加工生物質的制作方法
【專利說明】加工生物質
[00011 本申請為國際申請號為PCT/US2011/037322,國際申請日為2011年5月20日，發明 名稱為"加工生物質"的PCT申請于20 12年10月16日進入中國國家階段后申請號為 201180018963.9的中國國家階段專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請
[0003] 本申請要求2010年5月24日提交的美國臨時申請序列No. 61/347,692的優先權。該 臨時申請的完整公開內容在此通過引用方式并入本文。
[0004] 背景
[0005] 纖維素和木質纖維素材料在眾多應用中以巨大的量產生、加工和使用。這類材料 經常使用一次，并且隨后作為廢物丟棄，或者簡單地被認為是廢料，例如，污水、甘蔗渣、鋸 肩和秸桿。
[0006] 各種纖維素和木質纖維素材料、其用途和應用已經在美國專利N〇.7,074,918、6， 448，307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105以及許多專利申請中描述，包括 2006年3月23 日提交的PCT/US2006/010648"FIBR0US MATERIALS AND C0MP0SITES(纖維材 料和復合物）"和美國專利申請公開No. 2007/00454564 "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES(纖維材料和復合物)"。
[0007] 概述
[0008] 通常，本發明涉及含有碳水化合物的材料(例如，生物質材料或生物質衍生材料）、 加工這類材料以改變其結構的方法和由結構改變的材料產生的中間體和產品。這些方法中 許多提供可以由多種微生物更輕易地使用以產生有用中間體和產品（例如，能量、燃料如乙 醇、食品或材料)的材料。
[0009] 本文所述的方法利用單獨的或與淡水組合的咸水和/或含有其他雜質、混雜物或 污染物的水，從而減少或消除供應新鮮、未摻雜的水的需要。
[0010] 在一個方面，本發明特征在于一種方法，其包括使用作為咸水和/或摻雜的水源以 將纖維素或木質纖維素原料轉化成中間體或產品。
[0011] -些實施方式包括一個或多個以下特征。原料可以進行處理以降低其抗降解性。 例如，在一些情況下，原料已經用選自機械處理法、輻射法、超聲波處理法、熱解法、氧化法、 蒸汽閃爆法、化學處理法及其組合的物理處理法處理。在一些情況下，原料已經用選自切 害J、碾磨、研磨、擠壓、剪切和切碎的機械處理法處理。
[0012] 將所述原料轉化成中間體或產品可以包括使所述原料與微生物在水溶液中接觸。 微生物可以適應于在咸水或摻雜的水中發揮作用。例如，微生物可以是海洋微生物或工程 化微生物。
[0013] 該方法可以進一步包括處理水源以降低其鹽度或雜質并且在所述水溶液中使用 處理過的水。水源可以包括例如海水或微咸水。額外地或可選地，水源可以包括廢水、灰水、 收集的雨水、微生物摻雜的淡水補給，或任何這些水的混合物或任何這些水與淡水的混合 物。
[0014]生物質原料可以例如選自紙、紙產品、木材、木材相關材料、草類、稻殼、甘蔗渣、棉 花、黃麻、大麻、亞麻、竹、劍麻、蕉麻、稻草、玉米芯、椰毛、藻類、海草、微生物材料、合成纖維 素及其混合物。
