹到液体的表面上时，向上泵送在表面上产生显著的湍流。向上泵送也可在发酵期间使用，使气体在其排出的表面起泡，帮助CO2从液体移除。
[0160] 其他合适的射流混合器在提交于2011年5月18日的美国专利申请序列No.12/782,694、提交于2011年11月10日的13/293,985、提交于2011年11月10日的13/293,977以及提交于2010年5月18日的U.S.12/782,694中有所描述，它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0161] 物质
[0162] 生物质物质
[0163] 生物质可以是例如纤维素或木质纤维素物质。此类物质包括纸材和纸材产物(如，聚涂层纸和牛皮纸)、木材、木材相关物质如刨花板、草、稻谷壳、蔗渣、黄麻、大麻、亚麻、竹子、剑麻、蕉麻、稻草、柳枝稷、苜蓿、干草、玉米棒、玉米秸秆、小麦秸秆、椰子毛；以及α-纤维素含量高的物质，如，棉花。原料可从天然的废纺织品物质，如零料、消费后废料如抹布获得。当使用纸材产物时，它们可为天然物质，如天然的废弃物质，或它们可为消费后废料。除天然原料之外，消费后、工业(如，碎屑)和加工废料(如，纸材加工的流出物)也可用作纤维来源。生物质原料也可获自或来源于人(如，污水)、动物或植物废料。另外的纤维素和木质纤维素物质在美国专利No.6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中有所描述。
[0164] 在一些实施方案中，生物质物质包括作为或包含具有一个或多个β-1,4-连接并且具有约3,000和50,000之间的数均分子量的物质的碳水化合物。此类碳水化合物是或包含纤维素(I)，其来源于通过β(1,4)-糖苷键缩合的(β-葡萄糖1)。该键与淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1,4)-糖苷键有所区别。
[0165]
[0166]
[0167] 在一些实施方案中，生物质物质包括淀粉，如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或稻谷淀粉、淀粉的衍生物，或包含淀粉的物质，例如可食用食物产品或作物。例如，淀粉物质可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、玉米粒、木薯、葛藤、酢浆草、西米、高粱、常规家用马铃薯、甘薯、芋头、薯蓣，或一种或多种豆，例如蚕豆、小扁豆或豌豆。任何两种或更多种淀粉物质的共混物也是淀粉物质。也可使用淀粉、纤维素和/或木质纤维素物质的混合物。例如，生物质可以是整个植物、植物的部分或诸如小麦植物、棉花植物、玉米植物、稻谷植物或树的植物的不同部分。淀粉物质可使用本文所述的任何方法处理。
[0168] 在其他实施方案中，生物质物质例如纤维素、淀粉和木质纤维素原料物质可从相对于野生型品种修饰的植物获得。此类修饰可以例如通过选择和繁育的迭代步骤进行，以获得植物中的所需性状。此外，植物的遗传物质可相对于野生型品种移除、修饰、沉默和/或添加。例如，经基因修饰的植物可通过重组DNA方法制备，其中遗传修饰包括引入或修饰来自亲本品种的特定基因，或例如通过使用转基因繁育，其中来自不同植物和/或细菌物种的一个或多个特定基因引入植物。产生基因变异的另一种方法通过突变繁育进行，其中新等位基因由内源基因人工生成。人工基因可通过多种方式生成，包括使用例如化学诱变剂(如，使用烷化剂、环氧化物、生物碱、过氧化物、甲醛)、辐照(如，X-射线、γ射线、中子、β粒子、α粒子、质子、氘核、UV辐射)和温度骤变或其他外部胁迫以及后续的选择技术来处理植物或种子。提供修饰基因的其他方法通过易错PCR和DNA改组，然后将所需的修饰DNA插入所需的植物或种子进行。将所需基因变异引入种子或植物的方法包括例如使用细菌载体、基因枪、磷酸钙沉淀、电穿孔、基因剪接、基因沉默、微脂粒感染、显微注射和病毒载体。另外的经基因修饰的物质在提交于2012年2月14日的美国专利申请序列No.13/396,369中有所描述，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0169] 在一些情况下，生物质是微生物物质。微生物来源包括(但不限于)任何天然存在的或经基因修饰的微生物或生物体，它们包含或能够提供碳水化合物(如，纤维素)来源，例如，真核单细胞生物如真核单细胞动物(如，原生动物例如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和真核单细胞植物(如，藻类例如囊泡虫、丝足虫、隐滴虫、眼虫、灰胞藻、定鞭藻、红藻、原生藻菌和绿鞭毛藻)。其他例子包括海藻、浮游生物(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、超微型浮游生物和极微型浮游生物)、浮游植物、细菌(如，革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和嗜极生物)、酵母和/或这些的混合物。在某些情况下，微生物生物质可从天然来源，如海洋、湖泊、水体如盐水或淡水或陆地获得。作为另外一种选择或除此之外，微生物生物质可从培养系统，如大规模干燥和润湿培养系统获得。
[0170] 糖化剂
[0171] 合适的酶包括能够降解生物质的纤维二糖酶、纤维素酶和淀粉酶。
[0172] 合适的纤维二糖酶包括获自黑曲霉(Aspergillus niger)的纤维二糖酶，其以商TM品名NOVOZYME 188 销售。
