[0206] 在某些實施方案中，纖維素和/或木質纖維素材料包括具有第一個數量平均分子 量的第一種纖維素，并且所得到的碳水化合物包括具有比第一個數量平均分子量低的第二 個數量平均分子量的第二種纖維素。例如，第二個數量平均分子量比第一個數量平均分子 量低超過約25%，例如21、31、51、71、1(^、251或甚至10(^減少。
[0207] 在某些實施方案中，第一種纖維素具有第一個結晶度，并且第二種纖維素具有比 第一個結晶度低的第二個結晶度，例如低約2、3、5、10、15或25%。
[0208] 在某些實施方案中，第一種纖維素具有第一個氧化水平，并且第二種纖維素具有 比第一個氧化水平高的第二個氧化水平，例如高2、3、4、5、10或25%。
[0209] 輻射處理
[0210] -個或多個照射加工順序可以用于加工來自廣泛多樣不同來源的原始原料，以從 原料中提取有用物質，并且提供部分降解的有機材料，其充當關于進一步加工步驟和/或順 序的輸入。照射可以減少原料的分子量和/或結晶度。在某些實施方案中，從其原子軌道中 釋放電子的材料中沉積的能量用于照射材料。輻射可以通過下述提供：1)重帶電粒子，例如 α粒子，2)例如在β衰變或電子束加速器中產生的電子，或3)電磁輻射，例如γ射線、X射線或 紫外射線。在一種方法中，通過放射性物質材料的輻射可以用于照射原料。在另一種方法 中，電磁輻射(例如，使用電子束發射器產生的)可以用于照射原料。所應用的劑量依賴于所 需效應和具體原料。例如，高劑量的輻射可以破壞原料組分內的化學鍵，并且低劑量的輻射 可以增加原料組分內的化學鍵合(例如，交聯）。
[0211] 參考圖8,在一種方法中，例如通過用電離輻射（例如，以γ輻射、X射線輻射、 100nm-280nm紫外(UV)線、電子束或其他帶電粒子的形式)處理，照射第一種材料2，其是或 包括具有第一個數量平均分子量(TMN1)的纖維素，以提供第二種材料3,其包括具有比第一 個數量平均分子量低的第二個數量平均分子量( TMN2)的纖維素。第二種材料(或第一種和第 二種材料)可以與微生物(例如，細菌或酵母)相組合，所述微生物可以利用第二種和/或第 一種材料以產生燃料5,其是或包括氫、醇（例如，乙醇或丁醇，例如正、仲或叔丁醇）、有機 酸、烴或這些中的任何的混合物。
[0212]因為第二種材料3具有相對于第一種材料具有減少的分子量、和在某些情況下以 及減少的結晶度的纖維素，所以第二種材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨脹和/或 可溶。這些性質使得相對于第一種材料2，第二種材料3對化學、酶促和/或生物攻擊更敏感， 這可以極大改善所需產物例如乙醇的生產率和/或生產水平。輻射也可以使材料滅菌。 [0 213]在某些實施方案中，第二個數量平均分子量(MN2)比第一個數量平均分子量(TM N1) 低超過約10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超過約75%。
[0214]在某些情況下，第二種材料具有這樣的纖維素，其具有比第一種材料的纖維素的 結晶度(TC〇低的結晶度(TC2)。例如，（TC 2)可以比(τ&)低超過約10%，例如15、20、25、30、35、 40或甚至超過約50 %。
[0215]在某些實施方案中，起始結晶度指數(在照射前）是約40-約87.5%，例如約50-約 75 %或約60-約70 %，并且在照射后的結晶度指數是約10-約50 %，例如約15-約45%或約 20-約40%。然而，在某些實施方案中，例如在廣泛照射后，它可以具有低于5%的結晶度指 數。在某些實施方案中，在照射后的材料是基本上無定形的。
[0216] 在某些實施方案中，起始數量平均分子量(在照射前)是約200，000-約3，200，000， 例如約250，000-約1，000，000或約250，000-約700，000，并且在照射后的數量平均分子量是 約50，000-約200，000，例如約60，000-約150，000或約70，000-約125，000。然而，在某些實施 方案中，例如在廣泛照射后，它可以具有小于約1〇,〇〇〇或甚至小于約5,000的數量平均分子 量。
