加工生物質(zhì)以用于燃料電池的制作方法
【專利摘要】加工生物質(zhì)(例如，植物生物質(zhì)、動(dòng)物生物質(zhì)以及城市廢物生物質(zhì))以產(chǎn)生可在燃料電池(例如，直接葡萄糖燃料電池)中使用的碳水化合物溶液。
【專利說(shuō)明】加工生物質(zhì)以用于燃料電池
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求在2011年12月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/579, 568的優(yōu)先 權(quán)，所述申請(qǐng)的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0003] 背景
[0004] 纖維素和木質(zhì)纖維素材料（例如，生物質(zhì)材料）在許多應(yīng)用中大量地生產(chǎn)、加工和 使用。所述材料往往使用一次，然后就作為廢物丟棄，或者直接就被視為廢棄材料，例如污 物、甘蔗渣、鋸末以及秸桿。
[0005] 典型的生物質(zhì)材料含有纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素外加較少量的蛋白質(zhì)、可提 取物以及礦物質(zhì)?？墒褂美w維素分解酶通過(guò)糖化將纖維素和半纖維素部分中含有的復(fù)合碳 水化合物加工為可發(fā)酵的糖，并且隨后可使用所述糖作為最終產(chǎn)物或中間體，或者通過(guò)進(jìn) 一步生物加工（例如，發(fā)酵）將其轉(zhuǎn)化為多種產(chǎn)物，如醇或有機(jī)酸。所獲得的產(chǎn)物取決于所 利用的微生物以及生物加工所發(fā)生的條件。
[0006] 概述
[0007] 本發(fā)明涉及加工（例如，糖化）含碳水化合物的材料（例如，生物質(zhì)材料或生物質(zhì) 衍生的材料）以產(chǎn)生可用于燃料電池（如直接糖燃料電池、間接糖燃料電池以及生物燃料 電池）的糖（例如，葡萄糖）溶液的方法。本發(fā)明還涉及將含碳水化合物的材料衍生的糖 溶液用于燃料電池。
[0008] 在一些實(shí)施方式中，通過(guò)對(duì)木質(zhì)纖維素或纖維素材料進(jìn)行糖化，例如通過(guò)使所述 材料與酶（例如，纖維素酶）接觸來(lái)產(chǎn)生糖溶液。在其它實(shí)施方式中，在糖化之前，使木質(zhì) 纖維素或纖維素材料的不順應(yīng)性相對(duì)于處于其天然狀態(tài)下的材料的不順應(yīng)性已有所減小。 在一些情況下，減小原料的不順應(yīng)性包括用處理對(duì)原料進(jìn)行處理。所述處理可包括例如電 離輻射（例如電子束輻射）、超聲處理、熱解、氧化、蒸汽爆炸、化學(xué)處理、各種機(jī)械處理以及 任何這些處理的組合。物理處理可包括本文所公開(kāi)的任何一種或多種處理，其單獨(dú)應(yīng)用或 以任何所需組合應(yīng)用并且應(yīng)用一次或多次。當(dāng)用電離輻射（例如，電子束輻射）進(jìn)行處理 時(shí)，劑量可為至少10毫拉德并且小于約200毫拉德（例如，50毫拉德至150毫拉德）。
[0009] 在一些實(shí)施方式中，所述方法可包括在燃料電池中使用添加劑。例如，添加劑可為 以任何組合和順序添加的酸、堿、緩沖液（例如，磷酸鹽緩沖液）、礦物質(zhì)、膠體、乳液、乳化 齊U、微粒、納米粒子、陽(yáng)離子、陰離子、金屬離子（例如，？6 2+463+^112+、(：112+、1(+、似 +)、維生素、 酶、蛋白胨、提取物、表面活性劑、營(yíng)養(yǎng)物、氣體（例如，氫氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣、一氧化碳、?氧化碳）、化學(xué)物質(zhì)、氮源（例如，氨、尿素）、顏料、芳香劑、陰離子聚合物、陽(yáng)離子聚合物、 非離子聚合物、低聚物、脂質(zhì)、脂肪、表面活性劑、分散劑、消泡劑、抑菌劑、抗微生物劑、微生 物、粘度調(diào)節(jié)劑、氧化劑（例如，過(guò)氧化物、氯酸鹽）、還原劑、阻垢劑、腐蝕抑制劑、防污垢 齊LI、沉淀劑、促凝劑。
[0010] 典型的生物質(zhì)資源含有纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素外加較少量的蛋白質(zhì)、可提 取物以及礦物質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，纖維素或木質(zhì)纖維素材料包括紙、紙制品、廢紙、紙 漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜志、印刷品、打印紙、多涂層紙、卡片材料、卡紙板、紙 板、下水、棉花、木材、刨花板、林業(yè)廢棄物、鋸末、楊木、木屑、草、柳枝稷、芒草、繩草、草蘆、 谷物殘漁、稻殼、燕麥殼、小麥殼、大麥殼、農(nóng)業(yè)廢棄物、青c飼料、油菜結(jié)、小麥結(jié)、大麥結(jié)、 燕麥秸、稻秸、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸桿、大豆秸桿、玉米纖 維、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工殘?jiān)⒏收嵩?、甜菜漿、龍舌蘭渣、海藻、海草、糞肥、污物、秘 魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草（oca)、西米、高粱、馬鈴薯、甘薯、芋頭、 山藥、豆類、蠶豆、扁豆、碗豆，以及任何這些的混合物。
[0011] 可對(duì)纖維素或木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行機(jī)械處理，以減小纖維素或木質(zhì)纖維素材料的 堆積密度和/或增大其表面積。在一些實(shí)施方式中，所述方法包括在減小其不順應(yīng)性之前 和/或之后對(duì)原料進(jìn)行機(jī)械處理。機(jī)械處理包括例如切割、碾磨（例如，錘磨）、沖壓、研磨、 剪切以及斬切。例如，粉碎生物質(zhì)材料可為應(yīng)用于生物質(zhì)材料的有效處理。機(jī)械處理可減 小原料的堆積密度和/或增大原料的表面積。在一些實(shí)施方案中，在機(jī)械處理之后，材料具 有小于 0· 75g/cm3,例如小于約 0· 7、0· 65、0· 60、0· 50、0· 35、0· 25、0· 20、0· 15、0· 10、0· 05 或 更小，例如小于〇.〇25g/cm3的堆積密度。使用ASTM D1895B確定堆積密度。
[0012] 在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于在燃料電池，例如直接糖燃料電池、間接糖燃料電 池和/或生物燃料電池中使用如上所述的源自纖維素或木質(zhì)纖維素材料的糖溶液。任選 地，燃料可為源自纖維素或木質(zhì)纖維素材料的糖化的糖或醇。
[0013] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將由以下詳述和權(quán)利要求書(shū)而顯而易見(jiàn)。
[0014] 附圖簡(jiǎn)述
[0015] 圖1為示出纖維素酶促水解成葡萄糖的圖表。
[0016] 圖2為示出生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化以用于在燃料電池中使用的流程圖。
[0017] 圖3為示出在燃料電池中使用糖化的原料的各種方法的圖表。
[0018] 圖4為直接葡萄糖燃料電池的實(shí)例的示意圖。
[0019] 圖5為間接糖燃料電池的實(shí)例的示意圖。
[0020] 圖6為生物燃料電池的半電池的示意圖。
[0021] 詳述
[0022] 參考圖1，在糖化期間，通過(guò)內(nèi)切葡聚糖酶在隨機(jī)位置處初始水解纖維素或木質(zhì)纖 維素底物以產(chǎn)生低聚中間體。這些中間體隨后為外切葡聚糖酶如纖維二糖水解酶的底物， 以從纖維素聚合物的末端產(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖是水溶性的1，4-連接的葡萄糖二聚體。 最后，纖維二糖酶裂解纖維二糖以得到葡萄糖。源自糖化的葡萄糖或其它糖可用于燃料電 池，如本文將詳細(xì)描述的。
[0023] 參考圖2,用于制造并入到燃料電池系統(tǒng)中的糖溶液的方法可包括例如任選對(duì)纖 維素和/或木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行機(jī)械處理（步驟110)。在此處理之前和/或之后，可任選 用另一種物理處理（例如，照射）處理原料，以減小或進(jìn)一步減小其不順應(yīng)性（步驟112)。 通過(guò)經(jīng)由例如添加一種或多種酶（步驟111)糖化原料（步驟114)來(lái)形成糖溶液。任選地， 所述方法還可包括例如通過(guò)管道、軌道車、卡車或駁船將糖溶液（或如果在途中進(jìn)行糖化 的話，為原料、酶和水）運(yùn)輸?shù)街圃旃S中（步驟116)。例如，本文可使用如在2009年1月 21日提交的美國(guó)專利8, 318, 453中所描述的運(yùn)輸和加工生物質(zhì)的方法；所述專利的完整公 開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。如果需要，可在所述方法的各個(gè)階段進(jìn)行測(cè)量木質(zhì)素含量 (步驟118)以及基于此測(cè)量設(shè)定或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（步驟120)的步驟，例如，如在2011年2 月11日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?2/704,519中所描述，所述申請(qǐng)的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式 并入本文。隨后將糖溶液并入到燃料電池或燃料電池系統(tǒng)（122)中。任選地，可對(duì)所述方 法中產(chǎn)生的產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步加工和/或改性，例如，如果來(lái)自所述方法的糖被發(fā)酵為產(chǎn)物， 則可以例如通過(guò)蒸餾（124)純化所述產(chǎn)物。在這些方法中產(chǎn)生的產(chǎn)物也可用于燃料電池系 統(tǒng)。
