本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年5月18日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080021704.7、發(fā)明名稱(chēng)為“生物加工”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2009年5月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/180,019和于2009年10月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/252,300的優(yōu)先權(quán)。這些臨時(shí)申請(qǐng)各自的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用在此合并入本文。

背景

碳水化合物可以通過(guò)生物加工技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌牧?，所述生物加工技術(shù)利用試劑例如微生物或酶。例如，在發(fā)酵中碳水化合物可以通過(guò)微生物轉(zhuǎn)變?yōu)榇蓟蛩?，例如使用酵母在缺氧條件下將糖轉(zhuǎn)變成醇。當(dāng)發(fā)酵在碳水化合物完全轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物(例如糖至醇)前終止時(shí)，被稱(chēng)為已發(fā)生“停滯”發(fā)酵。

其他生物加工技術(shù)包括纖維素和木質(zhì)纖維素材料酶促水解成低分子量糖。

概述

在某些情況下，生物加工過(guò)程中基材的存在促進(jìn)例如低分子量糖轉(zhuǎn)變成中間產(chǎn)物或產(chǎn)物，或纖維素或木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)變成低分子量糖。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)在具有低分子量糖、介質(zhì)例如溶劑或溶劑系統(tǒng)和微生物的混合物中包括基材例如無(wú)機(jī)或有機(jī)材料，可以改善通過(guò)糖例如醇例如乙醇或丁醇(例如正丁醇)轉(zhuǎn)變獲得中間產(chǎn)物或產(chǎn)物的得率和生產(chǎn)率。包括基材還可以預(yù)防例如通過(guò)發(fā)酵的不完全、遲緩或“停滯”產(chǎn)物轉(zhuǎn)變。類(lèi)似地，基材的包括在內(nèi)可以增強(qiáng)纖維素或木質(zhì)纖維素材料的酶促水解。

一般地，本發(fā)明的特征在于這樣的方法，其包括使用固定化在基材例如纖維或顆粒上的微生物和/或酶，以將碳水化合物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。

在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于這樣的方法，其包括使用固定化在基材例如無(wú)機(jī)或塑料顆粒或者纖維上的微生物，以將低分子量糖例如蔗糖、葡萄糖、木糖或這些中的任何的混合物轉(zhuǎn)變成中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。在某些情況下，基材用基材在其天然狀態(tài)中不具有的官能團(tuán)進(jìn)行官能化。

“固定化”意指微生物或酶通過(guò)共價(jià)、氫、離子或等價(jià)鍵合和/或通過(guò)機(jī)械相互作用，例如在微生物和纖維或顆粒的孔之間，直接或間接地(例如通過(guò)化學(xué)接頭)與基材(例如顆粒或纖維)結(jié)合。結(jié)合可以例如通過(guò)電極化基材材料來(lái)產(chǎn)生。相互作用可以是永久、半永久或短暫的。機(jī)械相互作用可以包括與纖維或顆粒的孔或其他位點(diǎn)嵌套或粘住的微生物或酶。

某些實(shí)現(xiàn)包括一個(gè)或多個(gè)下述特征。

轉(zhuǎn)變可以包括允許微生物將至少部分低分子量糖轉(zhuǎn)換為醇例如乙醇或丁醇，或轉(zhuǎn)變成烴或氫。轉(zhuǎn)變可以包括發(fā)酵。微生物可以包括酵母例如釀酒酵母(s.cerevisiae)和/或樹(shù)干畢赤酵母(p.stipitis)，或者細(xì)菌例如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌(zymomonasmobilis)。該方法可以進(jìn)一步包括例如用電離輻射例如粒子束輻照基材例如無(wú)機(jī)纖維。纖維或顆?？梢跃哂写笥?.25m²/g的bet表面積和/或至少70％的孔隙率。在某些情況下，bet表面積可以大于10、100、250、500或甚至1000m²/g。該方法可以進(jìn)一步包括在后續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中再使用基材。

在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于包括具有極性官能團(tuán)的基材例如微粒材料、具有互補(bǔ)官能團(tuán)的微生物或酶和液體介質(zhì)的混合物。在某些情況下，基材包括纖維例如無(wú)機(jī)纖維或塑料纖維。

在一個(gè)進(jìn)一步的方面，本發(fā)明的特征在于包括具有官能團(tuán)的基材例如纖維或顆粒、和具有互補(bǔ)官能團(tuán)的微生物或酶的組合物，所述微生物或酶固定化在基材上。當(dāng)使用纖維時(shí)，纖維可以是例如無(wú)機(jī)纖維或塑料纖維。

本發(fā)明的特征還在于這樣的方法，其包括使具有基材、微生物和溶劑或溶劑系統(tǒng)(例如水或水和有機(jī)溶劑的混合物)的混合物中的低分子量糖或包括低分子量糖的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g產(chǎn)物或產(chǎn)物。溶劑或溶劑系統(tǒng)的例子包括水、己烷、十六烷、甘油、氯仿、甲苯、乙酸乙酯、石油醚、液化石油氣(lpg)、離子液體及其混合物。溶劑或溶劑系統(tǒng)可以以單相或2個(gè)或更多個(gè)相的形式?；目梢岳缫岳w維形式。例如，基材可以包括無(wú)機(jī)纖維或合成纖維，例如塑料纖維。

在某些情況下，在中間產(chǎn)物或產(chǎn)物例如乙醇的生產(chǎn)過(guò)程中存在基材(例如，通過(guò)本文描述的任何方法處理或未經(jīng)處理的纖維)可以增強(qiáng)產(chǎn)物的生產(chǎn)率。不希望受任何具體理論束縛，認(rèn)為通過(guò)增加溶質(zhì)的有效濃度且提供可以在其上發(fā)生反應(yīng)的基材，存在固體例如高表面積和/或高孔隙率固體可以增加反應(yīng)速率。

例如，經(jīng)輻照或未經(jīng)輻照的纖維材料，例如無(wú)機(jī)材料例如碳纖維或玻璃纖維，或者合成聚合材料例如塑料纖維，可以加入發(fā)酵過(guò)程中，例如玉米-乙醇發(fā)酵或甘蔗提取物發(fā)酵，以使生產(chǎn)率增加至少10、15、20、30、40、50、75或100％或更多，例如至少150％或甚至高達(dá)1000％。纖維材料可以具有高表面積、高孔隙率和/或低堆密度。在某些實(shí)施方案中，纖維材料以約0.5重量％-約50重量％的濃度存在于混合物中，例如約1重量％-約25重量％，或約2重量％-約12.5重量％。在其他實(shí)施方案中，纖維材料以大于約0.5重量％的量存在，例如大于約1、2、3、4、5、6、7、8、9、或甚至大于約10重量％。例如，在某些實(shí)施方案中，氧化、輻照或化學(xué)官能化的纖維材料可以加入低分子量糖發(fā)酵過(guò)程中，例如以增強(qiáng)發(fā)酵速率和輸出。

因?yàn)榛钠渥陨碓谵D(zhuǎn)變過(guò)程期間不消耗，所以基材可以在多批次加工過(guò)程中再使用，或可以連續(xù)使用用于生產(chǎn)相對(duì)大體積的產(chǎn)物。

某些實(shí)現(xiàn)包括下述特征中的一種或多種。

轉(zhuǎn)變可以包括允許微生物使至少部分低分子量糖轉(zhuǎn)變成醇例如乙醇或丁醇。例如，轉(zhuǎn)變可以包括發(fā)酵。微生物可以包括例如選自釀酒酵母和樹(shù)干畢赤酵母的酵母，或者細(xì)菌例如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌。微生物可以是天然微生物或經(jīng)改造的微生物。例如，微生物可以是細(xì)菌例如分解纖維素的細(xì)菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻類(lèi)，原生動(dòng)物或真菌樣原生生物例如粘菌。當(dāng)生物相容時(shí)，可以利用混合物。轉(zhuǎn)變可以顯示出至少140％，在某些情況下至少170％的性能％。用于測(cè)定關(guān)于乙醇發(fā)酵的性能％的等式是：

