[RU]

В данном документе предлагаются способы переработки материалов биомассы, которые находятся в одной или более структурах или носителях, например мешке, оболочке, сети, мембране, ячейке или любой их комбинации. Содержание материала подобным образом позволяет легко добавлять или удалять его в любой момент и в любой последовательности во время переработки.

(57) Реферат / Формула:

В данном документе предлагаются способы переработки материалов биомассы, которые находятся в одной или более структурах или носителях, например мешке, оболочке, сети, мембране, ячейке или любой их комбинации. Содержание материала подобным образом позволяет легко добавлять или удалять его в любой момент и в любой последовательности во время переработки.

---

Евразийское (21) 201892432 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2019.04.30
(22) Дата подачи заявки
2012.12.20
(51) Int. Cl.
C12P 7/10 (2006.01) C12P19/14 (2006.01) C12M1/00 (2006.01)
(54) ПЕРЕРАБОТКА БИОМАССЫ
(31) 61/579,550; 61/579,562
(32) 2011.12.22
(33) US
(62) 201490893; 2012.12.20
(71) Заявитель: КСИЛЕКО, ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Медофф Маршалл, Мастерман Томас, Линч Джеймс (US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Веселицкий М.Б., Кузенкова Н.В., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(57) В данном документе предлагаются способы переработки материалов биомассы, которые находятся в одной или более структурах или носителях, например мешке, оболочке, сети, мембране, ячейке или любой их комбинации. Содержание материала подобным образом позволяет легко добавлять или удалять его в любой момент и в любой последовательности во время переработки.
132449
ПЕРЕРАБОТКА БИОМАССЫ
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ 5 [0001] В данной заявке заявляется приоритет по предварительным заявкам на патенты США №№ 61/579550 и 61/579562, каждая из которых подана 22 декабря 2011 г. Полное описание вышеуказанных заявок включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
10 [0002] Данное изобретение относится к улучшениям при проведении микробиологических, биологических и биохимических реакций.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ [0003] Поскольку потребность в нефти возрастает, соответственно возрастаетзаинтересованность в возобновляемом сырье для производства биотоплива и
15 биохимических веществ. Применение лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для таких производственных процессов изучалось с 1970-х. Лигноцеллюлозная биомасса привлекательна тем, чтоона избыточна, возобновляема, является местным ресурсом и не находит применения в в пищевой промышленности. [0004] В настоящий момент доступны многие виды потенциального
20 лигноцеллюлозного сырья, в том числе, например, сельскохозяйственные остатки, древесная биомасса, муниципальные отходы, семена/жмыхи масличных культур и морские водоросли. В настоящее время эти материалы также используют в качестве корма для животных, биогумусых материалов, сжигают в когенерационной установке или закапывают на полигонах для захоронения отходов.
25 [0005] Лигноцеллюлозная биомасса является устойчивой к разрушению, поскольку стенки растительных клеток обладают жесткой и компактной структурой. Данная структура содержит фибриллы кристаллической целлюлозы, встроенные в гемицеллюлозную матрицу, окруженную лигнином. Такая компактная матрица труднодоступна для ферментов и других химических, биохимических и биологических
30 процессов. Целлюлозные материалы биомассы (например, материал биомассы, из которого, по сути, был удален весь лигнин) могут быть более доступными для ферментов и других процессов превращения, но, тем не менее, целлюлозные материалы естественного происхождения часто дают низкие выходы (относительно теоретического выхода) при контактировании с гидролизующими ферментами.
Лигноцеллюлозная биомасса еще более устойчива к воздействию ферментов. Более того, каждый вид лигноцеллюлозной биомассы характеризуется своим собственным конкретным составом целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.
[0006] Несмотря на то, что был испытан ряд способов для извлечения структурных 5 углеводов из лигноцеллюлозной биомассы, они являются или слишком дорогостоящими, дающими слишком низкий выход, оставляют нежелательные химические соединения в готовом продукте или просто разрушают сахара. [0007] Моносахариды из возобновляемых источников биомассы могли бы стать основой химической и топливной промышленностей за счет замены, дополнения или 10 замещения нефти и другого ископаемого сырья. Тем не менее, существует необходимость в разработке методов, которые дадут возможность сделать эти моносахариды доступными в больших количествах и с приемлемой чистотой и стоимостью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
15 [0008] В данном документе предлагаются способы получения продукта, включающие поддержание комбинации, состоящей из жидкой среды, структуры или носителя, а также целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы со сниженной устойчивостью к осахариванию, расположенной в пределах структуры или носителя, в условиях, обеспечивающих возможность прохождения молекул из и/или в структуру
20 или носитель.
[0010] В другом аспекте в данном документе предлагается способ получения продукта, включающий: обеспечение жидкой среды; обеспечение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы, причем целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса находится в пределах структуры или носителя и, причем структура или носитель
25 содержат одну или более пор, конфигурация которых обеспечивает возможность прохождения молекул; обеспечение добавки; объединение структуры или носителя и добавки в жидкой среде с получением комбинации; поддержание комбинации в условиях, обеспечивающих возможность прохождения молекул из и/или в структуру или носитель; а также поддержание комбинации в условиях, позволяющих добавке
30 превращать молекулы в один или более продуктов; как следствие,, получение продукта. [ООН] Кроме этого, в данном документе предлагаются способы получения фермента, которые включают: обеспечение жидкой среды; обеспечение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы; обеспечение микроорганизма, способного продуцировать фермент в присутствии целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы;
обеспечение структуры или носителя, причем структуры или носителя с одной или более порами, конфигурация которых обеспечивает возможность прохождения молекул; размещение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы в пределах структуры или носителя; объединение жидкой среды, структуры или носителя и 5 микроорганизма с получением комбинации; и поддержание комбинации в условиях, обеспечивающих возможность микроорганизму продуцировать фермент; как следствие, получение фермента.
[0012] Также в данном документе предлагается способ обеспечения микроорганизма субстанцией, который включает: обеспечение жидкой среды;
10 обеспечение микроорганизма; обеспечение субстанции; обеспечение структуры или носителя, причем структуры или носителя с одной или более порами, конфигурация которых обеспечивает возможность прохождения субстанции в и из структуры или носителя; либо: посредством размещения микроорганизма в пределах структуры или носителя с получением комбинации путем объединения жидкой среды и
15 микроорганизма в пределах структуры или носителя и субстанции, либо посредством размещения субстанции в пределах структуры или носителя с получением комбинации путем объединения жидкой среды, субстанции в пределах структуры или носителя, а также микроорганизма; и поддержание комбинации в условиях, обеспечивающих возможность субстанции проходить из или в структуру или носитель и вступать в
20 контакт с микроорганизмом; и тем самым, обеспечивая субстанцию микроорганизму. Такие способы могут также включать: обеспечение второй структуры или носителя; и размещение как микроорганизма, так и субстанции в отдельной структуре или носителе.
[0013] Также в данном документе предлагается система получения продукта, 25 содержащая: жидкую среду в контейнере; микроорганизм, способный продуцировать продукт; и структура или носитель, содержащий субстанцию, причем структура или носитель выполнены с возможностью высвобождения субстанции в жидкую среду. [0014] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса может быть размещена в пределах 30 структуры или носителя, при этом данные способы могут дополнительно включать: размещение добавки в пределах второй структуры или носителя; а структура или носитель, содержащие целлюлозную или лигноцеллюлозную биомассу, расположены в пределах второй структуры или носителя.
[0015] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах субстанция может представлять собой сахар, например, сахар может располагаться в пределах одной или более структур или носителей.
[0016] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах 5 производимый продукт может представлять собой молекулу, белок, сахар, топливо или их комбинации. Белок может представлять собой фермент.
[0017] Любые из предлагаемых в данном документе способов или систем могут дополнительно включать размещение микроорганизма в структуре или носителе. В альтернативном варианте целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, или добавка 10 могут располагаться в структуре или носителе. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, добавка или микроорганизм могут располагаться во второй структуре или носителе. Добавка может представлять собой микроорганизм, фермент, кислоту, основание или их комбинации.
[0018] В любых предлагаемых в данном докумение способах или системах 15 структура или носитель могут представлять собой мешок, оболочку, сеть, мембрану, ячейку или их комбинации. При этом структура или носитель включает мешок, который может быть образован из ячеистого материала, имеющего максимальный диаметр отверстия, составляющий менее чем 1 мм. В альтернативном варианте средний размер пор ячеистого материала может быть от около 10 мм до 1 нм. Причем структура 20 или носитель представляют собой мешок, изготовленный из биоразлагаемого полимера. Биоразлагаемый полимер может быть выбран из группы, состоящей из: полимолочной кислоты, полигидроксибутирата, полигидроксиалканоата, полигидроксибутират-валерата, поликапролактона, полигидроксибутират-гексаноата, полибутилен сукцината, полибутират сукцинат адипата, полиэфирамида, полибутилен 25 адипат-ко-терефталата, их смесей или их слоистых материалов. Мешок может быть изготовлен из крахмальной пленки.
[0019] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах комбинация может быть помещена в ферментационный сосуд с лопастной вращающейся мешалкой, и при этом она поддерживается в условиях, обеспечивающих 30 возможность открытия мешка посредством разрыва лопастной вращающейся мешалкой.
[0020] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах микроорганизм или микроорганизмы могут включать штамм Trichoderma reesei,
например, высокопродуктивный по выходу целлюлазы мутант Trichoderma reesei, например, штамм RUT-C30.
[0021] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах устойчивость целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно уменьшить по 5 сравнению с его естественным состоянием. Такая обработка по уменьшению устойчивости может представлять собой бомбардировку электронами, обработку ультразвуком, окисление, пиролиз, обработку паром, химическую обработку, механическую обработку, измельчение замораживанием или комбинации этих обработок. Предпочтительным способом обработки является бомбардировка 10 электронами.
[0022] В любых предлагаемых в данном документе способах или системах превращение может представлять собой осахаривание, а продукт может представлять собой сахарный раствор или суспензию. Способы могут дополнительно включать выделение сахара из сахарного раствора или суспензии. Выделенный сахар может
15 представлять собой ксилозу.
[0023] В любых предлагаемых в данном документе системах или способах целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса может представлять собой: бумагу, бумажные изделия, бумажные отходы, бумажную массу, пигментную бумагу, мелованную бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, журналы, печатную
20 продукцию, бумагу для печатающих устройств, бумагу с полимерным покрытием, открыточную бумагу, строительный картон, бумажный картон, хлопок, древесину, прессованную древесину, древесные отходы, опилки, древесину осины, древесную щепу, злаки, просо, мискантус, спартину, двукисточник тростниковидный, отходы зерновых, рисовую шелуху, овсяную шелуху, пшеничную шелуху, ячменную шелуху,
25 отходы сельскохозяйственного производства, силос, солому канолы, пшеничную солому, ячменную солому, овсяную солому, рисовую солому, джут, пеньку, льносолому, бамбук, сизаль, абаку, стержни кукурузных початков, кукурузную солому, соевую солому, кукурузные волокна, люцерну, сено, кокосовое волокно, остатки переработки сахара, жмых, свекловичную пульпу, жмых агавы, водоросли, морские
30 водоросли, навоз, сточные воды, попутные продукты переработки, сельскохозяйственные или промышленные отходы, арракачу, гречиху, банан, ячмень, маниок, пуэрарию, кислицу клубненосную, саго, сорго, картофель, сладкий картофель, колоказию съедобную, ямс, бобы, садовые бобы, чечевицу, горох или смесей любого из них. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал может включать стержни
кукурузных початков. Целлюлозную или лигноцеллю лозную биомассу можно измельчить, например, посредством сухого измельчения или посредством мокрого измельчения. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно обработать для уменьшения его объемной плотности или увеличения его площади поверхности. 5 Средний размер частиц целлюлозного или лигноцеллюлозного материала может быть менее чем около 1 мм, или средний размер частиц может быть от около 0,25 мм до 2,5 мм.
[0024] Следует понимать, что данное изобретение не ограничено вариантами реализации, раскрытыми в данном разделе "Сущность изобретения" и предназначено
10 для охвата модификаций, которые входят в сущность и объем данного изобретения, определяемых формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ [0025] Вышеизложенное будет очевидным из следующего более подробного описания типичных вариантов реализации данного изобретения, как
15 проиллюстрировано в сопровождающих графических материалах, на которых одинаковые условные обозначения относятся к одинаковым частям на всех различных изображениях. Графические материалы не обязательно представлены в масштабе, ввиду того, что они представлены с целью подчеркнуть значимость проиллюстрированных вариантов реализации настоящего изобретения.
20 [0026] На Фиг. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая ферментативный гидролиз целлюлозы в глюкозу. Целлюлозный субстрат (А) превращается с помощью эндоцеллюлазы (i) в целлюлозу (В), которая превращается с помощью экзоцеллюлазы (н) в целлобиозу (С), которая превращается в глюкозу (D) с помощью целлобиазы (бета-глюкозидазы) (Hi).
25 [0027] На Фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая преобразование сырья биомассы в один или более продуктов. Сырье подвергают предварительной механической обработке (например, для уменьшения его размера) (200), необязательно обрабатывают для уменьшения его устойчивости (210), осахаривают с образованием сахарного раствора (220), раствор транспортируют (230) до производственной
30 установки (например, по трубопроводу, железнодорожной цистерной) (или в случае, если осахаривание происходит в пути, транспортируют сырье, фермент и воду), подвергают осахариваемое сырье биопереработке для получения желаемого продукта (например, спирта) (240) и могут подвергнуть полученный продукт дополнительной переработке, например, посредством дистилляции для получения конечного продукта
(250). Обработка для уменьшения устойчивости может быть модифицирована посредством измерения содержания лигнина (201) и установки или регулировки параметров процесса (205). Осахаривание сырья (220) может быть модифицировано посредством смешивания сырья со средой и ферментом (221). 5 [0028] На Фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая обработку первой биомассы (300), добавление продуцирующего целлюлазу организма (310), добавление второй биомассы (320) и переработку полученных Сахаров с получением продуктов (например, спирта (спиртов), чистых Сахаров) (330). Первую обработанную биомассу можно необязательно разделить и добавить часть в виде второй биомассы (А).
10 [0029] На Фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая производство ферментов. Продуцирующий целлюлазу организм добавляют в среду для выращивания (400), добавляют (А) обработанную первую биомассу (405) с получением смеси (410), добавляют (420) вторую биомассу и перерабатывают полученные сахара с получением продуктов (например, спирта (спиртов), чистых Сахаров) (430). Также можно добавить
15 (В) части первой биомассы (405) ко второй биомассе (420).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ [0030] В данном документе предлагаются способы проведения биологических, микробиологических и биохимических реакций с применением одной или более структур или контейнеров, способных иметь поры или другие отверстия, или
20 способных к разложению. Данная структура может представлять собой мешок, сеть или ячейку, оболочку (например, жесткую или полужесткую оболочку), мембрану или комбинации этих структур (например, одна или более структур одного или более типов могут быть расположены в пределах структуры одного и того же или другого типа). Структуры могут содержать различные части или ингредиенты, задействованные в
25 биологических, микробиологических, и биохимических реакциях. Содержание материала подобным образом позволяет легко добавлять или удалять части или ингредиенты, например, биомассу, такую как обработанная биомасса, в любой момент и в любой последовательности во время таких реакций. Данное изобретение также позволяет упростить очистку продуктов (например, Сахаров или других продуктов
30 осахаривания или ферментации), и помочь поддерживать необходимый уровень метаболита, сахара или питательного вещества.