[0024] 圖3為示出在燃料電池中使用糖化的原料的方法的圖表。來(lái)自糖化的原料的糖 溶液可用于直接糖燃料電池、間接糖燃料電池或生物燃料電池。葡萄糖和木糖通常是可從 生物質(zhì)中獲得的最豐富的糖，并且源自生物質(zhì)的糖溶液可包括處于各種比率的木糖與葡萄 糖的混合物。例如，可僅存在葡萄糖或者可僅存在木糖，特別是當(dāng)糖已分離和/或純化的情 況下。當(dāng)需要時(shí)，可以利用其它比率，例如，作為總葡萄糖與木糖的百分比，葡萄糖的量可在 100%與90%之間、90%與80%之間、80%與70%之間、70%與60%之間、60%與50%之間、 50%與40%之間、40%與30%之間、30%與20%之間、20%與10%之間、10%與0%之間。 盡管葡萄糖和木糖通常是豐富的生物質(zhì)衍生的糖，常常提供大于l〇wt. %的糖與生物質(zhì)之 比（例如，大于20wt. %、大于30wt. %、大于40wt. %、大于50wt. %、大于60wt. %或甚至大 于70wt. % )并且適用于這些不同的燃料電池，但是其它糖和多糖也可為適用的。例如，可 使用阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和鼠李糖、纖維素、淀粉、木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿糖基木 聚糖、葡甘露聚糖以及木糖基葡聚糖（xylogulcan)?？墒褂萌魏芜@些糖的混合物。此外，可 使本文所述的糖異構(gòu)化（例如，異構(gòu)化為果糖）并隨后用于燃料電池。在下文中對(duì)這些不 同的燃料電池以及其用途進(jìn)行更詳細(xì)地討論。
[0025] 直接糖燃料電池，例如葡萄糖燃料電池通常包括陰極電極、陽(yáng)極電極，以及隔板 (例如，陰離子交換膜（AEM)或擴(kuò)散層）。燃料電池可為酸性或堿性的。在圖4所示的實(shí) 例中，被夾在陽(yáng)極電極與陰極電極之間，其中流場(chǎng)提供在每個(gè)電極與AEM之間。在一些 情況下，電池具有雙筒結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)電極（例如，陽(yáng)極）呈內(nèi)筒形式并且另一個(gè)（例如，陰 極）呈外筒形式。
[0026] 陽(yáng)極的活性組分可為例如PdNi或Pd-Pt，并且陰極的活性組分可為例如鈷卟啉絡(luò) 合物（CoTPP)和尖晶石（MnC〇204)的組合催化劑或者其它合適的催化劑。
[0027] 在圖4所示的直接糖燃料電池的實(shí)施方案中，例如通過(guò)蠕動(dòng)泵（未示出）將含有 葡萄糖和（通常）氫氧化鉀（Κ0Η)的燃料溶液進(jìn)料到陽(yáng)極流道中，同時(shí)將氧進(jìn)料到陰極流 場(chǎng)中。葡萄糖在陽(yáng)極被氧化并且還原產(chǎn)物通過(guò)陽(yáng)極出口通道流出。電子從陽(yáng)極流出并流經(jīng) 負(fù)載。氧在陰極被還原并且廢氣從陰極流場(chǎng)中排出。
[0028] 直接糖燃料電池在發(fā)電時(shí)可能或可能不將糖燃料完全氧化成二氧化碳和水。例 如，可發(fā)生如在此所示的葡萄糖的完全氧化反應(yīng)。
[0029] 陽(yáng)極反應(yīng)：C6H1206+240!T - 18H20+6C02+18e-
[0030] 陰極反應(yīng)：602+12H20+24e- - 240Γ
[0031] 總反應(yīng)：C6H1206+602 - 6C02+6H20 ΛΗ =-2830KJ/mol
[0032] 由于葡萄糖的完全氧化繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)生很多中間體（例如，葡糖酸、葡糖二酸、 Y -葡糖酸內(nèi)酯、Y -葡糖二酸內(nèi)酯、2_酮葡糖酸、阿拉伯糖、三羥基戊二酸、酒石酸、羥基丙 二酸以及草酸），所以任何這些中間體也可用于燃料電池。任何這些中間體如果通過(guò)一些本 文所述的方法產(chǎn)生（例如，糖化、發(fā)酵），則可適用于在燃料電池中發(fā)電。任選地，不能用于 在直接燃料電池中發(fā)電的任何糖產(chǎn)物可如圖2所示進(jìn)一步加工，例如可將其發(fā)酵成醇并通 過(guò)蒸餾分離醇。在一些情況下，燃料電池可使用一種糖（例如，葡萄糖）并且不使用其它糖 (例如，木糖），并且第二種糖可用于后續(xù)工藝。在一些其它情況下，一種工藝（例如，發(fā)酵） 僅使用一種糖（例如，葡萄糖），留下可隨后用于燃料電池的其它糖。在很多情況下，在直接 糖燃料電池中僅發(fā)生葡萄糖的部分氧化。例如，發(fā)生葡萄糖向葡糖酸的氧化，從而迅速提供 2個(gè)電子并且釋放最多約200KJ/mol的能量（例如，約7%的可用能量）。就可用能量而言， 燃料電池將至少1 %的燃料轉(zhuǎn)化為電能（例如，至少5%、至少7%、至少10%、至少14%、 至少20%、至少25%、至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至 少90% )。在一些情況下，將約1 %與90%之間的燃料轉(zhuǎn)化為電能（例如，約1 %與70%之 間、約1 %與50%之間、約1 %與20%之間、約1 %與10%之間、約5%與90%之間、約5% 與70%之間、約5%與50%之間、約5%與25%之間、約5%與10%之間、約10%與90%之 間、約10%與70%之間、約10%與50%之間、約10%與30%之間、約10%與20%之間、約 20%與70%之間）。
[0033] 除糖和產(chǎn)物（如醇）之外，通過(guò)本文所述的方法源自生物質(zhì)的溶液可包括各種固 體或溶解的化合物和/或材料。例如，溶液可包括酶（例如，酶的部分、活性酶、變性酶）、氨 基酸、營(yíng)養(yǎng)物、活細(xì)胞、死細(xì)胞、細(xì)胞碎片（例如，裂解的細(xì)胞、酵母提取物）、酸、堿、鹽（例 如，鹵化物、硫酸鹽和磷酸鹽、堿（alkai)、堿土、過(guò)渡金屬鹽）、部分水解產(chǎn)物（例如，纖維素 和半纖維素片段）、木質(zhì)素、木質(zhì)素殘余物、無(wú)機(jī)固體（例如，含硅材料、粘土、碳黑、金屬）、 糖化的生物質(zhì)的殘留物以及其組合。
[0034] 可存在的酶可為用于加工的完整酶或變性酶或者可源自這些酶（例如，蛋白質(zhì) 和氨基酸）。這些可為溶解的/和或沉淀的以及懸浮的固體。例如，糖溶液可具有高達(dá)約 10wt. %的酶（例如，高達(dá)9wt. %、高達(dá)8wt. %、高達(dá)5wt. %、高達(dá)2wt. %、高達(dá)lwt. %、約 0· lwt. %與 5wt. %之間、約 lwt. %與 5wt. %之間、約 2wt. %與 5wt. %之間、約 0· lwt. %與 lwt. %之間、約 0· Olwt. %與 lwt. %之間、約 0· OOlwt. %與 0· lwt. %之間）。
[0035] 在生物質(zhì)的糖化期間，最佳pH可常常處于酸性區(qū)并且因此所使用的溶液如果直 接用于燃料電池系統(tǒng)可具有約2與5之間的pH(例如，約4與5之間）。在糖化之后也可向 上或向下調(diào)節(jié)pH和或在較高或較低pH下進(jìn)行糖化。在一些實(shí)施方案中，在燃料電池中使 用的溶液可因此具有選自廣泛范圍的pH值。例如，pH可選自約2至約10的范圍（例如， 約2與5之間、約3與5之間、約3與6之間、約4與6之間、約5與10之間、約6與10之 間、約8與10之間）。
[0036] 源自本文所述的方法并在燃料電池系統(tǒng)中使用的糖溶液可包括以下列濃度存 在的非糖懸浮或溶解的固體：高達(dá)約50wt. %，例如在約lwt. %與50wt. %之間、2wt. % 與 40wt. % 之間、3wt. % 與 25wt. % 之間、5wt. % 與 25wt. % 之間、40wt. % 與 50wt. % 之 間、30wt. % 與 40wt. % 之間、10wt. % 與 20wt. % 之間、lwt. % 與 5wt. % 之間、10wt. % 與 40wt. %之間、小于約50wt. %、小于約40wt. %、小于約30wt. %、小于約20wt. %、小于約 10wt. %、小于約5wt. %、小于約lwt. %、小于約0· 5wt. %、小于約0· Olwt. %。這些溶液可 具有高濁度，例如至少約5比濁法濁度單位（NTU)(例如，至少約10NTU、至少約50NTU、至少 約100NTU、至少約100NTU、至少約200NTU、至少約300NTU、至少約400NTU以及甚至大于約 500NTU)。在一些情況下，在用于燃料電池中之前完全或部分除去固體。例如，可以通過(guò)過(guò) 濾、離心、沉降、漂浮以及這些的組合來(lái)除去固體。在一些情況下，固體源自已沉淀的先前的 可溶性材料，例如已變性的酶。在除去固體之后，溶液的濁度可減小多達(dá)約500NTU(例如， 減小多達(dá)約100NTU、減小多達(dá)約50NTU、減小多達(dá)約5NTU)。
[0037] 除混濁之外，由本文所述方法產(chǎn)生的糖溶液可因有色雜質(zhì)而為著色的。例如，一些 金屬離子以及在加工木質(zhì)纖維素生物質(zhì)期間產(chǎn)生或釋放的多酚和木質(zhì)素衍生的產(chǎn)物可為 高度著色的。溶液可直接用于本文所述的燃料電池系統(tǒng)或者可在使用之前部分或完全脫 色。例如，可將有色雜質(zhì)過(guò)濾出溶液，破壞（例如，通過(guò)化學(xué)分解）和/或從溶液中沉淀出 來(lái)。
[0038] 生物質(zhì)衍生的糖溶液的離子強(qiáng)度可由于生物質(zhì)的來(lái)源以及如本文所述的生物質(zhì) 的加工而為較高的。溶液可直接或完全使用，在用于本文所述的燃料電池系統(tǒng)之前選擇性 或部分去尚子化。
[0039] 在一些實(shí)施方案中，燃料電池可包括生物質(zhì)（例如，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、纖維素生 物質(zhì)、淀粉）以及糖化酶。例如，糖可在其正通過(guò)糖化酶作用于生物質(zhì)材料而產(chǎn)生的同時(shí)用 于燃料電池系統(tǒng)。