[0015] "結構修飾"生物質原料，如這個短語在本文中使用那樣，意指以任何方式改變原 料的分子結構，包括原料的化學鍵合排列、晶體結構或構象。這種改變可以是例如晶體結構 完整性的變化，例如，通過使得在該結構內部發生微斷裂，這可能不能由材料的結晶度的衍 射測量值反映。可以通過在不同水平的結構修飾處理時測量產物的產率，間接地度量材料 的結構完整性的這類變化。此外或可選地，分子結構的變化可以包括改變材料的超分子結 構、材料的氧化、改變平均分子量、改變平均結晶度、改變表面積、改變聚合度、改變孔隙度、 改變支化程度、在其他材料上接枝、改變晶域（crystalline domain)尺寸或改變總晶域 (overall domain)尺寸。
[0016] 除非另外限定，否則本文中所用的全部技術與科學術語具有如本發明所屬領域的 普通技術人員通常理解的相同含義。盡管與本文所述的那些方法和材料相似或等同的方法 和材料可以用于實施或檢驗本發明，然而以下描述合適的方法和材料。本文所提及的所有 出版物、專利申請、專利和其他參考文獻通過引用方式完整地并入。在矛盾的情況下，本說 明書(包括定義)將居主導。此外，所述材料、方法和例子僅是說明性的并且不意在是限制性 的。
[0017] 本發明的其他特征和優點將從以下詳細描述并且從權利要求書中顯而易見。
[0018] 附圖簡述
[0019] 圖1是說明將生物質轉化成產品和副產物的框圖。
[0020] 圖2是說明生物質的處理和處理過的生物質在發酵方法中用途的框圖。
[0021] 詳述
[0022] 使用本文所述的方法，可以加工生物質（例如，植物生物質、動物生物質和城市廢 棄生物質）以產生有用的中間體和產品，如本文所述的那些。本文中描述了可以使用輕易可 獲得但可能難以通過諸如發酵的方法進行加工的纖維素和/或木質纖維素材料作為原材料 的系統和方法。本文所述的多種方法可以有效地降低原料的抗降解性水平，使得它更易于 加工，如通過生物加工法（例如，采用本文所述的任何微生物，如同型產乙酸菌 (homoacetogen)或異型產乙酸菌（heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶）、熱加工法 (例如，氣化或熱解)或化學方法(例如，酸水解或氧化）。生物質原料可以使用本文所述的任 何方法中的一種或多種(如機械處理法、化學處理法、輻射法、超聲波處理法、氧化法、熱解 法或蒸汽閃爆法)進行處理或加工。多種處理系統和方法可以在這些技術或本文和其他地 方所述的其他技術中的兩種、三種或甚至四種或更多種技術組合的情況下使用。
[0023] 本文所述的方法允許使用含有鹽和/或其他雜質的水，由纖維素和/或木質纖維素 材料制備有用的中間體和產品。例如，本文所述的方法可以利用咸水，例如，含有〇 . 5ppt至 50ppt (份數/千)鹽(NaCl)的水。咸水包括一般含有30-50ppt鹽的海水和一般含有0.5ppt至 30ppt鹽的微咸水。
[0024] 本文所述的方法也可以使用淡水或咸水，所述淡水或咸水是被或可能被其他物質 (例如，化學品、重金屬或微生物雜質)摻雜。例如，這些方法可以利用廢水、灰水、或摻雜或 污染的地下水或地表水、收集的雨水或這些水源彼此任意組合或與新鮮、未摻雜的水或處 理過的水任意組合。這些類型的水的任一種可以按照處理過的、部分處理過的或未處理的 形式使用。這些類型的水的任一種可以例如按照摻雜的水對新鮮水或處理過的水的任何所 需比率例如約1:1、1:2至2:1、1:5至5:1、1:10至 10:1、1:20至 20:1、1:50至50:1或 1:100至 100:1與新鮮水或處理過的水摻合。
[0025] 用于處理生物質的系統
[0026]圖1顯示用于將生物質、尤其具有明顯纖維素和木質纖維素組分的生物質轉化成 有用的中間體和產品的方法10。方法1 〇包括初步機械處理原料（12 )，例如以便縮減原料110 的尺寸。機械處理過的原料隨后用修飾其結構的物理處理法（14)處理，例如通過削弱或微 斷裂材料晶體結構中的鍵。接著，在一些情況下，結構修飾的材料可以經歷進一步的機械處 理（16)。這種機械處理可以與初步機械處理相同或與之不同。例如，初步處理可以是尺寸縮 減(例如，切割)步驟，隨后是剪切步驟，而進一步處理可為研磨或碾磨步驟。
