Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос :  ea201490887a*\id

больше ...
Термины запроса в документе


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Используют фруктозу, например фруктозу, полученную из целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, например, ферментированную для того, чтобы получить продукт, например растворитель.


ПЕРЕРАБОТКА БИОМАССЫ
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ [0001] В данной заявке заявляется приоритет предварительной заявки США № 61/579559, которая подана 22 декабря 2011. Полное раскрытие этой предварительной заявки включено в настоящий документ в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ [0002] Настоящее изобретение относится к способам превращения биомассы в полезные продукты. В частности, изобретение относится к получению продуктов, такие как бутанол из Сахаров, таких как фруктоза.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Поскольку спрос на нефть увеличивается, растет интерес к возобновляемому сырью для производства биотоплива и биохимических соединений. Использование лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для подобных производственных процессов изучают с 1970 годов. Лигноцеллюлозная биомасса является привлекательной, ввиду ее широкого распространения, возобновляемости, возможности получить ее на месте, а также тем, что она не конкурирует с использованиями в пищевой промышленности. [0004] На сегодня доступны многие виды потенциального лигноцеллюлозного сырья, которые содержат сельскохозяйственные отходы, древесную биомассу, бытовые отходы, семена масличных культур/макуха и морские водоросли, к примеру, некоторые из них. В настоящее время эти материалы либо используют в качестве корма для животных, биокомпостных материалов, сжигают в когенерационной установке, либо вывозят на свалку. [0005] Лигноцеллюлозная биомасса является устойчивой к разложению, так как стенки растительной клетки имеют структуру, которая является устойчивой и плотной. Структура содержит волокна кристаллической целлюлозы, встроенные в гемицеллюлозную матрицу, окруженные лигнином. Эта плотная матрица является труднодоступной для ферментов и других химических, биохимических соединений и биологических процессов. Материалы целлюлозной биомассы {напр., материал биомассы, из которого удалили практически весь лигнин) могут быть более доступными ферментам и другим процессам превращения, но при этом, природные целлюлозные материалы часто имеют низкие выходы (по сравнению с теоретическими выходами), если вступают в контакт с гидролизирующими ферментами.
Лигноцеллюлозная биомасса является еще более устойчивой к разложению при воздействии фермента. Кроме того, каждый тип лигноцеллюлозной биомассы имеет свою собственную специфическую композицию целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.
[0006] В то время как ряд способов пытается извлечь структурные углеводы из лигноцеллюлозной биомассы, они являются либо очень дорогими, получают очень низкий уровень выхода, оставляют в конечном продукте нежелательные химические соединения, либо просто разлагают сахара.
[0007] Моносахариды из возобновляемых источников биомассы могут стать основой для химической и топливной промышленностей, за счет замещения, дополнения или замены нефти и другого ископаемого сырья. Тем не менее, необходимо разработать способы, которые сделают эти моносахариды доступными в больших количествах при приемлемой чистоте и ценах.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ [0008] В данном документе описаны способы увеличения эффективности осахаривания биомассы. В частности, эффективность может быть достигнута с помощью устранения отрицательной обратной связи ингибирования ферментативных реакций. [0009] В одном из аспектов, настоящее изобретение описывает способ получения продукта, способ, который включает: получение фруктозы с помощью осахаривания биомассы, вступление во взаимодействие осахаренной биомассы со средством изомеризации и превращение фруктозы с микроорганизмом и/или ферментом в продукт. [00010] В некоторых вариантах реализации, биомасса содержит целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Целлюлозную или лигноцеллюлозную биомассу обрабатывают для того, чтобы снизить ее устойчивость к осахариванию, например, с использованием способа обработки, который выбран из группы, состоящей из: бомбардировки электронами, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза, парового взрыва, химической обработки, механической обработки, замораживания измельчения и их комбинаций.
[00011] Средство изомеризации может быть, например, изомеразой, напр., ксилоза изомеразой.
[00012] В некоторых вариантах реализации, целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса выбрана из группы, в которую входят: бумага, продукты из бумаги, бумажные отходы, бумажная масса, пигментированная бумага, мелованная бумага, бумага с покрытием, бумага с наполнителем, бумага иллюстрированных изданий, издательская продукция, бумага для
печатающих устройств, бумага с полимерным покрытием, стопка карточек, плотная бумага, картон, хлопок, дерево, древесностружечная плита, отходы лесного хозяйства, опилки, древесина осины, щепа, трава, просо, мискантус, спартина, двукисточник тростниковидный, остатки зерна, рисовая шелуха, шелуха овса, солома, шелуха ячменя, сельскохозяйственные отходы, силос, солома канола, пшеничная солома, ячменная солома, солома овса, рисовая солома, джут, пенька, лен, бамбук, сизаль, абака, початки кукурузы, кукурузная солома, солома сои, кукурузные волокна, люцерна, сено, кокосовые волокна, остатки переработки сахара, багасса, свекловичный жом, жмых агавы, водоросли, морские водоросли, навоз, коммунально-бытовые сточные воды, крахмалсодержащее растение, гречиха, бананы, ячмень, маниока, кудзу, ока, саго, сорго, обыкновенный домашний картофель, сладкий картофель, таро, батат, бобовые, бобы, чечевица, горох, промышленные отходы, и смеси любых из них.
[00013] В некоторых случаях, микроорганизм содержит штамм Clostridium spp. Например, микроорганизм может представлять собой С. saccharoperbutylacetonicum, напр., штамм АТСС 27021 С. saccharoperbutylacetonicum или штамм АТСС 27022 С. saccharoperbutylacetonicum. [00014] Продукт может содержать растворитель, напр., спирт, такой как изобутанол или н-бутанол.
[00015] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных в данном документе, что тогда как обычно является предпочтительным получение продуктов, такие как бутанол, из Сахаров, таких как фруктоза, полученную из целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, то в данном случае могут использовать фруктозу, полученную из других источников.
[00016] Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления настоящего изобретения, раскрываемыми в настоящем кратком изложении, предназначенном для охвата модификаций, которые находятся в пределы сущности и объема изобретения, как определено формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ [00017] Вышеизложенное будет очевидным из последующего, более конкретного описания примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, как проиллюстрировано на прилагаемых графических материалах, на которых одинаковые условные обозначения обозначают одну и ту же деталь на всех различных видах. Графические материалы не
обязательно выполнены в масштабе, вместо этого акцент сделан на иллюстрировании вариантов осуществления настоящего изобретения.
[00018] ФИГ. 1 представляет собой схему, которая иллюстрирует ферментативный гидролиз целлюлозы в глюкозу. Целлюлозный субстрат (А) с помощью эндоцеллюлазы (i) превращают в целлюлозу (В), которую с помощью экзоцеллюлазы (И) превращают в целлобиозу (С), которую с помощью целлобиазы (бета-глюкозидазы) превращают в глюкозу (D) (Hi).
[00019] ФИГ. 2 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует превращение сырья биомассы в один или более продукт. Сырье предварительно обрабатывают физическими методами {напр., для того, чтобы снизить его размер) (200), необязательно обрабатывают, для того, чтобы снизить его устойчивость (210), осахаривают, для того, чтобы образовался раствор сахара (220), раствор переносят (230) на промышленное предприятие {напр., с помощью трубопровода, вагона) (или, если осахаривание осуществляют в процессе транспортировки, переносят сырье, фермент и воду), осахаренное сырье биоперерабатывают, для того, чтобы получить желаемый продукт {напр., спирт) (240), и продукт далее могут перерабатывать, напр., с помощью дистилляции, для того, чтобы получить конечный продукт (250). Обработку для преодоления устойчивости могут модифицировать с помощью измерения содержания лигнина (201) и установки или регулировки параметров процесса (205). Осахаренное сырье (220) могут модифицировать с помощью смешивания сырья со средой и ферментом (221).
[00020] ФИГ. 3 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует начальную фазу метаболизма глюкозы и фруктозы.
[00021] ФИГ. 4 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует метаболический путь в случае образования триглицеридов в течение метаболизма фруктозы. [00022] ФИГ. 5 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует ферментативный путь в случае бутанол-образующего организма.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ [00023] Настоящее изобретение относится к способам переработки материалов биомассы {напр., материалы биомассы или полученные из биомассы материалы) для того, чтобы получить сахара, такие как фруктоза, которые затем могут быть использованы для того, чтобы получить продукт. Например, сахара, напр. фруктоза, могут быть ферментированы для того, чтобы получить растворитель, такой как спирт, например, бутанол, напр., изобутанол
или н-бутанол. Также может быть получена масляная кислота. Изобретатели обнаружили, что в некоторых случаях раствор фруктозы может быть ферментирован в спирт быстрее, и с лучшими выходами, чем в случае раствора глюкозы.
[00024] Без связи с какой-либо конкретной теорией, считается, что продукты, такие как растворители {напр., бутан ол), являются токсичными для растворитель-образующих организмов, а в ходе метаболизма некоторых Сахаров, таких как фруктоза, вырабатываются защитные субстраты {напр., триглицериды), в большей степени или быстрее, чем при метаболизме глюкозы. Предполагаемый эффект растворителей заключается в том, что они взаимодействуют с клеточными мембранами, разрушая текучесть мембран. Растворители, такие как бутанол, также относятся к имеющим хаотропное влияние на мембрану. Хаотропные средства препятствуют стабилизации внутримолекулярных взаимодействий при помощи нековалентных сил. В соответствии с этими эффектами, растворители могут ингибировать транспорт усвояемого питательного вещества, активность мембраносвязанных ферментов и поглощение глюкозы. Растворители также могут частично или полностью снижать мембранный градиент рН, понижать внутриклеточные концентрации рН и АТР. В ответ на увеличение растворителей, клетки могут пытаться регулировать липидный состав, для того, чтобы поддерживать текучесть (Christopher A. Tomas, J. Bacteriol. 186:2006-2018 (2004)). Метаболизм фруктозы может способствовать увеличению липидов, таких как триглицериды.
[00025] Без связи с какой-либо конкретной теорией, предполагается, что преимущество Сахаров, таких как фруктоза, в случае получения растворителя, может быть связано с регулированием гликолиза. Целью регулирования является контроль за ростом и здоровьем организма. Считается, что поскольку некоторые сахара, такие как фруктоза, не так естественно распространены в мире, как глюкоза, то механизм регулирования подавления его гликолиза не так хорошо развит. Это может привести к более высокому потреблению и метаболизму в организме таких Сахаров, как фруктоза.
[00026] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, например, целлюлозный субстрат (А) в течение осахаривания сначала гидролизуют с помощью эндоглюканаз (i) в случайных положениях, получая олигомерные промежуточные соединения {напр., целлюлозу) (В). Указанные промежуточные соединения представляют собой субстраты для экзо-расщепляющих глюканаз (И), таких как целлобиогидролаза, для получения целлобиозы из концевых групп целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водорастворимый 1,4-связанный димер глюкозы. В конечном счете, целлобиаза (Hi) расщепляет целлобиозу (С)
с образованием глюкозы (D). Таким образом, эндоглюканазы особенно эффективны при воздействии на кристаллические части целлюлозы и при увеличении эффективности экзоцеллюлаз при получении целлобиозы, которая для получения глюкозы затем нуждается в специфичности целлобиозы. Таким образом, очевидно, что в зависимости от природы и структуры целлюлозного субстрата, количество и тип трех различных ферментов, возможно, должны быть изменены.
[00027] Процесс производства спирта, напр., бутанола, проиллюстрирован на ФИГ. 2. Процесс производства спирта может необязательно содержать, например, механическую обработку сырья, напр., для того, чтобы снизить его размер (200), перед и/или после этой обработки, необязательно обработку сырья с помощью другой обработки физическими методами для дальнейшего снижения его устойчивости (210), а затем осахаривание сырья, с использованием комплекса ферментов, для того, чтобы образовался раствор сахара (220). Необязательно, способ может также включать транспортирование, напр., с помощью трубопровода, вагона, грузовика или баржи, раствора (или сырья, фермента и воды, если осахаривание осуществляют в процессе транспортировки) на промышленное предприятие (230). В некоторых случаях осахаренное сырье в дальнейшем подвергают биопереработке (напр., ферментируют), для того, чтобы получить желаемый продукт напр., спирт (240). Этой конечный продукт в некоторых вариантах реализации может быть в дальнейшем переработан, напр., с помощью дистилляции (250), для того, чтобы получить конечный продукт. Одним из способов снижения устойчивости сырья является способ облучения сырья электронами. При необходимости, этапы измерения содержания лигнина в сырье (201) и установка или регулировка параметров процесса, основанные на этом измерении (205), могут осуществляться на различных этапах процесса, как описано Medoff и Masterman в публикации заявки на патент США 2010/0203495 А1, опубликованной 12 августа 2010, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки. Осахаренное сырье (220) также может быть модифицировано с помощью смешивания сырья со средой и ферментом (221).
[00028] Этапы способа, описанные выше со ссылкой на ФИГ. 2, будут описаны более подробно, с последующим обсуждением материалов, используемых в процессе.
ФЕРМЕНТАЦИЯ ФРУКТОЗЫ В ПОЛЕЗНЫЕ ПРОДУКТЫ [00029] Раствор фруктозы, который получают с помощью осахаривания, или осахаривания с последующей изомеризацией, может быть ферментирован для получения спирта, напр., бутанола, или масляной кислоты.