[0040] 在其它實(shí)施方案中，在本文所述的燃料電池中使用的糖溶液可包括添加劑。所述 添加劑可改變?nèi)芤旱奶匦裕鏿H、粘度、化學(xué)勢(shì)、表面張力、熱特性、顏色、氣味、不透明性、離 子強(qiáng)度、導(dǎo)電性、無(wú)菌性和/或營(yíng)養(yǎng)值。例如，添加劑可為以任何組合和順序添加的酸、堿、 緩沖液（例如，磷酸鹽緩沖液）、礦物質(zhì)、膠體、乳液、乳化劑、微粒、納米粒子、陽(yáng)離子、陰離 子、金屬離子（例如，F(xiàn)e 2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、K+、Na+)、維生素、酶、蛋白胨、提取物、表面活性 齊U、營(yíng)養(yǎng)物、氣體（例如，氫氣、氮?dú)狻⒑?、氦氣、一氧化碳、二氧化碳）、化學(xué)物質(zhì)、氮源（例 如，氨、尿素）、顏料、芳香劑、陰離子聚合物、陽(yáng)離子聚合物、非離子聚合物、低聚物、脂質(zhì)、月旨 肪、表面活性劑、分散劑、消泡劑、抑菌劑、抗微生物劑、微生物、粘度調(diào)節(jié)劑、氧化劑（例如， 過(guò)氧化物、氯酸鹽）、還原劑、阻垢劑、腐蝕抑制劑、防污垢劑、沉淀劑、促凝劑。添加劑可以 百萬(wàn)分之幾至百分之幾的范圍添加。例如，1至l〇〇〇ppm、5至500ppm、5至100ppm、50至 100ppm、100 至 1000ppm、lwt. % 至 10wt. %、2wt. % 至 10wt. %、5wt. % 至 10wt. %、2wt. % 至5wt. % )。在包括陽(yáng)離子、陰離子、金屬離子的一些實(shí)施方案中，數(shù)量在lppm至lOOOppm 之間。在其中添加酸、堿或緩沖劑的一些實(shí)施方案中，在添加添加劑之后最終pH可選擇為 在pH2與pH10之間（例如，在約4與8之間、在約5與7之間、在約6與8之間、在約4與 5之間、在約7與8之間、在約8與10之間以及在約2與4之間）。添加劑也可以在約luM 至5M之間的量（例如，在約ImM與1M之間、在約5mM與lOOmM之間、在約lOOmM與1摩爾 之間、在約10mM與100mM之間）計(jì)量和添加。
[0041] 圖5為間接糖燃料電池的實(shí)例的示意圖。通常，間接糖燃料電池使用生物學(xué)方法 將初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化為次級(jí)燃料并且次級(jí)燃料使用燃料電池產(chǎn)生電流。使初級(jí)燃料（1)與生物 組分（2)接觸，其中這產(chǎn)生次級(jí)燃料（3)和廢棄物（4)。將次級(jí)燃料裝入燃料電池中并使其 與陽(yáng)極（5)接觸，其中所述次級(jí)燃料被氧化，從而產(chǎn)生還原產(chǎn)物（8)，將電子釋放到外部電 路并提供質(zhì)子。質(zhì)子在燃料電池中行進(jìn)穿過(guò)離子選擇膜（6)到達(dá)陰極（7)。將氧供應(yīng)給陰 極，其中所述氧被從外部電路供應(yīng)的電子還原，并且與質(zhì)子組合產(chǎn)生水。在另一個(gè)可能的設(shè) 計(jì)中，生物組分位于燃料電池內(nèi)，以使得產(chǎn)物和電的產(chǎn)生都發(fā)生在燃料電池內(nèi)。在一些情況 下，也不需要離子選擇膜。在其它情況下，氧化劑可為除分子氧之外的氧化劑（例如，過(guò)氧 化氫、有機(jī)過(guò)氧化物以及無(wú)機(jī)過(guò)氧化物）。
[0042] 在間接燃料電池中使用的初級(jí)燃料可為糖（例如，葡萄糖和木糖）以及可通過(guò)如 先前所討論的生物質(zhì)的糖化所產(chǎn)生的多糖。次級(jí)燃料可為初級(jí)燃料的發(fā)酵產(chǎn)物。例如，次 級(jí)燃料可為醇或其它發(fā)酵產(chǎn)物（例如，乙醇、甲醇、丁醇、多元醇、乙酸、乳酸以及H2)。通常， 初級(jí)燃料和次級(jí)燃料可選自以下所討論的中間體和產(chǎn)物。生物組分可為微生物材料，其包 括但不限于任何天然存在或基因修飾的微生物或有機(jī)體，例如原生生物，例如動(dòng)物原生生 物（例如，原生動(dòng)物，如鞭毛蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和孢子蟲(chóng)）和植物原生生物（例如，海藻，如 alveolates、chlorarachniophytes、隱藻、裸藻、灰藻、定鞭藻、紅藻、不等鞭毛藻、以及綠色 植界（viridaeplantae))。其它實(shí)例包括海草、浮游生物（例如，大型浮游生物、中型浮游生 物、小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物以及超微微型浮游生物）、浮游植物、細(xì) 菌（例如，革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌以及極端微生物）、人細(xì)胞、哺乳動(dòng)物細(xì)胞、酵 母和/或這些的混合物?？纱嬖谌舾煞N生物組分，例如可存在專門(mén)生成適用于由不同或相 同燃料組分產(chǎn)生電流的不同產(chǎn)物的若干細(xì)菌。例如，本文所討論的發(fā)酵方法和發(fā)酵有機(jī)體 可用于產(chǎn)生次級(jí)產(chǎn)物。
[0043] 可用于產(chǎn)生間接糖燃料電池中的次級(jí)燃料的一些微生物物種為：糖丁基丙 酮梭菌（Clostridium saccharobutylacetonicum)、糖乙酸多丁醇梭菌（Clostridium saccharoperbutylacetonicum)、糖丁 酸梭菌（Clostridium saccharobutylicum)、略紫 色梭菌（Clostridium puniceum)、拜氏梭菌（Clostridium beijernckii)、丙酮丁醇梭 菌（Clostridium acetobutylicum)、金黃丁酸梭菌（Clostridium aurantibutyricum)、 費(fèi)新尼亞梭菌（Clostridium felsineum)、丁 酸梭菌（Clostridium butyricum)、地桿 菌屬某些種（Geobacter species)、酵母菌屬某些種的菌株（例如，釀酒酵母（面包酵 母）、糖化酵母（Saccharomyces distaticus，）、葡萄汁酵母（Saccharomyces uvarum))、 克魯維酵母菌屬的菌株（例如，馬克斯克魯維酵母（Kluyveromyces marxianus)、脆壁 克魯維酵母（Kluyveromyces fragilis)種）、假絲酵母屬菌株（例如，偽熱帶假絲酵母 (Candida pseudotropicalis)和蕓薹假絲酵母（Candida brassicae))、樹(shù)干畢赤酵母 (休哈塔假絲酵母（Candida shehatae)的親緣菌）、棒孢酵母屬的菌株（例如，葡萄牙 棒抱酵母（Clavispora lusitaniae)和仙人掌棒抱酵母（Clavispora opuntiae)種）、 管囊酵母屬的菌株（例如，嗜縣管囊酵母（Pachysolen tannophilus)種）、以及酒香酵 母屬（Bretannomyce)的菌株（例如，克勞森酒香酵母（Bretannomyces clausenii)種 (Handbook on Bioethanol:Production and Utilization, Wyman, C. E.編輯，Taylor&Fra ncis, Washington, DC, 179-212 中的 Philippidis, G. P.，1996,Cellulose bioconversion technology))?？捎糜诖渭?jí)燃料的形成的可商購(gòu)獲得的酵母包括，例如，RedStar?/ Lesaffre Ethanol Red (購(gòu)自 Red Star/Lesaffre, USA) > FAT J? (購(gòu)自 Fleischmann，s Yeast(Burns Philip Food Inc.的部門(mén)），USA)、SUPERSTART? (購(gòu)自 Alltech，現(xiàn)在 的 Lalemand)、GERT STRAND"(購(gòu)自 Gert Strand AB，瑞典）以及 FERMOL·"(購(gòu)自 DSM Specialties)〇
[0044] 生物燃料電池是能夠經(jīng)由涉及生物化學(xué)途徑的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)燃料直接轉(zhuǎn)換 為電能的裝置。通常，這涉及用于催化的酶或酶的活性部分。酶可處于活有機(jī)體內(nèi)（例 如，微生物燃料電池）或者可處于活細(xì)胞外（例如，酶燃料電池）。圖6示出生物燃料電 池的通用半電池的示意圖。使供應(yīng)的燃料與生物組分接觸，所述生物組分氧化燃料并形成 需除去的廢棄物。將從燃料中釋放的電子從生物組分轉(zhuǎn)移到介體中，所述介體擴(kuò)散到電 極處或者與電極相關(guān)聯(lián)，在所述電極處，所述介體被氧化成其原始狀態(tài)，從而將電子釋放 到外部電路。未示出燃料電池的氧化劑側(cè)。一些氧化劑可為例如由空氣供應(yīng)的〇 2，或者 為過(guò)氧化物（例如，過(guò)氧化氫、有機(jī)過(guò)氧化物、無(wú)機(jī)過(guò)氧化物）。一些生物燃料電池不需要 介體，在所述電池中，電子直接從生物組分轉(zhuǎn)移到電極。在一些生物燃料電池中，與氧的 陽(yáng)極反應(yīng)由生物組分催化。一些生物燃料電池已例如由Derek Lovely在"The microbe electric:conversion of organic matter to electricity，'，Current Opinions in Biotechnology，2008,第19卷，第1-8頁(yè)中或者在2007年5月18日提交的美國(guó)專利號(hào) 8, 283, 076中進(jìn)行描述；這些參考文獻(xiàn)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0045] 在生物燃料電池中使用的燃料可為如先前所討論的來(lái)自生物質(zhì)的糖化產(chǎn)物。特別 是在其中利用有機(jī)體的情況下（例如，微生物燃料電池），可向燃料中添加其它營(yíng)養(yǎng)物和培 養(yǎng)基組分，例如離子（例如，鈉、鉀、鐵、鎂、錳、鋅、銅）、磷酸鹽、硫酸鹽、氨、尿素、氨基酸、蛋 白質(zhì)、維生素、緩沖液、有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、有機(jī)堿、無(wú)機(jī)堿、富含營(yíng)養(yǎng)物的提取物（例如，酵母 提取物、肉提取物以及蔬菜提取物）。另外，可控制溫度和pH。例如，可使用在10°C與70°C 之間的溫度（例如，在約l〇°C與60°C之間、在約10°C與50°C之間、在約10°C與40°C之間、在 約20°C與70°C之間、在約20°C與60°C之間、在約20°C與50°C之間、在約20°C與40°C之間、 在約30°C與70°C之間、在約30°C與60°C之間、在約30°C與50°C之間、在約30°C與40°C之 間）。pH可在約3與10之間（例如，在約3與9之間、在約3與8之間、在約3與7之間、 在約3與6之間、在約3與5之間、在約4與9之間、在約4與8之間、在約4與7之間、在 約5與9之間、在約5與8之間、在約5與7之間）。
