本专利申请要求2015年11月24日提交的序列号为62/259,552的共有临时申请的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术：
本发明涉及用于繁殖酵母和/或将木质纤维素材料水解为一种或多种单糖的系统和方法，一种或多种类型的生物体(例如酵母)可以将一种或多种单糖转化为一种或多种生化物质。
技术实现要素：
本发明的实施例包括处理木质纤维素生物质的方法，其中该方法包括：在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，将木质纤维素生物质中的纤维素转化为寡糖和/或单糖。
本发明的实施例还包括用于处理木质纤维素生物质中的纤维素的系统，其中该系统包括：
a)酶水解系统，其包含含有含水浆料的一个或多个容器，其中所述含水浆料包含：包含纤维素的木质纤维素生物质和可以将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶，其中所述酶水解系统配置为，在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，将木质纤维素生物质中的纤维素转化为寡糖和/或单糖；以及
b)与所述酶水解系统流体连通的气体源，其中所述气体源配置为，将气体添加至所述酶水解系统，使得含水浆料包含抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧，其中所述气体包含氧气。
本发明的实施例包括繁殖酵母的方法，所述酵母可以将一种或多种单糖转化为生化物质，所述方法包括：
a)提供所述酵母的第一细胞团于含水繁殖培养基中；以及
b)在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，在所述含水繁殖培养基中繁殖所述酵母的第一细胞团，并持续一段时间以形成比所述酵母的第一细胞团更大的所述酵母的第二细胞团，其中在所述一段时间内乳酸在含水繁殖培养基中以每升含水繁殖培养基含有0至150毫克乳酸的量存在。
本发明的实施例还包括用于繁殖酵母的系统，其包括：
a)酵母繁殖反应器容器，其包括：
i)含水繁殖培养基；以及
ii)酵母的第一细胞团，其中所述酵母繁殖反应器配置为，使得所述酵母的第一细胞团可生长一段时间以形成比所述酵母的第一细胞团更大的酵母的第二细胞团；以及
b)连接至所述繁殖反应器容器的气体源，以将一定量的气体并入到所述含水繁殖培养基中，使得所述含水繁殖培养基包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧，其中所述气体包括氧气，并且在所述一段时间内乳酸在含水繁殖培养基中以每升含水繁殖培养基含有0至150毫克乳酸的量存在。
附图说明
图1展示了根据本发明的系统的一个实施例的示意图；
图2展示了根据本发明的系统的另一个实施例的示意图；
图3用图形说明了来自实施例1的乳酸和溶解氧数据；以及
图4用图形说明了来自实施例2的乳酸和溶解氧数据。
具体实施方式
本发明的实施例包括处理木质纤维素生物质的方法，其包括：在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气(即双原子氧气)的情况下，将木质纤维素生物质中的纤维素转化为寡糖和/或单糖。
在用于将一种或多种类型的单糖转化为生化物质的纤维素过程中的发酵的上一阶段会产生乳酸。例如，当将纤维素转化为寡糖和/或单糖(例如葡萄糖)时，乳杆菌(lactobacillus)属的细菌可在一定条件下产生乳酸。不幸地是，乳酸可抑制酵母发酵，其可处于将纤维素转化为寡糖和单糖的下一阶段。虽然不受理论约束，但人们相信氧气可以抑制乳酸产生。有利地，因为可以用氧气而不是其它参数(例如，温度和/或ph)来控制乳酸产生，所以可以将用于把纤维素转化为葡萄糖的条件(例如，温度和/或ph)设定为使得酶根据需要的情况起作用。例如，ph和温度对于酶来说可以是最佳的。若需要，不必调节ph和/或温度来抑制产生乳酸的细菌。