[0217] 在某些實施方案中，第二種材料可以具有比第一種材料的氧化水平(T(h)高的氧化 水平(T〇 2)。材料的更高氧化水平可以幫助其分散性、膨脹性和/或可溶性，進一步增強材料 對化學、酶促或微生物攻擊的敏感性。在某些實施方案中，為了增加第二種材料相對于第一 種材料的氧化水平，照射在氧化環境下例如在空氣或氧覆蓋層下執行，產生比第一種材料 更氧化的第二種材料。例如，第二種材料可以具有更多羥基、醛基、酮基、酯基、或羧酸基團， 這可以增加其親水性。
[0218] 電離福射
[0219] 每種形式的輻射經由特定相互作用使生物量電離，如通過輻射的能量測定的。重 帶電粒子主要經由庫侖(Coulomb)散射使物質電離;此外，這些相互作用產生可以進一步使 物質電離的高能電子。α粒子與氦原子的核等同，并且通過各種放射性核的α衰變產生，例如 鉍、針、砹、氡、鈁、鐳、幾種錒系元素例如錒、釷、鈾、镎、鋦、锎、镅和钚的同位素。
[0220] 電子經由通過電子速度中的改變產生的庫侖散射和軔致輻射相互作用。電子可以 通過經歷β衰變的放射性核產生，例如碘、銫、锝和銥的同位素。備選地，電子槍可以經由熱 電子發射用作電子源。
[0221]電磁輻射經由3個過程相互作用:光電吸收、康普頓(Comp ton)散射和電子偶的產 生。主要相互作用通過入射輻射的能量和材料的原子數來確定。促成纖維素材料中的吸收 輻射的相互作用總和可以通過質量吸收系數表示，作為入射能量的函數在圖25中顯示。
[0222] 依賴于其波長，電磁輻射再分類為γ射線、X射線、紫外射線、紅外射線、微波或無 線電波。
[0223] 例如，γ輻射可以用于照射材料。參考圖9和10(區域R的擴大視圖），γ輻照器510 包括γ輻射源512例如6()C 〇丸劑，用于容納待照射的材料的工作臺514，和例如由多塊鐵板制 成的儲藏室516,所有這些容納于混凝土安全室520中，其包括在防輻射門526外的迷宮入口 522。儲藏室516包括多個通道530,例如16個或更多個通道，允許γ輻射源在其接近工作臺 的途中經過儲藏室。
[0224] 在操作中，將待照射的樣品置于工作臺上。輻照器配置為遞送所需劑量率，并且監 控設備與實驗塊531相連接。操作者隨后離開安全室，經過迷宮入口和防輻射門。操作者操 縱控制面板532,指導計算機533使用與水壓栗540附著的汽缸536,將輻射源512抬起后放入 工作位置內。
[0225] γ輻射具有進入樣品中的各種材料的顯著穿透深度的優點。γ射線的來源包括放 射性核，例如鈷、媽、锝、絡、鎵、銦、碘、鐵、氪、釤、硒、鈉、銘和氣的同位素。
[0226] X射線的來源包括與金屬靶(例如鎢或鉬或合金)或致密光源(例如由Lyncean商業 生產的那些）的電子束碰撞。
[0227] 用于紫外線輻射的來源包括氘或鎘光燈。
[0228] 用于紅外線輻射的來源包括藍寶石、鋅或硒化物窗陶瓷燈。
[0229] 用于微波的來源包括速調管，Slevin型RF來源，或采用氫、氧或氮氣的原子束來 源。
[0230] 電子束
[0231] 在某些實施方案中，電子束用作輻射源。電子束具有高劑量率(例如，1、5或甚至 lOMrad/秒）、高流通量、較少防范和較少限制設備的優點。電子還可以在引起斷鏈方面更有 效。此外，具有4-10MeV能量的電子可以具有5-30_或更多例如40_的穿透深度。
[0232] 例如通過靜電發生器、級聯發生器、感應變頻機、具有掃描系統的低能加速器、具 有線性陰極的低能加速器、線性加速器和脈沖加速器，可以產生電子束。電子作為電離輻射 源可以是有用的，例如用于相對薄堆的材料，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。在某些實施方案中，電子束的每個電子的能量是約0.3MeV-約 2 · OMeV(百萬電子伏特），例如約0 · 5MeV-約1 · 5MeV，或約0 · 7MeV-約1 · 25MeV。
[0233] 圖11顯示包括在電子束照射原料預處理順序中的各個步驟的工藝流程圖3000。在 第一個步驟3010中，從進料來源接受干燥原料的供應。如上文討論的，來自進料來源的干燥 原料可以在遞送給電子束照射裝置前進行預加工。例如，如果原料衍生自植物來源，那么在 收集植物材料之前和/或在通過原料轉運裝置遞送植物材料前，可以去除植物材料的特定 部分。備選地或另外地，如任選步驟3020中表示的，在遞送給電子束照射裝置之前，可以對 生物量原料實施機械加工(例如，以減少原料中纖維的平均長度）。