[00030] ФИГ. 3 иллюстрирует начальную фазу гликолиза и в случае фруктозы, и в случае глюкозы. Ферментация содержит многостадийную реакцию гликолиза, на начальной фазе которой получают глицеральдегид-3-фосфат. Как проиллюстрировано на ФИГ. 3 и подробно обсуждается ниже, получение глицеральдегид-3-фосфата из фруктозы содержит меньшее количество реакций, чем получение из глюкозы, что может повышать эффективность, наблюдаемую в случае ферментации фруктозы, по сравнению с ферментацией глюкозы. [00031] По отношению к пути глюкозы на ФИГ. 3, глюкозу превращают в глюкозу-6-фосфат с помощью воздействия гексокиназы с АТР. Глюкоза-6-фосфат затем изомеризуют в фруктоза-6-фосфат с помощью фосфогексоизомеразы и в дальнейшем превращают в фруктоза-1,6-фосфат с помощью воздействия фосфофруктокиназы и АТР. В данном случае, дифосфатированный сахар с помощью фруктозодифосфатальдолазы расщепляется на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Дигидроксиацетонфосфат изомеризуют в глицеральдегид-3-фосфат с помощью воздействия триозофосфатизомераза. [00032] Снова обращаясь к ФИГ. 3, существует несколько путей для гликолиза фруктозы. В то время как гексокиназа бурно реагирует с глюкозой, его сродство к фруктозе является низким. Таким образом, хоть фруктоза и может быть фосфорилирована в глюкозу-6-фосфат с помощью гексокиназы и АТР, ожидается, что вклад гликолиза по этому пути является достаточно низким. Скорее всего, путь начинается с фосфорилирования фруктозы с помощью воздействия фруктокиназа и АТР, что дает фруктоза-1-фосфат. Фруктоза-1-фосфат затем расщепляется на дигидроксиацетонфосфат и D-глицеральдегид с помощью фруктоза-1-фосфатальдолазы. Как и в пути глюкозы, дигидроксиацетонфосфат изомеризуют в глицеральдегид-3-фосфат с помощью триозофосфатизомеразы. D-глицеральдегид превращают в глицеральдегид-3 -фосфат с помощью триоскиназы и АТР.
[00033] Микроорганизм, который используют в ферментации, предпочтительно выбирают для получения бутанола, напр., изобутанола или н-бутанола. Подходящие микроорганизмы содержат те, которые обсуждаются в разделе Материалы ниже. Многие бутанол-образующие организмы являются облигатными анаэробами.
[00034] Фруктоза может направлять получение триглицеридов в качестве субпродукта гликолиза, как проиллюстрировано на ФИГ. 4. Конечный этап образования триглицеридов,
проиллюстрированный на ФИГ. 4, содержит этерификацию между глицерол-3-фосфатом и жирными кислотами. Жирные кислоты образованы из глицеральдегид-3-фосфата, образование которого описано выше, с несколькими неприведенными здесь промежуточными соединениями. Образование глицерол-3-фосфата проиллюстрировано на ФИГ. 4 и может происходить под воздействием глицерол-3-фосфатдегидрогеназы на дигидроксиацетонфосфат. Это также может происходить под воздействием глицеролдегидрогеназы на D-глицеральдегид, с образованием глицерина, который затем фосфорилируют с помощью глицерокиназы и АТР в глицерол-3-фосфат. Хоть образование глицеролЗ-фосфат из глюкозы возможно через дигидроксиацетонфосфатное промежуточное соединению по дополнительному пути через D-глицеринальдегид, возможный только через фруктозу, может вырабатываться больше этого промежуточного соединения. Триглицериды, полученные с помощью этерификации глицерол-3-фосфата, могут способствовать получению бутанола с помощью защиты бутанол-образующего организма от токсичных эффектов бутанола.
[00035] ФИГ. 5 иллюстрирует ферментативный путь бутанол-образующего организма (Clostridium acetobutylicium). При обычной ферментации, после индукционного периода клетки входят в фазу экспоненциального роста. В фазе роста сначала получают бутират и ацетат вместе с АТР, который является необходимым для роста клеток. Эту фазу также называют фазой кислотообразования. Аналогично, и в стационарной фазе культура притерпевает метаболический сдвиг в сторону образования ацетона, бутанола и этанола в качестве основных продуктов растворителей. Этот этап также известен как сольвентогенная фаза. В течение и после сольвентогенной фазы клетки становятся вегетативными, погибают и/или образуют споры. На ФИГ. 5 реакции представлены с помощью жирных линий и обозначены с помощью символов от R1 до R19. Реакции кислотообразования представляют собой R9 и R18 (катализированные с помощью РТА-АК и РТВ-ВК, соответственно), образуют ацетат и бутират, соответственно. Две кислоты снова поглощаются через R7 и R17 (обратные пути R9 и R18), или непосредственно превращаются в ацетил-КоА и бутирил-КоА через R8 и R15 (катализированные с помощью Ко AT). В сольвентогенных реакциях Rl 1, R16 и R19 (катализированные с помощью AAD, AADC и BDH, соответственно), образуются этанол, ацетат и бутанол, соответственно. R14 представляет собой суммарную реакцию, которая содержит реакции, катализированные с помощью BHBD, CRO и BCD (http://www.biomedcentral.eom/1752-0509/5/Sl/S12 "An improved kinetic model for the acetone-butanol-ethanol pathways of Clostridium acetobutylicum and model-based perturbation analysis").
[00036] Оптимальное значение рН при ферментации составляет от приблизительно 4 до 7 рН. Обычное время ферментации составляет приблизительно от 24 до 168 часов с температурами, лежащими в диапазоне от 20°С до 40°С, тем не менее, термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры. В случае анаэробных организмов предпочтительным является проведение ферментации при отсутствии кислорода, напр., в атмосфере инертного газа, такого как N2, Ar, Не, СО2 или их смесей. Дополнительно, смесь может иметь постоянную продувку инертного газа, проходящую через резервуар, в течение отдельной части или всей ферментации.
[00037] В течение ферментации могут использовать струйное перемешивание или другое перемешивание, а в некоторых случаях осахаривание и ферментацию осуществляют в одной емкости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ферментацию проводят без любого механического смешивания.
[00038] Питательные вещества добавляют в течение осахаривания и/или ферментации, например, комплексы питательных веществ на основе продуктов питания, описанные в USSN 61/365493 и патенте США 6358717, полное раскрытие которых включено в данный документ с помощью ссылки.
[00039] Мобильные ферментаторы могут быть использованы, как это описано в заявке на патент США №12/374549 и международной заявке № WO 2008/011598. Аналогично, оборудование для осахаривания может быть мобильным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация могут быть частично или полностью выполнены во время транспортировки.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИИ
[00040] Микроорганизм(ы), применяемый при ферментации, может представлять собой природные микроорганизмы и/или созданные микроорганизмы. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, напр., бактерию, разлагающую клетчатку, гриб, напр., дрожжи, растение или протист, напр., водоросль, простейшее или грибоподобный протист, напр., миксомицет. Когда организмы совместимы, можно использовать их смеси. [00041] Подходящие ферментирующие микроорганизмы проявляют способность к превращению углеводов, таких как глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в спирт, напр., бутанол или производное бутанола. [00042] Иллюстративные микроорганизмы содержат, но без ограничения ими, следующие штаммы Clostridium:
КСИЛОЗА ИЗОМЕР АЗА
[00044] Ксилоза изомераза (ES 5.3.1.5) представляет собой фермент, который
катализирует прямую и обратную химическую реакцию между D-ксилозой и D-ксилулозой. Она также систематически известна в качестве глюкоизомеразы и альдо-кето-изомеразы D-ксилозы, и относится к семейству изомераз, особенно тех внутримолекулярных оксидоредуктаз, которые взаимопревращают альдозы и кетозы. Другие названия, которые обычно используют, содержат D-ксилоза изомераза, D-ксилоза кетоизомераза, и D-ксилоза кетол-изомераза. Фермент принимает участие в взаимопревращениях пентозы и глюкуроната, и метаболизме фруктозы и маннозы. Его используют в промышленности для превращения
глюкозы во фруктозу в производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Иногда называют "глюкоза изомераза." "Ксилоза изомераза" и "глюкоза изомераза" в данном документе используются взаимозаменяемо. In vitro, глюкоза изомераза катализирует взаимопревращения глюкозы и фруктоза. In vivo, она катализирует взаимопревращения ксилозы и ксилулозы.
[00045] Некоторые типы ферментов считают ксилоза изомеразами. Первый вид
получают из Pseudomonas hydrophila. Этой фермент имеет сродство с глюкозой в 160 раз меньше, чем с ксилозой, но тем не менее является полезным для увеличения количества фруктозы в присутствии глюкозы. Второй вид фермента обнаружили в Escherichia intermedia. Этой фермент представляет собой фосфоглюкоза изомеразу (ЕС 5.3.1.9) и может изомеризовать дефосфорилированный сахар только в присутствии арсената. Глюкоза изомераза (ЕС 5.3.16) может быть выделена из Bacillus megaterium AI и является NAD-связанным и специфичным к глюкозе. Другая глюкоза изомераза, которая имеет схожую активность, выделена из Paracolobacterium aerogenoides. Глюкоза изомеразы, которые получают с помощью гетероферментативных молочнокислых бактерий, требуют в качестве индуктора ксилозу и относительно нестабильны при высокой температуре. Ксилоза изомераза (ЕС 5.3.1.5) является наиболее полезной для коммерческого применения, поскольку не требует дорогостоящих кофакторов, таких как NAD+ или АТР, и относительна термостойкая.
[00046] Глюкоза изомеразы обычно получают межклеточно, но известны сообщения о
внеклеточной секреции глюкоза изомеразы. Используемый фермент может быть выделен из многих бактерий, которые содержат, но без ограничения ими: Actinomyces olivocinereus, Actinomyces phaeochromogenes, Actinoplanes missouriensis, Aerobacter aerogenes, Aerobacter cloacae, Aerobacter levanicum, Arthrobacter spp., Bacillus stearothermophilus, Bacillus megabacterium, Bacillus coagulans, Bifidobacterium spp., Brevibacterium incertum, Brevibacterium pentosoaminoKUcnomaicum, Chainia spp., Corynebacterium spp., Cortobacterium helvolum, Escherichia freundii, Escherichia intermedia, Escherichia coli, Flavobacterium arborescens, Flavobacterium devorans, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus fermenti, Lactobacillus mannitopoeus, Lactobacillus gayonii, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus lycopersici, Lactobacillus pentosus, Leuconostoc mesenteroides, Microbispora rosea, Microellobosporia Jlavea, Micromonospora coerula, Mycobacterium spp., Nocardia asteroides, Nocardia corallia, Nocardia dassonvillei, Paracolobacterium aerogenoides, Pseudonocardia spp., Pseudomonas hydrophila, Sarcina spp., Staphylococcus bibila, Staphylococcus Jlavovirens,
Staphylococcus echinatus, Streptococcus achromogenes, Streptococcus phaeochromogenes, Streptococcus fracliae, Streptococcus roseochromogenes, Streptococcus olivaceus, Streptococcus californicos, Streptococcus venuceus, Streptococcus virginial, Streptomyces olivochromogenes, Streptococcus venezaelie, Streptococcus wedmorensis, Streptococcus griseolus, Streptococcus glaucescens, Streptococcus bikiniensis, Streptococcus rubiginosus, Streptococcus achinatus, Streptococcus cinnamonensis, Streptococcus fradiae, Streptococcus albus, Streptococcus griseus, Streptococcus hivens, Streptococcus matensis, Streptococcus murinus, Streptococcus nivens, Streptococcus platensis, Streptosporangium album, Streptosporangium oulgare, Thermopolyspora spp., Thermus spp., Xanthomonas spp. и Zymononas mobilis.
[00047] Глюкоза изомераза для превращения глюкозы во фруктозу может быть
использована свободной в растворе или иммобилизованной на носителе. Целые клетки или
ферменты свободные в клетке могут быть иммобилизованы. Структурой носителя может
быть любой нерастворимый материал. Структурами носителя могут быть катионные,
анионные или нейтральные материалы, например, диэтиламиноэтилцеллюлоза, оксиды
металлов, хлориды металлов, карбонаты металлов и полистиролы. Иммобилизация может
быть осуществлена с помощью любых подходящих средств. Например, иммобилизация
может быть осуществлена с помощью вступления во взаимодействие носителя и целой
клетки или фермента в растворителе, таком как вода, а затем растворитель удаляют.
Растворитель может быть удален с помощью любых подходящих средств, например,
фильтрования, выпаривания или сушки распылением. В качестве другого примера, может
быть эффективной сушка распылением целых клеток или фермента с носителем.
[00048] Глюкоза изомераза также может присутствовать в живой клетке,
продуцирующей фермент в течение процесса. Например, глюкоза изомераза, которую получают из бактерии, в процессе может быть сокультивирована с бактерией, ферментирующей этанол. С другой стороны, бактерия, из которой получают глюкоза изомеразу, может, во-первых, вступать в контакт с субстратом, а затем, путем инокулирования с субстратом, продуцировать этанол.