[0173] 纤维素酶能够降解生物质，并且可以来源于真菌或细菌。合适的酶包括来源于芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、腐质霉属(Humicola)、镰孢属(Fusarium)、草根霉属(Thielavia)、枝顶孢属(Acremonium)、金孢属(Chrysosporium)和木霉属(Trichoderma)的纤维素酶，并且包括如下种：Humicola、Coprinus、Thielavia、Fusarium、Myceliophthora、Acremonium、Cephalosporium、Scytalidium、Penicillium或Aspergillus(参见例如EP 458162)，尤其是由选自如下物种的菌株产生的那些：特异腐质霉(Humicola insolens)(重新分类为嗜热色串孢(Scytalidium thermophilum)，参见例如美国专利No.4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、尖孢镰孢菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝菌(Myceliophthora thermophila)、巨多孔菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭孢壳霉(Thielavia terrestris)、枝顶孢(Acremonium sp.)、桃色枝顶孢(Acremonium persicinum)、Acremonium acremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremonium obclavatum、Acremonium pinkertoniae、红灰枝顶孢(Acremonium roseogriseum)、Acremonium incoloratum和Acremonium furatum；优选地来自如下物种：特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰孢菌DSM 2672、嗜热毁丝菌CBS 117.65、Cephalosporium sp.RYM-202、Acremonium sp.CBS 478.94、Acremonium sp.CBS 265.95、桃色枝顶孢CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、Cephalosporium sp.CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73、Acremonium dichromosporum CBS
683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、Acremonium roseogriseum CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS146.62和
Acremonium furatum CBS 299.70H。纤维分解酶也可从Chrysosporium，优选地
Chrysosporium lucknowense菌株获得。另外，可使用木霉属(尤其是绿色木霉
(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康宁木霉(Trichoderma koningii))、嗜碱芽孢杆菌属(参见例如美国专利No.3,844,890和EP 458162)以及链霉菌属(Streptomyces)(参见例如EP 458162)。
683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、Acremonium roseogriseum CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS146.62和
Acremonium furatum CBS 299.70H。纤维分解酶也可从Chrysosporium，优选地
Chrysosporium lucknowense菌株获得。另外，可使用木霉属(尤其是绿色木霉
(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康宁木霉(Trichoderma koningii))、嗜碱芽孢杆菌属(参见例如美国专利No.3,844,890和EP 458162)以及链霉菌属(Streptomyces)(参见例如EP 458162)。
[0174] 可利用酶复合物，例如以商品名 获自Genencore的那些，例如 1500酶复合物。 1500酶复合物包含多种酶活性，主要是外
切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶(2200-2800CMC U/g)、半纤维素酶和β-葡萄糖苷酶(525-
775pNPG U/g)，并且具有的pH为4.6至5.0。酶复合物的内切葡聚糖酶活性以羟甲基纤维素活性单位(CMC U)表示，而β-葡萄糖苷酶活性以pNP-葡糖苷活性单位(pNPG U)报告。在一个实施方案中，使用 1500酶复合物和NOVOZYMETM188纤维二糖酶的共混物。
切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶(2200-2800CMC U/g)、半纤维素酶和β-葡萄糖苷酶(525-
775pNPG U/g)，并且具有的pH为4.6至5.0。酶复合物的内切葡聚糖酶活性以羟甲基纤维素活性单位(CMC U)表示，而β-葡萄糖苷酶活性以pNP-葡糖苷活性单位(pNPG U)报告。在一个实施方案中，使用 1500酶复合物和NOVOZYMETM188纤维二糖酶的共混物。
[0176] 发酵剂
[0177] 用于发酵的微生物可以是天然微生物和/或工程化的微生物。例如，微生物可以是细菌如纤维分解细菌、真菌如酵母、植物或原生生物如藻类、原生动物或类真菌原生生物如粘菌。当生物体相容时，可使用生物体的混合物。
