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CN105907813A - 生物量加工 - Google Patents

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CN105907813A
CN105907813A CN201610183603.9A CN201610183603A CN105907813A CN 105907813 A CN105907813 A CN 105907813A CN 201610183603 A CN201610183603 A CN 201610183603A CN 105907813 A CN105907813 A CN 105907813A
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M·梅多夫
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Xyleco Inc
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Abstract

加工生物量(例如，植物生物量、动物生物量、微生物和城市废物生物量)以产生有用产物，例如燃料。例如，系统可以使用原料材料例如纤维素和/或木质纤维素材料和/或淀粉质或含糖材料，以通过发酵产生乙醇和/或丁醇。

Description

生物量加工
本申请为国际申请号为PCT/US2009/041942，国际申请日为2009年4月28日，发明名称为“生物量加工”的PCT申请于2010年12月28日进入中国国家阶段后申请号为200980124452.8的中国国家阶段专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及加工生物量，例如用于加工生物量的方法和系统。
背景
例如以纤维形式的各种碳水化合物，例如纤维素和木质纤维素材料在许多应用中以大量产生、加工且使用。通常此类材料使用一次，并且随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘蔗渣、锯屑和秸秆。
概述
生物量可以进行加工，以在一个或多个水平下改变其结构。经加工的生物量可以例如用作材料和/或燃料来源。
一般而言，本发明涉及改变生物量原料的分子和/或超分子结构的方法。如下所述，在某些实现中，该方法包括照射和淬灭生物量原料。在其他实现中，该方法包括照射原料、冷却原料且再次照射原料。
可以加工含碳水化合物材料(例如，生物量材料或生物量衍生的材料，例如淀粉质材料、纤维素材料、木质纤维素材料、或者其是或包括显著量低分子量糖(例如，单糖、二糖或三糖)的生物量材料，以改变其结构，并且可以由结构上改变的材料制备产物。例如，本文公开的方法中的许多可以提供了相对于天然材料，具有低分子量和/或结晶度的纤维素和/或木质纤维素材料。本文公开的方法中的许多提供了可以由多种微生物更容易地利用以产生有用产物的材料，所述有用 产物例如氢、醇(例如，乙醇或丁醇)、有机酸(例如，乙酸)、烃、共同产物(例如，蛋白质)或这些中的任何的混合物。所获得的产物中的许多例如乙醇或正丁醇可以用作燃料用于给小汽车、货车、牵引机、船只或列车提供动力，例如作为内部燃料材料或作为燃料电池原料。所获得的产物中的许多还可以用于给飞行器例如具有喷气发动机的例如飞机或直升机提供动力。此外，本文描述的产物可以用于电力产生，例如在常规蒸汽发电厂或燃料电池工厂中。
在一个方面，本发明的特征在于这样的方法，其包括使生物量原料淬灭，所述生物量原料已进行照射，以使生物量原料电离，从而使得原料具有用电子自旋共振光谱仪可检测的第一个原子团水平，所述淬灭至原子团处于低于第一个水平的第二个水平的程度。
在另一个方面，本发明的特征在于这样的方法，其包括照射生物量原料，以使生物量原料电离，从而使得原料具有用电子自旋共振光谱仪可检测的第一个原子团水平，并且使经照射的生物量原料淬灭至经淬灭的生物量原料中的原子团处于低于第一个水平的第二个水平的程度。
某些方法进一步包括加工经照射且经淬灭的生物量原料以产生产物。
某些实现包括下述特征中的一种或多种。
淬灭可以包括使原子团淬灭至用电子自旋共振光谱仪无法检测的水平，例如小于约1014自旋。淬灭可以包括对生物量应用压力，例如超过约1000psi的压力。压力可以连同热的应用一起应用。淬灭可以包括使生物量和能够与原子团反应的气体相接触，例如使生物量和能够穿透到生物量内且与原子团反应的流体相接触。淬灭还可以或备选地包括使生物量与抗氧化试剂相接触。在某些情况下，生物量原料包括在其中分散的抗氧化试剂，并且淬灭可以包括使生物量原料中分散的抗氧化试剂与原子团相接触。
在另一个方面，本发明的特征在于包括使用仪器照射生物量原料的方法，所述仪器包括配置为加速粒子例如电子或离子的加速器，所 述生物量原料已通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度进行制备，其中所述仪器能够加工超过1,000吨生物量材料/年，例如超过10,000、25,000、50,000、100,000、或甚至超过1,000,000吨生物量/年。
在一个进一步的方面，本发明的特征在于例如用电子或离子的电离辐射照射生物量原料，以改变生物量原料的分子和/或超分子结构，使生物量原料冷却，并且随后再次照射生物量原料。辐射的2次应用可以是相同或不同的，例如相同种类，例如以相同水平的电子。
本发明的特征还在于通过这些方法产生的产物和用于执行方法的系统。
这些方法的某些实现包括下述特征中的一种或多种。
生物量原料可以冷却至这样的程度，在冷却后，生物量处于低于其在照射前的起始温度的温度。生物量的冷却可以包括使生物量与在低于生物量的起始温度或低于照射后的生物量温度的温度的流体相接触。
在生物量原料在流体中由空气作用传送时，可以执行生物量原料的每次照射。辐射可以在生物量原料在重力的影响下落下时应用。例如，生物量可以由在第一个高度上的第一条带传送，并且通过在低于第一个水平的第二个水平上的第二条带捕获，第一条带的后缘和第二条带的前缘限定缺口，并且电离辐射可以在限定缺口中应用于生物量原料。在照射过程中，生物量可以传送经过粒子枪且通过带电粒子束。生物量原料在束下和/或上的区域中可以具有小于约0.25g/cm3的堆密度。
在另一个方面，本发明的特征在于改变在包括至少约10重量％的低分子量糖的生物量原料中的淀粉质材料或低分子量糖例如蔗糖的分子结构和/或超分子结构的方法。该方法包括加工经处理的生物量原料以产生产物，所述经处理的生物量原料已通过使用预处理方法预处理生物量原料进行制备，所述预处理方法改变淀粉质材料或低分子量糖部分的分子结构和/或超分子结构，选自辐射、超声处理、热解和氧化。
在另一个方面，本发明的特征在于用选自辐射、超声处理、热解和氧化的至少一种方法处理包括淀粉质材料的生物量原料的方法，以改变淀粉质材料的分子结构和/或超分子结构。
在某些实现中，本发明的上述方面中的任何包括下述特征中的一种或多种。
该方法可以进一步包括用一种或多种其他预处理方法处理生物量原料，其中所述其他预处理方法选自超声处理、热解和氧化。
辐射可以以电子束的形式，其可以例如以约10MRad-约50Mrad的总剂量应用。辐射可以是电离辐射。
加工可以包括制备易燃燃料。在某些情况下，加工包括利用微生物转变经照射的材料，所述微生物具有使至少约1重量％的生物量转变成燃料的能力。
在某些实现中，加工包括使原料需氧或厌氧发酵，以产生产物例如燃料，例如乙醇。例如，加工可以包括使原料与微生物相接触，所述微生物具有使至少部分例如至少约1重量％的原料转变成产物的能力。微生物可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。当生物相容时，可以利用混合物。
产物可以包括氢、有机酸、蛋白质、烃和醇(例如乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇)及其混合物中的一种或多种。通过本文公开的方法可以产生的产物的其他例子包括单和多功能C1-C6烷基醇、单和多功能羧酸、C1-C6烃及其组合。醇的其他例子包括甲醇、乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、甘油及其组合。羧酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟丁酸及其组合。烃包括甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、正己烷及其组合。这些产物中的许多可以用作燃料。
该方法可以进一步包括通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度制备生物量原料。
在某些情况下，生物量具有内部纤维，并且生物量已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。在某些情况下，生物量原料可以包括不连续纤维和/或粒子，或可以由不连续纤维和/或粒子组成，所述不连续纤维和/或粒子具有不超过约0.5mm的最大限度尺度。
生物量原料可以进行制备且随后进行预处理，或进行预处理且随后进行制备。预处理方法可以选自例如辐射例如来自电子或离子束的辐射、超声处理、热解和氧化。在某些实施方案中，在生物量原料暴露于空气、氮、氧、氦或氩时，对生物量原料执行至少一种预处理方法，例如辐射。在某些实施方案中，预处理可以包括用蒸汽爆炸预处理生物量原料。
在某些实施方案中，通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度制备生物量，包括剪切、湿或干磨、切割、挤压、压缩或这些过程中的任何的混合物。例如，剪切可以用旋转切割机来执行。剪切可以产生具有大于5/1的平均直径长度比的纤维。在某些实施方案中，所制备的生物量可以具有大于0.25m2/g的BET表面积。生物量可以已剪切至生物量的内部纤维基本上暴露的程度。生物量可以剪切至其具有小于约0.35g/cm3的堆密度的程度。
在某些实施方案中，2种或更多种预处理方法可以应用于生物量原料，例如辐射和超声处理、辐射和氧化、辐射和热解、超声处理和氧化、超声处理和热解、或氧化和热解。2个或更多个过程可以以任何次序或同时或大约同时进行。
在某些实施方案中，生物量例如纤维素或木质纤维素材料或低分子量糖或淀粉质材料的分子结构中的改变和/或超分子结构中的改变，可以包括平均分子量、平均结晶度、表面积、聚合度、多孔性、支化、移植、域大小或数目中的任何一种或多种中的改变，化学官能团种类或数目中的改变，和式量中的改变。例如，分子结构和/或超分子结构中的改变可以包括平均分子量和平均结晶度中的一种或两种中的下降，或表面积和多孔性中的一种或两种中的增加。
在许多情况下，与未官能化的生物量相比较，官能化的生物量(其 中官能团的数目和/或种类已改变的生物量)更可溶并且更容易由微生物利用。此外，本文公开的官能化材料中的许多更不易于氧化，并且在环境条件下可以具有增强的长期稳定性。
在某些实施方案中，可以对生物量执行至少一种预处理方法，其中小于约25重量％的生物量处于膨胀状态，所述膨胀状态特征在于具有比未膨胀状态高超过约2.5％的体积。在其他实施方案中，生物量与膨胀剂相混合或包括膨胀剂。例如，在本文描述的任何方法中，生物量可以与膨胀剂相混合或和包括膨胀剂，并且生物量可以接受小于约10Mrad的辐射剂量。
预处理的生物量材料可以进一步包括任选地缓冲剂例如碳酸氢钠或氯化铵、电解质例如氯化钾或氯化钠、生长因子例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶、表面活性剂、矿物质或螯合剂。
在某些情况下，在生物量原料暴露于空气、氮、氧、氦或氩时，执行预处理。预处理可以在压力下例如在大于约2.5大气压的压力下执行。本文描述的方法可以进一步在预处理前使生物量氧化。
生物量原料可以包括例如纸、纸制品、纸废物、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰子毛、棉花、合成纤维素、海藻、藻类及其混合物。在某些情况下，生物量可以包括合成材料。
在某些情况下，生物量可以包括碳水化合物，其包括一个或多个β-1,4-键合且具有约3,000-50,000的数量平均分子量。
在某些实现中，生物量材料包括淀粉，例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或米淀粉，淀粉衍生物，或包括淀粉的材料例如可食用食物产物或农作物。例如，淀粉质材料可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、野葛、酢浆草、西米、高粱、常规普通马铃薯、甘薯、芋头、山药或一种或多种豆例如蚕豆、小扁豆或豌豆。
在其他实现中，生物量材料是或包括低分子量糖。例如，生物量材料可以包括至少约0.5重量％的低分子量糖，例如至少约2、3、4、 5、6、7、8、9、10、12.5、25、35、50、60、70、80、90或甚至至少约95重量％的低分子量糖。在某些情况下，生物量基本上由低分子量糖组成，例如大于95重量％，例如96、97、98、99或基本上100重量％的低分子量糖。包括低分子量糖的生物量材料可以是农产品或食物产物，例如甘蔗和甜菜或由其的提取物，例如来自甘蔗或甜菜的汁液。低分子量糖的具体例子包括纤维二糖、乳糖、蔗糖、葡萄糖和木糖，连同其衍生物。通过本文描述的方法中的任何加工低分子量糖可以使所得到的产物更可溶和/或更容易由微生物利用。
在一个方面，使中间产物转变成产物的方法包括用微生物处理经照射的中间产品，所述中间产物已通过照射淀粉质材料且用酶处理淀粉质处理进行制备。
在另一个方面，使中间产物转变成产物的方法包括通过照射淀粉质材料且用酶处理淀粉质处理来制备中间产物，并且用微生物处理经照射的中间产品。
另一个方面包括通过上述方法中的任何一种产生的产物。
在一个方面，生物量原料加工系统包括配置为使生物量原料电离的照射装置，从而使得原料具有用电子自旋共振光谱仪可检测的第一个原子团水平；和配置为使经电离的生物量原料淬灭至原子团处于低于第一个水平的第二个水平的程度的淬灭装置。
在另一个方面，生物量原料加工系统包括配置为用至少2个分开的辐射剂量照射生物量原料的一个或多个照射装置；和配置为使生物量原料在辐射剂量之间冷却的冷却装置。
在某些实现中，系统还包括放置为待通过一个或多个照射装置电离的生物量原料。
在本文公开的方法或系统的任何中，辐射可以由在地下室(vault)中的装置应用。
如本文使用的，术语“纤维材料”是包括众多松散、不连续且可分离的纤维的材料。例如纤维材料可以通过例如用旋转切割机剪切由漂白的牛皮纸纤维来源进行制备。
如本文使用的，术语“筛子”意指能够根据大小筛分材料的构件。筛子的例子包括穿孔板、轧辊等、或金属丝网或布织物。
如本文使用的，术语“热解”意指通过应用热能来破坏材料中的键。热解可以在主题材料处于真空下或浸入气态材料中的时候发生，所述气态材料例如氧化气体，例如空气或氧，或还原气体，例如氢。
通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。
术语“生物量”指任何未变陈腐的，即可再生的有机物质。多种类型的生物量包括植物生物量(下文定义)、微生物生物量、动物生物量(任何动物副产物、动物废物等)和城市废物生物量(具有去除的可再循环物例如金属和玻璃的住宅和轻型商业垃圾)。
术语“植物生物量”和“木质纤维素生物量”指基本上任何植物衍生的有机物质(木质或非木质的)。植物生物量可以包括但不限于农业或食用作物(例如，甘蔗、甜菜或玉米仁)或由其的提取物(例如，来自甘蔗的糖和来自玉米的玉米淀粉)、农业作物废物和残渣例如玉米秸秆、麦秆、稻秆、甘蔗蔗渣等。植物生物量进一步包括但不限于树、木质能源作物、木材废物和残渣例如软木材林间苗、树皮废物、锯屑、纸和浆工业废物流、木质纤维等。另外地，草作物例如柳枝稷等具有作为另一个植物生物量来源大规模生产的潜力。对于市区，最佳潜力的植物生物量原料包括庭院废物(例如，草割茬、树叶、树割茬和灌木)和蔬菜加工废物。
“木质纤维素原料”是任何类型的植物生物量，例如但不限于非木质植物生物量、中耕作物，例如但不限于草，例如但不限于C4草，例如柳枝稷、米草(cord grass)、黑麦草、芒草、草芦或其组合，或糖加工残渣例如甘蔗渣或甜菜浆，农业残渣例如大豆秸秆、玉米秸秆、稻秆、稻壳、大麦秆、玉米轴、麦秆、卡诺拉油菜秆、稻秆、燕麦秆、燕麦壳、玉米纤维、再循环木浆纤维、锯屑、硬木材例如杨木和锯屑、软木材或其组合。此外，木质纤维素原料可以包括纤维素废弃材料，例如但不限于新闻纸、卡纸板、锯屑等。
木质纤维素原料可以包括一个种类的纤维，或备选地，木质纤维素原料可以包括源于不同木质纤维素原料的纤维混合物。此外，木质纤维素原料可以包括新鲜的木质纤维素原料、部分干燥的木质纤维素原料、完全干燥的木质纤维素原料或其组合。
为了本公开内容的目的，碳水化合物是完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位的材料。糖单位可以在环周围由一个或多个官能团进行官能化，所述官能团例如羧酸基团、氨基、硝基、亚硝基或腈基，并且仍被视为碳水化合物。碳水化合物可以是聚合的(例如，等于或大于10聚体、100聚体、1,000聚体、10,000聚体或100,000聚体)、寡聚的(例如，等于或大于4聚体、5聚体、6聚体、7聚体、8聚体、9聚体或10聚体)、三聚的、二聚的或单体的。当形成具有超过一个单个重复单位的碳水化合物时，每个重复单位可以是相同或不同的。
聚合碳水化合物的例子包括纤维素、木聚糖、果胶和淀粉，而纤维二糖和乳糖是二聚碳水化合物的例子。单体碳水化合物的例子包括葡萄糖和木糖。
碳水化合物可以是超分子结构的部分，例如共价键合成结构。此类材料的例子包括木质纤维素材料，例如在木材中发现的那种。
淀粉质材料是其是或包括显著量的淀粉或淀粉衍生物的材料，例如大于约5重量％的淀粉或淀粉衍生物。为了本公开内容的目的，淀粉是其是或包括直链淀粉、支链淀粉、或其物理和/或化学混合物的材料，例如直链淀粉与支链淀粉的20:80或30:70重量％混合物。例如，稻、玉米及其混合物是淀粉质材料。淀粉衍生物包括例如麦芽糖糊精、酸变性淀粉、碱变性淀粉、漂白淀粉、氧化淀粉、乙酰化淀粉、乙酰化且氧化淀粉、磷酸盐变性淀粉、遗传变性淀粉和对消化有抵抗力的淀粉。
为了本公开内容的目的，低分子量糖是这样的碳水化合物或其衍生物，其具有小于约2,000的式量(除去水分)，例如小于约1,800、1,600、小于约1,000、小于约500、小于约350或小于约250。例如， 低分子量糖可以是单糖例如葡萄糖或木糖、二糖例如纤维二糖或蔗糖、或三糖。
易燃燃料是在氧的存在下能够点燃的材料。易燃燃料的例子包括乙醇、正丙醇、正丁醇、氢或这些中的任何2种或更多种的混合物。
如本文使用的，膨胀剂是这样的材料，当应用于此类材料如溶液例如水溶液时，其引起体积中超过未膨胀状态的纤维素和/或木质纤维素材料的可辨别膨胀，例如2.5％增加。例子包括碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和氢氧化铵，酸化剂例如矿物酸(例如，硫酸、盐酸和磷酸)，盐例如氯化锌、碳酸钙、碳酸钠、苄基三甲基硫酸铵，和碱性有机胺例如乙二胺。
如本文使用的，“经剪切的材料”是包括不连续纤维的材料，其中至少约50％的不连续纤维具有至少约5的长度/直径(L/D)比，并且具有小于约0.6g/cm3的未压缩的堆密度。经剪切的材料因此不同于已切割、剁碎或研磨的材料。
如本文使用的，改变生物量原料的分子结构意指改变化学键合排列，例如官能团的类型和数量或结构的构象。例如，分子结构中的改变可以包括改变材料的超分子结构、材料的氧化、改变平均分子量、改变平均结晶度、改变表面积、改变聚合度、改变多孔性、改变支化度、移植在其他材料上、改变结晶结构域尺寸、或改变总体结构域大小。
本申请将于2007年10月26日提交的国际申请号PCT/US2007/022719的完整内容通过引用合并入本文。下述美国专利申请各自的全部公开内容在此通过引用合并入本文：美国临时申请序列号61/049,391；61/049,394；61/049,395；61/049,404；61/049,405；61/049,406；61/049,407；61/049,413；61/049,415；和61/049,419，全部于2008年4月30日提交；美国临时申请序列号61/073,432；61/073,436；61/073,496；61/073,530；61/073,665；和61/073,674，全部于2008年6月18日提交；美国临时申请序列号61/106,861，于2008年10月20日提交；美国临时申请序列号61/139,324和61/139,453，两者都于2008 年12月19日提交；以及美国专利申请序列号12/417,707；12/417,720；12/417,840；12/417,699；12/417,731；12/417,900；12/417,880；12/417,723；12/417,786；和12/417,904，全部于2009年4月3日提交。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。尽管下文描述了合适方法和材料，但与本文描述那些相似或等价的方法与材料可以用于本发明的实践或测试。本文提及或与之附着的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体合并用于它们包含的所有那种。在冲突的情况下，以本说明书包括定义为准。此外，材料、方法和实施例仅是举例说明性的，并且不预期是限制性的。
本发明的其他特征和优点由于下述详述和权利要求将是显而易见的。
附图描述
图1是举例说明生物量转变成产物和共同产物的方框图。
图2是举例说明纤维来源转变成第一种和第二种纤维材料的方框图。
图3是旋转切割机的横断面视图。
图4是举例说明纤维来源转变成第一种、第二种和第三种纤维材料的方框图。
图5是举例说明材料的致密化的方框图。
图6是制丸磨的透视图。
图7A是以丸剂形式的致密化纤维材料。
图7B是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心一致。
图7C是空心丸剂的横剖面，其中空心的中心与丸剂的中心不成一直线。
图7D是三叶形丸剂的横剖面。
图8是举例说明用于加工原料的处理顺序的方框图。
图9是在混凝土地下室中容纳的γ辐照器的透视、剖视图。
图10是图9的区域R的放大透视图。
图11是举例说明电子束照射原料预处理顺序的方框图。
图11A是进行电离且随后氧化或淬灭的生物量的图示。
图11B是用于照射低堆密度材料的系统的示意性侧视图，而图11C是沿着11C-11C获得的该系统的横断面。
图11D是用于照射低堆密度材料的流化床系统的示意性横断面视图。
图11E是用于照射低堆密度材料的另一个系统的示意性侧视图。
图12是用于超声处理液体介质中的纤维素材料加工流的系统的示意性视图。
图13是具有与单个悬臂(horn)耦合的2个换能器的超声波仪的示意性视图。
图14是举例说明热解原料预处理系统的方框图。
图15是热解室的横断面侧视图。
图16是热解室的横断面侧视图。
图17是包括加热丝的热解器的横断面侧视图。
图18是居里点(Curie-Point)热解器的示意性横断面侧视图。
图19是炉热解器的示意性横断面侧视图。
图20是激光热解仪器的示意性横断面顶视图。
图21是钨丝闪热解器的示意性横断面顶视图。
图22是举例说明氧化原料预处理系统的方框图。
图23是举例说明将纤维来源转变成产物例如乙醇的过程的一般概述的方框图。
图24是蒸汽爆炸仪器的横断面视图。
图25是混合式(hybrid)电子束/超声处理装置的示意性横断面侧视图。
图26是举例说明用于玉米仁的干磨法过程的方框图。
图27是举例说明用于玉米仁的湿磨法过程的方框图。
图28是在25X放大率下由多涂层纸产生的纤维材料的扫描电子 显微照片。纤维材料在每次剪切过程中在利用具有1/16英寸开口的筛子的旋转切割机上剪切2次。
图29是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在利用具有1/8英寸开口的筛子的旋转切割机上产生。
图30是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在每次剪切过程中在利用具有1/16英寸开口的筛子的旋转切割机上剪切2次。
图31是在25X放大率下由漂白的牛皮纸板纸产生的纤维材料的扫描电子显微照片。纤维材料在旋转切割机上剪切3次。在第一次剪切过程中，使用1/8英寸筛子；在第二次剪切过程中，使用1/16英寸筛子，并且在第三次剪切过程中，使用1/32英寸筛子。
图32是超声处理仪器的示意性侧视图，而图33是通过图32的加工小室的横断面视图。
图34是纤维材料在1000X放大率下的扫描电子显微照片，所述纤维材料由在旋转切割机上剪切柳枝稷，并且随后使经剪切的材料经过1/32英寸筛子而产生。
图35和36是在1000X放大率下，分别用10Mrad和100Mradγ射线照射后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
图37是在1000X放大率下，用10Mrad照射和超声处理后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
图38是在1000X放大率下，用100Mrad照射和超声处理后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
图39是在旋转切割机上剪切的牛皮纸板纸的红外光谱。
图40是用100Mradγ辐射照射后，图39的牛皮纸的红外光谱。
图41是用于生物量转变的过程的示意性视图。
图42是用于生物量转变的另一个过程的示意性视图。
详述
本文描述了可以使用各种生物量材料作为原料材料的系统和过程，所述各种生物量材料例如纤维素材料、木质纤维素材料、淀粉质材料、或其是或包括低分子量糖的材料。此类材料通常是可容易获得的，但可以例如通过发酵难以加工，或可以例如以缓慢速率获得亚最佳得率。在某些情况下，加工系统中的困难至少部分来自原料的不顺应。本文描述了加工步骤，其可以减少这种不顺应并且从而促进生物量原料转变成所需产物。
在本文描述的过程中，原料材料通常通过原始原料材料的粉碎首先在物理上制备用于预处理。物理上制备的原料随后可以使用下述中的一种或多种进行预处理或加工：辐射(这在某些情况下可以在控制的热条件下)、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸。多种预处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。本文描述了可以用于增强原料加工的其他技术，例如在照射步骤之间使原料冷却，和在照射后使生物量原料淬灭。
本文还公开了具有所需功能性类型和量的官能化材料，例如羧酸基团、烯醇基团、醛基、酮基、腈基、硝基或亚硝基，其可以使用本文描述的方法进行制备。此类官能化材料可以是例如更可溶的，更易于由多种微生物利用，或经过长时期可以是更稳定的，例如更不易于氧化。
在某些情况下，原料可以包括低分子量糖或淀粉质材料，如本文将详细讨论的。
生物量类型
一般地，其是或包括碳水化合物的任何生物量材料可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，所述碳水化合物完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位。例如，生物量材料可以是纤维素或木质纤维素材料，淀粉质材料，例如玉米的仁、稻的谷粒或其他食物，或其是或包括一种或多种低分子量糖例如蔗糖或纤维二糖的材料。
例如，此类材料可以包括纸、纸制品、木材、木材相关材料、刨花板、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马 尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛、藻类、海藻、棉花、合成纤维素或这些中的任何的混合物。合适材料包括在上文概述部分中列出的那些。
纤维来源包括纤维素纤维来源，包括纸和纸制品(例如，聚涂层纸和牛皮纸)，和木质纤维素纤维来源，包括木材和木材相关材料，例如刨花板。其他合适的纤维来源包括天然纤维来源，例如草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛；α-纤维素含量很高的纤维来源，例如棉花；和合成纤维来源，例如拉出的丝(取向丝或无取向丝)。天然或合成纤维来源可以得自未用过的废弃纺织品材料例如碎布，或它们可以是消费后的废物例如破布。当纸制品用作纤维来源时，它们可以是未用过的材料，例如废弃的未用过的材料，或它们可以是消费后的废物。除未用过的原始材料外，消费后、工业(例如，废料)和加工废物(例如，来自纸加工的流出物)也可以用作纤维来源。此外，纤维来源可以得自或衍生自人(例如，污水)、动物或植物废物。另外的纤维来源已在美国专利号6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中得到描述。
微生物生物量包括衍生自天然存在或遗传修饰的单细胞生物体和/或多细胞生物体的生物量，例如来自海洋、湖泊、水体例如盐水和淡水、或在陆地上的生物体，并且其包含碳水化合物(例如，纤维素)的来源。微生物生物量可以包括但不限于，任何天然存在或遗传修饰的微生物或包含或能够提供碳水化合物(例如纤维素)来源的生物，例如原生生物(例如动物(例如原生动物，例如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和孢子虫)和植物(例如藻类，例如alveolates、chlorarachniophytes、隐藻、裸藻、灰绿藻、定鞭藻、红藻、stramenopiles和viridaeplantae))、海藻、浮游生物(例如大型浮游生物、中型浮游生物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物和超微微型浮游生物)、浮游植物、细菌(例如革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和极端微生物)、酵母和/或这些的混合物。在某些情况下，微生物生物 量可以得自天然来源，例如海洋、湖泊、水体例如盐水或淡水、或在陆地上。备选地或另外地，微生物生物量可以得自培养系统，例如大规模干和湿培养系统。
动物生物量包括任何有机废弃材料，例如动物衍生的废弃材料或粪便或人废弃材料或粪便(例如，粪肥和污水)。
在某些实施方案中，碳水化合物是或包括具有一个或多个β-1,4-键合且具有约3,000-50,000的数量平均分子量的材料。此类碳水化合物是或包括纤维素(I)，其通过β(1→4)-糖苷键的缩合而衍生自(β-葡萄糖1)。这个键合使其自身与关于淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1→4)-糖苷键的那种形成对比。
淀粉质材料
淀粉质材料包括淀粉其自身例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或米淀粉，淀粉衍生物，或包括淀粉的材料例如可食用食物产物或农作物。例如，淀粉质材料可以是秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、大麦、木薯、野葛、酢浆草、西米、高粱、常规普通马铃薯、甘薯、芋头、山药或一种或多种豆例如蚕豆、小扁豆或豌豆。任何2种或更多种淀粉质材料的掺和物也是淀粉质材料。淀粉来源包括例如小麦、大麦、 玉米和马铃薯。在具体实施方案中，淀粉质材料衍生自玉米。多种玉米淀粉和衍生物在“Corn Starch,”Corn Refiners Association(第11版，2006)中描述。
淀粉(例如CAS#9005-25-8和化学式(C6H10O5)n)一般包括直链淀粉和支链淀粉的混合物(通常以20：80或30：70的比率)，并且一般作为经由半缩醛键合通过在下一个淀粉单位上的α-糖苷键连接的重复脱水葡萄糖单位的同聚物存在。淀粉分子一般由1,4-键合组成，并且被称为直链淀粉，而1,6-键合充当被称为支链淀粉的分支淀粉分子中的分支点。
颗粒结构
表1.多种淀粉的粒度大小
植物在被称为造粉体的专门细胞器内贮存淀粉，在所述造粉体中它们沉积以形成颗粒。这些颗粒由在脐核周围分层的新近合成的淀粉组成，并且在直径中从2到130微米不等。颗粒的大小和形状是植物来源的特征，并且充当鉴定特定淀粉来源的方法(表1)。谷粒的颗粒结构是具有以此类方式定向的淀粉分子的结晶，以便形成产生双折射现象的放射状定向的晶体。当将偏振光束导向通过淀粉颗粒时，颗粒通过暗线分成4个楔形部分。这种交叉影线或交叉是球形结晶 (spherocrystalline)结构的特征。
直链淀粉
II.直链淀粉的代表性部分结构