[0031] Например, данные структуры могут применяться, чтобы обеспечить доставку одного или более питательных веществ к микроорганизмам. Питательные вещества могут быть размещены в структуре, а структура может быть размещена в
жидкой среде, содержащей микроорганизмы. Питательные вещества высвобождаются из структуры в среду, становясь доступными для микроорганизмов. В альтернативном варианте микроорганизмы могут быть размещены в структуре, а структура размещена в жидкой среде, содержащей питательные вещества. 5 [0032] В предпочтительном варианте реализации изобретения структура может содержать биомассу, которая должна воздействовать на микроорганизмы или продукты микроорганизмов, такие как ферменты или сигнальные молекулы. Например, биомасса может быть размещена в структуре, которая в свою очередь размещена в жидкой среде с микроорганизмами. Субстанции из биомассы могут вымываться из структуры и 10 обеспечивать доступ микроорганизмам и ферментам, секретируемым микроорганизмами, и ферменты, продуцируемые микроорганизмами, могут мигрировать в структуры и воздействовать на биомассу.
[0033] В другом аспекте данное изобретение относится к получению ферментов с помощью микроорганизма в присутствии материала биомассы. Материал биомассы
15 действует в процессе производства ферментов как индуктор синтеза целлюлазы, производя целлюлазный комплекс, обладающий активностью, которая адаптирована к конкретному материалу биомассы, который в некоторых вариантах реализации представляет собой тот же материал, который подлежит осахариванию с помощью целлюлазного комплекса.
20 [0034] Данное изобретение также относится к способу, который включает приведение в контакт целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, расположенного в структуре или носителе, в среде, с добавкой с получением продукта. Добавкой, например, может являться микроорганизм, фермент, кислота, основание или смеси любого из них. Добавки можно добавлять в любом порядке. Продукт может
25 представлять собой, например, молекулу, белок, сахар, топливо или смеси любого из них. Продукты могут быть получены в любом порядке. Например, сначала может быть получен белок, а затем сахар и, в последнюю очередь - топливо. Необязательно, белок может представлять собой фермент.
[0035] Миграция субстанций в и из структуры может быть выполнена различным 30 образом. Структура может со временем медленно разрушаться в среде, структура может быть выполнена из пористого материала, который высвобождает питательные вещества в среду, структура может быть выполнена из материала, который потребляют микроорганизмы, структура может быть выполнена из материала, который может открываться посредством разрыва лопастной вращающейся мешалкой на дне
ферментационного сосуда или структура может быть выполнена из материала, который набухает и лопается в среде.
[0036] В варианте реализации процесса, описанного в данном документе, биомасса может быть расположена возле, на поверхности или помещена в структуру или 5 носитель. Биомасса может быть обработана до или после помещения в структуру или носитель. Добавки, питательные вещества и продукты также могут быть расположены в структуре или носителе с биомассой или без нее. Например, биомасса с антибиотиком, микробом, ферментом и сахаром может быть расположена в структуре и может быть объединена в любом количестве и в любой последовательности во время 10 процесса.
[0037] Необязательно биомасса может находиться вне структуры или носителя. Например, микроорганизм может быть расположен возле, внутри (то есть, встроен в структуру или носитель) или на поверхности структуры или носителя, который контактирует со средой, содержащей биомассу. В другом примере один из видов 15 биомассы может находиться в структуре или носителе, а второй вид биомассы может быть за пределами структуры или носителя. Может быть несколько биомасс внутри и за пределами структуры или носителя, которая добавлена в любой комбинации и последовательности во время процесса.
[0038] В другом варианте реализации процесса может быть несколько структур или 20 носителей, размещенных в среде или контактирующих со средой. Они могут быть помещены в среду в любой последовательности и комбинации во время процесса. Структура или носитель могут быть, например, по отношению друг к другу выполнены из того же материала или разных материалов, иметь одинаковую форму или различные формы, и могут применяться в любой комбинации. 25 [0039] Например, несколько структур или носителей может быть расположено внутри другой структуры или носителя. Различные структуры или носители могут быть того же типа или могут быть различных типов. Несколько структур или носителей может быть последовательно расположено внутри друг друга, например, наподобие "матрешки".
30 [0040] Например, может быть удобным, чтобы биоматериал был расположен во множестве структур или носителей одинакового размера и объема, каждый из которых содержит то же или подобное количество биомассы. Таким образом, весь ряд количеств или единиц структуры или носителя может контактировать со средой, при этом количество используемых единиц будет зависеть от объема партии в этом процессе.
Такие равномерные по объему структуры или носители могут также быть более удобными для хранения, например, если они имеют примерно прямоугольную форму и, таким образом, они могут легко складываться.
[0041] Необязательно в некоторых вариантах реализации структура или носитель, 5 содержащие биомассу, могут быть приведены в контакт со средой в комбинации со структурой или носителем, который выполнен таким образом, чтобы медленно высвобождать добавку, например, фермент, содержащийся в структуре или носителе. Например, контролируемое высвобождение может быть осуществлено путем контролируемого размера пор (например, размер пор менее чем 10 мкм, например, 10 менее чем 1 мкм, менее, чем 0,1 мкм).
[0042] Другим примером является такой, в котором одна или более структур или носителей, содержащих биомассу, и одна или более структур или носителей, содержащих микробы, могут одновременно или последовательно контактировать со средой.
15 [0043] Дополнительным примером является такой, в котором в некоторых процессах одна или более структур или носителей, содержащих биомассу, и одна или более структур или носителей, содержащих разлагаемые в воде добавки, контактируют с водной средой.
[0044] В другом варианте реализации процесса структуру или носитель можно 20 удалить в любой момент процесса и в любой последовательности. Например, структуру или носитель, включая их содержимое, можно удалить после получения продукта, и/или во время производства продукта можно добавить дополнительные структуры или носители, включая их содержимое.
[0045] Другим примером является такой, в котором биомасса, расположенная в 25 структуре или носителе, контактирует с водной средой, и в водную среду добавляют микроб, который в свою очередь продуцирует продукт. Впоследствии структуру или носитель, содержащие биомассу, можно удалить, а второе количество биомассы в структуре или носителе можно добавить для получения дополнительного количества продукта. Необязательно микроб можно удалить до или после добавления второй 30 биомассы.
[0046] Еще одним примером является такой, в котором биомасса может быть расположена в структуре или носителе и контактировать с водной средой, содержащей микроб, объединение которых приводит к получению первого продукта. Микроб можно необязательно удалить (например, путем фильтрации или центрифугирования)
или убить (например, путем применения антибиотиков, тепла или ультрафиолетового света), а затем можно добавить другой микроб, который приведет к получению второго продукта.
[0047] В другом примере биомасса может быть расположена в первой структуре 5 или носителе. Первая структура или носитель могут располагаться во второй структуре или носителе, содержащем микроб. Две структуры или носителя могут быть расположены в среде. Вторая структура или носитель выполнены с возможностью содержать микробы (например, имеют размеры пор менее чем около 5 мкм, менее чем около 1 мкм, менее чем около 0,4 мкм, менее чем около 0,2 мкм). Объединение
10 приводит к получению продукта, который необязательно может вытекать из второй структуры или носителя. После того, как продукт был получен, первую и вторую структуру, и содержимое можно удалить, оставив среду с продуктом, диспергированным и/или растворенным в ней. Комбинацию первой и второй структур или носителей с их содержимым можно необязательно применять в другой среде для
15 получения дополнительного количества продукта.
[0048] Процессы, описанные в данном документе, включают переработку биомассы и материалов биомассы, а также промежуточных соединений и продуктов, полученных в результате такой переработки. Во время по меньшей мере части переработки материал биомассы может быть расположен в структуре или носителе.
20 [0049] Процессы, описанные в данном документе, включают получение ферментов с помощью микроорганизма в присутствии материала биомассы, например, целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Ферменты, получаемые в процессах, описанных в данном документе, содержат или продуцируют различные целлюлолитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные
25 низкомолекулярные метаболиты, разрушающие биомассу. Эти ферменты могут представлять собой комплекс ферментов, которые действуют синергично для разрушения кристаллической целлюлозы или лигниновых частей биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (бета-глюкозидазы).
30 [0050] Как показано на Фиг. 1, например, во время осахаривания целлюлозный субстрат (А) изначально подвергают гидролизу эндоглюканазами (i) в произвольных положениях с получением олигомерных промежуточных соединений (например, целлюлозы) (В). Эти промежуточные соединения в свою очередь являются субстратами для экзо-расщепления глюканаз (н), таких как целлобиогидролаза, с получением
целлобиозы из концевых групп целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой растворимый в воде 1,4-связанный димер глюкозы. В конечном итоге, целлобиаза (Hi) расщепляет целлобиозу (С) с получением глюкозы (D). Таким образом, эндоглюканазы являются особенно эффективными при воздействии на 5 кристаллические части целлюлозы и увеличении эффективности экзоцеллюлаз в отношении производства целлобиозы, которой затем необходима специфичность целлобиозы с получением глюкозы. Таким образом, очевидно, что в зависимости от природы и структуры целлюлозного субстрата может потребоваться изменение количества и видового состава трех различных ферментов.
10 [0051] В некоторых вариантах реализации фермент продуцируется грибом, например, штаммом целлюлолитического мицелиального гриба Trichoderma reesei. Например, можно использовать высокопродуктивные в отношении выхода целлюлазы мутанты Trichoderma reesei, например, RUT-NG14, РСЗ-7, QM9414 и/или Rut-C30. Такие штаммы описаны, например, в публикации "Selective Screening Methods for the
15 Isolation of High Yielding Cellulase Mutants of Trichoderma reesei", Montenecourt, B.S. и Everleigh, D.E., Adv. Chem. Ser. 181, 289-301 (1979), полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. Также можно использовать другие микроорганизмы, продуцирующие целлюлазу.
[0052] Как будет описано ниже, после получения фермента его можно применять 20 для осахаривания биомассы, в некоторых случаях того же типа материала биомассы, который был использован для получения фермента. Процесс превращения материала биомассы в желаемый продукт или промежуточное соединение обычно включает другие этапы помимо самого этапа осахаривания. Такие этапы описаны, например, в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 года и 25 опубликованной 26 апреля 2012 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки.
[0053] Например, ссылаясь на Фиг. 2, процесс получения спирта может включать, например, необязательную механическую обработку сырья, например, для уменьшения его размера (200) до и/или после этой обработки, необязательно обработку сырья 30 другим видом механической обработки для дополнительного уменьшения его устойчивости (210), затем осахаривание сырья с помощью ферментного комплекса с образованием сахарного раствора (220). Необязательно данный способ может также включать транспортировку раствора (или сырья, фермента и воды в случае, если осахаривание выполняется в пути), например, с использованием трубопроводов,
железнодорожных цистерн, грузовиков или баржи до производственной установки (230). В некоторых случаях осахаренное сырье подвергают дополнительной биопереработке (например, ферментированию) для получения желаемого продукта, например, спирта (240). Этот полученный продукт может в некоторых вариантах 5 реализации подвергаться дополнительной переработке, например, посредством дистилляции (250) для получения конечного продукта. Одним из способов уменьшения устойчивости сырья является бомбардировка сырья электронами. При необходимости этапы измерения содержания лигнина в сырье (201) и установку или регулировку параметров процесса на основе этих измерений (205) можно выполнить на различных
10 этапах процесса, как описано в публикации заявки на патент США 2010/0203495 А1, принадлежащей Medoff и Masterman, опубликованной 12 августа 2010 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. Осахаривание сырья (220) также может быть модифицировано посредством смешивания сырья со средой и ферментом (221).
15 [0054] Например, ссылаясь на Фиг. 3, первую биомассу необязательно обрабатывают (300), например, для уменьшения ее размера и/или устойчивости, и помещают в структуру или носитель. Необязательно первую биомассу сначала можно поместить в первую структуру или носитель и затем обработать. Затем структуру или носитель, содержащий биомассу, приводят в контакт с водной средой и
20 продуцирующим целлюлазу организмом (310). По прошествии достаточного количества времени для роста клеток до желаемой стадии и после получения достаточного количества ферментов, можно добавить (320) вторую биомассу, необязательно расположенную во второй структуре или носителе. Необязательно структуру или носитель, содержащий первую биомассу можно удалить до или в любой
25 момент после добавления второй биомассы. Воздействие фермента на вторую и любую оставшуюся первую биомассу продуцирует смешанные сахара, которые можно дополнительно переработать в необходимые продукты (330). Необязательно вторую структуру или носитель, содержащий вторую биомассу можно удалить до или после получения необходимого продукта. Первая и вторая биомасса могут быть частями
30 одного и того же материала биомассы. Например, часть биомассы можно поместить в структуру или носитель и привести в контакт со средой, которая содержит организм, продуцирующий целлюлазу. После того, как некоторые ферменты были получены; среду, содержащую фермент, можно объединить со второй биомассой (А). Необязательно первую и вторую биомассу можно предварительно обработать для
уменьшения ее устойчивости. Первая и вторая биомасса также могут содержаться в одной структуре или носителе. Структура или носитель могут образовывать вкладыш для биореактора. Можно использовать несколько структур или носителей, содержащих биомассу. Водная среда будет рассмотрена ниже. В некоторых случаях вместо 5 добавления второй биомассы в реактор, фермент собирают, хранят и используют в последующем процессе осахаривания.
[0055] Ссылаясь теперь на Фиг. 4, продуцирующий целлюлазу организм (400) можно вырастить в питательной среде в течение времени, необходимого для достижения определенной фазы роста. Например, этот период роста может длиться
10 днями или даже неделями. Предварительно обработанная первая биомасса (405) помещается в структуру или носитель и затем может быть приведена в контакт с продуцирующими ферменты клетками (410) таким образом, чтобы через некоторое время были получены ферменты. Производство фермента может также происходить в течение продолжительного периода времени. Затем содержащий ферменты раствор
15 можно объединить со второй биомассой (420). Необязательно перед добавлением второй биомассы или в любой момент после добавления второй биомассы можно удалить структуру или носитель, содержащий первую биомассу. Воздействие фермента на вторую и оставшуюся первую биомассу приводит к образованию смешанных Сахаров, которые можно дополнительно переработать в необходимые продукты (430).
20 Первая и вторая биомассы могут представлять собой части одной и той же биомассы или могут быть похожими, но не идентичными (например, предварительно обработанными и предварительно не обработанными) материалами (В). Опять же необязательно фермент можно собрать и хранить вместо того, чтобы сразу же использовать его со второй биомассой.
25 [0056] Наряду со способами, описанными выше, продуцирующий целлюлозу организм можно собрать перед объединением с первой предварительно обработанной биомассой. Сбор может включать частичное или почти полное удаление растворителя и компонентов питательной среды. Например, клетки можно собрать путем центрифугирования, а затем промыть водой или другим раствором.
30 [0057] В другом варианте реализации изобретения после получения фермента его можно сконцентрировать. Концентрацию можно выполнить любым подходящим способом, в том числе посредством хроматографирования, центрифугирования, фильтрации, диализа, экстрагирования, выпаривания растворителей, распылительной сушки и адсорбции на твердом носителе. Концентрированный фермент можно хранить
какое-то время, а затем использовать посредством добавления второй биомассы для производства необходимых продуктов.
[0058] В другом варианте реализации способа фермент получают с помощью выбранного микроорганизма в жидкой (например, водной) среде в присутствии 5 материала биомассы. Для того чтобы материал биомассы содержался в среде, материал биомассы размещают в структуре или носителе, например, в сетчатом мешке или другом пористом контейнере с отверстиями или порами. Такой размер пор, чтобы предпочтительно по меньшей мере 80% (более предпочтительно по меньшей мере 90%, по меньшей мере 95% или по меньшей мере 99%) нерастворимой части материала
10 биомассы оставалось в структуре или носителе во время производства ферментов. Например, по меньшей мере 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% нерастворимой части материала биомассы остается в структуре или носителе во время производства ферментов. [0059] Предпочтительно, чтобы размер пор или размер ячеек контейнера был таким,
15 чтобы по сути ни одна из нерастворимых частей материала биомассы не вытекла из контейнера во время производства ферментов. Предпочтительно также, чтобы размер пор был достаточно большим, чтобы позволить молекулам, таким как сахара, растворимые полисахариды, белки и биомолекулы, пройти. Предпочтительно, чтобы размер пор был достаточно большим, чтобы большие молекулы, такие как белки, не
20 засорили или не заблокировали поры в ходе производства ферментов.