[0178] 合适的发酵微生物具有将碳水化合物例如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、低聚糖或多糖转化为发酵产物的能力。发酵微生物包括酵母属(Sacchromyces spp.)，如酿酒酵母(Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces)，如马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)物种；假丝酵母属(Candida)，如伪热带念珠菌(Candida pseudotropicalis)和Candida brassicae；树干毕赤酵母(Pichia stipitis)(与休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)相近)；棒孢酵母属(Clavispora)，如葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae物种；管囊酵母属(Pachysolen)，如嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)物种；酒香酵母属(Bretannomyces)，如克劳森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)物种的菌株(Philippidis,G.P.,1996,Cellulose bioconversion
technology,见Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.，编辑，Taylor&Francis,Washington,DC,179-212)。其他合适的微生物包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996年，同上)、糖丁基丙酮梭菌(Clostridium saccharobutylacetonicum)、糖丁醇梭菌
(Clostridium saccharobutylicum)、紫色梭菌(Clostridium Puniceum)、拜氏梭菌(Clostridium beijernckii)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丛梗孢酵母(Moniliella pollinis)、解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、出芽短梗霉
(Aureobasidium sp.)、三型孢菌(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、丝孢酵母(Trichosporon sp.)、丛梗孢酵母(Moniliella acetoabutans)、Typhula variabilis、木兰假丝酵母(Candida magnoliae)、黑粉菌(Ustilaginomycetes)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、德巴利酵母属
(Debaryomyces)、汉逊酵母属(Hansenula)和毕赤酵母属(Pichia)酵母物种以及暗丛梗孢形圆酵母(Torula)属真菌。
technology,见Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,C.E.，编辑，Taylor&Francis,Washington,DC,179-212)。其他合适的微生物包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996年，同上)、糖丁基丙酮梭菌(Clostridium saccharobutylacetonicum)、糖丁醇梭菌
(Clostridium saccharobutylicum)、紫色梭菌(Clostridium Puniceum)、拜氏梭菌(Clostridium beijernckii)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、丛梗孢酵母(Moniliella pollinis)、解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、出芽短梗霉
(Aureobasidium sp.)、三型孢菌(Trichosporonoides sp.)、变异三角酵母(Trigonopsis variabilis)、丝孢酵母(Trichosporon sp.)、丛梗孢酵母(Moniliella acetoabutans)、Typhula variabilis、木兰假丝酵母(Candida magnoliae)、黑粉菌(Ustilaginomycetes)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母属(Zygosaccharomyces)、德巴利酵母属
(Debaryomyces)、汉逊酵母属(Hansenula)和毕赤酵母属(Pichia)酵母物种以及暗丛梗孢形圆酵母(Torula)属真菌。
[0179] 可商购获得的酵母包括例如Red Ethanol Red(获自美国Red Star/Lesaffre)、 (获自Fleischmann’s Yeast，美国Burns Philip Food Inc.的分部)、 (获自Alltech，现为Lalemand)、GERT (获自瑞典Gert
Strand AB)和 (获自DSM Specialties)。
Strand AB)和 (获自DSM Specialties)。
[0180] 添加剂
[0181] 抗生素
[0182] 虽然糖化溶液的高糖浓度通常是优选的，但可使用低浓度，在这种情况下，添加低浓度如50至150ppm的抗微生物添加剂，如广谱抗生素可为所期望的。其他合适的抗生素包括两性霉素B、氨苄青霉素、氯霉素、环丙沙星、庆大霉素、潮霉素B、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘌呤霉素、链霉素。抗生素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使用，如按重量计在15和1000ppm之间，如在25和500ppm，或在50和150ppm之间。如果需要，可包含抗生素，即使糖的浓度相对较高。
