專利名稱：：生物質處理的系統(tǒng)和工藝的制作方法生物質處理的系統(tǒng)和工藝本申請在美國的臨時申請?zhí)枮?0/670437,于2005年4月12曰提交。政府的權利聲明本發(fā)明是在美國政府資助下完成，其授予能源部的合同號為No.04-03-CA-70224。政府具有該發(fā)明的某些權利。
技術領域：
提供了一個系統(tǒng)，包括處理生物質(biomass)的設備，其包括預處理和糖化。同樣提供了利用本系統(tǒng)對在生物質混合物里的高千重生物質的預處理和糖化的方法。另外，還提供了優(yōu)化生物質處理的方法。
背景技術：
：纖維和木質纖維的原料和廢棄物，例如農(nóng)業(yè)廢物、木材、林業(yè)廢物、造紙的淤渣和市政及工業(yè)的固體廢物，為化工、塑料、燃料和飼料生產(chǎn)提供了大量的潛在的可再生的生物原料。纖維和木質纖維的原料和廢棄物，其成分為碳水化合物聚合體，包含纖維素、半纖維素、葡聚糖和木質素。這些物質起初通常用各種化學的、機械的和酶的方法處理以主要釋放己糖和戊糖，從而可隨后發(fā)酵為有用的產(chǎn)品。這些處理在復雜性和效率方面有差異。而且，還有許多的方法正在實施，以識別新的健康的商業(yè)化的工藝使已知的從纖維和木質纖維的原料中產(chǎn)生有用的有發(fā)酵力的產(chǎn)品的工藝最優(yōu)化。為了使通過可再生的生物資源生產(chǎn)發(fā)酵糖成為一種經(jīng)濟的、有竟爭力的、可商業(yè)化的方法，要求木質纖維生物質中的碳水化合物的水解能利用低劑量的化學試劑，高效率地產(chǎn)出高濃度的糖，以提供一個可發(fā)酵糖的來源，以便用對于可發(fā)酵生物低毒的方法，將那些糖轉化為有附加值的化學制劑和燃料。為了執(zhí)行這些工藝，各種各樣的設備已經(jīng)使用于不同類型的生物質，進行不同的處理，包括小規(guī)模的工藝開發(fā)和一些大規(guī)模生產(chǎn)設備。一些設備的品種已經(jīng)使用，包括間歇攪拌反應器(GusakovandSinitsyn，(1985)Enz.Microb.Technol.7:346-352)、連續(xù)流攪拌反應器(US4257818)、研磨反應器(Ryu和Lee(1983)Biotechnol.Bioeng.25:53-65)、擠壓反應器(US6176176)、NREL收縮床(shrinkingbed)反應器(Lee等人，(2001)Appl.Biochem.Biotech.91-93:331-340)、和電磁場感應加強攪動的反應器(Gusakov等人，(1996)ApplBiochem.Biotechnol.56:141-153)。特別地，需要能夠提供如下功能的反應器能夠高效率地預處理和/或糖化高干重的在混合物中的生物質。還有對于簡單而高效的設備也有需求，其可用于小規(guī)模的生物質處理工藝，以測試在模仿大工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)中的工藝參數(shù)，況且。還有未滿足的需求利用健康的商業(yè)化工藝和設備來實施包括對在生物質混合物中高干重的生物質進行糖化的工藝。發(fā)明概述在一實施方案中，本發(fā)明提供包括成批處理生物質的設備的系統(tǒng)，包括a)設備，其包括i)至少有一端是開口的圓柱形反應容器；ii)一個或多個附著于上述容器內(nèi)部的擋板；iii)包含自由漂浮在該反應容器內(nèi)部的丸粒狀的研磨介質；iv)用于所述容器開口端的蓋子，其包含一個或多個端口；和v)注射噴槍(lance)，包含輸送加工反應劑的裝置，其中上述裝置是注射噴槍，其沿該反應容器長度延伸并與iv)中的蓋子的第一端口相連；和b)用于旋轉容器擋板的裝置。在另一個實施方案中，本發(fā)明提供用于生物質處理的工藝，包含a)將生物質導入到如權利要求1所述的反應容器；b)將加工反應劑導入到該反應容器；和c)通過旋轉所述反應容器的擋板使擋板升起和下降研磨介質，以使上述加工反應劑進入上述生物質同化(assimilate)。在本發(fā)明另一個實施方案中，提供用于處理生物質的工藝，包含a)預處理在如權利要求1設備的反應容器中的生物質，產(chǎn)生預處理的生物質；b)在反應容器中調(diào)整a)的預處理的生物質的溫度和pH;和c)在所述反應容器里糖化在b)中已經(jīng)調(diào)整的預處理生物質。在另一個實施方案中，本發(fā)明提供了優(yōu)化處理工藝的方法，包含a)將生物質導入到權利要求1所述的設備的反應容器中；b)改變該反應容器中的處理條件；c)在上述變化的處理條件下，通過上述一個或多個端口將處理過的生物質取樣；和d)測試上述樣品以為生物質處理工藝決定最佳處理條件。圖1是生物質處理系統(tǒng)的一個實施方案的略圖附圖2A是顯示生物質處理系統(tǒng)的一個實施方案的詳圖。2B是顯示所述反應容器蓋子的圖。發(fā)明的詳細說明中。而且，當數(shù)量、濃度或者其也的數(shù)值或者參數(shù)，即便是被當做一個范圍、優(yōu)選范圍、或者一高于優(yōu)選值和低于優(yōu)選值的列表時，這些將被明確地理解為已被本發(fā)明由任何一對上限限定或者優(yōu)選值和任何下限或者優(yōu)選值形成所有區(qū)域明確地^^開，而不管所述范圍是否是被單獨地披露。在這里列舉的數(shù)值范圍除非另有說明，包括在所述范圍內(nèi)部的端點，連同其他一切整數(shù)和分數(shù)。本發(fā)明的范圍不限于特殊的值列舉時的定義范圍。本發(fā)明提供一個包括用于生物質處理工藝設備的系統(tǒng)，和用于生物質處理的工藝以及在所述設備中進行的用于優(yōu)化處理的方法。所述系統(tǒng)生物質上，:提供反應劑的:范圍分布。所述系統(tǒng)具有如下功能，能大范圍的將反應劑導入生物質以提高處理工藝。這些特征允許處理在生物質混合物中高干重的生物質。定義:在本申請中，使用了許多術語。以下是定義:術語"可發(fā)酵糖"指那些能被微生物在發(fā)酵過程中作為碳源使用的低聚糖和單糖。術語"木質纖維的"指包含木質素和纖維素的組分。木質纖維材料可能還包含半纖維素。術語"纖維的"指包含纖維素的組分。生物質的"干重"是指除去全部或基所述上全部水的生物質重量。典型的測量千重的方法是按照美國測試和材料學會(ASTM)標準E1756-01(測定生物質中總固體物質的標準測試方法)或者TechnicalAssociationofthePulpandPaperIndustry,Inc.(TAPPI)標準T-412om-02(紙漿、紙和紙板的濕氣)。術語"糖化"指從聚糖中生產(chǎn)可發(fā)酵糖。術語"預處理的生物質，，是指在糖化作用前已經(jīng)預處理的生物質。"生物質(biomass)"指任何纖維的或者木質纖維的材料并包括包含纖維素的和選擇性的包含半纖維素、木質素、淀粉、低聚糖和/或單糖的材料。生物質可同時包含另外的組分，例如蛋白質和/或脂質。按照本發(fā)明，生物質可能是由單一來源得來或者可以包含超過一個來源的混合物；例如，生物質可以包含玉米芯和玉米秸的化合物，或草和葉的混合物。生物質包含但不限于生物質能源作物、農(nóng)業(yè)廢物、城市固體廢物、工業(yè)固體廢物、造紙淤渣、庭院廢物、木材和林業(yè)廢物。生物質的例子包括但是不限于，玉米顆粒、玉米芯、作物殘體例如玉米外皮、玉米秸、草、小麥、麥秸、大麥、大麥秸、干草、稻草、柳枝稷、廢紙、甘蔗渣、高粱、大豆，從加工顆粒、樹、枝、根、葉子、木材碎片、鋸屑、灌木和叢生灌木、蔬菜果實、花和牲畜糞過程中獲得的組分。在一個實施方案中，對本發(fā)明有用的生物質包括那些相對密集的和/或相對便于收集、運輸、貯藏和/或搬運的有比較高的碳水化合物值的生物質。在本發(fā)明的一個實施方案中，有用的生物質包括玉米芯、玉米秸和甘蔗渣。"含氨水溶液"指如下物質的水溶液氨氣(NH3)、含銨離子(NH4+)的化合物例如氬氧化銨或者硫酸銨、那些在降解過程中釋放氨的化合物例如尿素、及其在水性介質中的組合。術語"處理，，指反應劑作用于材料的過程，在此過程中材料的物理的和/或化學的性質被改變。術語"反應劑"指在處理工藝的條件下能改變目標材料物理的和/或化學性質的組分。用于糖的"聯(lián)合酶(enzymeconsortium)"是酶的組合，其能作用于生物質混合物以制造可發(fā)酵糖。