[0060] Таким образом, как правило, предпочтительным является, чтобы номинальный размер пор или размер ячеек был меньше, чем большинство всех частиц материала биомассы. В некоторых вариантах реализации абсолютный размер пор составляет менее чем 50% (предпочтительно менее чем 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%
25 или 99%) частиц материала биомассы. Например, абсолютный размер пор может быть менее чем 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58% или 59% частиц материала биомассы. Предпочтительно абсолютный размер пор может быть менее чем 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90 %, 91%, 92%, 93%,
30 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% частиц материала биомассы.
[0061] Водные среды, используемые в описанных выше способах, могут содержать добавленный дрожжевой экстракт, кукурузный экстракт, пептоны, аминокислоты, соли аммония, соли фосфата, соли калия, соли магния, соли кальция, соли железа, соли марганца, соли цинка и соли кобальта. Помимо этих компонентов питательная среда
обычно содержит от 0 до 10% глюкозы (например, от 1 до 5% глюкозы) в качестве источника углерода. Кроме того среда-индуктор помимо биомассы, которая обсуждалась ранее, может содержать другие индукторы. Например, некоторыми известными индукторами являются лактоза, чистая целлюлоза и софороза. Во время 5 переработки для оптимизации требуемого производства необходимых продуктов можно добавить и удалить различные компоненты.
[0062] Концентрация биомассы, обычно используемой для индуцирования производства фермента, больше или равна 0,1 масс. % (например, больше или равна 1%) и меньше или равна 50 масс. % (больше или равна 40 масс. %, больше или равна 30
10 масс. %, больше или равна 20 масс. %, больше или равна 10 масс. %, больше или равна 5 масс. %). Например, концентрация биомассы, используемой для индуцирования ферментов, может быть 0,1 масс. %, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 или 1,0 масс. %. Концентрация биомассы может быть 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 масс. %. Концентрация биомассы может быть 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, или 50 масс. %.
15 [0063] Любой из процессов, описанных в данном документе, можно выполнить в виде периодического, подпитываемого или непрерывного процесса. Эти процессы можно использовать главным образом для производства в промышленных объемах, например, имея по меньшей мере 50 литров питательной среды, предпочтительно по меньшей мере 100 литров, более предпочтительно по меньшей мере 500 литров, еще
20 более предпочтительно по меньшей мере 1000 литров, в частности по меньшей мере 5000 литров или 50000 литров, или 500000 литров. Этот процесс можно проводить в аэробных или анаэробных условиях. Некоторые ферменты получают посредством глубинного культивирования, а некоторые посредством поверхностного культивирования.
25 [0064] В любом из процессов, описанных в данном документе, ферменты производят, хранят, а затем используют для реакций осахаривания на последующем этапе и/или в другом месте.
[0065] Любой из описанных в данном документе процессов можно выполнить при перемешивании. В некоторых случаях перемешивание можно выполнить с 30 использованием струйного перемешивания, как описано в публикации заявки на патент США 2010/0297705 А1, поданной 18 мая 2010 года и опубликованной 25 ноября 2012 года, в публикации заявки на патент США 2012/0100572 А1, поданной 10 ноября 2011 года и опубликованной 26 апреля 2012 года, и в публикации заявки на патент США
2012/0091035 А1, поданной 10 ноября 2011 года и опубликованной 19 апреля 2012 года, полные описания которых включены в данный документ посредством ссылки. [0066] Температуры для роста продуцирующих ферменты организмов выбирают для ускорения роста организмов. Например, для Trichoderma reesei оптимальной 5 температурой, как правило, является температура между 20 и 40 °С (например, 30 °С), и температуру для производства фермента можно оптимизировать для этой части процесса. Например, для Trichoderma reesei оптимальная температура для производства фермента составляет от 20 до 40 °С (например, 27 °С). СТРУКТУРА ИЛИ НОСИТЕЛЬ 10 [0067] Структура или носитель могут представлять собой, например, мешок, сеть, мембрану, оболочку или комбинацию любого из них.
[0068] Структура или носитель могут быть выполнены из термопластичной смолы, например, полиэтилена, полипропилена, полистирола, поликарбоната, полибутилена, термопластичного полиэфира, простого полиэфира, термопластичного полиуретана,
15 поливинилхлорида, поливинилидендифторида, полиамида или любая их комбинация.
[0069] Структура или носитель также могут быть выполнены из тканых или нетканых волокон. Некоторыми предпочтительными синтетическими волокнами или неволоконными материалами являются, например, полиэфир, арамид, полиолефин, политетрафторэтилен, сульфид полифенилена, полиуретан, полиимид, акрил, нейлон и
20 любая их комбинация.
[0070] Структура носителя также может быть выполнена из биоразлагаемых и/или водорастворимых полимеров, например, алифатических полиэфиров, полигидроксиалканоатов (РНА), поли-3-гидроксибутирата, полигидроксивалерата, полигидроксигексаноата, полимолочной кислоты, полибутилен сукцината,
25 полибутиленсукцинат адипата, поликапролактона, поливинилового спирта, полиангидридов, производных крахмала, сложных эфиров целлюлозы, ацетата целлюлозы, нитроцеллюлозы и любой их комбинации.
[0071] Другие материалы, предусмотренные для структуры или носителя, включают, например, металл (например, алюминий, медь), сплав (например, латунь, 30 нержавеющая сталь), керамику (например, стекло, оксид алюминия), термоотверждающийся полимер (например, бакелит), композитный материал (например, стекловолокно), биополимер и любую их комбинацию. Любой конструкционный материал, например, как описано выше, можно комбинировать, чтобы обеспечить структуру или носитель.
[0072] Структура или носитель могут быть выполнены из биоразлагаемого, биоразрушаемого и/или водорастворимого полимера. Такой полимер можно выбрать таким образом, чтобы разрушать и высвобождать материал внутри него в назначенное или почти в назначенное время. Этот полимер можно выбрать таким образом, чтобы он 5 служил в качестве источника углерода или источника питательных микроорганизмов, которые культивируются. Полигидроксиалканоаты, например, могут легко потребляться многими компостными грибами и бактериями. РНА может быть хорошим выбором для структуры или носителя, разработанного для того, чтобы высвобождать его содержимое в питательную среду таких организмов.
10 [0073] В альтернативном варианте структура или носитель могут быть выполнены и изготовлены из материалов, предназначенных для разрыва лопастной вращающейся мешалкой системы ферментации. Продолжительность перемешивания при ферментации можно таким образом, чтобы поддерживать структуру или носитель в интактном состоянии на протяжении определенного периода времени, а затем
15 изменить, чтобы привести структуру или носитель в контакт с лопастной вращающейся мешалкой.
[0074] Контейнер или носитель может иметь любую подходящую форму, например, тороидидальную, сферическую, кубовидную, овальную, прямоугольного параллелепипеда, "собачьей кости", цилиндрическую, шестигранной призмы, конуса,
20 пирамиды с квадратным основанием, конверта или их комбинации.
[0075] Контейнер или структура может иметь закрывающиеся и в некоторых случаях повторно закрывающиеся отверстия, такие как молния, липучка Velcro(tm) и петли, сварной шов, клипсы, чувствительный к давлению клей, кнопки или завязки (например, лентой или шнурком).
25 [0076] Структура или контейнер могут быть жесткими, полужесткими или нежесткими. Предполагается, что нежесткой контейнер, как правило, будет гибким в большинстве направлений. Предполагается, что полужесткий контейнер может быть слегка гибким в большинстве направлений. В некоторых вариантах реализации контейнер включает гибкий тканевый мешок.
30 [0077] Мешок может иметь некоторые жесткие компоненты, такие как каркас, выполненный из металлической проволоки или жесткого полимера. Контейнер или носитель могут иметь текстурирование поверхности, например, бороздки, складки и стежки.
[0078] Контейнер может иметь перегородки, например, в нем могут быть различные переборки, выполненные из того же или разных материалов и/или может быть две или более структур или носителей, вложенных друг в друга.
[0079] Контейнер или носитель могут быть выполнены с возможностью плавать на 5 поверхности среды или частично погружаться в нее, или они могут быть выполнены с возможностью полностью погружаться в среду. Например, на мешке может быть липучка, петли или клей, обеспечивающие его крепление к стене биореактора, резервуара или другого контейнера. На нем также могут быть пригрузы, чтобы частично или полностью погружать его в среду и/или плавучие части, чтобы держать
10 его над средой. Контейнер или носитель может быть выполнен без фиксации в среде.
[0080] У структур или носителей могут быть поры. Что касается размера пор, известно, что у проницаемых материалов может быть распределение по размерам пор. Как правило, размер пор классифицируется как абсолютный или номинальный. Абсолютный рейтинг размера пор определяет размер пор, при котором используемый
15 для пробы с заражением материал или организм определенного размера сохранит 100% эффективность. Номинальный размер пор характеризует способность проницаемого материала сохранять большинство микрочастиц (например, от 60 до 98%). Оба рейтинга зависят от условий процесса, таких как перепад давления, температура или концентрация.
20 [0081] В некоторых вариантах реализации номинальный размер пор или размер ячейки контейнера может быть менее около 10 мм, например, менее 1000 мкм, 750 мкм, 500 мкм, 250 мкм, 100 мкм, 75 мкм, 50 мкм, 25 мкм, 10 мкм, 1 мкм, 0,1 мкм, 10 нм или даже менее чем 1 нм. В некоторых вариантах реализации номинальный размер пор или размер ячейки контейнера может быть более чем 1 нм, например, более чем 10 нм, 0,1
25 мкм, 10 мкм, 25 мкм, 50 мкм, 75 мкм, 100 мкм, 250 мкм, 500 мкм, 750 мкм, 1 мм или даже 10 мм.
[0082] Если структура или носитель выполнены из полимера, поры могут быть образованы путем растяжения полимера, либо одноосно, либо двуосно. Такие способы формулирования и растяжения полимеров для получения пленки с определенным 30 размером пор известны в данной области техники.
[0083] Структура или носитель могут быть выполнены с возможностью обеспечения введения, например, смешивающего устройства, устройства контроля, устройства для взятия проб или комбинации любых из них. Конструкция может включать, например, закрывающиеся отверстия или фитинги, выполненные с
возможностью приема такого устройства. Устройство контроля может представлять собой, например, рН зонд, датчик кислорода, температурный датчик, химический зонд или любые их комбинации. Необязательно устройство контроля может быть дистанционно управляемым (например, посредством беспроводного соединения) и 5 может быть без фиксации или прикреплено к структуре. Носитель или структура могут иметь маркировочное устройство, например, маркер с идентифицирующей буквенно-цифровой меткой или идентифицирующим цветом.
[0084] В некоторых вариантах реализации предпочтительно, чтобы структура или носитель имели достаточную площадь поверхности, например, чтобы обеспечить
10 хороший обмен между содержимым структуры или носителя и средой или другими внешними компонентами, например, между добавкой и материалом биомассы. Также может быть целесообразным иметь большую площадь поверхности, чтобы предоставить большую площадь, к которой микроорганизм, например, организм, продуцирующий целлюлазу, может быть при необходимости прикреплен.
15 СРЕДА
[0085] В способах, описанных в данном документе, структура или носитель контактируют со средой или размещены в ней. Среда может представлять собой, например, жидкость, газ, химический раствор, суспензию, коллоид, эмульсию, неоднородную многофазную систему (например, гидрофильную фазу, разделенную на
20 слои гидрофобной фазой) и любые их комбинации. Среда может дополнительно обрабатываться во время или после процесса; например, она может быть очищена и повторно использована, например, путем фильтрования, центрифугирования и/или облучения. Необязательно среда может содержать, например, питательные вещества, микрочастицы (например, содержащие неорганические или органические вещества),
25 олигомеры (например, модификаторы вязкости), источники углерода, поверхностно-активные вещества (например, антипенные вещества), липиды, жиры, экстракты (например, дрожжевой экстракт, казеиновые экстракты и или растительные экстракты),
2~ь 2~ь 2~ь 2~ь 1~ь 2~ь 1 I
ионы металлов (например, Fe , Mg , Mn , Си , Na , Са , К ), анионы, источники азота (например, аминокислоты, аммиак, мочевина), витамины, белки (например, 30 пептоны, ферменты), буферы (например, фосфаты), добавленные в любой комбинации и последовательности. ДОБАВКИ
[0086] Добавки, используемые в процессах, описанных в данном документе, могут включать в качестве примера микроорганизм, питательное вещество, спору, фермент,
кислоту, основание, газ, антибиотик, фармацевтический препарат и любые их комбинации. Добавки можно добавлять в любой последовательности и комбинации во время процесса. Добавки могут быть расположены внутри структуры или носителя или вне структуры или носителя в любой комбинации или последовательности. 5 ФЕРМЕНТЫ
[0087] В одном варианте реализации процесса добавка представляет собой фермент, продуцируемы мицелиальными грибами или бактериями.
[0088] Ферменты продуцируются широким рядом грибов, бактерий, дрожжей и других микроорганизмов, и существует много способов оптимизации производства и
10 использования целлюлаз.
[0089] Мицелиальным грибам или бактериям, которые продуцируют целлюлазу, как правило, требуется источник углерода и индуктор для производства целлюлазы. В известных процессах источником углерода, как правило, является глюкоза и индуктором, как правило, является чистая целлюлоза. Если не считать стоимость
15 чистой глюкозы и чистой целлюлозы, стоимость секретируемого фермента, полученного этим способом, может быть ниже в случае осахаривания биомассы. Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что причиной этого является то, что продуцируемые ферменты особенно подходят для осахаривания подложки, используемой для индуцирования их производства, и, таким образом, если индуктор
20 представляет собой целлюлозу, ферменты могут не подходить для разложения лигноцеллюлозного материала.
[0090] Темпы роста и состояние продуцирующего целлюлазу организма определяются конкретными условиями роста. Когда культуру клетки хозяина вводят в ферментационную среду, содержащую источник углерода, засеваемая культура
25 проходит через несколько этапов. По началу роста нет. Этот период называют лаг-фазой, и он может рассматриваться как период адаптации. Во время следующего этапа, называемого "фаза экспоненциального роста", темпы роста культуры клетки хозяина постепенно увеличиваются, и потребляется источник углерода. После периода максимального роста, рост прекращается, и культура вступает в фазу стационарного
30 роста. После дополнительного периода времени культура вступает в фазу смерти и количество жизнеспособных клеток снижается. В какой фазе роста будет экспрессироваться целлюлаза, зависит от целлюлазы и клетки хозяина. Например, целлюлаза может экспрессироваться в фазе экспоненциального роста, в переходной фазе между фазой экспоненциального роста и фазой стационарного роста, или в
качестве альтернативного варианта - в фазе стационарного роста и/или непосредственно перед образованием спор. Целлюлазу также можно получить в более чем одной из указанных выше фаз.
[0091] При контакте с биомассой организм, продуцирующий целлюлазу, будет, как 5 правило, продуцировать ферменты, которые высвобождают молекулы, благоприятно влияющие на рост организма, такие как глюкоза. Это происходит за счет феномена индуцирования ферментов. Так как существует множество субстратов в определенном биоматериале, существует множество целлюлаз, например, эндоглюканаза, экзоглюканаза и целлобиаза, описанные ранее. При выборе конкретного
10 лигноцеллюлозного материала в качестве индуктора относительные концентрации и/или активности этих ферментов можно модулировать таким образом, чтобы полученный ферментативный комплекс эффективно работал на лигноцеллюлозном материале, используемом в качестве индуктора или подобного материала. Например, биоматериал с более высокой долей кристаллической целлюлозы может индуцировать
15 более эффективное или большее количество эндоглюканазы, чем биоматериал с небольшой долей кристаллической целлюлозы.