依赖于来源，直链淀粉分子由具有500-20,000个α-(1,4)-D-葡萄糖单位的大部分未分支的单条链组成。α(1,4)键促成螺旋结构的形成。直链淀粉的结构式在图2中描绘，其中重复葡萄糖亚单位数目(n)可以是数千(通常在300-3000的范围内)。直链淀粉比支链淀粉更不容易消化；然而，它占据更少空间，因此对于在植物中贮存是优选的。直链淀粉构成植物中约30％的贮存淀粉。消化酶淀粉酶作用于淀粉分子的末端，使其分解为糖。
直链淀粉分子促成凝胶形成，因为线性链可以彼此平行定向，移动足够靠近以键合。可能是由于直链淀粉分子在经蒸煮的糊中容易滑动经过彼此，所以它们不显著促成粘度。
支链淀粉
III.支链淀粉的代表性部分结构
支链淀粉通过直链淀粉类型的α-(1,4)-D-葡萄糖结构的非随机α-(1,6)-分支形成。如图3中可见的，葡萄糖单位以线性方式用α(1,4)键连接。分支伴随每24–30个葡萄糖单位出现的α(1,6)键发生，并且通过分支酶进行测定。每个支链淀粉分子包含大约一百万个残基，其中约5％形成分支点。
分支的支链淀粉分子对经蒸煮的糊给予粘度，由于它在维持膨胀颗粒中发挥的作用。它们的侧链和巨大形状阻止支链淀粉分子足够紧密地定向，以氢键合在一起，因此它们通常不促成凝胶形成。
来源
当需要能量时，植物水解淀粉，释放葡萄糖亚单位。迄今为止最大的淀粉来源是玉米(玉蜀黍)，而其他常用来源是小麦、马铃薯、木薯淀粉和稻。直链淀粉与支链淀粉的相对比例和1,6-键合分支点是遗传上确定的，并且对于每个淀粉种类是相对恒定的。例如，高直链淀粉玉蜀黍(amylomaizes)包含超过50％淀粉酶，而“蜡质”玉蜀黍几乎不含一个(～3％)。
未经加工的淀粉
通过玉米湿磨法过程产生且随后干燥的淀粉被称为普通、常规或未经修饰的玉米淀粉。存在玉米淀粉的多种形式，包括精细或粗糙粉末、薄片、小圆粒或甚至较大颗粒。通过调整pH、通过弱热处理、或 通过在干燥前或后加入少量化学药品或佐剂，可以使未经修饰的淀粉进行最低限度地加工。例如，通过调整淀粉的pH，可以加速淀粉至糖的酶转变。
迄今为止在人饮食中消耗最多的多糖是淀粉。淀粉(特别是玉米淀粉)在蒸煮中用于使食物例如沙司增稠。在工业中，它用于制造粘着剂、纸、纺织品，并且在糖果例如酒胶糖和雪花软糖制造中用作模子。造纸是全球关于淀粉的最大非食物应用，每年消耗数百万公吨。在例如一般的一张复印纸中，淀粉含量可以高达8％。化学修饰和未经修饰的淀粉都在造纸中使用。
淀粉的化学组成――高度氧合碳分子――使得淀粉成为用于用作化学原料的极佳产物。
遗传修饰的淀粉
遗传修饰的淀粉指来自遗传修饰植物的淀粉，已进行修饰，以减少关于化学加工的需要(减少成本、毒性或环境上有害的过程)，或以便产生在待收获的植物种类中未天然存在的新型碳水化合物。以这个意义的修饰指植物DNA的遗传改造，而不是淀粉或淀粉颗粒的随后加工或处理。
遗传修饰的淀粉在造纸工业中的生物可降解聚合物和非纤维素原料制造中以及在新食物添加剂制备中是特别有利的。例如，蜡质玉蜀黍在20世纪50年代就其所需性质进行广泛研究。其为基本上100％支链淀粉的蜡质玉蜀黍淀粉产生这样的糊，其在冷却时几乎澄清、非凝结，并且在薄膜中干燥时，产生半透明的水溶性涂层，通常用于使广泛多样的预制食物增稠。尝试且增加直链淀粉含量的这种淀粉的遗传修饰可以潜在导致极佳的成膜剂并且可以自旋成纤维。这个领域中的研究导致2种玉米杂种的商业开发，一种包含约55％，另一种包含约70％直链淀粉，并且近期研究已导致开发具有超过80％直链淀粉的淀粉。
经修饰的淀粉
经修饰的淀粉是通过处理淀粉或淀粉颗粒引起淀粉部分降解而制备的食物添加剂。经修饰的淀粉用作增稠剂、稳定剂或乳化剂。除食物产物外，经修饰的淀粉也在药物中发现。淀粉由于许多原因进行修饰，包括增加其对过量热、酸和冷冻的稳定性；改变其质地；或延长或缩短胶化时间。
酸修饰的淀粉
酸处理的淀粉，通常简称为“经修饰的淀粉”，通过用无机酸处理淀粉或淀粉颗粒进行制备。在酸处理过程中发生的初级反应是淀粉颗粒中的糖苷键水解。酸修饰减少淀粉的链长，但基本上不改变分子构型。在这种方法中，在升高但低于淀粉胶化温度的温度，在实施用稀释矿物酸的温和处理的同时，搅动淀粉-水悬浮液。在达到所需粘度后，用碳酸钠中和酸并且使淀粉过滤、洗涤且干燥。
氧化的玉米淀粉
用于减少粘度的另一种方法是氧化。尽管可以使用氧化试剂例如氯、过氧化氢和高锰酸钾，但通过湿磨法过程生产的氧化淀粉几乎始终使用次氯酸钠作为氧化试剂进行制备。在搅动下的水淀粉悬浮液用包含少量过量氢氧化钠(NaOH)的稀释次氯酸钠进行处理，并且加热至120°F。当达到所需粘度时，用还原剂例如亚硫酸氢钠处理氧化淀粉浆以去除过量次氯酸盐，调整pH，并且使淀粉过滤，洗涤且最后干燥。用氧化试剂处理淀粉使羟基随机转变成羧基或羰基，这导致相邻糖苷键切割。由于它们与肉类非常良好地粘附，氧化淀粉在面团和滚面包屑中使用。
糊精
糊精是通过未经修饰的淀粉连同或不连同酸或碱性催化剂一起干热或烘烤产生的一组低分子量碳水化合物。其他糊精化方法利用流化 床，其中将未经修饰的淀粉置于反应器中并且在加热空气流中悬浮或“流化”。淀粉随后进行酸化，并且加热直至取得所需终产物。在糊精化过程中，颗粒不被破坏但颗粒完整性被破裂。当使糊精悬浮于水中且加热时，颗粒膨胀并且分离成最终自由破坏且分散的层。糊精是从α-(1,6)键开始的线性α-(1,4)-连接的D-葡萄糖聚合物的混合物。一般而言，工业生产通过马铃薯淀粉的酸性水解执行。糊精是旋光活性的水溶性、白色至微黄色固体。在分析下，糊精可以用碘溶液检测，给出红色着色。
存在3种主要类型的糊精：白色、黄色和英国(British)胶。白糊精具有白色且具有减少的粘度和5-超过90％的冷水可溶性。白糊精用于制备非常柔软的凝胶。黄糊精(用更少的酸、更高的温度和更多的时间产生)在颜色中是黄色，并且具有更高的水溶性。黄糊精用于制备高固体糊，其是非常胶粘的，并且当在薄膜中应用时，快速干燥。最后，通过将很少的酸或不将酸加入非常干燥的淀粉中，并且随后在缓慢增加温度时烘烤产生英国胶。它们是在颜色中茶色至淡褐色的，并且通过非常柔软的凝胶用于制备几乎固体的凝胶到粘稠液体。
环糊精
环糊精是起因于环麦芽糖糊精葡聚糖转移酶催化的淀粉降解的非还原环状葡萄糖寡糖。存在具有通过α-1,4糖苷键连接的6、7或8个D-吡喃葡萄糖基残基的3种常见环糊精(分别为α-、β-和γ-环糊精)(图4)。所有3种环糊精具有除容纳不同数目葡萄糖残基的结构必要性的类似结构(键长和定向)。它们呈现通过外部边缘周围的3-OH和2-OH基团之间的氢键合加固的无底碗形(截锥)分子。环糊精用于封装用于控制风味释放，掩蔽气味和味道，稳定乳状剂，增加发泡力且控制或掩蔽颜色。
淀粉衍生物(交联和稳定化)
淀粉可以在伯和仲羟基位置处进行化学衍生，这赋予与亲本淀粉 中发现的那些不同的性质。这可能是由于氢键的破裂。在商业上制备2种类型的衍生物――交联/抑制和稳定化。通过使颗粒内的2种不同分子上的羟基与双功能试剂反应制备交联淀粉，有时称为抑制淀粉。试剂例如磷酰氯或三偏磷酸钠可以用作交联剂。非常少量的这些试剂可以对经蒸煮的淀粉的行为发挥显著作用。
使用单功能试剂可以使淀粉针对胶凝得到稳定。这些试剂与淀粉上的羟基反应，以引入干扰氢键合效应的取代基，从而增加其水结合能力或粘度，或对淀粉分子赋予正电荷。通过氢键合破裂的淀粉稳定化中使用的试剂包括环氧乙烷以产生羟乙基淀粉，乙酸酐以产生淀粉乙酸酯，琥珀酸酐以产生淀粉琥珀酸酯，磷酸二氢钠或三聚磷酸钠以产生淀粉磷酸酯，和环氧丙烷以产生羟丙基淀粉。对淀粉分子赋予正电荷的试剂包括叔或季胺以产生阳离子淀粉。
预胶化淀粉
许多淀粉和淀粉衍生物的悬浮液可以进行胶化且干燥，以产生广泛多样的预胶化淀粉。这在具有涂布辊的单滚筒干燥器上完成。使淀粉浆加热以使其胶化，立即干燥且研磨至所需造粒要求。预胶化淀粉用于使方便甜点例如布丁增稠，允许通过加入冷水或牛奶使食物增稠。类似地，干酪沙司颗粒(例如在通心粉和干酪或烤宽面条中)或肉汁颗粒可以用沸水增稠而不使产物成块。包含经修饰的淀粉的商业披萨浇头当在烘箱中加热时将增稠，使它们保持在披萨顶部，并且随后当冷却时变得松软。
漂白淀粉
使用次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾、过乙酸或过硫酸铵与二氧化硫执行通过非常轻微氧化的漂白。与淀粉分子的相互作用必须是极小的，因为除其颜色外在淀粉或其溶液的物理性质中不发生改变。在理论上，将产生少数醛或羧基。仅痕量氯化钠、硫酸钠或乙酸钠保留在最终产物中。使用大量水在连续滤器或离心机上回收漂 白淀粉，以去除由漂白剂形成的痕量无机盐，干燥且包装。
低分子量糖
包括低分子量糖的生物量材料可以例如包括至少约0.5重量％的低分子量糖，例如至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、12.5、25、35、50、60、70、80、90或甚至至少约95重量％的低分子量糖。在某些情况下，生物量基本上由低分子量糖组成，例如大于95重量％，例如96、97、98、99或基本上100重量％的低分子量糖。
包括低分子量糖的生物量材料可以是农产品或食物产物，例如甘蔗和甜菜或由其的提取物，例如来自甘蔗的汁液或来自甜菜的汁液。包括低分子量糖的生物量材料可以是基本上纯的提取物，例如原始或结晶的食用蔗糖(蔗糖)。低分子量糖包括糖衍生物。例如，低分子量糖可以是寡聚的(例如，等于或大于4聚体、5聚体、6聚体、7聚体、8聚体、9聚体或10聚体)、三聚的、二聚的或单体的。当形成具有超过一个单个重复单位的碳水化合物时，每个重复单位可以是相同或不同的。
低分子量糖的具体例子包括纤维二糖、乳糖、蔗糖、葡萄糖和木糖，连同其衍生物。在某些情况下，糖衍生物更快速地溶解于溶液中或由微生物利用以提供有用材料，例如乙醇或丁醇。几种此类糖和糖衍生物在下文显示。
来自低分子量糖的乙醇
超过一半的全世界乙醇生产由糖和糖副产物产生，其中巴西是迄今为止的全世界领导者。目前，在美国不存在来自甘蔗或甜菜的乙醇商业生产，其中97％的乙醇由玉米生产。
在技术上，由糖生产乙醇的过程比使玉米转变成乙醇更简单。使玉米转变成乙醇需要另外蒸煮(湿磨法过程)和酶的应用，而糖的转变仅需要酵母发酵过程。关于糖转变成乙醇的能量需求是关于玉米的那种的约一半。然而，技术和直接能量成本只是决定乙醇生产可行性的几种因素之一。其他因素包括相对生产成本(包括原料)、转变率、对于加工设施的接近、备选价格和政府政策、设施建设和加工成本。因为其他国家已显示由糖生产乙醇在经济上可以是可行的，并且研究了其他新原料，所以在美国关于来自糖的乙醇生产的兴趣已增加。
响应关于糖和乙醇增长的兴趣，USDA在2006年7月发表了名称为“The EconomicFeasibility of Ethanol Production from Sugar in the United States”的研究，这通过引用整体合并入本文。该报告发现在关于乙醇的目前市场价格下，使甘蔗、甜菜和糖蜜转变成乙醇将是有利润的(参见表2)。
表2.关于乙醇的目前市场价格
*每加仑
**排除运输成本
甜菜
甜菜是在11州中跨越多种气候条件生长的一年生作物，从California的ImperialValley的热带气候到Montana和North Dakota的寒带气候。甜菜副产物包括可以销售用于动物饲料的甜菜浆，和也销售用于动物饲料或进一步加工以提取更多糖的糖蜜。
甜菜加工设施使原始甜菜在1步加工过程中直接转变成精制糖。虽然种植的甜菜亩数自20世纪90年代以后已轻微下降，但糖生产每年增加，由于新加工设备中的投资、新技术的采用、改善的农作物变种和增强的用于使糖蜜脱糖的技术。甜菜对于转运是非常庞大且相对昂贵的，并且在蔗糖变质前必须很快地进行加工。因此，所有甜菜加 工工厂都位于生产区域中。
甘蔗
甘蔗是在4个州生产的多年生热带作物：Florida、Hawaii、Louisiana和Texas。甘蔗加工的副产物包括糖蜜和甘蔗渣，从甘蔗中压榨出糖后保留的纤维材料。甘蔗渣通常作物燃料点燃，以帮助给甘蔗压榨机提供动力。蔗糖最初在接近甘蔗园的工厂中加工成粗糖。如同甜菜，甘蔗对于转运是庞大且相对昂贵的，并且必须尽快地加工以使蔗糖变质降到最低。粗糖随后运送至精炼厂以生产精制糖。
甜菜在过去十年已获得美国糖生产的较大份额，现在占全国糖输出的58.8％，而甘蔗下降至41.2％。
糖蜜
用于乙醇发酵的最广泛使用的糖是黑糖蜜，其包含约35–40重量％蔗糖、15–20重量％转化糖例如葡萄糖和果糖、和28–35重量％非糖固体。黑糖蜜(糖浆)作为蔗糖制造的副产物收集。糖蜜稀释至包含约10–20重量％糖的醪。在醪的pH用矿物酸调整至约4–5后，它用酵母进行接种，并且在20–32℃下非无菌地执行发酵约1–3天。一般包含约6–10重量％乙醇的发酵啤酒随后开始在工厂的纯化部分中的产物回收。
在下文计算关于甘蔗、甜菜和糖蜜的乙醇生产(使用141加仑/吨的蔗糖转换系数)。
甘蔗：
12.24％粗糖回收率，加上来自蔗糖糖蜜的41.6磅蔗糖
1吨甘蔗＝235.0磅来自粗糖的蔗糖
和41.6磅来自糖蜜的蔗糖
＝276.6磅(0.1383吨)蔗糖
＝19.5加仑乙醇
或0.051吨甘蔗/加仑所生产的乙醇
甜菜：
15.58％精制糖回收率，加上来自甜菜糖蜜的40.0磅蔗糖
1吨甜菜＝311.6磅来自精制糖的蔗糖
和40.0磅来自甜菜糖蜜的蔗糖
＝351.6磅(0.1758吨)蔗糖
＝24.8加仑乙醇
或0.040吨甜菜/加仑所生产的乙醇
糖蜜：
49.2％作为蔗糖的总糖
1吨糖蜜＝984磅(0.492吨)蔗糖
＝69.4加仑乙醇
或28.8磅糖蜜/加仑所生产的乙醇
或2.45加仑糖蜜/加仑所生产的乙醇
(使用1.0加仑糖蜜＝11.74磅重量的转换)
粗糖：
96.0％作为蔗糖的总糖
1吨粗糖＝1920磅(0.96吨)蔗糖
＝135.4加仑乙醇
或14.77磅粗糖/加仑所生产的乙醇
精制甜菜糖：
100.0％作为蔗糖的总糖
1吨精制糖＝2000磅(1.0吨)蔗糖
＝141.0加仑乙醇
或14.18磅精制糖/加仑所生产的乙醇
来自这个研究的结果具有关于在美国来自糖料作物的乙醇生产的几个重要牵涉。首先，在现有发酵技术下，玉米是目前用于在美国的乙醇生产中使用的可获得的最便宜的原料。其次，考虑到目前和未来计划的糖和乙醇市场价格，看起来糖生产是甘蔗或甜菜最有利润的用途。第三，生物量的纤维素转变成乙醇提供关于在乙醇生产中使用广泛多样原料的潜力。
本文描述了可以利用这些低分子量糖以更快速且更成本有效地生产乙醇的系统和过程。
本文描述的任何生物量材料的掺和物可以用于制备本文描述的产物中的任何，例如乙醇。例如，纤维素材料和淀粉质材料的掺和物可以用于制备本文描述的任何产物。
用于处理生物量的系统
图1显示用于将生物量转变成由于产物和共同产物的系统100，所述生物量特别是具有显著纤维素和木质纤维素组分和/或淀粉质组分的生物量。系统100包括进料制备子系统110、预处理子系统114、初级过程子系统118和后加工子系统122。进料制备子系统110接受以其原始形式的生物量，在物理上制备生物量用于用作通过下游过程的原料(例如，减少生物量的尺寸且使生物量均质化)，且以其原始和原料形式贮存生物量。具有显著纤维素和/或木质纤维素组分、或淀粉质组分的生物量原料可以具有高平均分子量和结晶度，这可以使原料难以加工成有用产物(例如，使原料发酵以产生乙醇)。例如，其他人已使用酸、碱和酶加工纤维素、木质纤维素或淀粉质原料。如本文描述的，在某些实施方案中，此类处理是不必要的，或仅需要以小量或催化量。
预处理子系统114接受来自进料制备子系统110的原料，并且制备原料用于在初级生产过程中使用，通过例如减少原料的平均分子量和结晶度。初级过程子系统118接受来自预处理子系统114的预处理 的原料，并且产生有用产物(例如，乙醇、其他醇类、药物和/或食物产物)。在某些情况下，初级过程子系统118的输出是直接有用的，但在其他情况下，需要由后加工子系统122提供的进一步加工。后加工子系统122对来自初级过程子系统118的产物流提供进一步加工，所述产物流需要这个(例如，乙醇的蒸馏和变性)以及用于来自其他子系统的废物流的处理。在某些情况下，子系统114、118、122的共同产物也可以直接或间接用作次级产物和/或用于增加系统100的总效率。例如，后加工子系统122可以产生再循环的经处理的水用于用作其他子系统中的过程水，和/或可以产生可以用作燃料用于产生蒸汽和/或电的锅炉的可燃废物。
关于生物量转变工厂的最佳大小受因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂过程相关的规模经济。然而，增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/原料单位。分析这些因素的研究提出关于生物量转变工厂的合适大小可以是1000-10,000或更多吨干燥原料/天，至少部分依赖于所用原料类型。原料的类型也可以影响工厂贮存需求，其中主要设计用于加工其可用度季节性改变(例如，玉米秸秆)的原料的工厂需要比设计为加工其可用度相对稳定(例如，废纸)的原料的工厂更多的现场或非现场原料贮存。
物理制备
在某些情况下，加工方法从原料的物理制备开始，例如原始原料材料的粉碎，例如通过切割、研磨、剪切、球磨、轧辊加工或剁碎。在某些情况下，材料可以使用锤磨机、圆盘精研机或刨片机降低为颗粒。在某些情况下，松散原料(例如，再循环纸、淀粉质材料或柳枝稷)通过剪切或切碎进行制备。筛子和/或磁体可以用于去除超尺寸或不希望有的物体，例如来自进料流的石头或钉子。
进料制备系统可以配置为产生具有特定特征的进料流，例如特定最大限度尺寸、特定长度宽度、或特定表面积比。作为进料制备的部分，原料的堆密度可以是控制的(例如增加或降低的)。
粉碎
在某些实施方案中，待加工的材料以纤维材料的形式，所述纤维材料包括通过剪切纤维来源提供的纤维。例如，剪切可以用旋转切割机进行。
例如并且参考图2，例如在旋转切割机中剪切纤维来源210，以提供第一种纤维材料212。使第一种纤维材料212经过具有1.59mm或更少(1/16英寸，0.0625英寸)的平均开口尺寸的第一个筛子214，以提供第二种纤维材料216。需要时，纤维来源可以在剪切前例如用切碎机进行切割。例如，当纸用作纤维来源时，纸可以首先使用切碎机切割成1/4-1/2英寸宽的条，所述切碎机例如正反转螺旋切碎机，例如由Munson(Utica，N.Y.)制造的那些。作为切碎的备选方法，纸可以通过使用切纸机切割成所需大小而减少尺寸。例如，切纸机可以用于将纸切割成10英寸宽x 12英寸长的片。
在某些实施方案中，同时执行纤维来源的剪切和所得到的第一种纤维材料经过第一个筛子。剪切和通过也可以在分批型过程中顺次执行。
例如，旋转切割机可以用于同时剪切纤维来源且筛选第一种纤维材料。参考图3，旋转切割机220包括漏斗222，其可以装载通过切碎的纤维来源制备的经切碎的纤维来源224。经切碎的纤维来源在固定叶片230和旋转叶片232之间进行剪切，以提供第一种纤维材料240。使第一种纤维材料240经过筛子242，并且所得到的第二种纤维材料244捕获在箱250中。为了帮助收集第二种纤维材料，箱可以具有低于额定大气压的压力，例如低于额定大气压至少10％、例如低于额定大气压至少25％、低于额定大气压至少50％、低于额定大气压至少75％。在某些实施方案中，真空来源252用于使箱维持在额定大气压下。
剪切对于“打开”、“压紧”或甚至减少纤维材料的分子量可以是有利的，使得材料的纤维素对断链和/或结晶度减少更敏感。当被照射时，开放材料也可以对氧化更敏感。
纤维来源可以以干燥状态、水合状态(例如，具有高达10重量％的吸收水)、或湿润状态例如具有约10重量％-约75重量％的水进行剪切。纤维来源甚至可以在部分或全部没入液体下时进行剪切，所述液体例如水、乙醇、异丙醇。
纤维来源还可以在气体(例如除空气外的气体流或大气)例如氧或氮或蒸汽中进行剪切。
制备纤维材料的其他方法包括例如石研磨、机械撕开或撕裂、针研磨、球磨、轧辊加工或空气碾磨。
需要时，根据其长度、宽度、密度、材料类型或这些属性的某些组合，可以使纤维材料例如连续或分批分成馏分。
例如，通过使包括含铁材料的纤维材料经过磁体例如电磁体，并且随后使所得到的纤维材料经过一系列筛子，每个筛子具有不同尺寸的孔，可以使含铁材料与纤维材料中的任何分开。
纤维材料还可以例如通过使用高速气体例如空气进行分离。在此类方法中，通过提出不同馏分使纤维材料分离，需要时，所述馏分可以进行光学表征。此类分离仪器例如在Lindsey等人，美国专利号6,883,667中进行讨论。
在加工前，纤维材料可以具有例如小于约7.5、5、3、2.5、2、1.5、1或0.5重量％的低含湿量。这种材料可以用粒子例如电子或质子束进行照射。照射可以紧在材料制备后，或在水分减少步骤后，例如在约105℃下干燥4-18小时，从而使得在使用前，含湿量例如小于约0.5％。
需要时，木质素可以从包括木质素的纤维材料中的任何中去除。此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，所述材料可以在照射前用热、化学药品(例如矿物酸、碱或强氧化试剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。
在某些实施方案中，第一个筛子的平均开口尺寸小于0.79mm(1/32英寸，0.03125英寸)，例如小于0.51mm(1/50英寸，0.02000英寸)、小于0.40mm(1/64英寸，0.015625英寸)、小于0.23mm (0.009英寸)、小于0.20mm(1/128英寸，0.0078125英寸)、小于0.18mm(0.007英寸)、小于0.13mm(0.005英寸)、或甚至小于0.10mm(1/256英寸，0.00390625英寸)。筛子通过使具有合适直径的单丝交织进行制备，以获得所需开口尺寸。例如，单丝可以由金属例如不锈钢制成。随着开口尺寸变得更小，对于单丝的结构需求可以变得更大。例如，对于小于0.40mm的开口尺寸，由除不锈钢外的材料制造的单丝制备筛子是有利的，所述材料例如钛、钛合金、非晶态金属、镍、钨、铑、铼、陶瓷或玻璃。在某些实施方案中，由具有孔的板例如金属板例如使用激光切割成板而制造筛子。在某些实施方案中，网目的开放区域小于52％，例如小于41％、小于36％、小于31％、小于30％。
在某些实施方案中，使第二种纤维材料剪切且经过第一个筛子，或不同尺寸的筛子。在某些实施方案中，使第二种纤维材料经过其平均开口尺寸等于或小于第一个筛子的那种的第二个筛子。
参考图4，通过剪切第二种纤维材料216且使所得到的材料经过具有小于第一个筛子214的平均开口尺寸的第二个筛子222，可以由第二种纤维材料216制备第三种纤维材料220。
一般地，纤维材料的纤维可以具有相对大的平均直径长度比(例如大于20比1)，即使它们已剪切超过一次。此外，本文描述的纤维材料的纤维可以具有相对窄的长度和/或直径长度比分布。
如本文使用的，平均纤维宽度(即直径)是通过随机选择约5,000根纤维在光学上测定的那些。平均纤维长度是校正长度-加权长度。BET(Brunauer，Emmet和Teller)表面积是多点表面积，并且多孔性是通过水银孔率法测定的那些。
第二种纤维材料14的平均直径长度比可以例如大于8/1、例如大于10/1、15/1、20/1、25/1或甚至大于50/1。第二种纤维材料14的平均长度可以是例如约0.5mm-2.5mm、例如约0.75mm-1.0mm，并且第二种纤维材料14的平均宽度(例如直径)可以是例如约5μm-50μm，例如约10μm-30μm。
在某些实施方案中，第二种纤维材料14的长度标准差小于第二种纤维材料14的平均长度的60％，例如小于平均长度的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％。
在某些实施方案中，第二种纤维材料的BET表面积大于0.1m2/g，例如大于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。第二种纤维材料14的多孔性可以是例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、例如大于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％。
在某些实施方案中，第一种纤维材料的平均直径长度比与第一种纤维材料的平均直径长度比的比是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、小于1.1、小于1.075、小于1.05、小于1.025、或甚至基本上等于1。
在具体实施方案中，第二种纤维材料再次进行剪切，并且使所得到的纤维材料经过具有小于第一个筛子的平均开口尺寸的第二个筛子，以提供第三种纤维材料。在此类情况下，第二种纤维材料的平均直径长度比与第三种纤维材料的平均直径长度比的比可以是例如小于1.5，例如小于1.4、小于1.25、或甚至小于1.1。
在某些实施方案中，使第三种纤维材料经过第三个筛子，以产生第四种纤维材料。第四种纤维材料可以例如经过第四个筛子，以产生第五种材料。相似筛选过程可以根据需要重复多次，以产生具有所需性质的所需纤维材料。
致密化
致密化材料可以通过本文描述的方法或本文描述的任何材料进行加工，例如本文描述的任何纤维材料可以通过本文描述的任何一种或多种方法进行加工，并且随后如本文描述的进行致密化。
具有低堆密度的材料例如纤维材料可以进行致密化，以产生具有更高堆密度的产物。例如，具有0.05g/cm3的堆密度的材料组合物可以这样进行致密化：将纤维材料密封在相对气体不透性结构中，例如由聚乙烯制成的袋或由聚乙烯和尼龙的交替层制成的袋，并且随后使陷入的气体例如空气从结构中排出。在从结构中排出空气后，纤维材料可以具有例如大于0.3g/cm3的堆密度，例如0.5g/cm3、0.6g/cm3、0.7g/cm3或更多，例如0.85g/cm3。在致密化后，产物可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，例如用γ辐射照射。当希望将材料转运到另一个场所例如遥远的制造工厂时，这可以是有利的，其中纤维材料组合物可以加入溶液中，例如以产生乙醇。在使基本上气体不透性结构刺穿后，致密化纤维材料可以恢复接近其最初堆密度，例如至其最初堆密度的超过60％，例如其最初堆密度的70％、80％、85％或更多，例如95％。为了减少纤维材料中的静电，可以将抗静电剂加入材料中。
在某些实施方案中，结构例如袋由在液体例如水中溶解的材料形成。例如，结构可以由聚乙烯醇形成，从而使得它在与基于水的系统接触时溶解。此类实施方案允许将致密化结构直接加入包括微生物的溶液中，而无需首先通过切割释放结构的内容物。
参考图5，生物量材料可以与任何所需添加剂和粘合剂相组合，并且随后通过应用压力进行致密化，例如通过使材料经过在正反转压力辊之间限定的夹或通过使材料经过制丸磨。在压力应用过程中，可以任选应用热以帮助纤维材料的致密化。致密化材料随后可以进行照射。
在某些实施方案中，在致密化前，材料具有小于0.25g/cm3的堆密度，例如0.20g/cm3、0.15g/cm3、0.10g/cm3、0.05g/cm3或更少，例如0.025g/cm3。堆密度使用ASTM D1895B进行测定。简言之，该方法涉及用样品填充具有已知体积的量筒，并且获得样品的重量。通过用以克表示的样品重量除以以立方公分表示的圆筒的已知体积来计算堆密度。
优选粘合剂包括在水中可溶、通过水膨胀、或具有低于25℃的玻璃转变温度的粘合剂，如通过差示扫描量热法测定的。水溶性粘合剂意指在水中具有至少约0.05重量％的可溶性的粘合剂。水可膨胀的粘合剂意指在暴露于水后体积增加超过0.5％的粘合剂。
在某些实施方案中，通过水可溶或膨胀的粘合剂包括能够与纤维材料(例如纤维素纤维材料)的纤维形成键例如氢键的官能团。例如，官能团可以是例如醛或酮的羧基基团、羧化物基团、羰基，例如醇的磺酸基团、磺酸盐基团、磷酸基团、磷酸盐基团、酰胺基、胺基、羟基，和这些基团的组合，例如羧酸基团和羟基。具体单体的例子包括甘油、乙二醛、抗坏血酸、尿素、甘氨酸、季戊四醇、单糖或二糖、柠檬酸和酒石酸。合适的糖类包括葡萄糖、蔗糖、乳糖、核糖、果糖、甘露糖、阿拉伯糖和赤藓糖。聚合的例子包括聚二醇、聚氧化乙烯、聚羧酸、聚酰胺、聚胺和聚磺酸、聚磺酸盐。具体聚合的例子包括聚丙二醇(PPG)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯例如环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺、多肽、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡啶、聚(4-苯乙烯磺酸钠)和聚(2-丙烯酰胺-甲基-1-丙磺酸)。
在某些实施方案中，粘合剂包括具有低于25℃的玻璃转变温度的聚合物。此类聚合物的例子包括热塑弹性体(TPE)。TPE的例子包括聚醚嵌段酰胺例如在商品名下可获得的那些，聚酯弹性体例如在商品名下可获得的那些，和苯乙烯嵌段共聚物例如在商品名下可获得的那些。具有低于25℃的玻璃转变温度的其他合适聚合物包括乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、以及乙烯和α烯烃例如1-辛烯的共聚物，例如在商品名下可获得的那些。在某些实施方案中，例如当材料是纤维化聚涂层纸时，所述材料无需添加分开的低玻璃转变温度聚合物进行致密化。
在一个具体实施方案中，粘合剂是木质素，例如天然或合成修饰的木质素。
基于干重计算的、加入材料中的粘合剂的合适量是例如基于致密化材料的总重量的约0.01％-约50％，例如0.03％、0.05％、0.1％、0.25％、0.5％、1.0％、5％、10％或更多，例如25％。粘合剂可以作为净的、纯液体，作为具有在其中溶解的粘合剂的液体，作为粘合剂的干粉，或作为粘合剂的丸剂加入材料中。
致密化纤维材料可以在制丸磨中进行制备。参考图6，制丸磨300具有用于容纳未致密化的材料310的漏斗301，所述未致密化的材料310包括含碳水化合物的材料例如纤维素。漏斗与螺旋输送机312相通，所述螺旋输送机312由变速电动机314驱动，从而使得未致密化的材料可以转运给调节器320，所述调节器320用浆322搅拌未致密化的材料，所述浆通过调节电动机330旋转。其他成分例如本文描述的添加剂和/或填充剂中的任何可以在进口332处加入。需要时，在纤维材料在调节器中时可以加热。在调节后，使材料从调节器经过倾卸斜道340并且到另一个螺旋输送机342。如受传动装置344控制的倾卸斜道允许材料从调节器到螺旋输送机的无阻挡通过。螺旋输送机通过电动机346旋转，并且控制纤维材料注入压模和轧辊组件350内。具体地，将材料引入空心的圆柱状压模352内，其围绕水平轴旋转并且具有放射延伸的模孔250。压模352通过电动机360围绕轴旋转，所述电动机360包括马力计量器，指示通过电动机消耗的总功率。例如以丸剂形式的致密化材料370从斜道372落下，并且被捕获且例如通过照射进行加工。
在致密化后，材料可以方便地以具有各种形状的丸剂或碎片的形式。丸剂随后可以进行照射。在某些实施方案中，丸剂或碎片在形状中可以是圆柱状的，例如具有例如1mm或更多的最大限度横向尺度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm、15mm或更多，例如25mm。其他方便的形状包括在形式中为板状的丸剂或碎片，例如具有1mm或更多的厚度，例如2mm、3mm、5mm、8mm、10mm或更多，例如25mm；例如5mm或更多的宽度，例如10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm；和5mm或更多的长度，例如 10mm、15mm、25mm、30mm或更多，例如50mm。
现在参考图7A-7D，可以这样制备丸剂，从而使得它们具有空心内径。如所示的，空心一般可以与丸剂的中心一致(图7B)，或与丸剂的中心不成一直线(图7C)。制备丸剂空心内径可以增加在照射后在液体中的溶解速率。
现在参考图7D，丸剂可以具有例如多叶形的横向形状，例如如所示的三叶形、或四叶形、五叶形、六叶形或十叶形。制备以此类横向形状的丸剂也可以增加在照射后在液体中的溶解速率。
备选地，致密化材料可以以任何其他所需形式，例如致密化材料可以以垫、辊或包的形式。
例子
在一个例子中，具有20lb/ft3的堆密度的未印刷白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒可以用作原料。纸板盒可以平坦折叠并且随后注入切碎机内，以产生五彩纸屑样材料，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度和与原材料的那种等价的厚度(约0.075英寸)。五彩纸屑样材料可以供应给旋转切割机，所述旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，将小片撕开并且释放纤维材料。
在某些情况下，多个切碎机-剪切机串可以与输出串联排列。在一个实施方案中，2个切碎机-剪切机串可以串联排列，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机。在另一个实施方案中，3个切碎机-剪切机串可以串联排列，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机，并且来自第二个剪切机的输出作为输入供应给第三个切碎机。多次经过切碎机-剪切机串预期减少粒子大小，并且增加在进料流内的总表面积。