[0183] 表面活性剂
[0184] 表面活性剂的加入可提高糖化率。表面活性剂的例子包括非离子表面活性剂，例如 20或 80聚乙二醇表面活性剂，离子表面活性剂或两性表面活性剂。其他合适的表面活性剂包括辛基酚乙氧基化物，例如可从Dow Chemical商购获得的TRITONTM X系列非离子表面活性剂。也可添加表面活性剂，以保持溶液，尤其是高浓度溶液中存在的糖。
[0185] 糖化介质
[0186] 在一个实施方案中，介质具有以下浓度的成分：
[0187]
[0188] 原料的物理处理
[0189] 物理制备
[0190] 在一些情况下，方法可包括物理制备，如磨碎物质，例如切割、碾磨、剪切、粉碎或劈砍。例如，在其他情况下，物质首先使用本文所述的一种或多种方法，例如辐射、超声、氧化、高温分解或蒸汽爆破预处理或加工，然后磨碎或进一步磨碎。首先处理然后磨碎可为有利的。筛选和/或磁吸可用于移除过大或不期望的物体，例如来自原料流的石头或钉子。在一些情况下，预加工不是必要的，例如生物质的初始顽拗性较低时，湿磨足以有效降低顽拗性，例如制备用于进一步加工，如糖化的物质。
[0191] 原料制备系统可被构造为产生具有特定特性例如特定最大尺寸、特定长宽比或特定表面积比的流体。物理制备可增加反应速率或减少打开物质所需的加工时间，使它们更易触及工艺和/或试剂，例如溶液中的试剂。可控制(如，增加)原料的堆密度。在一些情况下，制备高或更高堆密度物质，如使物质致密化(如，致密化使其更容易和廉价地运输到另一个部位)，然后使物质恢复低堆密度状态可为所期望的。物质可以致密化，例如从小于0.2g/cc至大于0.9g/cc(如，小于0.3至大于0.5g/cc，小于0.3至大于0.9g/cc，小于0.5至大于0.9g/cc，小于0.3至大于0.8g/cc，小于0.2至大于0.5g/cc)。例如，物质可通过U.S.7,
932,065和WO 2008/073186中公开的方法和设备致密化，它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。致密物质可通过本文所述的任何方法加工，或通过本文所述的任何方法加工的任何物质可随后致密化。在一些情况下，物质可在湿磨之前致密化。湿磨可重新打开致密化的物质。
932,065和WO 2008/073186中公开的方法和设备致密化，它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。致密物质可通过本文所述的任何方法加工，或通过本文所述的任何方法加工的任何物质可随后致密化。在一些情况下，物质可在湿磨之前致密化。湿磨可重新打开致密化的物质。
[0192] 磨碎
[0193] 在一些实施方案中，加工的物质为纤维物质的形式，其包括剪切纤维源提供的纤维。例如，剪切可以使用圆盘刀切割器进行。
[0194] 例如，可剪切纤维源，如顽拗的或其顽拗性水平降低的纤维源，如使用圆盘刀切割器，以提供第一纤维物质。第一纤维物质通过第一筛网，如具有1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸，得到第二纤维物质。如果需要，纤维源可在剪切之前切割，如使用切碎机。例如，当纸材用作纤维源时，纸材可首先使用切碎机切割成例如1/4至1/2英寸宽的条，所述切碎机如反转螺杆式切碎机，例如由Munson(Utica,N.Y.)制造的那些。作为切碎的替代形式，纸材的尺寸可通过使用轧刀切割成所需尺寸而减小。例如，轧刀可用于将纸材切割成如10英寸宽×12英寸长的纸片。
[0195] 在一些实施方案中，纤维源的剪切以及所得的第一纤维物质通过第一筛网同时进行。剪切和通过也可以分批式加工进行。
[0196] 例如，圆盘刀切割器可用于同时剪切纤维源和筛选第一纤维物质。圆盘刀切割器包括料斗，其填充有切碎纤维源而制备的条状纤维源。条状纤维源在一些实施中，原料在糖化和/或发酵之间物理处理。物理处理工艺可包括一种或多种任何本文所述的那些工艺，例如机械处理、化学处理、辐照、超声、氧化、高温分解或蒸汽爆破。处理方法可结合两种、三种、四种或甚至所有这些技术(任何顺序)使用。当使用多于一种处理方法时，方法可同时或在不同时间施用。也可单独或结合本文所公开的工艺使用改变生物质原料分子结构的其他工艺。
[0197] 机械处理
[0198] 在一些情况下，方法可包括机械处理生物质原料。机械处理包括例如切割、铣削、挤压、碾磨、剪切和劈砍。铣削可包括例如球磨、锤磨、转子/定子干或湿磨、冷冻磨、浆叶磨、刀磨、盘磨、辊磨或其他类型的铣削。其他机械处理包括，如石磨、破裂、机械锯切或撕裂、销磨或空气碾磨。
[0199] 机械处理对于“打通”、“压迫”、破碎和破损纤维素或木质纤维素物质可为有利的，使物质的纤维素更容易断链和/或减少结晶度。当辐照时，打开的物质也更容易氧化。
[0200] 在一些情况下，机械处理可包括按原样初始制备原料，如磨碎物质，例如通过切割、碾磨、剪切、磨碎或劈砍。例如，在一些情况下，松散原料(如，回收纸、淀粉物质或柳枝稷)通过剪切或切碎制备。
[0201] 作为另外一种选择或除此之外，原料物质可首先通过一种或多种其他物理处理方法物理处理，如化学处理、辐射、超声、氧化、高温分解或蒸汽爆破，然后机械处理。该顺序可为有利的，因为通过一种或多种其他处理法，如辐照或高温分解处理的物质往往更易碎，因此更容易通过机械处理进一步改变物质的分子结构。
[0202] 在一些实施方案中，原料物质为纤维物质的形式，机械处理包括剪切以暴露纤维物质的纤维。剪切可以例如使用圆盘刀切割器进行。机械处理原料的其他方法包括例如铣削或碾磨。铣削可使用例如锤磨机、球磨机、胶体磨机、圆锥或锥磨机、盘磨机、轮磨机、维利磨机或谷磨机进行。碾磨可使用例如石磨机、销磨机、咖啡磨机或磨盘式磨碎机进行。碾磨可以例如通过往复式销或其他元件提供，如销磨机的情况。其他机械处理方法包括机械锯切或撕裂、给物质施加压力的其他方法以及空气碾磨。合适的机械处理还包括改变原料分子结构的任何其他技术。