[0092] Так как целлюлоза является нерастворимой и непроницаемой для микроорганизмов, было высказано предположение, что, когда целлюлозу используют в качестве индуктора, растворимый олигосахарид (олигосахариды), такой как
20 целлобиоза, по сути является прямым индуктором целлюлазы. Экспрессия на базальном уровне позволяет небольшому количеству целлюлазы гидролизовать целлюлозу до растворимых олигосахаридов или до индуктора. После того, как индуктор проникает в клетку, он вызывает существенную транскрипцию гена целлюлазы, опосредованную активирующими белками и активирующими элементами.
25 После разложения целлюлозы большое количество глюкозы высвобождается, что приводит к катаболитной репрессии.
[0093] Лигноцеллюлозные материалы содержат различные комбинации целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза представляет собой линейный полимер глюкозы, образующий довольно жесткую линейную структуру без существенного 30 скручивания. Благодаря такой структуре и расположению гидроксильных групп, которые могут образовывать водородную связь, целлюлоза содержит кристаллические и некристаллические части. Кристаллические части также могут быть различных типов, обозначенными как I (альфа) и I (бета), например, в зависимости от расположения водородных связей между цепями. Сами по себе длины полимера могут меняться,
придавая большее разнообразие формам целлюлозы. Гемицеллюлоза представляет собой один из нескольких гетерополимеров, таких как ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксиланы и ксилоглюкан. Присутствующим первичным сахарным мономером является ксилоза, несмотря на то, что присутствуют и другие мономеры, такие как 5 манноза, галактоза, рамноза, арабиноза и глюкоза. Как правило, гемицеллюлоза образует разветвленные структуры с более низкими молекулярными массами, чем у целлюлозы. Таким образом, гемицеллюлоза представляет собой аморфный материал, который обычно восприимчив к ферментативному гидролизу. Лигнин обычно представляет собой сложный высокомолекулярный гетерополимер. Несмотря на то, что
10 составы всех лигнинов очень разнообразны, их описывают как аморфный полимер с дендритным скелетом фенилпропеновых единиц. Количества целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в определенном биоматериале зависит от источника биоматериала. Например, биоматериал, полученный из древесины, может содержать около 38-49% целлюлозы, 7-26% гемицеллюлозы и 23-34% лигнина в зависимости от
15 вида. Злаки обычно содержат 33-38% целлюлозы, 24-32% гемицеллюлозы и 17-22% лигнина. Безусловно, лигноцеллюлозная биомасса составляет большой класс субстратов.
[0094] Разнообразие материалов биомассы можно дополнительно увеличить с помощью предварительной обработки, например, посредством изменения 20 кристалличности и молекулярных масс полимеров. Изменение в составе биомассы можно также увеличить за счет географических и сезонных колебаний, то есть в зависимости от того, где и когда материал был собран.
[0095] Специалист в данной области техники может оптимизировать производство ферментов микроорганизмами путем добавления дрожжевого экстракта, кукурузного
25 экстракта, пептонов, аминокислот, солей аммония, солей фосфата, солей калия, солей магния, солей кальция, солей железа, солей марганца, солей цинка, солей кобальта или других добавок и/или питательных веществ, и/или источников углерода. Можно добавить и удалить различные компоненты во время переработки, чтобы оптимизировать желаемое производство полезных продуктов.
30 [0096] Как правило, в данной области техники известны температура, рН и другие условия, оптимальные для роста микроорганизмов и производства ферментов. МАТЕРИАЛЫ БИОМАССЫ
[0097] Используемый в настоящем описании термин "материалы биомассы" включает лигноцеллюлозные, целлюлозные, крахмальные и микробные материалы.
[0100] Лигноцеллюлозные материалы включают, без ограничения ими, древесину, прессованную древесину, древесные отходы (например, опилки, древесина осины, древесная щепа), злаки (например, просо, мискантус, спартина, двукисточник тростниковидный), зерновые остатки (рисовая шелуха, овсяная шелуха, пшеничная 5 шелуха, ячменная шелуха), отходы сельскохозяйственного производства (например, силос, солома канолы, пшеничная солома, ячменная солома, овсяная солома, рисовая солома, джут, пенька, льносолома, бамбук, сизаль, абака, стержни кукурузных початков, кукурузная солома, соевая солома, кукурузные волокна, люцерна, сено, кокосовое волокно), остатки переработки сахара (жмых, свекловичная пульпа, жмых
10 агавы), водоросли, морские водоросли, навоз, сточные воды и смеси любого из них.
[0101] В некоторых случаях лигноцеллюлозным материалом могут быть стержни кукурузных початков. Измельченные или дробленые молотками стержни кукурузных початков можно распределить в слое относительно равномерной толщины, чтобы подвергнуть облучению, а после облучения легко распределить в среде для дальнейшей
15 переработки. Чтобы облегчить получение урожая и его сбор, в некоторых случаях используют растение кукурузы целиком, включая стебель кукурузы, кукурузные зерна и в некоторых случаях даже корневую систему растения.
[0102] Преимущественно не требуется никаких дополнительных питательных веществ (за исключением источника азота, например, мочевины или аммиака) в 20 течение этапа ферментации стержней кукурузных початков или целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, содержащих значительное количество стержней кукурузных початков.
[0103] Стержни кукурузных початков до и после измельчения также проще транспортировать и распределять, а также они имеют меньшую склонность к 25 образованию взрывчатых смесей в воздухе, чем другие целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, такие как сено и злаки.
[0104] Целлюлозные материалы включают, например, бумагу, бумажные изделия, бумажные отходы, бумажную массу, пигментную бумагу, мелованную бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, журналы, печатную продукцию (например, 30 книги, каталоги, справочники, этикетки, календари, поздравительные открытки, брошюры, проспекты, газетная бумага), бумагу для печатающих устройств, бумагу с полимерным покрытием, открыточную бумагу, строительный картон, бумажный картон, материалы с высоким содержанием а-целлюлозы, такие как хлопок, а также смеси любых из них. Например, такие бумажные изделия описаны в заявке на патент
США № 13/396365 ("Magazine Feedstocks" под авторством Medoff et al., поданной 14 февраля 2012 года), полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки.
[0105] Целлюлозные материалы могут также включать лигноцеллюлозные 5 материалы, которые были делигнифицированы.
[0106] Крахмалистые материалы включаюткрахмал как таковой, например, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производные крахмала или материал, который содержит крахмал, такой как продовольственный продукт питания или сельскохозяйственная культура. Например,
10 крахмалистым материалом может быть арракача, гречиха, банан, ячмень, маниок, пуэрария, кислица клубненосная, саго, сорго, обычный домашний картофель, сладкий картофель, колоказия съедобная, ямс или один или более видов бобов, таких как садовые бобы, чечевица или горох. Смеси любых из двух или более крахмалистых материалов также представляют собой крахмалистые материалы. Также можно
15 использовать смеси крахмалистых, целлюлозных и или лигноцеллюлозных материалов. Например, биомасса может представлять собой растение целиком, часть растения или разные части растения, например, растение пшеницы, хлопчатник, растение кукурузы, растение риса или дерево. Эти крахмалистые материалы можно обрабатывать с помощью любого из способов, описанных в данном документе.
20 [0107] Микробные материалы включают, без ограничения ими, любой природный или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен обеспечить источник углеводов (например, целлюлозу), например, простейшие организмы, например, простейшие животные организмы (например, одноклеточные животные организмы, такие как жгутиковые, амебоиды, инфузории и
25 споровики) и простейшие растительные организмы (например, водоросли, такие альвеоляты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвглениды, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страменопилы и зеленые растения). Другие примеры включают морские водоросли, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемтопланктон), фитопланктон,
30 бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробную биомассу можно получить из природных источников, например, океана, озер, водоемов, например, в соленой воде или пресной воде, или на суше. В альтернативном варианте или кроме этого микробную биомассу можно получить из систем культивирования,
например, крупномасштабных систем ферментации сухого и влажного культивирования.
[0108] Материал биомассы также может содержать побочные продукты переработки и подобные источники материала. 5 [0109] В других вариантах реализации изобретения материалы биомассы, такие как целлюлозные, крахмалистые и лигноцеллюлозные сырьевые материалы можно получить из трансгенных микроорганизмов и растений, которые были модифицированы по отношению к множеству диких типов. Такие модификации можно получить, например, посредством итеративных этапов селекции и скрещивания для
10 получения желаемых признаков у растения. Более того генетический материал у растений может быть удален, модифицирован, подавлен и/или добавлен по отношению к множеству диких типов. Например, генетически модифицированные растения можно получить с помощью методов рекомбинантных ДНК, при этом генетические модификации включают введение или изменение определенных генов из родительских
15 сортов или, например, с помощью трансгенного скрещивания, при этом определенный ген или гены вводят в растение из другого вида растений и/или бактерий. Другой способ получения генетической изменчивости осуществляется посредством мутационной селекции, при этом новые аллели представляют собой аллели, искусственно полученные из эндогенных генов. Искусственные гены можно получить с
20 помощью различных способов, в том числе обработкой растения или семян, например, химическими мутагенами (например, с использованием алкилирующих веществ, эпоксидов, алкалоидов, пероксидов, формальдегида), облучением (например, рентгеновскими лучами, гамма-лучами, нейтронами, бета-частицами, альфа-частицами, протонами, дейтронами, УФ излучением) и методами температурного шока или
25 другими методами воздействия внешних нагрузок и методов последующей селекции. Другие способы обеспечения модифицированных генов включают метод ПНР пониженной точности и перестановку в ДНК с последующей инсерцией желаемой модифицированной ДНК в желаемое растение или семя. Способы введения желаемой генетической изменчивости в семя или растение включают, например, использование
30 бактериального носителя, биолистики, осаждения фосфата кальция, электроимпульсного открытия клеточных пор, сплайсинга генов, подавления экспрессии генов, липофекции, микроинъекции и вирусных носителей. Дополнительные генетически модифицированные материалы были описаны в заявке на
патент США No 13/396,369, поданной 14 февраля 2012 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки.
[ОНО] Любой из способов, описанных в данном документе, можно применить на практике к смесям любых материалов биомассы, описанным в настоящем документе. 5 ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
[0111] Биомасса может быть в сухом виде, например, с влагосодержанием менее чем около 35% (например, менее чем около 20%, менее чем около 15%, менее чем около 10%, менее чем около 5%, менее чем около 4%, менее чем около 3%, менее чем около 2% или даже менее чем около 1%). Также биомасса может поступать в мокром
10 состоянии, например, в виде мокрого твердого вещества, густой суспензии или суспензии с содержанием по меньшей мере около 10 масс. % твердых веществ (например, по меньшей мере около 20 масс. %, по меньшей мере около 30 масс. %, по меньшей мере около 40 масс. %, по меньшей мере около 50 масс. %, по меньшей мере около 60 масс. %, по меньшей мере около 70 масс. %).
15 [0112] Процессы, описанные в данном документе, могут использовать материалы с низкой объемной плотностью, например, целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, которые было подвергнуто предварительной механической обработке, чтобы их объемная плотность стала менее чем около 0,75 г/см3, например, менее чем около 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 или менее, например, менее чем около
20 0,025 г/см3. Объемная плотность определяется с помощью ASTM D1895B. Коротко, способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема образцом и получение веса образца. Объемную плотность рассчитывают посредством деления массы образца в граммах на известный объем цилиндра в сантиметрах кубических. При необходимости плотность материалов с низкой объемной плотностью можно
25 увеличить, например, с помощью способов, описанных в патенте США № 7971809, принадлежащем Medoff, полное описание которого включено в данный документ посредством ссылки.
[0113] В некоторых случаях предварительная обработка включает просеивание материала биомассы. Просеивание может быть выполнено через сито или 30 перфорированную пластину с желаемым диаметром отверстий, например, менее чем около 6,35 мм (V4 дюйма, 0,25 дюйма), (например, менее чем около 3,18 мм (1/8 дюйма, 0,125 дюйма), менее чем около 1,59 мм (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), менее чем около 0,79 мм (1/32 дюйма, 0,03125 дюйма), например, менее чем около 0,51 мм (1/50 дюйма, 0,02000 дюйма), менее чем около 0,40 мм (1/64 дюйма, 0,015625 дюйма), менее чем
около 0,23 мм (0,009 дюйма), менее чем около 0,20 мм (1/128 дюйма, 0,0078125 дюйма), менее чем около 0,18 мм (0,007 дюйма), менее чем около 0,13 мм (0,005 дюйма) или даже менее чем около 0,10 мм (1/256 дюйма, 0,00390625 дюйма)). В одной конфигурации желаемая биомасса падает сквозь отверстия или сито, и, таким образом, биомасса, 5 которая больше отверстий или сита, не облучается. Эти материалы большего размера могут быть повторно переработаны, например, измельчением, или они могут быть легко удалены из переработки. В другой конфигурации материал, который больше отверстий, облучают, а материал, который меньше, удаляют процессом просеивания или используют повторно. При таком виде конфигурации сам по себе транспортер 10 (например, часть транспортера) может быть перфорирован или изготовлен с ячейками. Например, в одном конкретном варианте реализации материал биомассы может быть мокрым, а отверстия или ячейки позволяют воде вытекать из биомассы перед облучением.
[0114] Просеивание материала также может осуществляться вручную, например, с
15 помощью оператора или механически (например, автоматом, оборудованным датчиком распознавания цвета, датчиком с отражателем или другим датчиком), при помощи чего удаляют ненужный материал. Просеивание может также представлять собой магнитное просеивание, в котором магнит расположен рядом с транспортируемым материалом, и магнитный материал удаляют с помощью магнита.
20 [0115] Необязательные процессы предварительной переработки могут включать нагревание материала. Например, часть транспортера может быть направлена сквозь нагретую зону. Нагретая зона может быть образована, например, ИК-облучением, микроволнами, сжиганием (например, газа, угля, нефти, биомассы), резистивным нагревом и/или индукционными катушками. Нагрев можно использовать по меньшей
25 мере с одной стороны или более чем с одной стороны, он может быть непрерывным или периодическим и может осуществляться только для части материала или для всего материала. Например, часть желоба транспортера может быть нагрета с применением нагревающей рубашки. Нагревание, например, может быть проведено с целью сушки материала. В случае необходимости сушки материала этот процесс также можно
30 облегчить, с нагревом или без него, движением газа (например, воздуха, кислорода, азота, Не, СОг, аргона) над биомассой и/или через биомассу, которую подвергают транспортированию.
[0116] Необязательно процесс предварительной переработки может включать охлаждение материала. Охлаждение материала описано в патенте США № 7900857,
принадлежащем Medoff, полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Например, охлаждение может происходить путем подачи охлаждающей жидкости, например, воды (например, с глицерином) или азота (например, жидкого азота) на дно желоба транспортера. В альтернативном варианте 5 охлаждающий газ, например, охлажденный азот, может продуваться над материалами биомассы или под системой транспортировки.
[0117] Другой необязательный способ процесса предварительной переработки может включать добавление материала к биомассе. Дополнительный материал можно добавить, например, обливанием, обрызгиванием и/или выливанием материала на
10 транспортируемую биомассу. Материалы, которые можно добавить, включают, например, металлы, керамику и/или ионы, как описано в публикации заявки на патент США 2010/0105119 А1 (поданной 26 октября 2009 года) и в публикации заявки на патент США 2010/0159569 А1 (поданной 16 декабря 2009 года), полное описание которых включено в настоящий документ посредством ссылки. Необязательные
15 материалы, которые могут быть добавлены, включают кислоты и основания. Другие материалы, которые могут быть добавлены, представляют собой окислители (например, пероксиды, хлораты), полимеры, полимеризуемые мономеры (например, содержащие ненасыщенные связи), воду, катализаторы, ферменты и/или микроорганизмы. Материалы могут быть добавлены, например, в чистом виде, в виде
20 раствора в растворителе (например, воде или органическом растворителе) и/или в виде раствора. В некоторых случаях растворитель является летучим и может выпариваться, например, нагреванием и/или продуванием газа, как описано ранее. Добавленный материал может образовывать однородное покрытие на биомассе или представлять собой гомогенную смесь различных компонентов (например, биомассы и
25 дополнительного материала). Добавленный материал может модулировать последующий этап облучения посредством увеличения эффективности облучения, тушения облучения или изменения эффекта облучения (например, от пучков электронов до рентгеновских лучей или нагрева). Способ может не влиять на облучение, но может использоваться для дальнейшей последующей переработки.
