专利名称：加工生物量的制作方法
技术领域：
本发明涉及加工生物量和由此制备的产物。背景例如以纤维形式的各种碳水化合物，例如纤维素和木质纤维素材料在许多应用中大量产生、加工且使用。通常此类材料使用一次，并且随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘蔗渣、锯屑和秸秆。各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 ；以及各种专利申请中描述，所述专利申请包括于2006年3月23日提交的“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES”、PCT/US2006/010648、和 “FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES” 美国专利申请公开号2007/004M56。概述一般地，本文涉及含碳材料例如含碳水化合物材料(例如淀粉质材料和/或纤维素或木质纤维素材料)，制备且加工此类材料以改变其结构和/或其不顺应水平的方法，和由改变的材料制备的产物。例如，本文描述的许多方法可以提供相对于天然材料，具有低顺应性水平、低分子量、不同水平的官能化和/或结晶度的纤维素和/或木质纤维素材料。许多方法提供了可以由多种微生物例如一种或多种同型产乙酸菌(homoacetogens)或异型产乙酸菌(heteroacetogens)(连同或不连同酶促水解辅助)更容易地利用的材料，以产生有用产物例如氢、醇(例如乙醇或丁醇)、有机酸(例如，乙酸和/或乳酸)、烃、共同产物 (例如蛋白质，例如单细胞蛋白质)和这些中的任何的混合物。所获得的产物中的许多例如乙醇或正丁醇可以直接用作燃料或作为与其他组分例如汽油的掺和物利用，用于给小汽车、货车、牵引机、船只或列车提供动力，例如作为内部燃料材料或作为燃料电池原料。本文描述的其他产物(例如有机酸，例如乙酸和/或乳酸) 可以转换为其他部分(例如酯或酐)，其可以转换且用作燃料。所获得的产物中的许多还可以用于给飞行器例如具有喷气发动机的例如飞机或者直升机提供动力。此外，本文描述的产物可以用于电力产生，例如在常规蒸汽发电厂或燃料电池工厂中。通过采用本文描述的方法可以产生的示例性产物包括烃，蛋白质，醇(例如一元醇或二元醇)，例如乙醇、正丙醇或正丁醇，羧酸例如乙酸或丁酸，羧酸的盐，羧酸与羧酸的盐和羧酸的酯(例如，甲、乙和正丁酯)的混合物，酮，醛，α、β不饱和酸例如丙烯酸和烯烃例如乙烯。特定例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1，4- 丁二醇、1，3-丙二醇、这些醇中的任何的甲或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟基丙酸， 任何酸的盐和任何酸与分别盐的混合物。在一个方面，本发明的特征在于制备醇、羧酸、羧酸的盐、羧酸的酯或这些中的任何的混合物的方法。该方法包括用本文描述的任何处理方法来处理含碳材料，例如生物量材料或煤，例如用辐射、超声处理、热解、氧化和蒸汽爆炸中的一种或多种；并且利用微生物学转换至少部分经处理的含碳材料，以产生包括醇、羧酸、羧酸的盐、羧酸酯或这些中的任何的混合物中的一种或多种的产物。该方法可以进一步包括酸化、酯化和/或氢化产物。例如，能够利用来自热化学转换过程的合成气的产乙酸菌或同型产乙酸菌可以用于增强转换的效率。在另一个方面，本发明的特征在于制备一种或多种醇的方法，其包括用辐射、超声处理、热解、氧化和蒸汽爆炸中的一种或多种处理含碳材料，例如生物量材料和/或煤；利用微生物学转换至少部分经处理的含碳材料，例如能够利用来自煤或生物量的热化学转换的合成气的一种或多种产乙酸菌或同型产乙酸菌，以产生包括羧酸、羧酸的盐、羧酸酯或这些中的任何的混合物的产物；并且使产物氢化以产生醇。可以捕获在本文描述的任何过程中生成的二氧化碳和/或释放的木质素。例如通过将捕获的二氧化碳注入能够维持二氧化碳例如超过100年，例如超过250年、500年、1000 年或超过10，000年时间段的地质建造内，可以隔离(sequester)任何捕获的二氧化碳。例如通过利用本文描述的任何微生物固定二氧化碳，例如可以隔离在本文描述的任何过程中产生的任何二氧化碳。例如，微生物可以包括藻类，并且二氧化碳可以以碳水化合物和/或脂质的形式隔离。需要时，例如为了产生生物柴油，脂质可以转换成酯，例如甲、乙或丙酯。如本文使用的，改变材料的分子结构意指改变结构的化学键合排列或构象。例如， 分子结构中的改变可以包括改变材料的超分子结构、材料的氧化、改变平均分子量、改变平均结晶度、改变表面积、改变聚合度、改变多孔性、改变支化度、移植在其他材料上、改变结晶结构域尺寸、或改变总体结构域大小。本文提及或与之附着的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体合并用于它们包含的所有那种。附图简述