性能％＝(樣品中的乙醇/對(duì)照中的乙醇)x100

基材可以包括纖維材料。所述方法可以進(jìn)一步包括在混合前例如用電離輻射以例如至少5mrad的總用量輻照纖維材料。輻照可以使用粒子束例如電子束執(zhí)行。在某些實(shí)施方案中，在基材暴露于空氣、氮、氧、氦或氬時(shí)，對(duì)基材執(zhí)行輻照。輻照可以利用電離輻射來(lái)執(zhí)行，例如γ射線(xiàn)、電子束或具有約100nm-約280nm波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)c輻射。輻射可以使用輻射的多重應(yīng)用來(lái)執(zhí)行。在某些情況下，輻射可以以約10mrad-約150mrad的總劑量，和以約0.5-約10mrad/天、或1mrad/s-約10mrad/s的劑量率應(yīng)用。在某些實(shí)施方案中，輻照包括應(yīng)用2個(gè)或更多個(gè)輻射源，例如γ射線(xiàn)和電子束。

在另一個(gè)方面，基材包括在糖化過(guò)程中，其中基材的存在可以增強(qiáng)來(lái)自含纖維素原料的低分子量糖的反應(yīng)速率和得率。在這個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于包括利用固定化在顆粒上的糖化劑的方法，以糖化纖維素或木質(zhì)纖維素材料。糖化劑可以是例如酶。

除非另有定義，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解相同的含義。盡管下文描述了合適方法和材料，但與本文描述那些相似或等價(jià)的方法與材料可以用于本發(fā)明的實(shí)踐或測(cè)試。本文提及的所有出版物、專(zhuān)利申請(qǐng)、專(zhuān)利和其他參考文獻(xiàn)通過(guò)引用整體合并。在沖突的情況下，以本說(shuō)明書(shū)包括定義為準(zhǔn)。此外，材料、方法和實(shí)施例僅是舉例說(shuō)明性的，并且不預(yù)期是限制性的。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)由于下述詳述和權(quán)利要求將是顯而易見(jiàn)的。

附圖描述

圖1是舉例說(shuō)明纖維的處理和經(jīng)處理的纖維在發(fā)酵過(guò)程中的用途的方框圖。圖1a是與微生物相互作用的官能化纖維的圖示。

詳述

本文描述的基材材料例如官能化的微粒材料可以促進(jìn)低分子量糖轉(zhuǎn)變成中間產(chǎn)物或產(chǎn)物，例如在發(fā)酵過(guò)程期間。具有所需官能性類(lèi)型和量的官能化的基材材料，所述官能性例如羧酸基團(tuán)、烯醇基團(tuán)、醛基、酮基、腈基、硝基或亞硝基，可以使用本文描述的方法或其他已知方法進(jìn)行制備。

基材材料

下文討論的材料可以用官能團(tuán)進(jìn)行官能化，所述官能團(tuán)與在轉(zhuǎn)變低分子量糖中使用的試劑上的官能團(tuán)(例如在微生物例如酵母上存在的官能團(tuán))是互補(bǔ)的。

合適的基材材料包括有機(jī)和無(wú)機(jī)微粒材料?；牟牧习ɡ鐭o(wú)機(jī)填充劑，例如碳酸鈣(例如，沉淀的碳酸鈣或天然碳酸鈣)、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、高嶺土、膨潤(rùn)土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、正磷酸鎂、磷酸三鎂、羥磷灰石、合成磷灰石、氧化鋁、水合氧化鋁、硅石干凝膠、金屬鋁硅酸鹽復(fù)合物、硅酸鋁鈉、硅酸鋯、二氧化硅石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纖維、二氧化硅、滑石、碳纖維、導(dǎo)電碳黑、陶瓷粉末和陶瓷纖維、和三水合氧化鋁。還可以使用其他微粒材料，例如研磨建筑廢物、研磨輪胎橡膠、木質(zhì)素、馬來(lái)酸化聚丙烯、尼龍纖維或其他熱塑性纖維、和氟化聚合物，例如氟化聚乙烯。還可以使用上述材料的組合。

某些材料以官能化狀態(tài)是商購(gòu)可得的。例如，羧基官能化的碳納米管是例如從nanolab，newton，ma，usa商購(gòu)可得的，并且官能化的硅膠是從isco，inc商購(gòu)可得的。

微粒材料可以具有例如超過(guò)1微米的顆粒大小，例如超過(guò)2微米、5微米、10微米、25微米或甚至超過(guò)35微米。優(yōu)選基材的其他物理性質(zhì)將在下文描述。

納米尺寸的填充劑也可以單獨(dú)或與任何大小和/或形狀的纖維材料組合使用。填充劑可以以例如顆粒、平板或纖維的形式。例如，可以使用納米大小的粘土、硅和碳納米管或巴克球，以及硅和碳納米線(xiàn)。填充劑可以具有小于1000nm的橫向尺度，例如小于900nm、800nm、750nm、600nm、500nm、350nm、300nm、250nm、200nm、小于100nm、或甚至小于50nm。

在某些實(shí)施方案中，納米粘土是蒙脫土。此類(lèi)粘土可從nanocor，inc.和southernclay產(chǎn)品獲得，并且已在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,849,680和6,737,464中描述。粘土可以在混合到例如樹(shù)脂或纖維材料內(nèi)之前進(jìn)行表面處理。例如，粘土可以進(jìn)行表面處理，從而使得它的表面在性質(zhì)上是離子的，例如陽(yáng)離子或陰離子的。

還可以使用聚集或凝聚的納米尺寸填充劑，或裝配成超分子結(jié)構(gòu)例如自裝配的超分子結(jié)構(gòu)的納米尺寸填充劑。聚集或超分子的填充劑在結(jié)構(gòu)上可以是開(kāi)放或閉合的，并且可以具有各種形狀，例如筒、管或球形。

本文描述的任何基材材料的摻和物可以用于制備本文描述的任何產(chǎn)物。

用于官能化基材材料和在發(fā)酵中使用基材材料的系統(tǒng)

圖1顯示用于處理基材材料例如纖維或微粒材料，并且隨后使用經(jīng)處理的材料以增強(qiáng)發(fā)酵加工過(guò)程的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括基材材料在其中例如通過(guò)輻照、氧化、化學(xué)官能化或其他方法進(jìn)行官能化的任選模塊102。如果基材材料要以其天然狀態(tài)使用，或已進(jìn)行預(yù)官能化，那么省略這個(gè)步驟。

經(jīng)處理的基材材料例如官能化的顆?；蚶w維通過(guò)基材遞送模塊108遞送至發(fā)酵系統(tǒng)106?；牟牧峡梢砸匀魏嗡铦舛冗f送，例如約0.05％-約20％、約0.1％-約10％、約0.2％-約6％、或約0.3％-約4％。濃度將部分由所使用基材材料的性質(zhì)和多少基材材料可以作為實(shí)際物質(zhì)添加來(lái)指定。

