专利名称：用于生产生物燃料的方法
技术领域：
本发明涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。本发明还涉及一种由被囊类动物生产选自醇和生物柴油的生物燃料的方法以及一种培育海鞘的方法。
背景技术：
全球化石燃料供给的减少及其对全球气候体系的影响已经成为敦促人们寻找替代能源、特别是可再生能源的动力。化石燃料的一种颇有前景的替代物是乙醇，理由是乙醇可以产生自可再生能源并且其相比于化石燃料的排放量较低。目前，用于生产乙醇的生物质源衍生自植物，其中大部分的来源包括陆地粮食作物，例如甘蔗和玉米。非粮食作物，例如木材和芒草(Miscanthus)，也可用作用于生产乙醇的生物质源。化石燃料的另外一种替代物是也可产生自可再生能源的生物柴油。目前，用于生产生物柴油的大部分原料包括棕榈油和椰子。但是，前文提及的生物质源/原料来源的主要问题是它们会直接争夺生产粮食所必需的耕地。因此，随着全球人口的增长，采用这样的陆地资源来生产生物燃料将导致粮食短缺和粮食价格上涨。尽管来自粮食作物的废料，例如麦梗和玉米梗，也可以用作生产乙醇的生物质并且这种生物质源不会产生与粮食供给直接竞争的问题，但是靠它们是不足以满足全球需求的。近年来，人们的目光已经指向了生物燃料的生产，例如通过海藻生产乙醇。然而，在提取过程中已经遇到了困难，并且仍未进入商业化实施。另外，为了提高效率，需要大型的生化反应器以处理足够量的海藻，并且，目前的研究聚焦在转基因有机体上，这会增加额外的处理过程的约束条件。
可再生能源需要满足的条件包括:(i)能够大量生产；(ii)不与粮食供给产生竞争；以及(iii)对环境的影响最小。强烈需要一种能够解决上述问题并且满足上述要求的可再生能源。
被囊类动物是一类可在全球范围内的大部分海洋栖息地中找到的水下滤食者。海鞘是被囊类动物中最为公知的 纲。它们最常见的用途是作为进化发育生物学研究中的模式生物。它们的胚胎发育简单、迅速并且易于操纵，因此它们为研究脊索动物的主体发展过程提供了良好的模型。被囊类动物是唯--种合成纤维素的动物。从海鞘中提取纤维素以及将所述纤维素用于制造建筑材料(KR2000-0000303和JP09-157304)均是公知的。迄今为止未见被囊类动物用于生产生物燃料(例如醇类和生物柴油)的进展方面的报道或研究。发明内容
本发明的第一方面涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。
本发明的第二方面涉及由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述生物燃料选自醇和生物柴油，并且其中所述方法包括:
(a) (i)对所述被囊类动物或者一种或多种提取自所述被囊类动物的多糖进行酶水解或酸水解，生成含有一种或多种单糖的水解产物以及(ii)使所述一种或多种单糖发酵生成醇；或者
(b) (i)从所述被囊类动物中提取脂质/脂肪酸以及(ii)通过酯交换或醇解将所述脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
本发明的所述第二方面还涉及由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述方法包括:通过使所述被囊类动物进行酯交换或醇解，将存在于所述被囊类动物中的脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
本发明的第三方面涉及根据前一段落中描述的方法由被囊类动物生产第一生物燃料，以及根据前一段落中描述的方法由所述被囊类动物另外生产第二生物燃料的方法，其中所述第一和第二生物燃料是不同的并且选自醇和生物柴油。
本发明的第四方面涉及培育海鞘的方法，所述方法包括下述步骤:
(a)培植具有海鞘的海下结构体表面；以及
(b)从所述结构体上收获所述海鞘，其中，所述结构体包括多个具有培植表面的细长形元件，并且所述结构体限定出被布置成用于支撑被囊类动物的培植的三维海下区域。
本发明涉及一种用于生产生物燃料的新型生物质源，所述生物燃料为醇类和生物柴油。被囊类动物能在新的栖息地迅速分布并且具有非常高的生长潜力，从而能够潜在地提供大量的生物质；它们不需要借由耕地来生长，因此不会与陆地粮食作物的生产产生竞争；并且它们的培育具有积极的次要作用，例如改善水质，特别是由于土地流失导致遭受不希望有的程度的水体富营养化的区域中的水质。因此，这种新型生物质源满足上述提及的对于可再生能源的要求。