[00049] Глюкоза изомераза, которая может присутствовать в, или секретироваться из,
клетки, также полезна для дальнейшего превращения Сахаров. Например, виды, ферментирующие глюкозу, могут быть генетически модифицированы, для того, чтобы они содержали и экспрессировали ген получения глюкозы изомераза.
ВЫДЕЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
[00050] После ферментации, конечные жидкости могут быть очищены с использованием любого полезного способа. Например, некоторые полезные способы представляют собой дистилляцию, адсорбцию, жидкость-жидкостную экстракцию, диффузионную экстракцию, обратный осмос, диффузионное испарение и газопоглощение (смотри, напр., J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2009) 36:1127-1138).
МАТЕРИАЛЫ БИОМАССЫ
[00051] Термин "материалы биомассы", который используется в данном документе, содержит лигноцеллюлозные, целлюлозные, крахмальные и микробные материалы. [00052] Лигноцеллюлозные материалы содержат, но без ограничения ими, дерево, древесностружечную плиту, отходы лесного хозяйства (напр., опилки, дерево осины, щепа), траву, (напр., просо, мискантус, спартина, двукисточник тростниковидный), остатки зерна, (напр., рисовая шелуха, шелуха овса, солома, шелуха ячменя), сельскохозяйственные отходы (напр., силос, солома канола, пшеничная солома, ячменная солома, солома овса, рисовая солома, джут, пенька, лен, бамбук, сизаль, абака, початки кукурузы, кукурузная солома, солома сои, кукурузные волокна, люцерна, сено, кокосовые волокна), остатки переработки сахара (напр., багасса, свекловичный жом, жмых агавы), водоросли, морские водоросли, навоз, коммунально-бытовые сточные воды и смеси любых из них.
[00053] В некоторых случаях лигноцеллюлозный материал содержит кукурузные початки. Собранные или перемеленные кукурузные початки могут распределяться в слое относительно равномерной толщины для облучения, а после облучения легко распределяются в среде для дальнейшей переработки. Для облегчения собирания и сбора, в некоторых случаях используют растение кукурузы полностью, включая стебель кукурузы, зерна кукуруза, а в некоторых случаях даже корневую систему растения.
[00054] Преимущественно, в течение ферментации кукурузных початков или целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, которые содержат значительные количества кукурузных початков, не требуются дополнительные питательные вещества (кроме источника азота, напр., мочевины или аммиака).
[00055] Кукурузные початки, до и после измельчения, также легче передать и распределить, и они имеют меньшую склонность к образованию взрывоопасных смесей в воздухе, чем другие целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, такие как сено и трава.
[00056] Целлюлозные материалы содержат, например, бумагу, продукты из бумаги, бумажные отходы, бумажную массу, пигментированную бумагу, мелованную бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, бумагу иллюстрированных изданий, издательскую продукцию {напр., книги, каталоги, справочники, наклейки, календари, поздравительные открытки, брошюры, рекламные материалы, газетная бумага), бумагу для печатающих устройств, бумагу с полимерным покрытием, стопку карточек, плотную бумагу, картон, материалы, которые имеют высокое содержание а-целлюлозы, такие как хлопок, и смеси любых из них. Например, продукты из бумаги как описано в заявке на патент США 13/396365 ("Magazine Feedstocks", Medoff et al, поданная 14 февраля 2012), полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки.
[00057] Целлюлозные материалы также могут содержать лигноцеллюлозные материалы, которые были повторно превращены в древесину.
[00058] Крахмальные материалы содержат сам крахмал, напр., кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производное крахмала, или материал, который содержит крахмал, такой как съедобные продукты питания или сельскохозяйственная культура. Например, крахмальный материал может быть крахмалсодержащим растением, гречихой, бананами, ячменем, маниокой, кудзу, окой, саго, сорго, обыкновенными домашними картофелями, сладким картофелем, таро, бататом, или одним или более бобовым, таким как бобы, чечевица или горох. Смеси любых двух или нескольких крахмальных материалов также представляют собой крахмальные материалы. Также используют смеси крахмальных, целлюлозных и/или лигноцеллюлозных материалов. Например, биомасса может быть полностью растением, частью растения или различными частями растения, напр., растения пшеницы, растения хлопка, растения кукурузы, растения риса или дерево. Крахмальные материалы могут обрабатывать с помощью любых способов, описанных в данном документе.
[00059] Микробные материалы содержат, но без ограничения ими, любой встречающийся в природе или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен обеспечить источник углеводов (напр., целлюлозы), например, простейшие, напр., простейшие животные (напр., протозоа, такие как жгутиковые, амебовидные, инфузории и споровики) и простейшие растения (напр., водоросли, такие как альвеоляты, хлорарахниофиты, криптомонады, эвгленоидеи, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страменопилы и зеленые растения). Другие примеры содержат морские водоросли, планктон (напр., макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон,
пиопланктон, и фемтопланктон), фитопланктон, бактерию {напр., грамм-положительная бактерия, грамм-отрицательная бактерия и экстремофилы), дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях, микробные биомассы получают из природных источников, напр., океан, озера, водоемы, напр., с соленой водой или пресной водой, или на суше. С другой стороны, или помимо этого, микробную биомассу получают из культуры клеток, напр., серийные сухие и влажные культура и ферментационные системы.
[00060] Материал биомассы также может содержать субпродукт и схожие источники материала.
[00061] В других вариантах осуществления настоящего изобретения материалы биомассы, такие как целлюлозные, крахмальные и лигноцеллюлозные сырьевые материалы, могут быть получены из трансгенных микроорганизмов и растений, которые модифицированы по сравнению с видом дикого типа. Побные модификации могут быть осуществлены, например, в течение повторяющихся этапов селекции и бридинга, для того, чтобы получить желаемый признак у растения. Кроме того, растения могут иметь генетический материал, который удален, модифицирован, подавлен и/или добавлен по сравнению с видом дикого типа. Например, генетически модифицированные растения получают с помощью способов рекомбинантных DNA, в которых генетические модификации содержат введение или модифицирование специфических генов из родительский сортов, или, например, с помощью трансгенного бридинга, в котором специфический ген или гены вводят растению из различных видов растения и/или бактерии. Другим способом создать генетическую изменчивость является мутационная селекция, в которой новые аллели искусственно создают из эндогенных генов. Искусственные гены могут создавать с помощью различных способов, включая обработку растения или семян, например, химическими мутагенами (напр., с использованием алкилирующих средств, эпоксидов, алкалоидов, пероксидов, формальдегида), облучением (напр., рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтроны, бета-частицы, альфа-частицы, протоны, дейтроны, УФ-излучение) и температурным воздействием или другим внешним воздействием с последующими способами селекции. Другие способы обеспечить модифицированные гены подвержены ошибкам PCR и перестановке DNA, с последующим введение желаемого модифицированного DNA в желаемое растение или семя. Способы введения желаемой генетической изменчивости в семена или растения содержат, например, использование бактериального носителя, баллистической трансфекции, осаждения фосфата кальция, электропорации, сплайсинга гена, сайленсинга гена, липофекции, микроинъекции и вирусных носителей. Дополнительные генетически модифицированные
материалы были описаны в заявке на патент США 13/396369, поданной 14 февраля 2012, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки. [00062] Любой из описанных здесь способов может быть осуществлен с помощью смесей любых материалов биомассы, описанных здесь.
ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - МЕХАНИЧЕСКИЕ ОБРАБОТКИ [00063] Биомасса может быть в сухом виде, например, с содержанием влаги менее чем приблизительно 35% {напр., менее чем приблизительно 20 %, менее чем приблизительно 15 %, менее чем приблизительно 10 %, менее чем приблизительно 5 %, менее чем приблизительно 4%, менее чем приблизительно 3 %, менее чем приблизительно 2 % или даже менее чем приблизительно 1 %). Биомасса также может быть доставлена во влажном состоянии, например, в виде влажного твердого вещества, взвеси или суспензии с по меньшей мере приблизительно 10 масс. % твердых веществ (напр., по меньшей мере приблизительно 20 масс. %, по меньшей мере приблизительно 30 масс. %, по меньшей мере приблизительно 40 масс. %, по меньшей мере приблизительно 50 масс. %, по меньшей мере приблизительно 60 масс. %, по меньшей мере приблизительно 70 масс. %). [00064] Процессы, описанные в данном документе, могут использовать материалы с низкой объемной плотностью, например, целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, которое предварительно обрабатывают физическими методами, для того, чтобы оно имело объемную плотность менее чем приблизительно 0,75 г/см , напр., менее чем приблизительно 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 или меньше, напр., менее чем приблизительно 0,025 г/см3. Объемную плотность определяют с использованием ASTM D1895B. Вкратце, способ включает наполнение мерного цилиндра известным объемом образца и получают массу образца. Объемную плотность рассчитывают с помощью деление массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах. При необходимости, материалы с низкой объемной плотностью могут быть уплотнены, например, с помощью способов, описанных Medoff в патенте США № 7971809, полное раскрытие которого включено в данный документ с помощью ссылки.
[00065] В некоторых случаях, предварительная обработка содержит экранирование материала биомассы. Экранирование могут осуществлять сквозь сетку или перфорированную пластину с желаемым размером отверстия, например, менее чем приблизительно 6,35 мм (1/4 дюйм, 0,25 дюйм), (напр., менее чем приблизительно 3,18 мм (1/8 дюйм, 0,125 дюйм), менее чем приблизительно 1,59 мм (1/16 дюйм, 0,0625 дюйм), менее чем приблизительно 0,79 мм
(1/32 дюйм, 0,03125 дюйм), напр., менее чем приблизительно 0,51 мм (1/50 дюйм, 0,02000 дюйм), менее чем приблизительно 0,40 мм (1/64 дюйм, 0,015625 дюйм), менее чем приблизительно 0,23 мм (0,009 дюйм), менее чем приблизительно 0,20 мм (1/128 дюйм, 0,0078125 дюйм), менее чем приблизительно 0,18 мм (0,007 дюйм), менее чем приблизительно 0,13 мм (0,005 дюйм), или даже менее чем приблизительно 0,10 мм (1/256 дюйм, 0,00390625 дюйм)). В отдельной конфигурации желаемая биомасса проходит через отверстия или сито, и, таким образом, если биомасса больше по размерам, то отверстия или сито не подвергают облучению. Эти материалы, большие по размерам, могут быть повторно переработаны, например, с помощью измельчения, или они могут быть просто удалены из переработки. При другой конфигурации материал, который является по размерам больше отверстия, подвергают облучению, а материал, который по размерам меньше, удаляют с помощью процесса экранирование или перерабатывают. В конфигурации такого рода сам конвейер (например, часть конвейера) может быть перфорирован или выполнен с ситом. Например, в отдельном варианте осуществления настоящего изобретения материал биомассы может быть влажным и отверстия или сетка позволяет воде стекать из биомассы перед облучением.
[00066] Экранирование материала также может осуществляться вручную, например, с помощью оператор или механоида (напр., робот, снабженный цветным, отражательным или другим датчиком) который удаляет нежелательный материал. Экранирование также может осуществляться с помощью магнитного экранирования, в котором магнит расположен около транспортируемого материала, а магнитный материал удаляют с помощью магнита. [00067] Необязательная предварительная обработка может содержать нагрев материала. Например, часть конвейера может быть направлена через зону нагревания. Зона нагревания может быть создана, например, с помощью ИК-излучения, микроволновых печей, горения (например, газа, угля, нефти, биомассы), резистивного нагрева и/или индуктивных катушек. Тепло может применяться по меньшей мере к одной стороне или более чем к одной стороны, может быть непрерывным или периодическим, и может быть только на части материала или на всем материале. Например, часть транспортирующего желоба может быть нагрета с использованием нагревательного кожуха. Нагревание может быть, например, с целью высушивания материала. В случае высушивания материала, это также может упрощено, с или без нагревания, с помощью движения газа (напр., воздух, кислород, азот, Не, СОг, аргон) над и/или через биомассу, при ее транспортировке.
[00068] Необязательно, предварительная обработка может содержать охлаждение материала. Охлаждение материала описано Medoff в патенте США № 7900857, раскрытие которого включено в данный документ с помощью ссылки. Например, охлаждение может быть с помощью применения охлаждающей жидкости, например, воды {напр., с глицерином), или азота (напр., жидкий азот) в нижней части конвейерного желоба. Кроме того, охлаждающий газ, например, над материалом биомассы или под конвейерной системой могут продувать охлажденный азот.
[00069] Еще один способ необязательной предварительной обработки может содержать добавление материала к биомассе. Дополнительный материал может быть добавлен с помощью, например, орошения, опрыскивания и/или разлива материала в биомассе, при ее транспортировке. Материалы, которые могут быть добавлены, содержат, например, металлы, керамические изделия и/или ионы, как описано в публикации заявки на патент США 2010/0105119 А1 (поданная 26 октября 2009) и публикации заявки на патент США 2010/0159569 А1 (поданная 16 декабря 2009), полные раскрытия которых включены в данный документ с помощью ссылки. Необязательные материалы, которые могут быть добавлены, содержат кислоты и основания. Другими материалами, которые могут быть добавлены, являются окислители (напр., пероксиды, хлораты), полимеры, полимеризуемые мономеры (напр., те, которые содержат ненасыщенные связи), вода, катализаторы, ферменты и/или организмы. Материалы добавляют, например, в чистом виде, в качестве раствора в растворителе (напр., воде или органическом растворителе) и/или в качестве раствора. В некоторых случаях растворитель является летучим и может испаряться напр., с помощью нагрева и/или продувки газа, как описано ранее. Добавленный материал может образовывать равномерный слой на биомассе или представлять собой гомогенную смесь различных компонентов (напр., биомассы и дополнительного материала). Добавленный материал может модулировать последующий этап облучения с помощью увеличения эффективности облучения, гашения облучения или изменения эффекта облучения (напр., от электронных пучков в рентгеновских лучей или тепла). Способ может не иметь никакого влияния на облучение, но в дальнейшем быть полезным для последующей обработки. Добавленный материал может помочь в транспортировки материала, например, за счет снижения уровня пыли.