官能化的基材材料隨后存在于發(fā)酵過(guò)程中，并且通過(guò)提供基材增強(qiáng)發(fā)酵過(guò)程，所述基材可以與發(fā)酵中使用的微生物例如酵母細(xì)胞相互作用。這種相互作用在圖1a中示意性顯示，所述圖1a描述了官能化的極性纖維10和具有互補(bǔ)極性官能團(tuán)的酵母細(xì)胞12。由于纖維和酵母細(xì)胞的極性，細(xì)胞可以變得固定化在一種或多種纖維上。酵母細(xì)胞(或其他微生物)與纖維的結(jié)合可以通過(guò)氫鍵合或通過(guò)共價(jià)或離子鍵合。在某些情況下，纖維上的官能團(tuán)可以與微生物上的那些反應(yīng)，形成共價(jià)鍵。纖維的高的表面積和孔隙率提供了用于纖維和微生物的相互作用的大表面積，并且從而增強(qiáng)這種相互作用。固定化的細(xì)胞具有更高生產(chǎn)性，增加發(fā)酵加工過(guò)程的效率和得率，并且阻止該過(guò)程變得過(guò)早“停滯”。

應(yīng)當(dāng)指出如果混合在發(fā)酵過(guò)程中執(zhí)行，那么混合是優(yōu)選相對(duì)溫和的(低剪切)，以便使微生物和纖維之間相互作用的破壞降到最低。在某些實(shí)施方案中，使用噴射混合，如于2009年5月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/179,995、和于2009年6月19日提交的61/218,832、和在代理人案號(hào)00119-1us下與本申請(qǐng)同時(shí)提交的ussn____中描述的。這些申請(qǐng)各自的完整公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。

在圖1中所示的實(shí)現(xiàn)中，發(fā)酵產(chǎn)生粗乙醇混合物，這流動(dòng)到容納槽110內(nèi)。水或其他溶劑和其他非乙醇組分使用反萃取柱112從粗乙醇混合物中分離，并且乙醇隨后使用蒸餾單元114例如精餾器進(jìn)行蒸餾。最后，乙醇可以使用分子篩116進(jìn)行干燥，需要時(shí)進(jìn)行變性，并且輸出至所需運(yùn)送方法。

在某些情況下，本文描述的系統(tǒng)或其組分可以是手提式的，從而使得該系統(tǒng)可以從一個(gè)位置轉(zhuǎn)運(yùn)(例如通過(guò)軌道、貨車(chē)或海洋船只)到另一個(gè)位置。本文描述的方法步驟可以在一個(gè)或多個(gè)位置執(zhí)行，并且在某些情況下，一個(gè)或多個(gè)步驟可以在運(yùn)輸中執(zhí)行。此類(lèi)移動(dòng)加工在美國(guó)序列號(hào)12/374,549和國(guó)際申請(qǐng)?zhí)杦o2008/011598中描述，其完整公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。

基材的物理性質(zhì)

官能化的基材材料和以其天然狀態(tài)的基材材料可以具有本文討論的物理性質(zhì)。

如本文使用的，平均纖維寬度(即直徑)是通過(guò)隨機(jī)選擇約5,000根纖維在光學(xué)上測(cè)定的。平均纖維長(zhǎng)度是校正長(zhǎng)度-加權(quán)長(zhǎng)度。bet(brunauer，emmet和teller)表面積是多點(diǎn)表面面積，并且孔隙率是通過(guò)水銀孔率法測(cè)定的那些。

如果基材材料是纖維的，那么在某些情況下，基材材料的纖維的平均長(zhǎng)度直徑比可以是例如大于8/1、例如大于10/1、大于15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。纖維的平均長(zhǎng)度可以是例如約0.5mm-2.5mm、例如約0.75mm-1.0mm，并且纖維的平均寬度(即直徑)可以是例如約5μm-50μm，例如約10μm-30μm。

在某些實(shí)施方案中，纖維的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差小于纖維的平均長(zhǎng)度的60％，例如小于平均長(zhǎng)度的50％、小于平均長(zhǎng)度的40％、小于平均長(zhǎng)度的25％、小于平均長(zhǎng)度的10％、小于平均長(zhǎng)度的5％、或甚至小于平均長(zhǎng)度的1％。

在某些實(shí)施方案中，基材材料的bet表面積大于0.1m²/g，例如大于0.25m²/g、0.5m²/g、1.0m²/g、1.5m²/g、1.75m²/g、5.0m²/g、10m²/g、25m²/g、35m²/g、50m²/g、75m²/g、100m²/g、200m²/g、250m²/g、500m²/g或甚至大于1000m²/g。

基材材料的孔隙率可以是例如大于20％、大于25％、大于35％、大于50％、大于60％、大于70％、例如大于80％、大于85％、大于90％、大于92％、大于94％、大于95％、大于97.5％、大于99％、或甚至大于99.5％。

基材的猝滅和官能化

在某些情況下，基材材料通過(guò)輻照進(jìn)行官能化。如本領(lǐng)域眾所周知的，還可以使用其他技術(shù)，例如氧化或化學(xué)官能化。在某些實(shí)施方案中，官能化基材材料不是所述加工過(guò)程的部分，例如材料以其天然狀態(tài)使用，或通過(guò)供應(yīng)者進(jìn)行預(yù)官能化。

在用電離輻射處理后，基材材料變得電離；即，材料包括在用電子自旋共振光譜儀可檢測(cè)的水平上的原子團(tuán)。目前的原子團(tuán)實(shí)際檢測(cè)極限是在室溫下約10¹⁴自旋。在電離后，可以猝滅材料，以減少經(jīng)電離的材料中的原子團(tuán)水平，例如從而使得原子團(tuán)用電子自旋共振光譜儀不再可檢測(cè)。例如，通過(guò)給材料應(yīng)用足夠壓力和/或通過(guò)利用與經(jīng)電離的材料接觸的流體，所述流體例如氣體或液體，與原子團(tuán)反應(yīng)(猝滅)，可以使原子團(tuán)猝滅。使用至少幫助原子團(tuán)猝滅的氣體或液體也允許操作者以所需量和種類(lèi)的官能團(tuán)控制經(jīng)電離的材料官能化，所述官能團(tuán)例如羧酸基團(tuán)、烯醇基團(tuán)、醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、氯烷基或氯氟烷基。如上所述，通過(guò)猝滅而賦予材料的官能團(tuán)可以充當(dāng)用于通過(guò)微生物或酶附著的受體位點(diǎn)。

通過(guò)電子自旋共振光譜學(xué)檢測(cè)經(jīng)輻照的樣品中的原子團(tuán)和此類(lèi)樣品中的原子團(tuán)壽命在bartolotta等人，physicsinmedicineandbiology，46(2001)，461-471，和bartolotta等人，radiationprotectiondosimetry，第84卷，nos.1-4，第293-296頁(yè)(1999)中討論。

在某些實(shí)施方案中，猝滅包括給經(jīng)電離的材料應(yīng)用壓力，例如通過(guò)使材料機(jī)械變形，例如在1、2或3個(gè)維度直接機(jī)械壓縮材料，或?qū)⒉牧辖肫渲械牧黧w應(yīng)用壓力，例如等靜壓制。在此類(lèi)情況下，材料自身的變形使通常在結(jié)晶結(jié)構(gòu)域中捕獲的原子團(tuán)處于足夠接近中，從而使得原子團(tuán)可以重組或與另一個(gè)基團(tuán)反應(yīng)。在某些情況下，壓力連同熱的應(yīng)用例如足夠量的熱一起應(yīng)用，以使材料的溫度升高超過(guò)材料或材料組分的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)。熱可以改善材料中的分子流動(dòng)性，這可以幫助原子團(tuán)的猝滅。當(dāng)壓力用于猝滅時(shí)，壓力可以大于約1000psi，例如大于約1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi或甚至大于15000psi。