在另一个例子中，由果汁纸板盒切碎和剪切产生的纤维材料可以进行处理，以增加其堆密度。在某些情况下，纤维材料可以用水或在水中制备的POLYOXTM WSR N10(聚氧化乙烯)的稀释母液进行喷射。弄湿的纤维材料随后可以通过在室温下操作的制丸磨进行加工。制丸磨可以使进料流的堆密度增加超过一个数量级。
预处理
物理上制备的原料可以进行预处理用于在初级生产过程中使用，通过例如减少原料的平均分子量和结晶度，和/或增加原料的表面积和/或多孔性。
在某些实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括具有第一个数量平均分子量的第一种纤维素，并且所得到的碳水化合物包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量的第二种纤维素。例如，第二个数量平均分子量比第一个数量平均分子量低超过约25％，例如2x、3x、5x、7x、10x、25x或甚至100x减少。
在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个结晶度，并且第二种纤维素具有比第一个结晶度低的第二个结晶度，例如低约2、3、5、10、15或25％。
在某些实施方案中，第一种纤维素具有第一个氧化水平，并且第二种纤维素具有比第一个氧化水平高的第二个氧化水平，例如高2、3、4、5、10或25％。
预处理过程可以包括辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆炸中的一种或多种。各种预处理系统和方法可以以这些技术中的2、3或甚至4种的组合使用。
预处理组合
在某些实施方案中，生物量可以通过应用本文描述的过程中的任何的2种或更多种进行加工，例如辐射、超声处理(或本文描述的任何其他破裂技术，例如用转子-定子分裂器处理)、氧化、热解和蒸汽爆炸中的2、3、4种或更多种，连同或不连同如本文所述的先前、中间或后续原料制备。过程可以以任何次序或同时应用于生物量。例如，碳水化合物可以通过对纤维素和/或木质纤维素材料应用辐射、超声处理、氧化、热解和任选地蒸汽爆炸(以任何次序或同时)。所提供的含碳水化合物材料随后可以通过一种或多种微生物转变成许多所需产物，所述微生物例如细菌、酵母或酵母和细菌的混合物，如本文描述的。多重过程可以提供可以更容易由各种微生物利用的材料，由于其 较低的分子量、较低的结晶度和/或增强的可溶性。多重过程可以提供协同作用，并且可以减少与任何单个过程比较所需的总能量输入。
例如，在某些实施方案中，可以提供包括通过这样的过程产生的碳水化合物的原料，所述过程包括使纤维素和/或木质纤维素材料照射和超声处理、照射和氧化、照射和热解、或照射和蒸汽爆炸(以任一次序或同时)的过程。所提供的生物量原料随后可以与微生物相接触，所述微生物具有将至少部分例如至少约1重量％的原料转变成产物例如易燃燃料的能力。
预处理条件
在某些实施方案中，该过程不包括例如用酸、酶或碱使纤维素和/或木质纤维素材料水解，所述酸例如矿物酸，例如盐酸或硫酸。需要时，生物量中的一些或无一可以包括经水解的材料。例如，在某些实施方案中，至少约70重量％的生物量是未经水解的材料，例如至少约95重量％的原料是未经水解的材料。在某些实施方案中，基本上所有生物量是未经水解的材料。例如，可以避免用强碱处理。
任何原料或装有原料的任何反应器或发酵罐可以包括缓冲剂，例如碳酸氢钠、氯化铵或Tris；电解质，例如氯化钾、氯化钠或氯化钙；生长因子，例如生物素和/或碱基对例如尿嘧啶或其等价物；表面活性剂，例如或聚乙二醇；矿物质，例如钙、铬、铜、碘、铁、硒或锌；或螯合剂，例如乙二胺、乙二胺四乙酸(EDTA)(或其盐形式，例如钠或钾EDTA)或二巯基丙醇。
当利用辐射时，它可以应用于干燥或湿润或甚至在液体例如水中分配的任何样品。例如，照射可以对这样的生物量材料执行，其中小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料具有由液体例如水润湿的表面。在某些实施方案中，照射对这样的纤维素和/或木质纤维素材料执行，其中基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料由液体例如水润湿。
在某些实施方案中，本文描述的任何加工伴随纤维素和/或木质纤维素材料在需要时保持干燥或在材料已例如使用热和/或减压干燥后 发生。例如，在某些实施方案中，在25℃下和在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％的保留水。
原料可以这样进行处理，使得它具有例如小于约7.5、5、3、2.5、2、1.5、1或0.5重量％的低含湿量。这种材料可以用粒子例如电子或质子束进行照射。照射可以紧在材料制备后，或在水分减少步骤后，例如在约105℃下干燥4-18小时。
需要时，如本文定义的膨胀剂可以用于本文描述的任何加工过程中。在某些实施方案中，当纤维素和/或木质纤维素材料使用辐射进行加工时，小于约25重量％的纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中，膨胀状态的特征在于具有比未膨胀状态高超过约2.5％的体积，例如比未膨胀状态高超过5.0、7.5、10或15％。在利用辐射的特定实施方案中，纤维素和/或木质纤维素材料包括膨胀剂，并且膨胀的纤维素和/或木质纤维素接受小于约10Mrad的剂量。在其他实施方案中，当辐射在纤维素和/或木质纤维素材料上利用时，基本上无一纤维素和/或木质纤维素材料处于膨胀状态中。
在某些实施方案中，在照射前不将化学药品例如不将膨胀剂加入生物量中。例如，在这些实施方案的某些中，在照射或其他加工前，不加入碱性物质(例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂和氢氧化铵)、酸化剂(例如矿物酸(例如，硫酸、盐酸和磷酸))，盐例如氯化锌、碳酸钙、碳酸钠、苄基三甲基硫酸铵，或碱性有机胺例如乙二胺。在某些情况下，不加入另外的水。例如，在加工前，生物量可以具有小于0.5重量％的添加化学药品，例如小于0.4、0.25、0.15或0.1重量％的添加化学药品。在某些情况下，在照射前，生物量具有不超过痕量，例如小于0.05重量％的添加化学药品。在其他情况下，在照射前，生物量基本上没有添加化学药品或膨胀剂。避免此类化学药品的使用还可以在加工自始至终延展，例如在发酵前的任何时候，或在任何时候。
当辐射用于任何过程中时，它可以在纤维素和/或木质纤维素暴露于空气、富氧空气、或甚至氧其自身时应用，或通过惰性气体例如氮、氩或氦覆盖。当需要最大限度氧化时，利用氧化环境，例如空气或氧。 与辐射源的距离也可以进行最佳化，以使反应气体形成达到最大，例如臭氧和/或氮氧化物。
当利用辐射时，它可以在大于约2.5个大气压的压力下应用于生物量例如纤维素和/或木质纤维素，例如大于5、10、15、20或甚至大于约50个大气压。
当加工过程包括辐射时，利用电离辐射例如γ射线、x射线、高能紫外线辐射例如具有约100nm-约280nm波长的紫外线C辐射，粒子束例如电子、慢中子或α粒子束，可以执行照射。在某些实施方案中，照射包括2个或更多个辐射源，例如γ射线和电子束，这可以以任何次序或同时应用。
本文描述的任何加工技术可以在超过或低于正常、实际(earth-bound)大气压的压力下使用。例如，可以在高压下执行任何加工过程，这可以增加反应速率，所述任何加工过程利用辐射、超声处理、氧化、热解、蒸汽爆炸或这些加工过程中的任何的组合，以提供包括碳水化合物的材料。例如，任何加工过程或加工过程的组合可以在大于约正常大气压的压力下执行，例如在大于约25MPa的压力下，例如大于50MPa、75MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、350MPa、500MPa、750MPa、1,000MPa，或大于1,500MPa。
辐射处理
一个或多个照射加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。照射可以减少原料的分子量和/或结晶度。在某些实施方案中，从其原子轨道中释放电子的材料中沉积的能量用于照射材料。辐射可以通过下述提供：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射线或紫外射线。在一种方法中，通过放射性物质材料的辐射可以用于照射原料。在某些实施方案中，可以利用以(1)到(3)的任何次序或同时的任何组合。在另一种方法中，电磁辐射(例如，使用电子束发射器产生的)可以用于照射原 料。所应用的剂量依赖于所需效应和具体原料。例如，高剂量的辐射可以破坏原料组分内的化学键，并且低剂量的辐射可以增加原料组分内的化学键合(例如，交联)。在某些情况下，当希望断链和/或希望聚合链官能化时，可以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。当需要开环断链时，由于其路易斯(Lewis)酸性质，带正电的粒子可以用于增强的开环断链。例如，当需要含氧官能团时，可以执行在氧的存在下的照射或甚至用氧离子的照射。例如，当希望含氮官能团时，可以执行在氮的存在下的照射或甚至用氮离子的照射。
参考图8，在一种方法中，例如通过用电离辐射(例如，以γ辐射、X射线辐射、100nm-280nm紫外(UV)线、电子束或其他带电粒子的形式)处理，照射第一种材料2，其是或包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。第二种材料(或第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生产物例如燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料3具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下以及减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。辐射也可以使材料灭菌。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(MN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可 以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在超声处理前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在超声处理后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在超声处理后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在超声处理前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在超声处理后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，照射在氧化环境下例如在空气或氧覆盖层下执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
电离辐射
每种形式的辐射经由特定相互作用使生物量电离，如通过辐射的能量测定的。重带电粒子主要经由库仑(Coulomb)散射使物质电离；此外，这些相互作用产生可以进一步使物质电离的高能电子。α粒子与氦原子的核等同，并且通过各种放射性核的α衰变产生，例如铋、钋、砹、氡、钫、镭、几种锕系元素例如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚的同位素。
当利用粒子时，它们可以是中性(不带电)、带正电或带负电的。 当带电时，带电粒子可以具有单个正或负电荷，或多个电荷，例如1、2、3或甚至4个或更多个电荷。在其中需要断链的情况下，部分由于其酸性性质，带正电的粒子可以是所希望的。当利用粒子时，粒子可以具有静止电子的质量或更大，例如是静止电子质量的500、1000、1500或2000或更多倍。例如，粒子可以具有约1个原子单位-约150个原子单位的质量，例如约1个原子单位-约50个原子单位，或约1-约25，例如1、2、3、4、5、10、12或15amu。用于加速粒子的加速器可以是静电DC、电动力学DC、RF线性、磁感应线性或连续波。例如，回旋加速器型加速器可从IBA，比利时获得，例如 系统，而DC型加速器可从RDI现在的IBA Industrial获得，例如离子和离子加速器在下述中讨论：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；“Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus”，Proceedings ofEPAC 2000，Vienna，奥地利。
电子经由通过电子速度中的改变产生的库仑散射和轫致辐射相互作用。电子可以通过经历β衰变的放射性核产生，例如碘、铯、锝和铱的同位素。备选地，电子枪可以经由热电子发射用作电子源。
电磁辐射经由3个过程相互作用：光电吸收、康普顿(Compton)散射和电子偶的产生。主要相互作用通过入射辐射的能量和材料的原子数来确定。促成纤维素材料中的吸收辐射的相互作用总和可以通过质量吸收系数表示。
依赖于其波长，电磁辐射再分类为γ射线、x射线、紫外射线、红外射线、微波或无线电波。
例如，γ辐射可以用于照射材料。参考图9和10(区域R的扩大 视图)，γ辐照器10包括γ辐射源408例如60Co丸剂，用于容纳待照射的材料的工作台14，和例如由多块铁板制成的储藏室16，所有这些容纳于混凝土安全室(地下室)20中，其包括在防辐射门26外的迷宫入口22。储藏室16包括多个通道30，例如16个或更多个通道，允许γ辐射源在其接近工作台的途中经过储藏室。
在操作中，将待照射的样品置于工作台上。辐照器配置为递送所需剂量率，并且监控设备与实验块31相连接。操作者随后离开安全室，经过迷宫入口和防辐射门。操作者操纵控制面板32，指导计算机33使用与水压泵40附着的汽缸36，将辐射源12抬起后放入工作位置内。
γ辐射具有进入样品中的各种材料的显著穿透深度的优点。γ射线的来源包括放射性核，例如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙。
x射线的来源包括与金属靶(例如钨或钼或合金)或致密光源(例如由Lyncean商业生产的那些)的电子束碰撞。
用于紫外线辐射的来源包括氘或镉光灯。
用于红外线辐射的来源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯。
用于微波的来源包括速调管，Slevin型RF来源，或采用氢、氧或氮气的原子束来源。
多种其他照射装置可以用于本文公开的方法中，包括场电离源、静电离子分离器、场电离发生器、热电子发射源、微波放电离子源、回流或静止加速器、动态线性加速器、范氏(van de Graaff)加速器和折叠式串联加速器。此类装置公开于例如美国临时申请序列号61/073,665中，其完整公开内容通过引用合并入本文。
电子束
在某些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束具有高剂量率(例如，1、5或甚至10Mrad/秒)、高流通量、、较少防范(containment)和较少限制(confinement)设备的优点。电子束可以具有高达80％的电效率，允许低能量使用，这可以转化为低操作成本和低温室气体排 放，与所使用的少量能量相对应。电子还可以在引起断链方面更有效。此外，具有4-10MeV能量的电子可以具有5-30mm或更多例如40mm的穿透深度。在低堆密度材料中，例如本文描述的材料的许多，例如具有小于约0.5g/cm3的堆密度的材料，具有在4-10MeV范围中的能量的电子可以穿透4-8英寸或甚至更多。
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加速器、具有线性阴极的低能加速器、线性加速器和脉冲加速器，可以产生电子束。电子作为电离辐射源是有用的，例如用于相对薄堆的材料，例如小于0.5英寸，例如小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸、或小于0.1英寸。在某些实施方案中，电子束的每个电子的能量是约0.3MeV-约2.0MeV(百万电子伏特)，例如约0.5MeV-约1.5MeV，或约0.7MeV-约1.25MeV。
图11显示包括在电子束照射原料预处理顺序中的各个步骤的工艺流程图3000。在第一个步骤3010中，从进料来源接受干燥原料的供应。如上文讨论的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给电子束照射装置前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，如任选步骤3020中表示的，在递送给电子束照射装置之前，可以对生物量原料实施机械加工(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在步骤3030中，将干燥原料转移给原料转运装置(例如，传送带)，并且经过原料转运装置的横断面宽度以体积大致均匀地分布。这可以在电子束照射加工之前在原料转运装置中的某些点上例如手工或通过诱导局限性震动运动来完成。
在某些实施方案中，在产生浆的任选过程3040中，混合系统将化学试剂3045引入原料内。在混合步骤3040中使水与经加工的原料相组合造成含水原料浆，其可以通过例如管道而不是使用例如传送带转运。
下一个步骤3050是包括经由一个或多个(例如，N个)电子束照 射装置使原料(以干燥或浆形式)暴露于电子束辐射的回路。原料浆在步骤3052时移动通过N个电子束“淋浴器”中的每一个。移动可以是通过淋浴器和在淋浴器之间以连续速度，或可以存在通过每个淋浴器的脉冲，随后为突然移动至下一个淋浴器。在步骤3053时，使小份原料浆暴露于每个淋浴器某一预定暴露时间。
电子束照射装置可以由Ion Beam Applications、Louvain-la-Neuve、比利时或Titan Corporation、San Diego、CA商购获得。一般的电子能可以是1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV或10MeV。一般的电子束照射装置功率可以是1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW或500kW。原料浆解聚的功效依赖于所使用的电子能和所应用的剂量，而暴露时间依赖于功率和剂量。一般的剂量可以采取1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy的值。
在考虑电子束照射装置功率规格中的权衡包括操作成本、资本成本、折旧和装置占地面积。考虑电子束照射的暴露剂量水平中的权衡将是能量成本以及环境、安全和健康(ESH)关注。一般地，发生器容纳于铅或混凝土的地下室中。考虑电子能中的权衡包括能量成本；此处，较低电子能在促进特定原料浆解聚中可以是有利的(参见例如，Bouchard,等人，Cellulose(2006)13：601-610)。
提供电子束照射的双通路是有利的，以便提供更有效的解聚过程。例如，原料转运装置可以将原料(以干燥或浆形式)在下面和以反方向导向其最初转运方向。双通路系统可以允许加工较稠的原料浆，并且可以提供通过原料浆稠度的更均匀解聚。
电子束照射装置可以产生固定束或扫描束。扫描束用大扫描扫掠长度和高扫描速度是有利的，因为这将有效地代替大的固定束宽度。此外，0.5m、1m、2m或更多的可用扫掠宽度是可用的。
原料浆的部分已转运通过N个电子束照射装置后，在某些实施方案中，如步骤3060中，使原料浆的液体和固体组分机械分离可以是必需的。在这些实施方案中，对于残留固体颗粒过滤原料浆的液体部分，并且再循环回到浆制备步骤3040。原料浆的固体部分随后经由原料转 运装置前进至下一个加工步骤3070。在其他实施方案中，原料维持浆形式用于进一步加工。
重离子粒子束
比电子重的粒子可以用于照射碳水化合物或包括碳水化合物的材料，例如纤维素材料、木质纤维素材料、淀粉质材料、或本文描述的这些和其他中的任何的混合物。例如，可以利用质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。在某些实施方案中，比电子重的粒子可以诱导更高量的断链。在某些情况下，由于其酸性，与带负电的粒子相比较，带正电的粒子可以诱导更高量的断链。
例如使用线性加速器或回旋加速器，可以产生更重的粒子束。在某些实施方案中，束的每个粒子的能量是约1.0MeV/原子单位-约6,000MeV/原子单位，例如约3MeV/原子单位-约4,800MeV/原子单位，或约10MeV/原子单位-约1,000MeV/原子单位。
电磁辐射
在其中照射用电磁辐射执行的实施方案中，电磁辐射可以具有例如大于102eV的能量/光子(以电子伏特)，例如大于103、104、105、106、或甚至大于107eV。在某些实施方案中，电磁辐射具有104-107的能量/光子、例如105-106eV。电磁辐射可以具有例如大于1016hz的频率，大于1017hz、1018、1019、1020或甚至大于1021hz。在某些实施方案中，电磁辐射具有1018-1022hz的频率，例如1019-1021hz。
剂量
在某些实施方案中，执行照射(用任何辐射源或源的组合)直至材料接受至少0.05Mrad的剂量，例如至少0.1、0.25、1.0、2.5、5.0或10.0Mrad。在某些实施方案中，执行照射直至材料接受1.0Mrad-6.0Mrad的剂量，例如1.5Mrad-4.0Mrad。在其他实施方案中，照射以约0.1MRad-约10MRad的剂量执行，例如约0.25MRad-约9MRad，约0.5MRad-约7.5MRad，或约0.75MRad-约5MRad。
在某些实施方案中，以5.0-1500.0千拉德/小时的剂量率执行照射，例如10.0-750.0千拉德/小时，或50.0-350.0千拉德/小时。
在某些实施方案中，使用2个或更多个辐射源，例如2个或更多个电离辐射。例如，样品可以以任何次序进行处理，用电子束，随后为γ辐射和具有约100nm-约280nm的UV线。在某些实施方案中，样品用3个电离辐射源进行处理，例如电子束、γ辐射和高能UV线。
在辐射用作预处理的一个例子中，具有20lb/ft3的堆密度由未印刷的聚涂层白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒用作原料。使纸板盒平坦折叠并且随后注入串联排列的一系列3个切碎机-剪切机串内，其中来自第一个剪切机的输出作为输入供应给第二个切碎机，并且来自第二个剪切机的输出作为输入供应给第三个切碎机。通过切碎机-剪切机串产生的纤维材料可以用水喷射，并且通过在室温下操作的制丸磨进行加工。致密化丸剂可以置于玻璃安瓿中，所述玻璃安瓿在高真空下抽真空，并且用氩气反填充。安瓿在氩下进行密封。可替代地，在另一个例子中，安瓿在空气大气下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比原材料低的分子量的经照射的材料。
增强在照射过程中的分子量断裂的添加剂
在某些实施方案中，在照射前，各种材料例如固体或液体可以加入生物量中，以增强分子量减少。在其中利用液体的那些情况下，液体可以与生物量的外表面接触，和/或液体可以在生物量的内部部分中，例如灌注到生物量内。
例如，材料可以是中性弱碱，例如丙氨酸、氨、氨/水混合物，例如25重量％氨水、水、甲胺、二甲胺、三甲胺、吡啶，或阴离子碱，例如乙酸的盐(例如，乙酸钠)、碳酸钠、碳酸氢钠或硫化氢离子的盐(例如，硫氢化钠)。
备选地，材料可以是中性弱酸，例如甲酸、乙酸、三氯乙酸、水、硫化氢，或阳离子酸例如铵盐。
生物量的淬灭和控制官能化
在用一种或多种电离辐射处理后，所述电离辐射例如光辐射(例如，X射线或γ射线)、电子束辐射或带正电或带负电的比电子重的粒子(例如质子或碳离子)，本文描述的含碳水化合物的材料或混合物中的任何变得电离；即，它们包括在用电子自旋共振光谱仪可检测的水平上的原子团。目前的原子团检测极限是在室温下约1014自旋。在电离后，可以淬灭已电离的任何生物量材料，以减少经电离的生物量中的原子团水平，例如从而使得原子团用电子自旋共振光谱仪不再可检测。例如，通过给生物量应用足够压力和/或通过利用与经电离的生物量接触的流体，所述流体例如气体或液体，与原子团反应(淬灭)，可以使原子团淬灭。使用至少帮助原子团淬灭的气体或液体可以用于由所需量和种类的官能团使经电离的生物量官能化，所述官能团例如羧酸基团、烯醇基团、醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、环烷基或氯氟烷基。在某些情况下，此类淬灭可以改善某些经电离的生物量材料的稳定性。例如，淬灭可以改善生物量对氧化的抗性。通过淬灭官能化也可以改善本文描述的任何生物量的可溶性，可以改善其热稳定性，并且可以改善通过各种微生物的材料利用。例如，通过淬灭对生物量材料赋予的官能团可以充当用于通过微生物附着的受体位点，例如以增强通过各种微生物的纤维素水解。
图11A举例说明改变生物量原料的分子和/或超分子结构，通过用电离辐射例如用足够能量的电子或离子预处理生物量原料，以使生物量原料电离，以提供第一个原子团水平。如图11A中所示，如果经电离的生物量保留在大气中，那么它将氧化例如至通过与大气氧反应产生羧酸基团的程度。在对于某些材料的某些情况下，此类氧化是需要的，因为它可以帮助含碳水化合物的生物量的分子量中的进一步下降，并且在某些情况下，氧化基团例如羧酸基团对于可溶性和微生物利用可以是有帮助的。然而，因为原子团可以在照射后“存活”一定时间，例如长于1天、5天、30天、3个月、6个月或甚至长于1年，所以材料性质可以继续随着时间过去改变，这在某些情况下，可以是不希望有的。通过电子自旋共振光谱仪检测经照射的样品中的原子团和此类 样品中的原子团寿命在Bartolotta等人，Physics inMedicine and Biology，46(2001)，461-471，和Bartolotta等人，Radiation ProtectionDosimetry，第84卷，Nos.1-4，第293-296页(1999)中讨论。如图11A中所示，可以使经电离的生物量淬灭，以使经电离的生物量官能化和/或稳定。在任何点上，例如当材料是“活的”、“部分活的”或完全淬灭的时，预处理的生物量可以转变成产物例如燃料、食物或复合材料。
在某些实施方案中，淬灭包括给生物量应用压力，例如通过使生物量机械变形，例如以1、2或3个维度直接机械压缩生物量，或对其中生物量浸入的流体应用压力，例如等静压制。在此类情况下，材料其自身的变形使通常在结晶结构域中捕获的原子团处于足够的接近中，从而使得原子团可以重组或与另一个基团反应。在某些情况下，压力连同热的应用例如足够量的热一起应用，以使生物量的温度升高超过生物量组分的熔点或软化点，所述生物量组分例如木质素、纤维素或半纤维素。热可以改善聚合材料中的分子流动性，这可以帮助原子团的淬灭。当压力用于淬灭时，压力可以大于约1000psi，例如大于约1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi或甚至大于15000psi。
在某些实施方案中，淬灭包括使生物量与流体例如液体或气体相接触，所述流体例如能够与原子团反应的气体，例如乙炔或乙炔在氮、乙烯、氯化乙烯或氯氟乙烯中的混合物，丙烯或这些气体的混合物。在其他具体实施方案中，淬灭包括使生物量与液体相接触，所述液体例如在生物量中可溶或至少能够穿透到生物量内且与原子团反应的液体，例如二烯，例如1,5-环辛二烯。在某些具体实施方案中，淬灭包括使生物量与抗氧化试剂例如维生素E相接触。需要时，生物量原料可以包括在其中分散的抗氧化试剂，并且淬灭可以来自使生物量原料中分散的抗氧化试剂与原子团相接触。
用于淬灭的其他方法是可能的。例如，在Muratoglu等人，美国专利申请公开号2008/0067724和Muratoglu等人，美国专利号 7,166,650中描述的用于淬灭聚合材料中的原子团的任何方法，可以用于淬灭本文描述的任何经电离的生物量材料。此外，任何淬灭剂(在上述公开内容中描述为“致敏剂”)和/或任一Muratoglu参考文献中描述的任何抗氧化试剂可以用于淬灭任何经电离的生物量材料。
通过利用重带电离子例如本文描述的较重离子中的任何，可以增强官能化。例如，如果需要增强氧化，那么带电的氧离子可以用于照射。如果需要氮官能团，那么可以利用氮离子或包括氮的阴离子。同样地，如果需要硫或磷基团，那么在照射中可以使用硫或磷离子。
在某些实施方案中，在淬灭后，本文描述的被淬灭的材料中的任何可以用下述中的一种或多种进行进一步处理：辐射例如电离或非电离辐射、超声处理、热解和氧化，用于另外的分子和/或超分子结构改变。
流体中的粒子束暴露
在某些情况下，在一种或多种另外流体(例如，气体和/或液体)的存在下，纤维素或木质纤维素材料可以暴露于粒子束。在一种或多种另外流体的存在下，材料暴露于粒子束可以增加处理的效率。
在某些实施方案中，在流体例如空气的存在下，使材料暴露于粒子束。在本文公开的任何一个或多个类型的加速器(或另一个类型的加速器)中加速的粒子经由输出端口(例如薄膜，例如金属箔)在加速器外耦合，经过由流体占据的空间体积，并且随后在材料上入射。除直接处理材料外，通过与流体粒子(例如由空气的各种组成成分产生的离子和/或原子团，例如臭氧和氮氧化物)相互作用，某些粒子产生另外的化学种类。这些产生的化学种类也可以与材料相互作用，并且可以充当起始剂用于材料中的各种不同的化学键破坏反应。例如，所产生的任何氧化试剂可以氧化材料，这可以导致分子量减少。
在特定实施方案中，在束入射到材料上之前，另外的流体可以选择性引入粒子束的路径内。如上文讨论的，束的粒子和所引入流体的粒子之间的反应可以产生另外的化学种类，这与材料反应且可以参与材料官能化，和/或以其他方式选择性改变材料的特定性质。例如一种 或多种另外流体可以从供应管导入束的路径内。所引入的一种或多种流体的方向和流速可以根据所需暴露率和/或方向进行选择，以控制总体处理的效率，包括起因于基于粒子的处理的效应和由于由所引入流体动态产生的种类与材料相互作用的效应。除空气外，可以引入离子束内的示例性流体包括氧、氮、一种或多种稀有气体、一种或多种卤素和氢。
照射低堆密度生物量材料且使经照射的生物量冷却
在用电离辐射特别是以高剂量率处理生物量材料的过程中，例如大于0.15Mrad/秒的速率，例如0.25Mrad/s、0.35Mrad/s、0.5Mrad/s、0.75Mrad/s或甚至大于1Mrad/秒，生物量材料可以保留显著量的热，从而使得生物量材料的温度变得升高。尽管在某些实施方案中，较高的温度是有利的，例如当需要更快速的反应速率时，控制生物量的加热是有利的，以保持对经由电离辐射起始的化学反应的控制，例如交联、断链和/或移植，例如以维持过程控制。低堆密度材料，例如具有小于约0.4g/cm3，例如小于约0.35、0.25或小于约0.15g/cm3的堆密度的那些，特别是当与具有薄横断面的材料例如具有小横向尺度的纤维相组合时，一般更易于冷却。此外，光子和粒子一般可以进一步穿透且通过具有相对低堆密度的材料，这可以允许以更高的速率加工更大体积的材料，并且可以允许使用具有更低能量的光子和粒子，例如0.25Mev、0.5MeV、0.75MeV或1.0MeV，这可以减少安全屏蔽需求。本文描述的许多生物量材料可以在下文描述的图11B、11C、11D和11E中所示的一种或多种系统中进行加工。所示系统允许一个或多个类型的电离辐射，例如相对电子或与X射线组合的电子，以高剂量率应用于低堆密度生物量材料，例如以大于1.0、1.5、2.5Mrad/s或甚至大于约5.0Mrad/s的速率，并且随后在将辐射应用第二次、第三次、第四次、第五次、第六次、第七次、第八次、第九次或甚至第十次之前，允许生物量冷却。
例如，在改变生物量原料的分子和/或超分子结构的一种方法中，在第一个温度下用电离辐射例如光子、电子或离子(例如，单独地或 多样地带电阳离子或阴离子)，预处理生物量足够时间和/或足够剂量，以使生物量原料升高至高于第一个温度的第二个温度。经预处理的生物量随后冷却至低于第二个温度的第三个温度。最后，需要时，经冷却的生物量可以用辐射例如用电离辐射处理一次或多次。需要时，冷却可以在每次辐射处理后和/或在每次辐射处理过程中应用于生物量。
生物量原料可以如上所述在物理上进行制备，例如通过减少生物量原料的单个小片的一个或多个尺度，从而使得原料可以更有效加工，例如更容易冷却和/或更容易由电离辐射穿透。
