加工生物量的制作方法
【专利说明】加工生物量
[0001]本申请是申请日为2010年5月18日、申请号为201080027349. 4、发明名称为"加 工生物量"的发明专利申请的分案申请。
[000引相关申请
[0003]本申请要求于2009年4月4日提交的美国序列号12/417, 840,于2009年5月20 日提交的美国临时申请序列号61/180, 032,和于2009年10月16日提交的美国临时申请序 列号61/252, 293的优先权。运些临时申请各自的完全公开内容通过引用在此合并入本文。
[0004] 背景
[0005] 纤维素和木质纤维素材料在许多应用中大量产生、加工并使用。通常此类材料使 用一次，并随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘薦渣、银屑和賴杆。
[0006] 多种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已在美国专利号7, 307, 108、 7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035 和 5,952,105 中；W及在 多种专利申请中描述，包括于2006年3月23日提交的"FIBROUSMATERIALSAND COMPOS口ES,叩CT/US2006/010648,和"FIBROUSMATERIALSANDCOMPOS口ES"，美国专利申 请公开号 2007/0045456。
[0007] 概述
[0008]在某些情况下，在加工过程例如发酵中生物量的存在促进低分子量糖转变成中间 产物或产物。本发明人已发现在具有低分子量糖、介质例如溶剂或溶剂系统和微生物的混 合物中包括生物量可W改善通过糖例如醇例如乙醇或下醇转变获得的中间产物或产物得 率和生产率。包括生物量还可W预防例如通过发酵的不完全、迟缓或"粘滞"产物转变。
[0009] 生物量自身可能不转变成产物（例如醇），或可W连同低分子量糖一起部分或完 全转变成产物。
[0010] 在其中生物量部分转变的情况下，相对于起始生物量的表面积和多孔性，生物量 的表面积和多孔性增加，运可W有利地增加低分子量糖至产物的转变速率。
[0011] 在某些情况下，生物量可W是已经糖化的纤维素或木质纤维素材料的残留部分， 例如在纤维素已转变成糖后留下的木质素和/或其他材料。
[0012] 在一个方面，本发明的特征在于运样的方法，其包括使用固定化在生物量材料例 如官能化的生物量纤维上的微生物和/或酶，将碳水化合物例如低分子量糖转变成产物。 "固定化"意指微生物和/或酶通过共价、氨、离子或等价连接和/或通过机械相互作用，例 如在微生物和生物量材料例如纤维的孔之间，直接或间接（例如通过化学接头）与纤维连 接。连接可W例如通过电极化生物量材料来产生。相互作用可W是永久、半永久或短暂的。 机械相互作用可W包括与生物量材料的孔或其他位点嵌套或粘住的微生物或酶。
[0013]某些实现包括一个或多个下述特征。
[0014]转变可W包括允许微生物将至少部分低分子量糖转换为醇例如乙醇或下醇，或转 变成控或氨。转变可W包括发酵。微生物可W包括酵母例如酿酒酵母（S.cerevisiae)和/ 或树干毕赤酵母化stipitis)，或细菌例如运动发酵单胞菌狂ymomonasmobilis)。该方 法可W进一步包括例如用电离福射例如使用粒子束照射生物量纤维。生物量纤维可W具有 大于0. 25mVg的邸Τ表面积和/或大于70%的多孔性。生物量纤维可w衍生自运样的生 物量材料，其具有内部纤维并且已剪切至其内部纤维基本上暴露的程度。
[0015]在另一个方面，本发明的特征在于包括具有极性官能团的生物量材料、具有互补 吸引性官能团的微生物和液体介质的混合物。
[0016] 在一个进一步的方面，本发明的特征在于包括具有官能团的生物量纤维、和具有 互补吸引性官能团的微生物的组合物，所述微生物固定化在生物量纤维上。
[0017] 本发明的特征还在于运样的方法，其包括使具有生物量、微生物和溶剂或溶剂系 统（例如水或水和有机溶剂的混合物）的混合物中的低分子量糖或包括低分子量糖的材料 转变为产物。溶剂或溶剂系统的例子包括水、己烧、十六烧、甘油、氯仿、甲苯、乙酸乙醋、石 油酸、液化石油气（LPG)、离子液体及其混合物。溶剂或溶剂系统可单相或2个或更多 个相的形式。生物量可W例如W纤维形式。
