[0269] 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(τ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，超聲處理在氧化介質中執行，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。
[0270] 在某些實施方案中，超聲處理介質是水介質。需要時，介質可以包括氧化劑例如過 氧化物(例如過氧化氫）、分散劑和/或緩沖劑。分散劑的例子包括離子型分散劑例如十二燒 基硫酸鈉和非離子型分散劑例如聚（乙二醇）。
[0271] 在其他實施方案中，超聲處理介質是非水的。例如，超聲處理可以在烴例如甲苯或 庚烷、醚例如二乙醚或四氫呋喃中，或甚至在液化氣體例如氬、氙或氮中執行。
[0272] 塑
[0273] -個或多個熱解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(官能化)的有機材料，其充當關于進一步加工步 驟和/或順序的輸入。熱解可以在螺桿擠壓加工過程之前、之時(在干燥區中）或之后執行。
[0274] 再次參考圖8中的一般圖解，例如通過使第一種材料在管式爐中加熱，使包括具有 第一個數量平均分子量(ΤΜ Ν1)的纖維素的第一種材料2熱解，以提供第二種生物量材料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。使第二種 材料(或在特定實施方案中，第一種和第二種材料)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。
[0275] 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， 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。熱解也可以使第一種和第二種材料滅菌。
[0276] 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(TMni) 低超過約10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超過約75%。
[0277] 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 %。
[0278]在某些實施方案中，起始結晶度指數(在熱解之前）是約40-約87.5%，例如約50-約75%或約60-約70%，并且在熱解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，例如在廣泛熱解后，它可以具有低于5%的結晶度指 數。在某些實施方案中，在熱解后的材料是基本上無定形的。
[0279]在某些實施方案中，起始數量平均分子量(在熱解之前）是約200,000-約3,200， 〇〇〇，例如約250,000-約1，000,000或約250,000-約700,000,并且在熱解后的數量平均分子 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，例如在廣泛熱解后，它可以具有小于約10，〇〇〇或甚至小于約5，000的數量平均 分子量。
[0280] 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，熱解在氧化環境中執行，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。
[0281] 在某些實施方案中，材料的熱解是連續的。在其他實施方案中，使材料熱解預定時 間，并且隨后在再次熱解前允許冷卻第二個預定時間。
[0282] 盤
[0283] -個或多個氧化處理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 生物量中提取有用物質，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。氧化可以在螺桿擠壓之前、之時或之后執行。例如，在擠壓加工過程中，在生物 量在擠壓機中時，氧化可以通過將氧化劑例如過硫酸銨或次氯酸鈉注入生物量內而發生。
[0284] 再次參考圖8,例如通過在空氣或富氧空氣的流中在管形爐中加熱第一種材料，使 包括具有第一個數量平均分子量(ΤΜ Ν1)和具有第一個含氧量(T(h)的纖維素的第一種材料2 氧化，以提供第二種生物量材料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)和具有比第一個含氧量(T0i)高的第二個含氧量(τ0 2)的纖維素。
[0285] 此類材料也可以與固體和/或液體相組合。例如，液體可以以溶液的形式，并且固 體在形式中可以是微粒。液體和/或固體可以包括微生物例如細菌和/或酶。例如，細菌和/ 或酶可以對纖維素或木質纖維素材料起作用，以產生燃料例如乙醇、或共同產物例如蛋白 質。燃料和共同產物在于2006年6月15日提交的FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES," USSN 11/453,951中描述。前述申請各自的完整內容通過引用合并入本文。