在某些实现中，在使生物量冷却前，以小于25Mrad或小于10Mrad，例如小于5Mrad或小于2.5Mrad的总剂量，并且以超过0.25Mrad/秒，例如超过0.5，0.75或超过1.0Mrad/s的速率，应用电离辐射。
当生物量原料在流体中例如在气体例如氮或空气中由空气作用输送时，可以执行用电离辐射预处理生物量原料。为了帮助分子量下降和/或材料的官能化，气体可以用本文描述的任何膨胀剂和/或水蒸气饱和。例如，可以利用酸性水蒸气。为了帮助分子量下降，水可以用有机酸例如甲酸或乙酸或矿物酸例如硫酸或盐酸进行酸化。
当生物量原料在重力的影响下落下时进行，可以执行用电离辐射预处理生物量原料。当生物量原料在加工时，这个操作可以有效减少它的堆密度，且可以帮助生物量原料的冷却。例如，生物量可以由在超过地面的第一个高度上的第一条带传送，并且随后可以通过在超过地面低于第一个水平的第二个水平上的第二条带捕获。例如，在某些实施方案中，第一条带的后缘和第二条带的前缘限定缺口。有利地，可以在缺口处应用电离辐射，例如电子、质子或其他离子束，以预防对生物量传送系统的损害。
生物量的冷却可以包括使生物量与在低于第一个或第二个温度的温度的流体(例如气体例如在或约77K的气态氮)相接触。甚至可以利用水，例如在低于额定室温(例如，25摄氏度)的温度的水。
通常有利地，生物量原料具有内部纤维，并且在用电离辐射照射 前，生物量原料已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。这种剪切可以提供具有小横断面尺度的低堆密度材料，这可以帮助生物量的断裂和/或官能化。例如，在某些实施方案中，生物量是或包括不连续纤维和/或颗粒，其具有不超过约0.5mm的最大限度尺度，例如不超过约0.25mm、不超过约0.1mm、或不超过约0.05mm。
在某些实施方案中，在电离辐射的应用过程中，电离辐射对于其应用的生物量原料具有小于约0.35g/cm3的堆密度，例如小于约0.3、0.25、0.20、或小于约0.15g/cm3。在此类实施方案中，生物量原料可以冷却，并且随后电离辐射可以应用于经冷却的生物量。在某些有利的实施方案中，生物量原料是或包括不连续纤维和/或颗粒，其具有不超过约0.5mm的最大限度尺度，例如不超过约0.25mm、不超过约0.1mm、不超过约0.05mm、或不超过约0.025mm。
图11B和11C显示纤维材料产生、处理、传送和照射装置1170(屏蔽在该图中未举例说明)。在操作中，由辊1172供应纸张1173例如废弃漂白的牛皮纸张，并且递送给纤维化仪器1174例如旋转剪切机。使片1173转变成纤维材料1112，并且通过传送机1178递送给纤维装载区带1180。需要时，纤维材料的纤维可以例如通过筛选分离出具有不同L/D比的馏分。在某些实施方案中，将一般地低堆密度和有利地薄横断面的纤维材料1112连续递送给区带1180；在其他实施方案中，纤维材料分批递送。回路1184中的增压器1182放置与纤维装载区带1180邻近，并且能够移动流动介质例如空气，其速度和体积足以使纤维材料1112以由箭头1188指示的方向由空气作用循环通过回路1184。
在某些实施方案中，在回路中运送的空气速度足以使纤维材料在整个回路1184周围均匀分散且转运。在某些实施方案中，流动的速度大于2,500英尺/分钟，例如5,000英尺/分钟、6,000英尺/分钟或更多，例如7,500英尺/分钟或8,500英尺/分钟。
穿越回路的输送纤维材料1112经过应用区带1190，这构成回路1184的部分。此处，应用本文描述的任何所需添加剂，例如液体，例 如水，这可以是酸化的或变成碱性的。在操作中，经由喷嘴98、99和11100，应用区带1190将添加剂例如液体溶液1196应用于循环纤维材料。当应用液体时，喷嘴产生当纤维经过喷嘴附近时影响纤维的雾化喷雾或薄雾。操作阀11102以控制液体流动至分别的喷嘴1198、1199和11100。在应用所需量的添加剂后，关闭阀11102。
在某些实施方案中，应用区带1190长2-100英尺或更长，例如长125英尺、150英尺、250英尺或更长，例如长500英尺。更长的应用区带允许在纤维材料通过应用区带1190的传递过程中经过更长时间段的液体应用。在某些实施方案中，喷嘴沿着回路1184的长度在空间上相隔例如约3-约4英尺。
当纤维材料在回路1184中且通过回路11107的照射部分移动时，所述回路11107包括悬臂11109用于递送电离辐射，将电离辐射应用于纤维材料(屏蔽未显示)。
当经照射的纤维材料围绕回路1184移动时，它通过以高速度在回路中循环的气体例如空气的作用冷却。材料在反应气体例如臭氧和/或氮氧化物中沐浴，所述反应气体由电离辐射对循环气体例如空气的作用产生。在经过照射部分11107后，冷却流体例如液体(例如，水)或气体例如在77K下的液氮可以注入回路1184内，以帮助纤维材料的冷却。需要时，这个过程可以重复超过一次，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10次或更多次，例如15次，以将所需剂量递送给纤维材料。虽然如所示的悬臂的长轴沿着流动方向，但在某些实现中，悬臂的长轴与流动方向横切。在某些实现中，电子束用作主要电离辐射源，并且X射线用作次要电离辐射源。X射线可以通过在回路1184的内侧上具有金属靶例如钽靶11111而产生，从而使得当电子撞击靶时，发出X射线。
在所需剂量递送给纤维材料后，纤维材料可以经由分离器11112从回路1184中去除，所述分离器11112通过区段11114和闸阀11116与回路1184选择性连接。当阀11116打开时，另一个阀也打开以允许空气进入回路1184中，以补偿通过分离器11112退出的空气。
图11D显示具有屏蔽的流化床纤维照射装置11121。在压力下在流体例如气体例如空气中的纤维材料经由管道11125递送给屏蔽的安全壳11123，并且进入屏蔽的流化床部分11127内。流体例如气体的对向流11131和流体例如气体(其可以与对向递送的流体相同或不同)的横向流11133相组合，以引起床部分中的湍流。当纤维材料通过流化床部分传送时，将电离辐射应用于流化床部分。例如，如所示的，可以利用来自3个机器11135、11136和11137的3个电子束。有利地，每个束可以穿透到流化床内不同深度和/或每个束可以发出不同能量的电子，例如1、3和5MeV。当经照射的纤维材料移动通过系统时，它通过以高速度在系统中循环的气体例如空气的作用冷却，并且它在反应气体例如臭氧和/或氮氧化物中沐浴，所述反应气体由电离辐射对循环气体例如空气的作用产生。需要时，该过程可以重复所需次数，直至纤维材料已接受所需剂量。虽然流化床已这样举例说明使得其长轴与地面水平，但在其他实现中，床的长轴与地面垂直，从而使得纤维材料在重力的影响下下落。
图11E显示无屏蔽的另一个纤维材料传送和照射装置11140。纤维材料11144从箱11142递送到在超过地面的第一个水平上的第一个传送机11150，并且随后材料转移给在比第一个传送机低的高度下的第二个传送机11152。第一个传送机的后缘11160和第二个传送机11152的前缘11161限定具有间隔S的缺口。例如，间隔S可以是4英寸-约24英寸。材料11144具有足够动量以在重力下自由下落，并且随后通过第二个传送机11152捕获而不落到缺口内。在自由下落过程中，将电离辐射应用于材料。这种安排可以是有利的，因为电离辐射较不可能损害传送系统，因为传送系统不与辐射直接相接触。
在材料经过照射部分后，冷却流体例如液体(例如，水)或气体例如在77K下的液氮可以应用于材料，以帮助纤维材料的冷却。需要时，这个过程可以重复超过一次，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10次或更多次，例如15次，以将所需剂量递送给纤维材料。虽然如所示的悬臂的长轴与材料流动的方向横切，但其他束排列也是可能的。在 某些实现中，电子束用作主要电离辐射源，并且X射线用作次要电离辐射源。X射线可以通过在材料的对侧上的缺口中具有金属靶例如钽靶而产生，从而使得当电子经过材料时，它们撞击靶，产生X射线。
超声处理和其他生物量破裂过程
一个或多个超声处理加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。超声处理可以减少原料的分子量和/或结晶度，所述原料例如本文描述的生物量材料中的任何中的一种或多种，例如一种或多种碳水化合物来源，例如纤维素或木质纤维素材料、或淀粉质材料。
再次参考图8，在一种方法中，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素的第一种材料2分散在介质例如水中，并且进行超声处理和/或以其他方式形成空穴，以提供第二种材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)可以与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下，同样减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于106微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。超声处理也可以使材料灭菌，但当微生物假定是活的时候不应使用。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(TMN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种 材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在超声处理之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在超声处理后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在超声处理后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在超声处理之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在超声处理后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛超声处理后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以帮助其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，超声处理在氧化介质中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
在某些实施方案中，超声处理介质是水介质。需要时，介质可以包括氧化试剂例如过氧化物(例如过氧化氢)、分散剂和/或缓冲剂。分散剂的例子包括离子型分散剂例如十二烷基硫酸钠和非离子型分散剂例如聚(乙二醇)。
在其他实施方案中，超声处理介质是非水的。例如，超声处理可以在烃例如甲苯或庚烷、醚例如二乙醚或四氢呋喃中，或甚至在液化气体例如氩、氙或氮中执行。
不希望受任何具体理论束缚，认为超声处理通过在包含纤维素的介质中产生气泡而破坏纤维素中的键，所述气泡生长且随后猛烈崩溃。在气泡崩溃过程中，这可以在小于纳秒中发生，内破力使气泡内的局部温度升高至约5100K(在某些情况下甚至更高；参见例如，Suslick等人，Nature 434，52-55)，并且产生数百个大气压-超过1000个大气压或更多的压力。正是这些高温和高压使键破坏。此外，不希望受任何具体理论束缚，认为减少的结晶度至少部分起于在气泡崩溃过程中的极高冷却速度，这可以大于约1011K/秒。高冷却速度一般不允许纤维素组构且结晶，导致具有减少的结晶度的材料。超声系统和超声化学在例如下述中讨论：Olli等人，美国专利号5,766,764；Roberts，美国专利号5,828,156；Mason，Chemistry with Ultrasound，Elsevier，Oxford,(1990)；Suslick(编辑)，Ultrasound：itsChemical，Physical and Biological Effects，VCH，Weinheim,(1988)；Price，"CurrentTrends in Sonochemistry"Royal Society of Chemistry，Cambridge,(1992)；Suslick等人，Ann.Rev.Mater.Sci.29，295,(1999)；Suslick等人，Nature 353，414(1991)；Hiller等人，Phys.Rev.Lett.69，1182(1992)；Barber等人，Nature，352，414(1991)；Suslick等人，J.Am.Chem.Soc.，108，5641(1986)；Tang等人，Chem.Comm.，2119(2000)；Wang等人，Advanced Mater.，12，1137(2000)；Landau等人，J.of Catalysis，201，22(2001)；Perkas等人，Chem.Comm.，988(2001)；Nikitenko等人，Angew.Chem.Inter.编辑(2001年12月)；Shafi等人，J.Phys.Chem B 103，3358(1999)；Avivi等人，J.Amer.Chem.Soc.121，4196(1999)；和Avivi等人，J.Amer.Chem.Soc.122，4331(2000)。
超声处理系统
图12显示一般系统，其中使纤维素材料流1210与水流1212在储库1214中相混合，以形成加工流1216。第一个泵1218从储库1214中抽取加工流1216并且朝向流动池1224。超声换能器1226将超声能 传导到加工流1216内，当加工流流经流动池1224时。第二个泵1230从流动池1224中抽取加工流1216并且朝向后续加工。
储库1214包括与容积1236流动联系的第一个进入口1232和第二个进入口1234。传送机(未显示)通过第一个进入口1232将纤维素材料流1210递送给储库1214。水流1212通过第二个进入口1234进入储库1214内。在某些实施方案中，水流1212沿着切线进入容积1236，在容积1236内建立回旋流。在特定实施方案中，纤维素材料流1210和水流1212沿着相对轴引入容积1236内，以增强在容积内的混合。
阀1238控制水流1212通过第二个进入口1232的流动，以产生纤维素材料与水的所需比(例如，约10％纤维素材料，容重)。例如，2000吨/天的纤维素材料可以与1百万-1.5百万加仑/天，例如1.25百万加仑/天的水相组合。
纤维素材料和水在储库1214中的混合受容积1236以及纤维素材料和水进入容积内的流速控制。在某些实施方案中，容积1236具有一定大小，以造成关于纤维素材料和水的最低限度混合停留时间。例如，当2000吨/天的纤维素材料和1.25百万加仑/天的水流经储库1214时，容积1236可以是约32,000加仑，以产生约15分钟的最低限度混合停留时间。
储库1214包括与容积1236流动联系的混合器1240。混合器1240使容积1236的内容物搅动，以使纤维素材料遍及容积中的水分散。例如，混合器1240可以是在储库1214中放置的旋转叶片。在某些实施方案中，混合器1240使纤维素材料基本上均匀地遍及水分散。
储库1214进一步包括与容积1236和加工流1216流动联系的出口1242。纤维素材料和水在容积1236中的混合物经由出口1242流出储库1214。出口1242安排在储库1214的底部附近，以允许重力将纤维素材料和水的混合物拉出储库1214且进入加工流1216内。
第一个泵1218(例如，由Essco Pumps&Controls，Los Angeles，California制造的数种凹式叶轮涡流泵中的任何)使加工流1216的内 容物朝向流动池1224移动。在某些实施方案中，第一个泵1218使加工流1216的内容物搅动，从而使得纤维素材料和水的混合物在流动池1224的进口1220处基本上均匀。例如，第一个泵1218使加工流1216的内容物搅动，以造成在第一个泵和流动池1224的进口1220之间沿着加工流持续的湍流。
流动池1224包括与进口1220和排出口1222流动联系的反应器容积1244。在某些实施方案中，反应器容积1244是能够经得住升高的压力(例如，10巴)的不锈钢管。另外地或在备选方案中，反应器容积1244包括矩形横断面。
流动池1224进一步包括与反应器容积1244的至少部分热联系的热交换器1246。冷却流体1248(例如，水)流入热交换器1246内，并且吸收当加工流1216在反应器容积1244中超声处理时产生的热。在某些实施方案中，控制冷却流体1248进入热交换器1246内的流速和/或温度，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。在某些实施方案中，反应器容积1244的温度维持在20-50℃下，例如25、30、35、40或45℃。另外地或备选地，从反应器容积1244中转移到冷却流体1248的热可以在全过程的其他部分中使用。
接合器区段1226造成反应器容积1244和助推器1250之间的流动联系，所述助推器1250与超声换能器1226耦合(例如，使用凸缘机械耦合)。例如，接合器区段1226可以包括排列的凸缘和O-环部件，以造成反应器容积1244和助推器1250之间的防漏连接器。在某些实施方案中，超声换能器1226是由Hielscher Ultrasonics of Teltow，德国制造的大功率超声换能器。
在操作中，发生器1252将电递送给超声换能器1252。超声换能器1226包括使电能转变成超声范围中的声音的压电元件。在某些实施方案中，材料使用声音进行超声处理，所述声音具有约16kHz-约110kHz，例如约18kHz-约75kHz或约20kHz-约40kHz(例如具有20kHz-40kHz的频率的声音)的频率。在某些实现中，例如在约15kHz-约25kHz，例如约18kHz-22kHz的频率下执行超声处 理。在特定实施方案中，可以利用1KW或更大的悬臂，例如2、3、4、5或甚至10KW悬臂，执行超声处理。
超声能随后通过助推器1248递送给工作介质。在反应器容积1244中运送通过助推器1248的超声能在加工流1216中造成一系列压缩和稀化，其强度足以造成加工流1216中的空穴形成。空穴形成使加工流1216中分散的纤维素材料解聚。空穴形成还在加工流1216的水中产生自由基。这些自由基作用于进一步断裂加工流1216中的纤维素材料。
一般而言，将5-4000MJ/m3，例如10、25、50、100、250、500、750、1000、2000或3000MJ/m3的超声能应用于以约0.2m3/s的速率(约3200加仑/分钟)流动的加工流16。在反应器容积1244中暴露于超声能后，加工流1216通过排出口1222退出流动池1224。第二个泵1230使加工流1216移动至后续加工(例如，由Essco Pumps&Controls，Los Angeles，California制造的数种凹式叶轮涡流泵中的任何)。
虽然已描述了特定实施方案，但其他实施方案也是可能的。
作为例子，虽然加工流1216已描述为单个流动路径，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，例如加工流1216包括多个平行流动路径(例如，以10加仑/分钟的速率流动)。另外地或在备选方案中，加工流1216的多个平行流动路径流入分开的流动池内，并且平行进行超声处理(例如，使用多个16kW超声换能器)。
作为另一个例子，虽然单个超声换能器1226已描述为与流动池1224耦合，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，多个超声换能器1226安排在流动池1224中(例如，10个超声换能器可以安排在流动池1224中)。在某些实施方案中，使通过多个超声换能器1226各自产生的声波定时(例如彼此异相同步)，以增强作用于加工流1216的空穴形成。
作为另一个例子，虽然已描述了单个流动池1224，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，第二个泵1230使加工流移动至第二个流动池，其中第二个助推器和超声换能器使加工流1216进一步超声处 理。
作为另外一个例子，虽然反应器容积1244已描述为闭合容积，但在特定实施方案中，反应器容积1244开放至环境条件。在此类实施方案中，超声处理预处理可以与其他预处理技术基本上同时执行。例如，在电子束同时引入加工流1216内的时候，超声能可以应用于反应器容积1244中的加工流1216。
作为另一个例子，虽然已描述了流动通过过程，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，超声处理可以在分批过程中执行。例如，容积可以用纤维素材料在水中的10％(容重)混合物填充，并且暴露于具有约50W/cm2-约600W/cm2的强度的声音，例如约75W/cm2-约300W/cm2，或约95W/cm2-约200W/cm2。另外地或备选地，容积中的混合物可以超声处理约1小时-约24小时，例如约1.5小时-约12小时，或约2小时-约10小时。在特定实施方案中，使材料超声处理预定时间，并且随后在再次超声处理前允许静置第二个预定时间。
现在参考图13，在某些实施方案中，2个电声换能器与单个悬臂机械耦合。如所示的，一对压电换能器60和62通过分别的中间耦合悬臂70和72与开槽条形悬臂64耦合，后者也被称为助推器悬臂。响应对其应用的高频电能，由换能器提供的机械振动传导给分别的耦合悬臂，这可以构建为提供机械增益，例如1与1.2的比。悬臂提供分别的固定凸缘74和76用于支持在静止外壳中的换能器和悬臂部件。
由换能器通过耦合或助推器悬臂传导的振动与悬臂的输入表面78偶联，并且通过悬臂传导给相对放置的输出表面80，这在操作过程中与振动应用于其的工作件(未显示)处于强制衔接中。
经由平衡变压器84和分别串联连接的电容器86和90，由电源82提供的高频电能供应给平行电连接的各个换能器，一个电容器用电连接器与换能器各自串联连接。平衡变压器也被称为“不平衡变压器”代表“平衡单元”。平衡变压器包括磁芯92和一对等同线圈94和96，也分别称为初级线圈和次级线圈。
在某些实施方案中，换能器包括商购可得的压电换能器，例如BransonUltrasonics Corporation型号105或502，各自设计用于在20kHz和3kW的最大限度额定功率下操作。用于提供在换能器的输出表面上的最大限度运动幅度的供能电压是930伏特输出功率(rms)。通过换能器的电流量可以在零和3.5安培之间变动，依赖于负载阻抗。在930伏特输出功率下，输出运动是约20微米。因此在关于相同运动振幅的终端电压中的最大限度差异可以是186伏特。此类电压差异可以引起在换能器之间流动的大循环电流。平衡单元430确保平衡条件，通过提供通过换能器的相等电流量，从而消除循环电流的可能性。线圈的金属丝尺寸必须就上文指出的全负载电流进行选择，并且经过线圈输入出现的最大限度电压是93伏特。
虽然超声换能器1226已描述为包括一个或多个压电活性元件以造成超声能，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，超声换能器1226包括由其他类型的磁致伸缩材料(例如铁类金属)制成的活性元件。此类大功率超声换能器的设计和操作在Hansen等人，美国专利号6,624,539中讨论。在某些实施方案中，超声能通过液电系统转移至加工流1216。
虽然超声换能器1226已描述为使用磁致伸缩材料的电磁应答以产生超声能，但其他安排也是可能的。在某些实施方案中，使用水下瞬间放电，以强烈冲击波形式的声能可以直接应用于加工流16。在某些实施方案中，超声能通过热液系统转移至加工流16。例如，高能量密度的声波可以通过经过封闭容积的电解质应用功率而产生，从而使封闭容积加热并且产生压力升高，这随后通过声传播介质(例如，加工流1216)传导。此类热液换能器的设计和操作在Hartmann等人，美国专利6,383,152中讨论。
某些实施方案利用高频、转子-定子装置。这种类型的装置产生高剪切、小空穴形成力，这可以使与此类力接触的生物量瓦解。2种商购可得的高频、转子-定子分散装置是由Krupp Industrietechnik GmbH制造且由Dorr-Oliver Deutschland GmbH ofConnecticut销售的 SupratonTM装置，以及由Ika-Works，Inc.of Cincinnati，Ohio制造和销售的DispaxTM装置。此类小空穴形成装置的操作在Stuart，美国专利号5,370,999中讨论。
在另一种生物量破裂技术中，将微波或无线电波能量应用于经处理或未经处理的生物量材料，例如木质纤维素材料，其方式使生物量材料内的水蒸发，但总体生物量材料经历很少的大量加热。例如，约10MHz–约300,000MHz的频率可以应用于生物量材料。在某些情况下，微波或无线电波能量以短脉冲应用，例如具有小于0.1秒的持续时间，例如小于0.05秒、小于0.03秒、小于0.01秒或甚至更少，例如0.005秒。不希望受任何具体理论束缚，认为当微波或无线电波能量以这种方式应用时，生物量材料内的水被爆炸力蒸发，这破裂木质素且使其从纤维素中“剥离”。同时，因为此类能量的应用不使散装材料加热，所以木质素不趋于再应用到纤维素上，这可以阻断例如通过酶或微生物对于纤维素的接近。木质素的许多性质由Carter Fox在名称为“Chemical and Thermal Characterization of ThreeIndustrial Lignin and Their Corresponding Esters(2006年5月，University ofIdaho)的论文中描述。
在另一种生物量破裂技术中，对经处理(例如，使用本文描述的任何处理方法)或未经处理的生物量材料实施热的压缩流体例如水。在此类方法中，在升高的温度，例如超过50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或超过180℃，将生物量置于包含流体例如水的压力器皿中。将压力器皿置于气体压力下，例如在氩、氮或空气下，并且随后例如用双叶片涡轮推进器搅拌一段时间，例如10分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟或90分钟。在某些实施方案中，压力在约500psig-2000psig下，例如约650psig-约1500psig，或约700psig-约1200psig。在某些实施方案中，温度在超过关于木质素的玻璃转化温度5或10℃下。不希望受任何具体理论束缚，认为当温度超过木质素的玻璃转化温度时，压力器皿中的条件引起木质素从纤维素中“剥离”，使得纤维素更加暴露用于通过酶断裂。
在另一种生物量破裂技术中，将经处理的例如经照射的或未经处理的生物量材料递送至在2个正反转压辊之间限定的夹，所述夹可以任选进行加热。通过供应到夹内的生物量的量和压辊之间的间距，可以调整夹之间的压力。在某些实施方案中，夹中的压力可以大于1,000psi/线性英寸，例如大于2,500psi、大于5,000psi、大于7,500psi、大于10,000psi、或甚至大于15,000psi/线性英寸。在某些实施方案中，压辊在升高的温度操作，例如超过50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或超过180℃。在某些实施方案中，辊在超过木质素的玻璃转化温度的温度操作。不希望受任何具体理论束缚，认为夹中的压力和热可以破裂生物量材料的任何木质素，使得纤维素对于酶更易接近且可用。
热解
一个或多个热解加工顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从原料中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。
再次参考图8中的一般图解，例如通过使第一种材料在管式炉中加热，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)的纤维素的第一种材料2热解，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)的纤维素。使第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)与微生物(例如，细菌或酵母)相组合，所述微生物可以利用第二种和/或第一种材料以产生燃料5，其是或包括氢、醇(例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇)、有机酸、烃或这些中的任何的混合物。
因为第二种材料具有相对于第一种材料具有减少的分子量、和在某些情况下，同样减少的结晶度的纤维素，所以第二种材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨胀和/或可溶，例如在大于106微生物/mL的浓度下。这些性质使得相对于第一种材料2，第二种材料3对化学、酶促和/或生物攻击更敏感，这可以极大改善所需产物例如乙醇的生产率和/或生产水平。热解也可以使第一种和第二种材料灭菌。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量(TMN2)比第一个数量平均分子量(TMN1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40、50％、60％或甚至超过约75％。
在某些情况下，第二种材料具有这样的纤维素，其具有比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的结晶度(TC2)。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约10％，例如15、20、25、30、35、40或甚至超过约50％。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在热解之前)是约40-约87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在热解后的结晶度指数是约10-约50％，例如约15-约45％或约20-约40％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在热解后的材料是基本上无定形的。
在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在热解之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在热解后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛热解后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二种材料可以具有比第一种材料的氧化水平(TO1)高的氧化水平(TO2)。材料的更高氧化水平可以有助于其分散性、膨胀性和/或可溶性，进一步增强材料对化学、酶促或微生物攻击的敏感性。在某些实施方案中，为了增加第二种材料相对于第一种材料的氧化水平，热解在氧化环境中执行，产生比第一种材料更氧化的第二种材料。例如，第二种材料可以具有更多羟基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基团，这可以增加其亲水性。
在某些实施方案中，材料的热解是连续的。在其他实施方案中，使材料热解预定时间，并且随后在再次热解前允许冷却第二个预定时间。
热解系统
图14显示包括在热解原料预处理系统中的各个步骤的工艺流程图6000。在第一个步骤6010中，从进料来源接受干燥原料的供应。
如上文描述的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给热解室前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，在递送给热解室之前，可以对生物量原料实施机械加工6020(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在机械加工后，原料经历湿度调节步骤6030。湿度调节步骤的性质依赖于机械加工的原料的含湿量。一般地，当原料的含湿量是约10重量％-约30重量％(例如，15％-25％)的原料时，原料的热解最有效地发生。如果原料的含湿量大于约40重量％，那么通过原料的含水量呈现的额外热负荷增加后续热解步骤的能量消耗。
在某些实施方案中，如果原料具有大于约30重量％的含湿量，那么可以掺入具有低含湿量的较干燥的原料材料6220，造成步骤6030中的原料混合物具有在上文讨论的限制内的平均含湿量。在特定实施方案中，通过将原料材料分散在移动传送机上，其使原料通过线内加热单元循环，可以简单地干燥具有高含湿量的原料。加热单元蒸发原料中存在的部分水。