图1是示出了玻璃海鞘样品的脂肪酸成分的气相色谱谱图。
图2是提取自玻璃海鞘样品的脂质的HNMR分析图。
图3示出了细长形元件的一个实施方案，所述元件是附着在平面长线体系上的绳索，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
图4示出了细长形元件的又一个实施方案，所述元件还包括附着在平面长线体系上的空心塑料PVC管，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
图5示出了细长形元件的又一个实施方案，所述元件还包括附着在平面长线体系上的PVC盘，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
图6 (i)是从如实施例描述的玻璃海鞘样品中获得的纤维素在显微镜下(X40)的图形。
图6 (ii)是从如实施例描述的木材样品中获得的纤维素在显微镜下(X40)的图形。
图7示出了培植装置的多种可替代的布置方案。
图8是以kg/m2表示的生物质作为根据本发明方法培育的被囊类动物的深度(m)的函数的图形。
图9是以kg/m2表示的生物质作为从不同颜色的绳索收获到的被囊类动物的深度(m)的函数的图形。
具体实施方式
本发明的第一方面涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。
被囊类动物
被囊类动物可在全球范围内的大部分海洋栖息地中找到。被囊类动物是唯--种合成纤维素的动物。纤维素代表了动物的生物质的一个重要部分1’2。被囊类动物具有高的生长潜力，生长潜力是一项能够促进在一年的时间内获得大量繁殖(large blooms)并最终生成大量纤维素源的特征。这使得被囊类动物特别适合用作可再生能源。
在被囊类动物亚门中，存在三个纲:海鞘纲、海樽纲和幼形纲3。在本发明中，所述被囊类动物选自海鞘纲、海樽纲或幼形纲。优选地，所述被囊类动物为海鞘。海鞘通常也被称为海鞘(sea squirts)。许多种类的海鞘自由生活的浮游幼体阶段在新的栖息地迅速分布，然后，随着它们定居在海洋环境中的新表面(例如轮船的船体表面)上，它们将经历变态。鉴于它们能在新的栖息地迅速分布的行为，使得它们通常成为培植于新沉入海下的结构体的表面上的第一批动物。因此，它们是容易获得的。
存在多种海鞘，例如无毛短腹海鞘(Aplidium glabrum)、悉尼海鞘(Ascidiasydneiensis)、Ascidia mentula、Ascidiella aspersa、紫拟菊海鞘(Botrylloidesviolaceus)、史氏菊海鞘(Botryllusschlloseri )、萨氏海鞘(Ciona savignyi )> 念珠二段海鞘(Didemnumcandidum)、旗瓣二段海鞘(Didemnum vexillum)、群体海鞘(Diplosomalisterianum) > Eusynstyela tincta、苍白球海鞘(Herdmania pallida)、Lissoclinum fragile、硬突小齐海鞘(Microcosmus exzsperatus)、鱗状小齐海鞘(Microcosmus squamiger)、乳突皮海鞘(Molgulamanhattensis)、Perophora japonica、Phallusia nigra、冠瘤海鞘(Styela canopus)、柄海鞘(Styela clava)、Trididemnumsolidus和玻璃海鞘(Ciona intestinalis)。在上述海鞘中，玻璃海鞘是在斯堪的纳维亚海域中占最主要地 位的一类海鞘。所述玻璃海鞘也是被主要研究的一类海鞘，其主要原因在于玻璃海鞘被用作进化发育生物学中的模式生物4。玻璃海鞘是雌雄同体的，其可以自由地在水柱中产卵，并在此进行受精。幼体自由游动且不进食，并将附着在任何合适的表面，然后取决于温度，在1-5天的时间内经历变态5’6。纤维素产生于幼体阶段和成体阶段的被囊中7’8。在幼体中，所述纤维素主要起到保护作用，但也用于控制变态期间内形成幼仔和成体形式的正常秩序。在成体中，纤维素是包覆着整个动物身体且与身体的其余部分协同生长的被囊的结构组分。所述纤维素还存在于连接被囊和外套膜的被囊脊索(tunic chord)中9。幼体全年不断地沿着斯堪的纳维亚海岸定居。在本发明的一个优选实施方案中，所述被囊类动物是玻璃海鞘。