[0286] 在其中材料用于制備燃料或共同產物的某些實施方案中，起始數量平均分子量 (在氧化之前）是約200，000-約3，200，000，例如約250，000-約1，000，000或約250，000-約 700，000，并且在氧化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，例如在廣泛氧化后，它可以具有小于 約10,000或甚至小于約5,000的數量平均分子量。
[0287] 在某些實施方案中，第二個含氧量比第一個含氧量高至少約5%，例如高7.5%、高 10.0%、高12.5%、高15.0%或高17.5%。在某些優選實施方案中，第二個含氧量比第一種 材料的含氧量高至少約20.0 %。通過元素分析通過在1300°C或以上操作的爐中熱解樣品來 測量氧含量。合適的元素分析儀是具有VTF-900高溫熱解爐的LECO CHNS-932分析儀。
[0288] 在某些實施方案中，第一種材料200的氧化不導致纖維素的結晶度中的基本改變。 然而，在某些情況下，例如在極度氧化后，第二種材料具有其結晶度( TC2)比第一種材料的纖 維素的結晶度(?)低的纖維素。例如，（TC 2)可以比(?)低超過約5%，例如10、15、20或甚至 25%。當最佳化復合物的彎曲疲勞特性是目標時，這可以是希望的。例如，減少結晶度可以 改善斷裂伸度或可以增強復合物的沖擊阻力。這還可以是增強材料在液體中的可溶性希望 的，所述液體例如包括細菌和/或酶的液體。
[0289] -般地，第一種材料200的氧化在氧化環境中發生。例如，通過在氧化環境中熱解 可以實現或幫助氧化，例如在空氣或富氬空氣中。為了幫助氧化，在氧化之前或在氧化加工 過程中，各種化學試劑例如氧化劑、酸或堿可以加入材料中。例如，在氧化之前可以加入過 氧化物(例如，過氧苯甲酰）。
[0290] 其他加工過程
[0291] 蒸汽爆炸可以不連同本文描述的加工過程中的任何單獨使用，或與本文描述的加 工過程中的任何組合使用。在某些情況下，加壓蒸汽可以在螺桿擠壓步驟加工過程中引入 螺桿擠壓機內。
[0292] 圖23顯示通過包括剪切和蒸汽爆炸以產生纖維材料401的加工過程，將纖維來源 400轉變成產物450例如乙醇的整個加工過程的概述，所述纖維材料401隨后進行水解且轉 變，例如發酵以產生產物。纖維來源可以通過許多可能方法轉化成纖維材料401，包括至少 一個剪切加工過程和至少一個蒸汽爆炸加工過程。
[0293] 例如，一個選項包括剪切纖維來源，隨后為任選的一個或多個篩選步驟和任選的 一個或多個另外剪切步驟，以產生經剪切的纖維來源402,這隨后可以進行蒸汽爆炸以產生 纖維材料401。蒸汽爆炸加工過程任選隨后為纖維回收加工過程，以去除起因于蒸汽爆炸加 工過程的液體或"液劑"404。通過任選的一個或多個另外剪切步驟和/或任選的一個或多個 篩選步驟，可以進一步剪切起因于使經剪切的纖維來源蒸汽爆炸的材料。
[0294]在另一種方法中，首先使纖維材料401蒸汽爆炸，以產生蒸汽爆炸的纖維來源410。 隨后對所得到的蒸汽爆炸的纖維來源實施任選的纖維回收加工過程，以去除液體或液劑。 所得到的蒸汽爆炸的纖維來源隨后可以進行剪切，以產生纖維材料。還可以對蒸汽爆炸的 纖維來源實施一個或多個任選的篩選步驟和/或一個或多個任選的另外剪切步驟。下文將 進一步討論使纖維來源剪切和蒸汽爆炸以產生經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料的加工過程。
[0295] 在剪切或蒸汽爆炸之前，纖維來源可以切割成五彩紙肩材料的小片或小條。剪切 加工過程可以以干燥(例如，具有小于0.25重量％的吸收水）、水合或甚至在材料部分或全 部沒入液體例如水或異丙醇中時發生。該加工過程還可以最佳地包括在蒸汽爆炸或剪切后 使輸出干燥的步驟，以允許干燥剪切或蒸汽爆炸的另外步驟。剪切、篩選和蒸汽爆炸的步驟 可以連同或不連同各種化學溶液的存在而發生。
[0296] 在蒸汽爆炸加工過程中，在高壓下使纖維來源或經剪切的纖維來源與蒸汽相接 觸，并且蒸汽擴散到纖維來源的結構（例如，木質纖維素結構）內。蒸汽隨后在高壓下液化， 從而使纖維來源"潤濕"。纖維來源中的水分可以水解纖維來源中的任何乙酰基(例如，半纖 維素級分中的乙酰基），形成有機酸例如乙酸和糖醛酸。酸依次可以催化半纖維素的解聚， 釋放木聚糖和有限量的葡聚糖。隨后當壓力釋放時，"濕"纖維來源（或經剪切的纖維來源 等）"爆炸"。由于壓力中的突然下降，經液化的水分即時蒸發，并且水蒸氣的爆炸對纖維來 源(或經剪切的纖維來源等)施加剪切力。足夠的剪切力將引起纖維來源的內部結構(例如， 木質纖維素結構)的機械斷裂。
[0297] 經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料隨后轉變成有用產物例如乙醇。在某些實施方案 中，使纖維材料轉變成燃料。轉變纖維材料的一種方法是通過水解以產生可發酵糖412,其 隨后發酵以產生產物。還可以使用使纖維材料轉變成燃料的其他已知和未知方法。
[0298] 在某些實施方案中，在與微生物組合之前，使經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料401滅 菌，以殺死可以在纖維材料上的任何競爭性生物。例如，通過使纖維材料暴露于輻射例如紅 外線輻射、紫外線輻射或電離輻射例如γ輻射，可以使纖維材料滅菌。使用化學滅菌劑例如 漂白劑(例如次氯酸鈉）、氯己定或環氧乙烷，也可以殺死微生物。