[0203] 如果需要，机械处理的物质可通过筛网，如具有的平均开口尺寸为1.59mm或更小(1/16英寸，0.0625英寸)。在一些实施方案中，剪切或其他机械处理和筛分同时进行。例如，圆盘刀切割器可用于同时剪切和筛分原料。原料在静止浆叶和旋转浆叶之间剪切，以提供通过筛网并且捕获在料斗中的剪切物质。
[0204] 纤维素或木质纤维素物质可在干燥状态(如，其结构上有很少或没有游离水)、水合状态(如，具有最多10重量％的吸收水)或润湿状态(如具有约10重量％和约75重量％之间的水)机械处理。纤维源甚至可以在部分或完全浸入液体，例如水、乙醇或异丙醇时机械处理。
[0205] 纤维的纤维素或木质纤维素物质也可在气体(例如除空气之外的气流或气氛)，如氧气或氮气或气流下机械处理。
[0206] 如果需要，木质素可从包含木质素的任何纤维物质移除。另外，为了帮助包含纤维素物质的降解，物质可在机械处理或辐照之前或期间用热、化学(如，无机酸、碱或强氧化剂例如次氯酸钠)和/或酶处理。例如，碾磨可在存在酸的情况下进行。
[0207] 机械处理系统可配置为生成具有特定形态特性例如表面积、孔隙度、堆密度，就纤维原料而言，纤维特性例如长宽比的流。
[0208] 在一些实施方案中，机械处理物质的BET表面积大于0.1m2/g，如大于0.25m2/g、大于0.5m2/g、大于1.0m2/g、大于1.5m2/g、大于1.75m2/g、大于5.0m2/g、大于10m2/g、大于25m2/g、大于35m2/g、大于50m2/g、大于60m2/g、大于75m2/g、大于100m2/g、大于150m2/g、大于200m2/g或甚至大于250m2/g。
[0209] 机械处理物质的孔隙度可以例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于85％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于
97.5％、大于99％或甚至大于99.5％。
97.5％、大于99％或甚至大于99.5％。
[0210] 在一些实施方案中，在机械处理后，物质具有的堆密度小于0.25g/cm3，如0.20g/cm3、0.15g/cm3、0.10g/cm3、0.05g/cm3或更小，如0.025g/cm3。堆密度使用ASTM D1895B确定。简而言之，方法涉及用样品填充已知体积的量筒，以及获得样品的重量。堆密度通过将样品重量(单位为克)除以量筒的已知体积(单位为立方厘米)来计算。
[0211] 如果原料是纤维物质，则纤维物质机械处理物质的纤维可具有相对较大的平均长径比(如，大于20:1)，甚至它们的剪切超过一次。此外，本文所述的纤维物质的纤维可具有相对较窄的长度和/或长径比分布。
[0212] 如本文所用，平均纤维宽度(如，直径)为通过随机选择大约5,000条纤维来目测确定的那些。平均纤维长度为纠正长度-加权长度。BET(Brunauer、Emmet和Teller)表面积为多点表面积，孔隙度为通过压汞法确定的那些。
[0213] 如果第二原料是纤维物质14，则机械处理物质的纤维的平均长径比可为例如大于8/1、例如大于10/1、大于15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。机械处理物质14的平均纤维长度可为例如在约0.5mm和2.5mm之间，例如在约0.75mm和1.0mm之间，第二纤维物质14的平均宽度(如，直径)可为例如在约5μm和50μm之间，例如在约10μm和30μm之间。
[0214] 在一些实施方案中，如果原料是纤维物质，则机械处理物质的纤维长度的标准偏差可以小于机械处理物质的平均纤维长度的60％，如小于平均长度的50％，小于平均长度的40％，小于平均长度的25％，小于平均长度的10％，小于平均长度的5％，或甚至小于平均长度的1％。
[0215] 增溶、降低顽拗性或功能化的处理
[0216] 可处理经过或未经物理制备的物质，以用于本文所述的任何制备工艺。如下所述的一种或多种制备工艺可包括在上述讨论的顽拗性降低操作单元中。作为另外一种选择，或除此之外，可包括降低顽拗性的其他工艺。
[0217] 顽拗性减低操作单元利用的处理工艺可包括辐照、超声、氧化、高温分解或蒸汽爆破中的一者或多者。处理方法可结合两种、三种、四种或甚至所有这些技术(任何顺序)使用。
[0218] 辐射处理
[0219] 一种或多种辐照加工顺序可用于加工来自原料的物质，从而得到多种不同来源的纸张原料，以从原料提取可用的物质，并且提供部分降解结构改性的物质，其作为进一步加工步骤和/或顺序的输入。辐照可以例如减少原料的分子量和/或结晶度。辐射也可对物质，或需要对物质进行生物加工的任何介质杀菌。
[0220] 在一些实施方案中，沉积在从其原子轨道释放电子的物质中的能量用于辐照物质。辐射可通过如下方式提供：(1)重带电粒子，例如α粒子或质子，(2)例如在β衰变或电子束加速器中产生的电子，或(3)电磁辐射，例如γ射线、X射线或紫外线。在一个方法中，放射性物质产生的辐射可用于辐照原料。在一些实施方案中，可利用(1)至(3)的任何顺序或同时的任何组合。在另一个方法中，电磁辐射(如，使用电子束发射器产生)可用于辐照原料。施用的放射量取决于所需的效果和特定原料。