如下面进一步详细讨论的，本发明的实施例包括，通过提供含水浆料将木质纤维素生物质中的纤维素转化为寡糖和/或单糖，所述含水浆料包括：包含纤维素的木质纤维素生物质；可将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶；以及抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。
示例性的木质纤维素生物质包括柳枝稷和农业残留物(例如，玉米棒和玉米秸(即，玉米秸秆和叶子))。
可以将纤维素转化为寡糖和/或单糖的酶也称为纤维素酶。如上所述，可使用一种或多种类型的纤维素酶将纤维素酶促水解为诸如葡萄糖的单糖，从而可在发酵的下游使用葡萄糖。
如本文所述，氧气可以包含在含水浆料中，使得溶解氧以抑制细菌产生乳酸的量存在。虽然不受理论的约束，但人们相信在纤维素水解过程中可能存在一种或多种竞争氧气的机制。例如，一些酶利用氧气将纤维素转化为葡萄糖。这些酶描述于pct公开wo2014/072392和wo2014/130812中。作为另一个例子，木质素降解可以产生自由基，自由基也可以消耗氧气。因此，可以供应一定量的氧气以解决这些竞争过程中的任何氧气消耗，并仍然提供抑制细菌产生乳酸的足够量的溶解氧。
在一些实施例中，溶解氧在含水浆料中以每升浆料含有至少11毫克溶解氧，每升浆料含有至少15毫克溶解氧，或甚至每升浆料含有至少30毫克溶解氧的量存在。在一些实施例中，溶解氧在含水浆料中以每升浆料含有11至200毫克溶解氧，或甚至每升浆料含有11至50毫克溶解氧的量存在。如本文所用，酶水解中的“浆料”包括液体部分和固体部分。在一些实施例中，浆料可以包括小于总浆料重量的50％(例如，总浆料重量的10-20％)的固体，和总浆料重量的50％或更多的液体。如下所述，在酶水解过程中，浆料可以处于50℃至60℃之间的温度。由于氧气在浆料中的溶解度随着温度而变化，因此可以调节加入浆料中的氧气量，使得浆料中的溶解氧的量为每升浆料含有至少11毫克溶解氧。
可以通过向含水浆料中加入气体而使溶解氧存在于含水浆料中。可以使用一种或多种技术将气体引入含水浆料中。例如，可以将气体引入到水解反应器的顶部空间中，使得气体扩散到含水浆料中。作为另一个例子，可以将气体喷入含水浆料中，以使气体起泡并通过含水浆料，从而将氧气转移到含水浆料中。
任选地，可以搅拌或混合含水浆料以促进将氧气转移到含水浆料中并贯穿含水浆料，以达到需要的溶解氧水平。例如，可以使用连续搅拌釜式反应器(cstr)来搅拌或混合含水浆料。可以基于各种因素(例如釜尺寸、浆料粘度等)来调整搅拌机构的速度(rpms)。
可以供应或使用一种或多种气体以形成含水浆料，使得含水浆料具有足够量的溶解氧以抑制细菌产生乳酸。这种气体的例子包括纯氧气或包含氧气的气体混合物(例如空气)。
根据各种定时方案，可以在水解过程中将含氧气气体供应到含水浆料中。例如，可以在水解过程中(例如，液化和糖化)或者在整个水解过程中的一个或多个部分时间段内(例如，仅液化或糖化，或其一个部分)连续供应含氧气气体。应注意的是，在水解过程开始时，由于例如相对高的酶促作用，相对高的木质素降解，这些的组合等，可能会大量消耗氧气。在一些实施例中，可以在酶水解的第一部分中供应相对较高量的含氧气气体。例如，可以从酶与含水浆料组合时开始供应含氧气气体，直到至少完全液化。
图1展示了根据本发明的系统100的一个实施例的示意图。
如图1所示，系统100包括酶水解系统125，酶水解系统125包括含有含水浆料的一个或多个容器(未示出)。含水浆料包括：包含纤维素的木质纤维素生物质110和可将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶115。含水浆料还包括含水液体120。酶水解系统125配置为，在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，将木质纤维素生物质中的纤维素转化为寡糖和/或单糖。如图所示，通过将包含纤维素的木质纤维素生物质110和可将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶115组合，可以形成含水浆料。如果生物质110和/或酶115中没有足够量的含水液体，则可以将含水液体120与生物质110和酶115组合。气体源105可以与酶水解系统125流体连通，并配置为将气体添加到酶水解系统125，使得含水浆料包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。