[0299] 水解經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料的一種方法是通過使用纖維素酶。纖維素酶是 協同作用以水解纖維素的一組酶。還可以使用商購可得的Accellerase3 1000,其包含使木 質纖維素生物量還原成可發酵糖的酶的復合物。
[0300] 根據目前理解，纖維素酶的組分包括內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶(纖維二糖水解 酶)和b-葡糖苷酶(纖維二糖酶）。當通過2種或更多種組分的組合的水解超過由單個組分表 達的活性總和時，存在纖維素酶組分之間的協同。纖維素酶系統（特別是長枝木霉 (T. longibrachiatum))對于微晶纖維素的一般公認機制是內切葡聚糖酶水解無定形區域 的內部β-1，4-糖苷鍵，從而增加暴露的非還原端數目。外切葡聚糖酶隨后從非還原端切割 掉纖維二糖單位，這依次通過b-葡糖苷酶水解成單個葡萄糖單位。存在在立體特異性中不 同的內切和外切葡聚糖酶的幾種構型。一般而言，組分在各種構型中的協同作用是最佳纖 維素水解所需的。然而，纖維素酶更傾向于水解纖維素的無定形區域。存在結晶度和水解速 率之間的線性關系，由此更高的結晶度指數與更低的酶水解速率相對應。纖維素的無定形 區域以結晶區域速率的2倍水解。通過任何水解生物量加工過程可以執行經剪切和蒸汽爆 炸的纖維材料的水解。
[0301] 生物量的蒸汽爆炸有時引起副產物例如毒物的形成，其對于微生物和酶促活性是 抑制性的。因此，經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料轉變成燃料的加工過程可以任選包括在發 酵前的加灰過量步驟，以沉淀某些毒物。例如，通過加入氫氧化鈣(Ca(0H) 2)，經剪切和蒸汽 爆炸的纖維材料的pH可以升高至超過pH 10,隨后為通過加入H2 S〇4使pH降低至約5的步驟。 加灰過量的纖維材料隨后可以像這樣使用，無需去除沉淀物。如圖23中所示，任選的加灰過 量步驟緊在經剪切和蒸汽爆炸的纖維材料的水解步驟前發生，但也考慮在水解步驟后和在 發酵步驟前執行加灰過量步驟。
[0302] 初級加工過程 [0303]鍵
[0304] 一般地，通過在預處理的生物量材料上操作，例如使經處理的生物量材料發酵，各 種微生物可以產生許多有用產物例如乙醇。例如，通過發酵或其他加工過程可以產生醇、有 機酸、烴、氫、蛋白質或這些材料中的任何的混合物。
[0305]微生物可以是天然微生物或經改造的微生物。例如，微生物可以是細菌例如分解 纖維素的細菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻類，原生動物或真菌樣原生生物例如 粘菌。當生物相容時，可以利用生物的混合物。
[0306]為了幫助斷裂包括纖維素的材料，可以利用一種或多種酶，例如纖維素分解酶。在 某些實施方案中，包括纖維素的材料首先用酶進行處理，例如通過使材料和酶在水溶液中 相組合。這種材料隨后可以與生物素相組合。在其他實施方案中，包括纖維素的材料、一種 或多種酶和微生物可以同時相組合，例如通過在水溶液中相組合。
[0307] 此外，為了幫助斷裂包括纖維素的材料，材料可以在照射后用熱、化學藥品（例如， 礦物酸、堿或強氧化劑例如次氯酸鈉)和/或酶進行處理。
[0308] 在發酵加工過程中，通過發酵微生物例如酵母，使由分解纖維素的水解或糖化步 驟釋放的糖發酵成例如乙醇。合適的發酵微生物具有將碳水化合物(例如葡萄糖、木糖、阿 拉伯糖、甘露糖、半乳糖、寡糖或多糖)轉變成發酵產物的能力。發酵微生物包括酵母屬物種 (Sacchromyces spp.)，例如釀酒酵母（Sacchromyces cerevisiae)(面包酵母）、糖酵母 (Saccharomyces distaticus)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum);克魯維酵母屬 (Kluyveromyces)，例如物種馬克思克魯維酵母(Kluyveromyces marxianus)、脆壁克魯維 酵母(Kluyveromyces fragilis);假絲酵母屬（Candida)，例如假熱帶假絲酵母（Candida pseudotropicalis)和假絲酵母蕓薹屬(Candida brassicae)，棒抱酵母屬(Clavispora)， 例如物種葡萄牙棒抱(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae，管囊酵母屬 (Pachysolen)，例如物種嗜縣管囊酵母（Pachysolen tannophilus)，酒香酵母屬 (Bretannomyces)屬，例如物種克勞森酒香酵母（Bretannomyces clausenii) (Philippidis?G.P.?1996?Cellulose bioconversion technology，in Handbook on Bioethano 1 ： Production and Utilization，Wyman，C · E ·，編輯，Taylor&Franci s， Washington，DC，179-212)。在一個特定實施方案中，微生物可以是樹干畢赤酵母(NRRL-7124)。
