[0206] 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21、31、51、71、1(^、251或甚至10(^减少。
[0207] 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%。
[0208] 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%。
[0209] 辐射处理
[0210] -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，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）。
[0211] 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。
[0212]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。 [0 213]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(TM N1) 低超过约10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超过约75%。
[0214]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(TC〇低的结晶度(TC2)。例如，（TC 2)可以比(τ&)低超过约10%，例如15、20、25、30、35、 40或甚至超过约50 %。
[0215]在某些实施方案中，起始结晶度指数(在照射前）是约40-约87.5%，例如约50-约 75 %或约60-约70 %，并且在照射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，例如在广泛照射后，它可以具有低于5%的结晶度指 数。在某些实施方案中，在照射后的材料是基本上无定形的。
[0216] 在某些实施方案中，起始数量平均分子量(在照射前)是约200，000-约3，200，000， 例如约250，000-约1，000，000或约250，000-约700，000，并且在照射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，例如在广泛照射后，它可以具有小于约1〇,〇〇〇或甚至小于约5,000的数量平均分子 量。
[0217] 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(T(h)高的氧化 水平(T〇 2)。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。
[0218] 电离福射
[0219] 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、针、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。
[0220] 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。
[0221]电磁辐射经由3个过程相互作用:光电吸收、康普顿(Comp ton)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，作为入射能量的函数在图25中显示。
[0222] 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。
[0223] 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510 包括γ辐射源512例如6()C 〇丸剂，用于容纳待照射的材料的工作台514，和例如由多块铁板制 成的储藏室516,所有这些容纳于混凝土安全室520中，其包括在防辐射门526外的迷宫入口 522。储藏室516包括多个通道530,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。
[0224] 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531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532,指导计算机533使用与水压栗540附着的汽缸536,将辐射源512抬起后放入 工作位置内。
[0225] 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、妈、锝、络、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铭和氣的同位素。
[0226] 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。
[0227] 用于紫外线辐射的来源包括氘或镉光灯。
[0228] 用于红外线辐射的来源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯。
[0229] 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。
[0230] 电子束
[0231] 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 lOMrad/秒）、高流通量、较少防范和较少限制设备的优点。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5-30_或更多例如40_的穿透深度。
[0232] 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 源可以是有用的，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 · OMeV(百万电子伏特），例如约0 · 5MeV-约1 · 5MeV，或约0 · 7MeV-约1 · 25MeV。
[0233] 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）。
[0234] 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。
[0235] 在某些实施方案中，在产生浆的任选加工过程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。
[0236] 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。
[0237] 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lMeV、2MeV、4 · 5MeV、 7.51^￥或1(^6￥。一般的电子束照射装置功率可以是11^、51^、101^、201^、501^、1001^、 250kW或500kW。原料浆解聚的有效性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lkGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy或200kGy 的值。
[0238] 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。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)。
[0239] 提供电子束照射的双通路可以是有利的，以便提供更有效的解聚加工过程。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。
[0240] 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 度可以是有利的，因为这将有效地代替大的固定束宽度。此外，〇.5m、lm、2m或更多的可用扫 掠宽度是可用的。