代表性地，糖化聯(lián)合酶可以包含一個或多個糖苷酶；所述糖苷酶可選自纖維素水解糖苦酶、半纖維素水解糖苷酶、和淀粉水解糖苷酶。其他的糖化作用聯(lián)合酶可以包括多肽、脂肪酶、木質素和阿魏酯酶。生物質處理系統(tǒng)本發(fā)明生物質處理系統(tǒng)的最佳方案是參考圖l制造，其顯示了所述系統(tǒng)的一個實施方案。所述系統(tǒng)的設備包含圓柱形的反應容器(IO)，其具備一個封閉端(ll),和一個開口端(12)?；顒由w(13)裝配在開口端，并且可以是可靠地固定在所述容器開口端上。在蓋子里至少存在一個端口。注射噴槍(14)貫穿蓋子(15)中心的端口進入反應容器。注射噴槍是一個沿圓柱形反應容器的縱向中心從端口延伸的管子。注射噴槍的末端即距離端口的遠端(16)是密封的。注射噴槍沿著它的長度有V形排列的孔(17)。這些孔允許逃逸的內(nèi)容物從注射噴槍內(nèi)部沿大約10點鐘和2點鐘方向向上進入反應容器。另外，真空源可以通過和噴槍通連的端口應用，由此在容器內(nèi)部建造一個真空。附著于所述反應容器內(nèi)表面的是擋板(18)，其擴展到容器中開放的空間，并且沒有接觸所述注射噴槍。在反應容器的內(nèi)部是自由漂浮的研磨介質(19)。所迷設備被水平地安置在輥(20)上，該輥用來在所述生物質處理系統(tǒng)中旋轉反應容器。在生物質處理期間，所述設備維持在水平位置，并施加用于反應容器的擋板沿容器縱軸的方向旋轉的裝置，以形成生物質處理系統(tǒng)。所述擋板可以是附著于反應容器內(nèi)表面，而在這樣情況下容器整體是旋轉的。另外，擋板可以是附著于在反應容器之內(nèi)一個套筒的表面，而在這樣情況下當套筒旋轉時，容器本身是固定的。旋轉容器或者套筒可以是用可以提供自轉的任何方法完成。例如，旋轉容器可以是放置在外部的輥、帶、輪子、樞軸或者其他的滾動感應平臺上。設備可以是罩在使得所述容器旋轉的反應器中，或者旋轉裝置可以與所述設備結合使用?？梢杂幸粋€貫穿容器的驅動軸，它連接容器壁或者套筒用于施加旋轉。轉速是可變的，由使用的特殊的處理工藝和設備的尺寸來決定。轉速足夠推動級聯(lián)的研磨介質，如下文所記載，并且可以被所述領域技術人員決定。反應容器的開口端的蓋子可以用本領域已知的方法技術固定到容器上，例如用螺旋、夾具、柵、擔夾(dog)或者其他的緊固件。反應容器可以是兩端開口的，每端各有一個蓋子。在所述蓋子(或者兩個蓋子，如果每端都有一個的話)里的端口是開放的用于通向反應容器的內(nèi)部。端口可以是用于連接內(nèi)部的設備例如噴槍、和/或外部設備例如真空裝置或者注氣設備的位置。外部設備的連接可以是暫時的(僅當在處理工藝期間必要時)，或者是永久的。因此端口可以有連接器，而且當閑置時蓋子可封閉所述端口。使用將端口連接在蓋子里的傳統(tǒng)的連接器，包括分枝的連接器和回轉接頭。端口可能同時是蓋子內(nèi)提供通向內(nèi)部的開口，例如取樣或者釋放壓力，同時它們自己可以有蓋子。對于生物質處理，設備的溫度是要求的溫度并且是受控的?？刂破髟O備溫度可以用能加熱的任何方法，例如施加一個加熱夾套、通過注射噴槍或者另一個端口注入熱氣、燃燒可燃氣體、或者使用汽鍋的煙道廢氣熱來完成。另外設備可以安裝在那些為該設備提供熱的烘箱、油浴、或者其他類型的反應器里。所述設備內(nèi)部的溫度可以用穿過連接注射噴槍蓋子里的端口并下至注射噴槍插入溫度測量裝置測定，例如熱電偶。通過將溫度測量裝置向下插入注射噴槍至一半處，可以測量反應容器接近中心的溫度?？衫萌缦路椒ɡ鋮s容器使用冰或者在冷卻套中的另一冷卻劑、使冷卻氣體通過注射噴槍、將反應器放置在冷卻浴中、或者冷卻(冷凍)其內(nèi)有反應容器的外箱。這可以由另外的裝置或者所述設備的裝置來完成。所述注射噴槍提供用于沿著反應容器的長度導入并且分配溶液或者氣體的裝置。例如，氮、二氧化碳、蒸汽、加工反應劑、和pH調(diào)整溶液可以通過該注射噴槍導入。那些通過注射噴4倉導入的加工反應劑可以使用本4貞域熟知的任何方法在注射前預熱。例如，可以使加工反應劑通過一個熱線圏來加熱反應劑，該熱線圈通過在蓋子里的端口的中心連接在注射噴槍上。加熱線圏浸在維持在加熱加工反應劑需要的溫度的加熱水浴中。真空可以通過蓋子里的端口施加到所述設備的反應容器里。真空源可以連接到蓋子里的端口上，典型地是那些連接在注射噴槍的端口。分支連接器或者回轉接頭提供對于真空和用于反應劑的通道到注射器噴槍上的連接。真空可能用來幫助在反應器容器里加工反應劑向生物質的滲透。通過向含有生物質的容器施加真空，可以將空氣從生物質中抽出，以使加入的加工反應劑滲透得更好。同時反應器中的空氣可以替換為惰性氣氛例如N2或者氬。真空可以應用于幫助冷卻反應容器里的內(nèi)容物，當工藝需要使用蒸發(fā)制冷時。在生物質處理工藝過程中生成的氣體可以通過施加真空和使用排氣冷凝器回收。真空源和排氣冷凝器可以附著于蓋子的端口，因此蒸氣透過所述端口進入到冷凝器。濃縮的、回收的加工反應劑(例如氨)可以在后面的的生物質處理工藝中再利用。當用于預處理工藝時，除去氨降低預處理生物質的pH從而節(jié)省需要的化學制劑，該化學制劑用于將預處理生物質的pH中和至酶的糖化作用和生物催化劑發(fā)酵所需的最佳pH。通過降低和微生物接觸的鹽量，降低的化學制劑的使用同樣改善了后續(xù)發(fā)酵，因此提高產(chǎn)率和生產(chǎn)力。所述設備的反應容器也可以通過蓋子中的端口的注射來加壓。例如，二氧化碳源可以連接到連接了注射噴槍的蓋子中的端口，從而將二氧化碳注入以，例如，將反應容器內(nèi)部的真空加壓、降低pH和/或以別的方式推動生物質處理工藝。連接器分支可以通過同一端口將二氧化碳源、真空源和反應劑通道連接到注射噴槍。描述)中加工反應劑同化進入生物質的任;可形式、數(shù)量和排列。當擋板沿容器的底部旋轉時，研磨介質和生物質被擋板升起，當擋板沿容器的頂端旋轉時，它們滑下。擋板可以沿垂直的或者是成角度的方向延伸到內(nèi)表面，其角度允許介質被升起并隨后下滑，或者級聯(lián)(cascading)。擋板可以連續(xù)的運行反應器的整個長度，或者部分反應器長度的擋板可以排列成直線，或者;f皮此傾斜相對。擋板擴展到容器內(nèi)部形成表面，其寬度足夠升起研磨介質，當擋板向容器的頂端移動時，其寬度足夠狹窄能使那些研磨介質容易地滑下。本領域技術人員知曉，當擋板旋轉以推動加工反應劑與生物質混合時，各種各樣的擋板的形式、位置和數(shù)量應使研磨介質和生物質有效地級聯(lián)，而且在不同尺寸反應容器中有不同的最優(yōu)排列。所述設備一般由抗腐蝕材料制成，其能經(jīng)受壓力、溫度和生物質處理工藝中通常使用的加工反應劑。抗蝕材料的例子包括不銹鋼、Hastelloy(耐鹽酸鎳基合金)、陶乾、Inconel(鉻鎳鐵合金)、二聯(lián)不銹鋼、鋯和碳鋼。不同的生物質處理工藝的實施溫度介于-l(TC與大約220°C，典型的溫度介于4。C和170。C之間。同時生物質處理工藝可以是在溫度介于室溫(大約25。C)和大約17(TC范圍之間實施。生物質處理工藝使用的壓力一般介于大氣壓和大約1200kPa范圍之間，典型的壓力介于大氣壓和大約310kPa范圍之間，并且進一步優(yōu)選的壓力值在大約大氣壓和138kPa之間。在一個特定的實施方案中，設備使用的材料是那些本領域技術人員眾所周知的經(jīng)得起生物質特殊處理工藝條件的材料。在實施方案中，獨特的適合用于所述反應容器的材料是10號鋼厚度(schedule10thickness)的不銹鋼，其可以在壓力介于大氣壓和大約310kPa，溫度最高到大約145。C使用。另夕卜，所述設備可以是由其他的材料制成，只要經(jīng)得起較高的溫度和壓力，以及腐蝕性很強的加工反應劑例如強酸性物。更嚴酷的生物質處理條件包括溫度最高到大約220。C,壓力最高到大約1216kPa，和強酸性反應劑例如硫酸。當使用這些加工條件時，材料例如Hastelloy⑧和鋯將是有效的。所述反應容器的直徑是足夠大的，使得所述容器可以包圍注射噴槍和擋板，而且當擋板旋轉時有空間為研磨介質自由地級聯(lián)。反應容器的內(nèi)徑可以為大約10厘米，典型的內(nèi)徑是至少大約15cm，其可以按比例增大，包括工業(yè)化的尺寸。研磨介質被導入設備而在反應容器中自由漂浮。研磨介質添加量使得小于反應容器容積的約10°/。被研磨介質占據(jù)。