[00070] Биомасса может быть доставлена на конвейер с помощью ленточного конвейера, пневматического конвейера, шнекового конвейера, загрузочного ковша, трубы, вручную или с помощью их комбинации. Биомасса может быть, например, заброшена, налита и/или
размещена в конвейере с помощью любого из этих способов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения материал доставляют на конвейер с использованием замкнутой системы распределения материала, чтобы помочь поддерживать атмосферу с низким уровнем кислорода и/или для контроля за пылью и фракциями очень мелких частиц. Поднятые в воздух, или висящие в воздухе, фракции очень мелких частиц биомассы и пыль являются нежелательными, потому что их образование является взрывоопасным или может повредить пленки для защиты от разлетания осколков при разрушении оконных стекол электронной пушки (если такое устройствоие используют для обработки материала). [00071] Материал можно выровнять для того, чтобы образовалась равномерная толщина между приблизительно 0,0312 и 5 дюймами {напр., между приблизительно 0,0625 и 2,000 дюймами, между приблизительно 0,125 и 1 дюймом, между приблизительно 0,125 и 0,5 дюйма, между приблизительно 0,3 и 0,9 дюйма, между приблизительно 0,2 и 0,5 дюйма, между приблизительно 0,25 и 1,0 дюймом, между приблизительно 0,25 и 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 +/-0,025 дюйма, 0,8 00 +/- 0,025 дюйма, 0,8 50 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/-0,025 дюйма.
[00072] Как правило, является предпочтительным как можно более быстрая передача материала сквозь пучок электронов, чтобы максимизировать пропускную способность. Например, материал транспортируют при скорости по меньшей мере 1 фут/мин, напр., по меньшей мере 2 фут/мин, по меньшей мере 3 фут/мин, по меньшей мере 4 фут/мин, по меньшей мере 5 фут/мин, по меньшей мере 10 фут/мин, по меньшей мере 15 фут/мин, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 фут/мин. Скорость транспортировки связана с током пучка, например, при толщине биомассы !4 дюйма и 100 мА, конвейер может двигаться приблизительно 20 фут/мин, чтобы обеспечить полезную дозу облучения, при 50 мА конвейер может двигаться приблизительно 10 фут/мин, чтобы обеспечить примерно такую же дозу облучения. [00073] После того, как материал биомассы транспортируют через зону облучения, может быть выполнена необязательная дополнительная переработка. Необязательная дополнительная переработка может, например, представлять собой процесс, описанный в случае предварительного облучения. Исключительно, биомасса может быть экранирована, нагрета, охлаждена и/или комбинирована с добавками. Однозначно, в случае последующего облучения может происходить тушение радикалов, например, тушение радикалов с помощью
добавления жидкостей или газов (напр., кислорода, оксида азота, аммиака, жидкостей), с использованием давления, тепла, и/или добавления акцепторов радикалов. Например, биомассу транспортируют из прилагаемого конвейера и подвергают воздействию газа (напр., кислорода), который производит тушение с образованием карбоксилированные группы. В отдельном варианте осуществления настоящего изобретения биомассу в течение облучения подвергается воздействию реакционно-способного газа или жидкости. Тушение биомассы, которую подвергают облучению, описано Medoff в патенте США № 8083906, полное раскрытие которого приведено в данном документе с помощью ссылки.
[00074] При необходимости, могут быть использованы одна или более механическая обработка в дополнение к облучению, для дальнейшего снижения устойчивости материала биомассы. Эти процессы может быть применены перед, в течение и/или после облучения. [00075] В некоторых случаях, механическая обработка может содержать начальную подготовку полученного сырья, напр., уменьшение размеров материалов, к примеру, с помощью измельчения, напр., разрезания, измельчения, рассекания, превращения в порошок или рубки. Например, в некоторых случаях, рыхлое сырье (напр., переработанная бумага, крахмальные материалы или просо) готовят с помощью рассекания или шинкования. Механическая обработка может снижать объемную плотность материала биомассы, увеличивать площадь поверхности материала биомассы и/или уменьшить один или более габаритов материала биомассы.
[00076] С другой стороны, или помимо этого, материал сырья могут сначала обрабатывать физическими методами с помощью одного или более иного способа обработки физическими методами, напр., химической обработки, радиации, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза или парового взрыва, а затем обрабатывают механически. Этот цикл обработки может быть выгодным, так как материалы, которые обрабатывают с помощью одним или более способа обработки иного типа, напр., облучения или пиролиза, как правило, более хрупкие и, следовательно, могут быть более подходящими для дальнейшего изменения структуры материала с помощью механической обработки, апример, материал сырья могут быть транспортировать через ионизирующее излучение с использованием конвейера, как описано в данном документе, а затем обрабатывают механически. Химическая обработка может удалять лигнин частично или полностью (например, химическое измельчение) и может частично или полностью гидролизовать материал. Также могут быть использованы способы с предварительной гидролизацией материала. Также могут быть использованы способы с материалом, который не был предварительно гидролизован. Могут быть
использованы способы со смесями гидролизованных и негидролизованных материалов, например, с приблизительно 50% или более негидролизованного материала, с приблизительно 60% или более негидролизованного материала, с приблизительно 70% или более негидролизованного материала, с приблизительно 80% или более негидролизованного материала или даже с 90% или более негидролизованного материала.
[00077] В дополнение к уменьшению размера, который может быть выполнен в начале и/или в конце обработки, механической обработки также может быть выгодным для "раскрытия", "подвержения напряжению", разрушение или диспергирования материалов биомассы, что делает целлюлозу материалов более восприимчивой к разрывам цепи и/или разрушению кристаллическаой структуры во время физической обработки. [00078] Способы механической обработки материала биомассы содержат, например, перемалывание или измельчение. Перемалывание осуществляют с использованием, например, молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, дробильных валков, мельницы Вили или мукомольной мельницы или другой мельницы. Измельчение осуществляют с использованием, например, разрезающей дробилки/дробилки ударного действия. Некоторые иллюстративные дробилки содержат каменные дробилки, стержневые дробилки, кофейные дробилки или граносниматели. Измельчение или перемалывание можно обеспечить, например, посредством возвратно-поступательного движения стержня или другого элемента, как в случае со стержневой мельницей. Другие способы механической обработки включают механический разрыв или вытягивание, другие способы, в которых к волокнам прикладывают давление, и размол воздушным трением. Подходящие способы механической обработки дополнительно включают любые другие способы, которые меняют молекулярную структуру исходного материала, который поступил на предыдущих этапах обработки. [00079] Системы механической обработки можно выполнить таким образом, чтобы получать потоки с определенными морфологическими свойствами, такими как, например, специфические максимальные размеры, специфическое отношение длины к ширине, или специфические отношения площадей поверхности. Физическая подготовка позволяет увеличить скорость реакций, улучшить движение материала на конвейере, улучшить профиль облучения материала, улучшить равномерность облучения материала или уменьшить необходимое время переработки за счет раскрытия материалов и делая их более доступными для процессов и/или реагентов, таких как реагенты в растворе.
[00080] Можно контролировать объемную плотность исходного сырья (например, в сторону увеличения). В некоторых случаях, может быть желательным получение материала с низкой объемной плотностью, загущение материала (например, чтобы сделать его транспортировку в другое место более удобной и менее дорогостоящей) и затем возвращение материала в состояние с более низкой объемной плотностью {напр., после транспорт). Материал может быть уплотнен, например, от менее чем приблизительно 0,2 г/см3до более чем приблизительно 0,9 г/см (например, от менее приблизительно 0,3 до более чем приблизительно 0,5 г/см3, от менее приблизительно 0,3 до более чем приблизительно 0,9 г/см3, от менее приблизительно 0,5 до более чем приблизительно 0,9 г /см3, от менее приблизительно 0,3 до более чем приблизительно 0,8 г/см , от менее приблизительно 0,2 до более чем приблизительно 0,5 г/см ). Например, материал может быть уплотнен с помощью методов и оборудования, описанных Medoff в предварительной заявке США 7932065 и заявке WO 2008/073186, полное содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки (которую подали 26 октября 2007, опубликовали на английском языке и разработали в США), полное раскрытия которой включено в данный документ с помощью ссылки. Уплотненный материал может быть обработан с помощью любого из способов, описанных в настоящем изобретении, или любой материал, обработанный любым из способов, описанных в настоящем изобретении, может быть впоследствии уплотнен.
[00081] Согласно некоторым вариантам реализации изобретения материал, подвергаемый переработке, находится в виде волокнистого материала, содержащего волокна, полученные путем разрезания источника волокон. Например, разрезание можно осуществить с помощью режущего инструмента с дисковым ножом.
[00082] Например, источник волокон, не поддающийся обработке или с пониженным уровнем устойчивости к разложению, можно разрезать, например, в режущем инструменте с дисковым ножом, с получением первого волокнистого материала. Первый волокнистый материал проходит 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 волокна можно разрезать перед измельчением на части, например, с помощью шредера. Например, при применении бумаги в качестве источника волокна, бумагу можно сначала перед рассеканием разрезать на полоски шириной, например, от 1/4 до 1/2 дюйма, применяя шредер, например, шредер с винтом противоположного вращения, такую как машины, производимые компанией Munson (Ютика, Нью-Йорк). В качестве альтернативы разрезанию на полоски, бумага может быть уменьшена
в размерах путем 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.
[00083] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения разрезание источника волокна и прохождение образовавшегося первого волокнистого материала через первое сито осуществляют одновременно. Разрезание и прохождение можно также осуществить в периодическом процессе.
[00084] Например, режущий инструмент с дисковым ножом можно применять для одновременного разрезания источника волокна и просеивания первого волокнистого материала. Режущий инструмент с дисковым ножом содержит загрузочный бункер, который можно загрузить измельченным источником волокна, полученным в результате его измельчения.
[00085] В некоторых вариантах реализации измельченный источник волокна перед осахариванием и/или ферментацией обрабатывают физическими методами. Способы физической обработки могут включать один или более из любых способов, описанных в настоящей заявке, такие как механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Способы обработки можно применять в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех из указанных технологий (в любом порядке). При применении более чем одного способа обработки, указанные способы можно использовать одновременно или в различное время. Можно также применять другие способы, которые изменяют молекулярную структуру сырья из биомассы, в отдельности или в комбинации со способами, описанными в настоящей заявке.
[00086] Механические обработки, которые могут использоваться, и характеристики механически обрабатываемых материалов биомассы подробно описаны в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - БОМБАРДИРОВКА ЧАСТИЦАМИ [00087] Одну или более обработку бомбардировкой частицами высоких энергий могут использовать для обработки материалов из исходного сырья и обеспечения широкого выбора различных источников с целью извлечения полезных веществ из сырья и получения частично разрушенного органического структурно модифицированного материала, который служит в качестве загрузки для дальнейших этапов переработки и/или циклов обработки.
Бомбардировка частицами может уменьшить молекулярную массу и/или кристалличность сырья. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для обработки описанных материалов применяют энергию, находящуюся в материале, который высвобождает электрон с его атомной орбитали. Бомбардировка может быть осуществлена с помощью тяжелых заряженных частиц (таких как альфа-частицы или протоны), электронов (полученных, например, при бета-распаде или с помощью электронно-лучевых ускорителей), или электромагнитного излучения(например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей). С другой стороны, для обработки исходного сырья можно применять излучение, вызванное радиоактивными веществами. Любую их комбинацию можно использовать в любом порядке или одновременно. В еще одном подходе, для обработки исходного сырья можно применять электромагнитное излучение (например, вызванное применением электронно-лучевых эмиттеров).