在某些實(shí)施方案中，猝滅包括使材料與流體例如液體或氣體相接觸，所述流體例如能夠與原子團(tuán)反應(yīng)的氣體，例如乙炔或乙炔在氮、乙烯、氯化乙烯或氯氟乙烯中的混合物，丙烯或這些氣體的混合物。在其他具體實(shí)施方案中，猝滅包括使材料與液體相接觸，所述液體例如在材料中可溶或至少能夠穿透到材料內(nèi)且與原子團(tuán)反應(yīng)的液體，例如二烯，例如1,5-環(huán)辛二烯。在某些具體實(shí)施方案中，猝滅包括使材料與抗氧化劑例如維生素e相接觸。

用于猝滅的其他方法是可能的。例如，在muratoglu等人，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2008/0067724和muratoglu等人，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,166,650中描述的用于猝滅聚合材料中的原子團(tuán)的任何方法，可以用于猝滅本文描述的任何經(jīng)電離的材料。此外，任何猝滅劑(在上述muratoglu公開(kāi)內(nèi)容中描述為“致敏劑”)和/或任一muratoglu參考文獻(xiàn)中描述的任何抗氧化劑可以用于猝滅任何經(jīng)電離的材料。

通過(guò)利用重帶電離子例如本文描述的較重離子中的任何，可以增強(qiáng)官能化。例如，如果需要增強(qiáng)氧化，那么帶電的氧離子可以用于輻照。如果需要氮官能團(tuán)，那么可以利用包括氮的一種或多種氮離子。同樣地，如果需要硫或磷基團(tuán)，那么在輻照中可以使用硫或磷離子。

在猝滅后，本文描述的被猝滅的材料中的任何可以用下述中的一種或多種進(jìn)行進(jìn)一步處理：輻射例如電離或非電離輻射、超聲處理、熱解和氧化，用于另外的分子和/或超分子結(jié)構(gòu)改變。

流體中的粒子束暴露

在某些情況下，在一種或多種另外流體(例如，氣體和/或液體)的存在下，基材材料可以暴露于粒子束。在一種或多種另外流體的存在下，材料暴露于粒子束可以增加處理的效率。

在某些實(shí)施方案中，在流體例如空氣的存在下，使材料暴露于粒子束。加速的粒子經(jīng)由輸出端口(例如薄膜，例如金屬箔)在加速器外耦合，經(jīng)過(guò)由流體占據(jù)的一定體積的空間，并且隨后在材料上入射。除直接處理材料外，通過(guò)與流體粒子(例如由空氣的各種組成成分產(chǎn)生的離子和/或原子團(tuán)，例如臭氧和氮氧化物)相互作用，某些粒子產(chǎn)生另外的化學(xué)物類(lèi)。這些產(chǎn)生的化學(xué)物類(lèi)也可以與材料相互作用；例如，所產(chǎn)生的任何氧化劑可以氧化材料。

在特定實(shí)施方案中，在粒子束入射到材料上前，可以將另外的流體選擇性引入粒子束的路徑內(nèi)。如上文討論的，束的粒子和所引入流體的粒子之間的反應(yīng)可以產(chǎn)生另外的化學(xué)物類(lèi)，其與材料反應(yīng)且有助于對(duì)材料進(jìn)行官能化，和/或以其他方式選擇性改變材料的特定性質(zhì)。例如一種或多種另外流體可以從供應(yīng)管導(dǎo)入束的路徑內(nèi)。所引入的一種或多種流體的方向和流速可以根據(jù)所需暴露率和/或方向進(jìn)行選擇，以控制總體處理的效率，包括起因于基于粒子的處理的效應(yīng)和由于由所引入流體動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的物類(lèi)與材料相互作用的效應(yīng)。除空氣外，可以引入離子束內(nèi)的示例性流體包括氧、氮、一種或多種稀有氣體、一種或多種鹵素和氫。

輻射處理

輻射可以應(yīng)用于干燥或濕潤(rùn)或者甚至分配在液體例如水中的材料，并且可以在材料暴露于空氣、富氧空氣、或甚至氧自身時(shí)或者被惰性氣體例如氮、氬或氦覆蓋時(shí)應(yīng)用，。當(dāng)需要最大限度氧化時(shí)，利用氧化環(huán)境，例如空氣或氧。

輻射可以在大于約2.5個(gè)大氣壓的壓力下應(yīng)用，例如大于5、10、15、20或甚至大于約50個(gè)大氣壓。

在某些實(shí)施方案中，在從其原子軌道中釋放電子的材料中沉積的能量用于輻照材料。輻射可以通過(guò)下述提供：1)重帶電粒子，例如α粒子或質(zhì)子，2)例如在β衰變或電子束加速器中產(chǎn)生的電子，或3)電磁輻射，例如γ射線(xiàn)、x射線(xiàn)或紫外射線(xiàn)。在一種方法中，通過(guò)放射性物質(zhì)產(chǎn)生的輻射可以用于輻照原料。在某些實(shí)施方案中，可以利用以(1)到(3)的任何次序或同時(shí)的任何組合。在另一種方法中，電磁輻射(例如，使用電子束發(fā)射器產(chǎn)生的)可以用于輻照原料。在某些情況下，當(dāng)希望斷鏈和/或希望聚合物鏈官能化時(shí)，可以利用比電子重的粒子，例如質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。當(dāng)需要開(kāi)環(huán)斷鏈時(shí)，由于其路易斯(lewis)酸性質(zhì)，帶正電的粒子可以用于增強(qiáng)的開(kāi)環(huán)斷鏈。例如，當(dāng)需要含氧官能團(tuán)時(shí)，可以執(zhí)行在氧的存在下的輻照或甚至用氧離子的輻照。例如，當(dāng)需要含氮官能團(tuán)時(shí)，可以執(zhí)行在氮的存在下的輻照或甚至用氮離子的輻照。

電離輻射

每種形式的輻射經(jīng)由特定相互作用使基材材料電離，如通過(guò)輻射的能量所測(cè)定的。重帶電粒子主要經(jīng)由庫(kù)侖(coulomb)散射使物質(zhì)電離；此外，這些相互作用產(chǎn)生可以進(jìn)一步使物質(zhì)電離的高能電子。α粒子與氦原子的核等同，并且通過(guò)各種放射性核的α衰變產(chǎn)生，例如鉍、釙、砹、氡、鈁、鐳、幾種錒系元素例如錒、釷、鈾、镎、鋦、锎、镅和钚的同位素。

當(dāng)利用粒子時(shí)，它們可以是中性(不帶電)、帶正電或帶負(fù)電的。當(dāng)帶電時(shí)，帶電粒子可以具有單個(gè)正或負(fù)電荷，或多個(gè)電荷，例如1、2、3或甚至4個(gè)或更多個(gè)電荷。在其中需要斷鏈的情況下，部分由于其酸性性質(zhì)，帶正電的粒子是所希望的。當(dāng)利用粒子時(shí)，粒子可以具有靜止電子的質(zhì)量或更大，例如是靜止電子質(zhì)量的500、1000、1500或2000或更多倍。例如，粒子可以具有約1個(gè)原子單位-約150個(gè)原子單位的質(zhì)量，例如約1個(gè)原子單位-約50個(gè)原子單位，或約1-約25，例如1、2、3、4、5、10、12或15amu。用于加速粒子的加速器可以是靜電dc、電動(dòng)力學(xué)dc、rf線(xiàn)性、磁感應(yīng)線(xiàn)性或連續(xù)波。例如，回旋加速器型加速器可從iba，比利時(shí)獲得，例如系統(tǒng)，而dc型加速器可從rdi(現(xiàn)在的ibaindustrial)獲得，例如

離子和離子加速器在下述中討論：introductorynuclearphysics，kenneths.krane，johnwiley&sons，inc.(1988)，krstoprelec，fizikab6(1997)4，177-206，chu，williamt.，“overviewoflight-ionbeamtherapy”，columbus-ohio，icru-iaeameeting，18-20march2006，iwata，y.等人，“alternating-phase-focusedih-dtlforheavy-ionmedicalaccelerators”，proceedingsofepac2006，edinburgh，scotland，和leaner，c.m.等人，“statusofthesuperconductingecrionsourcevenus”，proceedingsofepac2000，vienna，奧地利。

