处理生物质材料的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明的实施方式提供用于挥发性有机化合物和烃的有效和经济的产生和回收。一实施方式包含使生物质材料的固体组分与被适应于辅助糖化的溶液接触，及使所述至少一种可发酵的糖与能利用至少一种可发酵的糖产生烃的微生物接触。固体组分通过如下步骤产生：将生物质材料导入无溶剂回收系统的隔室，其中所述生物质材料含有一种或更多挥发性有机化合物；使生物质材料与过加热的蒸气流在隔室中接触，以将生物质材料中的至少部分初始液体内容物气化；自被加热的生物质材料分离蒸气组分和固体组分；及保留至少部分气体组分用作过加热的蒸气流的部分。
【专利说明】处理生物质材料的方法和系统
[0001] 【相关申请的交叉引用】
[0002] 本申请要求2012年5月17日提交的美国临时申请No. 61/648, 109,2013年3 月15日提交的美国临时申请No. 61/786, 844和2013年3月15日提交的美国临时申请 No. 61/786, 860的优先权，它们的公开内容以它们的整体通过引用在本文合并。 【【技术领域】】
[0003] 本发明的实施方式总的涉及生物质材料的处理和更特别涉及使用容易可利用的 可发酵的糖和来自生物质材料中的木质纤维素材料的进一步处理的可发酵的糖生产及回 收挥发性有机化合物和烃化合物。 【【背景技术】】
[0004] 此部分旨在介绍可相关于本发明的例示实施方式的本领域的各方面。此讨论被认 为辅助提供辅助本发明的特定方面的更佳理解的框架。因此，需知，此部分应这么理解，且 不必然承认是任何现有技术。
[0005] 随着世界的石油供给持续减少，对于可代替各种石油产品，特别是运输燃料的替 代性的材料有增长的需求。显著量的努力已被投入开发自化石燃料之外的资源提供能量的 新方法和系统。目前，对于自可更新的生物质材料产生生物乙醇和其他运输燃料和化学品 进行了诸多努力。一种类型的生物质是植物生物质，其含有高量的碳水化合物，包括糖，淀 粉，纤维素，木质纤维素，半纤维素。努力已特别聚焦于来自容易可利用的可发酵的糖的乙 醇和来自纤维素材料的乙醇。
[0006] 自玉米使用容易可利用的可发酵的糖的常规乙醇产生一般与有价值的食品资源 竞争，其可还被越来越更严重的气候条件，诸如旱和涝放大，其负面地冲击每年收获的作物 量。来自常规乙醇产生的竞争可抬高食品价格。尽管其他作物已作为用于乙醇产生的生物 质材料，它们通常由于该作物的气候需求而不适合于全球实现。例如，乙醇也可自甘蔗有效 产生，但仅在世界的特定地区，诸如巴西，具有可支持接近-全年收获的气候。
[0007] 而且，另外的可发酵的糖可游离自木质纤维素生物质，其包含半纤维素，纤维素和 更小部分的木质素和蛋白。纤维素包含当它们自细胞壁和含有它们的聚合物释放时可转变 为燃料和有价值的化学品的糖。
[0008] 旨在处理木质纤维素生物质的目前的方法限于包括未加工的生物质材料或城市 固体废弃物（MSW)的原料。未加工的生物质包括甘蔗蔗渣，森林资源，作物残留物和湿/干 收获的能源作物。这些常规原料源在它们可被导入木质纤维素材料的进一步处理之前需要 储存，运输，粒径减小，及另外的前端处理。例如，生物质捆是昂贵的和可导致危害，诸如起 火，鼠害，粉尘，不需要的碎片（诸如石）和汉坦病毒。而且，捆及森林资源相比更密的材料 在运输上更昂贵，和相比粒径已减少及不需求进一步格式化的材料在操作上更昂贵。MSW还 具有与可贡献于差燃料质量的风险以及健康和安全性风险的受调控的危险的金属的混杂 相关的挑战。森林资源，诸如树，运输起来麻烦。而且，森林资源需要剥树皮，切成期望厚度 的木片，及洗涤，以去除任何残留的土，污泥等。因此，对克服这些挑战的生物质仍有需求。
[0009] 【发明概述】