[00088] Каждая форма энергии ионизирует биомассу за счет конкретных взаимодействий. Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют материю за счет кулоновского рассеяния; кроме того, эти взаимодействия создают быстрые электроны, которые могут дополнительно ионизировать материю. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актинидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
[00089] При использовании частиц, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Будучи заряженными, заряженные частицы могут содержать один положительный или отрицательный заряд или несколько зарядов, напр., один, два, три или даже четыре или более зарядов. В примерах, в которых требуется разрыв цепи, положительно заряженные частицы могут быть предпочтительными, частично, благодаря их кислотной природе. При использовании частиц, их масса может быть равна массе электрона в состоянии покоя или превышать ее, напр., в 500, 1000, 1500, или 2000 или более раз. Например, масса частиц может составлять от примерно 1 атомной единицы до примерно 150 атомных единиц, напр., от примерно 1 атомной единицы до примерно 50 атомных единиц или от примерно 1 до примерно 25, напр., 1,2, 3,4, 5,10,12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими постоянного тока, электродинамическими постоянного тока, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или непрерывного излучения. Например, в компании ША, Бельгия можно приобрести циклотронный тип
ускорителей, такой как система Rhodotron(r), при этом в компании RDI, теперь ША Industrial, можно приобрести ускорители постоянного тока, такие как Dynamitron(tm). Ионы и ионные ускорители рассмотрены публикациях Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA В 6 (1997) 4,177-206, Chu, William Т., " Overview of Light-Ion Beam Therapy" Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 марта 2006 года, Iwata, Y. et al, " Alternating-Phase-Focused Ш-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators " Proceedings of EPAC 2006, Эдинбург, Шотландия и Leitner, CM. et al, "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus" Proceedings of EPAC 2000, Вена, Австрия. [00090] Применяемые дозы основываются на желаемом эффекте и конкретного сырья. Например, высокое дозы могут разорвать химические связи компонентов сырья, а низкие дозы могут увеличить химическое связывание {напр., сшивание) компоненов сырья. [00091] В некоторых случаях, когда желателен разрыв цепи и/или требуется функционализация полимерной цепи, можно использовать частицы, более тяжелые, чем электроны, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. При необходимости разрыва цепи с раскрытием цикла, для стимулирования этого процесса можно использовать положительно заряженные частицы, благодаря их свойствам кислот Льюиса, для достижения разрыва цепи с раскрытием цикла. Например, когда требуются кислород-содержащие функциональные группы, используют обработку в присутствии кислорода или даже обработка ионами кислорода. Например, когда требуются азот-содержащие функциональные группы, используют обработку в присутствии азота или даже обработку ионами азота.
ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ
[00092] Электроны, которые взаимодействуют за счет кулоновского рассеяния и тормозного излучения, получают с помощью изменений скорости электронов. Электроны получают с помощью притерпевающего бета-распад радионуклида, такого как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. С другой стороны, электронная пушка может быть использована как источник электронов за счет термоэлектронной эмиссии.
[00093] Электромагнитное излучение взаимодействует за счет трех процессов: фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и рождения электронно-позитронных пар. Доминирующее взаимодействие определяют с помощью энергии падающего излучения и атомного номера материала. Суммирование взаимодействий,
способствующих излучению, поглощенному в целлюлозном материале, может быть выражена с помощью удельного коэффициента абсорбции.
[00094] Электромагнитного излучения в зависимости от длины волны подразделяют на гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволны или радиоволны.
[00095] Например, гамма-излучение может быть использовано для обработки материалов. Гамма-излучение имеет преимущество в значительной глубине проникновения в образцы различных материалов. Источники гамма-лучей содержат радионуклид, такой как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, таллия и ксенона.
[00096] Источники рентгеновских лучей содержат электроннолучевой столкновение с
металлическими целями, такие как вольфрам или молибдена, или сплавов, или плотные
источники света, такие как те, которые коммерчески производит Lyncean.
[00097] Источники ультрафиолетового излучения содержат дейтериевые или кадмиевые
лампы.
[00098] Источники инфракрасного излучения содержат сапфир, цинк или лампу с керамическим излучателем и селенидным волноводным окном.
[00099] Источники микроволн содержат клистроны, ВЧ-источник типа Слевина или источники пучка атомов, которые используют газы водород, кислород или азот. [000100] В описанных в данном документе способах могут быть использованы другие различные устройства, включая источники ионизации полем, электростатические разделители ионов, генераторы ионизации полем, источники термоэлектронной эмиссии, источники сверхвысокочастотных ионных разряд, рециркуляционный или статический ускорители, динамические линейные ускорители заряженных частиц, ускорители Ван де Граафа и петлевые тандемные ускорители. Такие устройства описаны, например, в патенте США № 7931784 В2, полное раскрытие которого включено в данный документ с помощью ссылки.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - ОБЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАМИ [000101] Сырье может быть обработано облучением электронами для того, чтобы модифицировать его структуру и тем самым снизить его устойчивость. Подобная обработка может, например, снизить среднюю молекулярную массу сырья, изменить кристаллическую структуру сырья и/или увеличить площадь поверхности и/или пористость сырья.
[000102] Облучение электронами с помощью электронного пучка обычно является предпочтительным, потому, что оно обеспечивает очень высокую пропускную способность и поэтому использование устройства с низким напряжением/высокой мощностью электронного пучка устраняет необходимость в дорогой защите с помощью железобетонного укрытия, поскольку такие устройствоия являются "самоэкранированными" и обеспечивают безопасный, эффективный процесс. В то время как "самоэкранированные" устройства действительно включают защиту {напр., защиту с помощью металлического листа), они не требуют строительство железобетонного укрытия, что значительно снижает капитальные затраты и часто позволяет существовать производству, которое будет использоваться без дорогостоящего модификации. Электроннолучевой ускорители доступен, например, от ЮА (Ion Beam Applications, Лувэн-Ла-Нев, Бельгия), Titan Corporation (Сан Диего, Калифорния, США), и NHV Corporation (Nippon High Voltage, Япония).
[000103] Облучение электронами проводят с использованием устройствоия с электронным лучом, который имеет номинальную энергию менее 10 МэВ, напр., менее чем 7 МэВ, менее чем 5 МэВ, или менее чем 2 МэВ, напр., от приблизительно 0,5 до 1,5 МэВ, от приблизительно 0,8 до 1,8 МэВ, от приблизительно 0,7 до 1 МэВ, или от приблизительно 1 до 3 МэВ. В некоторых вариантах реализации номинальная энергия составляет приблизительно от 500 до 800 кэВ.
[000104] Пучок электронов может иметь относительно высокую общую мощность пучка (комбинированная мощность пучка всех ускоряющих головки, или, если используются различные ускорители, всех ускорителей и всех головок), напр., по меньшей мере 25 кВ, напр., по меньшей мере 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125, или 150 кВ. В некоторых случаях, мощности составляют даже выше, чем 500 кВ, 750 кВ, или даже 1000 кВ или более. В некоторых случаях пучок электронов имеет мощность луча 1200 кВ или более. [000105] Такая высокая суммарная мощность луча обычно достигается путем применения многолучевых ускоряющих головок. Например, электронно-лучевое устройство может включать две, четыре или более ускоряющих головок. Применение многолучевых головок, мощность луча каждой из которых сравнительно низкая, препятствует чрезмерному повышению температуры материала, предотвращая, тем самым, горение материала и также увеличивает однородность дозы, проходящей через толщу слоя материала. [000106] В некоторых вариантах реализации, желательно охлаждать материал в течение облучения электронами. Например, материал может быть охлажден во время его
транспортировки, например, с помощью шнекового экструдера или другого транспортирующего оборудования.
[000107] Для того, чтобы снизить энергию, необходимую для процесса снижения устойчивости, желательно обработать материал настолько быстро, насколько это возможно. В общем, предпочтительно, чтобы обработку проводили при мощности дозы больше, чем приблизительно 0,25 Мрад в секунду, напр., больше, чем приблизительно 0,5, 0,75, 1, 1.5, 2, 5, 7, 10, 12, 15, или даже больше, чем приблизительно 20 Мрад в секунду, напр., приблизительно от 0,25 до 2 Мрад в секунду. Более высокие мощности дозы обычно требуют более высоких скоростей линии, чтобы избежать термического разложения материала. В отдельном применении, ускоритель устанавливают на 3 МэВ, ток пучка 50 мА, а скорость линии 24 фут/минута, при толщине образца приблизительно 20 мм (напр., измельченный материал стержней початков кукурузы с объемной плотностью 0,5 г/см3). [000108] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения облучение электронами осуществляют до тех пор, пока материал не получит общую дозу по меньшей мере 0,5 Мрад, напр., по меньшей мере 5, 10, 20, 30 или по меньшей мере 40 Мрад. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обработку осуществляют до тех пор, пока материал не получит дозу от приблизительно 0,5 Мрад до приблизительно 150 Мрад, от приблизительно 1 Мрад до приблизительно 100 Мрад, от приблизительно 2 Мрад до приблизительно 75 Мрад, от 10 Мрад до приблизительно 50 Мрад, напр., от приблизительно 5 Мрад до приблизительно 50 Мрад, от приблизительно 20 Мрад до приблизительно 40 Мрад, от приблизительно 10 Мрад до приблизительно 3 5 Мрад, или от приблизительно 25 Мрад до приблизительно 30 Мрад. В некоторых вариантах реализации предпочтительной является общая доза от 25 до 35 Мрад, применяется, в идеале, пару секунд, напр., при 5 Мрад/пропускание, в каждом проходе они применяются приблизительно в течение одной секунды. Применение дозы большей, чем 7 до 8 Мрад/пропускание, в некоторых случаях может вызвать термическое разложение сырья материала.
[000109] С использованием нескольких головок, как обсуждалось выше, материал может быть обработан в несколько пропусканий, например, два пропускания от 10 до 20 Мрад/пропускание, напр., от 12 до 18 Мрад/пропускание, разделенных несколько секунд охлаждения, или три пропускания от 7 до 12 Мрад/пропускание, напр., от 9 до 11 Мрад/пропускание. Как обсуждалось выше, обработка материал несколькими относительно низкими дозами, а не одной большой дозой, как правило, предотвращает перегрев материала, а также увеличивает однородность распределения дозы по толщине материала. В некоторых
вариантах реализации, материал перемешивают или, иным образом мешают в течение, или после, каждого пропускания и затем снова разглаживают до равномерного слоя перед следующим пропусканием, для дальнейшего повышения равномерности обработки. [000110] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электроны ускоряются до, например, скорости больше, чем 75 процентов от скорости света, напр., больше, чем 85, 90, 95, или 99 процентов от скорости света.
[000111] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения любые переработки, описанные в данном документе, осуществляют с лигноцеллюлозным материалом, который остается сухим, таким как и был приобретен, или был высушен, напр., с использованием тепла и/или сниженного давления. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал имеет по массе менее чем приблизительно пять процентов удержанной воды, измеренной при 25°С и относительной влажности пятьдесят процентов.
[000112] Может быть применено облучение электронами, в то время как целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал подвергают воздействию воздуха, обогащенного кислородом воздух, или даже самого кислорода, или покрыты инертным газом, таким как азот, аргон или гелий. Если является желательным максимальные окисление, используют окисляющую среду, такую как воздух или кислород, а расстояние от источника пучка оптимизируют для максимизации образования реакционно-способного газа, напр., озона и/или оксидов азота.
[000113] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения применяют два или более источника излучения, например, два или более ионизирующих излучения. Например, образцы можно обработать, в любом порядке, с помощью электронного луча, а затем гамма-излучением и УФ-светом с длинами волн от примерно 100 нм до примерно 280 нм. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения образцы обрабатывают с применением трех источников ионизирующего излучения, например, с помощью электронного луча, гамма-излучения и УФ-света высокой энергии. Биомассу транспортируют через зону обработки, где ее облучают электронами. Как правило, предпочтительно, чтобы слой материала биомассы во время обработки имел относительно равномерную толщину, как описано выше.
[000114] Может быть выгодным повторение обработки до более полного снижения устойчивости биомассы и/или дальнейшей модификации биомассы. В частности, параметры процесса можно регулировать после первого (напр., второго, третьего, четвертого или более)
пропускания, в зависимости от устойчивости материала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может быть использован конвейер, который содержит круговую систему, в которой биомассу транспортируют несколька раз через различные процессы, описанные выше. В некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения для обработки биомасса несколько используют несколько устройств обработки (напр., электроннолучевые генераторы) (напр., 2, 3, 4 или больше раз). В нескольких дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения один электроннолучевой генератор может быть источником нескольких лучей (напр., 2, 3, 4 или более лучей), которые могут быть использованы для обработки биомассы. [000115] Эффективность изменения молекулярной/надмолекулярной структуры и/или снижения устойчивости биомассы основана на использовании энергии электрона и применяемой дозы, в то время как время экспозиции зависит от мощности и дозы. [000116] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обработку (с любым источником электронов или комбинацией источников) осуществляют до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере приблизительно 0,05 Мрад, напр., по меньшей мере приблизительно 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 осуществления настоящего изобретения обработку осуществляют до тех пор, пока материал не получит дозу между 0,1 и 100 Мрад, 1 и 200, 5 и 200, 10 и 200, 5 и 150, 5 и 100, 5 и 50, 5 и 40, 10 и 50, 10 и 75, 15 и 50, 20 и 35 Мрад.
[000117] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обработку осуществляют при мощности дозы между 5,0 и 1500,0 крад/час, напр., между 10,0 и 750,0 крад/час или между 50,0 и 350,0 крад/час. В других вариантах осуществления настоящего изобретения обработку осуществляют при мощности дозы между 10 и 10000 крад/час, между 100 и 1000 крад/час, или между 500 и 1000 крад/час.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ
[000118] Электроны, которые взаимодействуют за счет кулоновского рассеяния и тормозного излучения, получают с помощью изменений скорости электронов. Электроны получают с помощью радионуклида, который притерпевает бета-распад, такого как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. С другой стороны, электронная пушка может быть использована как источник электронов, полученных за счет термоэлектронной эмиссии и ускоренных за счет ускоряющего потенциала. Электронная пушка генерирует электроны,
которые ускоряются за счет большого потенциала {напр., больше, чем приблизительно 500 тысяч, больше, чем приблизительно 1 миллион, больше, чем приблизительно 2 миллиона, больше, чем приблизительно 5 миллионов, больше, чем приблизительно 6 миллионов, больше, чем приблизительно 7 миллионов, больше, чем приблизительно 8 миллионов, больше, чем приблизительно 9 миллионов или даже больше, чем 10 миллионов вольт), а затем сканирует его магнитом в плоскости XY, где электроны сначала ускоряются в направлении по оси Z, двигаются вдоль трубки и выводятся через окно из алюминиевой фольги. Сканирование электронного пучка способствует увеличению поверхности облучения при облучении материалов, напр., биомассы, которую транспортируют через сканирующий луч. Сканирование электронного пучка также распределяет тепловую нагрузку равномерно на окно и помогает уменьшить разрывы оконной фольги из-за локального нагрева электронным пучком. Разрыв фольги в окне является причиной продолжительного простоя из-за последующих необходимых ремонтных работ и повторного запуска электронной пушки.