γ輻射具有進(jìn)入各種材料內(nèi)的顯著穿透深度的優(yōu)點(diǎn)。γ射線(xiàn)的來(lái)源包括放射性核，例如鈷、鈣、锝、鉻、鎵、銦、碘、鐵、氪、釤、硒、鈉、鉈和氙的同位素。

x射線(xiàn)的來(lái)源包括與金屬靶(例如鎢或鉬或合金)的電子束碰撞或致密光源(例如由lyncean商業(yè)生產(chǎn)的那些)。

用于紫外線(xiàn)輻射的來(lái)源包括氘或鎘光燈。

用于紅外線(xiàn)輻射的來(lái)源包括藍(lán)寶石、鋅或硒化物窗口陶瓷燈。

用于微波的來(lái)源包括速調(diào)管，slevin型rf來(lái)源，或采用氫、氧或氮?dú)獾脑邮鴣?lái)源。

電子束

在某些實(shí)施方案中，電子束用作輻射源。電子束具有高劑量率(例如，1、5或甚至10mrad/秒)、高流通量、較少防范和較少限制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。電子還可以在引起斷鏈方面更有效。此外，具有4-10mev能量的電子可以具有5-30mm或更多例如40mm的穿透深度。

例如通過(guò)靜電發(fā)生器、級(jí)聯(lián)發(fā)生器、感應(yīng)變頻機(jī)、具有掃描系統(tǒng)的低能加速器、具有線(xiàn)性陰極的低能加速器、線(xiàn)性加速器和脈沖加速器，可以產(chǎn)生電子束。作為電離輻射源的電子可以是有用的，例如用于相對(duì)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。在某些實(shí)施方案中，電子束的每個(gè)電子的能量是約0.3mev-約2.0mev(百萬(wàn)電子伏特)，例如約0.5mev-約1.5mev，或約0.7mev-約1.25mev。

電子束輻照裝置可以由ionbeamapplications，louvain-la-neuve，比利時(shí)或titancorporation，sandiego，ca商購(gòu)獲得。一般的電子能可以是1mev、2mev、4.5mev、7.5mev或10mev。一般的電子束輻照裝置功率可以是1kw、5kw、10kw、20kw、50kw、100kw、250kw或500kw。一般的劑量可以采取1kgy、5kgy、10kgy、20kgy、50kgy、100kgy或200kgy的值。

離子粒子束

比電子重的粒子可以用于輻照本文描述的基材材料中的任何材料。例如，可以利用質(zhì)子、氦核、氬離子、硅離子、氖離子、碳離子、磷離子、氧離子或氮離子。在某些實(shí)施方案中，比電子重的粒子可以誘導(dǎo)更高量的斷鏈(相對(duì)于更輕的粒子)。在某些情況下，由于其酸性，與帶負(fù)電的粒子相比較，帶正電的粒子可以誘導(dǎo)更高量的斷鏈。

例如使用線(xiàn)性加速器或回旋加速器，可以產(chǎn)生更重的粒子束。在某些實(shí)施方案中，束的每個(gè)粒子的能量是約1.0mev/原子單位-約6,000mev/原子單位，例如約3mev/原子單位-約4,800mev/原子單位，或約10mev/原子單位-約1,000mev/原子單位。

在特定實(shí)施方案中，離子束可以包括超過(guò)一種類(lèi)型的離子。例如，離子束可以包括2種或更多種(例如3、4種或更多種)不同類(lèi)型離子的混合物。示例性混合物可以包括碳離子和質(zhì)子、碳離子和氧離子、氮離子和質(zhì)子、以及鐵離子和質(zhì)子。更一般地，上文討論的任何離子(或任何其他離子)的混合物可以用于形成輻照離子束。特別地，相對(duì)輕和相對(duì)更重的離子的混合物可以在單一離子束中使用。

在某些實(shí)施方案中，用于輻照材料的離子束包括帶正電的離子。帶正電的離子可以包括例如帶正電的氫離子(例如質(zhì)子)、稀有氣體離子(例如氦、氖、氬)、碳離子、氮離子、氧離子、硅原子、磷離子，以及金屬離子例如鈉離子、鈣離子和/或鐵離子。不希望受任何理論束縛，認(rèn)為當(dāng)暴露于材料時(shí)，此類(lèi)帶正電的離子在化學(xué)上表現(xiàn)與路易斯酸部分一樣，在氧化環(huán)境中起始且支持陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)斷鏈反應(yīng)。

在特定實(shí)施方案中，用于輻照材料的離子束包括帶負(fù)電的離子。帶負(fù)電的離子可以包括例如帶負(fù)電的氫離子(例如氫陰離子)和各種相對(duì)負(fù)電性核的帶負(fù)電的離子(例如氧離子、氮離子、碳離子、硅離子和磷離子)。不希望受任何理論束縛，認(rèn)為當(dāng)暴露于材料時(shí)，此類(lèi)帶負(fù)電的離子在化學(xué)上表現(xiàn)與路易斯堿部分一樣，在還原環(huán)境中引起陰離子開(kāi)環(huán)斷鏈反應(yīng)。

在某些實(shí)施方案中，用于輻照材料的束可以包括中性原子。例如，氫原子、氦原子、碳原子、氮原子、氧原子、氖原子、硅原子、磷原子、氬原子和鐵原子中的任何一種或多種可以包括在用于輻照生物量材料的束中。一般而言，上述類(lèi)型原子中的任何2種或更多種(例如3種或更多種、4種或更多種或甚至更多種)的混合物可以存在于束中。

在特定實(shí)施方案中，用于輻照材料的離子束包括單電荷離子，例如h⁺、h^-、he⁺、ne⁺、ar⁺、c⁺、c^-、o⁺、o^-、n⁺、n^-、si⁺、si^-、p⁺、p^-、na⁺、ca⁺和fe⁺中的一種或多種。在某些實(shí)施方案中，離子束可以包括多電荷離子，例如c²⁺、c³⁺、c⁴⁺、n³⁺、n⁵⁺、n^3-、o²⁺、o^2-、o2^2-、si²⁺、si⁴⁺、si^2-和si^4-中的一種或多種。一般而言，離子束還可以包括更復(fù)雜的多核離子，其具有多重正或負(fù)電荷。在特定實(shí)施方案中，由于多核離子的結(jié)構(gòu)，正或負(fù)電荷可以有效分布在離子的基本上全部結(jié)構(gòu)上。在某些實(shí)施方案中，正或負(fù)電荷可以大略定位在離子結(jié)構(gòu)的部分上。

電磁輻射

在其中用電磁輻射執(zhí)行輻照的實(shí)施方案中，電磁輻射可以具有例如大于10²ev的能量/光子(以電子伏特計(jì))，例如大于10³、10⁴、10⁵、10⁶、或甚至大于10⁷ev。在某些實(shí)施方案中，電磁輻射具有10⁴-10⁷的能量/光子、例如10⁵-10⁶ev。電磁輻射可以具有例如大于10¹⁶hz，大于10¹⁷hz、10¹⁸、10¹⁹、10²⁰或甚至大于10²¹hz的頻率。在某些實(shí)施方案中，電磁輻射具有10¹⁸-10²²hz的頻率，例如10¹⁹-10²¹hz。

劑量

在某些情況下，以大于約0.25mrad/秒的劑量率執(zhí)行輻照，例如大于約0.5、0.75、1.0、1.5、2.0，或甚至大于約2.5mrad/秒。在某些實(shí)施方案中，以5.0-1500.0千拉德/小時(shí)的劑量率執(zhí)行輻照，例如10.0-750.0千拉德/小時(shí)，或50.0-350.0千拉德/小時(shí)。