[0010] 本发明的实施方式可克服上述挑战以及提供其他优势和特征。在一实施方式中， 原料可来自从挥发性有机化合物回收系统出来的固体组分。在该实施方式中，原料已可在 加工的系统中流动，其允许原料直接进入反应器而根据期望产生另外的可发酵的糖。本发 明的实施方式可提供用于挥发性有机化合物回收设备，以自发酵相回收产物和位置彼此接 近的木质纤维素材料设备的进一步处理。进一步处理可产生可转化为烃和/或其他化学品 的另外的可发酵的糖。该实施方式可允许自发酵产生挥发性有机化合物和木质纤维素材料 的进一步处理，其在其可进入木质纤维素材料的进一步处理的生产流之前减小与其他原料 关联的储存，操作及运输成本。该实施方式也可提供已格式化的原料（与常常需要在用于 处理木质纤维素材料的生物质设备或在到达用于处理木质纤维素材料的生物质设备之前 储存，运输和/或格式化的常规原料成对比）的连续供给，其减少特定关联的成本。
[0011] 当其被运输到用于处理木质纤维素材料的其他位置时，特定实施方式的原料也可 具有更低操作及运输成本。不像其他常规原料源，诸如森林资源，特定实施方式的原料以粒 子-尺寸减小的预格式化的方式从挥发性有机化合物回收系统出来，其可在原料可进入木 质纤维素材料的处理之前减少或消除前端处理成本。本发明的特定实施方式的原料的预格 式化的粒度分布相比其他常规原料源处于更密的形式，其可减少运输成本，由于每体积可 运输更多这些实施方式的原料。本发明的实施方式可提供不依赖于收获时期而全年可利用 的原料供给，特定是由此减少进一步处理植物的储存需求和成本的生物质材料，及不与对 于人有价值的食品源竞争。
[0012] 在一实施方式中，制备生物质材料，以产生挥发性有机化合物。通过如下步骤从 制备的生物质材料回收挥发性有机化合物：将制备的生物质材料导入无溶剂回收系统的隔 室；使生物质材料与过加热的蒸气流在隔室中接触，以气化制备的生物质材料中的至少部 分初始液体内容物，所述过加热的蒸气流包含至少一种挥发性有机化合物；自被加热的生 物质材料分离蒸气组分和固体组分，其中蒸气组分包含至少一种挥发性有机化合物；及保 留至少部分气体组分用作过加热的蒸气流的部分。蒸气组分中的化合物可通过适当的蒸馏 过程进一步纯化。将至少部分固体组分进一步处理而产生另外的可发酵的糖。在一实施方 式中，进一步处理包含接至少部分固体组分与被适应于辅助糖化的溶液触使而产生另外的 可发酵的糖。在一实施方式中，通过使用1种或更多微生物发酵来将另外地产生的可发酵 的糖转化为至少一种烃化合物。
[0013] 在一实施方式中，1种或更多生物是适应于产生烃的重组宿主细胞（或微生物）， 如由PCT申请PCT/EP2013/053600公开，其公开内容通过引用以其整体合并。例如，在一实 施方式中，将重组宿主细胞适应于表达下列中的至少一种：脂肪酸还原酶，脂肪醛合成酶， 脂肪酰基转移酶，及醛脱羰基酶，其中至少一种脂肪酸还原酶，至少一种脂肪醛合成酶，及 至少一种脂肪酰基转移酶形成脂肪酸还原酶复合物。脂肪酸底物与脂肪醛合成酶的接触形 成脂肪酸醛。脂肪酸醛与至少一种醛脱羰基酶的接触形成烃。
[0014] 脂肪酸底物可为脂肪酸，脂肪酰基-ACP(脂肪酰基-酰基载体蛋白）或脂肪 酰基-CoA或这些之任何的混合物。脂肪酸还原酶复合物可包含具有酶学委员会（EC) No. 1. 2. 1. 50,例如与 SEQ ID N0:1(发冷光杆菌（Photorhabdus luminescens)蛋白 LuxC) 具有至少50%序列同一性的脂肪酸还原酶多肽。另外地或独立地，脂肪酸还原酶复合物可 包含具有 EC No. 6. 2. 1. 19,例如与 SEQ ID NO:2(发冷光杆菌（P. luminescens)蛋白 LuxE) 具有至少50%序列同一性的脂肪醛合成酶多肽。另外地或独立地，脂肪酸还原酶复合物可 包含在EC类2.3.1.-中，例如与SEQ ID NO: 3 (发冷光杆菌（P. luminescens)蛋白LuxD) 具有至少50%序列同一性的脂肪酰基转移酶多肽。另外地或独立地，醛脱羰基酶可在EC类 4. 1. 99. 5中，例如其可为与SEQ ID N0:4(点形念珠藻（Nostoc punctiforme)醒脱羰基酶 蛋白）具有至少50%序列同一性的多肽。在例示实施方式中，使用具有序列SEQ ID N0:1? 4的全部酶。
[0015] 在一实施方式中，制备的生物质通过如下步骤产生：向生物质添加至少一种添加 的添加剂，其中所述至少一种添加剂包含微生物，且任选地包含酸和/或酶；及在储存设备 中储存制备的生物质材料至少约24小时，以允许自至少部分糖产生至少一种挥发性有机 化合物。