在本文中使用时，被囊类动物是指被囊类动物的身体的全部或一部分。
在本文中使用时，由被囊类动物获得的提取物是指一种富含由所述被囊类动物获得的一类物质的材料。由被囊类动物获得的提取物包括通过对被囊类动物进行处理而获得的材料，所述材料富含:一种或多种单糖；多糖，例如纤维素；和/或脂质/脂肪酸。
在本发明中，被囊类动物或由被囊类动物获得的提取物被用作生产本文所描述的生物燃料的生物质或原材料。
在本文中使用时，术语“被囊类动物”可以被“一种或多种被囊类动物”或“多种被囊类动物”替换。
生物燃料
在本文中使用时，生物燃料是选自醇和生物柴油、优选选自乙醇和脂肪酸烷基酯的生物燃料。
醇
在一个方面中，本发明涉及被囊类动物或由被囊类动物获得的提取物用于生产醇的用途。优选地，所述醇为C1-C4醇，即甲醇、乙醇、丙醇或丁醇。更优选地，所述醇为乙醇。
通过本发明研究发现，对于玻璃海鞘而言，能获得8.8重量％的C6糖(6.7重量％的纤维素、2.1重量％的甘露糖和半乳糖)和0.4重量％的C5糖。通过酶水解或通过酸水解，然后发酵，可以将纤维素转化为乙醇1CI_15。通过本申请研究发现，相比于木材纤维素，从玻璃海鞘中获得的纤维素的晶体程度更高且分子尺寸更小。因此，这种纤维素更容易通过酸水解或通过酶水解的方式水解成葡萄糖，所述葡萄糖经发酵生成乙醇。由此可见，相比于由木材生产乙醇，由这种纤维素生产乙醇将更加简单、廉价。
可以对由这类物种生产乙醇的潜力进行如下预估。由文献已知IOOmm长的玻璃海鞘具有0.6g的干重16。通常，玻璃海鞘的密度达到每m2海洋底面3000株。上述数量的海鞘将重达1.8kg/m2 (3000株/m2X0.0006g/株=1.8kg海鞘/m2)。当获得8.8重量%的C6糖时，1.8kg的海鞘将产生0.16kg的C6糖(0.088X1.8kg=0.16kg的C6糖)。假设每kg的C6糖产生0.64L乙醇，那么0.16kg的C6糖将产生0.1OL乙醇(0.16X0.64=0.1OL乙醇)。这使得每Hi2的海洋底面产生0.1OL乙醇或者每公顷的海洋底面产生1000L乙醇。
上述计算基于的是一次收获的量。因为可以在一年内至少收获两次玻璃海鞘17，所以存在至少为2000L乙醇/公顷海洋底面的年产量的潜力。上述计算针对的是二维培育即海洋底面上的培育。因为可以在海水柱中对海鞘进行三维培育，所以潜在的每公顷海洋底面/海洋表面的乙醇产量将会大得多。海鞘不局限于透光层，因此可以在深度低至60m或70m处获得高的生长速率。采取海鞘在浸入水中的杆中生长的情况，所述杆长20m且直径为0.4m(使得每根杆的表面积为25.12m2)，并且所述杆在一公顷的范围内相互间隔Im分布(即每公顷有10，000根杆)。这使得每公顷的海洋表面中有251，200m2的表面积用于海鞘的生长。基于上述计算，这进而使得每公顷的海洋表面每年能够产生约50，900L乙醇。这意味着一公顷的海洋表面具有每年至少提供约50，900L乙醇的潜力。除了 C6糖之外，从所述海鞘一玻璃海鞘中还可以获得0.4重量％的C5糖。可以对C5糖进行发酵，生成乙醇，从而为由C6糖获得的乙醇增添了 4.5%的更多的乙醇(B卩，基于上述模式，使得乙醇的年产量为 1.045X50, 900=53，190L)。
通过本发明研究已经显示所述产量可以远远大于上述估计值。通过本发明研究已经显示玻璃海鞘在经过6个月的生长期之后可以长至约31g (1.37g干重)。进一步地，通过采用如本文所述的支撑多个具有板状形式的培植表面的细长形元件，密度可以达到9690株/m2。在三维培育模式中，假设在20米的绳索上每米长度布置3块板且每块板的表面积为0.2m2，那么海洋中的每个细长形元件的表面积为12m2，或者说每公顷海洋中的细长形元件的表面积为120，OOOm2 (假设所述细长形元件相互间隔Im分布)。假设每年两次收获，采用如上所述相同的方法进行计算，每公顷的乙醇年产量为约180，000L (9690株/m2 X 0.00137kg X 0.088C6 糖 X 0.64L 乙醇 /kg 糖 X 120，OOOm2 X 2 次收获 / 年=180，000L 乙醇)，或者说包括由C5糖产生的那部分乙醇在内的乙醇年产量为188，000L。
由被囊类动物获得的潜在的乙醇产量可以与下表中所示的由传统上作为生产乙醇的生物质的作物的乙醇年产量进行比较:
表I由不同的作物获得的乙醇年产量18
权利要求
1.被囊类动物或由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述一种或多种生物燃料选自C1-C4醇和脂肪酸烧基酷。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述用途包括由被囊类动物获得的纤维素用于生产乙醇的用途。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述用途包括由被囊类动物获得的脂质/脂肪酸用于生产生物柴油的用途。
5.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述用途包括由被囊类动物获得的纤维素和脂质/脂肪酸分别用于生产乙醇和生物柴油的用途。
6.一种由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述生物燃料选自醇和生物柴油，并且其中所述方法包括下述步骤: (a)(i)对所述被囊类动物或者一种或多种提取自所述被囊类动物的多糖进行酶水解或酸水解，生成含有一 种或多种单糖的水解产物以及(ii)使所述一种或多种单糖发酵生成醇；或者 (b)(i)从所述被囊类动物中提取脂质/脂肪酸以及(ii)通过酯交换或醇解将所述脂质/脂肪酸转化成生物柴油，或者(iii)使所述被囊类动物进行酯交换或醇解，由此将存在于所述被囊类动物中的脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
7.根据权利要求6(a)所述的方法，其特征在于，步骤(i)包括在将一种或多种提取自所述被囊类动物的多糖进行酶水解或酸水解生成含有一种或多种单糖的水解产物之前，从所述被囊类动物中提取一种或多种多糖的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤(a)(i)或步骤(b) (i)或步骤(b) (iii)之前对所述被囊类动物进行干燥。
9.根据权利要求6(a)所述的方法，其特征在于，步骤(i)包括对所述被囊类动物进行酶水解或酸水解的步骤，并进一步包括在将所述被囊类动物进行行酶水解或酸水解之前，将其干燥至固含量大于50%。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述生物燃料为C1-C4醇。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述生物燃料为乙醇。
12.根据权利要求6(b) (i)所述的方法，其特征在于，在进行酯交换之前，使所述提取自被囊类动物的脂质/脂肪酸经历酯化过程，从而在酸催化剂的存在下，使所述脂肪酸与醇反应生成脂肪酸烷基酯。
13.根据权利要求6(b) (iii)所述的方法，其特征在于，在进行酯交换之前，使所述被囊类动物经历酯化过程，从而在酸催化剂的存在下，使所述被囊类动物体中存在的脂肪酸与醇反应生成脂肪酸烷基酯。
14.根据权利要求6(a) (i)所述的由被囊类动物生产醇以及另外由所述被囊类动物生产生物柴油的方法，其特征在于，所述方法包括从步骤(a) (i)中生成的水解产物中或从步骤(a)(ii)中生成的发酵液中提取脂质/脂肪酸以及通过酯交换或醇解将所述脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
15.根据权利要求7所述的由被囊类动物生产醇的方法，其特征在于，所述方法进一步包括根据权利要求6 (b) (i)的方法由所述被囊类动物生产生物柴油。
16.根据权利要求6(b) (ii)或权利要求6 (b) (iii)所述的由被囊类动物生产生物柴油以及另外由所述被囊类动物生产醇的方法，其特征在于，所述方法包括从由步骤(b )(i)中的被囊类动物对脂质/脂肪酸的提取中或从由步骤(b) (ii)的产物对生物柴油的回收中获得被囊类动物残余物，以及对所述被囊类动物残余物或一种或多种提取自所述被囊类动物残余物的多糖进行酶水解或酸水解，生成含有一种或多种单糖的水解产物，以及使所述一种或多种单糖发酵生成醇。
17.根据前述任一项权利要求的用途或方法，其特征在于，所述被囊类动物为海鞘。