在某些實(shí)施方案中，執(zhí)行輻照(用任何輻射源或源的組合)直至材料接收至少0.1mrad、至少0.25mrad的劑量，例如至少1.0mrad、至少2.5mrad、至少5.0mrad、至少10.0mrad、至少60mrad或至少100mrad。在某些實(shí)施方案中，執(zhí)行輻照直至材料接收約0.1mrad-約500mrad，約0.5mrad-約200mrad、約1mrad-約100mrad、或約5mrad-約60mrad的劑量。在某些實(shí)施方案中，應(yīng)用相對(duì)低劑量的輻照，例如小于60mrad。

熱解、氧化和化學(xué)官能化

官能化還可以通過(guò)其他方法例如通過(guò)熱解和/或氧化來(lái)達(dá)到。生物量的熱解和氧化在ussn12/417,840中詳盡描述，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。在某些情況下，對(duì)于本文描述的基材材料可以使用類(lèi)似方法。

官能化無(wú)機(jī)材料的方法是本領(lǐng)域眾所周知的。此類(lèi)方法的例子包括"solublecarbonnanotubes,"tasis等人，chem.eur.j.2003，9，4000-4008，和"entrappingenzymeinafunctionalizednanoporoussupport,"j.am.chem.soc.，2002，124，11242-11243中公開(kāi)的技術(shù)，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。

超聲處理

在某些情況下，材料還可以進(jìn)行超聲處理，例如以增加孔隙率，例如使用上文通過(guò)引用合并的ussn12/417,840中描述的超聲處理系統(tǒng)。

其他加工過(guò)程

官能化可以使用其他技術(shù)例如化學(xué)官能化來(lái)完成。在某些情況下，可以利用例如如美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/147,377中所述的芬頓型化學(xué)，其完整公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。

利用基材材料的生物加工

糖化

本文描述的基材材料可以用于增強(qiáng)糖化反應(yīng)。在糖化中，原料例如生物量材料中的纖維素通過(guò)糖化劑例如酶水解為低分子碳水化合物，例如糖。包括纖維素的材料用酶進(jìn)行處理，例如通過(guò)使材料和酶在液體介質(zhì)中例如在水溶液中組合。

這種反應(yīng)可以通過(guò)將酶或其他糖化劑固定化在本文描述的基材材料上得到增強(qiáng)。

分解生物量例如生物量的纖維素和/或木質(zhì)素部分的酶和生物量破壞生物包含或制造多種纖維素分解酶(纖維素酶)、木質(zhì)酶或多種小分子生物量破壞代謝產(chǎn)物。這些酶可以是協(xié)同作用以降解生物量的結(jié)晶纖維素或木質(zhì)素部分的酶的復(fù)合物。纖維素分解酶的例子包括：內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和纖維二糖酶(β-葡糖苷酶)。在糖化過(guò)程中，纖維素底物最初通過(guò)內(nèi)切葡聚糖酶在隨機(jī)位置上水解，產(chǎn)生寡聚中間產(chǎn)物。這些中間產(chǎn)物隨后是關(guān)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(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖是水溶性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(chǎn)生葡萄糖。

纖維素酶能夠降解生物量且可以是真菌或細(xì)菌來(lái)源的。合適的酶包括來(lái)自下述的屬的纖維素酶：芽孢桿菌屬(bacillus)、假單胞菌屬(pseudomonas)、腐質(zhì)霉屬(humicola)、鐮刀菌屬(fusarium)、梭孢殼屬(thielavia)、枝頂孢屬(acremonium)、金孢屬(chrysosporium)和木霉屬(trichoderma)，并且包括腐質(zhì)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(penicillium)或曲霉菌屬(aspergillus)(參見(jiàn)例如ep458162)的物種，特別是由選自下述物種的菌株產(chǎn)生的那些：特異腐質(zhì)霉(humicolainsolens)(再分類(lèi)為嗜熱革節(jié)孢(scytalidiumthermophilum)，參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,435,307)、灰蓋鬼傘(coprinuscinereus)、尖孢鐮刀菌(fusariumoxysporum)、嗜熱毀絲菌(myceliophthorathermophila)、大型亞灰樹(shù)花菌(meripilusgiganteus)、太瑞斯梭孢殼霉(thielaviaterrestris)、枝頂孢屬物種、桃色頂孢(acremoniumpersicinum)、acremoniumacremonium、acremoniumbrachypenium、acremoniumdichromosporum、acremoniumobclavatum、acremoniumpinkertoniae、acremoniumroseogriseum、acremoniumincoloratum和棕色枝頂孢(acremoniumfuratum)；優(yōu)選來(lái)自物種特異腐質(zhì)霉dsm1800、尖孢鐮刀菌dsm2672、嗜熱毀絲菌cbs117.65、頭孢霉屬物種rym-202、枝頂孢屬物種cbs478.94、枝頂孢屬物種cbs265.95、桃色頂孢cbs169.65、acremoniumacremoniumahu9519、頭孢霉屬物種cbs535.71、acremoniumbrachypeniumcbs866.73，acremoniumdichromosporumcbs683.73、acremoniumobclavatumcbs311.74、acremoniumpinkertoniaecbs157.70、acremoniumroseogriseumcbs134.56、acremoniumincoloratumcbs146.62和棕色枝頂孢cbs299.70h。纖維素分解酶還可以得自金孢屬，優(yōu)選chrysosporiumlucknowense的菌株。此外，可以使用木霉(特別是綠色木霉(trichodermaviride)、里氏木霉(trichodermareesei)和康氏木霉(trichodermakoningii))、嗜堿芽孢桿菌(參見(jiàn)例如，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)3,844,890和ep458162)和鏈霉菌屬(streptomyces)(參見(jiàn)例如，ep458162)。

合適的纖維二糖酶包括在商品名novozyme188^tm下銷(xiāo)售的來(lái)自黑曲霉(aspergillusniger)的纖維二糖酶。

可以利用酶復(fù)合物，例如在商品名下可從genencor獲得的那些，例如1500酶復(fù)合物。accellerase1500酶復(fù)合物包含多重酶活性，主要是外切葡聚糖酶、內(nèi)切葡聚糖酶(2200-2800cmcu/g)、半纖維素酶和β-葡糖苷酶(525-775pnpgu/g)，并且具有4.6-5.0的ph。酶復(fù)合物的內(nèi)切葡聚糖酶活性以羧甲基纖維素活性單位(cmcu)表示，而β-葡糖苷酶活性以pnp-葡糖苷活性單位(pnpgu)報(bào)道。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用1500酶復(fù)合物和novozyme^tm188纖維二糖酶的摻和物。

糖化過(guò)程可以部分或全部在制造工廠(chǎng)中在槽(例如具有至少4000、40,000或400,000l體積的槽)中執(zhí)行，和/或可以部分或全部在運(yùn)輸中，例如在軌道車(chē)、油罐卡車(chē)中或在超大型油輪或船的貨艙中執(zhí)行。完全糖化所需的時(shí)間將取決于加工條件以及使用的原料和酶。如果糖化在制造工廠(chǎng)中在控制條件下執(zhí)行，那么纖維素可以在約12-96小時(shí)內(nèi)基本上完全轉(zhuǎn)換為葡萄糖。如果糖化部分或全部在運(yùn)輸中執(zhí)行，那么糖化可能花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間。添加表面活性劑可以增強(qiáng)糖化率。表面活性劑的例子包括非離子型表面活性劑例如20或80聚乙二醇表面活性劑、離子型表面活性劑或兩性表面活性劑。