在某些实施方案中，如果来自步骤6020的原料具有太低的含湿量(例如，低于约10重量％)，那么机械加工的原料可以与具有更高含湿量的较湿润的原料材料6230例如污水污泥相组合。备选地或另外地，水6240可以加入来自步骤6020的干燥原料中，以增加其含湿量。
在步骤6040中，目前其含湿量调节至属于合适限制内的原料可以在任选的预热步骤6040中进行预热。预热步骤6040可以用于使制备中原料的温度增加至75℃-150℃用于原料的后续热解。依赖于原料的性质和热解室的具体设计，使原料预热可以确保在原料原料内的热分布在热解过程中保持更均匀，并且可以减少对于热解室的热负荷。
随后将原料转运给热解室以在步骤6050中经历热解。在某些实施方案中，通过将一种或多种增压气体6210加入原料流中辅助原料的转 运。气体造成原料转运导管中的压力梯度，将原料推入热解室内(并且甚至通过热解室)。在特定实施方案中，原料的转运机械发生；即，包括传送机例如螺旋输送机的转运系统将原料转运给热解室。
其他气体6210也可以在热解室之前加入原料中。在某些实施方案中，例如，一种或多种催化剂气体可以加入原料中，以辅助原料在热解过程中的分解。在特定实施方案中，一种或多种清除剂可以加入原料中，以捕获在热解过程中释放的挥发性物质。例如，各种基于硫的化合物例如硫化物可以在热解过程中释放，并且试剂例如氢气可以加入原料中以引起热解产物的脱硫。氢与硫化物相组合以形成硫化氢气体，这可以从经热解的原料中去除。
原料在室内的热解可以包括使原料加热至相对高的温度以引起原料的部分分解。一般地，使原料加热至150℃-1100℃。原料加热至其的温度依赖于许多因素，包括原料组成、原料平均粒子大小、含湿量和所需热解产物。对于许多类型的生物量原料，例如，使用300℃-550℃的热解温度。
原料在热解室内的停留时间一般依赖于许多因素，包括热解温度、原料组成、原料平均粒子大小、含湿量和所需热解产物。在某些实施方案中，原料材料在紧超过材料在惰性大气中的分解温度的温度进行热解，例如超过分解温度约2℃-超过约10℃，或超过分解温度约3℃-超过约7℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持大于0.5小时，例如大于1.0小时或大于约2.0小时。在其他实施方案中，材料在大大超过材料在惰性大气中的分解温度的温度进行热解，例如超过分解温度约75℃-超过约175℃，或超过分解温度约85℃-超过约150℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持小于0.5小时，例如小于20分钟、小于10分钟、小于5分钟或小于2分钟。在另外其他的实施方案中，材料在极端温度下进行热解，例如超过材料在惰性大气中的分解温度约200℃-超过约500℃，或超过分解温度约250℃-超过约400℃。在此类实施方案中，材料一般在这个温度下保持小于1分钟，例如小于30秒、15秒、10秒、5秒、1秒或小于 500ms。此类实施方案一般称为闪热解。
在某些实施方案中，原料在室内相对快速地加热至所选择的热解温度。例如，室可以设计为以500℃/s-11,000℃/s，例如500℃/s-1000℃/s的速率加热原料。
原料材料在热解室内的湍流通常是有利的，因为它确保从加热子系统到原料材料的相对有效的热转移。例如，通过使用一种或多种注入运载气体6210吹动原料材料通过室可以达到湍流。一般而言，即使在热解室中的高温下，运载气体对于原料材料也是相对惰性的。示例性运载气体包括例如氮、氩、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。备选地或另外地，机械转运系统例如螺旋输送机可以使热解室内的原料转运且循环，以造成原料湍流。
在某些实施方案中，原料的热解基本上在不存在氧和其他反应气体的情况下发生。通过用高压氮(例如，在2巴或更多的氮压力下)定期吹洗室，可以从热解室中去除氧。室吹洗后，热解室中存在的气体混合物(例如，在原料的热解过程中)可以包括小于4摩尔％氧(例如小于1摩尔％氧，且甚至小于0.5摩尔％氧)。氧的不存在确保不在升高的热解温度下发生原料的点燃。
在特定实施方案中，相对少量的氧可以引入原料内且在热解过程中存在。这种技术被称为氧化热解。一般地，氧化热解在多个加热阶段中发生。例如，在第一个加热阶段中，原料在氧的存在下加热，以引起原料的部分氧化。这个阶段消耗热解室中可用的氧。随后，在后续加热阶段中，原料温度进一步升高。然而，随着室中的所有氧被消耗，不发生原料燃烧，并且发生原料的无燃烧热解分解(例如，以产生烃产物)。一般而言，在热解室中加热原料以起始分解的过程是吸热的。然而，在氧化热解中，通过原料氧化形成二氧化碳是放热过程。由二氧化碳形成释放的热可以辅助进一步的热解加热阶段，从而减轻由原料呈现的热负荷。
在某些实施方案中，例如热解在惰性环境中发生，而原料材料沐浴在氩或氮气中。在特定实施方案中，热解可以在氧化环境中例如在 空气或富氩空气中发生。在某些实施方案中，例如热解可以在还原环境中发生，而原料材料在沐浴氢气中。为了帮助热解，在热解之前或在热解过程中，各种化学试剂例如氧化试剂、还原剂、酸或碱可以加入材料中。例如，可以加入硫酸，或可以加入过氧化物(例如，过氧苯甲酰)。
如上文讨论的，依赖于诸如原料组成和所需热解产物的因素，可以使用各种不同加工条件。例如，对于含纤维素的原料材料，可以采用相对温和的热解条件，包括375℃-450℃的闪热解温度，和小于1秒的停留时间。作为另一个例子，对于有机固体废弃材料例如污水污泥，一般使用500℃-650℃的闪热解温度，伴随0.5-3秒的停留时间。一般而言，许多热解过程参数，包括停留时间、热解温度、原料湍流、含湿量、原料组成、热解产物组成和附加气体组成，可以通过调节器的系统和自动化控制系统进行自动调节。
在热解步骤6050后，热解产物经历淬灭步骤6250，以在进一步加工过程之前降低产物的温度。一般地，淬灭步骤6250包括用冷却水6260的流喷射热解产物。冷却水也形成包括固体、未溶解的产物材料和各种溶解产物的浆。产物流中还存在的是包括各种气体的混合物，包括产物气体、运载气体和其他类型的过程气体。
产物流经由线内管道转运至气体分离器，其执行气体分离步骤6060，其中产物气体和其他气体与通过淬灭热解产物形成的浆分离。经分离的气体混合物任选导向鼓风机6130，其通过将空气吹入混合物内而增加气体压力。可以对气体混合物实施过滤步骤6140，其中气体混合物经过一个或多个滤器(例如，活性炭滤器)，以去除微粒和其他杂质。在后续步骤6150中，可以使经过滤的气体压缩且贮存用于进一步使用。备选地，可以对经过滤的气体实施进一步加工步骤6160。例如，在某些实施方案中，经过滤的气体可以浓缩，以分离在气体混合物内的不同气态化合物。不同化合物可以包括例如在热解过程中产生的各种烃产物(例如，醇、烷烃、烯烃、炔、醚)。在特定实施方案中，包含烃组分混合物的经过滤的气体可以与蒸汽气体6170(例如， 水蒸气和氧的混合物)相组合，并且实施裂化过程以减少烃组分的分子量。
在某些实施方案中，热解室包括热源，其点燃烃气体例如甲烷、丙烷和/或丁烷以加热原料。经分离的气体的部分6270可以回流到热解室内用于燃烧，以产生过程热以维持热解过程。
在特定实施方案中，热解室可以接受可以用于增加原料材料的温度的过程热。例如，用辐射(例如，γ辐射、电子束辐射或其他类型的辐射)照射原料可以使原料材料加热至相对高的温度。经加热的原料材料可以通过热交换系统冷却，所述热交换系统去除来自经照射的原料的某些过剩热。热交换系统可以配置为将某些热能转运给热解室以加热(或预热)原料材料，从而减少关于热解过程的能量成本。
包含液体和固体热解产物的浆可以经历任选的脱水步骤6070，其中过量水可以经由诸如机械压制和蒸发的过程从浆中去除。过量水6280可以过滤且随后回流用于在步骤6250中淬灭热解分解产物中进一步使用。
脱水的浆随后经历机械分离步骤6080，其中固体产物材料6110通过一系列越来越精细的滤器与液体产物材料6090分离。在步骤6100中，液体产物材料6090随后可以浓缩(例如，经由蒸发)以去除废水6190，并且通过诸如萃取的过程纯化。萃取可以包括例如加入一种或多种有机溶剂6180，以使产物例如油与产物例如醇分离。合适的有机溶剂包括例如各种烃和卤代烃。随后可以对经纯化的液体产物6200实施进一步加工步骤。需要时，可以过滤废水6190，并且回流用于在步骤6250中淬灭热解分解产物中进一步使用。
在步骤6080中分离后，任选对固体产物材料6110实施干燥步骤6120，其可以包括水的蒸发。固体材料6110随后可以贮存用于随后使用，或适当时实施进一步加工步骤。
上文讨论的热解过程参数是示例性的。一般而言，这些参数的值可以根据原料和所需产物的性质而广泛改变。此外，可以使用广泛多样的不同热解技术，包括使用热源例如烃火焰和/或炉、红外激光器、 微波加热器、感应加热器、电阻加热器以及其他加热装置和配置。
广泛多样的不同热解室可以用于使原料分解。在某些实施方案中，例如，热解原料可以包括使用电阻加热构件例如金属纤丝或金属带加热材料。加热可以通过电阻加热构件和材料之间的直接接触而发生。
在特定实施方案中，热解可以包括通过感应加热材料，例如通过使用居里点热解器。在某些实施方案中，热解可以包括通过应用辐射例如红外线辐射加热材料。辐射可以通过激光器例如红外激光器产生。
在特定实施方案中，热解可以包括用对流热加热材料。对流热可以通过经加热的气体的流动流产生。经加热的气体可以维持在小于约1200℃的温度，例如小于1000℃、小于750℃、小于600℃、小于400℃或甚至小于300℃。经加热的气体可以维持在大于约250℃的温度。对流热可以通过围绕第一种材料的热体例如在炉中产生。
在某些实施方案中，热解可以包括用在超过约250℃的温度的蒸汽加热材料。
热解室的一个实施方案显示于图15中。室6500包括具有用于废气的通风口6600的绝缘室墙6510，产生热用于热解过程的多个燃烧炉6520，用于转运原料通过室6500的转运输送管6530，用于使原料在湍流中移动通过输送管6530的螺旋输送机6590，和淬灭系统6540，其包括用于移动热解产物的螺旋输送机6610、用于用冷却水喷射热解产物的喷水口6550、和用于使气态产物6580与包含固体和液体产物的浆6570分离的气体分离器。
热解室的另一个实施方案显示于图16中。室6700包括绝缘室墙6710、原料供应输送管6720、斜面内室墙6730、产生热用于热解过程的燃烧炉6740、用于废气的通风口6750、和用于使气态产物6770与液体和固体6780分离的气体分离器6760。室6700配置为以由箭头6790显示的方向旋转，以确保原料在室内的足够混合和湍流。
热解室的一个进一步实施方案显示于图17中。热丝热解器1712包括具有以丝形式的电阻加热元件1714的样品架1713，缠绕通过由样品架1713限定的开放空间。任选地，加热元件可以在轴1715周围 转动(如由箭头1716指示的)，以使样品架1713中包括纤维素材料的材料搅乱。由套1719限定的空间1718维持在超过室温的温度，例如200-250℃。在一般使用中，运载气体例如惰性气体或者氧化或还原气体穿过样品架1713，同时电阻加热元件旋转且加热至所需温度，例如325℃。在合适时间例如5-10分钟后，经热解的材料从样品架中排空。图17中所示的系统可以依比例决定且制成连续的。例如，替代作为加热构件的丝，加热构件可以是螺旋钻螺旋。材料可以连续下落到样品架内，冲击使材料热解的经加热的螺旋。与此同时，螺旋可以推动经热解的材料离开样品架，以允许新鲜的未经热解的材料进入。
热解室的另一个实施方案显示于图18中，其特征在于居里点热解器1820，其包括容纳铁磁箔1822的样品室1821。围绕样品室1821的是RF线圈1823。由套1825限定的空间1824维持在超过室温的温度，例如200-250℃。在一般使用中，运载气体穿过样品室1821，而箔1822通过所应用的RF场感应地加热，以在所需温度下使材料热解。
热解室的另外一个实施方案显示于图19中。炉热解器130包括可移动的样品架131和炉132。在一般使用中，样品下降(如由箭头137指示的)进入炉132的热区带135内，而运载气体填充外壳136并且穿过样品架131。使样品加热至所需温度共所需时间，以提供经热解的产物。通过升高样品架从热解器中取出经热解的产物(如由箭头134指示的)。
在特定实施方案中，如图20中所示，纤维素靶140可以通过用激光处理靶进行热解，所述靶容纳在真空室141中，所述激光例如具有约225nm-约1500nm的波长的光。例如，靶可以使用Nd-YAG激光器(Spectra Physics，GCR170，San Jose，Calif.)的四次谐波在266nm下进行消融。所示光学配置允许使用镜144和145，将由激光器142产生的近单色光143在经过真空室141中的透镜146后导向靶上。一般地，真空室中的压力维持在小于约10-6mm Hg下。在某些实施方案中，使用红外线辐射，例如来自Nd-YAG激光器的1.06微米辐射。在此类实施方案中，红外线敏感的染料可以与纤维素材料相组合以产 生纤维素靶。红外线染料可以增强纤维素材料的加热。激光消融由Blanchet-Fincher等人在美国专利号5,942,649中描述。
参考图21，在某些实施方案中，在材料容纳于真空室151中的时候，纤维素材料可以通过用所需纤维素材料包被钨丝150，例如5-25mil钨丝进行闪热解。为了影响热解，使电流经过纤丝，这促使纤丝快速加热所需时间。一般地，在允许纤丝冷却前加热继续数秒。在某些实施方案中，加热执行多次以实现所需量的热解。
在特定实施方案中，含碳水化合物的生物量材料可以在不存在氧的情况下在流化床反应器中进行加热。需要时，含碳水化合物的生物量可以具有相对薄的横断面，并且可以包括本文描述的纤维材料中的任何，用于有效热转移。材料可以通过来自热金属或陶瓷(例如反应器中的玻璃珠或沙)的热转移进行加热，并且所得到的热解液体或油可以转运至中央精炼厂用于制造易燃燃料或其他有用产物。
在某些实施方案中，在热解前例如用粒子例如电子束照射生物量材料可以降低热解温度，导致在热解过程中消耗更少的能量。
氧化
一个或多个氧化处理顺序可以用于加工来自广泛多样不同来源的原始原料，以从生物量中提取有用物质，并且提供部分降解的有机材料，其充当关于进一步加工步骤和/或顺序的输入。
再次参考图8，例如通过在空气或富氧空气的流中在管形炉中加热第一种材料，使包括具有第一个数量平均分子量(TMN1)和具有第一个含氧量(TO1)的纤维素的第一种材料2氧化，以提供第二种生物量材料3，其包括具有比第一个数量平均分子量低的第二个数量平均分子量(TMN2)和具有比第一个含氧量(TO1)高的第二个含氧量(TO2)的纤维素。第二种材料(或在特定实施方案中，第一种和第二种材料)可以例如与树脂例如熔化热塑性树脂或微生物相组合，以提供具有所需机械性质的复合材料4，或燃料5。
此类材料也可以与固体和/或液体相组合。例如，液体可以以溶液的形式，并且固体在形式中可以是微粒。液体和/或固体可以包括微生 物例如细菌和/或酶。例如，细菌和/或酶可以对纤维素或木质纤维素材料起作用，以产生燃料例如乙醇、或共同产物例如蛋白质。燃料和共同产物在于2006年6月15日提交的FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES,”USSN 11/453,951中描述。前述申请各自的完整内容通过引用合并入本文。
在某些实施方案中，第二个数量平均分子量低于第一个数量平均分子量不超过97％，例如低于第一个数量平均分子量不超过95％、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、30、20、12.5、10.0、7.5、5.0、4.0、3.0、2.5、2.0或不超过1.0％。分子量减少的量将依赖于应用。
在其中材料用于制备燃料或共同产物的某些实施方案中，起始数量平均分子量(在氧化之前)是约200,000-约3,200,000，例如约250,000-约1,000,000或约250,000-约700,000，并且在氧化后的数量平均分子量是约50,000-约200,000，例如约60,000-约150,000或约70,000-约125,000。然而，在某些实施方案中，例如在广泛氧化后，它可以具有小于约10,000或甚至小于约5,000的数量平均分子量。
在某些实施方案中，第二个含氧量比第一个含氧量高至少约5％，例如高7.5％、高10.0％、高12.5％、高15.0％或高17.5％。在某些优选实施方案中，第二个含氧量比第一种材料的含氧量高至少约20.0％。通过元素分析通过在1300℃或以上操作的炉中热解样品来测量氧含量。合适的元素分析仪是具有VTF-900高温热解炉的LECO CHNS-932分析仪。
在某些实施方案中，第一种材料200的氧化不导致纤维素的结晶度中的基本改变。然而，在某些情况下，例如在极度氧化后，第二种材料具有其结晶度(TC2)比第一种材料的纤维素的结晶度(TC1)低的纤维素。例如，(TC2)可以比(TC1)低超过约5％，例如10、15、20或甚至25％。这可以是增强材料在液体中的可溶性希望的，所述液体例如包括细菌和/或酶的液体。
在某些实施方案中，起始结晶度指数(在氧化之前)是约40-约 87.5％，例如约50-约75％或约60-约70％，并且在氧化后的结晶度指数是约30-约75.0％，例如约35.0-约70.0％或约37.5-约65.0％。然而，在特定实施方案中，例如在广泛氧化后，它可以具有低于5％的结晶度指数。在某些实施方案中，在氧化后的材料是基本上无定形的。
不希望受任何具体理论束缚，认为氧化增加纤维素上的氢键合基团的数目，例如羟基、醛基、酮基、羧酸基团或酐基，这可以增加其分散性和/或其可溶性(例如，在液体中)。为了进一步改善在树脂中的分散性，树脂可以包括包含氢键合基团的组分，例如一个或多个酐基、羧酸基团、羟基、酰胺基、胺基或这些基团中的任何的混合物。在某些优选实施方案中，组分包括与马来酸酐共聚和/或移植的聚合物。此类材料可在商品名下从DuPont获得。
一般地，第一种材料200的氧化在氧化环境中发生。例如，通过在氧化环境中热解可以实现或帮助氧化，例如在空气或富氩空气中。为了帮助氧化，在氧化之前或在氧化过程中，各种化学试剂例如氧化试剂、酸或碱可以加入材料中。例如，在氧化之前可以加入过氧化物(例如，过氧苯甲酰)。
氧化系统
图22显示包括在氧化原料预处理系统中的各个步骤的工艺流程图5000。在第一个步骤5010中，从进料来源接受干燥原料的供应。进料来源可以包括例如贮存床或容器，其经由传送带或另一种原料转运装置与线内氧化反应器连接。
如上文讨论的，来自进料来源的干燥原料可以在递送给氧化反应器前进行预加工。例如，如果原料衍生自植物来源，那么在收集植物材料之前和/或在通过原料转运装置递送植物材料前，可以去除植物材料的特定部分。备选地或另外地，在递送给氧化反应器之前，可以对生物量原料实施机械加工(例如，以减少原料中纤维的平均长度)。
在机械加工5020后，将原料5030转运给混合系统，其在机械混合过程中将水5150引入原料内。在混合步骤5040中使水与经加工的 原料相组合造成含水原料浆5050，这随后可以用一种或多种氧化试剂进行处理。
一般地，对于每0.02kg-1.0kg干燥原料，将一升水加入混合物中。在混合物中原料与水的比依赖于原料的来源和在全过程中进一步下游使用的具体氧化试剂。例如，在用于木质纤维素生物量的一般工业加工顺序中，含水原料浆5050包括约0.5kg-约1.0kg干燥生物量/升水。
在某些实施方案中，一种或多种纤维保护添加剂5170也可以在原料混合步骤5040中加入原料浆中。纤维保护添加剂帮助减少在原料氧化的过程中特定类型的生物量纤维(例如，纤维素纤维)的降解。例如，如果来自加工木质纤维素原料的所需产物包括纤维素纤维，那么可以使用纤维保护添加剂。示例性纤维保护添加剂包括镁化合物，例如氢氧化镁。例如，原料浆5050中纤维保护添加剂的浓度可以是0.1％-0.4％生物量原料的干重。
在特定实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的用有机溶剂萃取5180，以从浆中去除水不溶性物质。例如，用一种或多种有机溶剂萃取浆5050得到经纯化的浆和有机废物流5210，其包括水不溶性材料例如脂肪、油和其他非极性、基于烃的物质。用于执行浆5050萃取的合适溶剂包括例如各种醇、烃、和卤代烃。
在某些实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的热处理5190，以进一步制备原料用于氧化。热处理的例子包括在增压蒸汽的存在下加热原料浆。在纤维生物量原料中，增压蒸汽使纤维膨胀，使较大部分的纤维表面暴露于在后续加工步骤中引入的含水溶剂和氧化试剂。
在特定实施方案中，可以对含水原料浆5050实施任选的用碱性试剂5200处理。用一种或多种碱性试剂处理可以帮助使木质纤维素生物量原料中的木质素与纤维素分离，从而改善原料的后续氧化。示例性碱性试剂包括碱和碱土氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙。一般而言，可以使用各种碱性试剂，一般以约0.01％-约0.5％原 料干重的浓度。
将含水原料浆5050转运(例如，通过线内管道系统)至室，这可以是氧化预加工室或氧化反应器。在氧化预加工步骤5060中，将一种或多种氧化试剂5160加入原料浆5050中，以形成氧化介质。在某些实施方案中，例如，氧化试剂5160可以包括过氧化氢。过氧化氢可以作为水溶液加入浆5050中，并且以3重量％-30重量％和35重量％浆5050的比例。过氧化氢作为氧化试剂具有许多优点。例如，过氧化氢水溶液是相对廉价的，是相对化学稳定的，并且相对于其他氧化试剂不是特别危险的(并且因此不需要麻烦的处理操作和昂贵的安全设备)。此外，过氧化氢在原料氧化的过程中分解以形成水，从而使得废物流清除相对简单和廉价。
在特定实施方案中，氧化试剂5160可以包括单独或与过氧化氢组合的氧(例如，氧气)。氧气可以以0.5重量％-10重量％浆5050的比例起泡到浆5050内。备选地或另外地，氧气还可以与浆5050平衡引入气相内(例如在浆5050上的蒸气头)。氧气可以引入氧化预加工室或氧化反应器(或两者)内，依赖于氧化加工系统的配置。一般地，例如在浆5050上的蒸气中的氧分压大于氧的环境压力，并且范围是0.5巴-35巴，依赖于原料的性质。
氧气可以以纯形式引入，或可以与一种或多种运载气体相混合。例如，在某些实施方案中，高压空气提供在蒸气中的氧。在特定实施方案中，氧气可以连续供应给蒸气相，以确保蒸气中的氧浓度在原料加工的过程中保持在特定预定限制内。在某些实施方案中，氧气可以最初以足够浓度引入以氧化原料，并且随后原料可以转运给闭合的增压器皿(例如氧化反应器)用于加工。
在特定实施方案中，氧化试剂5160可以包括新生态氧(例如，氧自由基)。一般地，根据需要在氧化反应器中或在与氧化反应器流动联系的室中，通过一种或多种分解反应产生新生态氧。例如，在某些实施方案中，可以在气体混合物中或在溶液中由NO和O2之间的反应产生新生态氧。在特定实施方案中，新生态氧可以由HOCl在溶液中 的分解产生。通过其可以产生新生态氧的其他方法包括例如经由在电解质溶液中的电化学发生。
一般而言，由于氧自由基的相对高反应性，新生态氧是有效氧化试剂。然而，新生态氧也可以是相对选择性的氧化试剂。例如，当木质纤维素原料用新生态氧处理时，木质素的选择性氧化比原料的其他组分例如纤维素优先发生。因此，用新生态氧的原料氧化提供用于选择性去除特定原料中的木质素馏分的方法。一般地，约0.5％-5％原料干重的新生态氧浓度用于实现有效氧化。
不希望受理论束缚，认为新生态氧根据至少2种不同机制与木质纤维素原料反应。在第一种机制中，新生态氧经历与木质素的加成反应，导致木质素的部分氧化，这使水溶液中的木质素增溶。因此，经增溶的木质素可以经由洗涤从原料的其余部分中去除。在第二种机制中，新生态氧破裂丁烷交联和/或打开经由丁烷交联连接的芳环。因此，木质素在水溶液中的可溶性增加，促进木质素馏分经由洗涤与原料的其余部分分离。
在某些实施方案中，氧化试剂5160包括臭氧(O3)。臭氧的使用可以在氧化加工顺序中引入几种化学处理考虑。如果加热太剧烈，那么臭氧的水溶液可以猛烈分解，对于人系统操作员和系统设备具有潜在不利的后果。因此，臭氧一般在与包含原料浆的器皿分离的隔热的厚壁器皿中产生，并且在合适加工阶段时转运至其。
不希望受理论束缚，认为臭氧分解成氧和氧自由基，并且氧自由基(例如，新生态氧)负责以上文讨论方式的臭氧的氧化性质。臭氧一般优先氧化木质纤维素材料中的木质素馏分，留下纤维素馏分相对不受干扰。
用于基于臭氧的生物量原料氧化的条件一般依赖于生物量的性质。例如，对于纤维素和/或木质纤维素原料，干燥原料的0.1g/m3-20g/m3臭氧浓度提供有效的原料氧化。一般地，在浆5050中的含水量是10重量％-80重量％(例如，40重量％-60重量％)。在基于臭氧的氧化过程中，浆5050的温度可以维持在0℃-100℃，以避免臭氧的猛烈 分解。
在某些实施方案中，原料浆5050可以用碱性水溶液处理，其包括一种或多种碱和碱土氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙，并且随后其后在氧化反应器中用含臭氧的气体处理。已观察到这个过程显著增加在浆5050中的生物量分解。一般地，例如在碱性溶液中氢氧化物离子的浓度是0.001重量％-10重量％的浆5050。在原料已经由与碱性溶液接触后润湿后，将含臭氧的气体引入氧化反应器中，在其中它与原料相接触且使原料氧化。
氧化试剂5160还可以包括其他物质。在某些实施方案中，例如，基于卤素的氧化试剂例如氯和氯氧化物试剂(例如次氯酸盐)可以引入浆5050内。在特定实施方案中，含氮的氧化物质可以引入浆5050内。示例性含氮的氧化物质包括例如NO和NO2。含氮的试剂也可以在浆5050中与氧相组合，以造成另外的氧化试剂。例如，NO和NO2都与浆5050中的氧相组合，以形成硝酸盐化合物，其是用于生物量原料的有效氧化试剂。在某些实施方案中，基于卤素和基于氮的氧化试剂可以引起生物量原料的漂白，依赖于原料的性质。漂白对于在随后加工步骤中萃取的特定生物量衍生的产物可以是希望的。
其他氧化试剂可以包括例如各种过酸、过氧乙酸、过硫酸盐、过碳酸盐、高锰酸盐、四氧化锇和氧化铬。
在氧化预加工步骤5060后，原料浆5050在步骤5070中进行氧化。如果将氧化试剂5160加入氧化反应器中的浆5050中，那么氧化在相同反应器中进行。备选地，如果将氧化试剂5160加入预加工室中的浆5050中，那么浆5050经由线内管道系统转运给氧化反应器。在氧化反应器内后，生物量原料的氧化在一组控制环境条件下进行。一般地，例如氧化反应器是接近于外部环境且增压的圆柱状器皿。分批和连续操作都是可能的，尽管环境条件一般在线内分批加工操作中更易于控制。
原料浆5050的氧化一般在氧化反应器中在升高的温度发生。例如，浆5050在氧化反应器中的温度一般维持超过100℃，在120℃- 240℃范围中。对于许多类型的生物量原料，如果浆5050的温度维持在150℃-220℃，那么氧化是特别有效的。浆5050可以使用各种热转移装置进行加热。例如，在某些实施方案中，氧化反应器接触包括油或熔盐的加热浴。在特定实施方案中，一系列热交换管围绕且接触氧化反应器，并且热流体在管内的循环加热反应器中的浆5050。可以用于加热浆5050的其他加热装置包括例如电阻加热元件、感应加热器和微波来源。
可以根据需要改变原料浆5050在氧化反应器中的停留时间以加工原料。一般地，浆5050花费1分钟-60分钟在反应器中经历氧化。对于相对柔软的生物量材料，例如木质纤维素物质，在氧化反应器中的停留时间可以可以是5分钟-30分钟，例如在反应器中在3-12巴的氧压力下，且在160℃-210℃的浆温度下。然而，对于其他类型的原料，在氧化反应器中的停留时间可以更长，例如长达48小时。为了测定浆5050在氧化反应器中的合适停留时间，可以以特定间隔从反应器中提取浆的等分试样，并且分析以测定目的特定产物例如复合糖的浓度。关于浆5050中的特定产物浓度根据时间增加的信息可以用于测定关于特定种类的原料材料的停留时间。
在某些实施方案中，在原料浆5050氧化的过程中，浆pH的调节可以通过将一种或多种化学试剂引入氧化反应器内执行。例如，在特定实施方案中，氧化在约9-11的pH范围中最有效地发生。为了使pH维持在这个范围中，试剂例如碱和碱土氢氧化物、碳酸盐、铵和碱性缓冲溶液可以引入氧化反应器内。
在氧化过程中浆5050的循环可以是重要的，以确保氧化试剂5160和原料之间的充分接触。浆的循环可以使用各种技术来达到。例如，在某些实施方案中，包括叶轮片或桨轮的机械搅拌器可以在氧化反应器中实现。在特定实施方案中，氧化反应器可以是环式反应器，其中原料悬浮于其中的含水溶剂从反应器的底部同时排出并且经由管道回流到反应器顶部，从而确保浆连续再混合且在反应器内不停滞。
在原料的氧化完成后，将浆转运给在其中发生机械分离步骤5080 的分离仪器。一般地，机械分离步骤5080包括浆越来越精细过滤的一个或多个阶段，以使固体和液体组成成分机械分离。
使液相5090与固相5100分离，并且其后2个相独立地加工。固相5100可以任选经历例如在干燥仪器中的干燥步骤5120。干燥步骤5120可以包括例如将固体材料机械地分散在干燥表面上，并且通过使固体材料轻轻加热蒸发来自固相5100的水。在干燥步骤5120后(或备选地，不经历干燥步骤5120)，转运固相5100用于进一步加工步骤5140。
液相5090可以任选经历干燥步骤5110以减少液相中的水浓度。在某些实施方案中，例如，干燥步骤5110可以包括通过使液体轻轻加热蒸发和/或蒸馏和/或提取来自液相5090的水。备选地或另外地，一种或多种化学干燥剂可以用于去除来自液相5090的水。在干燥步骤5110后(或备选地，不经历干燥步骤5110)，转运液相5090用于进一步加工步骤5130，这可以包括各种化学和生物处理步骤，例如化学和/或酶促水解。
干燥步骤5110造成废物流5220，可以包括以相对低浓度溶解的化学试剂例如酸和碱的水溶液。废物流5220的处理可以包括例如用一种或多种矿物酸或碱的pH中和。依赖于废物流5220中的溶解盐浓度，溶液可以部分去离子化(例如，通过使废物流经过离子交换系统)。随后，主要包括水的废物流可以回流到全过程内(例如，作为水5150)，转向另一个过程，或排放。
一般地，对于在分离步骤5070后的木质纤维素生物量原料，液相5090包括各种可溶性多糖和寡糖，其随后可以经由进一步加工步骤分离和/或还原成较小链的糖。固相5100一般主要包括纤维素，例如具有较少量的半纤维素和木质素衍生产物。
在某些实施方案中，氧化可以在反应器例如热解室中在升高的温度执行。例如，再次参考图17，原料材料可以在热丝热解器1712中氧化。在一般使用中，氧化运载气体例如空气或空气/氩掺和物穿过样品架1713，而电阻加热元件旋转且加热至所需温度，例如325℃。在 合适时间例如5-10分钟后，经氧化的材料从样品架中排空。图17中所示的系统可以依比例决定且制成连续的。例如，替代作为加热构件的金属丝，加热构件可以是螺旋钻螺旋。材料可以连续下落到样品架内，冲击使材料热解的经加热的螺旋。与此同时，螺旋可以推动经氧化的材料离开样品架，以允许新鲜的未经氧化的材料进入。
原料材料还可以在图18-20中所示的热解系统的任何中并且如上文在热解系统部分中所述进行氧化。
再次参考图21，在材料容纳于真空室151中的时候，原料材料可以通过用所需纤维素材料包被钨丝150连同氧化试剂例如过氧化物进行快速氧化。为了影响氧化，使电流经过纤丝，这促使纤丝快速加热所需时间。一般地，在允许纤丝冷却前加热继续数秒。在某些实施方案中，加热执行多次以实现所需量的氧化。
再次参考图12，在某些实施方案中，原料材料可以借助于声音和/或空穴形成进行氧化。一般地，为了实现氧化，使材料在氧化环境中进行超声处理，例如用氧或另一种化学氧化试剂例如过氧化氢饱和的水。
再次参考图9和10，在特定实施方案中，电离辐射用于帮助原料材料的氧化。一般地，为了实现氧化，使材料在氧化环境例如空气或氧中进行照射。例如，γ辐射和/或电子束辐射可以用于照射材料。
其他过程
蒸汽爆炸可以不连同本文描述的过程中的任何单独使用，或与本文描述的过程中的任何一种或多种组合使用。
图23显示通过包括剪切和蒸汽爆炸以产生纤维材料401的过程，将纤维来源或原料400转变成产物450例如乙醇的整个过程的概述，所述纤维材料401随后进行水解且转变，例如发酵以产生产物。纤维来源可以通过许多可能方法转化成纤维材料401，包括至少一个剪切过程和至少一个蒸汽爆炸过程。
例如，一个选项包括剪切纤维来源，随后为任选的一个或多个筛选步骤和任选的一个或多个另外剪切步骤，以产生经剪切的纤维来源 402，这随后可以进行蒸汽爆炸以产生纤维材料401。蒸汽爆炸过程任选随后为纤维回收过程，以去除起因于蒸汽爆炸过程的液体或“液剂”404。通过任选的一个或多个另外剪切步骤和/或任选的一个或多个筛选步骤，可以进一步剪切起因于使经剪切的纤维来源蒸汽爆炸的材料。