30 Добавленный материал может помогать в транспортировке материала, например, посредством снижения уровней запыленности.
[0118] Биомасса может подаваться на транспортер при помощи ленточного транспортера, пневматического транспортера, шнекового транспортера, бункера, трубы, вручную или их комбинацией. Биомассу можно, например, опустить, вылить и/или
поместить на транспортер любым из этих способов. В некоторых вариантах реализации материал подают на транспортер с применением закрытой системы распределения материалов, чтобы помочь обеспечить атмосферу с низким содержанием кислорода и/или контроля содержания пыли и мелких частиц. Поднятые суспендированные в 5 воздухе мелкие частицы биомассы и пыль являются нежелательными, поскольку они могут создавать угрозу взрыва или повреждения фольги окон электронной пушки (при использовании такого устройства для обработки материала).
[0119] Материал можно выровнять с получением однородной толщины от около 0,0312 до 5 дюймов (например, от около 0,0625 до 2,000 дюйма, от около 0,125 до 1
10 дюйма, от около 0,125 до 0,5 дюйма, от около 0,3 до 0,9 дюйма, от около 0,2 до 0,5 дюйма, от около 0,25 до 1,0 дюйма, от около 0,25 до 0,5 дюйма, 0,100 +/- 0,025 дюйма, 0,150 +/- 0,025 дюйма, 0,200 +/- 0,025 дюйма, 0,250 +/- 0,025 дюйма, 0,300 +/- 0,025 дюйма, 0,350 +/- 0,025 дюйма, 0,400 +/- 0,025 дюйма, 0,450 +/- 0,025 дюйма, 0,500 +/-0,025 дюйма, 0,550 +/- 0,025 дюйма, 0,600 +/- 0,025 дюйма, 0,700 +/- 0,025 дюйма, 0,750
15 +/- 0,025 дюйма, 0,800 +/- 0,025 дюйма, 0,850 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма.
[0120] Как правило, является предпочтительным транспортировать материал настолько быстро, насколько его возможно пропустить через пучок электронов для максимизации производительности. Например, материал можно транспортировать при
20 скоростях, составляющих по меньшей мере 1 фут/мин, например, по меньшей мере 2 фута/мин, по меньшей мере 3 фута/мин, по меньшей мере 4 фута/мин, по меньшей мере 5 футов/мин, по меньшей мере 10 футов/мин, по меньшей мере 15 футов/мин, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 футов/мин. Скорость транспортировки связана с током пучка, например, в случае биомассы толщиной VA дюйма и 100 мА, транспортер может
25 двигаться со скоростью около 20 футов/мин с обеспечением приемлемой дозы облучения, при 50 мА транспортер может двигаться со скоростью около 10 футов/мин с обеспечением приблизительно такой же дозы облучения.
[0121] После того, как материал биомассы был транспортирован через зону облучения, могут быть выполнены необязательные процессы последующей 30 переработки. Необязательная последующая переработка может, например, представлять собой процесс, описанный относительно процесса предварительной обработки облучением. Например, биомассу можно просеять, нагреть, охладить и/или объединить с добавками. Исключительно для этапа после облучения может происходить гашение радикалов, например, гашение радикалов путем добавления
жидкостей или газов (например, кислорода, закиси азота, аммиака, жидкостей) с применением давления, нагрева и/или добавления акцепторов радикалов. Например, биомассу можно снять с закрытого транспортера и подвергнуть воздействию газа (например, кислорода), при этом она гасится с образованием карбоксилированных 5 групп. В одном из вариантов реализации изобретения биомассу во время облучения подвергают воздействию реакционно-способного газа или жидкости. Гашение облученной биомассы описано в патенте США № 8083906, принадлежащем Medoff, полное описание которого включено в данный документ посредством ссылки. [0122] При необходимости для дополнительного уменьшения устойчивости 10 материала биомассы помимо облучения можно использовать одну или более механических обработок. Эти процессы можно применить до, во время и/или после облучения.
[0123] В некоторых случаях механическая обработка может включать начальное получение сырья при поставке, например, уменьшение размера материалов, например,
15 измельчением, например, нарезанием, перемалыванием, рассеканием, тонким измельчением или дроблением. Например, в некоторых случаях неплотное сырье (например, бумага вторичной переработки, крахмалистые материалы или просо) получают резанием или нарезанием на полоски. Механическая обработка может снижать объемную плотность материала биомассы, увеличивать площадь поверхности
20 материала биомассы и/или уменьшать один или более размеров материала биомассы.
[0124] В альтернативном варианте или помимо этого, материал сырья можно сначала подвергнуть физической обработке с использованием одного или более других способов физической обработки, например, химической обработки, облучения, ультразвука, окисления, пиролиза или обработки паром, а затем подвергнуть
25 механической обработке. Эта последовательность может быть предпочтительной, так как материалы, обрабатываемые с помощью одной или более других обработок, например, облучения или пиролиза, имеют склонность быть более хрупкими, и, таким образом, будет легче дополнительно изменять структуру материала посредством механической обработки. Например, материал сырья можно транспортировать через
30 ионизирующее облучение с применением транспортера, как описано в данном документе, а затем подвергнуть механической обработке. При помощи химической обработки можно удалить некоторое количество или весь лигнин (например, химической варкой), и можно частично или полностью гидролизовать материал. Способы также можно использовать с предварительно гидролизованным материалом.
Способы также можно использовать с материалом, который не был предварительно гидролизован. Способы можно использовать со смесями гидролизованных и негидролизованных материалов, например, с около 50% или более негидролизованного материала, с около 60% или более негидролизованного материала, с около 70% или 5 более негидролизованного материала, с около 80% или более негидролизованного материала или даже с около 90% или более негидролизованного материала. [0125] Помимо уменьшения размера, которое можно выполнить в начале и/или позже в процессе переработки, механическая обработка также может быть более предпочтительной для "раскрытия", "напряжения", разрушения или разрыхления
10 материалов биомассы, делая целлюлозу материалов более восприимчивой к разрыву цепей и/или разрушению кристаллической структуры во время физической обработки. [0126] Способы механической обработки материала биомассы включают, например, перемалывание или дробление. Перемалывание может быть выполнено с применением, например, мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или
15 конусной мельницы, дисковой мельницы, бегуна, мельницы Уайли, мукомольной мельницы или другой мельницы. Дробление может быть выполнено с применением, например, дробилки режущего/ударного типа. Некоторые примеры дробилок включают жерновые дробилки, штифтовые дробилки, кофемолки и обдирные мельницы. Дробление или перемалывание могут быть обеспечены, например, штифтом с
20 качательным движением или другим элементом, как в случае со штифтовыми мельницами. Другие способы механической обработки включают механическое рыхление, разрыв, разрезание или раскол, другие способы, которые применяют давление к волокнам, и перемалывание с истиранием в воздухе. Подходящие механические обработки дополнительно включают любую другую методику, которая
25 продолжает разрушение внутренней структуры материала, начатое на предыдущих стадиях переработки.
[0127] Механические системы подготовки подачи могут быть выполнены с возможностью получения потоков с конкретными характеристиками, такими как, например, конкретные максимальные размеры, конкретные соотношения длины к 30 ширине или конкретные соотношения площадей поверхности. Физическая подготовка может увеличивать скорость реакций, улучшать движение материала по транспортеру, улучшать профиль облучения материала, улучшать однородность облучения материала или уменьшить время переработки, необходимое для раскрытия материалов и делания их более доступными для процессов и/или реагентов, таких как реагенты в растворе.
[0128] Объемную плотность сырья можно регулировать (например, увеличивать). В некоторых ситуациях может быть желательным получение материала с низкой объемной плотностью, например, посредством уплотнения материала (например, уплотнение может сделать транспортировку на другую площадку более удобной и 5 менее дорогостоящей), а затем возврата материала в состояние более низкой объемной плотности (например, после транспортировки). Материал можно уплотнить, например, от менее чем около 0,2 г/см3 до более чем около 0,9 г/см3 (например, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,5 г/см3, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,9 г/см3, от менее чем около 0,5 до более чем около 0,9 г/см3, от менее чем около 0,3 до
10 более чем около 0,8 г/см , от менее чем около 0,2 до более чем около 0,5 г/см3). Например, материал можно уплотнить с помощью способов и оборудования, которые описаны в патенте США № 7932065, принадлежащем Medoff и в публикации международной заявки № WO 2008/073186 (которая была подана 26 октября 2007 года, опубликована на английском языке и предназначена для США), полное описание
15 которых включено в данный документ посредством ссылки. Уплотненные материалы можно переработать любым из описанных в данном документе способов, или любой материал, переработанный любым из описанных в данном документе способов, можно уплотнить впоследствии.
[0129] В некоторых вариантах реализации подлежащий переработке материал 20 находится в виде волокнистого материала, который включает волокна, полученные разрезанием источника волокон. Например, разрезание может быть выполнено ротационными ножами.
[0130] Например, разрезаниеисточник волокон, например, который является устойчивым или его уровень устойчивости был снижен, можно выполнить, например,
25 ротационными ножами с получением первого волокнистого материала. Первый волокнистый материал пропускают через первое сито, например, со средним размером отверстия, составляющим 1,59 мм или менее (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), с получением второго волокнистого материала. При необходимости источник волокон можно нарезать перед разрезанием, например, с помощью шредера. Например, в случае
30 применения бумаги в качестве источника волокон, бумагу можно сначала нарезать на полоски шириной, например, 1/4-1/2 дюйма с применением шредера, например, шредера со шнеками встречного вращения, такого как производится компанией Munson (Ютика, штат Нью-Йорк). В качестве альтернативы разрезанию на полоски, бумагу можно измельчить посредством разрезания до необходимого размера в гильотинной
резальной машине. Например, гильотинную резальную машину можно применять для разрезания бумаги на листы, например, шириной 10 дюймов и длиной 12 дюймов. [0131] В некоторых вариантах реализации разрезание источника волокна и прохождение полученного первого волокнистого материала через первое сито 5 осуществляют одновременно. Разрезание и прохождение можно также осуществлять в периодическом процессе.
[0132] Например, можно использовать ротационные ножи для одновременного разрезания источника волокон и просеивания первого волокнистого материала. Ротационные ножи содержат загрузочный бункер, в который можно загрузить 10 нарезанный на полоски источник волокон, полученный в результате его нарезания на полоски. Нарезанный на полоски источник волокон.
[0133] В некоторых вариантах реализации сырье физически обрабатывают перед осахариванием и/или ферментацией. Процессы физической обработки могут включать один или более из любых способов, описанных в данном документе, такие как
15 механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или обработка паром. Способы обработки могут быть использованы в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех указанных технологий (в любом порядке). При применении более одного способа обработки, способы могут применяться одновременно или в различные моменты времени. Также
20 могут быть использованы другие процессы, которые изменяют молекулярную структуру сырья биомассы, в отдельности или в комбинации с процессами, описанными в данном документе.
[0134] Механические обработки, которые могут применяться, и свойства механически обработанных материалов биомассы более подробно описаны в
25 публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - БОМБАРДИРОВКА ЧАСТИЦАМИ [0135] Можно использовать одну или более обработок бомбардировкой частицами высоких энергий для переработки исходного сырья из большого разнообразия
30 различных источников для выделения полезных веществ из сырья и для обеспечения частично разрушенного органического материала, который используется в качестве исходного для дальнейших этапов и/или последовательностей переработки. Бомбардировка частицами может снижать молекулярную массу и/или кристалличность сырья. В некоторых вариантах реализации изобретения энергию, накопленную в
материале, которую высвобождает электрон со своей атомной орбитали, можно использовать для обработки материалов. Бомбардировка может быть обеспечена тяжелыми заряженными частицами (такими как альфа-частицы или протоны), электронами (полученными, например, при бета-распаде или в ускорителях пучка 5 электронов) или электромагнитным излучением (например, гамма-лучи, рентгеновские лучи или ультрафиолетовые лучи). В альтернативном варианте, для обработки сырья можно использовать излучение, испускаемое радиоактивными веществами . Эти обработки можно использовать в любой комбинации, в любом порядке или одновременно. В другом подходе для обработки сырья можно использовать 10 электромагнитное излучение (например, полученное с применением излучателей электронного пучка).
[0136] Каждая форма энергии ионизирует биомассу за счет взаимодействий частиц. Тяжелые заряженные частицы в первую очередь ионизируют вещество посредством кулоновского рассеяния; более того, эти взаимодействия производят электроны
15 высокой энергии, которые могут дополнительно ионизировать вещество. Альфа-частицы идентичны ядрам атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актиноидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
20 [0137] При использовании частиц, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Если они заряжены, заряженные частицы могут нести один положительный или отрицательный заряд, или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре, или больше зарядов. В случаях, когда необходим разрыв цепи, положительно заряженные частицы могут быть
25 предпочтительными, в частности, благодаря их кислотной природе. При использовании частиц, они могут обладать массой, равной массе электрона в состоянии покоя или больше, например, в 500, 1000, 1500 или 2000, или более раз больше массы электрона в состоянии покоя. Например, частицы могут обладать массой от около 1 атомной единицы до около 150 атомных единиц, например, от около 1 атомной единицы до около
30 50 атомных единиц, или от около 1 до около 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими с постоянным током, электродинамическими с постоянным током, радиочастотными линейными, магнитноиндукционными линейными или с незатухающими волнами. Например, доступны ускорители циклотронного типа
производства компании ША (Ion Beam Accelerators, Лувен-ля-Нев, Бельгия), такие как система Rhodotron(tm), тогда как ускорители постоянного тока, такие как Dynamitron(tm), доступны от компании RDI, сейчас ША Industrial. Ионы и ионные ускорители описаны в публикациях Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. 5 (1988), Krsto Prelec, FIZDCA В 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William Т., "Overview of Light-Ion Beam Therapy", Колумбус, штат Огайо, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 Mar. 2006; Iwata, Y. et al. "Alternating-Phase-Focused Ш-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Эдинбург, Шотландия; и Leitner, С. M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Вена, Австрия. 10 [0138] Используемые дозы зависят от желаемого эффекта и конкретного сырья. Например, высокие дозы могут разрушать химические связи в компонентах сырья, а низкие дозы могут усиливать химическое связывание (например, перекрестное сшивание) в компонентах сырья.
[0139] В некоторых случаях, если необходимы разрыв цепей и/или
15 функционализация полимерной цепи, можно использовать частицы, которые тяжелее электронов, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Если необходим разрыв цепей с раскрытием цикла, можно использовать положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислоты Льюиса, для усиления разрыва цепей с
20 раскрытием циклаа. Например, если необходимы кислородсодержащие функциональные группы, можно выполнить обработку в присутствии кислорода или даже обработку ионами кислорода. Например, если необходимы азотсодержащие функциональные группы, можно выполнить обработку в присутствии азота или даже обработку ионами азота.
25 ДРУГИЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ
[0140] Электроны взаимодействуют посредством кулоновского рассеяния и тормозного излучения, образованного при изменении скорости электронов. Электроны могут быть получены из радиоактивны ядера, которые подвергаются бета-распаду, таких как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. В альтернативном варианте, в
30 качестве источника электронов можно использовать электронную пушку за счет термоионной эмиссии.
[0141] Электромагнитное излучение взаимодействует за счет трех процессов: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пар. Преобладающее взаимодействие определяется энергией падающего излучения и
атомным числом материала. Суммирование взаимодействий, вносящих вклад в поглощенное излучение в целлюлозном материале, можно выразить массовым коэффициентом поглощения.
[0142] Электромагнитное излучение подклассифицируют как гамма-лучи, 5 рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволны или радиоволны, в зависимости от длины волны.
[0143] Например, гамма-излучение можно использовать для обработки материалов. Преимуществом гамма-излучения является существенная глубина проникания в различные материалы образца. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, 10 такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, таллия и ксенона.