一般優(yōu)選所得到的葡萄糖溶液的濃度相對(duì)高，例如超過(guò)40％，或超過(guò)50、60、70、80、90，或甚至超過(guò)95重量％。這減少了待運(yùn)送的體積，并且還抑制溶液中的微生物生長(zhǎng)。然而，可以使用較低濃度，在所述情況下可能希望加入以低濃度例如50-150ppm的抗微生物添加劑，例如廣譜抗生素。其他合適的抗生素包括兩性霉素b、氨芐青霉素、氯霉素、環(huán)丙沙星、慶大霉素、潮霉素b、卡那霉素、新霉素、青霉素、嘌呤霉素、鏈霉素。抗生素將抑制在轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存過(guò)程中的微生物生長(zhǎng)，并且可以以合適濃度例如按重量計(jì)的15-1000ppm，例如25-500ppm或50-150ppm使用。需要時(shí)，即使糖濃度相對(duì)高，也可以包括抗生素。

通過(guò)限制與酶一起加入原料中的水量，可以獲得相對(duì)高濃度的溶液。濃度可以例如通過(guò)控制發(fā)生多少糖化而得到控制。例如，濃度可以通過(guò)將更多原料加入溶液中得到增加。為了維持在溶液中產(chǎn)生的糖，可以加入表面活性劑，例如上文討論的那些之一。溶解度還可以通過(guò)增加溶液的溫度得到增加。例如，溶液可以維持在40-50℃、60-80℃或甚至更高。

發(fā)酵

通過(guò)在官能化的基材材料的存在下發(fā)酵低分子量糖，微生物可以產(chǎn)生許多有用的中間產(chǎn)物和產(chǎn)物，例如本文描述的那些。例如，發(fā)酵或其他生物加工過(guò)程可以產(chǎn)生醇、有機(jī)酸、烴、氫、蛋白質(zhì)或這些材料中的任何的混合物。

微生物可以是天然微生物或經(jīng)改造的微生物。例如，微生物可以是細(xì)菌例如分解纖維素的細(xì)菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻類(lèi)，原生動(dòng)物或真菌樣原生生物例如粘菌。當(dāng)生物相容時(shí)，可以利用生物的混合物。

合適的發(fā)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(zhuǎn)變成發(fā)酵產(chǎn)物的能力。發(fā)酵微生物包括以下屬的菌株：酵母屬物種，例如釀酒酵母(sacchromycescerevisiae)(面包酵母)、糖化酵母(saccharomycesdistaticus)、葡萄汁酵母(saccharomycesuvarum)；克魯維酵母屬(kluyveromyces)，例如物種馬克思克魯維酵母(kluyveromycesmarxianus)、脆壁克魯維酵母(kluyveromycesfragilis)；假絲酵母屬(candida)，例如假熱帶假絲酵母(candidapseudotropicalis)和candidabrassicae、樹(shù)干畢赤酵母(pichiastipitis)(休哈塔假絲酵母(candidashehatae)的親屬，棒孢酵母屬(clavispora)，例如物種葡萄牙棒孢(clavisporalusitaniae)和clavisporaopuntiae，管囊酵母屬(pachysolen)，例如物種嗜鞣管囊酵母(pachysolentannophilus)，酒香酵母屬(bretannomyces)屬，例如物種克勞森酒香酵母(bretannomycesclausenii)(philippidis，g.p.，1996，cellulosebioconversiontechnology，inhandbookonbioethanol：productionandutilization，wyman，c.e.，編輯，taylor&francis，washington，dc，179-212)。

商購(gòu)可得的酵母包括例如red/lesaffreethanolred(可從redstar/lesaffre，美國(guó)獲得)，(可從fleischmann’syeast，burnsphilipfoodinc.的分部，美國(guó)獲得)，(可從alltech，現(xiàn)在的lalemand獲得)，gert(可從gertstrandab，瑞典獲得)，和(可從dsmspecialties獲得)。

細(xì)菌也可以在發(fā)酵中使用，例如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌和熱纖梭菌(clostridiumthermocellum)(philippidis，1996，同上)。

關(guān)于酵母的最佳ph是約ph4-5，而關(guān)于發(fā)酵單胞菌屬細(xì)菌的最佳ph是約ph5-6。一般發(fā)酵時(shí)間是在26℃-40℃范圍內(nèi)的溫度下約24-96小時(shí)，然而，嗜熱微生物更喜歡較高的溫度。

在某些實(shí)施方案中，所有或部分發(fā)酵加工過(guò)程可以在低分子量糖完全轉(zhuǎn)變成乙醇前中斷。中間發(fā)酵產(chǎn)物包括高濃度的糖和碳水化合物。這些中間發(fā)酵產(chǎn)物可以用于制備用于人或動(dòng)物消費(fèi)的食物。另外地或備選地，中間發(fā)酵產(chǎn)物可以在不銹鋼實(shí)驗(yàn)室研磨機(jī)中磨成細(xì)粒大小以產(chǎn)生粉樣物質(zhì)。

可以利用移動(dòng)發(fā)酵罐，如美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列60/832,735，現(xiàn)在的公開(kāi)國(guó)際申請(qǐng)?zhí)杦o2008/011598中所述。

后加工

蒸餾

在發(fā)酵后，所得到的流體可以使用例如“啤酒柱(beercolumn)”進(jìn)行蒸餾，以使乙醇和其他醇類(lèi)與大多數(shù)水和殘留固體分離。離開(kāi)啤酒柱的蒸氣可以是例如35重量％的乙醇，并且可以供應(yīng)給精餾柱。使用蒸氣相分子篩，來(lái)自精餾柱的近共沸(92.5％)乙醇和水的混合物可以純化至純(99.5％)乙醇。啤酒柱底部產(chǎn)物可以送至三效蒸發(fā)器的第一個(gè)效應(yīng)。精餾柱回流冷凝器可以提供用于這個(gè)第一個(gè)效應(yīng)的熱。在第一個(gè)效應(yīng)后，固體可以使用離心機(jī)進(jìn)行分離且在回旋干燥器中進(jìn)行干燥。部分(25％)離心機(jī)流出物可以再循環(huán)至發(fā)酵，并且其余送至第二個(gè)和第三個(gè)蒸發(fā)器效應(yīng)。大部分蒸發(fā)器冷凝物可以作為相當(dāng)清潔的冷凝物返回加工過(guò)程，而小部分分裂出來(lái)至廢水處理以預(yù)防低沸化合物的積累。

中間產(chǎn)物和產(chǎn)物

本文描述的加工過(guò)程可以用于產(chǎn)生一種或多種中間產(chǎn)物或產(chǎn)物，例如能量、燃料、食物和材料。產(chǎn)物的具體例子包括但不限于氫，醇(例如一元醇或二元醇，例如乙醇、正丙醇或正丁醇)，例如包含大于10％、20％、30％或甚至大于40％水的水合或含水醇，木糖醇，糖，生物柴油，有機(jī)酸(例如乙酸和/或乳酸)，烴，共同產(chǎn)物(例如蛋白質(zhì)，例如分解纖維素的蛋白質(zhì)(酶)或單細(xì)胞蛋白質(zhì))，和以任何組合或相對(duì)濃度的這些中的任何的混合物，和任選與任何添加劑例如燃料添加劑組合。其他例子包括羧酸例如乙酸或丁酸，羧酸的鹽，羧酸和羧酸的鹽和羧酸的酯(例如甲、乙和正丙酯)的混合物，酮(例如丙酮)，醛(例如乙醛)，α,β不飽和酸，例如丙烯酸和烯烴例如乙烯。其他醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、這些醇中的任何的甲或乙酯。其他產(chǎn)物包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羥基丙酸、酸中的任何的鹽以及酸和各個(gè)鹽中的任何的混合物。