[0221] 在某些情况下，当断链为所期望时和/或聚合物链官能化为所期望时，可利用比电子重的粒子，例如质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。当开环断链为所期望时，带正电的粒子可将其路易斯酸特性用于增强开环断链。例如，当最大氧化作用为所期望时，可利用氧离子，当最大硝化作用为所期望时，可利用氮离子。重粒子和带正电的粒子的使用在U.S.7,931,784中有所描述，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0222] 在一个方法中，辐照作为或包含具有第一数均分子量(MN1)的纤维素的第一物质，如通过用电离辐射(如，γ辐射、X-射线辐射、100nm至280nm紫外(UV)光、电子束或其他带电粒子的形式)处理，以提供包含具有第二数均分子量(MN2)的纤维素的第二物质，所述第二数均分子量小于第一数均分子量。第二物质(或第一和第二物质)可与可利用第二和/或第一物质或其组分糖或木质素生成中间物或产物，例如本文所述的那些的中间物或产物的微生物(使用或不使用酶处理)组合。
[0223] 由于第二物质包含具有相对于第一物质减小的分子量，在某些情况下，还具有减小的结晶度的纤维素，第二物质的分散性、溶胀性和/或溶解度，如在包含微生物和/或酶的溶液中的溶解度通常更大。这些特性使第二物质相对于第一物质更易于加工，并且对化学、酶学和/或生物学攻击更敏感，其大大提高了所需产物，如乙醇的产率和/或生产水平。辐射也可对物质，或需要对物质进行生物加工的任何介质杀菌。
[0224] 在一些实施方案中，第二物质可具有氧化水平(O2)大于第一物质的氧化水平(O1)。物质的高氧化水平可有助于其分散性、溶胀性和/或溶解度，还增强了物质对化学、酶学或生物学攻击的敏感性。在一些实施方案中，为了增加第二物质相对于第一物质的氧化水平，辐照在氧化环境下，如在空气或氧气的覆盖层下进行，生成氧化性比第一物质更强的第二物质。例如，第二物质可具有更多的羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基团，它们可增加其亲水性。
[0225] 电离辐射
[0226] 每种形式的辐射使含碳物质通过特定相互作用电离，如通过辐射能量确定。重带电粒子主要通过库仑散射电离物质；此外，这些相互作用生成还可电离物质的高能电子。α粒子与氦原子核相同，并且由各种放射性核，例如铋、钋、砹、氡、钫、镭、多个锕系元素例如锕、钍、铀、镎、锯、锎、镅和钚的同位素的α衰变生成。
[0227] 当使用粒子时，它们可为中性的(不带电的)、带正电的或带负电的。当带电时，带电的粒子可具有单正或负电荷，或多电荷，如一个、两个、三个或甚至四个或多个电荷。在其中断链为所期望的情况下，带正电的粒子可为所期望的，部分是由于其酸性性质。当利用粒子时，粒子可具有静止电子质量，或更大如500、1000、1500、2000、10,000或甚至100,000倍静止电子质量。例如，粒子可具有约1个原子单位至约150个原子单位，如约1个原子单位至约50个原子单位，或约1至约25，如1、2、3、4、5、10、12或15amu的质量。用于使粒子加速的加速器可为静电DC、电动DC、RF线性、磁感应线性或等幅波。例如，回旋型加速器可获自IBA,Belgium，例如 系统，而DC型加速器可获自RDI，现为IBA Industrial，例如离子和离子加速器在Introductory Nuclear 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 Beam Therapy”Columbus-Ohio,ICRU-IAEA Meeting,18-20March 2006、Iwata,Y.等人，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotland和Leaner,C.M.等人，“Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中有所讨论。
S.Krane,John Wiley&Sons,Inc.(1988)、Krsto Prelec,FIZIKA B 6(1997)4,177-206、Chu,William T.,“Overview of Light-Ion Beam Therapy”Columbus-Ohio,ICRU-IAEA Meeting,18-20March 2006、Iwata,Y.等人，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotland和Leaner,C.M.等人，“Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中有所讨论。
[0228] 在一些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束具有高放射量率(如，1、5或甚至10毫拉德/秒)、高通量、低容积和少吸持设备的优点。电子也可对引起断链更有效。此外，具有4-10MeV能量的电子可具有5至30mm或更多，例如40mm的穿透深度。在一些情况下，多个电子束装置(如，多头，通常称为“喇叭”)用于将多放射量电子束辐射递送至物质。该总电子束高功率通常利用多个加速头实现。例如，电子束装置可包括两个、四个或多个加速头。例如，电子束装置可包括四个加速头，其每个具有300kW的电子束功率，总电子束功率为1200kW。多头的使用防止了物质的温度过度升高，其中每个头具有相对较低的电子束功率，从而防止了物质的燃烧，还通过物质层的厚度增加了放射量的均匀度。多头的辐照在提交于2011年
10月18日的美国专利申请序列No.13/276,192中有所公开，其完整公开内容以引用的方式并入本文。
10月18日的美国专利申请序列No.13/276,192中有所公开，其完整公开内容以引用的方式并入本文。
[0229] 电子束可以例如通过静电发生器、级联发生器、感应变频机、具有扫描系统的低能量加速器、具有线性阴极的低能量加速器、直线加速器和脉冲加速器生成。作为电离辐射源的电子可用于例如相对较薄的物质堆，如小于0.5英寸，如小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸或小于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)，如约0.5MeV至约1.5MeV，或约0.7MeV至约1.25MeV。