[0144] Источники рентгеновских лучей включают столкновение электронных пучков с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден, или сплавами, или компактные источники света, такие, которые производится на 15 коммерческой основе компанией Lyncean.
[0145] Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.
[0146] Источники инфракрасного излучения включают керамические лампы с окнами из сапфира, цинка или селенида . 20 [0147] Источники микроволн включают клистроны, предложенные Слевином РЧ-источники или источники пучков атомов, в которых используют пучков атомов водород, кислород или азот.
[0148] В способах, описанных в данном документе, можно использовать различные другие устройства, в том числе источники полевой ионизации, электростатические
25 разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, рециркулирующие или статические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-де-Граафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства описаны, например, в патенте США № 7931784 В2, полное описание которого включено в данный документ
30 посредством ссылки.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - БОМБАРДИРОВКА ЭЛЕКТРОНАМИ [0149] Сырье может быть обработано посредством бомбардировки электронами для модификации его структуры и, таким образом, снижения его устойчивости. Подобная обработка может, например, снижать среднюю молекулярную массу сырья, изменять
кристаллическую структуру сырья и/или увеличивать площадь поверхности и/или пористость сырья.
[0150] Как правило, бомбардировка электронами посредствомэлектронного пучка более предпочтительна, так как она обеспечивает очень высокую производительность и 5 потому что применение устройства с пучком электронов относительно низкого напряжения/ высокой мощности устраняет необходимость в дорогостоящей защите из бетонного сооружения, поскольку подобные устройства являются "самоэкранирующими" и обеспечивают безопасный, эффективный процесс. В то время как "самоэкранирующие" устройства действительно включают экранирование
10 (например, экранирование металлической пластиной), они не требуют строительства из бетонного сооружения, что значительно снижает капитальные затраты и зачастую позволяет использовать существующий промышленный объект без дорогостоящей модификации. В продаже имеются ускорители пучка электронов, например, производства компаний ГВА (Ion Beam Applications, Лувен-ля-Нев, Бельгия), Titan
15 Corporation (Сан-Диего, штат Калифорния, США) и NHV Corporation (Nippon High Voltage, Япония).
[0151] Бомбардировку электронами можно осуществлять с применением электроннолучевого устройства, номинальная энергия которого составляет менее 10 МэВ, например, менее чем 7 МэВ, менее чем 5 МэВ или менее чем 2 МэВ, например, от 20 около 0,5 до 1,5 МэВ, от около 0,8 до 1,8 МэВ, от около 0,7 до 1 МэВ или от около 1 до около 3 МэВ. В некоторых вариантах реализации номинальная энергия составляет от около 500 до 800 кэВ.
[0152] Электронный пучок может иметь относительно высокую общую мощность (общая мощность электронных пучков всех ускоряющих головок или, в случае
25 использования нескольких ускорителей, мощность всех ускорителей и всех головок), например, составляющую по меньшей мере 25 кВт, например, по меньшей мере 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 или 150 кВт. В некоторых случаях мощность превышает даже 500 кВт, 750 кВт или даже 1000 кВт, или более. В некоторых случаях мощность электронного пучка составляет 1200 кВт или более.
30 [0153] Эта высокая общая мощность электронного пучка обычно достигается за счет использования нескольких ускоряющих головок. Например, электроннолучевое устройство может содержать две, четыре или более ускоряющих головок. Использование нескольких головок, каждая из которых имеет относительно низкую мощность пучка, предотвращает чрезмерное возрастание температуры в материале, тем
самым предотвращая горение материала, а также увеличивает равномерность дозы по толщине слоя материала.
[0154] В некоторых вариантах реализации изобретения желательно охладить материал во время бомбардировки электронами. Например, материал можно охладить 5 во время его транспортировки, например, при помощи шнекового экструдера или другого транспортирующего оборудования.
[0155] Для снижения энергии, необходимой в процессе уменьшения устойчивости, желательно обработать материал настолько быстро, насколько это возможно. В целом предпочтительно проводить обработку при интенсивности дозы, составляющей более
10 чем около 0,25 Мрад в секунду, например, более чем около 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 5, 7, 10, 12, 15 или даже более чем около 20 Мрад в секунду, например, от около 0,25 до 2 Мрад в секунду. Более высокие интенсивности дозы обычно требуют более высоких линейных скоростей во избежание теплового разложения материала. В одном варианте реализации изобретения ускоритель устанавливают на 3 МэВ, 50 мА тока пучка, а
15 линейную скорость на 24 фута/минуту, при толщине образца, составляющей около 20 мм (например, измельченный материал стержней кукурузных початков с объемной плотностью, составляющей 0,5 г/см3).
[0156] В некоторых вариантах реализации изобретения бомбардировку электронами выполняют до тех пор, пока материал не получит общую дозу, составляющую по
20 меньшей мере 0,5 Мрад, например, по меньшей мере 5, 10, 20, 30 или по меньшей мере 40 Мрад. В некоторых вариантах реализации изобретения обработку выполняют до тех пор, пока материал не получит дозу, составляющую от около 0,5 Мрад до около 150 Мрад, от около 1 Мрад до около 100 Мрад, от около 2 Мрад до около 75 Мрад, от 10 Мрад до около 50 Мрад, например, от около 5 Мрад до около 50 Мрад, от около 20
25 Мрад до около 40 Мрад, от около 10 Мрад до около 35 Мрад или от около 25 Мрад до около 30 Мрад. В некоторых вариантах реализации изобретения предпочтительной является общая доза, составляющая от 25 до 35 Мрад, оптимально применяемая в течение нескольких секунд, например, составляющая 5 Мрад/прохождение, применяемая при каждом прохождении в течение около одной секунды. Применение
30 дозы, составляющей более чем 7-8 Мрад/прохождение в некоторых случаях может вызвать термическое разложение материала сырья.
[0157] Применяя несколько головок, как описано выше, материал можно обработать за несколько прохождений, например, за два прохождения при от 10 до 20 Мрад/прохождение, например, от 12 до 18 Мрад/прохождение с перерывом в несколько
секунд для охлаждения или за три прохождения от 7 до 12 Мрад/прохождение, например, от 9 до 11 Мрад/прохождение. Как обсуждалось выше, обработка материала несколькими относительно низкими дозами, а не одной большой дозой, как правило, предотвращает перегрев материала, а также увеличивает равномерность распределения 5 дозы по толщине материала. В некоторых вариантах реализации материал перемешивают или иным образом смешивают во время или после каждого прохождения, а затем снова выравнивают в равномерный слой перед следующим прохождением для дополнительного улучшения равномерности обработки. [0158] В некоторых вариантах реализации изобретения электроны ускоряют до, 10 например, до скорости, составляющей более 75 процентов больше скорости света, например, более 85, 90, 95 или 99 процентов скорости света.
[0159] В некоторых вариантах реализации изобретения любую переработку, описанную в данном документе, осуществляют на лигноцеллюлозном материале, который остается сухим при приобретении или который высушивают, например, с 15 помощью тепла и/или пониженного давления. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения в целлюлозном и/или лигноцеллюлозном материале содержится менее около пяти процентов по массе удерживаемой воды, измеренной при 25 °С и пятидесяти процентах относительной влажности.
[0160] Можно применять бомбардировку электронами, поскольку целлюлозный 20 и/или лигноцеллюлозный материал подвергают воздействию воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже одного кислорода, или же подвергают воздействию инертным газом, таким как азот, аргон или гелий. Если требуется максимальное окисление, применяют окислительную среду, такую как воздух или кислород, а расстояния от источника пучка оптимизируют, чтобы максимизировать образование 25 химически реакционно-способного газа, например, озона и/или оксидов азота.
[0161] В некоторых вариантах реализации изобретения используют два или более источников электронов, таких как два или более ионизирующих источников. Например, образцы можно в любом порядке обработать электронным пучком, а затем гамма-излучением и УФ излучением, длина волны которого составляет от около 100 нм 30 до около 280 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения образцы обрабатывают тремя источниками ионизирующего излучения, такими как пучок электронов, гамма-излучение и УФ излучение высокой энергии. Биомассу транспортируют через зону обработки, в которой ее можно подвергнуть бомбардировке электронами. Как правило, более предпочтительным является, чтобы при облучении у
подложки материала биомассы была относительно равномерная толщина, как описано выше.
[0162] Может быть целесообразным повторение обработки для более полного уменьшения устойчивости биомассы и/или дополнительной модификации биомассы . В 5 частности, параметры процесса могут быть установлены после первого (например, второго, третьего, четвертого или более) прохождения в зависимости от устойчивости материала. В некоторых вариантах реализации изобретения можно использовать такой транспортер, который включает круговую систему, в которой биомасса перемещается много раз через различные процессы, описанные выше. В некоторых других вариантах
10 реализации изобретения используют несколько устройств обработки (например, электроннолучевые генераторы) для обработки биомассы несколько (например, 2, 3, 4 и более) раз. В еще других вариантах реализации изобретения один электроннолучевой генератор может являться источником нескольких пучков (например, 2, 3, 4 или более пучков), которые можно использовать для обработки биомассы.
15 [0163] Эффективность изменения молекулярной/надмолекулярной структуры и/или уменьшения устойчивости биомассы зависит от используемой энергии электронов и применяемой дозы, тогда как длительность воздействия зависит от мощности и дозы. [0164] В некоторых вариантах реализации изобретения обработку (любым источником электронов или комбинацией источников) выполняют до тех пор, пока
20 материал не получит дозу по меньшей мере около 0,05 Мрад, например, по меньшей мере около 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 1,0, 2,5, 5,0, 7,5, 10,0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175 или 200 Мрад. В некоторых вариантах реализации изобретения обработка выполняют до тех пор, пока материал не получит дозу в интервале 0,1-100 Мрад, 1-200, 5-200, 10-200, 5-150, 5-100, 5-50, 5-40, 10 -50, 10-75, 15-50, 20-35 Мрад.
25 [0165] В некоторых вариантах реализации изобретения обработку выполняют при интенсивности дозы, составляющей от 5,0 до 1500,0 крад/час, например, от 10,0 до 750,0 крад/час или от 50.0 до 350,0 крад/час. В других вариантах реализации изобретения обработку выполняют при интенсивности дозы, составляющей от 10 до 10000 крад/час, от 100 до 1000 крад/час или от 500 до 1000 крад/час.
30 ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ
[0166] Электроны взаимодействуют посредством кулоновского рассеяния и тормозного излучения, возникающего в результате изменений в скорости электронов. Электроны можно получить с помощью радиоактивных ядер, которые подвергаются бета-распаду, таких как изотопы изотопы йода, цезия, технеция и иридия. В
альтернативном варианте можно использовать электронную пушку в качестве источника электронов посредством термоионной эмиссии и ускорения за счет ускоряющего потенциала. Электронная пушка генерирует электроны, ускоряет их за счет сильного потенциала (например, более чем около 500 тысяч, более чем около 1 миллион, более 5 чем около 2 миллиона, более чем около 5 миллионов, более чем около 6 миллионов, более чем около 7 миллионов, более чем около 8 миллионов, более чем около 9 миллионов или даже более чем 10 миллионов вольт), а затем сканирует их магнитным способом в плоскости х,-у, в которой электроны изначально ускорялись в направлении z вниз по трубке, и выбрасывает через фольговое окно. Сканирование электронного пучка
10 применимо для увеличения поверхности облучения при облучении материалов, например, биомассы, которая проходит через сканирующий пучок. Сканирование электронного пучка также равномерно распределяет тепловую нагрузку на окно и помогает уменьшить разрушение фольгового окна за счет локального нагрева электронным пучком. Разрушение фольгового окна является причиной существенного
15 по времени простоя из-за последующего необходимого восстановления и восстановления электронной пушки.
[0167] В способах, описанных в данном документе, используют различные другие облучающие устройства, в том числе источники полевой ионизации, электростатические разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники
20 термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, рециркулирующие или статические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-де-Граафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства описаны, например, в патенте США № 7931784, принадлежащем Medoff, полное описание которого включено в данный документ посредством ссылки.
25 [0168] Электронный пучок можно использовать в качестве источника излучения. Электронный пучок обладает преимуществом доз с высокой интенсивностью (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительностью, меньшим ограждением и меньшей защитой оборудования. Электронные пучки также могут обладать высоким электрическим коэффициентом полезного действия (например,
30 80%), что позволяет использовать меньшее количество энергии по сравнению с другими способами облучения, что может обуславливать более низкие эксплуатационные расходы и более низкие выбросы парниковых газов, что соответствует меньшему количеству используемой энергии. Электронные пучки могут генерироваться, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных
генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей с системой сканирования, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей.
[0169] Электроны также могут быть более эффективными при вызывании 5 изменений в молекулярной структуре материалов биомассы, например, с помощью механизма разрыва цепей. Помимо этого, электроны, энергия которых составляет 0,510 МэВ, могут проникать в материалы с низкой плотностью, такие как материалы биомассы, описанные в данном документе, например, материалы, объемная плотность которых составляет менее чем 0,5 г/см3, а толщина составляет 0,3-10 см. Электроны в
10 качестве источника ионизирующего излучения можно использовать, например, для относительно тонких пачек, слоев или пластов материалов, например, менее чем около 0,5 дюйма, например, менее чем около 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,25 дюйма или менее чем около 0,1 дюйм. В некоторых вариантах реализации изобретения энергия каждого электрона электронного пучка составляет от около 0,3 МэВ до около 2,0 МэВ
15 (мегаэлектронвольт), например, от около 0,5 МэВ до около 1,5 МэВ или от около 0,7 МэВ до около 1,25 МэВ. Способы облучения материалов описаны в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки.
[0170] Устройства для облучения электронным пучком можно коммерчески 20 приобрести у таких производителей, как Ion Beam Applications (Лувен-ля-Нев, Бельгия), Titan Corporation (Сан-Диего, штат Калифорния) и NHV Corporation (Nippon High Voltage, Япония). Типичные энергии электронов могут составлять 0,5 МэВ, 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения электронным пучком может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 25 60 кВт, 70 кВт, 80 кВт, 90 кВт, 100 кВт, 125 кВт, 150 кВт, 175 кВт, 200 кВт, 250 кВт, 300 кВт, 350 кВт, 400 кВт, 450 кВт, 500 кВт, 600 кВт, 700 кВт, 800 кВт, 900 кВт или даже 1000 кВт.
[0171] При выборе оптимальных характеристик мощности устройств для облучения электронным пучком учитывают эксплуатационные расходы, капитальные затраты, 30 амортизацию и контур устройства. При выборе оптимальных уровней доз облучения электронным пучком учитывают энергетические затраты, а также вопросы окружающей среды, надежности и защиты здоровья (ESH). Как правило, генераторы размещают в сооружении, например, из свинца или бетона, специально для защиты от рентгеновских лучей, которые генерируются в данном процессе. При выборе
оптимальных характеристик энергии электронов учитывают затраты на электроэнергию.
[0172] Устройство облучения электронным пучком может генерировать или фиксированный пучок, или сканирующий пучок. Сканирующий пучок , с большой 5 длиной развертки сканирования и высокими скоростями сканирования может быть предпочтительным, поскольку он будет эффективно заменять большую ширину фиксированного пучка. Кроме того, доступны ширины развертки, составляющие 0,5 м, 1 м, 2 м и более. Сканирующий пучок является предпочтительным в большинстве вариантов реализации, описанных в данном документе, в связи с большей шириной 10 сканирования, а также сниженной возможностью локального нагрева и разрушения окон.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - ОБРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОМ, ПИРОЛИЗ, ОКИСЛЕНИЕ, ОБРАБОТКА ПАРОМ
[0173] При необходимости можно использовать одну или более обработок 15 посредством процессов ультразвука, пиролиза, окисления или обработки паром в дополнение или вместо бомбардировки электронами для дополнительного уменьшения устойчивости материала биомассы. Эти процессы можно применить до, во время или после другой обработки или обработок. Эти процессы подробно описаны в патенте США № 7932065, принадлежащем Medoff, полное описание которого включено в 20 данный документ посредством ссылки.