[0046] 可適用于生物燃料電池的有機(jī)體的實(shí)例為地桿菌屬的某些種、普通變形桿菌 (proteus vulgaris)、脫硫弧菌（Desulphovibrio desulphuricans)、大腸桿菌、琥拍酸放 線桿菌（Actinobacillus succinogene)、普通脫硫弧菌（Desulphovibrio vulgaris)、腐敗 希瓦菌（Shewanella putrefaciens)以及鐵還原紅螺菌（Rhodoferax ferrireducens)。
[0047] 可適用于生物燃料電池的酶的實(shí)例為葡糖氧化酶、醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、甲酸脫 氫酶、氧化還原酶、心肌黃酶、香料（flavor)氧化還原酶、漆酶、微過(guò)氧化物酶、葡糖脫氫 酶、氫化酶、過(guò)氧化物酶、從此列表中重構(gòu)的酶以及其組合。
[0048] 機(jī)械處理
[0049] 可在其它處理之前或之后對(duì)生物質(zhì)原料（例如，纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料） 進(jìn)行機(jī)械處理。對(duì)含碳水化合物的材料進(jìn)行機(jī)械處理的方法包括例如碾磨或研磨。可使用 例如錘磨機(jī)、球磨機(jī)、膠體磨、圓錐或錐形磨、盤(pán)磨機(jī)、輪碾機(jī)、威利磨（Wiley mill)、谷物碾 磨機(jī)或其它磨進(jìn)行碾磨。可使用例如切割/沖擊型研磨機(jī)進(jìn)行研磨。一些示例性研磨機(jī)包 括石料研磨機(jī)、銷棒研磨機(jī)、咖啡研磨機(jī)以及磨盤(pán)式研磨機(jī)。研磨或碾磨可以例如通過(guò)使銷 棒或其它元件往復(fù)移動(dòng)來(lái)提供，在銷棒碾磨機(jī)中就是這樣。其它機(jī)械處理方法包括機(jī)械撕 破或撕裂、對(duì)纖維施加壓力的其它方法以及空氣摩擦碾磨。合適的機(jī)械處理進(jìn)一步包括繼 續(xù)進(jìn)行由先前的加工步驟引發(fā)的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂的任何其它技術(shù)。
[0050] 機(jī)械進(jìn)料制備系統(tǒng)可被配置成產(chǎn)生具有特定特征（例如像特定最大尺寸、特定長(zhǎng) 寬比或特定表面積比）的進(jìn)料流。物理制備可提高反應(yīng)速率、改善材料的移動(dòng)、改善材料的 照射曲線、提高材料的輻射均勻度、或者減少打開(kāi)材料并使其對(duì)于方法和/或試劑（如溶液 中的試劑）更易接近所需要的加工時(shí)間。
[0051] 可以控制（例如，增大）原料的堆積密度。在一些情況下，可希望例如通過(guò)使材 料致密化（例如，致密化可使將其運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)位置更容易并且成本更低）以及隨后使材 料恢復(fù)到較低堆積密度狀態(tài)（例如，在運(yùn)輸之后）來(lái)制備低堆積密度材料?？墒共牧现旅?化，例如從小于約〇· 2g/cc至大于約0· 9g/cc (例如，小于約0· 3g/cc至大于約0· 5g/cc、小 于約〇· 3g/cc至大于約0· 9g/cc、小于約0· 5g/cc至大于約0· 9g/cc、小于約0· 3g/cc至大 于約〇. 8g/cc、小于約0. 2g/cc至大于約0. 5g/cc)。例如，可通過(guò)在Medoff的美國(guó)專利號(hào) 7, 932, 065和國(guó)際公布號(hào)W0 2008/073186 (2007年10月26日提交，以英語(yǔ)公布并且指定美 國(guó)）中公開(kāi)的方法和設(shè)備來(lái)使材料致密化，所述專利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本 文?？赏ㄟ^(guò)本文所述的任何方法加工致密化的材料，或者由本文所述的任何方法加工的任 何材料可隨后致密化。
[0052] 在一些實(shí)施方案中，待加工的材料呈纖維材料的形式，所述纖維材料包括通過(guò)剪 切纖維來(lái)源提供的纖維。例如，可用旋轉(zhuǎn)切割機(jī)進(jìn)行剪切。
[0053] 例如，可以例如在旋轉(zhuǎn)切割機(jī)中剪切例如具有不順應(yīng)性的或其不順應(yīng)性水平已減 小的纖維來(lái)源，以提供第一纖維材料。使第一纖維材料通過(guò)例如具有1.59_或更?。?/16 英寸，0.0625英寸）的平均開(kāi)口尺寸的第一篩網(wǎng)，提供第二纖維材料。如果需要，可在剪切 之前例如用切碎機(jī)切割纖維來(lái)源。例如，當(dāng)使用紙作為纖維來(lái)源時(shí)，可首先用切碎機(jī)，例如 反相旋轉(zhuǎn)螺旋切碎機(jī)（如由Munson (Utica，N. Y.)制造的那些）將紙切割成例如1/4-英寸 至1/2-英寸寬的條。作為切碎的替代，可通過(guò)使用閘刀式切紙機(jī)切割至所希望的尺寸來(lái)減 小紙的尺寸。例如，閘刀式切紙機(jī)可用于將紙切割成例如10英寸寬X 12英寸長(zhǎng)的片。
[0054] 在一些實(shí)施方案中，纖維來(lái)源的剪切和使所得的第一纖維材料通過(guò)第一篩網(wǎng)是同 時(shí)進(jìn)行的。也可以在間歇型過(guò)程中進(jìn)行剪切和通過(guò)。
[0055] 例如，旋轉(zhuǎn)切割機(jī)可用于同時(shí)剪切纖維來(lái)源和篩選第一纖維材料。旋轉(zhuǎn)切割機(jī)包 括可裝載有通過(guò)切碎纖維來(lái)源制備的切碎的纖維來(lái)源的料斗。
[0056] 在一些實(shí)施方式中，在糖化和/或發(fā)酵之前對(duì)原料進(jìn)行物理處理。物理處理方法 可包括一種或多種本文所述的任何那些方法，如機(jī)械處理、化學(xué)處理、照射、超聲處理、氧 化、熱解或蒸汽爆炸。處理方法可與兩種、三種、四種或甚至所有這些技術(shù)組合使用（以任 何順序）。當(dāng)使用一種以上的處理方法時(shí)，所述方法可同時(shí)或不同時(shí)應(yīng)用。改變生物質(zhì)原料 的分子結(jié)構(gòu)的其它方法也可單獨(dú)使用或與本文所公開(kāi)的方法組合使用。
[0057] 可使用的機(jī)械處理以及機(jī)械處理的原料的特征在2011年10月18日提交的美國(guó) 序列號(hào)13/276, 192中進(jìn)一步詳細(xì)描述，所述專利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入 本文。
[0058] 除了此尺寸縮減（可在加工期間初期和/或后期進(jìn)行）之外，機(jī)械處理還可有利 地"打開(kāi)"、"壓緊"、破壞或破碎原料材料，從而使材料的纖維素在結(jié)構(gòu)改性處理期間更易于 斷鏈和/或晶體結(jié)構(gòu)破裂。
[0059] 生物質(zhì)可處于干燥形式，例如具有小于約35%含濕量（例如，小于約20%、小于約 15%、小于約10%、小于約5%、小于約4 %、小于約3%、小于約2%或甚至小于約1% )。生 物質(zhì)還可在濕潤(rùn)狀態(tài)下例如作為濕固體、具有至少約l〇wt%固體的漿液或懸浮液（例如， 至少約20wt. %、至少約30wt. %、至少約40wt. %、至少約50wt. %、至少約60wt. %、至少約 70wt. % )遞送。
[0060] 本文公開(kāi)的方法可利用低堆積密度材料，例如已物理預(yù)處理成具有小于約0. 75g/ cm3,例如小于約 0. 7、0. 65、0. 60、0. 50、0. 35、0. 25、0. 20、0. 15、0. 10、0. 05 或更小，例如小于 約0. 025g/cm3的堆積密度的纖維素或木質(zhì)纖維素原料。使用ASTM D1895B確定堆積密度。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，所述方法涉及用樣品填充具有已知體積的量筒以及獲得樣品的重量。堆積密度 通過(guò)用樣品重量（克）除以已知的量筒體積（立方厘米）來(lái)計(jì)算。如果需要，可以例如通 過(guò)Medoff的美國(guó)專利號(hào)7, 971，809中所述的方法對(duì)低堆積密度材料進(jìn)行致密化，所述專利 的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入。
[0061] 在一些情況下，可通過(guò)具有所希望的開(kāi)口尺寸的網(wǎng)或多孔板篩選生物質(zhì)，所述開(kāi) 口尺寸例如小于約6. 35mm(l/4英寸，0· 25英寸）（例如，小于約3. 18mm(l/8英寸，0· 125 英寸）、小于約1. 59mm(l/16英寸，0· 0625英寸）、小于約0· 79mm(l/32英寸，0· 03125英 寸），例如小于約〇· 51mm(l/50英寸，0· 02000英寸）、小于約0· 40mm(l/64英寸，0· 015625 英寸）、小于約〇· 23mm(0· 009英寸）、小于約0· 20mm(l/128英寸，0· 0078125英寸）、小于 約0· 18mm(0. 007英寸）、小于約0· 13mm(0. 005英寸），或甚至小于約0· 10mm(l/256英寸， 0· 00390625 英寸））。
[0062] 生物質(zhì)材料的篩選還可通過(guò)手動(dòng)方法，例如通過(guò)去除不想要的材料的操作員或機(jī) 械體（例如，配備有顏色、反射率或其它傳感器的機(jī)器人）進(jìn)行。篩選還可通過(guò)磁篩選進(jìn)行， 其中將磁鐵設(shè)置在輸送的材料附近并且通過(guò)磁力去除磁性材料。
[0063] 任選地，在進(jìn)一步加工之前，可以例如通過(guò)IR輻射、微波、燃燒（例如，氣體、煤、 油、生物質(zhì)）、電阻性加熱和/或感應(yīng)加熱對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行加熱。可以例如出于干燥材料 的目的進(jìn)行加熱。在干燥材料的情況下，在加熱或不加熱的情況下，這還可通過(guò)氣體（例 如，空氣、氧氣、氮?dú)?、He、C0 2、氬氣）在生物質(zhì)上和/或通過(guò)所述生物質(zhì)的移動(dòng)來(lái)促進(jìn)。
[0064] 任選地，可在機(jī)械處理之前或之后冷卻生物質(zhì)。冷卻材料在Medoff的美國(guó)專利號(hào) 7, 900, 857中描述，所述專利的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0065] 輻射處理
[0066] 在一些情況下，可對(duì)原料進(jìn)行照射以改性其結(jié)構(gòu)并且因此減小其不順應(yīng)性。照射 可例如減小原料的平均分子量，改變?cè)系木w結(jié)構(gòu)，改變?cè)系墓倌芑ɡ?，通過(guò)氧 化）和/或增大原料的表面積和/或多孔性。