在水解系统125中，可以将含水浆料在某一ph和温度下维持一段时间，以在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，将木质纤维素生物质中的至少一部分纤维素转化为寡糖和/或单糖。
可选地，如图1中的虚线所示，可以通过测量含水浆料130中乳酸(如果有的话)的量来控制输送至水解系统125的氧气的量。可以通过控制器145来处理乳酸的测量量140，以确定应该从源105添加到水解系统125中的含水浆料中的含氧气气体的量150。
在一些实施例中，含水浆料130中可接受的乳酸的测量量为每升浆料含有0至150毫克乳酸，或甚至每升浆料含有0至100毫克乳酸。在一些实施例中，可以抑制乳酸产生以使每升浆料中含有少于150毫克乳酸的溶解氧的量包括每升浆料含有至少11毫克溶解氧。
如图1所示，含水浆料130包括诸如葡萄糖的单糖，并且可以与发酵系统135中的酵母组合，使得酵母将单糖转化为生化物质。在一些实施例中，生化物质包括乙醇。
图2展示了根据本发明的系统200的一个实施例的示意图。
如图2所示，系统200包括酶水解系统，该酶水解系统包括第一酶水解系统(也称为“液化系统”)225和第二酶水解系统(也称为“糖化系统”)226。液化系统225包括含有第一含水浆料的一个或多个容器(未示出)。第一含水浆料包括：包含纤维素的木质纤维素生物质210和可将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶215。含水浆料还包括含水液体220。液化系统225配置为，将第一含水浆料在某一ph和温度下维持一段时间，以将木质纤维素生物质中的至少一部分纤维素转化为寡糖和/或单糖，并形成第二含水浆料230。在一些实施例中，第一含水浆料的温度为45℃至65℃，或甚至为50℃至60℃。在一些实施例中，第一含水浆料的ph为4至6，或甚至4.5至5.5。在一些实施例中，液化时间段为2至20小时，或甚至6至8小时。如图所示，通过将包含纤维素的木质纤维素生物质和可将纤维素转化为寡糖和/或单糖的一种或多种酶组合，可以形成第一含水浆料。如果生物质210和/或酶215中没有足够量的含水液体，则可以将含水液体220与生物质210和酶215组合。气体源205可以与液化系统225流体连通，并配置为将气体添加到液化系统225，使得第一含水浆料包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。
可选地，如图2中的虚线所示，可以通过测量第二含水浆料230中乳酸(如果有的话)的量来控制输送至液化系统225的氧气的量。可以通过控制器245来处理乳酸的测量量240，以确定应该从源205添加到液化系统225中的含水浆料中的含氧气气体的量250。
在一些实施例中，第二含水浆料230中可接受的乳酸的量为每升浆料含有0至150毫克乳酸，或甚至每升浆料含有0至100毫克乳酸。在一些实施例中，可以抑制乳酸产生使得每升浆料中含有少于150毫克乳酸的溶解氧的量包括每升浆料含有至少11毫克溶解氧。
如图2所示，包括一个或多个间歇式反应器(未示出)的糖化系统226与液化系统225流体连通，以接收第二含水浆料230。糖化系统226配置为，将第二含水浆料在某一ph和温度下维持一段时间，以将木质纤维素生物质中的至少一部分纤维素转化为寡糖和/或单糖，并形成第三含水浆料231。在一些实施例中，第二含水浆料的温度为45℃至65℃，或甚至为50℃至60℃。在一些实施例中，第二含水浆料的ph为4至6，或甚至为4.5至5.5。在一些实施例中，糖化时间段为48至120小时，或甚至为112至114小时。气体源205可以与糖化系统226流体连通，并配置为将气体添加到糖化系统226，使得糖化系统226中的第二含水浆料包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。
