[0269] 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(τ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，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。
[0270] 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烧 基硫酸钠和非离子型分散剂例如聚（乙二醇）。
[0271] 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。
[0272] 塑
[0273] -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(官能化)的有机材料，其充当关于进一步加工步 骤和/或顺序的输入。热解可以在螺杆挤压加工过程之前、之时(在干燥区中）或之后执行。
[0274] 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(ΤΜ Ν1)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( ΤΜΝ2)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。
[0275] 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， 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。热解也可以使第一种和第二种材料灭菌。
[0276] 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(TMni) 低超过约10%，例如15、20、25、30、35、40、50%、60%或甚至超过约75%。
[0277] 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 %。
[0278]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。
[0279]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， 〇〇〇，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10，〇〇〇或甚至小于约5，000的数量平均 分子量。
[0280] 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，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。
[0281] 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。
[0282] 盤
[0283] -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。氧化可以在螺杆挤压之前、之时或之后执行。例如，在挤压加工过程中，在生物 量在挤压机中时，氧化可以通过将氧化剂例如过硫酸铵或次氯酸钠注入生物量内而发生。
[0284] 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(ΤΜ Ν1)和具有第一个含氧量(T(h)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(T0i)高的第二个含氧量(τ0 2)的纤维素。
[0285] 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。
[0286] 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。
[0287] 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°C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。
[0288] 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(?)低的纤维素。例如，（TC 2)可以比(?)低超过约5%，例如10、15、20或甚至 25%。当最佳化复合物的弯曲疲劳特性是目标时，这可以是希望的。例如，减少结晶度可以 改善断裂伸度或可以增强复合物的冲击阻力。这还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。
[0289] -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加工 过程中，各种化学试剂例如氧化剂、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）。
[0290] 其他加工过程
[0291] 蒸汽爆炸可以不连同本文描述的加工过程中的任何单独使用，或与本文描述的加 工过程中的任何组合使用。在某些情况下，加压蒸汽可以在螺杆挤压步骤加工过程中引入 螺杆挤压机内。
[0292] 图23显示通过包括剪切和蒸汽爆炸以产生纤维材料401的加工过程，将纤维来源 400转变成产物450例如乙醇的整个加工过程的概述，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 一个剪切加工过程和至少一个蒸汽爆炸加工过程。
[0293] 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。蒸汽爆炸加工过程任选随后为纤维回收加工过程，以去除起因于蒸汽爆炸加 工过程的液体或"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。
[0294]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加工过程，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加工过程。
[0295] 在剪切或蒸汽爆炸之前，纤维来源可以切割成五彩纸肩材料的小片或小条。剪切 加工过程可以以干燥(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 部没入液体例如水或异丙醇中时发生。该加工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。
[0296] 在蒸汽爆炸加工过程中，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 维素级分中的乙酰基），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。
[0297] 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已知和未知方法。
[0298] 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性生物。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。
[0299] 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Accellerase3 1000,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。
[0300] 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单个组分表 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，这依次通过b-葡糖苷酶水解成单个葡萄糖单位。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。
[0301] 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加工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(0H) 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H2 S〇4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。
[0302] 初级加工过程 [0303]鍵
[0304] 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，通过发酵或其他加工过程可以产生醇、有 机酸、烃、氢、蛋白质或这些材料中的任何的混合物。
[0305]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。
[0306]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。
[0307] 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、碱或强氧化剂例如次氯酸钠)和/或酶进行处理。
[0308] 在发酵加工过程中，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（Candida pseudotropicalis)和假丝酵母芸薹属(Candida brassicae)，棒抱酵母属(Clavispora)， 例如物种葡萄牙棒抱(Clavispora lusitaniae)和Clavispora opuntiae，管囊酵母属 (Pachysolen)，例如物种嗜縣管囊酵母（Pachysolen tannophilus)，酒香酵母属 (Bretannomyces)属，例如物种克劳森酒香酵母（Bretannomyces clausenii) (Philippidis?G.P.?1996?Cellulose bioconversion technology，in Handbook on Bioethano 1 ： Production and Utilization，Wyman，C · E ·，编辑，Taylor&Franci s， Washington，DC，179-212)。在一个特定实施方案中，微生物可以是树干毕赤酵母(NRRL-7124)。
[0309] 商购可得的酵母包括例如RedStar?,/Lesaffre Ethanol Red(可从Red Star/ Lesaffre，美国获得），PALI? (可从Fleischmann' s Yeast，Burns Philip Food Inc.的 分部，美国获得），§:UPER^r ART? (可从 1 tech 获得），GERT STRAND? (可从 Gert Strand AB，瑞典获得），和FERMOL? (可从DSM Specialties获得）。
[0310] 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 Evolutionary Microbiology 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。
[0311] 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 · 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°C_40°C下约 24-96小时，然而，嗜热微生物更喜欢较高的温度。
[0313]在糖化加工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。
[0314]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（1'1116 13￥13)、枝顶孢属（八(^6111011；!_11111)、金孢属（〇1^808口01'；!_11111)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 (PeniciIlium)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 (Scytal idium thermophilum)，参见例如美国专利号4，435，307 )、灰盖鬼伞（Coprinus cinereus)、尖抱镜刀菌（Fusarium oxysporum)、嗜热毁丝菌（Myceliophthora thermophila)、大型亚灰树花菌（Meripilus giganteus)、太瑞斯梭壳孢霉（Thielavia terrestris)、枝丁页抱属物种、桃色丁页抱（Acremonium persicinum)、Acremonium acremonium、Acremonium brachypenium、Acremonium dichromosporum、Acremonium obclavatum、Acremonium pinkertoniae、Acremonium roseogri seum、Acremonium incoloratum和棕色枝顶抱(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、枝顶抱属物种CBS 265.95、桃色顶抱CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、头抱霉属物种CBS 535.71、Acremonium brachypen