[0234] 在步驟3030中，將干燥原料轉移給原料轉運裝置(例如，傳送帶），并且經過原料轉 運裝置的橫斷面寬度以體積大致均勻地分布。這可以在電子束照射加工之前在原料轉運裝 置中的某些點上例如手工或通過誘導局限性震動運動來完成。
[0235] 在某些實施方案中，在產生漿的任選加工過程3040中，混合系統將化學試劑3045 引入原料內。在混合步驟3040中使水與經加工的原料相組合造成含水原料漿，其可以通過 例如管道而不是使用例如傳送帶轉運。
[0236] 下一個步驟3050是包括經由一個或多個(例如，N個）電子束照射裝置使原料（以干 燥或漿形式)暴露于電子束輻射的回路。原料漿在步驟3052時移動通過N個電子束"淋浴器" 中的每一個。移動可以是通過淋浴器和在淋浴器之間以連續速度，或可以存在通過每個淋 浴器的脈沖，隨后為突然移動至下一個淋浴器。在步驟3053時，使小份原料漿暴露于每個淋 浴器某一預定暴露時間。
[0237] 電子束照射裝置可以由Ion Beam Applications、Louvain-la_Neuve、比利時或 Titan Corporation、San Diego、CA商購獲得。一般的電子能可以是lMeV、2MeV、4 · 5MeV、 7.51^￥或1(^6￥。一般的電子束照射裝置功率可以是11^、51^、101^、201^、501^、1001^、 250kW或500kW。原料漿解聚的有效性依賴于所使用的電子能和所應用的劑量，而暴露時間 依賴于功率和劑量。一般的劑量可以采取lkGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy 的值。
[0238] 在考慮電子束照射裝置功率規格中的權衡包括操作成本、資本成本、折舊和裝置 占地面積。考慮電子束照射的暴露劑量水平中的權衡將是能量成本以及環境、安全和健康 (ESH)關注。考慮電子能中的權衡包括能量成本;此處，較低電子能在促進特定原料漿解聚 中可以是有利的（參見例如，Bouchard,等人，Cellulose(2006) 13:601-610)。
[0239] 提供電子束照射的雙通路可以是有利的，以便提供更有效的解聚加工過程。例如， 原料轉運裝置可以將原料（以干燥或漿形式)在下面和以反方向導向其最初轉運方向。雙通 路系統可以允許加工較稠的原料漿，并且可以提供通過原料漿稠度的更均勻解聚。
[0240] 電子束照射裝置可以產生固定束或掃描束。掃描束用大掃描掃掠長度和高掃描速 度可以是有利的，因為這將有效地代替大的固定束寬度。此外，〇.5m、lm、2m或更多的可用掃 掠寬度是可用的。
[0241] 原料漿的部分已轉運通過N個電子束照射裝置后，在某些實施方案中，如步驟3060 中，使原料漿的液體和固體組分機械分離可以是必需的。在這些實施方案中，對于殘留固體 顆粒過濾原料漿的液體部分，并且再循環回到漿制備步驟3040。原料漿的固體部分隨后經 由原料轉運裝置前進至下一個加工步驟3070。在其他實施方案中，原料維持漿形式用于進 一步加工。
[0242] 比電子重的粒子
[0243] 離子粒子束
[0244] 比電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，例如纖維素 材料、木質纖維素材料、淀粉質材料、或本文描述的這些和其他中的任何的混合物。例如，可 以利用質子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。在某些實施 方案中，比電子重的粒子可以誘導更高量的斷鏈。在某些情況下，由于其酸性，與帶負電的 粒子相比較，帶正電的粒子可以誘導更高量的斷鏈。
[0245] 例如使用線性加速器或回旋加速器，可以產生更重的粒子束。在某些實施方案中， 束的每個粒子的能量是約l.OMeV/原子單位-約6,000MeV/原子單位，例如約3MeV/原子單 位-約4，800MeV/原子單位，或約10MeV/原子單位-約1，OOOMeV/原子單位。
[0246] 在這個節段中，公開了可以用于照射各種類型的生物量材料的粒子的類型和性 質。此外，公開了用于產生此類粒子的束的系統和方法。