[0027]如果在進一步加工之前需要進一步的結構改變(例如，抗降解性的降低），材料可 以隨后經歷進一步結構修飾處理和機械處理。
[0028]接下來，處理過的材料可以用主加工步驟18(例如，糖化和/或發酵)加工，以產生 中間體和產品（例如，能量、燃料、食品和材料）。在一些情況下，主加工步驟的輸出物是直接 有用的，但是，在其他情況下，需要由后加工步驟(20)所提供的進一步加工。例如，在醇的情 況下，后加工可以包括蒸餾并且在一些情況下包括變性。應當指出水在本文所述的方法中 以幾種方式使用。首先，使用水作為介質，例如，在糖化和發酵期間。在許多情況下，以這種 方式使用的大部分水可以例如通過收集在蒸餾或其他后加工期間移除的水而回收利用。第 二，水由制造設備使用，例如，用于冷卻塔和鍋爐系統中。待用于制造設備中的水可以是摻 雜的水和/或咸水，前提是所用的設備設計成耐受所用的水類型，例如如果待使用咸水，則 被設計為耐腐蝕的。
[0029] 在一些情況下，處理作為加工介質和/或作為冷卻用水或鍋爐用水在本文所述方 法中使用的水以除去水中的一些或全部雜質。
[0030] 例如，在咸水的情況下，水可以部分地或完全脫鹽，以減少或除去鹽含量，和/或可 以經處理以除去其他雜質如油、其他污染物和/或微生物雜質。
[0031] 脫鹽可以使用任何所需的方法進行。例如，脫鹽可以使用基于膜的技術(例如，電 滲析或反滲)或熱技術(如蒸餾，例如，多級閃蒸、多效蒸餾或蒸氣壓縮蒸餾)進行。
[0032] 當進行脫鹽時，可以回收咸水和/或鹽作為加工副產物。
[0033]可以對本文所述的任何水源進行殺菌，例如使用輻射(例如，UV、電子束）、熱、氧化 劑(漂白劑、臭氧）、瞬時巴氏殺菌法或其他殺菌技術。
[0034]如果需要，水或使用這種水產生的中間體或產品可以用抗生素處理。
[0035] 本文所述的任何水源也可以在本文所述的方法之前或在其期間使用生物修復法 處理。
[0036] 在一些情況下，可以回收雜質作為副產物。例如，可以從水中分離金屬、油或其他 化學品或化合物并且回收。
[0037]這些水處理方法或其他水處理方法中的任一種可以用來部分地或完全地除去或 滅活水中的雜質。例如，雜質的含量可以降低至小于10，000ppm、小于5，000ppm、小于1， OOOppm、小于500ppm或小于 lOOppm。
[0038]在一些情況下，以未處理的形式，如從來源中接收那樣使用水，例如，使用適應于 在未處理的水中發揮作用的微生物。
[0039] 圖2顯示系統100,其利用上文描述的步驟用于處理生物質并且隨后在發酵方法中 使用處理過的生物質以產生醇。系統100包括其中初步機械處理生物質原料(步驟12,上文） 的模塊102、其中機械處理過的原料例如通過輻照進行結構修飾(步驟14，上文）的模塊104 和其中結構修飾的原料經歷進一步機械處理(步驟16，上文）的模塊106。如上文討論，模塊 106可以是與模塊102相同的類型或是不同的類型。在一些實施方案中，可以將結構修飾的 原料返回模塊102用于進一步機械處理而不是在獨立的模塊106中進一步機械處理。
[0040] 在這些處理(它們可以按照需要重復多次以獲得所需原料性能）后，將處理過的原 料輸送至發酵系統108。可以在發酵期間進行混合，在這種情況下，混合優選地是相對溫和 的（低剪切力），從而使對剪切敏感成分如酶和其他微生物的損傷最小化。在一些實施方案 中，使用如USSN 6