[0067] 在本文所公開(kāi)的方法中可使用多種其它照射裝置，包括場(chǎng)致電離源、靜電離子分 離器、場(chǎng)致電離發(fā)生器、熱電子發(fā)射源、微波放電離子源、再循環(huán)或靜電加速器、動(dòng)態(tài)線性加 速器、范德格拉夫加速器以及折疊式串列加速器。所述裝置公開(kāi)于例如Medoff的美國(guó)專利 號(hào)7, 931，784中，所述專利的完整公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0068] 電子束可用作輻射源。電子束具有高劑量速率（例如，1、5或甚至10毫拉德/秒）、 高流通量、更少的約束（containment)以及更少的限制（confinement)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。電子束 還可具有高電效率（例如，80% )，以允許相對(duì)于其它輻射方法的較低能量使用，這可轉(zhuǎn)化 為與所使用能量的較小量相對(duì)應(yīng)的較低操作成本和較低溫室氣體排放。電子束可例如由靜 電發(fā)生器、級(jí)聯(lián)發(fā)生器、互感發(fā)生器、具有掃描系統(tǒng)的低能加速器、具有線性陰極的低能加 速器、線性加速器以及脈沖加速器產(chǎn)生。
[0069] 電子還可（例如）通過(guò)斷鏈機(jī)制更有效地引起含碳水化合物的材料的分子結(jié)構(gòu)的 改變。此外，具有0.5-10 MeV能量的電子可穿透低密度材料，如本文所述的生物質(zhì)材料， 例如具有小于0. 5g/cm3的堆積密度和0. 3-10cm的深度的材料。作為電離輻射源的電子可 適用于（例如）相對(duì)薄的材料堆、材料層或材料床，例如小于約〇. 5英寸，例如小于約0. 4 英寸、〇. 3英寸、0. 25英寸或小于約0. 1英寸。在一些實(shí)施方案中，電子束的每個(gè)電子的能 量為約0. 3MeV至約2. OMeV(兆電子伏特），例如約0. 5MeV至約1. 5MeV或約0. 7MeV至約 1. 25MeV。在2011年10月18日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2012/01000577 A1中討論了照 射材料的方法，所述公布的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0070] 電子束照射裝置可從 Ion Beam Applications (Louvain-la-Neuve,比利時(shí)）或 Titan Corporation (San Diego, CA)商業(yè)上獲得。典型的電子能可為 0.5MeV、lMeV、2MeV、 4.5厘6￥、7.516￥或10116￥。典型的電子束照射裝置功率可為11(1、51(1、101(1、201(1、50砑、 60KW、70KW、80KW、90KW、100KW、125KW、150KW、175KW、200KW、250KW、300KW、350KW、400KW、 450KW、500KW、600KW、700KW、800KW、900KW 或甚至 1000KW。
[0071] 考察電子束照射裝置功率規(guī)格的權(quán)衡因素包括操作成本、投資成本、折舊以及裝 置占地面積。考察電子束照射的暴露劑量水平的權(quán)衡因素是能量成本與環(huán)境、安全以及健 康（ESH)問(wèn)題。通常，發(fā)生器容納于例如鉛或混凝土的穹頂中，特別是對(duì)于從在所述過(guò)程中 產(chǎn)生的X-射線來(lái)產(chǎn)生?？疾祀娮幽艿臋?quán)衡因素包括能量成本。
[0072] 電子束照射裝置可產(chǎn)生固定束抑或掃描束。具有大的掃描掃掠長(zhǎng)度和高掃描速度 的掃描束可能是有利的，因?yàn)檫@將有效代替大的、固定的束寬。此外，可得到〇. 5m、lm、2m或 更大的可用掃描寬度。
[0073] 在一些實(shí)施方案中，使用兩個(gè)或更多個(gè)輻射源，如兩個(gè)或更多個(gè)電離輻射源。例 如，可以任何順序用電子束、隨后用Y輻射和具有約l〇〇nm至約280nm波長(zhǎng)的UV光處理樣 品。在一些實(shí)施方案中，用三種電離輻射源（如電子束、Y輻射和高能UV光）處理樣品。 通過(guò)照射區(qū)（圖3中的354)輸送生物質(zhì)，其中可以例如通過(guò)電子照射所述生物質(zhì)。通常優(yōu) 選的是，生物質(zhì)材料床在照射時(shí)具有如先前所述的相對(duì)均勻的厚度。
[0074] 改變分子/超分子結(jié)構(gòu)和/或減小含碳水化合物的生物質(zhì)的不順應(yīng)性的效力取決 于所使用的電子能和所施加的劑量，而暴露時(shí)間取決于功率和劑量。
[0075] 在一些實(shí)施方案中，（用任何輻射源或源的組合）進(jìn)行照射直到材料接收至少 約 0· 05 毫拉德，例如至少約 0· 1、0· 25、0· 5、0· 75、1· 0、2· 5、5· 0、7· 5、10· 0、15、20、25、30、 40、50、60、70、80、90、100、125、150、175或200毫拉德的劑量。在一些實(shí)施方案中，進(jìn)行照 射直到材料接收 〇· 1-100 毫拉德、1-200、5-200、10-200、5-150、50-150、100-200、100-150、 80-120、5-100、5-50、5-40、10-50、10-75、15-50、20-35 毫拉德之間的劑量。
[0076] 在一些實(shí)施方案中，以5. 0千拉德/小時(shí)與1500. 0千拉德/小時(shí)之間，例如10. 0 千拉德/小時(shí)與750. 0千拉德/小時(shí)之間或50. 0千拉德/小時(shí)與350. 0千拉德/小時(shí)之 間的劑量速率進(jìn)行照射。在其它實(shí)施方案中，以10千拉德/小時(shí)與10000千拉德/小時(shí)之 間、100千拉德/小時(shí)與1000千拉德/小時(shí)之間，或500千拉德/小時(shí)與1000千拉德/小 時(shí)之間的劑量速率進(jìn)行照射。
[0077] 在一些實(shí)施方式中，希望在照射期間冷卻材料。例如，可在例如通過(guò)螺桿擠出機(jī)或 其它輸送設(shè)備輸送材料時(shí)冷卻所述材料。
[0078] 可在纖維素和/或木質(zhì)纖維素材料暴露于空氣、富氧空氣或甚至氧氣本身或者由 如氮?dú)?、氬氣或氦氣的惰性氣體覆蓋時(shí)施加輻射。當(dāng)希望最大化氧化時(shí)，利用氧化環(huán)境（如 空氣或氧氣），并且優(yōu)化與輻射源的距離以使反應(yīng)性氣體（例如臭氧和/或氮的氧化物）形 成最大化。
[0079] 軺聲處理、熱解、氣化、蒸汽爆炸
[0080] 如果需要，除照射之外或代替照射，可使用一種或多種超聲處理、熱解、氧化或蒸 汽爆炸方法，以減小原料的不順應(yīng)性。這些方法在美國(guó)序列號(hào)12/429, 045中詳細(xì)描述，所 述專利的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0081] 糖化
[0082] 處理的生物質(zhì)材料通?？赏ㄟ^(guò)將材料和纖維素酶在流體介質(zhì)（例如水溶液）中 組合來(lái)進(jìn)行糖化。在一些情況下，在糖化之前在熱水中對(duì)材料進(jìn)行煮沸、浸泡或蒸煮，如在 2011年10月18日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2012/01000577 A1中所描述。
[0083] 糖化過(guò)程可在制造工廠的罐（例如，具有至少4000、40, 000或500, 000L的體積的 罐）中部分或完全地進(jìn)行，和/或可在轉(zhuǎn)運(yùn)中，例如在軌道車、油罐卡車中、或在超級(jí)油輪或 船倉(cāng)中部分或完全地進(jìn)行。完全糖化所需要的時(shí)間將取決于工藝條件和所使用的含碳水化 合物的材料和酶。如果在控制的條件下在制造工廠中進(jìn)行糖化，則可在約12-96小時(shí)內(nèi)將 纖維素基本上完全轉(zhuǎn)化為糖，例如葡萄糖。如果在轉(zhuǎn)運(yùn)中部分或完全地進(jìn)行糖化，則糖化可 能花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。
[0084] 通常優(yōu)選在糖化期間例如使用噴射混合對(duì)罐內(nèi)容物進(jìn)行混合，如在2010年5 月18日提交的國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2010/035331中所描述，所述申請(qǐng)以英語(yǔ)公布為T(mén)O 2010/135380并且指定美國(guó)，所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0085] 表面活性劑的添加可提高糖化的速率。表面活性劑的實(shí)例包括非離子型表面活性 劑（如Tween? 20或Tween? 80聚乙二醇表面活性劑）、離子型表面活性劑或者兩性表 面活性劑。
[0086] 通常優(yōu)選由糖化得到的糖溶液的濃度相對(duì)較高，例如，大于40重量％，或大于50 重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或甚至大于95重量％?？梢岳缤ㄟ^(guò) 蒸發(fā)去除水分以增加糖溶液的濃度。這減小了待裝運(yùn)的體積并且還抑制了溶液中的微生物 生長(zhǎng)。
[0087] 可選地，可使用較低濃度的糖溶液，在這種情況下，可能希望以低濃度（例如， 50ppm至150ppm)添加抗微生物添加劑，例如廣譜抗生素。其它合適的抗生素包括兩性霉素 B、氣節(jié)青霉素、氣霉素、環(huán)丙沙星、慶大霉素、潮霉素 B、卡那霉素、新霉素、青霉素、噪吟霉 素、鏈霉素?？股貙⒃谶\(yùn)輸和儲(chǔ)存期間抑制微生物的生長(zhǎng)，并且可以適當(dāng)?shù)臐舛龋ɡ纾?以重量計(jì)在15ppm與lOOOppm之間，例如，在25ppm與500ppm之間，或在50ppm與150ppm 之間）使用。如果希望，則即使糖濃度相對(duì)較高也可包括抗生素?？蛇x地，可使用具有抗微 生物或防腐特性的其它添加劑。優(yōu)選的，一種或多種抗微生物添加劑是食品級(jí)的。
[0088] 可以通過(guò)限制與酶一起添加到含碳水化合物的材料中的水量來(lái)獲得相對(duì)較高濃 度的溶液?？梢岳缤ㄟ^(guò)控制糖化發(fā)生多少來(lái)控制濃度。例如，可以通過(guò)向溶液中添加更 多含碳水化合物的材料來(lái)增加濃度。為了保持正在溶液中產(chǎn)生的糖，可以添加表面活性劑， 例如，以上所討論的那些中的一種。也可以通過(guò)增加溶液的溫度來(lái)增加溶解度。例如，可將 溶液維持在40°C -50°C、6(TC -80°C或甚至更高的溫度下。