[0018] 在某些情况下，在产物的生产过程中具有生物量材料（例如，通过本文描述的任 何方法处理或未经处理的）的存在可W增强产物的生产率。不希望受任何具体理论束缚， 认为通过增加溶质的有效浓度且提供反应可W在其上发生的基质，具有固体存在例如高表 面积和/或高多孔性固体可W增加反应速率。
[0019] 在某些实施方案中，已照射、氧化、化学处理、机械处理、超声处理、蒸汽爆炸和/ 或热解的生物量材料可W加入低分子量糖发酵加工过程中，例如W增强发酵速率和输出。
[0020] 例如，经照射或未经照射的纤维素材料，例如纸纤维，可W加入发酵加工过程中， 例如在玉米-乙醇发酵或甘薦提取物发酵加工过程中，W使生产率增加至少10、15、20、30、 40、50、75、100%或更多，例如至少150%或甚至高达1000%。转变例如发酵可^显示出如 本文实施例中限定的至少140%，在某些情况下至少170%的性能百分比。
[0021] 生物量材料可W具有高表面积、高多孔性和/或低堆密度。在某些实施方案中，生 物量W约0. 5重量％ -约50重量％存在于混合物中，例如约1重量％ -约25重量％，或约 2重量％ -约12. 5重量％。在其他实施方案中，生物量W大于约0. 5重量％的量存在，例如 大于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、或甚至大于约10重量％。
[0022] 因为生物量材料其自身在转变加工过程期间不消耗，所W生物量材料可W在多次 分批加工过程中再使用，或可W连续使用用于生产相对大体积的产物。
[0023] 某些实现包括下述特征中的一种或多种。
[0024] 该方法可W包括在混合前例如用电离福射例如W至少5化ad的总用量照射纤维 生物量。照射可W使用粒子束执行。照射可W在选择为减少生物量的分子量的条件下进行。 照射可W使用福射的多重应用来执行。电离福射可W包括电子束福射。例如，福射可 约l(Mrad-约15(Mrad的总剂量，例如W约0. 5-约l(Mrad/天、或謹rad/s-约l(Mrad/s的剂量率应用。在某些实施方案中，照射包括应用2种或更多种福射源，例如丫射线和电 子束。
[00巧]在某些实施方案中，在生物量原料暴露于空气、氮、氧、氮或氣时，对生物量原料执 行照射。在某些实施方案中，预处理可W包括用蒸汽爆炸预处理生物量原料。
[0026] 在某些实施方案中，该方法包括机械处理生物量，例如通过剪切、石研磨、机械撕 开或撕裂、针研磨、湿或干磨、空气娠磨、切割、挤压、压缩或运些加工过程中的任何的组合， 减少生物量的单个小片的一个或多个维度。在某些情况下，在机械处理后，生物量包括具 有大于5/1的平均长度直径比的纤维。在某些实施方案中，所制备的生物量可W具有大于 0. 25mVg的BET表面积。机械处理的生物量可W具有小于约0. 5g/cm3例如小于0. 35g/cm3 的堆密度。
[0027] 在本文公开的方法的任何中，福射可W从在地下室（vault)中的装置应用。
[0028]除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技 术人员通常理解相同的含义。尽管下文描述了合适方法和材料，但与本文描述那些相似或 等价的方法与材料可W用于本发明的实践或测试。本文提及的所有出版物、专利申请、专利 和其他参考文献通过引用整体合并。在冲突的情况下，W本说明书包括定义为准。此外，材 料、方法和实施例仅是举例说明性的，并且不预期是限制性的。
[0029] 本发明的其他特征和优点由于下述详述和权利要求将是显而易见的。
[0030] 附图描述
[0031] 图1是举例说明生物量的处理和经处理的生物量在发酵加工过程中的用途的方 框图。
[0032]图2是与微生物相互作用的官能化的生物量的图示。
[0033] 图3是在旋转切割机上剪切的牛皮纸板纸的红外光谱。
[0034] 图4是在用lOCMrad的丫福射照射后图3的牛皮纸的红外光谱。
[0035] 图 5A-5I是实施例 13 中的样品P132、P132-10、P132-100、P-le、P-5e、P-lOe、 P-30e、P-70e和P-lOOe的iH-NMR光谱。图5J是来自图5A-5I在~16ppm下的可交换光子 的比较。图5K是样品P-lOOe的"C-NMR。图化-5M是具有10秒延迟时间的样品P-lOOe 的"C-NMR。图5N是在样品P-lOOe的10%wt. /wt.浓度下的iH-NMR。