[000119] В способах, описанных в данном документе, могут использовать различные другие облучающие устройства, которые содержат источники ионизации полем, электростатические разделители ионов, генераторы ионизации полем, источники термоэлектронной эмиссии, источники ионного сверхвысокочастотного разряда, рециркуляционные или статические ускорители, динамический линейный ускоритель заряженных частиц, ускорители Ван де Граафа и петлевые тандемные ускорители. Такие устройства описаны Medoff, например, в патенте США № 7931784, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки.
[000120] Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, в качестве источника излучения применяют электронный луч. Электронный луч имеет преимущества, связанные с высокими мощностями дозы излучения (например, 1,5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительностью, более слабым удержанием и меньшими ограничениями в отношении оборудования. Электрон лучей также может иметь высокий электрический коэффициент полезного действия (напр., 80%), что позволяет достигнуть использования более низкой энергии по сравнению с другими способами излучения, что может привести к более низкой стоимости эксплуатации и снижению выбросов парниковых газов, соответствующих меньшему количеству используемой энергии. Электронные лучи можно создать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой,
низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей.
[000121] Электроны также могут быть более эффективными в том, что служат источником изменений молекулярной структуры биомассы материалы, например, стимулирования разрыва цепи. Помимо этого, электроны, которые имеют энергии 0,5-10 МэВ, могут проникать в материалы с низкой плотностью, такие как материалы биомассы, описанные в данном документе, напр., материалы, которые имеют объемную плотность менее чем 0,5 г/см3, и толщину 0,3-10 см. Электроны могут быть полезными в качестве источника ионизирующего излучения, напр., в случае относительно тонких стопок, слоев или пластов материалов, напр., менее чем приблизительно 0,5 дюйма, напр., менее чем приблизительно 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,25 дюйма или менее чем приблизительно 0,1 дюйма. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения энергия каждого пучка электронов составляет от приблизительно 0,3 МэВ до приблизительно 2,0 МэВ (миллион электрон-вольт), напр., от приблизительно 0,5 МэВ до приблизительно 1,5 МэВ, или от приблизительно 0,7 МэВ до приблизительно 1,25 МэВ. Способы облучения материалов обсуждаются в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки.
[000122] Устройства для электролучевого облучение можно приобрести у компаний Ion Ion Beam Applications (Лувэн-Ла-Нев, Бельгия), Titan Corporation (Сан Диего, Калифорния, США) и NHV Corporation (Nippon Высокое Напряжение, Япония). Типичные энергии электронов могут составлять 0,5 МэВ, 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ. Мощность типичного устройства для электролучевого облучения может составлять 1 кВ, 5 кВ, 10 кВ, 20 кВ, 50 кВ, 60 кВ, 70 кВ, 80 кВ, 90 кВ, 100 кВ, 125 кВ, 150 кВ, 175 кВ, 200 кВ, 250 кВ, 300 кВ, 350 кВ, 400 кВ, 450 кВ, 500 кВ, 600 кВ, 700 кВ, 800 кВ, 900 кВ или даже 1000 кВ. [000123] Для выбора компромиссных решений при рассмотрении характеристик энергопотребления устройств электроннолучевого облучения, рассматривают стоимость эксплуатации, общие затраты, амортизация оборудования и влияние устройства на окружающую среду. Для выбора компромиссных решений при рассмотрении уровней дозы облучения, при облучение пучком электронов, используют стоимость энергии и принципы защиты окружающей среды, надежности и здоровья (ESH). Как правило, генераторы размещены в укрытии, напр., свинцовом или железобетонном, особенно при получении рентгеновского излучения, которые получают в процессе. Выбор компромиссных решений при рассмотрении энергии электрона основывают на стоимости энергии.
[000124] Устройство электроннолучевого облучения может производить либо неподвижный пучок, либо сканирующий пучок. Сканирующий пучок может быть может быть выгоден при большой длине развертки сканирования и высокой скорости сканирования, так как это эффективно заменяет большую, фиксированную ширину пучка. В дальнейшем, доступны ширины развертки 0,5 м, 1 м, 2 м или более. В большинстве вариантов осуществления настоящего изобретения является предпочтительным сканирующий пучок, описываемый в данном документе, ввиду большей ширины сканирования и снижения возможности локального нагрева и разрушения окон.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ - ОБРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОМ, ПИРОЛИЗ, ОКИСЛЕНИЕ, ПАРОВОЙ ВЗРЫВ
[000125] При необходимости, помимо этого, можно использовать один или более способов, выбранных из обработки ультразвуком, пиролиза и окисления, в дополнение к, или вместо, другим обработкам для дальнейшего снижения устойчивости материала биомассы. Эти процессы может быть применены перед, в течение и/или после другой обработки или обработок. Эти процессы подробно описаны Medoff в патенте США № 7932065, полное раскрытие которого включено в данный документ с помощью ссылки.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАБОТАННОГО МАТЕРИАЛА БИОМАССЫ
[000126] При использовании способов, описанных в данном документе, исходный материал биомассы {напр., биомасса растений, биомасса животных, бумага и биомасса бытовых отходов) может быть использован в качестве сырья для получения полезных промежуточных соединений и продуктов, таких как органические кислоты, соли органических кислот, ангидриды, сложные эфиры органических кислот и топлива, напр., топлива для двигателей внутреннего сгорания или сырье для топливных элементов. Системы и процессы, описанные в данном документе, могут использовать в качестве сырья легкодоступные целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, но зачастую могут возникгуть проблемы с обработкой, напр., потоки бытовых отходов и потоки отходов бумаги, такие как потоки, содержащие газеты, упаковочную бумагу, гофрированную бумаги или их смеси.
[000127] Для того, чтобы превратить сырье в форму, которая может быть легко переработана, глюкан- или ксилан-содержащая целлюлоза сырья может быть гидролизована до углеводов с низкой молекулярной массой, таких как сахара, с помощью осахаривающего средства, напр., фермента или кислоты, такой процесс называют осахаривание. Углеводы с
низкой молекулярной массой могут затем использовать, например, на существующем промышленном предприятии, такие как завод по производству одноклеточного белка, или промышленное предприятие по производству ферментов или промышленное предприятие по производству топлива, напр., производственное предприятие по производству этанола. [000128] Сырье может быть гидролизовано с использованием фермента, напр., с помощью комбинирования материалов и фермента в растворителе, напр., в водном растворе. [000129] С другой стороны, ферменты может быть предоставлены организмами, которые расщепляют биомассу, такую как целлюлозные и/или лигниновые части биомассы, содержат или производят различные целлюлолитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные низкомолекулярные разрушающие биомассу метаболиты. Эти ферменты могут быть комплексом ферментов, который синергетически взаимодействует для разложения кристаллической целлюлозной или лигниновой части биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов содержат: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (бета-глюкозидазы).
[000130] В течение осахаривания целлюлозный субстрат сначала гидролизуют с помощью эндоглюканазы в случайных местах с получением олигомерных промежуточных соединений. Эти промежуточные соединения представляют собой субстраты экзо-расщепляющих глюканаз, таких как целлобиогидролаза, для получения целлобиозы из концевых групп целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водорастворимый 1,4-связанный димер глюкозы. Наконец, целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы. Эффективность (напр., время для того, чтобы гидролизовать и/или полнота гидролиза) этого процесса зависит от устойчивости целлюлозного материала.
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ПРОДУКТЫ
[000131] Процессы, описанные в данном документе, предпочтительно используют для получения бутанола, напр., изобутанола или н-бутанола и их производных. Тем не менее, процессы могут использовать для получения других продуктов, побочных продуктов и промежуточных соединений, например, продуктов, описанных в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011, и опубликованной 26 апреля 2012, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки. [000132] Применяя способы, описанные в настоящей заявке, можно превратить обработанную биомассу в один или более продуктов, таких как энергия, топлива, пищевые продукты и материалы. Некоторые примеры продуктов включают, но не ограничиваются
ими, водород, сахара (напр., глюкоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, фруктоза, дисахариды, олигосахариды и полисахариды), спирты (напр, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол, изобутанол, вторичный бутиловый спирт, третичный бутиловый спирт или н-бутанол), гидратированные или водные спирты (напр., содержащие больше чем 10%, 20%, 30% или даже больше чем 40% воды), биодизельное топливо, органические кислоты, углеводороды (напр., метан, этан, пропан, изобутен, н-гексан, биодизель, биобензин и их смеси), побочные продукты (напр., белки, такие как целлюлолитические белки (ферменты) или белки одноклеточных), и смеси любых из перечисленных продуктов в любой комбинации или относительной концентрации и, при необходимости, в комбинации с любыми добавками (напр., топливными добавками). Другие примеры включают карбоновые кислоты, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот, и сложные эфиры карбоновых кислот (напр., метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны (напр., ацетон), альдегиды (напр., ацетальдегид), альфа и бета ненасыщенные кислоты (напр., акриловая кислота) и олефины (напр., этилен). Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, сахарные спирты и полиолы (напр., гликоль, глицерин, эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, галактит, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит, лактит, мальтотриит, мальтотетраит, полиглицит и другие полиолы), метиловые или этиловые сложные эфиры любых из указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, 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, у-гидроксимасляную кислоту и их смеси, соль любой из указанных кислот, или смеси любых из кислот и их соответствующие соли, соль любой из кислот и смеси из любых кислот и соответствующих солей.
[000133] Любая комбинация вышеуказанных продуктов друг с другом, и/или вышеуказанных продуктов с другими продуктами, при чем другие продукты могут быть сделаны с помощью процессов, описанных в данном документе, или, в противном случае, могут быть упакованы вместе и продаются как продукты. Продукты могут быть объединены, напр., смешены, гомогенизированы или совместно растворены, или могут быть просто упакованы и проданы вместе.
[000134] Любые продукты или комбинации продуктов, описанные в данном документе, можно продезинфицировать или стерилизовать до продажи продуктов, напр., после очистки или выделения или даже после упаковки, чтобы нейтрализовать одну или более потенциально нежелательную примесь, которая может присутствовать в продукте(ах). Подобная дезинфекция может быть осуществлена с помощью облучения электронами, например, при дозировке менее чем приблизительно 20 Мрад, напр., от приблизительно 0,1 до 15 Мрад, от приблизительно 0,5 до 7 Мрад или от приблизительно 1 до 3 Мрад. [000135] Процессы, описанные в данном документе, могут производить потоки различных субпродуктов, полезных для образования пара и электричества, которое будет использоваться в других частях завода (когенерация) или будут проданы на открытом рынке. Например, пар, полученный от сжигания потоков субпродуктов, может быть использован в процессе дистилляции. В качестве другого примера, электричество, вырабатываемое при сжигании потоков побочных продуктов, может быть использовано для электрических электроннолучевых генераторов, используемых при предварительной обработке. [000136] Побочные продукты, используемые для получения пара и электричества получают из ряда источников в течение всего процесса. Например, при анаэробном сбраживании сточных вод могут производить биогаз с высоким содержанием метана и небольшим количеством отходов биомассы (шлама). В качестве другого примера, после осахаривания и/или после дистиллирования твердых веществ (напр., непрореагировавший лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза, оставшиеся от предварительной обработки и предыдущих процессов) могут быть, напр., сожжены, в качестве топлива.
[000137] Многие из полученных продуктов, таких как этанол или н-бутанол, могут быть использованы в качестве топлива для питания автомобилей, грузовиков, тракторов, судов или поездов, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в качестве сырья для топливных элементов. Многие из полученных продуктов также могут быть использованы в качестве топлива для воздушных летательных аппаратов, таких как самолеты, напр., имеющие реактивные двигатели или вертолеты. Кроме того, продукты, описанные здесь, могут быть использованы для получения электроэнергии, например, в обычной паропроизводительной установке или в установке на топливных элементах. [000138] Другие промежуточные соединения и продукты, в том числе, пищевые и фармацевтические продукты, описаны Medoff в публикации заявки на патент США 2010/0124583 А1, опубликованной 20 мая 2010, полное раскрытие которой включено с помощью ссылки в данном документе.
ОСАХАРИВАНИЕ
[000139] Для того, чтобы получить раствор фруктозы из сырья со сниженной устойчивостью, осахаривают обработанные материалы биомассы, а затем сырье и необязательно очищают, как правило, с помощью комбинирования материала и фермента целлюлазы в жидкой среде, напр., водном растворе. В некоторых случаях, материал кипятят, размачивают или готовят в горячей воде до осахаривания, как описано Medoff и Masterman в публикации заявки на патент США 2012/0100577 А1, опубликованной 26 апреля 2012, полное содержание которой включено в данный документ.