可选地，如图2中的虚线所示，可以通过测量第二含水浆料231中乳酸(如果有的话)的量来控制输送至糖化系统226的氧气的量。可以通过控制器246来处理乳酸的测量量241，以确定应该从源205添加到糖化系统226中的含水浆料中的含氧气气体的量251。
在一些实施例中，含水浆料231中可接受的乳酸的量为每升浆料含有0至150毫克乳酸，或甚至每升浆料含有0至100毫克乳酸。在一些实施例中，可以抑制乳酸产生使得其每升浆料中含有少于150毫克乳酸的溶解氧的量包括每升浆料含有至少11毫克溶解氧。
如图2所示，含水浆料231包括诸如葡萄糖的单糖，并且可以与发酵系统235中的酵母组合，使得酵母将单糖转化为生化物质。在一些实施例中，生化物质包括乙醇。
本发明的实施例还包括繁殖酵母的方法，所述酵母可以将一种或多种单糖转化为生化物质。所述方法包括：提供酵母的第一细胞团于含水繁殖培养基中；在存在抑制细菌产生乳酸的一定量的氧气的情况下，在含水繁殖培养基中繁殖酵母的第一细胞团，并持续一段时间以形成比酵母的第一细胞团更大的酵母的第二细胞团。溶解氧在含水繁殖培养基中以每升含水繁殖培养基含有至少11毫克溶解氧的量存在。在一些实施例中，该方法包括：测量含水繁殖培养基的样品以确定含水繁殖培养基中乳酸的存在和量；基于所测量的乳酸的量确定添加到含水繁殖培养基中的氧气的量；以及向含水繁殖培养基中加入气体，使得含水繁殖培养基包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。该气体包括氧气。
在繁殖时间段内，乳酸在含水繁殖培养基中以每升含水繁殖培养基含有0至150毫克乳酸的量存在。
繁殖培养基可以包括可以支撑酵母的第一细胞团的生长的碳源。在一些实施例中，碳源包括木糖和/或葡萄糖。
繁殖培养基还可以包括可以支撑酵母的第一细胞团的生长的营养源。在一些实施例中，营养源包括酒糟组分和/或酵母提取物。
本发明的实施例还包括用于繁殖酵母的系统。该系统可以包括酵母繁殖反应器容器，其包括含水繁殖培养基和酵母的第一细胞团。酵母繁殖反应器配置为，使得所述酵母的第一细胞团可生长一段时间，以形成比所述酵母的第一细胞团更大的酵母的第二细胞团。
该系统还可以包括连接至繁殖反应器容器的气体源，以将一定量的气体并入到含水繁殖培养基中，使得含水繁殖培养基包括抑制细菌产生乳酸的一定量的溶解氧。
任选地，该系统可以包括搅拌系统，该搅拌系统以某种方式连接至酵母繁殖反应器容器，使得可以搅拌或混合繁殖培养基以促进氧气转移并贯穿到繁殖培养基中，以达到需要的溶解氧水平。例如，可以使用连续搅拌釜式反应器(cstr)来搅拌或混合繁殖培养基。可以根据各种因素(例如釜尺寸、浆料粘度等)来调整搅拌机构的速度(rpms)。
用于繁殖酵母的方法和系统也在以下美国专利文献中有所描述：美国专利号8,450,094(narendranath等人)；美国专利号9,034,631(narendranath等人)；美国公开号2014/0065700(narendranath等人)；以及美国公开号2014/0273166(narendranath)，每篇专利文献的全部内容通过引用并入本文。
实施例
实施例1
将玉米秸的浆料在种子发酵罐中于50℃和ph5糖化120小时。当糖化过程中氧气水平降至11ppm以下时，乳酸水平开始上升。图3用图形说明了从纤维素种子发酵罐收集到的乳酸和溶解氧数据。图3中的数据显示了乳酸产生与溶解氧之间的直接关系，其中在溶解氧水平降至11ppm以下时开始产生乳酸。
实施例2
将玉米秸的浆料在种子发酵罐中于50℃和ph5糖化120小时。当糖化过程中氧气水平降至11ppm以下时，乳酸水平开始上升。图4用图形说明了从独立于实施例1的种子发酵罐收集到的乳酸和溶解氧数据。图4中的数据直接支持了实施例1中发现的数据，其显示了乳酸产生与溶解氧之间的直接关系，其中在溶解氧水平降至11ppm以下时开始产生乳酸。