[0036] 图6是实施例18中最高的4个生产者的葡萄糖浓度。
[0037] 图7A-C是实施例20中，关于运动发酵单胞菌的细胞浓度（图7A);关于运动发 酵单胞菌的乙醇浓度（图7B);和关于运动发酵单胞菌的生长％和乙醇生产（图7C)。
[0038] 图8A-C是实施例20中，关于树干毕赤酵母的细胞浓度（图8A);关于树干毕赤 酵母的乙醇浓度（图8B);和关于树干毕赤酵母的生长％和乙醇生产（图8C)。
[0039] 图9A-C是实施例20中，关于酿酒酵母的细胞浓度（图9A);关于酿酒酵母的乙 醇浓度（图9B);和关于酿酒酵母的生长％和乙醇生产（图9C)。
[0040] 详述
[0041] 具有所需功能性类型和量的官能化的生物量材料，例如簇酸基团、締醇基团、醒 基、酬基、腊基、硝基或亚硝基，可W使用本文描述的方法进行制备。此类官能化材料可W例 如在发酵加工过程期间促进低分子量糖转换成产物。
[0042] 牛物量类巧
[0043] 用于在本文描述的加工过程中使用的优选生物量材料包含可W用官能团进行官 能化的纤维，所述官能团与在转变糖中使用的试剂例如微生物例如酵母上的官能团是互补 的。
[0044] 纤维来源包括纤维素纤维来源，包括纸和纸制品（例如，聚涂层纸和牛皮纸），和 木质纤维素纤维来源，包括木材和木材相关材料，例如创花板。其他合适的纤维来源包括天 然纤维来源，例如草、稻壳、甘薦渣、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、柳枝稷、首 猜、干草、玉米轴、玉米杆、挪子毛；α-纤维素含量很高的纤维来源，例如棉花；和合成纤维 来源，例如拉出的丝（yarn)(取向丝或无取向丝）。天然或合成纤维来源可W得自未用过的 废弃纺织品材料例如碎布，或它们可W是消费后的废物例如破布。当纸制品用作纤维来源 时，它们可W是未用过的材料，例如废弃的未用过的材料，或它们可W是消费后的废物。除 未用过的原始材料外，消费后、工业（例如，废料）和加工废物（例如，来自纸加工的流出 物）也可W用作纤维来源。此外，纤维来源可W得自或衍生自人（例如，污水）、动物或植 物废物。另外的纤维来源已在美国专利号6, 448, 307、6, 258, 876、6, 207, 729、5, 973, 035和 5, 952, 105中得到描述。
[0045] 在某些实施方案中，生物量材料包括运样的碳水化合物，其是或包括具有一个或 多个β-1，4-连接且具有约3, 000-50, 000的数量平均分子量的材料。此类碳水化合物是 或包括纤维素（I)，其通过β(1，4)-糖巧键的缩合而衍生自（β-葡萄糖1)。运个连接使 其自身与关于淀粉和其他碳水化合物中存在的α(1，4)-糖巧键的那种形成对比。
[0046]
[0048] 淀粉质材料包括淀粉其自身例如玉米淀粉、小麦淀粉、马铃馨淀粉或米淀粉，淀粉 衍生物，或包括淀粉的材料例如可食用食物产物或农作物。例如，淀粉质材料可W是秘鲁胡 萝Κ养麦、香蕉、大麦、木馨、野葛、酢浆草、西米、高梁、常规普通马铃馨、甘馨、芋头、山药 或一种或多种豆例如蚕豆、小扁豆或魏豆。任何2种或更多种淀粉质材料的渗和物也是淀 粉质材料。
[0049] 在某些情况下，生物量是微生物材料。微生物来源包括但不限于任何天然存在或 遗传修饰的微生物或生物体，其包含或能够提供碳水化合物（例如，纤维素）的来源，例如 原生生物（例如动物原生生物（例如原生动物，例如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和抱子虫）和 植物原生生物（例如藻类，例如alveolates、chlorarachnic^^tes、隐藻、裸藻、灰绿藻、定 鞭藻、红藻、stramenopiles和viridaeplantae))。其他例子包括海藻、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、超微型浮游生物和超微微型浮 游生物）、浮游植物、细菌（例如革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和极端微生物）、酵母和/或 运些的混合物。在某些情况下，微生物生物量可W得自天然来源，例如海洋、湖泊、水体例如 盐水或淡水、或在陆地上。备选地或另外地，微生物生物量可W得自培养系统，例如大规模 干和湿培养系统。