[000140] Процесс осахаривания может быть частично или полностью выполнен в емкости (напр., емкость имеет объем по меньшей мере 4000, 40000 или 500000 л) на промышленном предприятии, и/или может быть частично или полностью выполнен в пути, напр., в железнодорожном вагоне, автоцистерне, в супертанкера или трюме корабля. Время, необходимое для полного осахаривания, будет зависеть от условий процесса, материала биомассы и используемого фермента. Если осахаривания выполняется в производственном предприятии в контролируемых условиях, целлюлоза может быть практически полностью превращена в сахар, напр., глюкозу, за приблизительно 12-96 часов. Если осахаривание выполняется частично или полностью в пути, осахаривания может занять больше времени. [000141] Обычно является предпочтительным, чтобы содержимое емкости перемешивали в течение осахаривания, напр., с использованием струйного перемешивания, как описано в международной заявке № PCT/US2010/035331, поданной 18 мая 2010, которая опубликованной на английском языке под № WO 2010/135380 и разработанной для США, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки. [000142] Добавление поверхностно-активных веществ может улучшить скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ содержат неионные поверхностно-активные вещества, такие как поверхностно-активные вещества Tween(r) 20 или Tween(r) 80 на основе полиэтиленгликоля, ионные поверхностно-активные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества.
[000143] В целом, предпочтительно, чтобы конечная концентрация глюкозы в сахарном растворе при осахаривании была сравнительно высокой, например, больше чем 40% или больше чем 50, 60, 70, 80, 90 или даже больше чем 95% по массе. Воду можно удалить, напр., с помощью испарения, для увеличения концентрации в растворе сахара. Это уменьшает объем, который подлежит перевозке, а также подавляет рост микробов в растворе.
[000144] Концентрация растворов фруктозы, например, после изомеризации осахаренного раствора, может быть от приблизительно 1 до 40%. Например, от приблизительно 5 до 40%, от приблизительно 10 до 40%, от приблизительно 15 до 40%, от приблизительно 5 до 10%, от приблизительно 10% до 30% и от приблизительно 30% до 40%.
[000145] Также могут быть использованы другие источники фруктозы. Например, фруктоза может быть получена из мелассы. Некоторые примеры различных видов мелассы представляют собой меласса на основе сахарный тростник, меласса на основе цитрусовых, меласса на основе крахмала, сырая меласса и/или меласса на основе сахарной свеклы. Глюкоза в мелассе может быть в диапазоне от приблизительно 30% до 70% (напр., от 40% до 60%, напр., от 45% до 55%) общего количества глюкозы/фруктозы, например, высокое содержание фруктозы в кукурузном сиропе составляет 55% фруктозы и 45% глюкозы. Экстракты из фруктов также могут быть источником продуктов с высоким содержанием фруктозы, экстракт агавы может иметь 90% фруктозы и 10% глюкозы. Изомеризация растворов глюкозы может увеличивать концентрацию растворов глюкозы и является еще одним источником фруктозы. Изомеризация может быть осуществлена с помощью изомеразы, как обсуждалось в данном документе. Другим источником фруктозы является гидролиз сахарозы, например, с использованием фермента (напр., сахараза), с использованием и кислоты и/или с использованием основания.
[000146] С другой стороны, можно использовать более низкие концентрации, в этом случае может быть желательным добавление противомикробной добавки, например, антибиотик широкого спектра действия при низкой концентрации, например, от 50 до 150 ч./млн. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В, канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении, и могут быть использованы при подходящих концентрациях, напр., между 15 и 1000 ч./млн. по массе, напр., между 25 и 500 ч./млн., или между 50 и 150 ч./млн. При необходимости, может содержаться антибиотик, даже если концентрация сахара сравнительно высока. С другой стороны, могут использоваться другие добавки с антимикробными свойствами. Предпочтительной является антимикробная добавка(и) для пищевых продуктов.
[000147] Относительно высокую концентрацию раствора можно получить путем ограничения количества среды, например, воды, добавляемой к исходному сырью с ферментом. Концентрацию можно контролировать, напр., регулируя интенсивность процесса
осахаривания. Например, концентрацию можно увеличить добавлением в раствор большего количества исходного сырья. Для того, чтобы поддерживать сахар, получаемый в растворе, могут добавлять поверхностно-автивное вещество, напр., одно из тех, которые обсуждались выше. Растворимость также может быть повышена с помощью увеличения температуры раствора. Например, раствор может поддерживаться при температуре 40-50°С, 60-80°С или даже выше.
[000148] С помощью добавления глюкоза изомеразы к содержимому емкости, могут получить высокую концентрацию фруктозы без осахаривание, гибируется в емкости с помощью Сахаров. Глюкоза изомераза может быть добавлена в любом количестве. Например, концентрация может быть ниже приблизительно 500 ед./г целлюлозы (меньше чем, или равной 100 ед./г целлюлозы, меньше чем, или равной 50 ед./г целлюлозы, меньше чем, или равной 10 ед./г целлюлозы, меньше чем, или равной 5 ед./г целлюлозы). Концентрация составляет по меньшей мере приблизительно 0,1 ед./г целлюлозы (по меньшей мере приблизительно 0,5 ед./г целлюлозы, по меньшей мере приблизительно 1 ед./г целлюлозы, по меньшей мере приблизительно 2 ед./г целлюлозы, по меньшей мере приблизительно 3 ед./г целлюлозы).
[000149] Добавление глюкозы изомеразы увеличивает количество Сахаров, которые получают, на по меньшей мере 5 % (по меньшей мере 10 %, по меньшей мере до 15 %, по меньшей мере 20 %).
[000150] Концентрация сахара в растворе также может быть повышена путем ограничения количества добавленной воды к сырью с ферментом и/или концентрация может быть увеличена путем добавления большего количества сырья в раствор во время осахаривания. Для того чтобы сохранить сахар, который получается в раствора, может быть добавлено поверхностно-активное вещество, напр., одно из тех, которые обсуждались выше. Растворимость также может быть увеличена за счет увеличения температуры раствора. Например, раствор может поддерживаться при температуре 40-50°С, 60-80°С, или даже выше.
ОСАХАРИВАЮЩИЕ СРЕДСТВА
[000151] Подходящие целлюлолитические ферменты содержат целлюлазы, предсталяющие собой виды из родов Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium, Aspergillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium,
Chrysosporium и Trichoderma, особенно тех, которые получают с помощью штамма, выбранного из видов Aspergillus (смотри, напр., публикацию заявки ЕР № 0458162), Humicola insolens (переклассифицирована как Scytalidium thermophilum, смотри, напр., патент США № 4435307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (которые содержат, но без ограничения ими, А. persicinum, A. acremonium, A. brachypenium, A. dichromosporum, A. obclavatum, A. pinkertoniae, A. roseogriseum, A. incoloratum, и A. furatum). Предпочтительные штаммы содержат 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, 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 могут быть также получены из Chrysosporium, предпочтительно, штамм Chrysosporium lucknowense. Дополнительные штаммы, которые может быть использованы, содержат, но без ограничения ими, Trichoderma (частично Т. viride, Т. reesei и Т. koningii), алкалофильные Bacillus (смотри, например, патент США № 3844890 и публикацию заявки ЕР № 0458162), и Streptomyces (смотри, напр., публикацию заявки ЕР № 0458162).
[000152] Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для превращения в сахар материала биомассы и производства сахара, также могут быть использованы для брожения и преобразования этих Сахаров в полезные продукты.
САХАРА
[000153] В процессах, описанных в данном документе, например, после осахаривания, могут быть выделены сахара (напр., глюкоза и ксилоза). Например, сахара могут быть выделены с помощью осаждения, кристаллизации, хроматографии (например, хроматографии с псевдодвижущимся слоем, хроматографии при высоких давлениях), центрифугирования, экстракции, любым другим способом выделения, известным в данной области, и их комбинацией.
ГИДРИРОВАНИЕ И ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
[000154] Процессы, описанные в данном документе, могут содержать гидрирование. Например, глюкоза и ксилоза может быть гидрированы до сорбита и ксилита, соответственно. Гидрирование могут осуществлять с помощью использования катализатор {напр., Pt/gamma-AbOs, Ru/C, никель Ренея или другой катализаторы, известный в данном уровне техники) в комбинации с Нг под высоким давлением (напр., от 10 до 12000 фунт/кв. дюйм). Могут быть использованы другие типы химических превращений продуктов из процессов, описанных здесь, например, такие как получение органических производных продуктов сахара (напр., фурфурола и продуктов, производных фурфурола). Химические превращения производных продуктов сахара описаны в заявке на патент США № 61/667,481, поданной 3 июля 2012, раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки во всей его полноте.
ФЕРМЕНТАЦИЯ
[000155] Предпочтительно, для превращения Сахаров (напр., фруктозы) до бутанола используют Clostridium spp. Оптимальное значение рН при ферментаци составляет приблизительно от рН 4 до 7. Например, оптимальное значение рН в случае дрожжей составляет от приблизительно рН 4 до 5, про том, что оптимальное значение рН в случае Zymomonas составляет от приблизительно рН 5 до 6. Обычное время ферментации составляет приблизительно от 24 до 168 часов (напр., от 24 до 96 часов) при температурах в диапазоне от 20°С до 40°С (напр., от 26°С до 40°С), тем не менее, термофильные микроорганизмы предпочитают более высокое температуры.
[000156] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, напр., если используют анаэробные организмы, по меньшей мере, часть ферментирования проводят при отсутствии кислорода, напр., в атмосфере инертного газа, такого как N2, Ar, Не, СО2, или их смесей. Кроме того, смесь может иметь постоянную продувку инертного газа, проходящего через резервуар в течение одной части или в течение всей ферментации. В некоторых случаях, анаэробные условия могут быть достигнуты или поддерживаются с помощью двуокиси углерода в процессе ферментации и не требуется никакого дополнительного инертного газа.
[000157] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения весь или часть процесса ферментация может быть прервана перед тем, как сахара с низкой молекулярной массой полностью превращаются в продукт (напр., этанол). Промежуточные продукты
ферментация содержат сахар и углеводы в высоких концентрациях. Сахара и углеводы могут быть выделены за счет любых средств, известных в текущем уровне техники. Эти промежуточные продукты ферментации могут быть использованы в приготовлении пищи для потребления человека или животного. Дополнительно или альтернативно, промежуточные продукты ферментации могут быть измельчены до частиц небольшого размера в лабораторных вальцах из нержавеющей стали, для того, чтобы получить муко-подобные вещества.
[000158] В течение ферментации могут использовать струйное перемешивание, а в некоторых случаях осахаривание и ферментацию осуществляют в одной емкости. [000159] Питательные вещества для микроорганизмов могут быть добавлены в течение осахаривания и/или ферментации, например, комплексы питательных веществ на основе продуктов питания, описанные в публикации заявки на патент США 2012/0052536, поданной 15 июля, 2011, полное раскрытие которой включено в данный документ с помощью ссылки. [000160] "Ферментация" содержит способы и продукты, который описаны в заявке на патент США № 61/579559, поданной 22 декабря 2012, и заявке на патент США № 61/579576, поданной 22 декабря 2012, содержание которых включено с помощью ссылки в данный документ во всей своей полноте.
[000161] Могут быть использованы мобильные ферментеры, как описано в международной заявке № PCT/US2007/074028 (поданной 20 июля 2007, опубликованной на английском языке как WO 2008/011598 и предназначенной для США), содержание которой включено в данный документ во всей своей полноте. Аналогичным образом, оборудование для осахаривания может быть мобильным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация может быть выполнена частично или полностью во время транспортировки.
ДРУГИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИИ
[000162] Хоть Clostridium и является предпочтительным, могут быть использованы другие микроорганизмы. Например, для ферментации или превращения сахара(ов) до другого спирта(ов) могут быть использованы дрожжи и бактерия Zymomonas. Другие микроорганизмы обсуждаются ниже. Это могут быть природные микроорганизмы и/или созданные микроорганизмы. Например, микроорганизм может быть бактерией (которая содержит, но без ограничения ими, напр., целлюлолитические бактерии), гриб (который содержит, но без ограничения ими, напр., дрожжи), растение, простейшие, напр., протозоа или грибоподобные простейшие (которые содержат, но без ограничения ими, напр.,
миксомицеты), или водоросли. Если эти организмы совместимы, могут быть использованы смеси организмов.
[000163] Подходящие брожения микроорганизмы обладают способностью превращать углеводы, такие как глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы содержат штаммы рода Saccharomyces spp. (которые содержат, но без ограничения ими, S. cerevisiae (пекарские дрожжи), S. distaticus, S. uvarum), род Kluyveromyces, (которые содержат, но без ограничения ими, К. marxianus, К. fragilis), род Candida (которые содержат, но без ограничения ими, С. pseudotropicalis, и С. brassicae), Pichia stipitis (родственник Candida shehatae), род Clavispora (которые содержат, но без ограничения ими, С. lusitaniae и С. opuntiae), род Pachysolen (которые содержат, но без ограничения ими, P. tannophilus), род Bretannomyces (которые содержат, но без ограничения ими, напр., В. clausenii (Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, в Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)). Другие подходящие микроорганизмы содержат, например, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. (которые содержат, но без ограничения ими, С. thermocellum (Philippidis, 1996, supra), Csaccharobutylacetonicum, С. saccharobutylicum, С. Puniceum, С. beijernckii, и С. 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, дрожжи видов рода Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula и Pichia, и грибы дематиоиды рода Torula.