典型地，研磨介質用量占所述反應容器容積的大約3%到大約7%之間。研磨介質可以是不同的形狀和尺寸并以不同的數(shù)目使用，其取決于反應容器的尺寸。所述設備的具體實施方案中使用的研磨介質的尺寸、形狀、數(shù)目和成分，可由本領域技術人員決定。尤其有用的是丸粒(pellets)例如由重的、密致材料制造的柱體(cylinder),有由抗蝕材料構成的堅固的無孔的，防腐劑-抗破碎表面。研磨介質可以從商業(yè)渠道獲得，例如從E.R.AdvancedCeramics(EastPalestine,OH)。當擋板旋轉時，研磨介質被擋板提起并倒在生物質上。擋板轉動的速度被調(diào)整至介質經(jīng)歷級聯(lián)運動，而不至于因為速度太低滑在容器壁上或者因為速度過高而保持與容器壁鄰接。不受理論約束的，認為研磨介質落在生物質上提供擠注壓力，導致滲出包括加工反應劑和溶液化生物質組分的混合物的液體。大量液體隨后取代已使用的滲出液體。所述生物質的研磨介質的提升重量，應考慮到當擋板旋轉時，加工反應劑混合物滲入生物質的附加量。反復地從加工反應劑混合物上榨取和滲入生物質形成抽吸作用。從反應劑混合物抽吸進出生物質是特殊種類的機械混合工藝，其推動反應劑同化(assimilation)進入生物質，并由此加強了生物質處理工藝。液體的這種交換使得更高濃度的反應劑能夠在氣孔中被交換，以放空所述生物質氣孔中已經(jīng)反應過的液體。以下對一個實施方案的設備的描述并不意味著局限，只是提供一個特別適用的設備結構。在實施方案中，如圖2所示，設備的反應容器(IO)容量有大約9L,51厘米長，內(nèi)徑15厘米。它用304不銹鋼管和附件制造。容器的開口端(ll)直徑為IO厘米，具有4個等距的蓋子附著位點(12),各從開口向外伸展2.54厘米。蓋(13)是圓盤，直徑為15.2厘米。蓋子有兩個端口，第一端口在中央(14)和第二端口在中心和邊緣(15)之間，直徑各為1.9厘米。注射噴槍(16)貫穿蓋子的中心端口并與回轉接頭(17)連接。有分支連接器(18)附著于所述回轉接頭。注射噴槍用直徑0.64厘米的不銹鋼管制成。噴槍(19)上的孔直徑為0.165厘米，排列成2.54厘米間隔的V形圖案。每排孔間的角度大約120度。有兩排孔，每排單一線上的孔相隔5.1厘米，2條線上的孔偏移2.54厘米，如是實際上在噴槍的交互側面上每2.54厘米有一個孔。蓋子上的第二端口提供取樣和加入試劑的通道而無需移動蓋子。有四個擋板(20),每個的每次行程為反應容器壁的長度(他們與該容器壁連接)，并自從容器內(nèi)壁伸出3.8厘米并垂直于該容器內(nèi)壁的表面。22個研磨介質柱體(21)尺寸為3.2cmX3.2cm,由氧化鋯或者砜土制成(購買自E.R.AdvancedCeramics,EastPalestine,OH)，被添加到反應容器中，占用大約5.5%的容器容積。i殳備安置在滾動支座(22;BellcoCellProductionRollerApparatus,BellcoTechnology,VinelandN丄USA)上，由此在處理工藝期間以大約19rpmi走轉，以形成生物質處理系統(tǒng)。滾動支座和"i殳備一皮安置在恒溫箱室(23)的內(nèi)部以進4亍溫度控制。在下文的實施例中，外部設備附屬于圖2的設備形成系統(tǒng)。為了導入預處理反應劑，高效液相色譜泵連接在蓋子上的分支注射噴槍旋轉端口連接器上，其流量為在10342kPa精確壓力下，大約800ml/min。所述高效液相色譜泵通過加熱線圈連接，加熱線圈用0.32厘米不銹鋼管材建造，其沉浸在8L的Parr反應容器中的水中。Parr反應器的加熱控制器設置在高于在Golden,CO中的水的沸點溫度(大約93°C)，以輸入功率為3KW的加熱器維持快速的沸騰。真空源連接至在蓋子上的分支注射噴槍端口的旋轉連接器。真空源可以連接到排氣冷凝器上，該排氣冷凝器連接至在大約1.5。C運行的冷卻水浴。排氣冷凝器包括涂有聚四氟乙烯TM的沉浸在水浴中的2L水瓶，并且連接在被抽空到大約85kPa的真空歧管上。二氧化碳源可同時連接至所述分支注射噴槍端口的旋轉連接器。應該理解，包括所述設備的系統(tǒng)設備可以是以上述描述的特征和原則為基礎按比例增大。設備的反應容器直徑大約3-4米，長度大約15-18米，特別適于工業(yè)規(guī)模的生物質處理。具有在圖2中描述范圍內(nèi)的反應容器尺寸的設備和具有工業(yè)規(guī)模尺寸的設備都是本發(fā)明實施方案。生物質處理中使用設備的方法
技術領域：
：本發(fā)明的系統(tǒng)設計成生物質的處理，包括使用不同工藝的不同處理類型。在實施方案中所述系統(tǒng)用于生物質預處理工藝。在另實施方案中所述系統(tǒng)用于生物質糖化工藝。這兩種生物質處理可以是在相同的生物質樣品上先后實施，或者在不同的生物質樣品上單獨地實施。生物質樣品可以在另一設備中預處理而在本發(fā)明的設備中糖化，或者可以是在本發(fā)明的設備預處理然后在另一單獨的設備中糖化。包括所述設備的本發(fā)明系統(tǒng)特別適于處理生物質設備，且特別適于在生物質反應混合物中的高千重的生物質的糖化作用。最初的生物質千重可以是至多占生物質反應混合物大約80%的重量。更為合適的，生物質干重可以是至多占生物質反應混合物大約60%的重量。優(yōu)選最初的生物質濃度占生物質反應混合物重量的比例為大約15%和大約50%之間。通過注射噴槍導入反應劑和研磨介質，且研磨介質和擋板的功能提供反應劑至生物質的同化，由此有效地在高生物質濃度下進行加工。在糖化作用的過程中，其中例如纖維素酶和半纖維素酶的酶水解生物質以產(chǎn)生可發(fā)酵糖，通過所述容器擋板的旋轉，酶通過生物質和研磨介質的級聯(lián)被同化入生物質。在生物質上級聯(lián)介質的效果可以成功地處理在生物質混合物里的高固體干重的生物質。在預處理工藝中，生物質通過反應容器的開口端被導入本發(fā)明的設備。在生物質導入到所述設備之前，可以應用能源將生物質減少尺寸和/或增加暴露表面面積，例如通過壓碎、磨、研磨、切細、切碎、圓盤精煉、超聲和微波。導入生物質的量取決于反應容器的尺寸和將使用的特定處理工藝，并且可以由本領域的技術人員決定。設備可以預熱到要求的加工溫度。加工反應劑通過固定容器蓋子中的端口注入，并通過注射噴槍進入到反應容器。在一個實施方案中，反應劑被預熱并且，當擋板旋轉時，通過在注射噴槍上表面的孔噴霧導入，因此當生物質通過噴霧上方時與反應劑接觸。所述加工反應劑可以是那些用于生物質預處理工藝的任何成分，只要它們與所述設備構造的材料不矛盾。典型的預處理反應劑包括氧化劑、變性劑、清潔劑、有機溶劑和堿，其列舉于US2004/0231060,以及酸。一些適宜的反應劑包括過乙酸(Teixeira等，(1999)Appl.Biochem.andBiotech.77-79:19-34)、過氧化氫(Gould(1983)Biotech,andBioeng.26:46-52)、氬氧化鈉和過氧化氬(Curreli等(2002)ProcessBiochem.37:937-941)、氨水(KimLee(2005)BioresourceTech.)96:2007-2013)、和無水氨液體(Teymouri等(2005)BioresourceTech.96:2014-2018)。用于本發(fā)明中生物質預處理的特別適合的加工反應劑是氨水。最優(yōu)選的是含氨的水溶液，其用于生物質-氨水混合物，在其中氨濃度至少足夠維持生物質-氨水混合物的pH的堿性，但是氨含量應小于生物質干重的約12%,如未決申請CL2825所述。加工反應劑的添加量，以及由此的生物質濃度，可以依據(jù)使用的預處理工藝變化。本發(fā)明的設備特別適宜預處理高濃度的生物質，其中千重生物質的起始濃度至少占生物質-氨水混合物重量的大約15%(重量比)。高生物質濃度減少預處理材料的量，使工藝更經(jīng)濟。另外，用高生物質濃度，使得后續(xù)在發(fā)酵作用中，糖化作用的需要的糖的濃度的滴定量減至最少。如上所述的所述方明設備機混合的壓榨和過濾方式，特別適于在所述生物質混合物中的高干重生物質的處理工藝。在將生物質裝填至本發(fā)明設備之前，反應容器的氣氛可以用氮或者任何其他選擇的氣體沖洗。例如，抽真空然后用氮氣通過端口導入以替換空氣。當需要充分地置換空氣時，上迷方法可以重復多次。如上所述，對設備包含生物質和預處理反應劑的設備進行溫度控制。