[0050] 本文描述的任何生物量材料的渗和物可W用于制备本文描述的任何中间产物或 产物。例如，纤维素材料和淀粉质材料的渗和物可W用于制备本文描述的任何产物。
[00引]用于在发酵中化理牛物量巧伸用经化理的牛物量的系统
[0052] 图1显示用于处理生物量特别是纤维生物量，并且随后使用经处理的生物量W增 强发酵加工过程的系统100。系统100包括生物量原料在其中进行机械处理例如暴露原料 的内部纤维的模块102。机械处理的例子将在下文详细描述。系统100还包括经机械处理 的原料在其中例如通过照射进行官能化的模块104。在官能化后，官能化的纤维通过递送模 块108递送至发酵系统106。
[0053] 官能化的纤维随后存在于发酵过程中，并且通过提供基质增强发酵加工过程，所 述基质可W与发酵中使用的微生物例如酵母细胞相互作用。运种相互作用在图2中示意性 显示，所述图2描述了官能化的极性纤维10和具有互补极性官能团的酵母细胞12。由于纤 维和酵母细胞的极性，细胞可W变得固定化在一种或多种纤维上。酵母细胞（或其他微生 物）与纤维的连接可W通过氨键合或通过共价或离子键合。在某些情况下，纤维上的官能 团可W与微生物上的那些反应，形成共价键。起因于机械处理（例如在模块102中）的生 物量材料增加的表面积和多孔性提供了用于纤维和微生物的相互作用的更大表面积，并且 从而增强运种相互作用。固定化的细胞更高生产性，增加发酵加工过程的效率和得率，并且 阻止该过程变得过早"粘滞"。
[0054] 应当指出如果混合在发酵过程中执行，那么混合是优选相对溫和的（低剪切），W 便使微生物和纤维之间的相互作用的破坏降到最低。在某些实施方案中，使用喷射混合，如 其完整公开内容通过引用合并入本文的USSN61/218, 832和USSN61/179,995中描述的。 [00巧]再次参考图1，发酵产生粗乙醇混合物，运流动到容纳槽110内。水或其他溶剂 和其他非乙醇组分使用反萃取柱112从粗乙醇混合物中剥离，并且乙醇随后使用蒸馈单元 114例如精馈器进行蒸馈。最后，乙醇可W使用分子筛116进行干燥，需要时进行变性，并且 输出至所需运送方法。
[0056] 在某些情况下，本文描述的系统或其组分可W是手提式的，从而使得该系统可W 从一个位置转运（例如通过轨道、货车或海洋船只）到另一个。本文描述的方法步骤可W 在一个或多个位置执行，并且在某些情况下，一个或多个步骤可W在运输中执行。此类移动 加工在美国序列号12/374, 549和国际申请号W0 2008/011598中描述，其完整公开内容通 过引用合并入本文。
[0057] 本文描述的任何或所有方法步骤可W在环境溫度下执行。需要时，冷却和/或加 热可W在某些步骤过程中采用。例如，原料可W在机械处理过程中冷却，W增加其脆性。在 某些实施方案中，冷却在最初机械处理和/或后续机械处理之前、过程中或之后采用。冷却 可W如12/502,629中所述执行，其完全公开内容通过引用合并入本文。此外，可W控制发 酵系统106中的溫度W增强发酵。
[0058] 物理化理
[0059] 可W用于改变生物量材料的形态和/或官能化材料的物理处理过程可W包括本 文描述的那些中的任何一种或多种，例如机械处理、化学处理、照射、超声处理、氧化、热解 或蒸汽爆炸。处理方法可运些技术中的2、3、4种或甚至所有的组合使用任何次 序）。当使用超过一种处理方法时，方法可W同时或不同时应用。还可W使用官能化生物量 原料和/或改变其形态的其他过程，单独或与本文公开的过程组合。
[0060] 机械处理
[0061] 在某些情况下，方法可W包括机械处理生物量原料。机械处理包括例如切割、研 磨、压制、磨碎、剪切和刹碎。研磨可W包括例如球磨、键磨、转子/定子干或湿磨、或其他类 型的研磨。其他机械处理包括例如石研磨、裂化、机械撕开或撕裂、针研磨或空气娠磨。
[0062] 机械处理对于"打开"、"压紧"、破坏和破碎纤维素或木质纤维素材料可W是有利 的，使得材料的纤维素对断链和/或结晶度减少更敏感。当被照射时，开放材料也可W对氧 化更敏感。
[0063] 在某些情况下，机械处理可W包括如接受的原料的最初制备，例如材料的粉碎，例 如通过切割、磨碎、剪切、磨粉或刹碎。例如，在某些情况下，松散原料（例如再循环纸、淀 粉质材料或柳枝稷）通过剪切或切碎进行制备。