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТАННОГО МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ
[0174] При использовании способов, описанных в данном документе, исходный материал биомассы (например, биомасса растений, биомасса животных, бумага и биомасса муниципальных сточных вод) можно использовать в качестве сырья для
25 получения применимых промежуточных соединений и продуктов, таких как органические кислоты, соли органических кислот, ангидриды, сложные эфиры органических кислот и топлива, например, топлива для двигателей внутреннего сгорания или сырье для топливных элементов. В данном документе описаны системы и процессы, в которых в качестве сырья можно использовать целлюлозные и/или
30 лигноцеллюлозные материалы, которые являются легкодоступными, но зачастую могут быть сложными для переработки, например, потоки муниципальных сточных вод и потоки сточных вод при производстве бумаги, например, потоки, которые включают газетную бумагу, крафт-бумагу, гофрированную бумагу или их смеси.
[0175] Для превращения сырья в форму, которую можно легко переработать, глюкан- или ксилансодержащую целлюлозу в сырье можно подвергнуть гидролизу до низкомолекулярных углеводов, таких как сахара, с использованием осахаривающего средства, например, фермента или кислоты, в процессе, называемом осахаривание. 5 Затем можно использовать низкомолекулярные углеводы, например, на существующей производственной установке, такой как установка для получения белка одноклеточных организмов, установка для получения ферментов или установка для получения топлива, например, производственные мощности по выпуску этанола.
[0176] Сырье можно подвергнуть гидролизу с использованием фермента, например, 10 посредством объединения материалов и фермента в растворителе, например, в водном растворе.
[0177] В альтернативном варианте микроорганизмы могут поставлять ферменты, которые способны разрушать биомассу, такую как целлюлоза и/или лигниновые части биомассы, могут содержать или продуцировать различные целлюлолитические
15 ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные низкомолекулярные метаболиты, разлагающие биомассу. Эти ферменты могут представлять собой комплекс ферментов, который действует синергично для разложения кристаллической целлюлозы или лигниновых частей биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (бета-глюкозидазы).
20 [0178] Во время осахаривания целлюлозный субстрат сначала может быть гидролизован эндоглюканазами в произвольных положениях с получением олигомерных промежуточных соединений. Эти промежуточные соединения впоследствии являются субстратами для экзо-расщепления глюканаз, таких как целлобиогидролаза, с получением целлобиозы из концов полимера целлюлозы.
25 Целлобиоза представляет собой растворимый в воде 1,4-связанный димер глюкозы. В конечном итоге, целлобиаза расщепляет целлобиозу с получением глюкозы. Эффективность (например, время гидролиза и/или полнота гидролиза) этого процесса зависит от устойчивости целлюлозного материала. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ПРОДУКТЫ
30 [0179] С применением процессов, описанных в данном документе, материал биомассы можно превратить в один или более продуктов, таких как энергия, топлива, пищевые продукты и материалы. Конкретные примеры продуктов включают, без ограничения ими, водород, сахара (например, глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, фруктоза, дисахариды, олигосахариды и полисахариды), спирты (например,
одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол, изобутанол, втор-бутанол, трет-бутанол или н-бутанол), гидратированные или водные спирты (например, содержащие более чем 10%, 20%, 30% или даже более чем 40 % воды), биодизельное топливо, органические кислоты, углеводороды (например, метан, 5 этан, пропан, изобутен, пентан, н-гексан, биодизельное топливо, биобензин и их смеси), побочные продукты (например, белки, такие как целлюлолитические белки (ферменты) или белки одноклеточных организмов) и смеси любых из них в любой комбинации или относительной концентрации и необязательно в комбинации с любыми добавками (например, топливными присадками). Другие примеры включают карбоновые кислоты,
10 соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и соли карбоновых кислот, и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны (например, ацетон), альдегиды (например, ацетальдегид), альфа- и бета-ненасыщенные кислоты (например, акриловая кислота) и олефины (например, этилен). Другие спирты и производные спиртов включают пропанол,
15 пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, сахарные спирты и полиолы (например, гликоль, глицерин, эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, галактит, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит, лактит, мальтотриит, мальтотетраит и полиглицит, а также другие полиолы), и метиловые или этиловые сложные эфиры любых указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат,
20 молочную кислоту, лимонную кислоту, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, валериановую кислоту, капроновую кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, гликолевую кислоту, гамма-гидроксимасляную
25 кислоту и их смеси, соли любых указанных кислот, смеси любых кислот и их соответствующих солей.
[0180] Любая комбинация вышеуказанных продуктов друг с другом и/или вышеуказанных продуктов с другими продуктами, причем другие продукты могут быть получены посредством процессов, описанных в данном документе, или иным образом, 30 могут быть упакованы вместе и продаваться в виде продуктов. Продукты могут быть объединены, например, смешиванием, перемешиванием или совместным растворением, или могут быть просто упакованы или продаваться вместе.
[0181] Любые из продуктов или комбинаций продуктов, описанных в данном документе, можно дезинфицировать или стерилизовать перед продажей продуктов,
например, после очистки или выделения, или даже после упаковки, чтобы нейтрализовать один или более потенциально нежелательных загрязнителей, которые могут присутствовать в продукте (продуктах). Такую дезинфекцию можно выполнить с помощью бомбардировки электронами, например, при дозировке, составляющей менее 5 чем около 20 Мрад, например, от около 0,1 до 15 Мрад, от около 0,5 до 7 Мрад или от около 1 до 3 Мрад.
[0182] При помощи процессов, описанных в данном документе, можно получить различные потоки побочных продуктов, применимые для генерации пара и электричества, потребляемых в других частях установки (когенерация) или
10 продаваемых на открытом рынке. Например, пар, полученный при горении потоков побочных продуктов, можно использовать в процессе дистилляции. В качестве другого примера, электричество, генерируемое при горении потоков побочных продуктов, можно использовать для питания электроннолучевых генераторов, используемых при предварительной обработке.
15 [0183] Побочные продукты, используемые для генерации пара и электричества, получают из ряда источников на протяжении всего процесса. Например, анаэробное разложение сточных вод может давать биогаз с высоким содержанием метана и небольшим количеством сточной биомассы (шлам). В качестве другого примера можно использовать твердые вещества после осахаривания и/или после дистилляции (например,
20 непрореагировавший лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза, оставшиеся после предварительной обработки и первичных процессов), например, сжигаемые в качестве топлива.
[0184] Многие из полученных продуктов, таких как этанол или н-бутанол, можно использовать в качестве топлива для питания автомобилей, грузовых автомобилей,
25 тракторов, кораблей или поездов, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в качестве сырья для топливного элемента. Многие из полученных продуктов также можно использовать для питания воздушных летательных аппаратов, таких как самолеты, например, с реактивными двигателями, или вертолеты. Кроме того, продукты, описанные в данном документе, можно
30 использовать для генерации электроэнергии, например, в обычной парогенераторной установке или установке топливных элементов.
[0185] Другие промежуточные соединения и продукты, в том числе пищевые и фармацевтические продукты описаны в публикации заявки на патент США
2010/0124583 Al, опубликованной 20 мая 2010 года, принадлежащей Medoff, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. ОСАХАРИВАНИЕ
[0186] Обработанные материалы биомассы могут быть подвергнуты осахариванию, 5 как правило, посредством объединения материала и фермента целлюлазы в жидкой среде, например, в водном растворе. В некоторых случаях сырье кипятят, замачивают или варят в горячей воде перед осахариванием, как описано в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, принадлежащей Medoff и Masterman, опубликованной 26 апреля 2012 года, полное описание которой включено в данный документ
10 посредством ссылки.
[0187] Процесс осахаривания может быть частично или полностью выполнен в резервуаре (например, в резервуаре с объемом, составляющим по меньшей мере 4000, 40000 или 500000 л) на производственной установке и/или может быть частично или полностью выполнен при транспортировке, например, в железнодорожной цистерне,
15 автоцистерне или в супертанкере или в отсеке судна. Время, необходимое для полного осахаривания, будет зависеть от условий процесса и используемых материала биомассы и фермента. Если осахаривание выполняют на производственной установке при контролируемых условиях, целлюлоза может быть, по сути, полностью превращена в сахар, например, глюкозу почти за 12-96 часов. Если осахаривание выполняют
20 частично или полностью во время транспортировки, осахаривание может занять больше времени.
[0188] Как правило, предпочтительно, чтобы содержимое резервуара смешивалось во время осахаривания, например, посредством струйного перемешивания, как описано в международной заявке № PCT/US2010/035331, поданной 18 мая 2010 года, которая была 25 опубликована на английском языке как WO 2010/135380 и предназначалась для США, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. [0189] Добавление поверхностно-активных веществ может увеличивать скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ включают неионные
поверхностно-активные вещества, такие как полиэтиленгликолевые поверхностно-
30 активные вещества Tween(r) 20 или Tween(r) 80, ионные поверхностно-активные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества.
[0190] В целом предпочтительно, чтобы концентрация сахарного раствора, полученного в результате осахаривания, была сравнительно высокой, например, более
чем 40%, или более чем 50, 60, 70, 80, 90 или даже более чем 95% по массе. Воду можно удалить, например, посредством выпаривания для увеличения концентрации сахарного раствора. Это позволяет уменьшить объем при транспортировке и также ингибирует рост микроорганизмов в растворе. 5 [0191] В альтернативном варианте можно использовать сахарные растворы более низких концентраций, в этом случае может потребоваться добавить противомикробную добавку, например, антибиотик широкого спектра действия при низкой концентрации, например, от 50 до 150 м.д. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В,
10 канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении и их можно использовать при подходящих концентрациях, например, от 15 до 1000 м.д. по массе, например, от 25 до 500 м.д. или от 50 до 150 м.д. При необходимости можно добавить антибиотик, если даже концентрация сахара сравнительно высокая. В альтернативном
15 варианте можно использовать другие добавки с противомикробным препаратом с защитными свойствами. Предпочтительно, противомикробная добавка (добавки) является пищевой.
[0192] Раствор с относительно высокой концентрацией можно получить посредством ограничения количества воды, добавляемого к материалу биомассы с
20 ферментом. Концентрацию можно регулировать, например, посредством контроля того, насколько сильным будет осахаривание. Например, концентрацию можно увеличить посредством добавления в раствор большего количества материала биомассы. Для того, чтобы сохранить в растворе образованный сахар, можно добавить поверхностно-активное вещество, например, одно из обсуждаемых выше.
25 Растворимость также можно увеличить посредством повышения температуры раствора. Например, температуру раствора можно поддерживать при 40-50 °С, 60-80 °С или даже выше.
ОСАХАРИВАЮЩИЕ АГЕНТЫ
[0193] Подходящие целлюлолитические ферменты включают целлюлазы из видов 30 рода Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium, Aspergillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium и Trichoderma, особенно те, которые получены с помощью штамма, выбранного из видов Aspergillus (смотри, например, публикацию Европейского патента № 0458162), Humicola insolens (переклассифицированный как Scytalidium thermophilum, смотри,
например, патент США № 4435307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (включая, без ограничения ими, A. persicinum, A. acremonium, A. brachypenium, А. dichromosporum, A. obclavatum, A. pinkertoniae, A. roseogriseum, A. incoloratum и А. 5 furatum). Предпочтительные штаммы включают Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73,
10 Acremonium obclavatum CBS 311.74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62 и Acremonium furatum CBS 299.70H. Целлюлолитические ферменты также можно получить из Chrysosporium, предпочтительно из штамма Chrysosporium lucknowense. Дополнительные штаммы, которые можно использовать, включают, без ограничения ими, Trichoderma (в
15 частности, Т. viride, Т. reesei и Т. koningii), алкалофильные Bacillus (смотри, например, патент США № 3844890 и публикацию Европейского патента № 0458162) и Streptomyces (смотри, например, публикацию Европейского патента № 0458162). [0194] Многие микроорганизмы, которые можно использовать для осахаривания материала биомассы и получения Сахаров, также можно использовать для ферментации
20 и превращения этих Сахаров в желаемые продукты. САХАРА
[0195] В процессах, описанных в данном документе, например, после осахаривания можно выделить сахара (например, глюкозу и ксилозу). Например, сахара можно выделить посредством осаждения, кристаллизации, хроматографирования (например, 25 хроматографии с псевдодвижущимся слоем, хроматографии высокого давления), центрифугирования, экстрагирования, или любым другим способом выделения, известным в данной области техники, и посредством их комбинаций. ГИДРИРОВАНИЕ И ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
[0196] Процессы, описанные в данном документе, могут включать гидрирование. 30 Например, глюкозу и ксилозу можно гидрировать до сорбита и ксилита, соответственно. Гидрирование можно выполнить с помощью катализатора (например, Рг/гамма-АЬОз, Ru/C, никеля Ренея или других известных в данной области техники катализаторов) в комбинации с Нг при высоком давлении (например, от 10 до 12000 фунтов на квадратный дюйм). Можно использовать другие типы химических превращений
продуктов из описанных в данном документе процессов, например, получение производных продуктов органических Сахаров (например, фурфурол и производные продукты фурфурола). Химические превращения производных продуктов Сахаров, описаны в предварительной заявке на патент США № 61/667481, поданной 3 июля 2012 5 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. ФЕРМЕНТАЦИЯ
[0197] Дрожжи и бактерии Zymomonas, например, можно использовать для ферментации или превращения сахара (сахаров) в спирт (спирты). Другие микроорганизмы описаны ниже. Оптимальное значение рН для ферментаций
10 составляет от около 4 до 7. Например, оптимальное значение рН для дрожжей составляет около от 4 до 5, тогда как оптимальное значение рН для Zymomonas составляет около от 5 до 6. Типичное время ферментации составляет от около 24 до 168 часов (например, от 24 до 96 часов) при температурах в диапазоне от 20 °С до 40 °С (например, от 26 °С до 40 °С), тем не менее термофильные микроорганизмы
15 предпочитают более высокие температуры.
[0198] В некоторых вариантах реализации, например, при использовании анаэробных организмов по меньшей мере часть ферментации проводят при отсутствии кислорода, например, в атмосфере инертного газа, такого как N2, Аг, Не, СО2 или их смеси. Кроме того, смеси может быть необходимо постоянное нагнетание инертного
20 газа, который бы проходил через резервуар в течение части или всего периода ферментации. В некоторых случаях анаэробное условие может быть достигнуто или сохраняться при помощи образования диоксида углерода во время ферментации и без необходимости дополнительного инертного газа.
[0199] В некоторых вариантах реализации изобретения весь или часть процесса 25 ферментации можно прервать до полного превращения низкомолекулярного сахара в продукт (например, этанол). Промежуточные продукты ферментации включают сахар и углеводы в высоких концентрациях. Сахара и углеводы можно выделить с помощью любых способов, известных в данной области техники. Эти промежуточные продукты ферментации можно использовать при получении пищевых продуктов для потребления 30 человеком или животным. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта промежуточные продукты ферментации можно измельчить до тонкодисперсных частиц в лабораторной мельнице из нержавеющей стали с получением мукоподобного вещества.
[0200] Во время ферментации можно использовать струйное перемешивание, а в некоторых случаях осахаривание и ферментацию выполняют в одном резервуаре. [0201] Питательные вещества для микроорганизмов можно добавить во время осахаривания и/или ферментации, например, упаковки питательных веществ на основе 5 пищевых продуктов, описанные в публикации заявки на патент США 2012/0052536, поданной 15 июля 2011 года, полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки.
[0202] "Ферментация" Во время ферментации можно использовать способы и продукты, которые описаны в предварительной заявке на патент США № 61/579559, 10 поданной 22 декабря 2012 года, и предварительной заявке на патент США № 61/579576, поданной 22 декабря 2012 года, полное описание которых включено в данный документ посредством ссылки.