[000164] Например, Clostridium spp. могут быть использованы для получения этанола, бутанола, масляной кислоты, уксусной кислоты и ацетона. Lactobacillus spp. могут быть использованы для получения молочной кислоты.
[000165] Многие такие микробные штаммы являются общедоступными, либо коммерчески или через депозитарии, такие как АТСС (American Type Culture Collection, Манассас, штат Вирджиния, США), NRRL (Agricultural Research Service Culture Collection, Пеория, штат Иллинойс, США) или DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Брауншвейг, Германия), в качестве примера.
[000166] Коммерчески доступные дрожжи, содержат, например, Red Star(r)/Lesaffre Ethanol Red (доступный от Red Star/Lesaffre, США), FALI(r) (доступный от Fleischmann's Yeast, отделение Burns Philip Food Inc., США), SUPERSTART(r) (доступный от Alltech, сейчас
Lalemand), GERT STRAND(r) (доступный от Gert Strand AB, Швеция) и FERMOL(r) (доступный от DSM Specialties).
[000167] Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для превращения материала биомассы в сахар и производства сахара, также могут быть использованы для брожения и преобразования этих Сахаров в полезные продукты.
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
[000168] После ферментации, полученные жидкости могут быть придистиллированы с использованием, например, "бражной колонны", чтобы отделить этанол и другие спирты от основного количества воды и остаточных твердых веществ. Пар, выходящий из бражной колонны может быть, напр., на 35% массы этанолом и может быть подан в ректификационную колонну. Смесь почти азеотропных (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны может быть очищена до чистого (99,5%) этанола с использованием в паровой фазе молекулярных сит. Осадки из бражной колонны могут быть отправлена на первую ступень трехступенчатого испарителя. Ректификационная колонна с обратным холодильником может обеспечить тепло для этой первой ступени. После первой ступени, твердые веществе могут быть разделены с использованием центрифуги и высушены в роторном испарителе. Часть (25%) вытекающего потока из центрифуги может быть переработана для ферментации, а остальное направлено на вторую и третью ступени испарителя. Большая часть конденсата из испарителя может быть возвращена в процесс как довольно чистый конденсат с отделением маленькой порции, чтобы очистить вытекающий поток для предотвращения накапливания низкокипящих соединений.
[000169] Отличающиеся от примеров, приведенных в данном документе, или если прямо указано иное, все числовые диапазоны, количества, значения и процентные величины, такие как использованные для обозначения количества материалов, элементного состава, времени и температур реакции, соотношения количеств, а также другие, в следующей части описания и прилагаемой формуле изобретения могут быть прочитаны таким образом, как если бы им предшествовало слово "приблизительно", даже если термин "приблизительно" явным образом указан рядом со значением, количеством или диапазоном. Соответственно, если не указано иное, числовые параметры, изложенные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, которые будут получены с помощью настоящего изобретения. В крайнем случае, и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов по
отношению к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр, следует понимать по крайней мере в свете количества приведенных значащих цифр и с применением обычных способов округления.
[000170] Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, представляющие широкий объем изобретения, являются приближенными, числовые значения, изложенные в конкретных примерах, приведены как можно точнее. Любое численное значение, тем не менее, по существу содержит ошибку, обязательно полученную из стандартного отклонения, обнаруживаемого в лежащих в его основе соответствующих тестовых измерениях. Кроме того, когда в данном описании приведены численные диапазоны, эти диапазоны включают указанные конечные точки диапазона (то есть, могут быть использованы конечные точки). Когда здесь используют проценты по массе, численные значения, представлены в пересчете на общую массу.
[000171] Кроме того, следует понимать, что любой числовой диапазон, приведенный в настоящем документе, предполагает включение всех поддиапазонов, входящих в него. Например, диапазон "от 1 до 10"предназначен для включения всех поддиапазонов между (и включающий) указанное минимальное значение 1 и приведенное максимальное значение 10, то есть имеющий минимальное значение равное, или больше чем, 1 и максимальное значение, равное, или меньше чем, 10. Термины "один" или "этот", используемые в данном документе, предназначены для включения "по крайней мере один" или "один или более", если не указано иное.
ПРИМЕРЫ
[000172] Пример 1. Получение бутанола на глюкозе, ксилозе и фруктозе [000173] Среду на основе Р2 используют для следующих испытаний, как описано в патенте США 6358717. Среда состоит из следующих отдельно приготовленных растворов (в граммах на 100 мл дистиллированной воды, если не указано иное): сахар (см. ниже типы и количество), 790 мл дистиллированной воды (раствор I), 0,5 г К2НРО4, 0,5 г КН2РО4, 2,2 г CH3COONH4 (раствор II), 2,0 г MgS04 7Н20, 0,1 г MnS04 Н20, 0,1 г NaCl, 0,1 г FeS04-7H20 (раствор Ш), и 100 мг п-аминобензойной кислоты, 100 мг тиамина, 1 мг биотина (раствор IV). Растворы I и П стерилизуют посредством фильтрации и затем мешают, для того, чтобы образовался сахарный буфферный раствор. Растворы Ш и IV стерилизуют посредством фильтрации. Части (10 и 1 мл) растворов Ш и IV, соответственно, добавляют в асептических условиях к сахарному буферному раствору. Конечный рН среда Р2 составляет 6,6.
[000174] Количества Сахаров, которое использовали, составило: для среды GXP2, 43 г глюкозы и 24 г ксилозы; для среды FP2, 43 г фруктозы; для среды FGP2, 43 г фруктозы и 43 г глюкозы.
[000175] Растворы продувают аргоном в течение 45 мин, а затем помещают в анаэробную камеру. Растворы (10 мл) измеряют в 21,20 мл ранее автоклавированном пенициллиновом флаконе. Флаконы опечатывают герметизирующей резиновой прокладкой и затем достают из анаэробного ящика. Флаконы инокулируют 1 об. % Clostridium saccharoperbutylacetonicum (АТСС 27021) из водного раствора в глицерине подготовленного в соответствии с рекомендуемым протоколом АТСС из описанныой гранулы АТСС. флаконы выращивали при 30°С в течение 48 или 96 часов. Свободное пространство над продуктом анализируют для получения бутанола с использованием GC. Результаты (в г/л) приведены в таблице ниже. [000176] Таблица 2. Результаты получение бутанола на трех различных источниках углерода.
Ш образца
Момент времени
Среда
н-бутанол
48 часов
GXP2
3,2
48 часов
GXP2
2,9
48 часов
GXP2
2,0
48 часов
FP2
11,5
48 часов
FP2
11,0
48 часов
FP2
11,7
48 часов
FGP2
48 часов
FGP2
3,0
48 часов
FGP2
3,5
96 часов
GXP2
2,6
96 часов
GXP2
2,9
96 часов
GXP2
3,0
Control-13
96 часов
GXP2
0,0
96 часов
FP2
11,1
96 часов
FP2
12,0
96 часов
FP2
11,4
Control-17
96 часов
FP2
0,0
96 часов
FGP2
2,3
96 часов
FGP2
2,7
96 часов
FGP2
3,4
Control-21
96 часов
FGP2
0,0
[000177] Пример 2. Получение бутанола на фруктоза по сравнению с глюкозой и ксилозой [000178] Десять мл среды Р2, которые содержат либо смесь глюкоза/ксилоза либо отдельно фруктозу (32 г/л) инкубируют при 30°С с одним из Clostridium saccharoperbutylacetonium АТСС штаммом, 27021 или 27022. Так же как и в Примере 1, результаты, представленные в таблице ниже, демонстрируют, что больше бутанола получают, когда Clostridium выращивают на фруктозе, чем на глюкозе или ксилозе.
[000179] Таблица 3. Рост Clostridium во флаконе на фруктозе или глюкозе/ксилозе в качестве источника углерода.
Штамм Субстрат Получение бутанола (г/л) Момент времени (часов)
АТСС 27021 Фруктоза TTj 48
АТСС 27021 Глюкоза/Ксилоза 2,3 48
АТСС 27022 Фруктоза 11,6 96
АТСС 27022 Глюкоза/Ксилоза 4,0 96
[000180] Все патенты, публикации, или другие раскрывемые материалы, в целом или частично, как говорят, включены в данный документ в качестве ссылки только в той степени, что включенный материал не противоречит существующим определениям, утверждениям или другому материалу, раскрытие которого изложено в данном описании. Таким образом, и в необходимом объеме, раскрытие, как изложено в данном документе заменяет любые конфликтующие материалы, включенные в данный документ в виде ссылки. Любой материал, или его часть, который, как говорят, включенный в данный документ в качестве ссылки, но который противоречит существующим определениям, утверждениям или другим раскрытому материалу, изложенному в данном документе будут включены только в той степени, что не возникает никакого конфликта между этим включенным материалом и существующим раскрытием материала.
[000181] Хотя настоящее изобретение было конкретно показано и описано со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отступления от объема изобретения, охватываемого прилагаемой формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1 Способ получения продукта, который включает:
получение фруктозы с помощью осахаривания биомассы и вступления во взаимодействие осахаренной биомассы со средством изомеризации, и превращение фруктозы в продукт с микроорганизмом и/или ферментом.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что биомасса содержит целлюлозный или лигноцеллюлозный материал.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что средство изомеризации представляет собой изомеразу.
4. Способ по п.З, отличающийся тем, что изомераза представляет собой ксилоза изомеразу.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что целлюлозную или лигноцеллюлозную биомассу обрабатывают для того, чтобы снизить ее устойчивость к осахариванию.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что способ обработки выбран из группы, состоящей из: бомбардировки электронами, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза, парового взрыва, химической обработки, механической обработки, измельчения замораживанием и их комбинации.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что способ обработки представляет собой бомбардировку электронами.
8. Способ по п.2, отличающийся тем, что целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса выбрана из группы, состоящей из: бумаги, продуктов из бумаги, бумажных отходов, бумажной массы, пигментированной бумаги, мелованной бумаги, бумаги с покрытием, бумаги с наполнителем, бумаги иллюстрированных изданий, издательской продукции, бумаги для печатающих устройств, бумаги с полимерным покрытием, стопки карточек, плотной бумаги, картона, хлопка, дерева, древесностружечной
плиты, отходов лесного хозяйства, опилок, дерева осины, щепы, травы, просо, мискантуса, спартины, двукисточника тростниковидного, остатков зерна, рисовой шелухи, шелухи овса, соломы, шелухи ячменя, сельскохозяйственных отходов, силоса, соломы канола, пшеничной соломы, ячменной соломы, соломы овса, рисовой соломы, джута, пеньки, льна, бамбука, сизаля, абака, початков кукурузы, кукурузной соломы, соломы сои, кукурузных волокон, люцерны, сена, кокосовых волокон, остатков переработки сахара, багассы, свекловичного жома, жмыха агавы, водорослей, морских водорослей, навоза, коммунально-бытовых сточных вод, крахмалсодержащего растения, гречихи, бананов, ячменя, маниоку, кудзу, оки, саго, сорго, обыкновенного домашнего картофеля, сладкого картофеля, таро, батата, бобовых, бобов, чечевицы, гороха, промышленных отходов и смесей любых из них.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что микроорганизм содержит штамм Clostridium spp.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что микроорганизм представляет собой С. saccharoperbutylacetonicum.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что микроорганизм представляет собой штамм АТСС 27021 С. saccharoperbutylacetonicum.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что микроорганизм представляет собой штамм АТСС 27022 С. saccharoperbutylacetonicum.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт содержит растворитель.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что растворитель содержит спирт.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что спирт содержит изобутанол или н-бутанол.
о сч о
ФИГ. 3
D-глюкоза
D-фруктоза
Гексокиназа
гексокиназа ] || АТР
Глюкозо-6-фосфат
Фруктозо-1-фосфатальдолаза
Фруктозо-1-фосфат
Триозофосфа-тизомераза
Дигидроксиацетонфосфат
| триокиназа ]j-
Фруктозодифос-фатальдолазы
Глицеральдегид-3-фосфат+2АОР
D-глицеральдегид
АТР 1
ФИГ. 4
Фруктозо-1-фосфатальдолаза
Фруктозо-1 -фосфат
-"| D- глицеральдегид
[ триокиназа]]
I АТР |
Глицерапьдегид-3-фосфат
Глицеролде-гидрогеназа
Глицерин 3-фосфатдегидрогеназа
глицерин
глицерокиназа
АТР |
Глицерин 3-фосфат
этерификация ]
Жирные кислоты
[ триглицерид ]
ФИГ. 5
Глюкоза Фруктоза-6-фосфат
АТЬ
Гпицеральдещц 3 - фосфат
4ADP-J^ 2NAtr
2NADH
Лактат
Пируват
R13
Биомасса**1
R18
FIB
R17
Бутирилде- \ Бутанол R19
К заявке № 201490887
К заявке № 201490887
3/5
3/5
3/5
4/5
4/5
4/5
4/5
4/5
4/5
4/5
5/5
5/5
5/5
5/5
5/5