[0064] 可替代地或另外地，原料材料可W通过一种或多种其他物理处理方法首先进行物 理处理，所述物理处理方法例如化学处理、福射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸，并且随 后进行机械处理。运个顺序可W是有利的，因为通过一种或多种其他处理例如照射或热解 处理的材料趋于更易碎，并且因此更易于通过机械处理进一步改变材料的分子结构。
[0065] 在某些实施方案中，生物量材料是纤维的，并且机械处理包括剪切W暴露纤维材 料的纤维。剪切可W例如使用旋转切割机执行。机械处理生物量的其他方法包括例如研磨 或磨碎。研磨可W使用例如下述来执行：键磨机、球磨机、胶体磨、圆锥形或锥形磨、盘磨机、 娠碎机、维利磨粉机（Wileymill)或磨粉机。磨碎可W使用例如石研磨机、针研磨机、咖啡 磨机或磨盘式磨机化urrgrinder)执行。磨碎可W例如通过往复式运动的针或其他元件 来提供，如在针磨机的情况下。其他机械处理方法包括机械撕开或撕裂、对材料施加压力的 其他方法、和空气研磨。合适的机械处理进一步包括改变生物量材料的分子结构或形态的 其他技术。
[0066] 需要时，经机械处理的材料可W经过例如具有1. 59mm或更少（1/16英寸，0. 0625 英寸）的平均开口尺寸的筛子。在某些实施方案中，同时执行剪切或其他机械处理和筛选。 例如，旋转切割机可W用于同时剪切和筛选生物量材料。生物量在固定叶片和旋转叶片之 间进行剪切，W提供经过筛子且捕获在箱中的剪切材料。
[0067]生物量材料可干燥状态（例如在其表面上具有很少的游离水或无游离水）、水合状态（例如，具有高至10重量％的吸收水）、或湿润状态例如具有约10重量％ -约75 重量％的水进行机械处理。生物量材料甚至可W在部分或全部没入液体下时进行机械处 理，所述液体例如水、乙醇、异丙醇。生物量材料还可W在气体（例如除空气外的气体流或 气氛）例如氧或氮或蒸汽中进行机械处理。
[0068] 机械处理系统可W经配置W产生具有特定形态特征的流，例如表面积、多孔性、堆 密度，并且在纤维原料的情况下，纤维特征例如长宽比。
[0069] 在某些实施方案中，经机械处理的材料的邸Τ表面积大于0.Im7g，例如大于 0. 25m2/邑、；^ f 0. 5m2/邑、；^ f 1. 0m2/邑、；^ f 1. 5m2/邑、；^ f 1. 75m2/邑、；^ f 5. 0m2/邑、；^ f 10m2/g、大于 25m2/g、大于 35m2/g、大于 50m2/g、大于 60m2/g、大于 75m2/g、大于 100m2/g、大于 150m2/g、大于 200m2/g、或甚至大于 250m2/g。
[0070] 经机械处理的材料的多孔性可W是例如大于20 %、大于25%、大于35%、大于 50%、大于60%、大于70%、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%。
[0071] 在某些实施方案中，在机械处理后，材料具有小于0. 25g/cm3的堆密度，例如 0. 20g/cm3、0. 15g/cm3、0. 10g/cm3、0. 05g/cm3或更少，例如 0. 025g/cm3。堆密度使用ASTM D1895B进行测定。简言之，该方法设及用样品填充已知体积的量筒，并且获得样品的重量。 通过用W克表示的样品重量除立方公分表示的圆筒的已知体积来计算堆密度。
[0072] 如果原料是纤维材料，那么经机械处理的材料的纤维可W具有相对大的平均长度 直径比（例如大于20比1)，即使它们已剪切超过一次。此外，本文描述的纤维材料的纤维 可W具有相对窄的长度和/或长度直径比分布。
[0073] 如本文使用的，平均纤维宽度（例如直径）是通过随机选择约5, 000根纤维在光 学上测定的那些。平均纤维长度是校正长度-加权长度。邸T度runauer，Emmet和Teller) 表面积是多点表面积，并且多孔性是通过水银孔率法测定的那些。
[0074] 如果生物量是纤维材料，那么经机械处理的材料的纤维的平均长度直径比可W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。经机械处理的材 料的平均纤维长度可W是例如约0. 5mm-2. 5mm、例如约0. 75mm-l. 0mm，并且第二种纤维材 料14的平均宽度（例如直径）可W是例如约5μm-50μm，例如约10μm-30μm。
[00巧]在某些实施方案中，如果原料是纤维材料，那么经机械处理的材料的纤维长度的 标准差可W小于经机械处理的材料的平均纤维长度的60%，例如小于平均长度的50%、小 于平均长度的40%、小于