图1是举例说明用于减少不顺应材料的不顺应的过程的示意图。图IA是举例说明衍生自生物量的糖转换成乙醇的示意图。图IB是举例说明衍生自生物量的糖转换成有机酸的示意图。图2是举例说明用于制备乙醇的过程的示意图。图3是举例说明用于制备乙醇的另一个过程的示意图。图4是举例说明用于制备乙醇的另一个过程的示意图。图5是举例说明用于制备乙醇的另一个过程的示意图。图6是举例说明用于制备乙醇的另一个过程的示意图。图7是举例说明在用于制备乙醇的过程中利用生物学转换残渣的示意图。图7A是举例说明乙酸钙和乙醇转换为乙酸乙酯的示意图。图8是举例说明丙二醇生产的示意图。图9是举例说明各种地质建造中的碳捕获的略图。图10是举例说明碳水化合物和脂质的光合作用的略图。图11是举例说明生物柴油生产的略图。图12是利用藻类的燃料生产过程的略图，而图12A是区域12的放大图。详述含碳材料例如生物量(例如煤、植物生物量、动物生物量和城市废物生物量)可以加工至较低水平的不顺应(需要时)，并且转换成有用产物，例如有机酸、有机酸的盐、
5酐、有机酸的酯、和燃料例如用于内燃机的燃料或用于燃料电池的原料。本文描述了利用容易丰富但通常难以加工的材料的系统和过程，所述材料例如前煤(pre-coal)或煤，例如泥煤、褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤，油砂，油页岩或纤维素或木质纤维素材料。本文描述的许多过程可以有效降低任何含碳材料的不顺应水平，例如本文描述的任何含碳材料，使得其更易于加工，例如通过生物加工(例如用本文描述的任何微生物，例如同型产乙酸菌或异型产乙酸菌，和/或本文描述的任何酶)、热加工(例如气化、裂化或热解)或化学方法(例如酸水解或氧化)。一般地，需要时，材料可以进行物理处理用于加工和/或在通常通过粉碎加工后进行物理处理。物理上加工的原料可以使用本文描述的任何方法中的一种或多种进行处理或加工，所述方法例如辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆炸。各种处理系统和方法可以以本文或其他地方所述的这些技术或其他中的2种、3种或甚至4种的组合使用。在某些情况下，为了提供包括碳水化合物例如纤维素或半纤维素的材料，其可以通过微生物学转换为许多希望产物，例如易燃燃料(例如乙醇、丁醇或氢)、有机酸或酐、包括可以通过本文描述的任何一个或多个加工过程进行处理的一个或多个糖单位的原料。可以产生的其他产物和共同产物包括例如人食物、动物饲料、药物和营养制品。当首先制备有机酸时，此类酸可以转换为其他中间产物(例如酯和酐)，并且随后通过氢化例如高压氢化转换为醇，例如在约25巴-700巴，例如50-500巴或100-400巴的压力下，在催化剂的存在下，所述催化剂例如亚铬酸铜催化剂、钴催化剂、锌催化剂或钯催化剂。酯的氢化在Wall， R.G.，美国专利号4，113,662中讨论。在某些情况下(例如就碳利用效率而言)，制备有机酸可以具有相对于直接制备醇的利益，如本文将进一步描述的。在某些实施方案中，能够利用来自热化学转换过程的合成气的产乙酸菌或同型产乙酸菌可以用于增强转换的效率。参考图1，在某些情况下并且当需要时，例如通过用粒子例如电子束处理，加工具有第一个不顺应水平的第一种材料例如木质纤维素材料，以产生具有低于第一个不顺应水平的第二个不顺应水平的第二种材料。在这个点时和需要时，第二种材料可以例如使用酶进行水解为其组成成分糖，例如葡萄糖、木糖和阿拉伯糖。现在综合参考图IA和1B， 糖可以通过微生物直接转换成醇，所述微生物例如一种或多种细菌或酵母，例如酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)和/或树干毕赤酵母(Pichia stipitis)，或糖可以转换为有机酸例如乙酸和/或乳酸。需要时，有机酸可以转换为酯，并且随后酯在氢的高压下和在催化剂的存在下氢化以释放醇。生物量的例子一般地，其是或包括碳水化合物的任何生物量材料可以通过本文描述的方法中的任何进行加工，例如加工以减少其不顺应水平，所述碳水化合物完全由一个或多个糖单位组成或包括一个或多个糖单位。例如，生物量材料可以包括一种或多种纤维素或木质纤维素材料，或淀粉质材料，例如玉米的仁、稻的谷粒或其他食物。例如，此类材料可以包括纸、纸制品、木材、木材相关材料、刨花板、草、稻壳、甘蔗
渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛、藻类、海藻、棉花、合成纤维素或这些中的任何的混合物。例如，生物量在性质上可以是纤维性的。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， 例如刨花板。其他合适的纤维来源包括天然纤维来源，例如草、稻壳、甘蔗渣、棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米轴、稻壳、椰子毛；α -纤维素含量很高的纤维来源，例如棉花。纤维来源可以得自未用过的废弃纺织品材料例如碎布，消费后的废物例如破布。当纸制品用作纤维来源时，它们可以是未用过的材料，例如废弃的未用过的材料，或它们可以是消费后的废物。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)也可以用作纤维来源。此外，纤维来源可以得自或衍生自人 (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。在某些实施方案中，碳水化合物是或包括具有一个或多个β-1，4_键合且具有约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)-糖苷键的缩合而衍生自(β-葡萄糖1)。这个键合使其自身与关于淀粉和其他碳水化合物中存在的α (1，4)_糖苷键的那种形成对比。
权利要求
1.制备醇、羧酸、羧酸的盐、羧酸的酯或这些中的任何的混合物的方法，所述方法包括用辐射、超声处理、热解、氧化和蒸汽爆炸中的一种或多种来处理含碳材料；和利用微生物学转换至少部分所述经处理的含碳材料，以产生包括醇、羧酸、羧酸的盐、 羧酸的酯或这些中的任何的混合物中的一种或多种的产物。
2.权利要求1的方法，其中在转换过程中，将合成气递送给所述微生物。
3.权利要求2的方法，其中所述合成气选自甲醇、氢、一氧化碳、二氧化碳及其混合物。
4.权利要求2的方法，其中所述合成气包括甲醇。
5.权利要求2的方法，其中所述合成气包括一氧化碳。
6.权利要求2的方法，其中所述合成气包括一氧化碳和氢的混合物。
7.权利要求2-6中任一项的方法，其中所述合成气通过使煤和/或生物量气化产生。
8.上述权利要求中任一项的方法，其中所述方法进一步包括使所述产物氢化或使所述产物暴露于一种或多种还原剂例如一氧化碳。
9.权利要求8的方法，其中使所述产物氢化包括在超过约25巴的压力下在催化剂的存在下，使所述产物暴露于氢。
10.权利要求9的方法，其中所述氢通过使煤和/或生物量气化由合成气产生。
11.上述权利要求中任一项的方法，其中所述转换包括使所述经处理的材料与酶接触。
12.制备醇的方法，所述方法包括用辐射、超声处理、热解、氧化和蒸汽爆炸中的一种或多种处理含碳材料； 利用微生物学转换至少部分所述经处理的含碳材料，以产生包括羧酸、羧酸的盐、羧酸酯或这些中的任何的混合物的产物；和使所述产物氢化以产生醇。
13.权利要求12的方法，其中所述羧酸包括乙酸。
14.权利要求12的方法，其中所述羧酸酯包括乙酸乙酯。
15.权利要求12-14中任一项的方法，其中所述微生物包括同型产乙酸菌或异型产乙酸菌。
16.制备醇、羧酸、羧酸的盐、羧酸的酯或这些中的任何的混合物的方法，所述方法包括用辐射、超声处理、热解、氧化和蒸汽爆炸中的一种或多种来处理含碳材料； 利用微生物学转换至少部分所述经处理的含碳材料，以产生包括醇、羧酸、羧酸的盐、 羧酸酯或这些中的任何的混合物中的一种或多种的产物；和捕获生成的任何二氧化碳和/或释放的任何木质素。
17.权利要求16的方法，其中二氧化碳被捕获，并且所述方法进一步包括隔离所述捕获的二氧化碳。
18.权利要求17的方法，其中隔离二氧化碳包括将捕获的二氧化碳注入能够在原地维持二氧化碳的地质建造内。
19.权利要求17的方法，其中隔离二氧化碳包括利用微生物固定二氧化碳。
20.权利要求19的方法，其中所述微生物以碳水化合物和/或脂质的形式固定所述二氧化碳。
21.权利要求19的方法，其中所述微生物以脂质的形式固定所述二氧化碳，所述方法进一步包括将所述脂质转换为酯。
全文摘要
加工含碳材料例如生物量(例如，植物生物量、动物生物量和城市废物生物量)或煤以产生有用产物，例如燃料、羧酸及其等价物(例如酯和盐)。例如，描述了系统，其可以使用原料材料例如纤维素和/或木质纤维素材料和/或淀粉质材料，以产生乙醇、丁醇或有机酸(例如乙酸或乳酸)、有机酸的盐或其混合物。需要时，有机酸可以转换成醇，例如通过将酸、盐或酸及其盐的混合物首先转换为酯，并且随后氢化所形成的酯。能够利用来自煤或生物量的热化学转换的合成气的产乙酸菌或同型产乙酸菌可以用于产生所需产物。
文档编号C10L3/10GK102292446SQ201080005392
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月8日 优先权日2009年1月26日
发明者M·米多夫, T·马斯特曼 申请人:希乐克公司