[0309] 商購可得的酵母包括例如RedStar?,/Lesaffre Ethanol Red(可從Red Star/ Lesaffre，美國獲得），PALI? (可從Fleischmann' s Yeast，Burns Philip Food Inc.的 分部，美國獲得），§:UPER^r ART? (可從 1 tech 獲得），GERT STRAND? (可從 Gert Strand AB，瑞典獲得），和FERMOL? (可從DSM Specialties獲得）。
[0310] 可以使生物量發酵成乙醇和其他產物的細菌包括例如運動發酵單胞菌 (Zymomonas mobilis)和熱纖梭菌（Clostridium thermocellum) (Philippidis，1996，同 上）。Leschine等人（International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002,52,1155-1160)分離了來自森林土壤的厭氧、嗜溫、分解微生物的細 菌，Clostridium phytofermentans sp.nov·，其使纖維素轉變為乙醇。
[0311] 生物量至乙醇和其他產物的發酵可以使用特定類型的嗜熱或遺傳改造的微生物 來執行，例如嗜熱厭氧桿菌屬(Thermoanaerobacter)物種，包括T.mathranii，和酵母物種 例如畢赤酵母屬物種。T · mathrani i菌株的例子是在Sonne-Hansen等人（Appl i ed Microbiology and Biotechnology 1 9 9 3，3 8，5 3 7 - 5 4 1 )或 Ah r i n g 等人 (八代11.]\^(^〇1^〇1.1997，168，114-119)中描述的厶 314〇
[0312]酵母和發酵單胞菌屬(Zymomonas)細菌可以用于發酵或轉變。關于酵母的最佳pH 是約pH 4-5,而關于發酵單胞菌屬的最佳pH是約pH 5-6。一般發酵時間是在26°C_40°C下約 24-96小時，然而，嗜熱微生物更喜歡較高的溫度。
[0313]在糖化加工過程中使生物量例如纖維素斷裂為較低分子量含碳水化合物的材料 例如葡萄糖的酶被稱為纖維素分解酶或纖維素酶。這些酶可以是協同作用以降解微晶纖維 素的酶的復合物。纖維素分解酶的例子包括：內切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和纖維二糖酶 (β-葡糖苷酶）。纖維素底物最初通過內切葡聚糖酶在隨機位置上水解，產生寡聚中間產物。 這些中間產物隨后是關于外切型葡聚糖酶例如纖維二糖水解酶的底物，以從纖維素聚合物 的末端產生纖維二糖。纖維二糖是水溶性β-1，4-連接的葡萄糖二聚體。最后，纖維二糖酶切 割纖維二糖以產生葡萄糖。
[0314]纖維素酶能夠降解生物量且可以具有真菌或細菌起源。合適的酶包括來自芽孢桿 菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、腐質霉屬(Humicola)、鐮刀菌屬(Fusarium)、 梭孢殼屬（1'1116 13￥13)、枝頂孢屬（八(^6111011；!_11111)、金孢屬（〇1^808口01'；!_11111)和木霉屬 (Trichoderma)，并且包括腐質霉屬、鬼傘屬（Coprinus)、梭孢殼屬、鐮刀菌屬、毀絲霉屬 (Myceliophthora)、枝頂孢屬、頭孢霉屬（Cephalosporium)、柱霉屬（Scytalidium)、青霉屬 (PeniciIlium)或曲霉菌屬(Aspergillus)(參見例如EP 458162)的物種，特別是由選自下 述物種的菌株產生的那些：特異腐質霉（Humicola insolens)(再分類為嗜熱革節孢 (Scytal idium thermophilum)，參見例如美國專利號4，435，307 )、灰蓋鬼傘（Coprinus cinereus)、尖抱鏡刀菌（Fusarium oxysporum)、嗜熱毀絲菌（Myceliophthora thermophila)、大型亞灰樹花菌（Meripilus giganteus)、太瑞斯梭殼孢霉（Thielavia terrestris)、枝丁頁抱屬物種、桃色丁頁抱（Acremonium persicinum)、Acremonium acremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremonium obclavatum、Acremonium pinkertoniae、Acremonium roseogri seum、Acremonium incoloratum和棕色枝頂抱(Acremonium furatum);優選來自物種特異腐質霉DSM 1800、尖 孢鐮刀菌DSM 2672、嗜熱毀絲菌CBS 117.65、頭孢霉屬物種RYM-202、枝頂孢屬物種CBS 478.94、枝頂抱屬物種CBS 265.95、桃色頂抱CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、頭抱霉屬物種CBS 535.71、Acremonium brachypen