[0241] 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。
[0242] 比电子重的粒子
[0243] 离子粒子束
[0244] 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。
[0245] 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l.OMeV/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，OOOMeV/原子单位。
[0246] 在这个节段中，公开了可以用于照射各种类型的生物量材料的粒子的类型和性 质。此外，公开了用于产生此类粒子的束的系统和方法。
[0247] 1.离子类型
[0248] -般而言，许多不同类型的离子可以用于照射生物量材料。例如，在某些实施方案 中，离子束可以包括相对轻的离子，例如质子和/或氦离子。在特定实施方案中，离子束可以 包括适度较重的离子，例如碳离子、氮离子、氧离子和/或氖离子。在某些实施方案中，离子 束可以包括更加重的离子，例如氩离子、硅离子、磷离子、钠离子、钙离子和/或铁离子。
[0249] 在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束可以包括超过一种不同类型的 离子。例如，离子束可以包括2种或更多种(例如，3种、或4种或更多种)不同类型离子的混合 物。示例性混合物可以包括碳离子和质子、碳离子和氧离子、氮离子和质子、以及铁离子和 质子。更一般地，上文讨论的任何离子(或任何其他离子）的混合物可以用于形成照射离子 束。特别地，相对轻和相对较重的离子的混合物可以在单一离子束中使用，其中不同类型的 离子各自在照射生物量材料中具有不同有效性。
[0250]在某些实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括带正电的离子。带正电的 离子可以包括例如带正电的氢离子(例如，质子）、稀有气体离子(例如，氦、氖、氩）、碳离子、 氮离子、氧离子、硅离子、磷离子，和金属离子例如钠离子、钙离子和/或铁离子。不希望受任 何理论束缚，认为当暴露于生物量材料时，此类带正电的离子在化学上表现如同路易斯酸 部分，照射和支持在氧化环境中的阳离子开环断链反应。
[0251] 在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括带负电的离子。带负电的 尚子可以包括例如带负电的氢尚子(例如，氢阴尚子)和具有各种相对负电性的核的带负电 的离子(例如，氧离子、氮离子、碳离子、硅离子和磷离子）。不希望受任何理论束缚，认为当 暴露于生物量材料时，此类带负电的离子在化学上表现如同路易斯碱部分，引起在还原环 境中的阴离子开环断链反应。
[0252] 在某些实施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括中性原子。例如，氢离子、 氦离子、碳离子、氮离子、氧离子、氖离子、硅离子、磷离子、氩离子和铁离子中的任何一种或 多种可以包括在用于照射生物量材料的束中。一般而言，上述原子类型中的任何2种或更多 种(例如，3种或更多种、4种或更多种、或甚至更多种)的混合物可以存在于束中。
[0253] 前述讨论已集中于包括单核离子和/或中性粒子(例如原子离子和中性原子)的离 子束。一般地，此类粒子是最容易生成的-就能量而言，并且生成这些种类的亲本粒子可以 以大量供应而获得。然而，在某些实施方案中，用于照射生物量材料的束可以包括其为多核 的一种或多种类型的离子或中性粒子，例如包括2种或更多种不同类型的核。例如，离子束 可以包括由种类例如他、0 2、出、〇14，和其他分子种类形成的阳和/或阴离子和/或中性粒子。 离子束还可以包括由较重种类形成的离子和/或中性粒子，所述较重种类包括甚至更多的 核，例如基于各种烃的种类和/或各种无机种类，包括各种金属的配位化合物。
[0254] 在特定实施方案中，用于照射生物量材料的离子束包括单一荷电离子，例如H+、H' He+、Ne+、Ar +、C+、C-、0+、0-、N+、N-、Si+、Si-、P+、P-、Na+、Ca+和 Fe+中的一种或多种。在某些实施 方案中，离子束可以包括多重荷电离子，例如C2+、C3+、C 4+、N3+、N5+、N3_、02+、0 2_、022_、Si2+、Si4+、 Si 2lPSi4_中的一种或多种。一般而言，离子束还可以包括更复杂的多核离子，其具有多重 正或负电荷。在特定实施方案中，由于多核离子的结构，正或负电荷可以有效分布在离子的 基本上完整结构上。在某些实施方案中，正或负电荷可以大体定位在离子结构的部分上。
[0255] 电磁辐射
[0256] 在其中使用电磁辐射执行照射的实施方案中，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1〇 3、1〇4、1〇5、1〇6、或甚至大于1〇7^。在某些实施方案 中，电磁辐射具有10 4-107的能量/光子、例如105-106eV。电磁辐射可以具有例如大于10 16hz 的频率，大于10171^、1018、1019、10 2()或甚至大于1021^。在某些实施方案中，电磁辐射具有 1018-10 22hz 的频率，例如 1019-1021hz。
[0257] 剂量
[0258] 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 0.25Mrad的剂量，例如至少1 .OMrad、至少2.5Mrad、至少5. OMrad或至少10.0 Mrad。在某些实 施方案中，执行照射直至材料接受1. 〇Mrad-6. OMrad的剂量，例如1.5Mrad-4. OMrad。在某些 实施方案中，执行照射直至材料接受至少25、50、75、100、125、150、175或甚至超过200Mrad 的剂量。
[0259] 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，以5.0-150.0千拉德/ 小时的剂量率执行照射，例如10.0-125.0千拉德/小时，或15.0-75.0千拉德/小时。
[0260] 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lOOnm-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。
[0261] 超声处理
[0262] -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。
[0263] 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(ΤΜΝ1)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( ΤΜΝ2)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。
[0264] 因为第二种材料具有相对于第一种材料减少的分子量、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1〇 6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。
[0265] 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(TM N1) 低超过约10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超过约75%。
[0266] 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(TC〇低的结晶度( TC2)。例如，（TC2)可以比(τ&)低超过约10%，例如15、20、25、30、35、 40或甚至超过约50 %。
[0267]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。
[0268]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10，〇〇〇或甚至小于约5， 〇〇〇的数量平均分子量。