如上所述，反應容器的擋板是旋轉的。預處理工藝允許的時間取決于具體使用的工藝，典型地時間為大約5分鐘到大約8小時。當反應進行時，樣品可以從設備蓋子中的端口取出。可以對這些樣品進行分析以評估預處理反應的完全性。可以使用各種分析方法，取決于所使用的預處理方法，例如，近紅外的(NIR)光譜學、化學全分析或者通過在樣品上實施小的糖化作用。當使在預處理條件下形成蒸氣的反應劑時，反應劑蒸氣可以用連接至如前所述的排氣冷凝器的真空裝置收集。典型地，在預處理工藝結束之后，反應劑蒸氣被收集和濃縮以便再利用。實例之一是當使用液氨作為反應劑時的氨蒸汽的收集。收集的氨蒸汽可以被液化，用于加工反應劑以預處理其他的生物質。預處理過的生物質可以從設備中移除，或者可以進行第二類型的生物質處理、糖化，而無需移走所述?；蛘?，樣品已經(jīng)在單獨的設備中預先處理的生物質可以被導入到用于糖化的本發(fā)明設備中。糖化反應劑的添加量，以及由此的生物質濃度，可以依據(jù)使用的糖化工藝變化。糖化反應劑典型地使用本發(fā)明設備的注射噴槍被直接注入到反應容器中。通過注射噴槍對糖化反應劑的導入、以及研磨介質和擋板的功能促進反應劑同化進入生物質，使得在高生物質濃度中的糖化是有效的。糖化反應劑可以以千燥的形式通過蓋子的端口或者打開的蓋子導入。在糖化期間，生物質干重可以占生物質-反應混合物重量的至多大約80%。更為合適的，生物質千重可以占生物質-反應混合物重量的至多大約60%。優(yōu)選最初的生物質濃度占生物質-反應混合物重量的大約15%和大約40%之間。高的生物質濃度減少糖化材料的總量，使工藝更經(jīng)濟。這表明在高生物質含量下的糖化作用酶聯(lián)合依然是有效的，其中雜質、初始酶解物和產(chǎn)品的含量沒有被稀釋，并且其中不同的抑制和去活過程可能發(fā)生。在低的生物質濃度下，如糖化作用中通常使用的，由于高的稀釋因子，潛在的抑制和去活過程顯著地減少或者不存在。另外，用高的生物質濃度，對后續(xù)在發(fā)酵作用中，糖化作用的需要的糖的濃度的滴定量減至最少。本方明設備如上所述的機混合的壓榨和過濾方式，特別適于在所述生物質混合物中的高千重生物質的糖化作用。糖化加工反應劑包含的酶能水解預先處理過的生物質以釋放寡糖和/或單糖。糖化作用酶及其用糖化作用酶處理生物質的方法在Lynd,LR.,等(Microbiol.Mol.Biol.Rev.(2002)66:506-577)中概述。典型地，所用的糖化作用聯(lián)合酶包含但不限于主要從"糖苷"基團中選擇的一種或多種酶，它水解二-、寡-和聚糖的醚鍵，并且在可參見酶分類中在通用"水解酶"(EC3.)中的EC3.2.1.x(EnzymeNomenclature1992，AcademicPressSanDiego,CAwithSupplement(1993),Supplement2(1994)，Supplement3(1995)，Supplement4(1997)和Supplement5[分別地在EurJ.Biochem,(1994)223:1-5，Eur.J.Biochem.(1995)232:1-6，Eur.J.Biochem.(1996)237:1-5，Eur.J.Biochem.(1997)250:1-6，和Eur.J.Biochem.(1999)264:610-650中])。對本發(fā)明有用的糖苷酶可以通過生物質水解成分分類。對本發(fā)明有用的糖苷酶包括纖維-水解糖苷酶(例如，維素酶、內(nèi)葡聚糖酶、外葡聚糖酶、纖維二糖水解酶(cellobiohydrolase)、15-葡糖苷酶)、半纖維素-水解糖苷酶(例如，木聚糖酶、內(nèi)木聚糖酶、外木聚糖酶、J3-木聚糖酶、阿拉伯糖基木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖酶、膠質酶、葡萄糖苷酸酶)、以及淀粉-水解糖苷酶(例如，淀粉酶、a-淀粉酶、fi-淀粉酶、葡糖淀粉酶、a-葡萄糖苷酶、異淀粉酶)。另外，將其他的活性成分添加到糖化聯(lián)合酶也可能有用處，例如多肽(EC3.4.x.y)、脂肪酶(EC3.1.1.x禾口3.1.4.x)、木質素(EC1.11.l.x)禾口P可凄鬼酉旨酶(EC3.1.1.73),以幫助從生物質的其他組分釋放聚糖。本領域公知的是，制造聚糖-水解酶的微生物經(jīng)常顯示例如纖維素降解的活性，其通過數(shù)個酶或者一群有不同的酶解專一性的酶催化。因此從微生物荻得的"纖維素酶"可以包含一群酶，它們所有的都可以貢獻纖維素-降解活性。商業(yè)的或者非商業(yè)酶制劑，例如纖維素酶，可以包含許多的酶，取決于使用的提純獲得酶的方案。因此本發(fā)明工藝的糖化作用聯(lián)合酶可以包含酶活性，例如"纖維素酶"，然而要認識到其活性可以被超過一種的酶催化。糖化酶可以商業(yè)地獲得，例如SpezymeCP纖維素酶(GenencorInternational，Rochester,NY)和Multifect⑧木聚糖酶(Genencor)。本領域技術人員懂得如何決定在聯(lián)合中的酶的有效量以及調(diào)整條件以使酶活性最優(yōu)。本領域技術人員同樣懂得如何優(yōu)化聯(lián)合酶的活性成本發(fā)明中，當預處理并然后糖化的生物質時，在糖化作用處理之前，預處理過的生物質的pH以及溫度被調(diào)節(jié)到對糖化作用酶的活性有利的狀態(tài)。當用酸或者^5威預處理時，預處理過的生物質的pH可以通過向反應容器導入pH調(diào)整溶液或者固體來提高或者降低。為了獲得pH調(diào)整溶液在預處理過的生物質中的良好分布，當反應容器中的擋板旋轉時，通過噴^r將pH調(diào)整溶液注入到預處理生物質中。溶液可以預熱，典型地預熱到與糖化聯(lián)合酶相容的溫度，例如大約5(TC。另外，pH調(diào)整溶液可以通過蓋子的端口導入。容器的擋板可以旋轉以促進pH調(diào)整溶液同化進入由研磨介質和擋板提供的生物質，通過樣品端口移開樣品，生物質被周期地測試pH直到達到要求的pH。pH目標可以是在大約2和11之間，取決于糖化作用所使用的酶，因為如同本領域技術人員所知，不同的酶會顯示不同的最優(yōu)的pH。更典型地，所需pH在大約4和10之間，而pH大約5.5是最典型的。糖化作用的溫度一般地在大約15。C到大約IO(TC之間，同樣取決于糖化作用所使用的酶，因為如同本領域技術人員所知，不同的酶顯示不同的最適溫度。典型的溫度在大約2(TC到大約IO(TC之間。糖化作用是當反應容器的擋板旋轉時進行的。使反應劑同化進入設備中的反應劑的壓榨和過濾的方式，如上所述，增強了糖化作用反應劑到生物質的通道，由此提供高效率的糖化作用工藝。該工藝持續(xù)的時間從大約幾分鐘到大約120小時，優(yōu)選從大約幾小時到大約72小時。反應時間取決于酶濃度和具體的活性，和使用的酶解物和環(huán)境條件，例如溫度和pH。對于使用的特定的生物質和糖化作用聯(lián)合酶，本領域技術人員可以容易地決定最優(yōu)溫度、pH和時間條件。本發(fā)明設備對最優(yōu)化生物質處理工藝特別有用。有許多的處理條件，其可能在生物質處理工藝方面有差異，無論它是預處理或者糖化作用工藝?？勺兊臈l件包括但是不局限于，pH、溫度、加工反應劑種類和加工反應劑濃度、生物質反應混合物中生物質干重百分比、添加反應劑的進料策略、壓力、惰性氣氛種類、使用的生物質形式和類型和形態(tài)、以及加工時間。本發(fā)明的設備可以構造成小型的，如在此前一個實施方案中描述的(見圖2),其特別適合于優(yōu)化處理工藝。可利用試驗統(tǒng)計的方法，獨立或者關聯(lián)地變化試驗條件，并且當加工進行時，從樣品端口取樣。在糖化作用工藝或者聯(lián)合的預處理/糖化作用工藝中，樣品中的糖可以直接地分析。在單獨的預處理工藝中，樣品被糖化并接著分析糖化作用的產(chǎn)品含糖量及其他所關心的組分，例如乙酸、糠醛和鹽。其他的方法同時可以用來分析，例如分析半纖維素。最佳化可以是以許多標準為基礎的，包括單體產(chǎn)率、總排放量糖產(chǎn)率、低的酶用量、低的乙酸、低的fufurals、低的雜質形成，或者以它們中的多個為基礎的全局優(yōu)化。例如，葡萄糖和木糖的百分比理論上由處理過程中釋放的初始生物質來決定。