18.一种培育海鞘的方法，所述方法包括下述步骤: (a)培植具有海鞘的海下结构体表面；以及 (b)从所述结构体上收获所述海鞘，其中，所述结构体包括多个具有培植表面的细长形元件，并且所述结构体限定出被布置成用于支撑被囊类动物的培植的三维海下区域。
19.根据权利要求18所述的培育海鞘的方法，其特征在于，所述多个细长形元件包含至少一个细长形支撑元件和多个培植元件，其中每一个培植元件与所述支撑元件相连，并且每一个培植元件包含至少一个基本光滑且连续的培植表面。
20.根据权利要求19所述的培育海鞘的方法，其特征在于，所述至少一个培植表面是平坦的。
21.根据权利要求20所述的培育海鞘的方法，其特征在于，所述至少一个培植表面是水平的。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的培育海鞘的方法，其特征在于，所述培植元件为圆筒。
23.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述多个细长形元件包含至少一个支撑着多个大体为放射状延伸的培植表面或元件的细长形元件。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述大体为放射状延伸的表面或元件为盘状或长方形的。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述大体为放射状延伸的表面或元件为圆筒状的。
26.根据权利要求18-26中任一项所述的方法，其特征在于，所述培植表面为深颜色的。
27.根据权利要求18-27中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个培植表面是多孔的或由网形成的。
28.一种由海鞘生产生物燃料的方法，如权利要求6-11中的任一项所述，所述方法包括按照权利要求18-27中任一项所述的方法培育所述海鞘的方法。
29.根据权利要求17的用途或方法或者根据权利要求18-28中任一项所述的方法，其特征在于，所述海鞘为玻璃海鞘。
30.一种被囊类动物培植装置，含有至少一个细长形支撑元件和多个培植元件，其中每一个培植元件与所述支撑元件相连，并且每一个培植元件包含至少一个基本光滑且连续的培植表面。
31.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述至少一个培植表面是平坦的。
32.根据权利要求27或28所述的装置，其特征在于，所述培植元件是圆筒形式。
33.根据权利要求27-29中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个培植表面是多孔的或由网形成的。
34.一种基本如本文中描述的权利要求1所述的用途。
35.一种根据实施例基本如本文中描述的权利要求1所述的用途。
36.一种基本如本文中描述的权利要求6或权利要求18所述的方法。
37.一种根据实施例基本如本文中描述的权利要求6或权利要求18所述的方法。
38.一种基本如本文中所述并结合附图3、4和5的海鞘培植支撑结构体。
39.一种基本如本文 中所述并结合附图7的被囊类动物培植装置。
全文摘要
本发明涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。本发明还涉及一种由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述生物燃料选自醇和生物柴油，并且其中所述方法包括下述步骤(a)(i)对所述被囊类动物或者一种或多种提取自所述被囊类动物的多糖进行酶水解或酸水解，生成含有一种或多种单糖的水解产物以及(ii)使所述一种或多种单糖发酵生成醇；或者(b)(i)从所述被囊类动物中提取脂质/脂肪酸以及(ii)通过酯交换或醇解将所述脂质/脂肪酸转化成生物柴油或(iii)使所述被囊类动物进行酯交换或醇解，由此将存在于所述被囊类动物中的脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
文档编号C12P7/64GK103168089SQ201180029532
公开日2013年6月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者C·特勒德松, E·汤普森, C·尚德, J-M·布凯, T·马格内森, 李杰兵 申请人:卑尔根技术交易股份公司