[0230] 电子束辐照装置可从Ion Beam Applications,Louvain-la-Neuve,Belgium或Titan Corporation,San Diego,CA商购获得。典型的电子能量可为1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。典型的电子束辐照装置功率可为1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料的解聚水平取决于所用的电子能量和所施用的放射量，而暴露时间取决于功率和放射量。典型的放射量可采取1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy的值。
在一些实施方案中，可使用在0.25-10MeV(如，0.5-0.8MeV、0.5-5MeV、0.8-4MeV、0.8-3MeV、
0.8-2MeV或0.8-1.5MeV)之间的能量。
在一些实施方案中，可使用在0.25-10MeV(如，0.5-0.8MeV、0.5-5MeV、0.8-4MeV、0.8-3MeV、
0.8-2MeV或0.8-1.5MeV)之间的能量。
[0231] 电磁辐射
[0232] 在其中辐照使用电磁辐射进行的实施方案中，电磁辐射可具有例如大于102eV的每光子能量(单位为电子伏)，如大于103、104、105、106或甚至大于107eV。在一些实施方案中，电磁辐射具有在104和107之间，如在105和106eV之间的每光子能量。电磁辐射可具有例如大于1016Hz、大于1017Hz、1018Hz、1019Hz、1020Hz或甚至大于1021Hz的频率。在一些实施方案中，电磁辐射具有在1018和1022Hz之间，例如在1019至1021Hz之间的频率。
[0233] 放射量
[0234] 在一些实施方案中，辐照(使用任何辐射源或源的组合)的进行直到物质接收至少0.25毫拉德，如至少1.0、2.5、5.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40、50，或甚至至少100毫拉德的放射量。在一些实施方案中，辐照的进行直到物质接收在1.0毫拉德和6.0毫拉德之间，如在1.5毫拉德和4.0毫拉德、2毫拉德和10毫拉德、5毫拉德和20毫拉德、10毫拉德和30毫拉德、10毫拉德和40毫拉德或20毫拉德和50毫拉德之间的放射量。
[0235] 在一些实施方案中，辐照在5.0和1500.0千拉德/小时之间，如在10.0和750.0千拉德/小时之间或在50.0和350.0千拉德/小时之间的放射量率下进行。
[0236] 在一些实施方案中，使用两个或多个辐射源，例如两个或多个电离辐射。例如，可以任何顺序使用电子束、然后γ辐射和波长约100nm至约280nm的紫外光处理样品。在一些实施方案中，样品使用三个电离辐射源，例如电子束、γ辐射和高能紫外光处理。
[0237] 超声、高温分解和氧化
[0238] 除辐照处理之外，原料可使用超声、高温分解和氧化中的任何一者或多者处理。这些处理工艺在提交于2009年4月3日的美国序列No.12/417,840中有所描述；其公开内容以引用的方式并入本文。
[0239] 增溶、降低顽拗性或功能化的其他工艺
[0240] 本段落的任何工艺可单独使用，无需本文所述的任何工艺，或与本文所述的任何工艺(任何顺序)结合使用：蒸汽爆破、化学处理(如，酸处理(包括使用浓和稀的无机酸例如硫酸、盐酸和有机酸例如三氟乙酸处理)和/或碱处理(如，用石灰或氢氧化钠处理))、UV处理、螺旋挤压处理、溶剂处理(如，用离子型液体处理)和冷冻磨。这些工艺中的一些例如在提交于2009年4月3日的美国序列No.12/417,723、提交于2011年5月2日的13/099,151和提交于2009年7月14日的12/502,629中有所描述，它们的公开内容并入本文。
[0241] 燃料、酸、酯和/或其他产物的制备
[0242] 在上文讨论的一个或多个加工步骤使用生物质进行之后，包含于纤维素和半纤维素级分中的复合碳水化合物可使用上述讨论的糖化工艺加工为可发酵糖。
[0243] 在所得的糖溶液运输到制造设施后，糖可转化为多种产物，例如醇如乙醇，或有机酸。所获得的产物取决于所利用的微生物和生物加工进行的条件。这些步骤可以例如利用现有设备基于玉米的乙醇制造设施进行。
[0244] 如果需要，本文讨论的混合工艺和设备也可在生物加工期间使用。有利的是，本文所述的混合系统不赋予液体高剪切，不显著升高液体的总体温度。因此，用于生物加工的微生物在加工过程中保持于存活条件下。混合可增加反应速率，提高加工的效率。
[0245] 一般来讲，发酵利用各种微生物。木质纤维素物质糖化生成的糖溶液通常包含木糖以及葡萄糖。移除木糖，如通过色谱法移除可为所期望的，因为一些常用微生物(如，酵母)不作用于木糖。可收集木糖并且用于其他产物，如动物饲料和甜味剂木糖醇的制造。木糖可在糖溶液递送至其中发酵进行的制造设施之前或之后移除。
[0246] 微生物可以是天然微生物或工程化微生物，如本文物质部分讨论的任何微生物。
[0247] 酵母的最佳pH为约pH4至5，而发酵单胞菌的最佳pH为约pH5至6。典型的发酵时间为约24至96小时，温度在26℃至40℃的范围内，然而嗜热微生物偏好高温。
[0248] 羧酸基团通常降低发酵溶液的pH，趋于抑制通过一些微生物，例如树干毕赤酵母的发酵。因此，在一些情况下，在发酵之前或期间添加碱和/或缓冲液，以提高溶液的pH是所期望的。例如，氢氧化钠或石灰可添加到发酵介质，以提高介质的pH，达到微生物利用的最佳范围。
[0249] 发酵通常在含水生长介质中进行，该介质可包含氮源或其他营养源，如尿素以及维生素和痕量矿物和金属。生长介质无菌，或至少具有低微生物负荷，如细菌计数通常是优选的。生长介质的消毒可以任何所需方式实现。然而，在优选的实施中，在混合之前，消毒通过辐照生长介质或生长介质的单个组分实现。辐照的放射量通常尽可能低，而仍然获得适当的结果，以使能耗和产生的成本最小化。例如，在多种情况下，生长介质本身或生长介质的组分可用小于5毫拉德，例如小于4、3、2或1毫拉德的放射量处理。在具体情况下，生长介质用约1和3毫拉德之间的放射量处理。