[0089] 趟
[0090] 在本文所述的方法中，例如在糖化之后，可對(duì)糖（例如，葡萄糖和木糖）進(jìn)行分離。 例如，可以通過(guò)沉淀法、結(jié)晶法、色譜法（例如，模擬的移動(dòng)床色譜法、高壓色譜法）、離心 法、萃取法、本領(lǐng)域已知的任何其它分離方法以及其組合來(lái)對(duì)糖進(jìn)行分離。
[0091] 遞
[0092] 酵母和發(fā)酵單胞菌屬（Zymomonas)細(xì)菌，例如，可用于將一種或多種糖發(fā)酵或轉(zhuǎn) 化成一種或多種醇。其它微生物在下文進(jìn)行討論。用于發(fā)酵的最佳pH為約pH4至pH7。例 如，酵母的最佳pH為約pH4至pH5,而發(fā)酵單胞菌的最佳pH為約pH5至pH6。典型的發(fā)酵時(shí) 間為約24小時(shí)至168小時(shí)（例如，24小時(shí)至96小時(shí)），其中溫度范圍為20°C至40°C (例 如，26°C至40°C )，然而嗜熱微生物偏好較高的溫度。
[0093] 在一些實(shí)施方案中，例如當(dāng)使用厭氧有機(jī)體時(shí)，至少一部分發(fā)酵是在缺乏氧氣，例 如在惰性氣體（如N 2、Ar、He、C02或其混合物）的覆蓋下進(jìn)行的。另外，所述混合物可在部 分或全部發(fā)酵期間使惰性氣體的持續(xù)吹掃流動(dòng)通過(guò)罐。在一些情況下，可以通過(guò)發(fā)酵期間 的二氧化碳產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)或維持厭氧條件而不需要額外的惰性氣體。
[0094] 在一些實(shí)施方案中，可在低分子量糖完全轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物（例如，乙醇）之前中斷全部 或部分發(fā)酵過(guò)程。中間發(fā)酵產(chǎn)物包括高濃度的糖和碳水化合物。糖和碳水化合物可經(jīng)由本 領(lǐng)域已知的任何手段進(jìn)行分離。這些中間發(fā)酵產(chǎn)物可用于制備用于人或動(dòng)物消耗的食品。 另外或者可選地，可以在不銹鋼實(shí)驗(yàn)室磨中將中間發(fā)酵產(chǎn)物磨碎成細(xì)小顆粒大小，以產(chǎn)生 面粉狀物質(zhì)。
[0095] 可在發(fā)酵期間使用噴射混合，并且在一些情況下，可在同一個(gè)罐中進(jìn)行糖化和發(fā) 酵。
[0096] 可以在糖化和/或發(fā)酵期間添加微生物的營(yíng)養(yǎng)物，例如，在2011年7月15日提交 的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2012/0052536中所述的基于食物的營(yíng)養(yǎng)物包，所述公布的完整公開(kāi) 內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0097] 可以利用移動(dòng)發(fā)酵罐，如在國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2007/074028(所述申請(qǐng)?jiān)?007年 7月20日提交，以英語(yǔ)公布為W0 2008/011598并且指定美國(guó)）中所描述的，所述申請(qǐng)的內(nèi) 容以引用的方式整體并入本文。類似地，糖化設(shè)備可為移動(dòng)的。此外，糖化和/或發(fā)酵可在 轉(zhuǎn)運(yùn)期間部分或完全地進(jìn)行。
[0098] 蒸籃
[0099] 發(fā)酵之后，可使用例如"醪塔"對(duì)所得的流體進(jìn)行蒸餾，以使乙醇和其它醇與大部 分水和殘余固體分離。流出醪塔的蒸氣可以是例如35重量％乙醇并且可進(jìn)料到精餾塔中。 可以使用氣相分子篩將來(lái)自精餾塔的接近共沸的（92.5%)乙醇與水的混合物純化為純 (99. 5%)乙醇?？蓪Ⅴ菜撞课飩魉偷饺?jí)蒸發(fā)器的第一級(jí)。精餾塔回流冷凝器可為此 第一級(jí)提供熱量。在第一級(jí)之后，可以使用離心機(jī)分離固體并且在旋轉(zhuǎn)干燥器中干燥?？?將離心機(jī)流出液的一部分（25% )再循環(huán)至發(fā)酵，并且將其余部分傳送到第二蒸發(fā)器級(jí)和 第三蒸發(fā)器級(jí)。大部分蒸發(fā)器冷凝液可作為相當(dāng)干凈的冷凝液返回到所述過(guò)程中，其中分 離小部分至廢水處理以防止低沸點(diǎn)化合物的堆積。
[0100] 中間體和產(chǎn)品
[0101] 使用本文所述的方法，可將生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為一種或多種產(chǎn)品，如能量、燃料、食 品以及材料。產(chǎn)品的特定實(shí)例包括但不限于：氫氣、糖（例如，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘 露糖、半乳糖、果糖、二糖、寡糖以及多糖）、醇（例如，一元醇或二元醇，如乙醇、正丙醇、異 丁醇、仲丁醇、叔丁醇或正丁醇）、水合醇或含水醇（例如，含有大于10%、20%、30%或甚 至大于40%的水）、生物柴油、有機(jī)酸、烴（例如，甲烷、乙烷、丙烷、異丁烯、戊烷、正己烷、生 物柴油、生物汽油以及其混合物）、副產(chǎn)品（例如，蛋白質(zhì)，如纖維素分解蛋白（酶）或單細(xì) 胞蛋白質(zhì)）、以及處于任何組合或相對(duì)濃度的這些物質(zhì)中的任何物質(zhì)的混合物，并且所述任 何物質(zhì)任選與任何添加劑（例如，燃料添加劑）組合。其它實(shí)例包括羧酸、羧酸的鹽、羧酸 與羧酸的鹽的混合物以及羧酸的酯（例如，甲基、乙基以及正丙基酯）、酮（例如，丙酮）、醛 (例如，乙醛）、α和β不飽和酸（例如，丙烯酸）以及烯烴（例如，乙烯）。其它醇和醇衍 生物包括：丙醇、丙二醇、1，4- 丁二醇、1，3-丙二醇、糖醇（例如，赤蘚醇、乙二醇、甘油、山 梨醇、蘇糖醇、阿糖醇、核糖醇、甘露醇、半乳糖醇、巖藻糖醇、艾杜醇、異麥芽酮糖醇、麥芽糖 醇、乳糖醇、木糖醇、以及其它多元醇）以及任何這些醇的甲基或乙基酯。其它產(chǎn)品包括丙 烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、檸檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、戊酸、己酸、3-羥 基丙酸、棕櫚酸、硬脂酸、草酸、丙二酸、戊二酸、油酸、亞油酸、羥乙酸、羥基丁酸以及其 混合物、任何這些酸的鹽、任何所述酸及其對(duì)應(yīng)鹽的混合物。獲得的許多產(chǎn)品（如乙醇或正 丁醇）可用作燃料，用于為汽車、卡車、拖拉機(jī)、船或火車提供動(dòng)力，例如作為內(nèi)部燃燒燃料 或作為燃料電池原料。獲得的許多產(chǎn)品還可用于為飛行器（如，例如具有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛 機(jī)，或直升機(jī)）提供動(dòng)力。此外，本文所述的產(chǎn)物可以例如在常規(guī)蒸汽發(fā)電廠或燃料電池工 廠中用于電能產(chǎn)生。
[0102] 包括食品和藥物產(chǎn)品的其它中間體和產(chǎn)品描述于2009年4月3日提交的美國(guó)申 請(qǐng)?zhí)?2/417, 900,所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式由此并入本文。
[0103] 含碳水化合物的材料（牛物質(zhì)材料）
[0104] 如本文使用的，術(shù)語(yǔ)"生物質(zhì)材料"可與術(shù)語(yǔ)"含碳水化合物的材料"互換使用并 且包括木質(zhì)纖維素、纖維素、淀粉以及微生物材料?？墒褂帽疚乃龅娜魏紊镔|(zhì)材料的混 合物實(shí)踐本文所述的任何方法。
[0105] 木質(zhì)纖維素材料包括但不限于木材、刨花板、林業(yè)廢棄物（例如，鋸末、楊木、木 屑）、草（例如，柳枝稷、芒草、繩草、草蘆）、谷物殘?jiān)ɡ?，稻殼、燕麥殼、小麥殼、大?殼）、農(nóng)業(yè)廢棄物（例如，青貯飼料、油菜秸、小麥秸、大麥秸、燕麥秸、稻秸、黃麻、大麻、亞 麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸桿、大豆秸桿、玉米纖維、苜蓿、干草、椰子毛）、糖加 工殘?jiān)ɡ?，甘蔗渣、甜菜漿、龍舌蘭渣）、海藻、海草、糞肥、污物，以及任何這些的混合 物。
[0106] 在一些情況下，木質(zhì)纖維素材料包括玉米穗軸。磨碎或錘磨粉碎的玉米穗軸可以 相對(duì)均勻厚度的層進(jìn)行鋪展以用于照射，并且在照射之后易于分散在介質(zhì)中以進(jìn)行進(jìn)一步 加工。為了促進(jìn)收獲和收集，在一些情況下，使用整個(gè)玉米植株，包括玉米秸桿、玉米粒，并 且在一些情況下甚至包括所述植株的根系統(tǒng)。
[0107] 有利地，在玉米穗軸或含有顯著大量玉米穗軸的纖維素或木質(zhì)纖維素材料的發(fā)酵 期間不需要另外的營(yíng)養(yǎng)物（除了氮源，例如尿素或氨之外）。
[0108] 玉米穗軸在粉碎之前和之后也更易于輸送和分散，并且與如干草和草的其它纖維 素或木質(zhì)纖維素材料相比，具有較小的在空氣中形成爆炸混合物的傾向。
[0109] 纖維素材料包括例如紙、紙制品、廢紙、紙漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜 志、印刷品（例如，書(shū)、目錄、手冊(cè)、標(biāo)簽、日歷、賀卡、小冊(cè)子、內(nèi)容說(shuō)明書(shū)、新聞?dòng)眉垼?、打?紙、多涂層紙、卡片材料、卡紙板、紙板、具有高α -纖維素含量的材料（如棉花），以及任何 這些的混合物。例如，如美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/396, 365 (在2012年2月14日提交的Medoff等的 "Magazine Feedstocks"）中所述的紙制品，所述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本 文。
[0110] 纖維素材料還可包括已脫木質(zhì)化的木質(zhì)纖維素材料。