糖單體產(chǎn)率接近或超過50%表明優(yōu)良的結果，而更高的產(chǎn)率被優(yōu)選。包括釋放的低聚物的總糖產(chǎn)率達到至少70%表明優(yōu)良的產(chǎn)率。分析糖的方法為本領域技術人員所熟知，例如由高效液相色譜法。另外，其他處理過的生物質樣品組分(例如乙酸、糠醛或者乳酸)也可以分析，同樣由高效液相色語法測定產(chǎn)品的質量。從生物質釋放的可發(fā)酵糖能被適宜的微生物(其為生物催化劑)使用，以制造目標化學制劑，如未決美國專利申請CL3435和CL3436所描述。實施例通用方法和材剩-以下使用的縮寫"HPLC"是指高效液相色譜，"C"是攝氏溫度，"kPa"是千帕斯卡，"m"是米，"mm"是毫米，"kW"是千瓦，'、m"是微米，>L"是微升，"mL"是毫升，"L"是升，"min"是分鐘，"mM"是毫摩爾，"cm"是厘米,"g"是克，"kg"是千克,"wt"是重量，"hr"是小時，"temp"或者"T"是溫度，"theoret"是理論的，"pretreat"是預處理，"DWB"是生物質的干重。石克酸、氫氧化銨、乙酸、乙酰胺、酵母提取物、2-嗎啉并乙烷磺酸(MES)、磷酸鉀、葡萄糖、木糖、胰胨、氯化鈉和斗寧檬酸從Sigma-Aldrich(St.LouisMO)獲得。預處理和酶水解反應器(PEHR)生物質處理器的尺寸和特征如圖2所示并且在以上描述和下文實施例中被稱作PEH反應器。簡要地，9LPEH反應器(在NREL,Golden，CO建造)有大約15厘米x51厘米的不銹鋼反應容器，其有能導入加工反應劑的注射噴槍。注射噴槍在容器的一端上利用回轉接頭連通到蓋子的端口，該容器具有其他的端口用于聯(lián)通容器。四個擋板穿過容器壁的長度，并且被垂直地連接到器壁。擋板和22號陶瓷的研磨介質柱體(cylinder)(3.2cmX3.2cm)(E.R.AdvancedCeramics,EastPalestineOH)在容器里自由漂浮，當容器旋轉時，提供生物質和反應劑的機械混合，以促進反應劑進入生物質的同化。PEH反應器安裝在BellcoCell-ProductionRollerApparatus(BellcoTechnology,Vineland,NJ)上,其提供旋轉機制，并且有輥的反應器安裝在能加熱的溫度受控的腔中。溫度受控的腔由鋁制框架組成以支撐圍繞BellcoCellProductionApparatus的軟木隔離墊，加熱器連接在上面，且該加熱器通過插入PEHR反應器中的注射噴槍中心的熱電偶控制。真空和壓力可以通過連接在蓋子端口的噴槍的外部附加的來源應用于所述反應容器。蒸汽槍反應器間歇蒸煮(digestion)系統(tǒng)4升蒸汽槍反應器(AutoclaveEngineers,Erie,PA)是蒸汽-夾套反應器，由102毫米長801^31^10^@的管道組成，兩端由球閥封閉。另外的電加熱器被安裝在完全暴露的無夾套的反應器表面，并被控制到預處理設定溫度。使用直接蒸汽注入以將生物質快速地升溫至預處理溫度。蒸汽壓被調(diào)整和控制以維持在要求的預處理溫度。反應器的底部收縮到51mm。所有預處理過的材料通過在反應器底部的可替換的模具取出，并被收集在支撐于厚壁的、帶夾套的、且冷卻的槽內(nèi)的0.21!113尼龍袋(Hotfill)中。分析方法糖、乙酰胺、乳酸和醋酸含量的測量糖化液中的可溶糖(葡萄糖、纖維二糖、木糖、半乳糖、樹膠醛糖和甘露糖)、乙酰胺、乳酸和醋酸用高效液相色謙(AgilentModell100,AgilentTechnologies，PaloAlto，CA),使用有適當保護柱的Bio-RadHPX-87P和Bio-RadHPX-87H柱(Bio-RadLaboratories,Hercules,CA)分析測量。測量樣品的pH,如有必要，用^L酸調(diào)節(jié)到5-6。然后樣品通過0.2孩吏米針筒式濾器直接地注入到高效液相色譜小并瓦中。高效液相色譜跑柱條件如下HPX-87P(對于碳水化合物)注射容積10-50微升，取決于濃度和探測器的限制流動相高效液相色譜級水，0.2微米，過濾并脫氣的流速0.6毫升/分鐘柱溫80-85°C,保護柱溫度<60匸檢測器溫度:盡可能接近主柱溫檢測器:折射指數(shù)運行時間35分鐘數(shù)據(jù)收集，外加15分鐘后運轉(帶有為了后面洗脫化合物，可能的校正時間)BioradAminexHPX-87H(適于碳水化合物、乙酰胺、乳酸和乙酸)注射容積5-10微升，取決于濃度和檢測器限制流動相0.01N硫酸，0.2微米過濾且脫氣的流速0.6ml/分鐘柱溫55C檢測器溫度:盡可能接近于柱溫檢測器:折射指數(shù)運行時間25-75分鐘數(shù)據(jù)收集在跑柱之后，從每種化合物的標準曲線確定樣品濃度。實施例1在PEH反應器中的高生物質濃度的甘蔗渣糖化作用對照低濃度糖化作用所述PEH反應器(按通常方法描述)，沒有研磨介質，填充碾壓的1.27cm甘蔗渣(370g,千重基礎)。從H65-7052甘蔗獲取的甘蔗渣是NIST參考材料RM8491，最初從HawaiiSugarPlantersAssociation,Kunia分會，Oahu，HI.獲得。其在Wiley廠碾壓成型以通過2mm篩，其中細粒(+74目)被篩除。反應容器旋轉地與在外表面上的冰接觸而冷卻到4°C。真空裝置被用于所述反應容器，且預先在冷藏室冷卻到4°C的稀釋氫氧化銨溶液，通過浸于水水浴中的管道注入，以得到4g/100g干重生物質的氨濃度，以及45g/100g總生物質-氨水溶液混合物的干重生物質濃度。通過施加水到旋轉反應容器的表面，使裝有氨和甘蔗渣的反應容器冷卻到4。C,并且在4。C旋轉30分鐘。在這時候內(nèi)容物被轉入通用方法中描述的蒸汽槍反應器。一旦氨-甘蔗渣混合物被裝入蒸汽槍反應器，溫度就增至145。C并且混合物在該溫度下保持20分鐘。在預處理時間完畢時，甘蔗渣從蒸汽槍反應器卸料，通過2.54厘米的圓模頭進入閃蒸罐(flashtank)。預先處理過的甘蔗渣樣品隨后在搖瓶里被糖化并且另一樣品(大約163g干重)在PEH反應器里被糖化。占預先處理過的生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量的5%干重的生物質在搖瓶中被糖化，而占預先處理過的生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量30%干重的生物質在PEH反應器中被糖化。通過加入50mM檸檬酸鹽緩沖液將糖化期間的pH控制在5.5，并且將溫度維持在50°C。對于PEH反應器糖化，大約476g(163g千重)的預處理過的生物質和22號陶瓷的研磨柱體加入反應容器。用固體檸檬酸將pH調(diào)節(jié)到5.0-5.5。反應容器保持于控制在5(TC的恒溫箱室內(nèi)部，并且以19rpm轉速軸向地旋轉。未經(jīng)預處理的甘蔗渣，也在搖瓶里以相對于預先處理過的生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量的5%生物質干重糖化。所有糖化作用在5CTC和pH5.5的條件下由28.4mg/g纖維素Spezyme。？@纖維素酶和28.4mg/g纖維素^111^￡6"@木聚糖酶處理96hr。在下面表1中的產(chǎn)率是釋放的量占理論產(chǎn)率的百分值。表1:甘蔗渣的預處理3;口糖化作用后的產(chǎn)率。<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>ND:未測定結果表明，同未經(jīng)預處理的對照物比較起來，由很低含量的氨預處理甘蔗渣使得能夠完成顯著的糖釋放，并且于PEH反應器中在高含固量濃度下的糖化作用對于釋放糖很有效。實施例2在PEH反應器中的高生物質濃度的黃楊木鋸屑的糖化作用對照低濃度糖化作用無研磨介質的PEH反應器里以黃楊木鋸屑(596g基于干重；從Sawmillerlnc.,Haydenville，OH購買)裝料。真空施加于所述反應容器，注入稀釋的氬氧化銨溶液，以得到氨濃度為6g/100g干重生物質，并且使干重生物質濃度為44g/100g總生物質-氨水混合物。裝有氨和黃楊木鋸屑的反應容器按照實施例1所述被冷卻到4°C,并且在4。C旋轉30min。在這時候內(nèi)容物被轉入蒸汽槍反應器。一旦氨-楊木混合物被裝載入蒸汽槍反應器，溫度就增至145。C，并且混合物在該溫度下保持20分鐘。