[0203] Можно использовать передвижные ферментеры, как описано в международной заявке № PCT/US2007/074028 (которая была подана 20 июля 2007 года,
15 опубликована на английском языке как WO 2008/011598 и предназначена для США), содержание которой включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме. Подобным образом оборудование для осахаривания может быть передвижным. Кроме того, осахаривание и/или ферментацию можно частично или полностью выполнять во время транспортировки.
20 АГЕНТЫ ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИИ
[0204] Микроорганизм (микроорганизмы), используемый при ферментации, могут представлять собой микроорганизмы природного происхождения и/или сконструированные микроорганизмы. Например, микроорганизмом может быть бактерия (включая, без ограничения ими, например, целлюлолитические бактерии),
25 гриб (включая, без ограничения ими, например, дрожжи), растение, простейшие организмы, например, одноклеточные животные организмы или грибоподобные простейшие организмы (включая, без ограничения ими, например, слизевые грибы), или водоросли. Если организмы совместимы, можно использовать смеси организмов. [0205] Подходящие ферментирующие микроорганизмы обладают способностью
30 превращать углеводы, такие как глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода Saccharomyces spp. (включая, без ограничения ими, S. cerevisiae (хлебопекарные дрожжи), S. distaticus, S. uvarum), рода Kluyveromyces (включая, без ограничения ими, К. marxianus, К. fragilis),
рода Candida (включая, без ограничения ими, С pseudotropicalis и С brassicae), Pichia stipitis (родственный Candida shehatae), рода Clavispora (включая, без ограничения ими, С. lusitaniae и С. opuntiae), рода Pachysolen (включая, без ограничения ими, Р. tannophilus), рода Bretannomyces (включая, без ограничения ими, например, В. clausenii 5 (Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)). Другие подходящие микроорганизмы включают, например, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. (включая, без ограничения ими, С. thermocellum (Philippidis, 1996, см. выше), Csaccharobutylacetonicum, С. saccharobutylicum, С. Puniceum, С. beijernckii и С.
10 acetobutylicum), Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis, Lactobacillus spp., Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp., Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans sp., Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes sp.,Pseudozyma tsukubaensis, виды дрожжей рода Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula и Pichia и дематиоидные грибы рода Torula.
15 [0206] Например, Clostridium spp. можно использовать для получения этанола, бутанола, масляной кислоты, уксусной кислоты и ацетона. Lactobacillus spp. можно использовать для получения молочной кислоты.
[0207] Многие из таких штаммов микроорганизмов являются общедоступными, или коммерчески доступными, или доступными в депозитариях, таких как АТСС 20 (Американская коллекция типовых культур, Манассас, штат Вирджиния, США), NRRL (коллекция культур Службы сельскохозяйственных исследований, Пеория, штат Иллинойс, США) или DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Брауншвейг, Германия).
[0208] Коммерчески доступные дрожжи включают, например, Red Star(r)/Lesaffre 25 Ethanol Red (производства Red Star/Lesaffre, США), FALI(r) (производства Fleischmann's Yeast, подразделение Burns Philip Food Inc., США), SUPERSTART(r) (производства Alltech, сейчас Lallemand), GERT STRAND(r) (производства Gert Strand AB, Швеция) и FERMOL(r) (производства DSM Specialties).
[0209] Многие микроорганизмы, которые можно использовать для осахаривания 30 материала биомассы и производства Сахаров, также можно использовать для ферментации и превращения этих Сахаров в применимые продукты.
дастилляция
[0210] После ферментации полученные жидкости можно дистиллировать с применением, например, "бражной колонны" для отделения этанола и других спиртов от
большей части воды и остаточных твердых веществ. Пар, выходящий из бражной колонны, может содержать, например, 35 масс. % этанола и может подаваться в ректификационную колонну. Смесь практически азеотропного (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны можно очистить до чистого (99,5%) этанола с помощью 5 парофазных молекулярных сит. Кубовые остатки бражной колонны можно направить на первую ступень трехступенчатого испарителя. Противоточный конденсатор ректификационной колонны может обеспечить тепло для этой первой ступени. После первой ступени твердые вещества можно отделить с помощью центрифуги и высушить в барабанной сушилке. Часть (25%) фугата можно повторно использовать для
10 ферментации, а остальное отправить на вторую и третью ступени испарителя. Большую часть конденсата испарителя можно вернуть в процесс в виде относительно чистого конденсата, лишь небольшая часть которого идет на обработку отработанной воды для предотвращения образования скоплений низкокипящих соединений. [0211] За исключением примеров, описанных в данном документе, или, если не
15 определено иное, все области числовых значений, количества, значения и процентные содержания, например, для количества материалов, элементного содержания, времени и температур реакции, соотношения количеств и другого, в следующей части описания и приложенной формуле изобретения могут читаться, как если бы перед ними стояло слово "около", даже если термин "около" явным образом не присутствует в значении,
20 количестве или диапазоне. Соответственно, если не отмечено иное, изложенные в следующем описании и приложенной формуле изобретения числовые параметры являются приближенными величинами, которые могут варьировать в зависимости от желаемых свойств, которые необходимо получить в настоящем изобретении. По меньшей мере, и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов к
25 объему формулы изобретения, каждый числовой параметр по меньшей мере следует истолковывать в свете числа сообщенных значащих разрядов и применением обычных методик округления.
[0212] Несмотря на то, что области числовых значений и параметры, изложенные в широком объеме настоящего изобретения, являются приблизительными, числовые 30 значения, изложенные в конкретных примерах, сообщены максимально точно. Тем не менее, любое числовое значение по определению содержит погрешность, неизбежно возникающую в результате стандартного отклонения, которое встречается в лежащих в его основе соответствующих исследуемых измерениях. Более того, если в настоящем документе описаны области числовых значений, эти области включают в себя конечные
точки изложенной области (т. е., могут быть использованы как конечные точки). При использовании в данном документе процентного содержания по массе, сообщенные числовые значения являются относительными к общей массе.
[0213] Также следует понимать, что любая описанная в данном документе область 5 числовых значений предполагает включение в себя всех поддиапазонов, подпадающих в нее. Например, подразумевается, что диапазон "от 1 до 10" включает в себя все поддиапазоны между (и включая) описанным минимальным значением 1 и описанным максимальным значением 10, то есть с минимальным значением, равным или большим 1, и максимальным значением, равным или меньшим 10. Подразумевается, что
10 используемые в данном документе термины "один" или формы единственного числа включают в себя "по меньшей мере один" или "один или более", если не отмечено иное. [0214] Любой патент, публикация или другой описанный материал, полностью или частично, который, как указано, включен в данный документ посредством ссылки, включен в него только до такой степени, при которой содержащийся материал не
15 противоречит существующим определениям, утверждениям или другому описанному материалу, изложенному в настоящем описании. В связи с этим и в требуемых случаях, изложенное в данном документе конкретное описание заменяет любой противоречащий материал, включенный посредством ссылки. Любой материал или его часть, которые, как указано, включены посредством ссылки, но которые противоречат
20 существующим определениям, утверждениям или другому изложенному в данном документе описанному материалу, будут включены только до такой степени, чтобы не возникало противоречия между этим включенным материалом и существующим описанным материалом.
[0215] Поскольку данное изобретение было конкретно проиллюстрировано и 25 описано со ссылками на предпочтительные варианты его реализации, специалисту в данной области техники будет понятно, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отклонения от объема данного изобретения, охваченного прилагаемой формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ включающий:
поддерживание комбинации включающей жидкую среду, добавку, структуру или 5 носитель, включающий мешок и целлюлозную или лигноцеллюлозную биомассу со сниженной устойчивостью, расположенную внутри структуры или носителя, в условиях, которые позволяют проходить молекулам из и/или в структуру или носитель, и которые позволяют добавке превращать молекулы в один или более ферментов, и в котором один или более ферментов может быть получен и храниться, и затем 10 использоваться в реакциях осахаривания того же самого или подобного биомассового материала на последующем этапе и/или в другом месте.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что структура или носитель являются пористыми.
3. Способ по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что добавку выбирают из группы,
состоящей из микроорганизма, фермента, кислоты, основания, химического раствора,
питательного вещества, минерала, и их комбинаций.
20 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что добавка представляет собой
микроорганизм.
5. Способ по любому из п.п. 2-4, отличающийся тем, что структура или носитель
образована из ячеистого материала, имеющего максимальный диаметр отверстия,
25 составляющий меньше чем 1 мм.
6. Способ по любому из п.п. 2-5, отличающийся тем, что структура или
носитель представляет собой мешок, выполненный из биоразлагаемого полимера,
например, полимера, выбранного из группы, состоящей из: полимолочной кислоты,
30 полигидроксибутирата, полигидроксиалканоата, полигидроксибутират-валерата, поликапролактона, полигидроксибутират-гексаноата, полибутилен сукцината, полибутират сукцинат адипата, полиэфирамида, полибутилен адипат-ко-терефталата, их смесей и их ламинатов.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что мешок изготовлен из крахмальной
пленки.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно
5 включающий использование дальнейшей переработки для разрыва или разрушения
структуры или носителя.
9. Способ по п. 4, отличающийся тем, что микроорганизм включает штамм Trichoderma reesei.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что штамм представляет собой высокопродуктивный в отношении выхода целлюлазы мутант Trichoderma reesei.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что штамм включает RUT-C30.
12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что устойчивость целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы уменьшают под воздействием электронного пучка.
20 13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что
превращение включает осахаривание.
14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что целлюлозную или лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, состоящей из:
25 бумаги, бумажных изделий, бумажных отходов, бумажной массы, пигментной бумаги, мелованной бумаги, бумаги с покрытием, бумаги с наполнителем, журналов, печатной продукции, бумаги для печатающих устройств, бумаги с полимерным покрытием, открыточной бумаги, строительного картона, бумажного картона, хлопка, древесины, прессованной древесины, древесных отходов, опилок, древесины осины, древесной
30 щепы, злаков, проса, мискантуса, спартины, двукисточника тростниковидного, отходов зерновых, рисовой шелухи, овсяной шелухи, пшеничной шелухи, ячменной шелухи, отходов сельскохозяйственного производства, силоса, соломы канолы, пшеничной соломы, ячменной соломы, овсяной соломы, рисовой соломы, джута, пеньки, льносоломы, бамбука, сизаля, абаки, стержней кукурузных початков, кукурузной
соломы, соевой соломы, кукурузных волокон, люцерны, сена, кокосового волокна, остатков переработки сахара, жмыха, свекловичной пульпы, жмыха агавы, водорослей, морских водорослей, навоза, сточных вод, попутных продуктов переработки, сельскохозяйственных или промышленных отходов, арракачи, гречихи, банана, ячменя, 5 маниока, пуэрарии, кислицы клубненосной, саго, сорго, картофеля, сладкого картофеля, колоказии съедобной, ямса, бобов, садовых бобов, чечевицы, гороха или смесей любого из них.
15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что 10 средний размер частиц целлюлозного или лигноцеллюлозного материала составляет менее чем около 1 мм, например, от около 0,25 мм до 2,5 мм.
сг>
сг>
U X О
со К
о ю
201
300
310
320
330
ФИГ. 4
Замененный лист (Правило 26)
ФИГ. 3
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No
PCT/US2O12/071092
A. CLASSIFICATION OF SUBJECT MATTER
INV. C12P7/10 C12P19/14 C12M1/00
ADD.
Aooording to International Patent Classification (IPC) or to both national classification and IPC
B. FIELDS SEARCHED
Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols)
C12P
Documentation searched other than minimum documentation to the extent that such doouments are inoluded in the fields searched
Electronic data base oonsulted during the international search (name of data base and, where practicable, eearoh terms used)
EPO-Internal, EMBASE, BIOSIS, WPI Data
C. DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVANT
Category* Citation of dooument, with indication, where appropriate, of the relevant passages
Relevant to olaim No.
EP 2 377 918 Al (ETH ZUERICH [CH]) 19 October 2011 (2011-10-19) abstract; figure 1 page 2, paragraph [0006^ page 3, paragraph [000$ page 4, paragraph [0020^ page 4, paragraph [0029^ paragraph [0037] page 6, paragraph [0040] - page 7, paragraph [0046]
1-9,14, 18,19 9-13,15, 16,20
US 2009/286295 Al (MEDOFF MARSHALL [US] ET AL) 19 November 2009 (2009-11-19) page 9, paragraph 0150 - page 11, paragraph 0164
page 14, paragraph 201 - paragraph 211
9-13,15, 16,20
-/¦
Further documents are listed in the continuation of Box C.
See patent family annex.
* Special categories of cited doouments :
*A* document defining the general state of the art which is not considered to be of particular relevance
"E" earlier application or patent but published on or after the international filing date
"L" dooument whioh may throw doubts on priority olaimfs) or which is oited to establish the publication date of another citation or other special reason (as specified)
"O* document referring to an oral disclosure, use, exhibition or other means
T' later dooument published after the international filing date or priority date and not in oonfliot with the application but oited to understand the principle or theory underlying the invention
"X" dooument of particular relevance; the olaimed invention cannot be considered novel or cannot be considered to involve an inventive step when the dooument is taken alone
"Y" dooument of particular relevanoe; the olaimed invention oannot be considered to involve an inventive step when the document is combined with one or more other suoh doouments, suoh combination being obvious to a person skilled in the art
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No
PCT/US2012/071O92
C(Continuation). DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVANT
Category*
Citation of dooument, with indication, where appropriate, of the relevant passages
Relevant to olaim No.
US 2008/206862 Al (ASGARI SOHEIL [DE]) 28 August 2008 (2008-08-28) abstract
page 2, paragraph 0012-0017 page 3, paragraph 0052-0056 page 7, paragraph 0109 page 10, paragraph 0131-0135 page 15, paragraph 0185
9-12
REGINE EIBL ET AL: "Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology",
APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY, SPRINGER, BERLIN, DE, vol. 86, no. 1,
22 January 2010 (2010-01-22), pages 41-49,
XP019799954,
ISSN: 1432-0614
abstract
page 41, right-hand column, paragraph 1 -page 42, left-hand column, paragraph 2; table 1
9,11
PETROLIA ET AL: "The economics of harvesting and transporting corn stover for conversion to fuel ethanol: A case study for Minnesota", BIOMASS AND BIOENERGY, PERGAMON, AMSTERDAM, NL,
vol. 32, no. 7, 1 July 2008 (2008-07-01),
pages 603-612, XP022711251,
ISSN: 0961-9534, D0I:
10.1O16/J.BIOMBIOE.2OO7.12.O12
[retrieved on 2008-01-31]
abstract
page 605, left-hand column, paragraph 2; table 2
page 607, left-hand column, last paragraph - right-hand column, paragraph 2
9,11
RICHARD T L: "Challenges in scaling up
biofuels infrastructure",
SCIENCE 20100813 AMERICAN ASSOCIATION FOR
THE ADVANCEMENT OF SCIENCE USA,
vol. 329, no. 5993,
13 August 2010 (2010-08-13), pages
793-796, XP002695750,
ISSN: 0036-8075
abstract
page 794, middle column, paragraph 2 -right-hand column, paragraph 1
9,11
Form PCT/ISA/210 (continuation of second sheet) (April 2005)
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
Information on patent family members
International application No
PCT/US2012/071092
Patent document cited in search report
Publication date
Patent family member(s)
Publication date
EP 2377918 Al 19-10-2011 AU 2011240334 Al 11-10-2012
CA 2796533 Al 20-10-2011
EP 2377918 Al 19-10-2011
EP 2558563 Al 20-02-2013
US 2013040350 Al 14-02-2013
W0 2011128060 Al 20-10-2011
2009286295
-11-2009
071837
21-07-2010
2009243195
05-11-2009
2722777
05-11-2009
102076859
25-05-2011
2279256
02-02-2011
588868
27-04-2012
2010148802
10-06-2012
2009286295
19-11-2009
2013011895
10-01-2013
2009134816
05-11-2009
2008206862
-08-2008
2008206862
28-08-2008
2008104599
04-09-2008
Form PCT/ISA/210 (patent family annex) (April 2005)
(19)
(19)
(19)
(19)
(19)