在另一种方法中，首先使纤维材料401蒸汽爆炸，以产生蒸汽爆炸的纤维来源410。随后对所得到的蒸汽爆炸的纤维来源实施任选的纤维回收过程，以去除液体或液剂。所得到的蒸汽爆炸的纤维来源随后可以进行剪切，以产生纤维材料。还可以对蒸汽爆炸的纤维来源实施一个或多个任选的筛选步骤和/或一个或多个任选的另外剪切步骤。下文将进一步讨论使纤维来源剪切和蒸汽爆炸以产生经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的过程。
在剪切或蒸汽爆炸之前，纤维来源可以切割成五彩纸屑材料的小片或小条。剪切加工过程可以伴随以干燥状态(例如，具有小于0.25重量％的吸收水)、水合状态的材料或甚至在材料部分或全部没入液体例如水或异丙醇中时发生。该过程还可以最佳地包括在蒸汽爆炸或剪切后使输出干燥的步骤，以允许干燥剪切或蒸汽爆炸的另外步骤。剪切、筛选和蒸汽爆炸的步骤可以连同或不连同各种化学溶液的存在而发生。
在蒸汽爆炸过程中，在高压下使纤维来源或经剪切的纤维来源与蒸汽相接触，并且蒸汽扩散到纤维来源的结构(例如，木质纤维素结构)内。蒸汽随后在高压下液化，从而使纤维来源“润湿”。纤维来源中的水分可以水解纤维来源中的任何乙酰基(例如，半纤维素馏分中的乙酰基)，形成有机酸例如乙酸和糖醛酸。酸依次可以催化半纤维素的解聚，释放木聚糖和有限量的葡聚糖。随后当压力释放时，“湿”纤维来源(或经剪切的纤维来源等)“爆炸”。由于压力中的突然下降，经液化的水分即时蒸发，并且水蒸气的爆炸对纤维来源(或经剪切的纤维来源等)施加剪切力。足够的剪切力将引起纤维来源的内部结构(例如，木质纤维素结构)的机械断裂。
经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料随后转变成有用产物例如乙醇。在某些实施方案中，使纤维材料转变成燃料。转变纤维材料的一种方法是通过水解以产生可发酵糖412，其随后发酵以产生产物。还可以使用使纤维材料转变成燃料的其他方法。
在某些实施方案中，在与微生物组合之前，使经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料401灭菌，以杀死可以在纤维材料上的任何竞争微生物。例如，通过使纤维材料暴露于辐射例如红外线辐射、紫外线辐射或电离辐射例如γ辐射，可以使纤维材料灭菌。使用化学灭菌剂例如漂白剂(例如次氯酸钠)、氯己定或环氧乙烷，也可以杀死微生物。
水解经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的一种方法是通过使用纤维素酶。纤维素酶是协同作用以水解纤维素的一组酶。还可以使用商购可得的1000酶复合物，其包含使木质纤维素生物量还原成可发酵糖的酶的复合物。
根据目前理解，纤维素酶的组分包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶(纤维二糖水解酶)和b-葡糖苷酶(纤维二糖酶)。当通过2种或更多种组分的组合的水解超过由个别组分表达的活性总和时，存在纤维素酶组分之间的协同。纤维素酶系统(特别是长枝木霉(T.longibrachiatum))对于微晶纤维素的一般公认作用机制是内切葡聚糖酶水解无定形区域的内部β-1,4-糖苷键，从而增加暴露的非还原端数目。外切葡聚糖酶随后从非还原端切割掉纤维二糖单位，其进而被b-葡糖苷酶水解成个别葡萄糖单位。存在在立体特异性中不同的内切和外切葡聚糖酶的几种构型。一般而言，组分在各种构型中的协同作用是最佳纤维素水解所需的。然而，纤维素酶更倾向于水解纤维素的无定形区域。存在结晶度和水解速率之间的线性关系，由此更高的结晶度指数与更低的酶水解速率相对应。纤维素的无定形区域以结晶区域速率的2倍进行水解。通过任何水解生物量加工过程可以执行经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解。
生物量的蒸汽爆炸有时引起副产物例如毒物的形成，其对于微生物和酶促活性是抑制性的。因此，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料转变 成燃料的过程可以任选包括在发酵前的加灰过量步骤，以沉淀某些毒物。例如，通过加入氢氧化钙(Ca(OH)2)，经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的pH可以升高至超过pH 10，随后为通过加入H2SO4使pH降低至约5的步骤。加灰过量的纤维材料随后可以像这样使用，无需去除沉淀物。如图23中所示，任选的加灰过量步骤紧在经剪切和蒸汽爆炸的纤维材料的水解步骤前发生，但也考虑在水解步骤后和在发酵步骤前执行加灰过量步骤。
图24描绘了蒸汽爆炸仪器460的例子。蒸汽爆炸仪器460包括反应室462，其中通过纤维来源进口464放置纤维来源和/或纤维材料。反应室通过关闭纤维来源进口阀465得到密封。反应室进一步包括增压进汽口466，其包括蒸汽阀467。反应室进一步包括爆炸降压排出口468，其包括通过连接管472与旋风分离器470联系的排出阀469。反应室包含纤维来源和/或经剪切的纤维来源且通过关闭阀465、467和469进行密封后，通过打开进汽阀467将蒸汽递送到反应室462内，允许蒸汽运送通过进汽口466。反应室达到靶温度后，这可以花费约20-60秒，保持时间开始。反应室在靶温度下保持所需保持时间，这一般持续约10秒-5分钟。在保持时间段结束时，打开排出阀以允许爆炸降压发生。爆炸降压过程推动反应室462的内容物离开爆炸降压排出口468，通过连接管472，并且进入旋风分离器470内。蒸汽爆炸的纤维来源或纤维材料随后离开旋风分离器，以污泥形式进入收集箱474内，同时许多其余蒸汽离开旋风分离器通过通风口476进入大气内。蒸汽爆炸仪器进一步包括洗涤排出口478，具有与连接管472联系的洗涤排出阀479。洗涤排出阀479在使用蒸汽爆炸仪器460用于蒸汽爆炸的过程中关闭，但在反应室462洗涤的过程中打开。
反应室462的靶温度优选为180-240摄氏度或200-220摄氏度。保持时间优选为10秒-30分钟，或30秒-10分钟，或1分钟-5分钟。
因为蒸汽爆炸过程导致蒸汽爆炸的纤维材料的污泥，所以蒸汽爆炸的纤维材料可以任选包括纤维回收过程，其中使“液剂”与蒸汽爆炸 的纤维材料分离。这个纤维回收步骤是有帮助的，因为它使得进一步剪切和/或筛选过程成为可能，并且可以允许纤维材料转变成燃料。纤维回收过程通过使用网眼布发生，以使纤维与液剂分离。还可以包括进一步干燥过程，以制备纤维材料或蒸汽爆炸的纤维材料用于后续加工。
经组合的照射、热解、超声处理和/或氧化装置
在某些实施方案中，使2种或更多种分开的照射、超声处理、热解和/或氧化装置组合到单个混合机器内可以是有利的。使用此类混合机器，多重过程可以紧密并列或甚至同时执行，具有增加预处理流通量和潜在成本节省的利益。
例如，考虑电子束照射和超声处理过程。每个分开过程在使纤维素材料的平均分子量降低一个或多个数量级方面是有效的，并且当顺次执行时降低数个数量级。
照射和超声处理过程可以使用如图25中所示的混合电子束/超声处理装置进行应用。混合电子束/超声处理装置2500在上面描绘了在含水氧化试剂介质中分散的纤维素材料2550浆的浅池(深度～3-5cm)，所述含水氧化试剂介质例如过氧化氢或过氧化脲。混合装置2500具有能源2510，其给电子束发射器2540和超声处理悬臂2530提供动力。
电子束发射器2540产生电子束，其经过电子束瞄准装置2545以冲击包含纤维素材料的浆2550。电子束瞄准装置可以是以与浆2550表面大致平行的方向扫掠在高达约6英尺范围内的束的扫描仪。
在电子束发射器2540的任一侧上是超声处理悬臂2530，其将超声波能量递送给浆2550。超声处理悬臂2530以与浆2550接触的可拆卸终端片2535结束。
超声处理悬臂2530处于由于长期残留暴露于电子束辐射而损害的危险中。因此，悬臂可以用例如由铅或含重金属的合金例如利波维茨(Lipowitz)金属制成的标准屏蔽2520加以保护，所述标准屏蔽对于电子束辐射是不能透过的。然而，必须采取措施以确保超声能不受 屏蔽存在的影响。由相同材料构成且与悬臂2530附着的可拆卸终端片2535在加工过程中与纤维素材料2550接触，并且预期将被损害。因此，可拆卸终端片2535构建为可容易替换的。
此类同时电子束和超声过程的进一步利益是2个过程具有互补结果。对于单独的电子束照射，不足够的剂量可以导致纤维素材料中的某些聚合物交联，这降低总体解聚过程的效率。较低剂量的电子束照射和/或超声辐射也可以用于达到与使用电子束照射和超声处理分开达到的那种相似程度的解聚。
电子束装置还可以与一种或多种高频转子定子装置相组合，其可以用作超声处理装置的备选方案。
装置的更多组合也是可能的。例如，产生由例如60Co丸剂发出的γ辐射的电离辐射装置可以与电子束来源和/或超声波来源相组合。屏蔽需求在这种情况下可能更严格。
用于预处理上文讨论的生物量的辐射装置也可以与执行一种或多种热解加工顺序的一种或多种装置相组合。此类组合再次可以具有更高流通量的优点。然而，必须十分小心，因为在某些辐射过程和热解之间可以存在相冲突的需求。例如，超声辐射装置可以要求原料浸入液体氧化介质中。另一方面，如先前讨论的，经历热解的原料样品具有特定含湿量是有利的。在这种情况下，新系统自动测量且监控特定含湿量且调节其。此外，上述装置中的某些或全部，特别是热解装置，可以与如先前讨论的氧化装置相组合。
初级过程
发酵
一般地，通过在预处理的生物量材料上操作，例如使经处理的生物量材料发酵，各种微生物可以产生许多有用产物例如乙醇。例如，通过发酵或其他过程可以产生醇、有机酸、烃、氢、蛋白质或这些材料中的任何的混合物。
微生物可以是天然微生物或经改造的微生物。例如，微生物可以是细菌例如分解纤维素的细菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如 藻类，原生动物或真菌样原生生物例如粘菌。当生物相容时，可以利用生物的混合物。
为了帮助断裂包括纤维素的材料，可以利用一种或多种酶，例如纤维素分解酶。在某些实施方案中，包括纤维素的材料首先用酶进行处理，例如通过使材料和酶在水溶液中相组合。这种材料随后可以与生物素相组合。在其他实施方案中，包括纤维素的材料、一种或多种酶和微生物可以同时相组合，例如通过在水溶液中相组合。
此外，为了帮助断裂包括纤维素的材料，材料可以在照射后用热、化学药品(例如，矿物酸、碱或强氧化试剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。
在发酵过程中，通过发酵微生物例如酵母，使由分解纤维素的水解或糖化步骤释放的糖发酵成例如乙醇。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、寡糖或多糖)转变成发酵产物的能力。发酵微生物包括酵母属物种(Sacchromyces spp.)，例如酿酒酵母(Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)；克鲁维酵母属(Kluyveromyces)，例如物种马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)；假丝酵母属(Candida)，例如假热带假丝酵母(Candidapseudotropicalis)和芸苔假丝酵母(Candida brassicae)、树干毕赤酵母(Pichiastipitis)(休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)的亲属，棒孢酵母属(Clavispora)，例如物种葡萄牙棒孢(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae，管囊酵母属(Pachysolen)，例如物种嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)，酒香酵母属(Bretannomyces)，例如物种克劳森酒香酵母(Bretannomyces clausenii)(Philippidis，G.P.，1996，Cellulose bioconversion technology，in Handbook on Bioethanol：Production and Utilization，Wyman，C.E.，编辑，Taylor&Francis，Washington，DC，179-212)。在特定实施方案中，例如当存在木糖时，在发酵中利用树干毕赤酵母 (ATCC 66278)。
商购可得的酵母包括例如Red/Lesaffre Ethanol Red(可从Red Star/Lesaffre，美国获得)，(可从Fleischmann’s Yeast，Burns Philip Food Inc.的分部，美国获得)，(可从Alltech，现在的Lallemand获得)，GERT(可从Gert Strand AB，瑞典获得)，和(可从DSM Specialties获得)。
可以使生物量发酵成乙醇和其他产物的细菌包括例如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和热纤梭菌(Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996，同上)。Leschine等人(International Journal of Systematic and EvolutionaryMicrobiology 2002，52，1155-1160)分离了来自森林土壤的厌氧、嗜温、分解微生物的细菌，Clostridium phytofermentans sp.nov.，其使纤维素转变为乙醇。
生物量至乙醇和其他产物的发酵可以使用特定类型的嗜热或遗传改造的微生物来执行，例如嗜热厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)物种，包括T.mathranii，和酵母物种例如毕赤酵母属物种。T.mathranii菌株的例子是在Sonne-Hansen等人(AppliedMicrobiology and Biotechnology 1993，38，537-541)或Ahring等人(Arch.Microbiol.1997，168，114-119)中描述的A3M4。其他遗传改造的微生物在美国专利号7,192,772中讨论。
酵母和发酵单胞菌属(Zymomonas)细菌可以用于发酵或转变。关于酵母的最佳pH是约pH 4-5，而关于发酵单胞菌属的最佳pH是约pH 5-6。一般发酵时间是在26℃-40℃下约24-96小时，然而，嗜热微生物更喜欢较高的温度。
在糖化过程中使生物量例如纤维素断裂为较低分子量含碳水化合物的材料例如葡萄糖的酶被称为纤维素分解酶或纤维素酶。这些酶可以是协同作用以降解微晶纤维素的酶的复合物。纤维素分解酶的例子包括：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和纤维二糖酶(β-葡糖苷酶)。纤维素底物最初通过内切葡聚糖酶在随机位置上水解，产生寡聚中间产物。这些中间产物随后是关于外切型葡聚糖酶例如纤维二糖水解酶 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β-1,4-连接的葡萄糖二聚体。最后，纤维二糖酶切割纤维二糖以产生葡萄糖。
纤维素酶能够降解生物量且可以具有真菌或细菌起源。合适的酶包括来自芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、腐质霉属(Humicola)、镰刀菌属(Fusarium)、梭孢壳属(Thielavia)、枝顶孢属(Acremonium)、金孢属(Chrysosporium)和木霉属(Trichoderma)，并且包括腐质霉属、鬼伞属(Coprinus)、梭孢壳属、镰刀菌属、毁丝霉属(Myceliophthora)、枝顶孢属、头孢霉属(Cephalosporium)、柱霉属(Scytalidium)、青霉属(Penicillium)或曲霉菌属(Aspergillus)(参见例如EP 458162)的物种，特别是由选自下述物种的菌株产生的那些：特异腐质霉(Humicola insolens)(再分类为嗜热革节孢(Scytalidium thermophilum)，参见例如美国专利号4,435,307)、灰盖鬼伞(Coprinuscinereus)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝菌(Myceliophthorathermophila)、大型亚灰树花菌(Meripilus giganteus)、太瑞斯梭壳孢霉(Thielaviaterrestris)、枝顶孢属物种、桃色顶孢霉(Acremonium persicinum)、Acremoniumacremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremoniumobclavatum、Acremonium pinkertoniae、灰粉顶孢霉(Acremonium roseogriseum)、Acremonium incoloratum和棕色枝顶孢(Acremonium furatum)；优选来自物种特异腐质霉DSM 1800、尖孢镰刀菌DSM 2672、嗜热毁丝菌CBS 117.65、头孢霉属物种RYM-202、枝顶孢属物种CBS 478.94、枝顶孢属物种CBS 265.95、桃色顶孢CBS 169.65、Acremoniumacremonium AHU 9519、头孢霉属物种CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS866.73，Acremonium dichromosporum CBS 683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70，灰粉顶孢霉(Acremonium roseogriseum)CBS134.56，Acremonium incoloratum CBS 146.62和棕色枝顶孢CBS 299.70H。纤维素分解酶还可以得自金 孢属，优选Chrysosporium lucknowense的菌株。此外，可以使用木霉特别是绿色木霉(Trichoderma viride)、里氏木霉(Trichoderma reesei)和康氏木霉(Trichoderma koningii))、嗜碱芽孢杆菌(参见例如，美国专利号3,844,890和EP 458162)和链霉菌属(Streptomyces)(参见例如，EP 458162)。细菌Saccharophagus degradans产生能够降解一系列纤维素材料的酶的混合物，并且也可以在这个过程中使用。
厌氧分解纤维素的细菌也已从土壤中分离，例如梭菌属(Clostiridium)的新型分解纤维素的物种，Clostridium phytofermentans sp.nov.(参见Leschine等人，International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology(2002)，52，1155-1160)。
还可以使用使用重组技术的纤维素分解酶(参见例如，WO 2007/071818和WO2006/110891)。
可以使用的其他酶和酶制剂在公开的美国专利申请号2006/0008885和2006/0068475以及PCT申请号中WO 2006/128304讨论。
所使用的纤维素分解酶可以使用本领域已知的操作(参见例如，Bennett，J.W.和LaSure，L.(编辑)，More Gene Manipulations in Fungi，Academic Press，CA 1991)通过使上述微生物菌株在包含合适碳和氮源以及无机盐的营养培养基上发酵来产生。合适的培养基可从商业供应商获得，或可以根据公布的组成(例如，在美国典型培养物中心的目录中)进行制备。适合于生长和纤维素酶产生的温度范围和其他条件是本领域已知的(参见例如，Bailey，J.E.和Ollis，D.F.，Biochemical Engineering Fundamentals，McGraw-HillBook Company，NY，1986)。
用纤维素酶处理纤维素通常在30℃-65℃下进行。纤维素酶在约pH 3-7的范围内是活性的。糖化步骤可以持续高达120小时。纤维素酶用量达到足够高水平的纤维素转变。例如，合适的纤维素酶用量一般是5.0-50Filter Paper Units(FPU或IU)/克纤维素。FPU是标准测量且根据Ghose(1987，Pure and Appl.Chem.59：257-268)定 义且测量。
在特定实施方案中，1000酶复合物(GENENCOR)以0.25mL/克底物的负载用作酶系统。 1000酶复合物是具有多重活性的多重酶混合物(cocktail)，主要是外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶、半纤维素酶和β-葡糖苷酶。混合物具有2500CMC U/g的最低限度内切葡聚糖酶活性，和400pNPG U/g的最低限度β-葡糖苷酶活性。混合物的pH是约4.8-约5.2。在其他特定实施方案中，所利用的酶系统是1.5L和Novozyme 188的掺和物。例如，0.5mL1.5L和0.1mL Novozyme 188可以用于每克底物。当需要更高的半纤维素酶(木聚糖酶)活性时，可以利用OPTIMASHTM BG。
可以利用移动发酵罐，如美国临时专利申请序列60/832,735，现在的公开国际申请号WO 2008/011598中所述。
乙醇发酵
乙醇是发酵的产物。发酵是在不存在氧的情况下由有机分子释放能量的一系列反应。在这种发酵应用中，当糖变成乙醇和二氧化碳时获得能量。所有饮料乙醇和超过一半的工业乙醇通过这种过程制备。通过发酵使玉米变成乙醇需要许多步骤。在发酵可以发生前，玉米中的淀粉必须断裂成单糖。这可以例如通过使玉米蒸煮且加入酶α淀粉酶和葡萄糖淀粉酶来实现。这些酶充当催化剂以加速化学变化。获得单糖后，加入酵母。酵母是单细胞真菌，其以糖为食且引起发酵。因为真菌以糖为食，所以它产生醇(乙醇)和二氧化碳。在发酵中，乙醇保留最初在糖中的许多能量，这解释了为何乙醇是极佳的燃料。
发酵反应通过简单等式表示：
C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2
乙醇可以由广泛多样的可获得原料进行制备。由包含淀粉的农作物例如饲料谷物、食用谷物例如玉米，和块茎例如马铃薯和甘薯，可以制备燃料乙醇。包含糖的农作物例如甜菜、甘蔗和甜高粱也可以用于乙醇生产。此外，食物加工副产物例如糖蜜、干酪乳清和纤维素材 料包括草和木材，以及农业和林业残渣，可以加工成乙醇。如上所述，这些和其他原料可以如本文所述进行处理，以促进乙醇生产。
淀粉质材料的转变
图26和27分别显示了关于干和湿磨法过程的方框图，并且举例说明了玉米仁转变例如发酵成乙醇和其他有价值的副产物。
现在具体参考图26，在某些实现中，用于玉米仁转变成乙醇例如无水乙醇(其可以用作燃料，例如自动车或航空燃料)的干磨法过程，可以开始于用本文描述的任何一种或多种预处理来预处理干燥玉米仁，所述预处理例如辐射，例如任何一种或多种类型的本文描述的辐射(例如，其中每个电子具有约5MeV的能量的电子束，或其中每个质子的能量是约3-100MeV的质子束)。在预处理后，玉米仁可以研磨和/或剪切成粉末。尽管可以在研磨后和/或在图26中概述的干磨法过程期间的任何时候应用本文描述的任何一种或多种预处理，但在研磨和/或剪切前的预处理可以是有利的，因为仁在预处理后一般是更易碎的，并且因此，对于研磨和/或剪切更容易且可以需要更少能量。在某些实施方案中，所选择的预处理可以在转变过程中应用超过一次，例如在碾磨前且随后在碾磨后。
在研磨和/或剪切后，通过将经碾磨的材料加入包含水和任选地水合试剂例如表面活性剂的器皿中，可以任选地使经碾磨的干仁水合。任选地，这个反应器皿还可以包括一种或多种酶例如淀粉酶，以帮助淀粉质材料的进一步断裂，或反应器皿可以包含一种或多种酸，例如矿物酸，例如稀硫酸。如果利用水合器皿，那么将它的内容物排空到转变器皿例如发酵器皿内，这包括一种或多种转变微生物，例如一种或多种酵母、细菌或酵母和/或细菌的混合物。如果不利用水合器皿，那么经碾磨的材料可以直接装到转变器皿中例如用于发酵。
在转变后，去除其余固体并且干燥以得到干酒糟(DDG)，而乙醇被蒸馏出。在某些实施方案中，嗜热微生物用于转变，并且乙醇在其生产时通过蒸发而连续取出。需要时，经蒸馏的乙醇可以进行完全脱水，例如通过使湿乙醇经过沸石床，或用苯进行蒸馏。
现在具体参考图27，在某些实现中，用于玉米仁转变成无水乙醇的湿磨法过程开始于用本文描述的任何一种或多种预处理来预处理干燥玉米仁，所述预处理例如辐射，例如任何一种或多种类型的本文描述的辐射(例如，其中每个电子具有约5MeV的能量的电子束)。在预处理后，使玉米仁浸泡在稀硫酸中，并且轻轻搅拌以使玉米仁断裂成其组成成分。在浸泡后，使纤维、油和胚芽部分分馏且干燥，并且随后与在蒸馏后保留的任何固体相组合，以产生玉米蛋白饲料(CGF)。在去除胚芽和纤维后，在某些实施方案中，使谷蛋白分离，以产生玉米蛋白粉(CGM)。其余淀粉可以通过本文描述的任何预处理再次预处理(或首次)，例如以减少其分子量和/或使淀粉官能化，从而使得它更可溶。在某些实施方案中，随后将淀粉装到包含水和任选地水合试剂例如表面活性剂的器皿中。任选地，这个反应器皿还可以包括一种或多种酶例如淀粉酶，以帮助淀粉质材料的进一步断裂，或反应器皿可以包含一种或多种酸，例如矿物酸，例如稀硫酸。如所示的，糖化可以在数个器皿中发生，并且随后最终器皿的内容物可以排空到转变器皿例如发酵器皿内，这包括一种或多种转变微生物，例如一种或多种酵母或细菌。
在转变后，乙醇被蒸馏出。在某些实施方案中，嗜热微生物用于转变，并且乙醇在其生产时通过蒸发而连续取出。需要时，经蒸馏的乙醇可以进行完全脱水，例如通过使湿乙醇经过沸石床。
气化
除使用热解用于原料预处理外，热解还可以用于加工经预处理的原料以提取有用材料。特别地，称为气化的热解形式可以用于产生气体燃料连同各种其他气体、液体和固体产物。为了执行气化，将经预处理的原料引入热解室内，并且加热至高温，一般是700℃或更高。所使用的温度依赖于许多因素，包括原料的性质和所需产物。
还将大量氧(例如作为纯氧气和/或作为空气)和蒸汽(例如，过热蒸汽)加入热解室内以促进气化。这些化合物在多步反应中与含碳的原料材料反应，以产生称为合成气体(或“合成气”)的气体混合物。 基本上，在气化过程中，将有限量的氧引入热解室内，以允许某些原料材料燃烧以形成一氧化碳且产生过程热。过程热随后可以用于促进二次反应，其使另外的原料材料转变为氢和一氧化碳。
在总反应的第一个步骤中，加热原料材料产生炭，其可以包括广泛多样不同的基于烃的种类。可以产生特定挥发性材料(例如，特定气态烃材料)，导致原料材料总重量的减少。随后，在反应的第二个步骤中，在第一个步骤中产生的某些挥发性材料在燃烧反应中与氧反应，以产生一氧化碳和二氧化碳。燃烧反应释放热，这促进反应的第三个步骤。在第三个步骤中，二氧化碳和蒸汽(例如，水)与第一个步骤中产生的炭反应，以形成一氧化碳和氢气。一氧化碳还可以在水气变换反应中与蒸汽反应，以形成二氧化碳和更多的氢气。
例如，气化可以用作初级加工过程以直接从经预处理的原料产生产物用于后续转运和/或销售。备选地或另外地，气化可以用作辅助加工过程用于产生用于总体加工系统的燃料。例如，可以点燃经由气化加工过程产生的富氢合成气以产生电和/或过程热，其可以直接用于在加工系统中的其他位置处使用。因此，总体加工系统可以至少部分自我维持。许多其他产物包括热解油和基于气态烃的物质，也可以在气化过程中和/或在气化后获得；这些可以根据需要进行分离且贮存或转运。
各种不同热解室适合于经预处理的原料的气化，包括本文公开的热解室。特别地，其中经预处理的原料在蒸汽和氧/空气中进行流态化的流化床反应器系统，提供相对高的流通量和产物的简单回收。可以点燃在气化后保留在流化床系统中(或其他热解室中)的固体炭，以产生另外的过程热以促进后续气化反应。
合成气可以使用费-托(Fischer-Tropsch)过程进行改造，所述过程催化其中合成气体转变成液体乙醇和烃的化学反应。最常见的催化剂基于铁和钴，尽管镍和钌也已得到使用。
在备选过程中，生物薄膜可以代替化学催化剂用于改造合成气以产生液体燃料。此类过程已由Coskata，Inc描述。本文描述的生物量 材料中的任何都可以在Coskata过程中使用。
在某些实施方案中，在气化前例如用粒子例如电子束照射生物量材料可以降低气化温度，导致在气化过程中消耗更少的能量，并且可以导致更少的炭和焦油形成，导致增强的合成气得率。
后加工
蒸馏
在发酵后，所得到的流体可以使用例如“啤酒柱(beer column)”进行蒸馏，以使乙醇和其他醇类与大多数水和残留固体分离。离开啤酒柱的蒸气可以是例如35重量％的乙醇，并且可以供应给精馏柱。使用蒸气相分子筛，来自精馏柱的近共沸(92.5％)乙醇和水的混合物可以纯化至纯(99.5％)乙醇。啤酒柱底部可以送至三效蒸发器的第一个效应。精馏柱回流冷凝器可以提供用于这个第一个效应的热。在第一个效应后，固体可以使用离心机进行分离且在旋转干燥器中进行干燥。部分(25％)离心机流出物可以再循环至发酵，并且其余送至第二个和第三个蒸发器效应。大部分蒸发器冷凝物可以作为相当清洁的冷凝物返回过程，其中小部分分裂出来至废水处理以预防低沸化合物的积累。
废水处理
通过处理过程水用于在工厂内再使用，废水处理用于使工厂的补给水需求降到最低。废水处理也可以产生燃料(例如，污泥和生物气)，其可以用于改善乙醇生产过程的总效率。例如，如下文进一步详细描述的，污泥和生物气可以用于创造可以用于各种工厂过程的蒸汽和电。
废水最初通过筛子(例如，棒条筛)抽吸，以去除大颗粒，这收集在漏斗中。在某些实施方案中，将大颗粒送至填埋场。另外地或备选地，如下文进一步详细描述的点燃大颗粒以创造蒸汽和/或电。一般而言，在棒条筛上的间隔是1/4英寸-1英寸间隔(例如，1/2英寸间隔)。
废水随后流向均衡槽，在其中有机浓缩的废水在保留时间过程中进行均衡。一般而言，保留时间是8小时-36小时(例如，24小时)。 将混合器放置在槽内以搅拌槽的内容物。在某些实施方案中，遍及槽放置的混合器用于搅拌槽的内容物。在特定实施方案中，混合器使均衡槽的内容物基本上混合，从而使得遍及槽的条件(例如，废水浓度和温度)是均匀的。
第一个泵使水从均衡槽移动通过液体-液体热交换器。这样控制热交换器(例如，通过控制流体通过热交换器的流速)，使得离开热交换器的废水在用于厌氧处理的所需温度下。例如，关于厌氧处理的所需温度可以是40℃-60℃。
在离开热交换器后，废水进入一个或多个厌氧反应器。在某些实施方案中，每个厌氧反应器中的污泥浓度与废水中的污泥总浓度相同。在其他实施方案中，厌氧反应器具有比废水中的污泥总浓度高的污泥浓度。
包含氮和磷的营养液在包含废水的每个厌氧反应器内进行测量。营养液与厌氧反应器中的污泥反应，以产生可以包含50％甲烷且具有约12,000British热单位或Btu，每磅的热值的生物气。生物气通过通风口离开每个厌氧反应器且流入多支管内，在其中数个生物气流组合成单个流。如下文进一步详细描述的，压缩机使生物气的流移动至锅炉或内燃机。在某些实施方案中，压缩机还使生物气的单个流移动通过脱硫催化剂。另外地或备选地，压缩机可以使生物气的单个流移动通过沉积物捕集器。
第二个泵使来自厌氧反应器的厌氧流出物移动至一个或多个好氧反应器(例如，活化污泥反应器)。将充气器放置在每个好氧反应器内，以使厌氧流出物、污泥、氧(例如，空气中包含的氧)相混合。在每个好氧反应器内，细胞材料在厌氧流出物中的氧化产生二氧化碳、水和铵。
好氧流出物移动(例如经由重力)至分离器，在其中污泥与经处理的水分离。某些污泥返回至一个或多个好氧反应器，以在好氧反应器中造成升高的污泥浓度，从而促进细胞材料在废水中的好氧断裂。传送机去除来自分离器的剩余污泥。如下文进一步详细描述的，剩余 污泥用作燃料以创造蒸汽和/或电。
经处理的水从分离器抽吸到沉降槽。分散遍及经处理的水的固体沉降至沉降槽的底部，并且随后去除。在沉降期后，经处理的水通过细滤器从沉降槽抽吸，以去除水中残留的任何另外固体。在某些实施方案中，将氯加入经处理的水中以杀死致病菌。在某些实施方案中，一种或多种物理化学分离技术用于进一步纯化经处理的水。例如，经处理的水可以通过碳吸附反应器抽吸。作为另一个例子，经处理的水可以通过反渗透反应器抽吸。
在本文公开的加工过程中，每当在任何加工过程中使用水时，它可以是灰水，例如城市灰水或黑水。在某些实施方案中，灰或黑水在使用前进行灭菌。灭菌可以通过任何所需技术来完成，例如通过照射、蒸汽或化学灭菌。
废物燃烧
由生物量产生醇可以导致各种副产物流的产生，所述副产物流用于产生蒸汽和电以用在工厂的其他部分。例如，由点燃副产物流产生的蒸汽可以用于蒸馏加工过程。作为另一个例子，由点燃副产物流产生的电可以用于给预处理中使用的电子束发生器和超声换能器提供动力。
用于产生蒸汽和电的副产物衍生自在加工过程自始至终的许多来源。例如，废水的厌氧消化产生甲醇很高的生物气和少量废弃生物量(污泥)。作为另一个例子，蒸馏后的固体(例如，由预处理和初级过程保留的未转变的木质素、纤维素和半纤维素)可以用作燃料。