在預處理時間結尾時，黃楊木鋸屑離開蒸汽槍反應器，通過2.54厘米的圓模頭進入閃蒸罐。預先處理過的黃楊木鋸屑樣品后來在搖瓶里被糖化，如實施例1所述，并且另一樣品在PEH反應器里糖化。相對于預先處理生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量的5%干重的生物質在搖瓶中被糖化，而相對于預先處理過的生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量的30。/。干重的生物質在PEH反應器中被糖化(使用279g干重預處理過的鋸屑)。未經(jīng)預處理的黃楊木鋸屑，同樣以占預先處理生物質-糖化作用聯(lián)合酶混合物總重量的5%的干重生物質在搖瓶里同樣地被糖化。所有糖化作用在50。C和pH5.5的條件下用28.4mg/g的纖維素的SpezymeCP⑧纖維素酶和28.4mg/g纖維素的Multifec^木聚糖酶處理96hr。在下面表2中的產(chǎn)率是釋放的量占理論產(chǎn)率的百分值。表2:黃楊木鋸屑的預處理并且糖化后的產(chǎn)率。<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>結果表明，實際釋放的糖中，同未經(jīng)預處理的對照物比較起來，由很低含量的氨預處理甘蔗渣使得能夠完成顯著的糖釋放，并且在PEH反應器里的高千重生物質的糖化在糖釋放方面比在搖瓶里更有效。實施例3在PEH反應器里預處理并且糖化更高千生物質濃度的玉米穗軸所有的玉米穗軸用顎間隔大約0.95cm的顎式破碎機(2.2kW馬達)力口工，然后用石皮塊才幾(1.5kW馬達，F(xiàn)ranklinMillerIncLivingston,NJ)處理。繼之以裝備著1.9cmU.S.標準篩的Sweco篩子篩選。大約805g破碎的物質被裝入PEH反應器。玉米穗軸的水分含量大約7%。在裝填之前反應容器的氣氛用氮沖洗5次。沒有研磨介質不旋轉的反應器在所述實驗開始以前被預熱到75°C。當反應容器內(nèi)部溫度穩(wěn)定在75匸時，打開恒溫箱里的旋轉裝置并且把轉速調(diào)節(jié)到19rpm。然后，將適量的氫氧化銨稀釋溶液(其將氨濃度調(diào)節(jié)為占生物質千重6%和將干重生物質的固含量調(diào)節(jié)為占生物質-氨混合物總重量50%)泵入反應器。占生物質干重1重量％的乙醇同樣地添加到溶液。氨溶液經(jīng)由在約75t:水浴里的加熱線圈泵出，利用2-galParr反應器制造。已加熱的稀釋氫氧化銨溶液通過注射噴槍注入反應容器并且噴涂在反應器里旋轉并且滾動的破碎的玉米穗軸上。反應器保持在75。C下，以19rpm的轉速工作2小時。在結束時，將真空(大約85kPa)施加于反應容器30分鐘以除去氨并且將反應器內(nèi)容物的溫度降到大約5(TC。然后將二氧化碳注入到反應器以替換真空，同時反應器被加壓到103kPa并保持在該壓力和S(TC下30分鐘。接著，反應器被減壓、打開并且被添加研磨介質。利用注射噴槍將內(nèi)容物的pH通過注入1MpH4.8的檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)到大約5.5，加入檸檬酸一水合物以增加檸檬酸緩沖液濃度到~75mM。檸檬酸緩沖液被注入到反應器，接著加熱到50。C,然后內(nèi)容物在50匸19rpm的反應器里培養(yǎng)1小時至平衡。當反應器旋轉時利用注射噴槍注射檸檬酸緩沖液，讓緩沖液更均勻的噴射并且分布在預處理過的玉米穗軸顆粒上。反應器從恒溫箱處移走、打開，然后測定樣品的pH。如果pH高于5.5，則添加額外的固體檸檬酸一水合物，反應器通過在WC下再混合一小時而培養(yǎng)。該步驟被重復直到pH為大約5.5。一旦pH達到要求，濃度為12.9mg/g纖維素SpezymeCP(Genencor)和每克中有5mg活性蛋白的纖維素聯(lián)合酶被輸入所述反應器，其中纖維素聯(lián)合酶組成為口-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、口-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反應器在恒溫箱中以溫度50。C、轉數(shù)19rpm保持72小時。該預處理和糖化之后的單體葡萄糖產(chǎn)率是62.0%,單體木糖產(chǎn)率是31.0%?？偲咸烟钱a(chǎn)率是75.2%，總木糖產(chǎn)率是80.3%。實施例4玉束穗軸在更高的生物質濃度中用很低的氨和交替的條件預處理整個的玉米穗軸用錘磨機(IO英寸錘磨機，GlenMillsInc.,Clifton,NH)加工到能透過1.27厘米篩。大約805g磨碎的玉米穗軸加入到PEH反應器。玉米穗軸水分含量為大約7%。22號陶資的研磨柱體(3.2cm直徑x3.2cm長；E.R.AdvancedCeramics,EastPalestine,OH)同樣被加到反應器。實驗開始以前，反應器被預熱到95。C,不旋轉。開始以前，反應容器抽真空(大約85kPa),容器是密封的。當反應容器內(nèi)部溫度穩(wěn)定在95匸時，恒溫箱里旋轉裝置被打開，調(diào)至轉速19rpm。然后，將適量氫氧化銨稀釋溶液(其將氨濃度調(diào)節(jié)為占生物質干重6%和將干重生物質的固含量調(diào)節(jié)為占生物質-氨混合物總重量50%)泵入反應器。氨溶液經(jīng)由在沸水浴里的加熱線圏泵出，利用2-galParr反應器制造。加熱的稀釋氫氧化銨溶液通過注射噴槍注入到反應容器，噴射在反應器里旋轉和滾動的破碎玉米穗軸上。反應器在95。C保溫2小時，轉速保持在19rpm。結束時，反應容器抽真空(大約85kPa)30分鐘，以除去氨并且降低反應器的內(nèi)容物的溫度到大約50°C。把二氧化碳注入到反應器以替換真空，反應器加壓到103kPa表壓并保持壓力和S0。C溫度30分鐘。接著反應器被減壓、打開，通過注入lMpH《8的檸檬酸緩沖液，將內(nèi)容物的pH調(diào)節(jié)到大約5.5,向該緩沖液中加入了檸檬酸一水合物并溶解。加熱到5(TC后，反應器中注入檸檬酸緩沖液，被然后借助反應器在50。C恒溫、轉速為19rpm保持1小時使得內(nèi)容物平衡。反應器從恒溫箱處移走、打開，測定樣品的pH。如果pH高于5.5,則添加額外的固體檸檬酸一水合物，反應器通過在5(TC下再混合一小時而培養(yǎng)。該步驟被重復直到pH大約達到5.5。一旦pH達到要求，12.9mg/g纖維素spezymeCP(Genencor)和每克中有5mg活性蛋白的纖維素聯(lián)合酶被輸入所述反應器，其中纖維素聯(lián)合酶組成為口-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、口-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反應器于5(TC和19rpm下在恒溫箱中保持72小時。該預處理和糖化之后，單體葡萄糖產(chǎn)率是50.7%,單體木糖產(chǎn)率是35.7%?？偲咸烟呛湍咎钱a(chǎn)率分別是71.7%和89.8%。實施例5用少量的氨和另外的堿預處理玉米穗軸所有的玉米穗軸用顎間隔大約0.95cm的顎式破碎機(2.2kW馬達)加工，然后用石皮塊才幾(1.5kW馬達，F(xiàn)ranklinMillerIncLivingston，NJ)處理。繼之以裝備著1.9cmU.S.標準篩的Sweco篩子篩選。大約460g破碎的玉米穗軸被裝入PEH反應器。玉米穗軸的水分含量為大約7%。不旋轉的反應器在實驗開始以前被預熱到95°C。實驗開始前，反應容器抽真空(大約85kPa)，容器是密封的。當反應容器內(nèi)部溫度再穩(wěn)定在95。C時，恒溫箱里旋轉裝置被打開并且把轉速調(diào)節(jié)到19rpm。然后，將適量的氫氧化銨溶液(其提供氨濃度為3.2g氨/100g干重生物質)和NaOH(其提供濃度為1.9NaOH/100g干重生物質，維持固含量為30g干重生物質/100g總重量生物質-氨混合物)泵入反應器。氨和額外的堿性溶液經(jīng)由在沸水浴里的加熱線圈泵送，利用2-galParr反應器制造。已加熱的稀釋氫氧化銨溶液通過注射噴槍注入反應容器并且噴涂在反應器里旋轉并且滾動的破碎的玉米穗軸上。