其他中間產(chǎn)物和產(chǎn)物包括食物和藥劑在美國(guó)序列號(hào)12/417,900中描述，其完整公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用在此合并入本文。

其他實(shí)施方案

本發(fā)明的許多實(shí)施方案已得到描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解可以進(jìn)行各種修飾而不背離本發(fā)明的精神和范圍。

例如，纖維可以以任何所需形式，并且可以具有各種不同形態(tài)。一般地，希望纖維材料具有高表面積。在某些情況下，纖維可以摻入單或多層片內(nèi)，例如纖維可以是hepa濾紙的部分等。片材可以具有例如約1-500m²/g的表面積。纖維材料可以以篩子或絲網(wǎng)的形式覆蓋例如熔噴(meltblown)、折疊，或以其他幾何形狀提供。纖維可以是擠出或共擠出的。

纖維可以具有從納米尺寸(例如小于約1000nm，例如小于500nm、250nm、100nm、50nm、25nm，或甚至小于1nm)到大顆粒大小(例如大于100微米、200微米、500微米或甚至1000微米)的任何所需顆粒大小，或顆粒的附聚物。

纖維或包含纖維的纖維材料可以用微生物和/或酶進(jìn)行預(yù)處理，和/或纖維或纖維材料可以在生物加工過(guò)程例如糖化或發(fā)酵過(guò)程中與微生物和/或酶接觸。

雖然本文已討論了無(wú)機(jī)和合成基材材料，但這些材料可以與其他基材材料組合，例如于2009年10月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/252,293中公開(kāi)的生物量基材，其完整公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用合并入本文。

如上所述，酶可以固定化在纖維上，而代替微生物或作為微生物的補(bǔ)充。

因此，其他實(shí)施方案在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

優(yōu)選的實(shí)施方式：

1.一種方法，其包括：

利用固定化在基材上的微生物，以將低分子量糖轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。

2.項(xiàng)目1的方法，其中所述基材包括無(wú)機(jī)纖維。

3.項(xiàng)目1或2的方法，其中所述基材包括合成材料。

4.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述基材是官能化的。

5.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中由于所述基材上的官能團(tuán)和所述微生物上的官能團(tuán)之間的相互作用的結(jié)果而發(fā)生固定化。

6.項(xiàng)目4的方法，其中所述基材用選自下述的官能團(tuán)進(jìn)行官能化：醛基、亞硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯烷基、氯氟烷基和烯醇基團(tuán)。

7.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述低分子量糖轉(zhuǎn)變成醇。

8.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述微生物包括酵母。

9.項(xiàng)目8的方法，其中所述酵母選自釀酒酵母和樹(shù)干畢赤酵母。

10.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述微生物包括細(xì)菌。

11.項(xiàng)目10的方法，其中所述細(xì)菌包括運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌。

12.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述低分子量糖選自蔗糖、葡萄糖、木糖及其混合物。

13.項(xiàng)目4的方法，其進(jìn)一步包括輻照起始材料以產(chǎn)生官能化的基材。

14.項(xiàng)目13的方法，其中所述輻照包括用電離輻射輻照。

15.項(xiàng)目13的方法，其中所述輻照使用粒子束執(zhí)行。

16.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述基材包括具有大于100m²/g的bet表面積的纖維或顆粒。

13.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中轉(zhuǎn)變包括發(fā)酵。

14.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述基材包括選自下述的材料：碳酸鈣、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、高嶺土、膨潤(rùn)土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、正磷酸鎂、磷酸三鎂、羥磷灰石、合成磷灰石、氧化鋁、水合氧化鋁、硅石干凝膠、金屬鋁硅酸鹽復(fù)合物、硅酸鋁鈉、硅酸鋯、二氧化硅石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纖維、二氧化硅、滑石、碳纖維、導(dǎo)電碳黑、陶瓷粉末和陶瓷纖維、三水合氧化鋁、研磨建筑廢物、研磨輪胎橡膠、木質(zhì)素、馬來(lái)酸化聚丙烯、熱塑性纖維、氟化聚合物及其混合物。

15.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述基材包括具有大于70％的孔隙率的纖維或顆粒。

16.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述纖維或顆粒具有大于90％的孔隙率。

17.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)變后回收所述基材，并且在第二個(gè)、后續(xù)轉(zhuǎn)變加工過(guò)程中再使用所述基材。

18.項(xiàng)目2的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維以單或多層片的形式提供。

19.項(xiàng)目2的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維以覆蓋、折疊的纖維材料的形式，或以篩子或絲網(wǎng)的形式提供。

20.項(xiàng)目2的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維是擠出或共擠出的。

21.上述項(xiàng)目中任一項(xiàng)的方法，其中所述基材包括具有納米尺寸的平均顆粒大小的顆粒。

22.一種混合物，其包括：

具有極性官能團(tuán)的微粒材料，

具有互補(bǔ)吸引性官能團(tuán)的微生物或酶，和

液體介質(zhì)。

23.一種組合物，其包括具有官能團(tuán)的纖維、和具有互補(bǔ)吸引性官能團(tuán)的微生物或酶，所述微生物或酶固定化在所述纖維上。

24.一種方法，其包括利用固定化在纖維或顆粒上的糖化劑，以糖化纖維素或木質(zhì)纖維素材料。

25.項(xiàng)目24的方法，其中所述糖化劑包括酶。

26.項(xiàng)目24或25的方法，其中所述顆?；蚶w維包括無(wú)機(jī)材料。

27.項(xiàng)目24-26中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆粒包括合成材料。

28.項(xiàng)目24-27中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆粒或纖維具有大于100m²/g的bet表面積。

29.項(xiàng)目24-28中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆粒或纖維包括選自下述的材料：碳酸鈣、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、高嶺土、膨潤(rùn)土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、正磷酸鎂、磷酸三鎂、羥磷灰石、合成磷灰石、氧化鋁、水合氧化鋁、硅石干凝膠、金屬鋁硅酸鹽復(fù)合物、硅酸鋁鈉、硅酸鋯、二氧化硅石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纖維、二氧化硅、滑石、碳纖維、導(dǎo)電碳黑、陶瓷粉末和陶瓷纖維、三水合氧化鋁、研磨建筑廢物、研磨輪胎橡膠、木質(zhì)素、馬來(lái)酸化聚丙烯、熱塑性纖維、氟化聚合物及其混合物。

30.項(xiàng)目24-29中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆?；蚶w維具有大于70％的孔隙率。

31.項(xiàng)目24-30中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆?；蚶w維具有大于90％的孔隙率。

32.項(xiàng)目24-31中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆粒或纖維是官能化的。

33.項(xiàng)目24-32中任一項(xiàng)的方法，其中固定化是由于所述顆?；蚶w維上的官能團(tuán)和所述微生物上的官能團(tuán)之間的相互作用。

34.項(xiàng)目33的方法，其中所述顆?；蚶w維用選自下述的官能團(tuán)進(jìn)行官能化：醛基、亞硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯烷基、氯氟烷基和烯醇基團(tuán)。

35.項(xiàng)目24-34中任一項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括在糖化后回收所述顆?；蚶w維，并且在第二個(gè)、后續(xù)糖化過(guò)程中再使用所述顆粒。

36.項(xiàng)目26的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維或顆粒以單或多層片的形式提供。

37.項(xiàng)目26的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維或顆粒以覆蓋、折疊的纖維材料的形式，或以篩子或絲網(wǎng)的形式提供。

38.項(xiàng)目26的方法，其中所述無(wú)機(jī)纖維或顆粒是擠出或共擠出的。

39.項(xiàng)目24-38中任一項(xiàng)的方法，其中所述顆?；蚶w維具有納米尺寸的平均顆粒大小。