[0111] 淀粉材料包括淀粉本身（例如玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉或米淀粉）、淀粉 衍生物或者包括淀粉的材料（如可食用的食物產(chǎn)品或農(nóng)作物）。例如，淀粉材料可以是秘 魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草、西米、高粱、普通家用馬鈴薯、甜薯、芋 頭、山藥，或一種或多種豆類，如蠶豆、扁豆或豌豆。任何兩種或更多種淀粉材料的共混物也 是淀粉材料。還可使用淀粉、纖維素和或木質(zhì)纖維素材料的混合物。例如，生物質(zhì)可以是整 個(gè)植株、植株的一部分或植株的不同部分，例如，小麥植株、棉花植株、玉米植株、水稻植株 或樹(shù)?？赏ㄟ^(guò)本文所述的任何方法處理淀粉材料。
[0112] 微生物材料包括但不限于含有或能夠提供碳水化合物（例如，纖維素）源的任何 天然存在或基因修飾的微生物或有機(jī)體，例如原生生物，例如動(dòng)物原生生物（例如，原生 動(dòng)物，如鞭毛蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和孢子蟲(chóng)）和植物原生生物（例如，海藻，如alveolates、 chlorarachniophytes、隱藻、裸藻、灰藻、定鞭藻、紅藻、不等鞭毛藻、以及綠色植界 (viridaeplantae))。其它實(shí)例包括海草、浮游生物（例如，大型浮游生物、中型浮游生物、 小型浮游生物、微型浮游生物、超微型浮游生物以及超微微型浮游生物）、浮游植物、細(xì)菌 (例如，革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌以及極端微生物）、酵母和/或這些的混合物。在 一些情況下，微生物生物質(zhì)可從天然來(lái)源獲得，例如海洋、湖泊、水體（例如，咸水或淡水） 或在陸地上?；蛘呋蛄硗?，微生物生物質(zhì)可從培養(yǎng)系統(tǒng)獲得，例如大規(guī)模干燥與濕潤(rùn)培養(yǎng)和 發(fā)酵系統(tǒng)。
[0113] 在其它實(shí)施方案中，如纖維素、淀粉和木質(zhì)纖維素原料材料的生物質(zhì)材料可從已 相對(duì)于野生型品種修飾的轉(zhuǎn)基因微生物和植物獲得。所述修飾可例如通過(guò)選擇和育種的迭 代步驟來(lái)在植物中獲得所希望的性狀。此外，所述植物相對(duì)于野生型品種可已被去除、修 飾、沉默和/或添加遺傳材料。例如,遺傳修飾的植物可通過(guò)重組DNA方法產(chǎn)生，其中遺傳 修飾包括引入或修飾來(lái)自親本品種的特定基因；或者例如通過(guò)使用轉(zhuǎn)基因育種來(lái)產(chǎn)生，其 中將一個(gè)或多個(gè)特定基因從不同品種的植物和/或細(xì)菌中引入到植物中。形成遺傳變異的 另一種方式是通過(guò)突變育種，其中新的等位基因由內(nèi)源基因人工形成。人工基因可通過(guò)多 種方式形成，所述方式包括用例如化學(xué)誘變劑（例如，使用烷化劑、環(huán)氧化物、生物堿、過(guò)氧 化物、甲醛）、照射（例如，X-射線、Y射線、中子、β粒子、α粒子、質(zhì)子、氘核、UV輻射） 以及溫度沖擊或其它外部應(yīng)力處理植株或種子，以及隨后的選擇技術(shù)。提供修飾的基因的 其它方法是通過(guò)易錯(cuò)PCR和DNA改組，隨后將所希望的修飾的DNA插入到所希望的植株或 種子中。在種子或植株中引入所希望的遺傳變異的方法包括例如細(xì)菌載體的使用、基因槍、 磷酸鈣沉淀法、電穿孔、基因剪接、基因沉默、脂轉(zhuǎn)染、微量注射以及病毒載體。另外的遺傳 修飾的材料已在2012年2月14日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/396,369中描述，所述申請(qǐng)的 全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0114] 糖化劑
[0115] 合適的纖維素分解酶包括來(lái)自以下屬中的種的纖維素酶：芽孢桿菌屬、鬼傘屬、 毀絲霉屬、頭孢霉屬、柱頂孢霉屬、青霉屬、曲霉屬、假單孢菌屬、腐質(zhì)霉屬、鐮刀菌屬、梭 孢殼屬、枝頂孢屬、金孢子菌屬以及木霉屬；特別是由選自以下種的菌株產(chǎn)生的那些纖維 素酶：曲霉屬（參見(jiàn)，例如，歐洲公布號(hào)〇 458 162)、特異腐質(zhì)霉（Humicola insolens) (被重新分類為嗜熱柱頂孢霉（Scytalidium thermophilum)，參見(jiàn)例如美國(guó)專利號(hào) 4,435,307)、灰蓋鬼傘（(>^1'；[11118(3；[116代118)、尖抱鎌刀菌（？11831'；[11111(?78。01'11111)、嗜熱 毀絲霉（Myceliophthora thermophila)、大型亞灰樹(shù)花菌（Meripilus giganteus)、太 瑞斯梭孢殼霉（Thielavia terrestris)、枝頂孢屬某種（Acremonium sp.)(包括但不 限于桃色枝頂孢（A. persicinum)、A. acremonium、A. brachypenium、A. dichromosporum、 A. obclavatum、A. pinkertoniae、粉灰枝頂抱（A. roseogriseum)、A. incoloratum 以及掠色 枝頂孢（A. furatum))。優(yōu)選菌株包括特異腐質(zhì)霉DSM 1800、尖孢鐮刀菌DSM 2672、嗜熱 毀絲霉CBS 117. 65、頭孢霉屬某種RYM-202、枝頂孢菌屬某種CBS 478. 94、枝頂孢菌屬某 種 CBS 265. 95、桃色枝頂抱 CBS 169. 65、Acremonium acremonium AHU 9519、頭抱霉屬某 種 CBS 535. 71 > Acremonium brachypenium CBS 866. 73、A. dichromosporum CBS 683. 73、 Acremonium obclavatum CBS 311. 74、Acremonium pinkertoniae CBS 157. 70、粉灰枝頂 孢 CBS 134. 56、Acremonium incoloratum CBS 146. 62,以及棕色枝頂孢 CBS 299. 70H。纖 維素分解酶還可從金孢子菌屬，優(yōu)選Chrysosporium lucknowense的菌株獲得?？墒褂玫?另外的菌株包括但不限于：木霉屬（特別是綠色木霉（T.viride)、里氏木霉（T.reesei)以 及康寧木霉（T.koningii))、嗜堿性芽孢桿菌（alkalophilic Bacillus)(參見(jiàn)，例如美國(guó) 專利號(hào)3, 844, 890和歐洲公布號(hào)0 458 162)以及鏈霉菌屬（參見(jiàn)，例如歐洲公布號(hào)0 458 162)。
[0116] 發(fā)酵劑
[0117] 在發(fā)酵中使用的一種或多種微生物可以是天然存在的微生物和/或工程改造的 微生物?？蓪⑦@些發(fā)酵劑用于例如將初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化為用于在間接燃料電池中發(fā)電的次級(jí)燃 料。發(fā)酵劑可用于轉(zhuǎn)化不能在本文方法中所述的燃料電池中使用的糖或中間體。微生物的 實(shí)例可為細(xì)菌（包括但不限于，例如纖維素分解細(xì)菌）、真菌（包括但不限于，例如酵母）、 植物、原生生物例如，原生動(dòng)物或類真菌原生生物（包括但不限于，例如黏菌）或海藻。當(dāng) 有機(jī)體相容時(shí)，可利用有機(jī)體的混合物。
[0118] 合適的發(fā)酵微生物具有將碳水化合物（如葡萄糖、果糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、 半乳糖、寡糖或多糖）轉(zhuǎn)化成發(fā)酵產(chǎn)物的能力。發(fā)酵微生物包括以下種屬的菌株：酵母屬 某些種（Saccharomyces spp.)(包括但不限于釀酒酵母（S. cerevisiae)(面包酵母）、糖 化酵母（S.distaticus)、葡萄汁酵母（S.uvarum))、克魯維酵母屬（Kluyveromyces)(包 括但不限于馬克斯克魯維酵母（K. marxianus)、脆壁克魯維酵母（K. fragilis))、假絲酵 母屬（Candida)(包括但不限于偽熱帶假絲酵母（C. pseudotropicalis)和蕓薹假絲酵母 (C. brassicae))、樹(shù)干畢赤酵母（Pichia stipitis)(休哈塔假絲酵母（Candida shehatae) 的親緣菌）、棒孢酵母屬（Clavispora)(包括但不限于葡萄牙棒孢酵母（C. lusitaniae) 和仙人掌棒孢酵母（c. opuntiae))、管囊酵母屬（Pachysolen)(包括但不限于嗜縣管囊酵 母（P. tannophilus))、酒香酵母屬（Bretannomyces)(包括但不限于，例如克勞森酒香酵 母(B. clausenii)(Handbook on Bioethanol:Production and Utilization, Wyman, C. E.編輯，Taylor&Francis，Washington，DC，179-212 中的卩11；!_11卩卩1(118,6· P.，1996, Cellulose bioconversion technology))。其它合適的微生物包括例如運(yùn)動(dòng) 發(fā)酵單胞菌（Zymomonas mobilis)、梭菌屬某些種（Clostridium spp.)(包括但不限于 熱纖維梭菌（Clostridium thermocellum)(Philippidis，1996，同上）、糖丁基丙酮梭菌 (Clostridium saccharobutylacetonicum)、費(fèi)新尼亞梭菌（Clostridium felsineum)、 糖丁酸梭菌（Clostridium saccharobutylicum)、略紫色梭菌（Clostridium Puniceum)、 拜氏梭菌（Clostridium beijernckii)、丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum) 以及 Clostridium aurantibutylicum)、叢梗抱酵母（Moniliel la poll inis)、解脂耶 氏酵母（Yarrowia lipolytica)、短梗霉屬某種（Aureobasidium sp.)、三型抱菌某種 (Trichosporonoides sp.)、變異三角酵母（Trigonopsis variabilis)、毛抱子菌屬某 種（Trichosporon sp·)、叢梗抱酵母屬某種（Moniliel laacetoabutans sp.)、Typhula variabilis、木蘭假絲酵母（Candida magnolia)、黑粉菌綱某種（Ustilaginomycetes sp.)、Pseudozyma tsukubaensis、接合酵母屬（Zygosaccharomyces)的酵母種、德巴利酵母 屬（Debaryomyces)、漢遜酵母屬（Hansenula)和畢赤酵母屬（Pichia)，以及暗叢梗孢形圓 酵母屬（Torula)的真菌。