[0016] 除了上述特征之外，本发明的实施方式通过克服挑战，诸如储存和运输成本，短收 获窗，糖的快速降解，及设备中的大投资，允许自含有可发酵的糖的植物替代性的燃料，诸 如乙醇，其他挥发性有机化合物，烃和其他化学品的经济的产生。本文所述的实施方式的方 面可应用于任何生物质材料，诸如含有可发酵的糖的植物。本发明的实施方式的特征允许 各种植物经济的使用，以产生替代性的燃料和化学品及不限于高粱和遭受类似挑战的其他 植物。在本文凸显该挑战性的作物，因为其他方法和系统未能经济上使用这些挑战性的作 物产生燃料和化学品。像这样，特别提及高粱不旨在限制，而是例证本发明的实施方式的一 个特定应用。
[0017] 本发明的实施方式允许回收设备以受控制的方式不依赖于收获窗全年连续运行， 由此增宽放置回收设备和/或处理木质纤维素材料的设备可利用的地理位置，包括具有相 对短收获窗的地区。
[0018] 本发明的实施方式的其他优势和特征会自以下详述显而易见。但是，应明白，详述 和特定实施例仅指示本发明的优选的实施方式，仅以例证方式给出，由于本发明的精神和 范围之内的各种变化和修饰会自此详述对于本领域技术人员而言是显而易见的。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0019] 这些图例证本发明的实施方式的一些特定方面，不应用于限制或限定本发明。
[0020] 图1是根据本发明的特定方面处理生物质材料的一实施方式的图。
[0021] 图2是根据本发明的特定方面处理生物质材料的另一实施方式的图。
[0022] 图3是根据本发明的方面的固体组分的糖化的特定实施方式的图。
[0023] 图4是根据本发明的特定方面的导入大肠埃希氏菌（E.coli)细胞的遗传元件 (实线）的局部详示意图；
[0024] 图5显示根据本发明的特定方面获得的各种大肠埃希氏菌（E. coli)培养物的生 长曲线。
[0025] 【发明详述】
[0026] 本发明的实施方式可提供从固体生物质材料以及用于进一步处理木质纤维素材 料而产生用于转变进一步发酵的可发酵的糖的原料的乙醇或其他挥发性有机化合物，诸如 乙醇和乙酸的有效和经济的产生和回收，包括烃化合物的产生。根据本发明的一方面，制备 生物质材料而产生挥发性有机化合物。挥发性有机化合物通过如下步骤回收自制备的生 物质材料：将制备的生物质材料导入无溶剂回收系统的隔室；使生物质材料与过加热的蒸 气流在隔室中接触，以气化制备的生物质材料中的至少部分初始液体内容物，所述过加热 的蒸气流包含至少一种挥发性有机化合物；自被加热的生物质材料分离蒸气组分和固体组 分，其中蒸气组分包含至少一种挥发性有机化合物；及保留至少部分气体组分用作过加热 的蒸气流的部分。将至少部分固体组分进一步处理而产生另外的可发酵的糖。在一实施方 式中，进一步处理使至少部分固体组分与被适应于辅助糖化的溶液接触。在一实施方式中， 将另外地产生的可发酵的糖发酵而产生烃。
[0027] 【生物质制备】
[0028] 如本文所用，术语"固体生物质"或"生物质"至少指称生物学物质自活，或最近活 体。固体生物质包括可转变为纤维或其他工业化学品，包括生物燃料的植物或动物物质。固 体生物质可源于多种类型的植物或树，包括芒，柳枝稷，大麻，玉米，热带杨，柳，高粱，甘蔗， 甜菜，及任何能源蔗，及各种树物种，从桉到油棕（棕榈油）。在一实施方式中，固体生物质 包含产生至少一种可发酵的糖的植物。固体生物质可包含2种或更多不同植物类型，包括 产生可发酵的糖的植物。在优选的实施方式中，不旨在限制本发明的范围，选择高粱，由于 其在低产陆地上的高-产率和高糖含量。
[0029] 术语"可发酵的糖"指称可由微生物在厌氧和/或耗氧条件下用作碳源（例如， 戊糖和己糖）而产生有机产物诸如醇，有机酸，酯和醛的寡糖和单糖。该有机产物的产生可 通常被称为发酵。产生至少一种可发酵的糖的植物在其生长循环期间的一个时点含有溶解 于植物材料的水相的可发酵的糖。产生可发酵的糖的植物的非限制性例包括高粱，甘蔗，甜 菜，及能源蔗。尤其是，甘蔗，能源蔗，及当它们接近或在它们的最大潜在可发酵的糖生产 (例如，最大可发酵的糖浓度）时，高粱一般在水相中含有约5%?约25%可溶性糖w/w， 及具有基于湿重的约60%和约80%之间的水份含量。