将生物气转向与发电机连接的内燃机以产生电。例如，生物气可以用作关于火花点火式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于直喷式天然气发动机的燃料来源。作为另一个例子，生物气可以用作关于燃气轮机的燃料来源。另外地或备选地，内燃机可以以热电联产配置进行配置。例如，来自内燃机的废热可以用于提供遍及工厂的热水或蒸汽。
点燃污泥和蒸馏后固体，以加热流过热交换器的水。在某些实施 方案中，使流过热交换器的水蒸发且过热至蒸汽。在特定实施方案中，蒸汽用于蒸馏和蒸发过程中的预处理反应器和热交换中。另外地或备选地，蒸汽扩展以给与发电机连接的多阶段蒸汽轮机提供动力。离开蒸汽轮机的流由冷却水冷凝，并且返回热交换器用于再加热至蒸汽。在某些实施方案中，控制通过热交换器的水的流速，以获得来自与发电机连接的蒸汽轮机的靶电输出。例如，水可以加入热交换器中以确保蒸汽轮机在阈值条件上操作(例如，轮机足够快速旋转以转动发电机)。
尽管已描述了特定实施方案，但其他实施方案也是可能的。
作为例子，尽管生物气描述为转向与发电机连接的内燃机，但在特定实施方案中，生物气可以经过燃料重整器以产生氢。氢随后通过燃料电池转变为电。
作为另一个例子，尽管生物气已描述为远离污泥和蒸馏后固体点燃，但在特定实施方案中，全部废物副产物可以一起点燃以产生蒸汽。
产物/共同产物
醇
所产生的醇可以是一羟基醇例如乙醇，或多羟基醇例如乙二醇或丙三醇。可以产生的醇的例子包括甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，丁醇例如正、仲或叔丁醇，乙二醇、丙二醇，1，4-丁二醇，丙三醇或这些醇的混合物。
通过工厂生产的醇各自具有作为工业原料的商业价值。例如，乙醇可以用于制造清漆和香精。作为另一个例子，甲醇可以用作溶剂用作风挡刮水器液体中的组分。作为另外一个例子，丁醇可以用于增塑剂、树脂、漆器和制动液中。
通过工厂生产的生物乙醇作为食物和饮料工业中使用的成分是有价值的。例如，通过工厂生产的乙醇可以纯化至食物级别醇，并且用作酒精性饮料中的主要成分。
通过工厂生产的生物乙醇也具有作为运输用燃料的商业价值。乙醇作为运输用燃料的用途可以用相对很少的资本投资由火花点燃式发 动机制造商和物主实现(例如，关于注入时机、燃料空气比、和燃料注入系统的组分的改变)。许多汽车制造商目前提供能够以高达85体积％乙醇的乙醇/汽油掺和物操作的弹性燃料交通工具(例如，在Chevy Tahoe 4x4上的标准设备)。
通过这种工厂生产的生物乙醇可以用作发动机燃料，以改善除工厂位置外的环境和经济条件。例如，通过这种工厂生产且用作燃料的乙醇可以减少来自人工来源(例如，运输来源)的温室气体排放。作为另一个例子，通过这种工厂生产且用作发动机燃料的乙醇还可以取代由油精炼的汽油的消耗。
生物乙醇具有比常规汽油更大的辛烷值，并且因此可以用于改善火花点燃式发动机的性能(例如，允许更高的压缩比)。例如，小量(例如，10体积％)乙醇可以与汽油掺和，以充当辛烷增强剂用于在火花点燃式发动机中使用的燃料。作为另一个例子，更大量(例如，85体积％)乙醇可以与汽油掺和，以进一步增加燃料辛烷值并且取代更大体积的汽油。
生物乙醇策略例如由DiPardo在Journal of Outlook for Biomass EthanolProduction and Demand(EIA Forecasts)，2002中；Sheehan在Biotechnology Progress，15：8179，1999中；Martin在Enzyme Microbes Technology，31：274，2002中；Greer在BioCycle，61-65，2005年4月中；Lynd在Microbiology and Molecular Biology Reviews，66：3，506-577，2002中；Ljungdahl等人在美国专利号4,292,406中；和Bellamy在美国专利号4,094,742中讨论。
有机酸
所产生的有机酸可以包括单羧酸或多羧酸。有机酸的例子包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、棕榈酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、油酸、亚油酸、羟乙酸、乳酸、γ-羟基丁酸或这些酸的混合物。
共同产物
木质素残渣
如上所述，来自初级和预处理加工过程的含木质素的残渣具有作为高/中等能量燃料的价值，并且可以用于产生用于在工厂加工过程中使用的动力和蒸汽。然而，此类木质素残渣是新型固体燃料，并且在工厂界限外对于它可能存在很少需求，并且仅使其干燥用于转运的成本减去其潜在价值。在某些情况下，木质素残渣的糖化可以用于以更低成本将其转变成更高价值的产物。
其他共同产物
细胞物质、糠醛和乙酸已鉴定为生物量至燃料加工设施的潜在共同产物。间质细胞物质可以是有价值的，但可能需要显著纯化。关于糠醛和乙酸的市场在合适的位置，尽管它们不太可能足够大，以消耗完全商业化的木质素至乙醇工业的输出。
实施例
下述实施例预期举例说明而不是限制本公开内容的教导。
实施例1-由聚涂层纸制备纤维材料
1500磅未用过的滑材(skid)、具有20lb/ft3的堆密度由未印刷的聚涂层白色牛皮纸板制成的半加仑果汁纸板盒得自International Paper。将每个纸板盒平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hp Flinch Baugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度和与原材料那种等价的厚度(约0.075英寸)。
将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。型号SC30装备4个旋转刀片、4个固定刀片和具有1/8英寸开口的排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切越过刀刃的五彩纸屑样小片，将小片撕开并且以约1磅/小时的速率释放纤维材料。纤维材料具有0.9748m2/g+/-0.0167m2/g的BET表面积、89.0437％的多孔性和0.1260g/mL的堆密度(@0.53psia)。纤维的平 均长度是1.141mm，并且纤维的平均宽度是0.027mm，产生42：1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图28中。
实施例2-由漂白的牛皮纸板制备纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自International Paper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinch Baugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑，其具有0.1英寸-0.5英寸的宽度、0.25英寸-1英寸的长度和与原材料那种等价的厚度(约0.075英寸)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/8英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，以约1磅/小时的速率释放纤维材料。纤维材料具有1.1316m2/g+/-0.0103m2/g的BET表面积、88.3285％的多孔性和0.1497g/mL的堆密度(@0.53psia)。纤维的平均长度是1.063mm，并且纤维的平均宽度是0.0245mm，产生43：1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图29中。
实施例3-由漂白的牛皮纸板制备2次剪切的纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自International Paper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinch Baugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑(如上)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/16英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切五彩纸屑样小片，以约1磅/小时的速率释放纤维材料。将起因于第一次剪切的材料放回到上文描述的相同设置内并且再次剪切。所得到的纤维材料具有1.4408m2/g+/-0.0156m2/g的BET表面 积、90.8998％的多孔性和0.1298g/mL的堆密度(@0.53psia)。纤维的平均长度是0.891mm，并且纤维的平均宽度是0.026mm，产生34：1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图30中。
实施例4-由漂白的牛皮纸板制备3次剪切的纤维材料
1500磅未用过的滑材、具有30lb/ft3的堆密度漂白的白色牛皮纸板得自International Paper。将材料平坦折叠，并且随后以约15-20磅/小时的速率注入3hpFlinch Baugh切碎机内。切碎机装备2个12英寸旋转刀片、2个固定刀片和0.30英寸排放筛。将旋转和固定刀片之间的缺口调节至0.10英寸。来自切碎机的输出类似五彩纸屑(如上)。将五彩纸屑样材料供应给Munson旋转切割机，型号SC30。排放筛具有1/8英寸开口。将旋转和固定刀片之间的缺口设为约0.020英寸。旋转切割机剪切越过刀刃五彩纸屑样小片。将起因于第一次剪切的材料放回到上文描述的相同设置内，并且将筛子替换为1/16英寸筛子。使这种材料剪切。将起因于第二次剪切的材料放回到上文描述的相同设置内，并且将筛子替换为1/32英寸筛子。使这种材料剪切。所得到的纤维材料具有1.6897m2/g+/-0.0155m2/g的BET表面积、87.7163％的多孔性和0.1448g/mL的堆密度(@0.53psia)。纤维的平均长度是0.824mm，并且纤维的平均宽度是0.0262mm，产生32：1的平均L/D。纤维材料在25X放大率下的扫描电子显微照片显示于图31中。
实施例5-不添加粘合剂由漂白的牛皮纸板制备致密化的纤维材料
根据实施例2制备纤维材料。将约1lb水喷射到每10lb纤维材料上。纤维材料使用在75℃下操作的California Pellet Mill 1100进行致密化。获得具有约7lb/ft3-约15lb/ft3约堆密度的丸剂。
实施例6-伴随粘合剂由漂白的牛皮纸板制备致密化的纤维材料
实施例2进行制备纤维材料。
在水中制备POLYOXTM WSR N10(聚氧化乙烯)的2重量％母液。
将约1lb母液喷射到每10lb纤维材料上。纤维材料使用在75℃下操作的California Pellet Mill 1100进行致密化。获得具有约15lb/ft3-约40lb/ft3约堆密度的丸剂。
实施例7-通过γ辐射伴随最低限度氧化减少纤维牛皮纸中纤维素的分子量
纤维材料根据实施例4进行制备。纤维牛皮纸根据实施例5进行致密化。
将致密化的丸剂置于具有250mL最大限度容量的玻璃安瓿中。玻璃安瓿在高真空(10-5托)下抽真空30分钟，并且随后用氩气反填充。安瓿在氩下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比纤维牛皮纸原材料低的分子量的经照射的材料。
实施例8-通过γ辐射伴随最大限度氧化减少纤维牛皮纸中纤维素的分子量
纤维材料根据实施例4进行制备。纤维牛皮纸根据实施例5进行致密化。
将致密化的丸剂置于具有250mL最大限度容量的玻璃安瓿中。玻璃安瓿在空气大气下进行密封。安瓿中的丸剂用γ辐射以约1Mrad/小时的剂量率照射约3小时，以提供其中纤维素具有比纤维牛皮纸原材料低的分子量的经照射的材料。
实施例9-通过凝胶渗透色谱法测定纤维素和木质纤维素材料的分子量的方法
用于分析的纤维素和木质纤维素材料根据实施例4进行处理。下表中呈现的样品材料包括牛皮纸(P)、麦秆(WS)、苜蓿(A)和柳枝稷(SG)。样品ID的数目“132”指在剪切通过1/32英寸筛子后的材料的粒子大小。在虚线后的数目指辐射剂量(MRad)，并且“US”指超声波处理。例如，样品ID“P132-10”指已剪切至132网目的粒子大小且已用10MRad照射的牛皮纸。
表3.经照射的牛皮纸的峰平均分子量
**低剂量的辐射看起来增加某些材料的分子量
1剂量比率＝1MRad/小时
2对于在水中分散的材料在再循环条件下使用1000W悬臂用20kHz超声处理30分钟
表4.经照射的材料的峰平均分子量
*在处理后的峰合并
**低剂量的辐射看起来增加某些材料的分子量
1剂量比率＝1MRad/小时
2对于在水中分散的材料在再循环条件下使用1000W悬臂用20kHz超声处理30分钟
凝胶渗透色谱法(GPC)用于测定聚合物的分子量分布。在GPC分析过程中，使聚合物样品的溶液经过装满捕获小分子的多孔凝胶的柱。样品基于分子大小进行分离，其中较大的分子比较小的分子更快地洗脱。每种组分的保留时间最通常通过折射率(RI)、蒸发光散射(ELS)或紫外线(UV)进行检测，并且与校正曲线相比较。所得到的数据随后用于计算关于样品的分子量分布。
使用分子量分布而不是独特的分子量表征合成聚合物。为了表征这种分布，利用统计平均。最常见的这些平均是“数量平均分子量”(Mn)和“重量平均分子量”(Mw)。计算这些值的方法例如在WO 2008/073186的实施例9中描述。
多分散性指数或PI定义为Mw/Mn的比。PI越大，分布越广泛或更分散。PI的最低值可以是1。这代表单分散样品；即，其中分布中的所有分子是相同分子量的聚合物。
峰分子量值(MP)是定义为分子量分布模式的另一个叙词。它表明在分布中最丰富的分子量。这个值还给出关于分子量分布的了解。
大多数GPC测量相对于不同聚合物标准进行。结果的准确度依赖于待分析的聚合物的特征如何紧密地匹配所使用标准的那些。分开校正的、不同系列测定之间重现性中的预期误差是约5-10％，并且是GPC测定的有限精确性的特征。因此，当在相同系列测定过程中进行不同样品的分子量分布之间的比较时，GPC结果是最有用的。
在GPC分析前，木质纤维素样品需要样品制备。首先，在二甲基乙酰胺(DMAc)中制备氯化锂(LiCl)的饱和溶液(8.4重量％)。将约100mg每种样品加入约10g新鲜制备的LiCl/DMAc饱和溶液 中，并且使每种混合物伴随搅拌加热至约150℃-170℃1小时。所得到的溶液在颜色中一般是浅至深黄色。使溶液的温度降低至约100℃，并且使溶液加热另外2小时。随后使溶液的温度降低至约50℃，并且使每种样品溶液加热约48-60小时。值得注意的是，与其未经处理的配对物相比较，在100MRad下照射的样品更容易增溶。另外，与未经切割的样品相比较，经剪切的样品(由数目132指示)具有略微更低的平均分子量。
所得到的样品溶液使用DMAc作为溶剂进行1：1稀释，并且通过0.45μm PTFE滤器进行过滤。经过滤的样品溶液随后通过GPC进行分析。如通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定的，样品峰平均分子量(Mp)概括于如上的表3和4中。每种样品一式两份地制备，并且样品的每个制剂一式两份地(2次进样)分析，每个样品总共4次进样。EasiCal聚苯乙烯标准PS1A和PS1B用于产生用于约580-7,500,00道尔顿的分子量数值范围的校正曲线。
表5.GPC分析条件
实施例10-通过X射线衍射测定经照射的材料的结晶度
X射线衍射(XRD)是通过其用单能x射线照射结晶样品的方法。记录样品的晶格结构与这些x射线的相互作用，并且提供关于被照射的结晶结构的信息。所得到的特征性“指纹(fingerprint)”允许鉴定样品中存在的结晶化合物。使用全图样拟合分析(RietveltRefinement)，可以执行关于包含超过一种结晶化合物的样品的定量分析。
表6.包括域大小和结晶度％的XRD数据
将每种样品置于零本底支架上，并且置于使用Cu辐射的Phillips PW1800衍射计内。随后在5°-50°的范围上运行扫描，伴随0.05°的步长和各2小时的计数时间。
获得衍射图样后，借助于由国际衍射数据中心(International Centre forDiffraction Data)公布的粉末衍射文件(Powder Diffraction File)鉴定相。在所有样品中，经鉴定的结晶相是纤维素-Ia，这具有三斜结构。
在20种样品中的区别特征是峰宽度，这涉及雏晶域大小。实验峰宽度用于计算域大小和结晶度百分比，这在表6中报告。
结晶度百分比(Xc％)测量为结晶面积与x射线衍射峰下总面积的比，
X c % = A C { A a + A C } × 100 %
其中
Ac＝结晶相面积
Aa＝无定形相面积
Xc＝结晶度百分比
为了测定关于每种样品的结晶度百分比，必须首先提取无定形相的量。这通过估计每个衍射图样的面积进行评估，所述每个衍射图样的面积可以归于结晶相(由更尖锐的峰表示)和非结晶相(由图样下的宽凸峰表示且集中于22°-38°)。
系统过程用于使这些计算中由于宽结晶峰以及高本底强度的误差降到最低。首先，应用线性本底且随后去除。其次。使集中于22°-38°具有10-12°宽度的2个高斯(Gaussian)峰各自与结晶峰下的凸峰拟合。第三，测定2个宽高斯峰下面积和图型的其余。最后，通过将结晶峰下面积除以总强度(在本底扣除后)计算结晶度百分比。如通过X射线衍射(XRD)测定的样品的域大小和结晶度％呈现于表6中。
实施例11–经照射的材料的孔率法分析
水银孔径和孔体积分析(表7)基于在紧密控制的压力下将水银(非润湿液体)压入多孔结构内。因为水银不润湿大多数物质，并且将不会通过毛细管作用自发渗透孔，所以它必须通过应用外部压力而压入样品的空隙内。填充空隙所需的压力与孔的大小成反比。仅需要少量力或压力以填充大空隙，然而需要大得多的压力以填充非常小孔的空隙。
表7.通过水银孔率法的孔径和体积分布
AutoPore 9520可以达到414MPa或60,000psia的最大限度压力。存在用于样品分离和大孔数据收集的从0.2psia到50psia的4个低压站。存在收集从25psia到60,000psia的数据的2个高压室。将样品置于称为透度计的碗样仪器中，这与具有金属涂层的玻璃毛细杆键合。当水银侵入样品中和周围的空隙时，它使毛细杆往下移动。水银从毛细杆中的丧失导致电容量中的改变。通过已知所使用的透度计的杆体积，将在实验过程中电容中的改变转变成水银的体积。具有不同碗(样品)大小和毛细管的各种透度计是可获得的，以适应大多数样品大小和配置。下表8定义了对于每种样品计算的某些关键参数。
表8.参数的定义
实施例12-经照射的材料的粒子大小分析
通过静态光散射区分粒子大小的技术基于米氏(Mie)理论(这也包括夫琅和费(Fraunhofer)理论)。米氏理论根据球形散射粒子的大小预测强度与角度关系比较，前提是其他系统变量是已知的且保持 恒定。这些变量是入射光的波长和样品材料的相对折射率。米氏理论的应用提供了详细的粒子大小信息。表9概括了使用中位直径、平均直径和众数直径作为参数的粒子大小。
表9.通过激光散射的粒子大小(干燥样品分散)
使用下述条件使用Malvern Mastersizer 2000通过激光散射(干燥样品分散)测定粒子大小：
补料速率：35％
分散器压力：4巴
光学模式：(2.610，1.000i)，1.000
将合适量的样品引入振动托盘上。调节补料速率和空气压力以确保颗粒适当分散。关键组分是选择空气压力，其将打碎结块，但不危害样品完整性。所需样品的量依赖于颗粒的大小而改变。一般而言，具有细颗粒的样品需要比具有粗颗粒的样品更少的材料。
实施例13-经照射的材料的表面积分析
使用Micromeritics ASAP 2420Accelerated Surface Area and PorosimetrySystem分析每种样品的表面积。通过首先在40℃下除气16小时制备样品。接下来，计算具有氦的自由空间(温和冷的)，并且随后再次使样品管抽真空以去除氦。数据收集在这个第二次抽真空后开始，并且由控制多少气体投入样品上的限定靶压力组成。在每个 靶压力下，测定且记录所吸附的气体数量和实际压力。样品管内的样品用压力传感器进行测量。另外剂量的气体将继续直至达到靶压力且允许平衡时。通过合计在样品上的多重剂量测定所吸附的气体数量。压力和数量限定气体吸附等温线，并且用于计算许多参数，包括BET表面积(表10)。
表10.通过气体吸附的表面积概括
用于等温线的BET模型是用于计算特定表面积的广泛使用的理论。分析涉及测定样品表面的单层容量，通过计算用单个致密填充的氪层覆盖整个表面所需的量。将单层容量乘以探头气体分子的横断面积，以测定总表面积。特定表面积是样品等分试样的表面积除以样品的质量。
实施例14-经照射的材料的纤维长度测定
使用Techpap MorFi LB01系统对提交的样品一式三份地执行纤维长度分布测试。平均长度和宽度在表11中报告。
表11.木质纤维素纤维长度和宽度数据的概括
实施例15-经照射的和未经照射的柳枝稷的超声波处理
柳枝稷根据实施例4进行剪切。柳枝稷通过单独的超声或用10Mrad或100Mradγ射线照射进行处理，并且随后进行超声处理。所得到的材料与G132-BR(未经照射的)、G132-10-BR(10Mrad和超声处理)和G132-100-BR(100Mrad和超声处理)相对应，如表3中呈现的。在再循环条件下使用来自1000W悬臂的20kHz超声，对每种样品执行30分钟超声处理。每种样品在水中以约0.10g/mL的浓度分散。
图32和33显示用于超声处理的仪器。仪器500包括与助推器504连接的变换器502，所述助推器504与由钛或钛合金焊接的悬臂506联系。在其加工侧上在其周长周围具有由制造的封条510的悬臂，对于加工小室508形成不透液体的封条。将悬臂的加工侧浸入液体例如水中，其在其中已分散待超声处理的样品。用压力计512监控小室中的压力。在操作中，每种样品通过泵517从槽516中移动通过加工小室且进行超声处理。在超声处理后，将样品捕获在槽520中。该过程可以是可逆的，因为槽520的内容物可以运送通过加工小室，并且在槽516中捕获。这个过程可以重复多次直至将所需加工水平递送给样品。
实施例16-与经照射的和经照射且超声处理的柳枝稷相比较，未经照射的柳枝稷 的扫描电子显微照片
将用于扫描电子显微照片的柳枝稷样品应用于碳带且进行金喷射包被(70秒)。用JEOL 6500场发射扫描电子显微镜获得图像。
图34是纤维材料在1000X放大率下的扫描电子显微照片，所述纤维材料是由在旋转切割机上剪切柳枝稷，并且随后使经剪切的材料经过1/32英寸筛子而产生。
图35和36是在1000X放大率下，分别用10Mrad和100Mradγ射线照射后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
图37是在1000X放大率下，用10Mrad照射和超声处理后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
图38是在1000X放大率下，用100Mrad照射和超声处理后，图34的纤维材料的扫描电子显微照片。
实施例17-与未经照射的牛皮纸相比较，经照射的牛皮纸的红外光谱
在Nicolet/Impact 400上执行FT-IR分析。结果指出表3中报告的所有样品与基于纤维素的材料相一致。
图39是根据实施例4剪切的牛皮纸板的红外光谱，而图40是用100Mradγ辐射照射后，图39的牛皮纸的红外光谱。经照射的样品显示在区域A中的另外峰(集中约1730cm-1)，这在未经照射的材料中未发现。
实施例18-电子束和超声处理预处理的组合
使用柳枝稷作为原料且用Munson旋转切割机剪切成纤维材料。随后将纤维材料平坦地分布到具有大于约500in2面积的由锡组成的无盖托盘上。纤维材料这样分布，使得它在无盖托盘上具有约1-2英寸的深度。纤维材料可以在塑料袋中在较低剂量的照射(在10MRad下)下进行分布，并且在金属托盘上在较高剂量的照射下不进行遮盖。
随后使纤维材料的分离样品暴露于顺次剂量的电子束辐射，以达到1Mrad、2Mrad、3、Mrad、5Mrad、10Mrad、50Mrad和100 Mrad的总剂量。某些样品维持在与其余样品相同的浓度下，但不进行照射，以充当对照。在冷却后，将经照射的纤维材料转送用于通过超声处理装置的进一步加工。
超声处理装置包括与助推器连接的变换器，所述助推器与由钛或钛合金焊接的悬臂联系。在其加工侧上在其周长周围具有由制造的封条的悬臂，对于加工小室形成不透液体的封条。将悬臂的加工侧浸入液体例如水中，待超声处理的经照射的纤维材料已浸入所述液体内。用压力计监控小室中的压力。在操作中，每种样品通过泵移动通过加工小室且进行超声处理。
为了制备经照射的纤维材料用于超声处理，从任何容器(例如，塑料袋)中取出经照射的纤维材料，并且以约0.10g/mL的浓度分散在水中。在再循环条件下使用来自1000W悬臂的20kHz超声，对每种样品执行30分钟超声处理。在超声处理后，将经照射的纤维材料捕获在槽中。基于监控柳枝稷中的结构改变，这个过程可以重复多次，直至达到所需加工水平时。再次，某些经照射的样品维持在与其余样品相同的浓度下，但不进行照射，以充当对照。此外，未进行照射的某些样品进行超声处理，再次充当对照。因此，某些对照未进行加工，某些仅进行照射，并且某些仅进行超声处理。
实施例19-经预处理的生物量的微生物测试
如本文所述预处理的特定木质纤维素材料就对于常见酵母和细菌菌株的毒性进行分析，所述常见酵母和细菌菌株在生物燃料工业中用于乙醇生产中的发酵步骤。此外，检查含糖量和与纤维素酶的相容性以测定处理过程的活力。经预处理的材料的测试如下在2个阶段中执行。
I.毒性和含糖量
在酵母酿酒酵母(葡萄酒酵母)和树干毕赤酵母(ATCC 66278)以及细菌运动发酵单胞菌(ATCC 31821)和热纤梭菌(ATCC 31924)中测量经预处理的草和纸原料的毒性。用生物中的每一种执行生长研究，以测定温育和取样的最佳时间。
随后使每种原料一式两份地与酿酒酵母、树干毕赤酵母、运动发酵单胞菌和热纤梭菌一起在用于每种生物的标准微生物培养基中温育。YM肉汤用于2种酵母菌株，酿酒酵母和树干毕赤酵母。RM培养基用于运动发酵单胞菌，并且CM4培养基用于热纤梭菌。添加有纯糖但没有原料的阳性对照用于比较。在温育过程中，在时间0、3、6、9和12小时时经过12小时时期获得总共5份样品，并且就活力(关于运动发酵单胞菌的平板计数和关于酿酒酵母的直接计数)和乙醇浓度进行分析。
使用装备糖SP0810或BioradHPX-87P柱的高效液相色谱法(HPLC)测量原料的含糖量。原料(约5g)各自与反渗透(RO)水相混合1小时。取出液体的液体部分，并且就葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和纤维二糖含量进行分析。分析根据美国国家生物能源中心(National Bioenergy Center)方案Determination ofStructural Carbohydrates and Lignin in Biomass执行。
II.纤维素酶相容性
在锥形(Erlenmeyer)瓶中在推荐温度和浓度下，原料用商购可得的1000酶复合物一式两份地进行测试，所述 1000酶复合物包含使木质纤维素生物量还原成可发酵糖的酶的复合物。使烧瓶伴随在约200rpm下的中等振荡下温育12小时。在那个时间过程中，在时间0、3、6、9和12小时时每3小时获得样品，以测定在烧瓶的液体部分中还原糖的浓度(Hope和Dean，Biotech J.，1974，144：403)。
实施例20-使用照射-超声处理预处理的醇生产
关于生物量转变工厂的最佳大小受以下因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂加工过程相关的规模经济。然而，增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/生物量原料单位。分析这些因素的研究提出关于生物量转变工厂的合适大小可以是2000-10,000吨干燥生物量原料/天。下文描述的工厂大小为加工2000吨干燥生物量原料/天。
图41显示配置为加工柳枝稷的生物量转变系统的过程图解。进料制备子系统加工原始生物量原料，以去除外来物体且提供均匀大小的颗粒用于进一步加工。预处理子系统改变生物量原料的分子结构(例如，以减少平均分子量和结晶度)：通过照射生物量原料，使经照射的生物量原料与水相混合以形成浆，并且将超声能应用于浆。照射和超声处理将生物量原料的纤维素和木质纤维素组分转变成可发酵的材料。初级过程子系统使在预处理后存在的葡萄糖和其他低分子量糖发酵以形成醇。
实施例21-砂糖(蔗糖)的电子束加工
使用在80kW的输出功率下递送5MeV电子的拱形TT200连续波加速器，用电子束处理蔗糖。下表描述了关于TT200的额定参数。下文还给出了递送给样品的额定剂量(以Mrad)和实际剂量(以kgy)。
表12.TT 200参数
表13.递送给蔗糖样品的剂量
1例如，9.9kgy在5mA的束电流和12.9英尺/分钟的线速度下在11秒内递送。1MRad处理之间的冷却时间是约2分钟。
用超过30Mrad处理的蔗糖样品的可溶性增强，并且在或超过30Mrad下，蔗糖在视觉上看起来没有结晶性。超过70Mrad，蔗糖转变成材料的固体团块。
进料制备
关于工厂所选择的设计进料率是2,000吨干燥柳枝稷生物量/天。设计进料是经剁碎和/或经剪切的柳枝稷。
以柳枝稷捆形式的生物量原料在货车挂车上由工厂接受。当货车接受时，它们进行称重且由铲车卸载。某些捆送至现场贮存，而其他直接走向传送机。从那里，将捆传送至自动解开系统，其切掉捆周围的塑料包裹和/或网。随后使生物量原料传送经过磁力分离器以去除夹杂金属，这之后将它引入切碎机-剪切机串，在其中材料在尺寸中减少。最后，将生物量原料传送给预处理子系统。
在某些情况下，柳枝稷捆用塑料网包裹以确保它们在处理时不会分开，并且还可以包裹在塑料薄膜中以保护捆不受气候影响。捆是正方形或圆形的。由在大型货车挂车上的非现场贮存在工厂接收捆。
因为柳枝稷仅是季节性可用的，所以需要长期贮存以给工厂提供全年的进料。长期贮存将可能由在合理地接近于乙醇工厂的场地(或多个场地)处400-500英亩无覆盖的堆叠排列的捆组成。提供与在外部贮存区域处的72小时生产等价的现场短期贮存。捆和外界进路以及转运传送机将在混凝土板上。使用混凝土板是因为递送所需的大量生物量原料所需的交通量。混凝土板将使贮存区域中的静水的量降到最低，以及减少生物量原料对灰尘的暴露。经贮存的材料提供用于周末、假期和当材料正常直接递送到过程内中断时的短期供应。
捆通过铲车卸货，并且直接放置到捆转运传送机上或短期贮存区域中。捆也通过铲车从短期贮存中回收，并且装载到捆转运传送机上。
捆运送给2个捆解开站之一。经解开的捆使用平压机打碎并且随 后排放到传送机上，所述传送机经过磁力分离器以在切碎前去除金属。提供铁质夹杂物磁体以捕获杂散的磁性金属，并且粗粒筛在多个切碎机-剪切机串前面去除肉眼可见的超尺寸和外来材料，这使生物量原料减少至用于预处理的适当大小。切碎机-剪切机串包括切碎机和旋转切割机。切碎机减少原始生物量原料的大小，并且将所得到的材料供应给旋转切割机。旋转切割机同时剪切生物量原料且筛选所得到的材料。
提供3个贮存地窖以限制由于进料制备子系统设备的所需维持和/或故障的整个系统停工期。每个地窖可以容纳约55,000立方英尺的生物量原料(～3小时的工厂操作)。
预处理
传送带携带生物量原料从进料制备子系统110到预处理子系统114。如图42中所示，在预处理子系统114中，生物量原料使用电子束发射器进行照射，与水相混合以形成浆，并且实施超声能的应用。如上文讨论的，生物量材料的照射改变生物量原料的分子结构(例如，减少平均分子量和结晶度)。使经照射的生物量原料混合到浆内，并且将超声能应用于浆进一步改变生物量原料的分子结构。辐射和超声处理按顺序应用可以具有协同作用，因为技术的组合看起来达到比任一技术独自可以有效达到的对分子结构的更大改变(例如，减少不顺应、平均分子量和结晶度)。不希望受理论束缚，除通过破坏生物量原料的纤维素和木质纤维素组分的区段之间的分子内键减少生物量原料的聚合外，照射还可以使得生物量原料的总体物理结构更易碎。在易碎的生物量原料混合到浆内后，超声能的应用进一步改变(例如，减少平均分子量和结晶度)，并且还减少生物量原料颗粒的大小。
电子束照射
携带生物量原料进入预处理子系统内的传送带491将生物量原料分布到多个进料流(例如，50个进料流)内，各进料流导向分离的电子束发射器492。在这个实施方案中，生物量原料在其干燥时进行照射。每个进料流在分开的传送带上携带至结合的电子束发射器。每个照射进料传送带可以是约1米宽。在到达电子束发射器前，在每个传 送带中诱导局限性振动，以使干燥生物量原料在传送带的横断面宽度上平均分布。