接著，容器的真空被釋放至大氣壓力。反應器恒溫保持在95。C30分鐘，然后降溫到85。C,保持4小時。結束時，反應容器抽真空(大約85kPa)30分鐘以除去氨和降低反應器內(nèi)容的溫度到大約50。C。然后將二氧化碳注入到反應器以替換真空，反應器加壓到103kPa表壓，在5(TC保持壓力30分鐘。接著，反應器減壓、打開，通過注入大約75ml的1M、pH4.8的檸檬酸緩沖液，調(diào)節(jié)內(nèi)容物的pH至大約5.5,向該緩沖液中加入了檸檬酸一水合物并溶解。加熱到5(TC后，檸檬酸緩沖液被注入到反應器，且利用反應器在50。C和19rpm下培養(yǎng)1小時使得內(nèi)容物平衡。當反應器旋轉時，利用注射噴槍注射檸檬酸緩沖液，讓緩沖液更均勻的噴射并且分布在預先處理玉米穗軸粒子上。反應器從恒溫箱處移走、打開，然后測定樣品的pH。如果pH高于5.5，添加額外的固體檸檬酸一水合物，反應器通過在50。C下混合再培養(yǎng)一小時。該步驟被重復直到pH大約5.5。一旦pH達到要求，28.4mg/g纖維素的SpezymeCP(Genencor)和28.4mg/g纖維素的Multifect,被輸入所述反應器。反應器保持在恒溫箱中72小時，溫度50。C、轉速19rpm。該預處理和糖化之后，單體葡萄糖產(chǎn)率是56.1%，單體木糖產(chǎn)率是39.5%?？偲咸烟钱a(chǎn)率和木糖產(chǎn)率分別是82.8%和84.2%。這些值是兩次實驗的平均數(shù)。實施例6在室溫下用PEH反應器預處理并且糖化高的千生物質濃度的玉米穂軸整個的玉米穗軸用有顎間隔大約0.95厘米的顎式破碎機(2.2kW馬達)石皮碎，然后用破塊機(1.5kW馬達，F(xiàn)ranklinMillerInc)處理。繼之以裝備著1.9cmU.S,標準篩的Sweco篩子篩選。大約460g破碎的玉米穗軸被裝入PEH反應器。玉米穗軸的水分含量大約7%。22號陶資研磨柱體(3.2厘米直徑x3.2厘米長；E.R.AdvancedCeramics,EastPalestine,H)同樣被加到反應器。實驗開始前，反應容器抽真空(大約85)，容器是密封的。當反應器內(nèi)部溫度再穩(wěn)定在室溫下(22-26。C)時，恒溫箱里旋轉裝置被打開并且把轉速調(diào)節(jié)到19卬m。然后，將適量的稀釋氫氧化銨溶液(其提供氨濃度為4g氨/100g干重生物質，并且維持固含量為30g干重生物質/總重量生物質-氨混合物)泵入反應器。氫氧化銨稀釋溶液通過注射噴槍注入到反應容器并且噴射到反應器里旋轉并且滾動的破碎的玉米穗軸上。接著，各容器的真空被加壓到大氣壓力。反應器維持在室溫(22-26。C)24小時。結束時，反應容器抽真空(大約81kPa)維持30分鐘以除去氨。然后二氧化碳注入到反應器以替換真空并且由C02加壓反應器到103kPa表壓，并且在室溫下保持壓力30分鐘。接著反應器被減壓、打開，并且通過添加檸檬酸一水合物調(diào)節(jié)內(nèi)容物的pH至大約5.5。加熱到5(TC后，然后利用反應器在5(TC和19rpm下培養(yǎng)1小時使其平衡。反應器從恒溫箱處移走、打開，測定樣品的pH。如果pH高于5.5,則添加額外的固體檸檬酸一水合物并且通過混合在50。C下培養(yǎng)反應器。該步驟被重復直到pH達到大約5.5。一旦pH達到要求，將12.9mg/g纖維素的SpezymeCP(Genencor)和每克含5mg活性蛋白的纖維素聯(lián)合酶輸入反應器，纖維素聯(lián)合酶組成為口-右旋葡糖苷酶、木聚糖酶、口-右旋木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反應器在恒溫箱里于5(TC和19rpm下保持72小時。該預處理并且糖化之后，單體葡萄糖產(chǎn)率是41.7%,單體木糖產(chǎn)率是25.4%。總葡萄糖和木糖產(chǎn)率分別是50.1%和53.2%。該值是兩次實驗的平均數(shù)。實施例7在PEH反應器里預處理和糖化包含玉米穗軸和其他廢棄谷物樣品混合物廢棄谷物樣品選自1.#2黃色凹痕全玉米穂軸顆粒(從Agway購買)。2.玉米穂軸顆粒去細菌的方法是快速胚芽法，開發(fā)者Illinois大學(Singh和Eckoff(1996)CerealChem.74:462畫466)。原材料從Illinois大學的VijaySingh獲得。3..玉米穗軸顆粒通過快速纖維工藝處理以除去細菌和殼纖維(US6254914)。原材料從Illinois大學的VijaySingh獲得。4.啤酒用麥芽(brewers'grit)是從Cargill(Minneapolis,MN)獲得。廢棄谷物指糧食處理后的剩余的固形物，其中淀粉轉化為糖。廢棄谷物主要地通過基本的威士忌酒處理工藝制造。不同的原材料用淀粉降解酶處理，以產(chǎn)生糖，制得的麥芽漿過濾，以回收濾餅固形物或者廢棄谷物。原材料在Foss(NorthAmericanHQ:EdenPrarie，MN)Cyclotec1093樣品磨(上述的原材料1和2)中研磨成250孩i米或者在混合器里(上述的原材料3和4)，然后在2L帶夾套的攪拌玻璃反應容器里與水和200mMCaCl2*H20混合。混合物的pH由1NNaOH調(diào)節(jié)到6.5，并占總量一半的a-淀升分酶(SpezymeHPA,GenencorInternational,PaloAlto，CA)。反應容器被加熱到95°C,20分鐘過后添加其余的a-淀粉酶。在95。C保持規(guī)定時間之后，容器冷卻到7(TC，用1MHCI調(diào)節(jié)混合物的pH到4.5。添加葡糖淀粉酶(Gzyme480,Genencor),并且降低溫度到50°C,保持一整夜。此時，反應器冷卻到低于40°C，內(nèi)容物通過孔徑大小為10微米的滌綸濾布過濾。濾餅用水洗，最終濾渣或者廢棄谷物在105。C干燥整夜，并在室溫下貯藏直到用于預處理實驗。每種原材料具體的反應條件列于表3中。表3.廢棄谷物樣品的加工<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>整玉米穗軸用顎間隔大約0.95cm的顎式石皮碎機(2.2kW馬達)處理，然后用破塊機(1.5kW馬達，F(xiàn)ranklinMillerInc)處理。繼之以裝備著1.9cmU.S.標準篩的Sweco篩子篩選。石皮碎的玉米穗軸混入一種如表3所列的廢棄谷物，裝入PEH反應器。廢棄谷物大約是在反應器里的干重生物質總數(shù)的10%。裝入的總干生物質大約是473g。實驗開始以前每個裝料的反應器在柱體恒溫箱里被預熱到95°C，不旋轉。反應容器抽真空(大約85kPa),且所述容器密封。當每個容器內(nèi)部溫度穩(wěn)定在95。C時，開始以19rpm轉速旋轉。添加氬氧化銨稀釋溶液以提供氨濃度為4g氨/100g干重生物質和固含量為30g千重的生物質/100g生物質總重量-氨混合物。接著容器的真空被解除到大氣壓力。反應器在95。C保持30分鐘，然后溫度降低到85°C，保持4小時并旋轉。結束時，反應容器抽真空(大約85kPa表壓)30分鐘以除去氨并且降低每個反應器的內(nèi)容物的溫度到大約5(TC。然后注入二氧化碳到每個反應器以解除真空并將反應器加壓到138kPa的C02表壓，然后在此壓力下于5CTC旋轉30分鐘。接著，反應器被減壓、打開，通過注入75mllM、pH4.8檸檬酸緩沖液，調(diào)節(jié)內(nèi)容物的pH到大約5.5，向該緩沖液中加入了檸檬酸一水合物并溶解。加熱到5(TC后，檸檬酸緩沖液被注入到反應器，且利用反應器在5(TC和19rpm下培養(yǎng)1小時使得內(nèi)容物平衡。反應器從恒溫箱移走、打開，然后測定樣品的pH。如果pH高于5.5,則添加額外的固體檸檬酸一水合物，且反應器在5(TC下旋轉來再培養(yǎng)一小時。如有必要，該過程被重復直到pH大約5.5。一旦pH達到要求，將28.4mg/g纖維素的SpezymeCP纖維素酶(Genencor)和10.1mg活性蛋白/g纖維素的DiversaD2雞尾酒加入反應器，DiversaD2雞尾酒含有(3-葡糖苷酶、木聚糖酶、p-木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。反應器在恒溫箱中以溫度5(TC、19卬m下保持72小時。