[0030] 术语"基于湿重"至少指称包括水作为质量的部分的质量百分率。在优选的实施 方式中，糖产生植物是高粱。可使用提供碳水化合物微生物转变为挥发性有机化合物（V0C) 的任何物种或各种属高粱。对于使用高粱的实施方式，植物提供特定益处，包括有效利用 水，以及旱和热-耐受。这些性质使作物适合于许多地区，包括各种跨陆地区，诸如中国，非 洲，澳大利亚及美国，诸如高原，湿地，及跨南德克萨斯的部分。
[0031] 在使用高粱的实施方式中，高粱可包括可收获更高浓度的可发酵的糖的任何变种 或变种的组合。具有优选的性质的特定种高粱有时被称为"甜高粱"。高粱可包括可含或可 不含有对于支持甘蔗碾磨机操作中的榨汁过程足够的水份的变种。在优选的实施方式中， 固体生物质包括由Advanta商业上产生的Sugar T高粱变种和/或Sugar T的雄性亲本 (其也是Advanta的可商购的产物）。在优选的实施方式中，使用的作物具有约5?约25 白利糖度，优选约10?约20白利糖度，及更优选约12?约18白利糖度。术语"白利糖度" 至少在本文指称水溶液中葡萄糖，果糖和蔗糖的含量，其中一度白利糖度是l〇〇g的溶液中 lg的葡萄糖，果糖和/或蔗糖，及表示以重量百分率计（％ w/w)的溶液强度。在另一优选 的实施方式中，使用的作物的水份含量是约50%?80%，优选至少60%。
[0032] 在一实施方式中，作物是具有约18的白利糖度值和约67%的水份含量的Sugar T 的雄性亲本。在另一实施方式中，作物是约12的白利糖度值和约73%的水份含量的Sugar T。在这些特定实施方式中，白利糖度和水份含量值通过手持式屈光计测定。
[0033] 在将至少一种添加剂（微生物，任选地，酸和/或酶）加入固体生物质之后，其成 为制备的生物质材料，其中至少一种添加剂辅助可发酵的糖转变为V0C(诸如乙醇）。如上 所述和以下进一步描述，制备的生物质材料可储存特定时间，以允许更多V0C通过转变过 程产生。至少一种挥发性有机化合物然后回收自制备的生物质材料。挥发性有机化合物为 本领域技术人员所知。美国EPA提供挥发性有机化合物（V0C)的描述，其中之一是任何碳 的化合物，排除一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金属碳化物或碳酸盐，及碳酸铵，其参与大气光 化学反应，除了由EPA指定为具有可忽略光化学反应性的那些之外（见http://www. epa. gov/iaq/voc2. html#definition)。挥发性有机化合物或V0C的另一描述是其组成使它们可 能在正常温度和压力的室内大气条件下蒸发的任何有机化合物。此是用于科学文献的V0C 的一般定义，及与为室内空气质量使用的定义一致。正常温度和压力的室内大气条件指称 通常见于人生活的建筑物的条件范围，由此可依赖于建筑物的类型及其地理位置而改变。 一个例示正常室内大气条件由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC)和国家标准和技术学 会（NIST)提供。IUPAC 的标准是 0°C (273. 15K，32 °F )的温度和 100kPa(14. 504psi)的绝 对压力，及NIST的定义是20°C (293. 15K，68 °F )的温度和101. 325kPa(14. 696psi)的绝对 压力。
[0034] 由于化合物沸点温度越低，其挥发性通常越高，有机化合物的挥发性有时由它们 的沸点定义及分类。因此，V0C可由其沸点描述。V0C是具有在约101. 3kPa的标准大气压 力测量的约50°C?260°C的沸点范围的任何有机化合物。可从自本发明的实施方式回收的 V0C回收和/或进一步处理的许多挥发性有机化合物应用于香料及调味工业。该化合物的 例可为酯，酮，醇，醛，烃和萜烯。以下表1还提供可从自制备的生物质材料回收的V0C回收 和/或进一步处理的挥发性有机化合物的非限制性例。
[0035] 表 1
[0036]