电子束发射器492(例如，从Titan Corporation，San Diego，CA商购可得的电子束照射装置)配置为在300kW的功率下应用100kilo-Gray剂量的电子。电子束发射器以与传送带宽度相对应的1米扫掠宽度扫描束装置。在某些实施方案中，使用具有大的固定束宽度的电子束发射器。因素包括带/束宽度、所需剂量、生物量原料密度和所应用的功率，支配工厂加工2,000吨干燥进料/天所需的电子束发射器数目。
超声处理
在应用超声能前，使经照射的生物量原料与水相混合以形成浆。可以存在与每个电子束进料流结合的分离超声处理系统，或几个电子束流可以聚集为用于单个超声处理系统的进料。
在每个超声处理系统中，经照射的生物量原料通过第一个进入口1232注入储库1214，并且水通过第二个进入口1234注入储库1214内。合适的阀(手动或自动的)控制生物量原料的流动和水的流动，以产生所需生物量原料与水的比(例如，10％纤维素材料，容重)。每个储库1214包括混合器1240，以搅动容积1236的内容物，并且使生物量原料遍及水分散。
在每个超声处理系统中，将浆从储库1214抽吸出来(例如，使用凹式叶轮涡流泵1218)且通过包括超声换能器1226的流动池1224。在某些实施方案中，泵1218配置为搅动浆1216，从而使得生物量原料和水的混合物在流动池1224的入口1220处基本上均匀。例如，泵1218可以搅动浆1216，以造成在第一个泵和流动池1224的进口1220之间的管道自始至终持续的湍流。
在流动池1224内，当浆流经流动池1224时，超声换能器1226将超声能传导到浆1216内。超声换能器1226将电能转变成高频机械能(例如，超声能)，这随后通过助推器48递送给浆。超声换能器是商购可得的(例如，来自Hielscher USA，Inc.of Ringwood，NewJersey)，其能够递送16千瓦的连续动力。
在反应器容积1244中运送通过助推器1248的超声能在加工流1216中造成一系列压缩和稀化，其强度足以造成加工流1216中的空穴形成。空穴形成使加工流1216(例如，浆)中分散的生物量原料组分例如纤维素和木质纤维素材料解聚。空穴形成还在加工流1216(例如，浆)的水中产生自由基。这些自由基作用于进一步断裂加工流1216中的纤维素材料。一般而言，将约250MJ/m3的超声能应用于包含白杨碎片片段的加工流1216。其他水平的超声能(5-4000MJ/m3，例如10、25、50、100、250、500、750、1000、2000或3000)可以应用于其他生物量原料。在反应器容积1244中暴露于超声能后，加工流1216通过排出口1222退出流动池24。
流动池1224还包括与反应器容积1244的至少部分热联系的热交换器1246。冷却流体1248(例如，水)流入热交换器1246内，并且吸收当加工流1216(例如，浆)在反应器容积1244中超声处理时产生的热。在某些实施方案中，控制冷却流体1248进入热交换器1246内的流速，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。另外地或在备选方案中，控制流入热交换器1246内的冷却流体1248的温度，以维持反应器容积1244中大约恒定的温度。
流动池1224的出口1242安排在储库1214的底部附近，以诱导加工流1216(例如，浆)的重力进料离开储库1214朝向第二个泵1230的进口，所述第二个泵1230抽吸加工流1216(例如，浆)朝向初级处理子系统。
超声处理系统可以包括单个路径(如上所述)或各自具有经结合的个别超声处理单元的多个平行路径。多个超声处理单元也可以串联排列，以增加应用于浆的超声能量的量。
初级加工过程
在发酵前，转筒式真空滤器去除来自浆的固体。在进入发酵罐之前抽吸来自滤器的液体冷却。使经过滤的固体经过以传送给后加工子系统用于进一步加工。
发酵槽是具有圆锥形底部和低速搅拌器的大型低压力不锈钢器皿。 多个第一阶段发酵槽可以串联排列。使用外部热交换器，将第一阶段发酵槽中的温度控制为30摄氏度。在每个串联槽的头部处将酵母加入第一阶段发酵槽中，并且携带通过串联中的其他槽。
第二阶段发酵由串联的2个连续发酵罐组成。2个发酵罐都用低速机械混合器进行连续搅拌。温度用具有连续再循环的外部交换器中的冷却水控制。由于高固体浓度，再循环泵是螺杆(progressive cavity)型的。
使来自发酵槽和发酵罐的废气相组合，并且在放出到大气前在对向流水柱中洗涤。废气进行洗涤以回收乙醇而不是用于空气排放控制。
后加工
蒸馏
蒸馏和分子筛吸附用于回收来自原始发酵啤酒的乙醇且产生99.5％乙醇。蒸馏在2个柱中完成――第一个柱被称为啤酒柱，去除溶解的CO2和大多数水，并且第二个柱使乙醇浓缩至近共沸组成。
来自近共沸混合物的所有水通过蒸气相分子筛吸附去除。吸附柱的再生要求乙醇水混合物再循环至蒸馏用于回收。
发酵通风口(主要包含CO2，但也包含某些乙醇)以及啤酒柱通风口在水洗涤器中进行清洗，回收几乎所有乙醇。洗涤器流出物连同发酵啤酒一起供应给第一个蒸馏柱。
来自第一次蒸馏的底部残留物包含所有未经转变的不溶性和溶解的固体。不溶性固体通过压滤器脱水且送至燃烧器。使用来自蒸馏的废热，使来自压滤器未再循环的液体在多效蒸发器中浓缩。使来自蒸发器的浓缩糖浆与送至燃烧器的固体相混合，并且经蒸发的冷凝物作为对于过程的相对清洁的再循环水使用。
因为可以再循环的釜馏物水量是有限的，所以在过程中包括蒸发器。来自压滤器直接再循环的水总量设为25％。有机盐如乙酸或乳酸铵、不由生物利用的液剂组分、或在生物量中的无机化合物在这个流中终止。再循环太多这种材料可以导致可以对于发酵生物的效率有害的离子强度和渗透压水平。对于未再循环的水，蒸发器使溶解的固体 浓缩成糖浆，其可以送至燃烧器，使关于废水处理的负荷降到最低。
废水处理
废水处理部分处理过程水用于再使用，以减少工厂的补给水需求。废水最初进行筛选以去除大颗粒，这收集在漏斗中且送至填埋场。筛选随后为厌氧消化和需氧消化，以消化流中的有机物质。厌氧消化产生富含甲烷且供应给燃烧器的生物气流。需氧消化产生用于在过程中再使用的相对清洁水流以及主要由细胞群组成的污泥。污泥也在燃烧器中点燃。这个筛选/厌氧消化/需氧消化方案是当前乙醇工业内标准的，并且在1-5百万加仑/日范围中的设施可以作为“现成的”单元从厂家获得。
燃烧器、锅炉和涡轮发电机
燃烧器、锅炉和涡轮发电机子系统的目的是点燃各种副产物流用于蒸汽和电产生。例如，某些木质素、纤维素和半纤维素通过预处理和初级加工过程仍是未经转变的。来自过程的大部分废水浓缩至可溶性固体很高的糖浆。其余废水的厌氧消化产生甲烷很高的生物气。需氧消化产生少量废弃生物量(污泥)。点燃这些副产物流以产生蒸汽和电允许工厂在能量方面自给自足，减少固体废物处理成本，并且通过销售过量电产生附加收入。
3个初级燃料流(蒸馏后固体、生物气和蒸发器糖浆)供应给循环流化床燃烧器。来自废水处理的少量废弃生物量(污泥)也送至燃烧器。风扇将空气移动到燃烧室内。经处理的水进入燃烧器中的热交换器回路，并且进行蒸发且过热至510℃(950°F)和86atm(1265psia)蒸汽。来自燃烧器的烟道气使进入的燃烧空气预热随后进入袋滤室，以去除被填埋的微粒。气体通过烟囱进行排气。
多级式涡轮机和发电机用于产生电。蒸汽在3个不同条件下从涡轮机中提取，用于进样到预处理反应器内以及在蒸馏和蒸发中热交换。其余蒸汽用冷却水冷凝，并且连同来自过程中各种热交换器的冷凝物一起返回锅炉给水系统。处理好的水用作补给以替代在直接进样中使用的蒸汽。
其他实施方案
本发明的许多实施方案已得到描述。然而，应当理解可以进行各种修饰而不背离本发明的精神和范围。因此，其他实施方案在下述权利要求的范围内。

Claims (190)

1.一种方法，其包括：
向流动的生物量施加第一剂量的电离辐射，
利用冷却流体冷却所述生物量，以及
向所述流动的生物量施加第二剂量的电离辐射。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二电离辐射剂量由加速电子提供。
3.如权利要求2所述的方法，其中施加所述第一和第二辐射剂量包括用所述加速电子扫描所述流动的生物量。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述生物量是颗粒材料。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述生物量是纤维材料。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加所述第一剂量的电离辐射之前机械处理所述生物量材料。
7.如权利要求6所述的方法，其中机械处理选自由机械撕开、撕裂、针研磨、球磨、轧辊加工和空气碾磨构成的组。
8.如权利要求6所述的方法，其中机械处理包括利用选自由锤磨机、圆盘精研机和刨片机构成的组的装置处理。
9.如权利要求1所述的方法，其中由所述第一电离辐射剂量和第二电离辐射剂量的组合向所述材料施加的电离辐射的总剂量在约10Mrad和约50Mrad之间。
10.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加所述第二剂量的电离辐射之后利用流体冷却所述生物量，以及利用酶糖化所述生物量。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述生物量包括淀粉材料、纤维素材料或木质纤维素材料。
12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加所述第一和第二剂量的电离辐射的同时，将所述生物量与气体接触。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述气体选自由空气、富氧空气、氮、氧、氦、氩和其混合物构成的组。
14.如权利要求12所述的方法，其中在施加所述第一和第二电离辐射剂量的同时，所述生物量随所述气体流动，其中所述气体流速超过约2500ft/min。
15.如权利要求1所述的方法，其中在施加所述第一和第二电离辐射剂量的同时，所述生物量均匀分散。
16.如权利要求1所述的方法，其中当施加所述第一和第二电离辐射剂量时，所述生物量是干燥生物量。
17.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加所述第二剂量的辐射之后，冷却所述生物量；以及向所述流动的生物量施加第三剂量的电离辐射。
18.如权利要求17所述的方法，其中由所述第一、第二和第三电离辐射剂量的组合向所述材料施加的电离辐射的总剂量在约10Mrad和约50Mrad之间。
19.一种方法，其包括：
使用电子束处理生物量原料，所述原料包括淀粉材料与另一材料的混合物，所述另一材料选自由甘蔗、甘蔗提取物、甜菜、纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、棉花、合成纤维素、海藻、藻类及其混合物构成的组，以改变所述淀粉材料和/或其他材料的分子结构和/或超分子结构；以及
糖化经处理的原料，以产生糖。
20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括通过减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度来制备所述生物量原料。
21.如权利要求20所述的方法，其中减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度包括剪切、研磨、切割、挤压、压缩或这些过程的组合。
22.如权利要求19所述的方法，其中分子结构和/或超分子结构的改变包括平均分子量和平均结晶度中的一种或两种中的下降，或表面积和多孔性中的一种或两种中的增加。
23.如权利要求19所述的方法，其进一步包括利用微生物将所述糖转化成除了糖之外的产物。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述产物包括易燃燃料。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述燃料包括氢、醇和烃中的一种或多种。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述醇选自由乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和其混合物构成的组。
27.如权利要求19所述的方法，其中在所述生物量原料暴露于空气、氮、氧、氦或氩的同时执行处理。
28.如权利要求19所述的方法，其中在大于约0.25大气压下执行处理。
29.如权利要求19所述的方法，其中处理包括氧化所述生物量原料，以及之后照射经氧化的原料。
30.如权利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料选自由玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、米淀粉、其衍生物和其混合物构成的组。
31.如权利要求19所述的方法，其中所述生物量原料基本由玉米淀粉构成。
32.如权利要求19所述的方法，其中分子结构和/或超分子结构的改变使得可溶性相对于处理之前所述生物量原料的可溶性增强。
33.如权利要求19所述的方法，其中处理包括照射所述原料以使所述生物量原料电离，从而使得所述原料具有第一原子团水平，以及之后使所述原料淬灭至经淬灭的生物量原料中的原子团处于低于所述第一水平的第二水平的程度。
34.如权利要求33所述的方法，其中淬灭包括使所述生物量与能够和所述原子团反应的气体接触。
35.如权利要求33所述的方法，其中淬灭包括使所述生物量与能够穿透到所述生物量内并和所述原子团反应的流体接触。
36.如权利要求19所述的方法，其中处理包括照射所述原料，冷却经照射的原料，以及之后再次照射所述原料。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述生物量原料被冷却至以下程度：在冷却后，所述生物量处于的温度低于其恰好在照射前所述生物量原料的温度。
38.如权利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料选自由秘鲁胡萝卜、荞麦、香蕉、稻、竹芋、大麦、木薯、野葛、酢浆草、西米、高粱、马铃薯、甘薯、芋头、山药、豆、小扁豆、豌豆和其组合物构成的组。
39.如权利要求19所述的方法，其中所述淀粉材料包括玉米。
40.如权利要求19所述的方法，其中以约10Mrad和约50Mrad之间的总剂量施加辐射。
41.如权利要求23所述的方法，其中转化包括发酵。
42.一种制造蔗糖溶液的方法，所述方法包括：
照射结晶蔗糖，其中照射的总剂量从30Mrad至70Mrad，并且其中以大于0.15Mrad每秒的剂量率执行照射；
将经照射的蔗糖与水在允许所述蔗糖溶解的条件下结合；
由此制造蔗糖溶液。
43.如权利要求42所述的方法，其中照射包括将所述结晶蔗糖暴露于电子束。
44.如权利要求43所述的方法，其中照射包括利用超过一个电子束装置照射所述蔗糖。
45.如权利要求42所述的方法，其中经照射的蔗糖具有比照射之前所述结晶蔗糖低至少10％的结晶度。
46.如权利要求42所述的方法，其中所述结晶蔗糖在照射之前具有从约40％至约87.5％的结晶度指数，并且经照射的蔗糖具有从约10％至约50％的结晶度指数。
47.一种制造非晶态蔗糖的方法，所述方法包括：
照射结晶蔗糖，其中照射的总剂量从30Mrad至70Mrad，并且其中以大于0.15Mrad每秒的剂量率执行照射；
由此制造非晶态蔗糖。
48.如权利要求47所述的方法，其中照射包括将所述结晶蔗糖暴露于电子束。
49.如权利要求48所述的方法，其中照射包括利用超过一个电子束装置照射所述蔗糖。
50.一种方法，其包括：
提供生物量原料，所述生物量原料已经利用电子束辐射照射，从而使得所述生物量原料被电离并且具有第一原子团水平；以及之后通过将所述生物量与能够和所述原子团反应的气体接触来淬灭所述生物量原料至如下程度：经淬灭的生物量原料具有比所述第一水平低的第二原子团水平，其中所述原子团水平以固态测量。
51.如权利要求50所述的方法，其进一步包括通过减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度来制备所述生物量原料。
52.如权利要求51所述的方法，其中减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度包括剪切、研磨、切割或这些方法的组合。
53.如权利要求50所述的方法，其中淬灭包括淬灭所述原子团至如下程度：所述第二原子团水平用电子自旋共振光谱仪无法检测。
54.如权利要求50所述的方法，其中所述第二原子团水平小于约1014自旋。
55.如权利要求50所述的方法，其中所述方法进一步包括利用一个或多个其他预处理方法处理所述生物量原料，其中所述其他与处理方法选自超声处理、热解和氧化。
56.如权利要求50所述的方法，其中以约10Mrad和约50Mrad之间的总剂量施加所述电子束辐射。
57.如权利要求50所述的方法，其进一步包括处理经淬灭的生物量原料，以制造易燃燃料。
58.如权利要求57所述的方法，其中处理包括利用微生物转化经照射的材料。
59.如权利要求58所述的方法，其中转化包括糖化。
60.如权利要求58所述的方法，其中转化包括发酵。
61.如权利要求57所述的方法，其中所述易燃燃料包括醇。
62.如权利要求50所述的方法，其中所述生物量原料选自由低分子量糖、淀粉、纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、合成纤维素、海藻、藻类及其混合物构成的组。
63.一种方法，其包括：
利用电子束辐射照射木质纤维素生物量原料以使得所述生物量原料断链；
通过使经照射的原料与在低于经照射的原料的温度的温度下的流体接触来冷却所述经照射的原料；
利用电子束辐射再次照射所述生物量原料，以及在水性介质与微生物和/或酶的混合物中糖化经再次照射的生物量原料。
64.如权利要求63所述的方法，其进一步包括处理糖化产物，以产生燃料。
65.如权利要求64所述的方法，其中处理包括发酵。
66.如权利要求64所述的方法，其中所述燃料包括乙醇或正丁醇。
67.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料被冷却至如下程度：在冷却后，所述生物量处于的温度低于其恰好在第一照射步骤之前所述生物量原料的温度。
68.如权利要求63所述的方法，其进一步包括通过减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度来制备所述生物量原料。
69.如权利要求68所述的方法，其中减少所述生物量原料的单个小片的一个或多个尺度包括剪切、研磨、切割或这些方法的组合。
70.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料的每次照射在所述生物量原料在流体中由气动传送时执行。
71.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料从处于第一个水平的第一条带传送，并且由处于低于所述第一个水平的第二个水平的第二条带捕获，所述第一条带的后缘和所述第二条带的前缘限定缺口，其中在所限定的缺口中向所述生物量原料施加电离辐射。
72.如权利要求63所述的方法，其中在照射期间，所述生物量原料被传送经过粒子枪并通过电子束。
73.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量的冷却包括将所述生物量原料与低于恰好在第一照射步骤之前所述生物量的温度的温度下的气体接触。
74.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料具有内部纤维，并且其中所述生物量已被剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。
75.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料具有小于约0.5g/cm3的体积密度。
76.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料包括不连续纤维和/或颗粒，其具有不超过约0.5mm的最大限度尺度。
77.如权利要求63所述的方法，其中所述生物量原料选自由木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、海藻、藻类及其混合物构成的组。
78.如权利要求63所述的方法，其中第一照射步骤中的所述电子束辐射以至少0.15Mrad每秒的剂量率施加。
79.如权利要求63所述的方法，其中所述流体包括气体。
80.一种方法，其包括：
在水性介质与微生物和/或酶的混合物中糖化经照射的原料，所述经照射的原料通过以下步骤形成：
利用电子束辐射照射生物量原料以使得所述生物量原料断链；
通过使经照射的原料与在低于经照射的原料的温度的温度下的流体接触来冷却所述经照射的原料；
利用电子束辐射再次照射所述生物量原料。
81.如权利要求80所述的方法，其中所述流体包括气体。
82.一种方法，其包括：
照射纤维素或木质纤维素材料，同时所述材料处于大气压之上的压强下，以减少所述纤维素或木质纤维素材料的分子量。
83.如权利要求82所述的方法，其进一步包括在照射期间通过气体覆盖所述材料。
84.如权利要求83所述的方法，其中所述气体包括氧。
85.如权利要求83所述的方法，其中所述气体选自由空气、富氧空气、氮、氧、氦、氩和其混合物构成的组。
86.如权利要求82所述的方法，其中所述压强大于约2.5个大气压。
87.如权利要求82所述的方法，其中所述压强大于约5.0个大气压。
88.如权利要求82所述的方法，其中照射包括利用电子束照射。
89.如权利要求82所述的方法，其进一步包括控制所述材料的温度。
90.如权利要求82所述的方法，其进一步包括在处理所述材料之后冷却所述材料。
91.如权利要求90所述的方法，其中冷却包括将所述生物量与在低于照射之后所述材料的温度的温度下的流体接触。
92.如权利要求91所述的方法，其中所述流体处于低于照射之前所述材料的初始温度的温度。
93.如权利要求91所述的方法，其中所述流体包括气体。
94.如权利要求91所述的方法，其中流体包括液体。
95.如权利要求90所述的方法，其中照射和冷却被重复两次或更多次，以将所需辐射剂量递送至所述材料。
96.如权利要求82所述的方法，其中照射率大于0.15Mrad每秒。
97.如权利要求82所述的方法，其中照射包括将至少约2.5Mrad的辐射总剂量递送至所述材料。
98.如权利要求82所述的方法，其中照射包括将约10Mrad至约50Mrad的辐射总剂量递送至所述材料。
99.如权利要求82所述的方法，其进一步包括利用微生物和/或酶转化经照射的材料。
100.如权利要求99所述的方法，其中转化包括糖化。
101.如权利要求99所述的方法，其中转化包括发酵。
102.如权利要求99所述的方法，其中转化包括产生选自由糖、氢、醇、有机酸、烃、蛋白质或这些的任意混合物构成的组的产物、副产物或中间产物。
103.如权利要求99所述的方法，其中转化包括产生糖。
104.如权利要求82所述的方法，其中所述纤维素或木质纤维素材料选自由纸、纸制品、废纸、木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、合成纤维素、海藻、藻类及其混合物构成的组。
105.一种方法，其包括：
利用至少2.5Mrad的辐射照射纤维素或木质纤维素材料，同时所述材料处于大气压之上的压强下。
106.如权利要求105所述的方法，其进一步包括在照射期间通过气体覆盖所述材料。
107.如权利要求105所述的方法，其中照射包括利用电子束照射。
108.如权利要求105所述的方法，其进一步包括控制所述材料的温度。
109.如权利要求105所述的方法，其中照射率大于0.15Mrad每秒。
110.如权利要求105所述的方法，其中照射包括将至少约5Mrad的辐射总剂量递送至所述材料。
111.一种方法，其包括：
加工经处理的原料，以产生产物；
经处理的原料已经通过使用预处理方法预处理生物量原料而制备，所述生物量原料包括至少约10重量％的淀粉材料，所述预处理方法改变所述淀粉的分子结构和/或超分子结构。
112.如权利要求111所述的方法，其中所述预处理方法包括辐射。
113.如权利要求111所述的方法，其中所述生物量原料包括木质纤维素原料。
114.如权利要求111所述的方法，其中加工包括糖化。
115.如权利要求111所述的方法，其中加工包括发酵。
116.如权利要求111所述的方法，其中加工包括使所述经处理的原料与酶或微生物接触。
117.如权利要求111所述的方法，其进一步包括在使用所述预处理方法之前、期间或之后，冷却所述生物量原料。
118.如权利要求111所述的方法，其中预处理减少所述生物量原料的分子量。
119.如权利要求112所述的方法，其中所述预处理方法包括利用电子束照射来照射。
120.如权利要求111所述的方法，其中所述预处理方法包括氧化。
121.一种生物量原料加工系统，其包括：
一个或多个照射装置，配置为利用至少两个分开的辐射剂量照射生物量原料；以及
冷却装置，配置为使生物量原料在辐射剂量之间冷却。
122.如权利要求121所述的生物量加工系统，其中所述照射装置包括电子束装置。
123.如权利要求121所述的生物量加工系统，其进一步包括淬灭装置，其被配置为在照射之后淬灭所述生物量原料。
124.如权利要求121所述的生物量加工系统，其中所述冷却装置包括热交换器。
125.如权利要求121所述的生物量加工系统，其进一步包括罐，在照射和冷却之后，所述生物量原料在所述罐中被加工。
126.如权利要求121所述的生物量加工系统，其进一步包括传送系统，其被配置为在所述照射装置之间转运所述生物量材料。
127.一种方法，其包括：
向流动的生物量施加第一剂量的电离辐射，
混合所述生物量，以及
向所述生物量施加第二剂量的电离辐射。
128.如权利要求127所述的方法，其中所述电离辐射包括电子束辐射。
129.如权利要求127所述的方法，其中所述生物量包括纤维素或木质纤维素材料。
130.如权利要求127所述的方法，其进一步包括在所述第一剂量和所述第二剂量之间冷却所述生物量。
131.如权利要求127所述的方法，其中所述生物量为颗粒形式。
132.如权利要求127所述的方法，其进一步包括在施加所述第二剂量之后利用微生物和/或酶来将所述生物量转化成产物。
133.如权利要求132所述的方法，其中所述产物包括糖。
134.如权利要求132所述的方法，其中所述利用步骤包括糖化。
135.如权利要求132所述的方法，其中所述利用步骤包括发酵。
136.一种方法，其包括：
向振动输送机上的流动的生物量施加第一剂量的电离辐射，
混合所述生物量，以及
向所述生物量施加第二剂量的电离辐射。
137.如权利要求136所述的方法，其中所述电离辐射包括电子束辐射。
138.如权利要求136所述的方法，其中所述生物量包括纤维素或木质纤维素材料。
139.如权利要求136所述的方法，其进一步包括在所述第一剂量和所述第二剂量之间冷却所述生物量。
140.如权利要求136所述的方法，其中所述生物量为颗粒形式。
141.如权利要求136所述的方法，其进一步包括在施加所述第二剂量之后利用微生物和/或酶来将所述生物量转化成产物。
142.如权利要求141所述的方法，其中所述产物包括糖。
143.如权利要求141所述的方法，其中所述利用步骤包括糖化。
144.如权利要求141所述的方法，其中所述利用步骤包括发酵。
145.一种方法，其包括：
(a)向原料转运装置提供干燥生物量；
(b)在所述原料转运装置中引起局部振动运动，以分发所述干燥生物量；以及，
(c)在步骤(b)之后，利用电子束照射所述干燥生物量。
146.如权利要求145所述的方法，其中所述电子束由电子束照射装置提供。
147.如权利要求146所述的方法，所述电子束照射装置产生扫描束。
148.如权利要求145所述的方法，其中所述干燥生物量在照射之前被机械加工。
149.如权利要求148所述的方法，其中所述机械加工减少所述干燥生物量中的平均纤维长度。
150.如权利要求148所述的方法，其中所述机械加工包括剪切。
151.如权利要求145所述的方法，其中所述干燥生物量是颗粒材料。
152.如权利要求145所述的方法，其中所述干燥生物量是纤维材料。
153.如权利要求145所述的方法，其中所述生物量包括淀粉材料、纤维素材料或木质纤维素材料。
154.如权利要求145所述的方法，其中施加到所述干燥生物量的电子束辐射总剂量为约10Mrad至100Mrad。
155.如权利要求145所述的方法，其中步骤(c)包括使所述干燥生物量以双通路通过所述电子束。
156.如权利要求145所述的方法，其中所述干燥生物量以均匀厚度分布在所述原料转运装置上或其之中。
157.如权利要求156所述的方法，其中所述均匀厚度小于0.5英寸。
158.如权利要求156所述的方法，其中所述均匀厚度为1至2英寸。
159.如权利要求145所述的方法，其中经照射的生物量通过超声处理装置被进一步加工。
160.如权利要求145所述的方法，其中所述原料转运装置是传送带。
161.一种方法，其包括：
将具有小于0.25g/cm3的起始体积密度的木质纤维素材料致密化，以产生致密化木质纤维素材料；
照射所述致密化木质纤维素材料；以及
糖化经照射的材料。
162.如权利要求161所述的方法，其中所述木质纤维素材料包括农业残渣。
163.如权利要求161所述的方法，其中照射包括暴露于电子束。
164.如权利要求161所述的方法，其进一步包括在糖化之前将所述致密化材料再次打开。
165.如权利要求161所述的方法，其进一步包括在致密化之前利用粘合剂将所述木质纤维素材料组合。
166.如权利要求161所述的方法，其中所述致密化木质纤维素材料具有大于0.3g/cm3的体积密度。
167.如权利要求166所述的方法，其中所述致密化木质纤维素材料具有大于0.5g/cm3的体积密度。
168.如权利要求167所述的方法，其中所述致密化木质纤维素材料具有大于0.7g/cm3的体积密度。
169.如权利要求165所述的方法，其中所述粘合剂是在水中可溶的或在水中可膨胀的。
170.如权利要求162所述的方法，其中所述农业残渣选自由大豆秸秆、玉米秸秆、稻秆、稻壳、大麦秆、玉米轴、麦秆、卡诺拉油菜秆、稻秆、燕麦秆、燕麦壳、玉米纤维和其混合物构成的组。
171.如权利要求161所述的方法，其中所述致密化木质纤维素材料为小球或碎片的形式。
172.一种加工生物量的方法，所述方法包括：
利用电子束辐射照射纤维素或木质纤维素材料，同时冷却所述材料。
173.如权利要求172所述的方法，其中利用至少10Mrad的辐射总剂量照射所述纤维素或木质纤维素材料。
174.如权利要求172所述的方法，其中所述材料选自由木材、刨花板、锯屑、农业废物、污水、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、玉米秸秆、柳枝稷、苜蓿、干草、椰子毛、海藻、藻类及其混合物构成的组。
175.如权利要求172所述的方法，其进一步包括在照射和冷却之后使所述材料与微生物和/或酶接触。
176.如权利要求175所述的方法，其中接触包括糖化所述材料，以产生一种或多种糖。
177.如权利要求176所述的方法，其中所述一种或多种糖包括木糖。
178.如权利要求176所述的方法，其进一步包括发酵所述一种或多种糖，以产生产物。
179.如权利要求172所述的方法，其中照射以1Mrad/s至10Mrad/s的剂量率执行。
180.如权利要求172所述的方法，其中照射包括利用超过一个电子束装置向所述木质纤维素材料施加辐射。
181.如权利要求172所述的方法，其中所述电子束递送具有0.3eV至2.0eV的能量的电子。
182.一种加工生物量的方法，所述方法包括：
在生物量原料在流体中由气动作用传送时或者在生物量在重力影响下落下时，利用电离辐射照射所述生物量原料。
183.如权利要求182所述的方法，其中所述生物量原料包括纤维素或木质纤维素材料。
184.如权利要求182所述的方法，其中照射包括暴露于电子束辐射。
185.如权利要求182所述的方法，其中所述流体包括气体。
186.如权利要求185所述的方法，其中所述气体是氮或者空气。
187.如权利要求185所述的方法，其中所述气体用膨胀剂和/或水蒸气饱和。
188.如权利要求182所述的方法，其中所述生物量从处于地面之上的第一高度处的第一条带被传送，且之后由处于低于所述第一水平的所述地面之上的第二水平的第二条带捕获。
189.如权利要求188所述的方法，其中所述第一条带的后缘和所述第二条带的前缘限定缺口。
190.如权利要求189所述的方法，其中所述电离辐射在所述缺口处被施加。
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