該預處理和糖化之后，糖產(chǎn)率4會通用方法中所述測定，葡萄糖和木糖產(chǎn)率，以葡聚糖和木聚糖總數(shù)為基礎，顯示于表4。玉米穗軸加上廢棄谷物聯(lián)合生物質樣品的產(chǎn)率與玉米穗軸單獨的產(chǎn)率相似。表4.預處理和糖化結合的生物質材料后的糖產(chǎn)率<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>實施例8在PEH反應器里預處理和糖化結合的生物質(包含玉米穗軸、廢棄谷物和其他的組分)破碎的玉米穗軸和威士忌酒廢棄物顆粒，用實施例7所述方法制備，象實施例7那樣在PEH反應器里混和。另夕卜，加入其他谷類物的組分。在一個才羊品中，以5g/100g總干重生物質比例添加淀壽分(SigmaS4126,lot#093K0033)。在另一樣品里，添加玉米油(SyscoClassic玉米油，lot#—4119095)，其含量水平為大約2g/100g總干生物質。樣品被預先處理并且糖化，如例7所述。結果顯示于表4。該結果也與表3所示僅有玉米穗軸相當。表4.預處理和糖化玉米穗軸、廢棄物顆粒和另外的谷物成分的糖產(chǎn)率<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>實施例9在PEH反應器里預處理和糖化包含玉米穗軸和玉米纖維的混合生物質石皮碎的玉米穗軸和CargillBran80(Cargill,Minnetonka,固)，玉米纖維被混合，使得纖維大約是總的生物質干重的10%。結合的生物質被預處理并且糖化，如實施例7所述。所得產(chǎn)率如表5所示。玉米穗軸加玉米纖維結合生物質的產(chǎn)率與單獨的玉米穗軸樣品的產(chǎn)率相似。表5:預處理與玉米纖維結合的玉米穗軸所得的糖產(chǎn)率。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>權利要求1.用于成批處理生物質的系統(tǒng)，包括a)一設備，該設備包括i)圓柱形的反應容器，其在至少一端具有開口；ii)一個或多個連接至所述容器內(nèi)側的擋板；iii)研磨介質，包含自由漂浮在該反應容器內(nèi)部的丸粒；iv)所述容器開口端的蓋子，其包含一個或多個端口；和v)包含輸送加工反應劑的裝置的注射噴槍，其中所述裝置是沿反應容器長度延伸并且連在蓋子iv)中的第一端口上的注射噴槍；和b)用于旋轉所述容器的擋板的裝置。2.如權利要求1所述的設備，其中研磨介質占據(jù)小于反應容器容積的大約10%。3.如權利要求1所述的設備，進一步包含連接到所述反應容器蓋子的端口的回轉接頭。4.如權利要求1所述的設備，其中第二端口是用于將反應劑添加到所述反應容器和/或對所述反應容器的內(nèi)容物進行取樣的端口。5.如權利要求1所述的設備，其中所述容器由能經(jīng)得起從大約-10。C到大約220。C溫度的不銹材料組成。6.如權利要求5所述的設備，其中所述容器能夠經(jīng)得起從大約4。C到大約17(TC的溫度。7.如權利要求5所述的設備，其中所述材料是不銹鋼。8.如權利要求1所述的設備，其中所述容器由能耐受至多約1200kPa壓力的不銹材料組成。9.如權利要求8所述的設備，其中所述容器能夠耐受至多大約310kPa的壓力。10.如權利要求1所述的設備，其中所述擋板以垂直角度連接到反應容器的內(nèi)表面。11.如權利要求1所述的設備，其中所述加工反應劑是含氨的水溶液。12.如權利要求1所述的設備，其中所述加工反應劑是糖化酶混合物。13.如權利要求l所述的系統(tǒng)，進一步包含用于溫度控制的裝置。14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述用于溫度控制的裝置是控制溫度的夾套或者外部恒溫箱。15.如權利要l求所述的系統(tǒng)，進一步包含連接到端口的真空源。16.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)提供來處理高的干生物質濃度的生物質，其中所述高干重生物質濃度占生物質-反應混合物重量的大約15%到大約80%。17.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)提供來處理高的干生物質濃度的生物質，其中所述高干重生物質濃度占生物質-反應混合物重量的大約15%到大約60%。18.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述用于旋轉的裝置是輥、軸和曲柄、皮帶、輪子或者樞軸。19.用于處理生物質的工藝，包含a)將生物質導入到如權利要求所述1設備的反應容器中；b)將加工反應劑導入到該反應容器；和工反應劑同化進入所述生物質。'？、》、'20.如權利要求19所述的工藝，其中所述工藝是生物質預處理工藝21.如權利要求20所述的工藝，其中所述加工反應劑是含氨的水溶液。22.如權利要求20所述的工藝，其中所述工藝是糖化工藝。23.如權利要求22所述的工藝，其中所述加工反應劑是糖化酶混合物。24.用于處理生物質的工藝，包含b)預處理在權利要求1所述設備的反應容器中的生物質，產(chǎn)生預處理過的生物質；c)在反應容器中調(diào)整a)的預處理過的生物質的溫度和pH;和d)在所述反應容器中糖化在b)中已經(jīng)調(diào)整的預處理過的生物質。25.用于預處理生物質的工藝，包含a)將生物質導入到如權利要求1所述設備的反應容器中；b)在該反應容器中使所述生物質與含氨的水溶液接觸以形成生物質-氨水混合物，其中氨的濃度至少能使所述生物質-氨水混合物維持在堿性的pH，但是其中氨的濃度小于生物質干重的大約12wt%，此外，其中生物質的干重以高固體濃度存在，其至少占所述生物質-氨水混合物重量的大約15wt%。26.用于糖化預處理過的高的干生物質濃度的生物質的工藝，包含曰，、人、、、人、、一、1、、曰八。"易糖化的組分；b)提供能水解(a)的所述生物質的聯(lián)合酶；c)使(b)中的酶同化進入如權利要求1所述設備中的生物質。27.如權利要求26所述的工藝，其中產(chǎn)生可發(fā)酵糖。28.如權利要求26所述的工藝，其中所述生物質的干重具有高固體濃度，該濃度占生物質-反應混合物重量的至少大約15wt%。29.如權利要求所述25或26所述的工藝，其中所述生物質選自柳枝稷、廢紙、造紙淤渣、玉米粒、玉米穗軸、玉米外皮、玉米秸、草、小麥、麥秸、干草、大麥、大麥秸、稻草、甘蔗渣、高粱、大豆，從谷物、樹、枝、根、葉子、木材碎片、鋸屑、灌木和叢生灌木、蔬菜、果實、花和動物糞加工過程中獲得的組分。30.如權利要求29所述的工藝，其中生物質選自玉米穗軸、玉米秸、玉米外皮、甘蔗渣、鋸屑、柳枝稷、麥秸、千草、稻草和草。31.如權利要求30所述的工藝，其中生物質選自玉米穗軸、玉米秸、鋸屑和甘蔗渣。32.如權利要求25或26所述的工藝，其中所述生物質源自于多種原料。33.用于優(yōu)化處理工藝的方法，包含a)將生物質導入到權利要求1所述設備的反應容器中；b)改變在所述反應容器中的處理條件；c)在所述改變的處理條件下，通過所述一個或多個端口對處理過的生物質取樣；和d)測試所述樣品以確定加工生物質的最佳處理條件。34.如權利要求33所述的方法，其中所述改變的條件包括pH、溫度、加工反應劑和加工反應劑濃度、生物質的千重最初占生物質-反應混合物的百分比、生物質種類和形式、惰性氣氛種類、壓力、加工反應劑的進料策略和加工時間。35.如權利要求33所述的方法，其中所述處理工藝是糖化工藝。36.如權利要求33所述的方法，所述處理工藝是預處理工藝。全文摘要一個系統(tǒng)，包括處理生物質的設備，該設備可以成功地處理在生物質混合物里的高固體干重的生物質。本系統(tǒng)的設計可進行大范圍分布的反應劑，其通過將該反應劑散布在生物質上，當生物質利用擋板(18)旋轉時，該反應劑通過注射噴槍注入。該設備系統(tǒng)利用擋板升起與下降生物質和研磨介質(19)，可以大規(guī)模地進行將反應物引入生物質中，以提高處理工藝。文檔編號C12M1/40GK101160388SQ200680012078公開日2008年4月9日申請日期2006年4月12日優(yōu)先權日2005年4月12日發(fā)明者J·B·鄧森,M·特克,R·C·利昂斯,R·埃蘭德申請人:納幕爾杜邦公司