【权利要求】
1. 处理生物质材料的方法，其包括： (i) 将生物质材料导入无溶剂回收系统的隔室，其中所述生物质材料含有一种或更多 挥发性有机化合物； (ii) 使生物质材料与过加热的蒸气流在隔室中接触，以将生物质材料中的至少部分初 始液体内容物气化，所述过加热的蒸气流包含至少一种挥发性有机化合物； (iii) 自被加热的生物质材料分离蒸气组分和固体组分，所述蒸气组分包含至少一种 挥发性有机化合物；保留至少部分气体组分用作过加热的蒸气流的部分； (iv) 自无溶剂回收系统排出固体组分，其中所述固体组分包含木质纤维素材料； (v) 自木质纤维素材料产生至少一种可发酵的糖；以及 (vi) 使所述至少一种可发酵的糖与能利用至少一种可发酵的糖产生烃的微生物接触。
2. 权利要求1的方法，其中使所述微生物适应于表达下列中的至少一种：脂肪酸还原 酶，脂肪醛合成酶，脂肪酰基转移酶，及醛脱羰基酶。
3. 权利要求2的方法，其中所述微生物包含至少一种编码选自下列的氨基酸序列之一 种或更多的核酸：SEQ ID N0:1?SEQ ID N0:4。
4. 权利要求3的方法，其中所述微生物是酵母或细菌。
5. 权利要求4的方法，其中所述酵母是啤酒糖酵母（Saccharomyces cerevisiae)，且 所述细菌是大肠埃希氏菌（Escherichia coli)。
6. 权利要求2的方法，其中所述微生物还被适应于表达酰基-ACP硫酯酶。
7. 权利要求6的方法，其中所述微生物是被遗传修饰以表达外源酰基-ACP硫酯酶的遗 传修饰的微生物。
8. 权利要求7的方法，其中所述微生物包含至少一种编码SEQ ID NO:5的氨基酸序列 的核酸。
9. 权利要求2的方法，其中所述微生物还被适应于表达3-酮脂肪酰-ACP合酶III。
10. 权利要求9的方法，其中所述宿主细胞包含编码SEQ ID N0:6的氨基酸序列的至少 一种核酸。
11. 权利要求2的方法，其中所述微生物还被适应于表达支链酮基脱氢酶复合物。
12. 权利要求11的方法，其中所述微生物包含至少一种编码选自下列的氨基酸序列之 一种或更多的核酸：SEQ ID NO:7?SEQ ID NO: 10。
13. 权利要求1的方法，其中使所述微生物适应于表达醛-产生酰基-ACP还原酶和脂 肪醛脱羰基酶。
14. 权利要求1的方法，其中被导入所述隔室的所述生物质材料从收获的作物的发酵 过程得到。
15. 权利要求14的方法，其中所述作物选自：高粱，甘蔗，玉米，热带玉米，甜菜，能源蔗 及其任何组合。
16. 权利要求1的方法，其中所述隔室包含内有过加热的蒸气流流动的环形的圆筒形 体。
17. 权利要求1的方法，其中所述分离步骤通过使用偶联于隔室的旋风分离部件完成， 其中所述旋风分离部件被配置为自隔室排出分离的固体组分。
18. 权利要求1的方法，所述生物质通过如下步骤产生： 向生物质添加至少一种添加的添加剂，其中所述至少一种添加剂包含微生物，且任选 地包含酸和/或酶；及 在储存设备中储存制备的生物质材料至少约24小时，以允许自至少部分糖产生至少 一种挥发性有机化合物。
19.处理生物质材料的方法，其包括： 使生物质材料的固体组分与被适应于辅助糖化的溶液接触，以及 使所述至少一种可发酵的糖与能利用至少一种可发酵的糖产生烃的微生物接触。 其中所述固体组分由包括下列步骤的方法产生： 将生物质材料导入无溶剂回收系统的隔室，其中所述生物质材料含有一种或更多挥发 性有机化合物； 使生物质材料与过加热的蒸气流在隔室中接触，以将生物质材料中的至少部分初始液 体内容物气化，所述过加热的蒸气流包含至少一种挥发性有机化合物； 自被加热的生物质材料分离蒸气组分和固体组分，所述蒸气组分包含至少一种挥发性 有机化合物； 保留至少部分气体组分用作过加热的蒸气流的部分； 自无溶剂回收系统排出固体组分。
【文档编号】C12P7/06GK104302776SQ201380025709
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2012年5月17日
【发明者】C·W·雷德特克, P·G·汉密尔顿, K·M·克莱特曼 申请人:国际壳牌研究有限公司