[0119] 許多所述微生物菌株可公開(kāi)商購(gòu)獲得抑或通過(guò)儲(chǔ)藏所獲得，所述儲(chǔ)藏所如， 例如，ATCC(美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心（American Type Culture Collect ion)，Manas sas，Virginia，USA)、NRRL (農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)保藏中心（Agricultural Research Sevice Culture Collection)，Peoria，Illinois，USA)或 DSMZ (德意志微生物保藏中心（Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH), Braunschweig,德國(guó)）。
[0120] 可商購(gòu)獲得的酵母包括，例如，Red Star?./Lesaffre Ethanol Red(購(gòu)自Red Star/Lesaffre，USA)、FALI?（購(gòu)自 Fleischmann's Yeast (Burns Philip Food Inc.的 部門(mén)），USA)、SUPERSTARTX(購(gòu)自Alltech，現(xiàn)在的Lalemand)、GERTSTRAND (S)(購(gòu) 自 Gert Strand AB，瑞典）以及 FERMOLX (購(gòu)自 DSM Specialties)。
[0121] 除了在本文的實(shí)施例中或者除非以其它方式明確指出之外，本說(shuō)明書(shū)的以下部分 和所附權(quán)利要求書(shū)中的所有數(shù)值范圍、量、值以及百分比，如用于材料的量、元素含量、反應(yīng) 的時(shí)間和溫度、量之比以及其它的那些，可被理解為如同前置有詞語(yǔ)"約"，即使術(shù)語(yǔ)"約"可 能沒(méi)有連同值、量或范圍明確地出現(xiàn)。因此，除非有相反的指示，否則以下說(shuō)明書(shū)和所附權(quán) 利要求書(shū)中所闡述的數(shù)值參數(shù)為近似值，其可根據(jù)本發(fā)明要尋求獲得的所需性質(zhì)而變化。 在最低限度并且不試圖限制對(duì)權(quán)利要求書(shū)范圍的等價(jià)范圍的原則的應(yīng)用，每個(gè)數(shù)值參數(shù)均 應(yīng)當(dāng)至少根據(jù)報(bào)道的有效數(shù)字的數(shù)值和通過(guò)應(yīng)用普通四舍五入技術(shù)來(lái)解讀。
[0122] 盡管陳述本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在特定實(shí)施例中所陳 述的數(shù)值盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行報(bào)道。然而，任何數(shù)值都固有地含有必然由其以下各自測(cè)試量 測(cè)中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起的誤差。此外，當(dāng)在本文闡述數(shù)值范圍時(shí)，這些范圍是將所引用范 圍端點(diǎn)包含在內(nèi)的（即，可使用端點(diǎn)）。當(dāng)本文使用以重量計(jì)的百分比時(shí)，所報(bào)道的數(shù)值相 對(duì)于總重量。
[0123] 同樣，應(yīng)理解，本文所引用的任何數(shù)值范圍意在包括其中包含的所有子范圍。例 如，"1至10"的范圍意在包括在引用的最小值1與引用的最大值1〇(含1和10)之間的所 有子范圍，即具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值。除非另外指明，否 則如本文使用的術(shù)語(yǔ)"一個(gè)/種（one、a或an) "意在包括"至少一個(gè)/種"或"一個(gè)或多個(gè) / 一種或多種"。
[0124] 被描述成以引用方式全文或部分并入本文的任何專利、公布或其它公開(kāi)材料必須 滿足以下前提：并入的材料不得與本公開(kāi)內(nèi)容中闡述的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開(kāi)材料沖 突。因此，并且在必要的程度上，如本文所明確闡述的公開(kāi)取代以引用的方式并入本文的任 何沖突的材料。據(jù)稱以引用的方式并入本文、但與本文所闡述的現(xiàn)有定義、陳述、或其它公 開(kāi)材料相沖突的任何材料或其部分將僅僅是在不會(huì)在所并入的材料與現(xiàn)有公開(kāi)材料之間 出現(xiàn)沖關(guān)的程度上并入。
[0125] 雖然本發(fā)明已參考其優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行特定顯示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 了解，可在不脫離由隨附權(quán)利要求書(shū)所涵蓋的本發(fā)明的范圍的情況下在其中在形式和細(xì)節(jié) 方面做出各種改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種方法，所述方法包括： 在燃料電池中利用包含糖化的纖維素或木質(zhì)纖維素材料的糖溶液。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池選自由以下組成的組：直接糖燃料電 池、間接糖燃料電池以及生物燃料電池。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在糖化之前，使所述纖維素或木質(zhì)纖維素材料的不 順應(yīng)性相對(duì)于處于其天然狀態(tài)下的所述纖維素或木質(zhì)纖維素材料的所述不順應(yīng)性有所減 小。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中減小所述材料的所述不順應(yīng)性的方法選自由以下組 成的組：機(jī)械處理、化學(xué)處理、超聲處理、熱解、照射、氧化、蒸汽爆炸以及其組合。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中減小所述材料的不順應(yīng)性的所述方法包括用電離輻 射照射所述材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中照射包括用至少10毫拉德的劑量照射。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中電離輻射包括電子束照射。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自由以下組成的 組：紙、紙制品、廢紙、紙漿、有色紙、裝料紙、涂布紙、填充紙、雜志、印刷品、打印紙、多涂層 紙、卡片材料、卡紙板、紙板、下水、棉花、木材、刨花板、林業(yè)廢棄物、鍋末、楊木、木屑、草、柳 枝稷、芒草、繩草、草蘆、谷物殘?jiān)?、稻殼、燕麥殼、小麥殼、大麥殼、農(nóng)業(yè)廢棄物、青貯飼料、油 菜結(jié)、小麥結(jié)、大麥結(jié)、燕麥結(jié)、稻結(jié)、黃麻、大麻、亞麻、竹子、劍麻、蕉麻、玉米穗軸、玉米秸 桿、大豆秸桿、玉米纖維、苜蓿、干草、椰子毛、糖加工殘?jiān)⒏收嵩?、甜菜漿、龍舌蘭渣、海藻、 海草、糞肥、污物、秘魯胡蘿卜、蕎麥、香蕉、大麥、木薯、葛藤、圓齒酢醬草、西米、高粱、馬鈴 薯、甘薯、芋頭、山藥、豆類、蠶豆、扁豆、碗豆，以及任何這些的混合物。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括對(duì)所述纖維素或木質(zhì)纖維素材料進(jìn) 行機(jī)械處理，例如以減小所述材料的堆積密度和/或增大其表面積。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括在所述燃料電池中利用添加劑。
12. -種燃料電池，其包括： 電極以及糖化的纖維素或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。
13. -種用于產(chǎn)生電的方法，所述方法包括： 為燃料電池提供燃料，其中 所述燃料通過(guò)對(duì)處理的木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行糖化產(chǎn)生。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素材料的處理選自由以下組成的 組：超聲處理、熱解、照射、氧化、蒸汽爆炸以及其組合。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括使所述木質(zhì)纖維素材料與酶接 觸。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述酶為纖維素酶。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述燃料包括糖。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括發(fā)酵所述糖化處理的木質(zhì)纖維素 材料以產(chǎn)生所述燃料。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述燃料為醇。
20. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中對(duì)所述木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行處理包括用電離輻射 照射所述木質(zhì)纖維素材料。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中照射包括用至少10毫拉德的劑量照射所述材料。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述電離輻射包括電子束。
【文檔編號(hào)】C12P19/02GK104126014SQ201280062846
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】M·梅多夫, T·C·馬斯特曼 申請(qǐng)人:希樂(lè)克公司