[0250] 在一些实施方案中，所有或部分发酵工艺可在低分子量糖完全转化为乙醇前中断。中间物发酵产物包含高浓度的糖和碳水化合物。这些中间物发酵产物可用于制备人或动物消耗的食物。除此之外或作为另外一种选择，中间物发酵产物可在不锈钢实验型磨中研磨为细小粒度，产生粉状物质。
[0251] 可利用移动发酵罐，如提交于2009年1月21日的美国序列No.12/374,549，现为公布国际专利申请No.WO 2008/011598中所描述。相似地，糖化设备可为移动的。此外，糖化和/或发酵可在部分或整个运输期间进行。
[0252] 后加工
[0253] 在发酵后，所得的流体可使用例如“啤酒柱”蒸馏，以将乙醇和其他醇从大量水和残余固体中分离。离开啤酒柱的蒸气可以是例如35重量％乙醇，并且可送入精馏柱。来自精馏柱的乙醇和水的几乎共沸(92.5％)混合物可使用蒸气相分子筛纯化为纯(99.5％)乙醇。啤酒柱底部可送入三效蒸发器的第一效。精馏柱回流冷凝器可为该第一效提供热量。在第一效后，固体可使用离心机分离，并且在旋转干燥器中干燥。部分(25％)离心机流出物可循环至发酵，其余送入蒸发器第二和第三效。大多数蒸发器冷凝物可返回工艺，作为具有少量分离物的十分清洁冷凝物进入废水处理，以防止低沸点化合物的累积。
[0254] 中间物和产物
[0255] 使用本文所述的工艺，处理的生物质可转化为一种或多种产物，例如能量、燃料、食物和物质。产物的具体例子包括(但不限于)氢、糖(如，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、果糖、二糖、低聚糖和多糖)、醇(如，一元醇或二元醇，例如乙醇、正丙醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇或正丁醇)、水合或含水醇如包含大于10％、20％、30％或甚至大于40％的水、木糖醇、生物柴油、有机酸、烃如甲烷、乙烷、丙烷、异丁烯、戊烷、正己烷、生物柴油、生物汽油及其混合物、副产物(如，蛋白质例如纤维分解蛋白质(酶)或单细胞蛋白质)以及任何这些物质的任何组合或相对浓缩物，以及任选地与任何添加剂如燃料添加剂组合的混合物。其他例子包括羧酸、羧酸盐、羧酸和羧酸盐以及羧酸酯(如，甲酯、乙酯和正丙酯)的混合物、酮(如，丙酮)、醛(如，乙醛)、α、β不饱和酸例如丙烯酸以及烯烃例如乙烯。其他醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、糖醇(如，赤藓醇、乙二醇、甘油、山梨糖醇、苏丁醇、阿拉伯糖醇、核糖醇、甘露糖醇、己六醇、岩藻糖醇、艾杜糖醇、异麦芽、麦芽糖醇、乳糖醇、木糖醇和其他多元醇)、任何这些醇的甲酯或乙酯。其他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-羟基丁酸及其混合物、任何这些酸的盐、或任何酸及其对应盐的混合物。任何酸的盐和任何酸和相对盐的混合物。
[0256] 其他中间物和产物，包括食物和药物产物，在提交于2009年4月3日美国序列No.12/417,900中有所描述，其全部公开内容据此以引用的方式并入本文。
[0257] 其他实施方案
[0259] 在一些实施中，本文讨论的系统，或这些系统的部件可为便携式的，如提交于2009年6月2日的美国序列No.12/374,549和国际专利申请No.WO 2008/011598中描述的移动加工设备的方式，它们的全部公开内容以引用的方式并入本文。
[0260] 虽然本文中涉及罐，但工艺可在任何类型的容器或器皿中进行，包括泻湖、水池、池塘等。如果其中混合进行的器皿是地面结构例如泻湖，可以是排列的。器皿可以是覆盖的，例如如果在室外，或未覆盖的。
[0261] 在替代实施方案中，分散系统134在图2A和2B中示出的系统中可省略，泵可用于从罐抽吸液体，将其通过出口管137递送，润湿原料物质，然后通过射流混合器144的混合作用分散。在此类实施中，泵优选地为低剪切泵，如正位移泵例如获自SEEPEX的渐进式空腔泵和获自Waukesha的凸轮泵。泵能够抽吸高粘度流体也是优选的，因为液体的粘度随着更多的原料添加而增加。
[0262] 虽然生物质原料在本文中有所描述，但可使用其他原料以及生物质原料与其他原料的混合物。例如，一些实施可利用生物质原料与含烃原料的混合物，例如提交于2011年11月10日的美国序列No.13/293,985中公开的那些，其全部公开内容以引用方式并入本文。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 具有增强活性的外切葡聚糖酶变体及其用途 | 2020-05-12 | 879 |
| 一种生物颗粒燃料及其加工装置与加工方法 | 2020-05-08 | 759 |
| 生物质成型燃料生产系统的除石器 | 2020-05-08 | 851 |
| 具有增强活性的外切葡聚糖酶变体及其用途 | 2020-05-11 | 347 |
| 喷射燃料到在单燃料或多燃料模式中运行的内燃机的燃烧室中的方法 | 2020-05-13 | 588 |
| 一种微生物燃料电池处理废纸浆中提取的淀粉物质新方法 | 2020-05-12 | 724 |
| 高效自动猪鬃串烘房 | 2020-05-11 | 195 |
| 一种适于生物质燃料的卧式粉碎装置 | 2020-05-08 | 545 |
| 一种生物燃料装置用可连续生产的原料抽提脱水装置 | 2020-05-12 | 513 |
| 一种生物燃料加工用上料机构 | 2020-05-11 | 983 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
生物燃料热门专利
-
3 一种车用生物燃料
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