[0247] 1.離子類型
[0248] -般而言，許多不同類型的離子可以用于照射生物量材料。例如，在某些實施方案 中，離子束可以包括相對輕的離子，例如質子和/或氦離子。在特定實施方案中，離子束可以 包括適度較重的離子，例如碳離子、氮離子、氧離子和/或氖離子。在某些實施方案中，離子 束可以包括更加重的離子，例如氬離子、硅離子、磷離子、鈉離子、鈣離子和/或鐵離子。
[0249] 在特定實施方案中，用于照射生物量材料的離子束可以包括超過一種不同類型的 離子。例如，離子束可以包括2種或更多種(例如，3種、或4種或更多種)不同類型離子的混合 物。示例性混合物可以包括碳離子和質子、碳離子和氧離子、氮離子和質子、以及鐵離子和 質子。更一般地，上文討論的任何離子(或任何其他離子）的混合物可以用于形成照射離子 束。特別地，相對輕和相對較重的離子的混合物可以在單一離子束中使用，其中不同類型的 離子各自在照射生物量材料中具有不同有效性。
[0250]在某些實施方案中，用于照射生物量材料的離子束包括帶正電的離子。帶正電的 離子可以包括例如帶正電的氫離子(例如，質子）、稀有氣體離子(例如，氦、氖、氬）、碳離子、 氮離子、氧離子、硅離子、磷離子，和金屬離子例如鈉離子、鈣離子和/或鐵離子。不希望受任 何理論束縛，認為當暴露于生物量材料時，此類帶正電的離子在化學上表現如同路易斯酸 部分，照射和支持在氧化環境中的陽離子開環斷鏈反應。
[0251] 在特定實施方案中，用于照射生物量材料的離子束包括帶負電的離子。帶負電的 尚子可以包括例如帶負電的氫尚子(例如，氫陰尚子)和具有各種相對負電性的核的帶負電 的離子(例如，氧離子、氮離子、碳離子、硅離子和磷離子）。不希望受任何理論束縛，認為當 暴露于生物量材料時，此類帶負電的離子在化學上表現如同路易斯堿部分，引起在還原環 境中的陰離子開環斷鏈反應。
[0252] 在某些實施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括中性原子。例如，氫離子、 氦離子、碳離子、氮離子、氧離子、氖離子、硅離子、磷離子、氬離子和鐵離子中的任何一種或 多種可以包括在用于照射生物量材料的束中。一般而言，上述原子類型中的任何2種或更多 種(例如，3種或更多種、4種或更多種、或甚至更多種)的混合物可以存在于束中。
[0253] 前述討論已集中于包括單核離子和/或中性粒子(例如原子離子和中性原子)的離 子束。一般地，此類粒子是最容易生成的-就能量而言，并且生成這些種類的親本粒子可以 以大量供應而獲得。然而，在某些實施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括其為多核 的一種或多種類型的離子或中性粒子，例如包括2種或更多種不同類型的核。例如，離子束 可以包括由種類例如他、0 2、出、〇14，和其他分子種類形成的陽和/或陰離子和/或中性粒子。 離子束還可以包括由較重種類形成的離子和/或中性粒子，所述較重種類包括甚至更多的 核，例如基于各種烴的種類和/或各種無機種類，包括各種金屬的配位化合物。
[0254] 在特定實施方案中，用于照射生物量材料的離子束包括單一荷電離子，例如H+、H' He+、Ne+、Ar +、C+、C-、0+、0-、N+、N-、Si+、Si-、P+、P-、Na+、Ca+和 Fe+中的一種或多種。在某些實施 方案中，離子束可以包括多重荷電離子，例如C2+、C3+、C 4+、N3+、N5+、N3_、02+、0 2_、022_、Si2+、Si4+、 Si 2lPSi4_中的一種或多種。一般而言，離子束還可以包括更復雜的多核離子，其具有多重 正或負電荷。在特定實施方案中，由于多核離子的結構，正或負電荷可以有效分布在離子的 基本上完整結構上。在某些實施方案中，正或負電荷可以大體定位在離子結構的部分上。
[0255] 電磁輻射
[0256] 在其中使用電磁輻射執行照射的實施方案中，電磁輻射可以具有例如大于102eV 的能量/光子（以電子伏特），例如大于1〇 3、1〇4、1〇5、1〇6、或甚至大于1〇7^。在某些實施方案 中，電磁輻射具有10 4-107的能量/光子、例如105-106eV。電磁輻射可以具有例如大于10 16hz 的頻率，大于10171^、1018、1019、10 2()或甚至大于1021^。在某些實施方案中，電磁輻射具有 1018-10 22hz 的頻率，例如 1019-1021hz。
[0257] 劑量
[0258] 在某些實施方案中，執行照射（用任何輻射源或源的組合）直至材料接受至少 0.25Mrad的劑量，例如至少1 .OMrad、至少2.5Mrad、至少5. OMrad或至少10.0 Mrad。在某些實 施方案中，執行照射直至材料接受1. 〇Mrad-6. OMrad的劑量，例如1.5Mrad-4. OMrad。在某些 實施方案中，執行照射直至材料接受至少25、50、75、100、125、150、175或甚至超過200Mrad 的劑量。
[0259] 在某些實施方案中，以5.0-1500.0千拉德/小時的劑量率執行照射，例如10.0-750.0千拉德/小時，或50.0-350.0千拉德/小時。在某些實施方案中，以5.0-150.0千拉德/ 小時的劑量率執行照射，例如10.0-125.0千拉德/小時，或15.0-75.0千拉德/小時。
[0260] 在某些實施方案中，使用2個或更多個輻射源，例如2個或更多個電離輻射。例如， 樣品可以以任何次序進行處理，用電子束，隨后為γ輻射和具有約lOOnm-約280nm的UV線。 在某些實施方案中，樣品用3個電離輻射源進行處理，例如電子束、γ輻射和高能UV線。
[0261] 超聲處理
[0262] -個或多個超聲處理加工順序可以用于加工來自廣泛多樣不同來源的原始原料， 以從原料中提取有用物質，并且提供部分降解的有機材料，其充當關于進一步加工步驟和/ 或順序的輸入。超聲處理可以減少原料的分子量和/或結晶度。
[0263] 再次參考圖8,在一種方法中，使包括具有第一個數量平均分子量(ΤΜΝ1)的纖維素 的第一種材料2分散在介質例如水中，并且進行超聲處理和/或以其他方式形成空穴，以提 供第二種材料3,其包括具有比第一個數量平均分子量低的第二個數量平均分子量( ΤΜΝ2)的 纖維素。第二種材料(或在特定實施方案中，第一種和第二種材料)可以與微生物(例如，細 菌或酵母)相組合，所述微生物可以利用第二種和/或第一種材料以產生燃料5,其是或包括 氫、醇、有機酸、烴或這些中的任何的混合物。
[0264] 因為第二種材料具有相對于第一種材料減少的分子量、和在某些情況下，同樣減 少的結晶度的纖維素，所以第二種材料在包含微生物的溶液中一般更分散、膨脹和/或可 溶，例如在大于1〇 6微生物/mL的濃度下。這些性質使得相對于第一種材料2，第二種材料3對 化學、酶促和/或生物攻擊更敏感，這可以極大改善所需產物例如乙醇的生產率和/或生產 水平。超聲處理也可以使材料滅菌，但當微生物假定是活的時候不應使用。
[0265] 在某些實施方案中，第二個數量平均分子量(tMN2)比第一個數量平均分子量(TM N1) 低超過約10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超過約75%。
[0266] 在某些情況下，第二種材料具有這樣的纖維素，其具有比第一種材料的纖維素的 結晶度(TC〇低的結晶度( TC2)。例如，（TC2)可以比(τ&)低超過約10%，例如15、20、25、30、35、 40或甚至超過約50 %。
[0267]在某些實施方案中，起始結晶度指數(在超聲處理之前)是約40-約87.5%，例如約 50-約75%或約60-約70%，并且在超聲處理后的結晶度指數是約10-約50%，例如約15-約 45 %或約20-約40%。然而，在特定實施方案中，例如在廣泛超聲處理后，它可以具有低于 5%的結晶度指數。在某些實施方案中，在超聲處理后的材料是基本上無定形的。
[0268]在某些實施方案中，起始數量平均分子量(在超聲處理之前）是約200,000-約3， 200，000，例如約250，000-約1，000，000或約250，000-約700，000，并且在超聲處理后的數量 平均分子量是約50,000-約200,000,例如約60,000-約150,000或約70,000-約125,000。然 而，在某些實施方案中，例如在廣泛超聲處理后，它可以具有小于約10，〇〇〇或甚至小于約5， 〇〇〇的數量平均分子量。