用于生产生物燃料的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为201180029532. 2、申请日为2011年6月17日、发明名称为"用 于生产生物燃料的方法"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一种或多种选 自醇和生物柴油的生物燃料的用途。本发明还涉及一种由被囊类动物生产选自醇和生物柴 油的生物燃料的方法W及一种培育海銷的方法。
【背景技术】
[0003] 全球化石燃料供给的减少及其对全球气候体系的影响已经成为敦促人们寻找替 代能源、特别是可再生能源的动力。化石燃料的一种颇有前景的替代物是己醇，理由是己醇 可W产生自可再生能源并且其相比于化石燃料的排放量较低。目前，用于生产己醇的生物 质源衍生自植物，其中大部分的来源包括陆地粮食作物，例如甘藏和玉米。非粮食作物，例 如木材和芒草（Miscanthus)，也可用作用于生产己醇的生物质源。化石燃料的另外一种替 代物是也可产生自可再生能源的生物柴油。目前，用于生产生物柴油的大部分原料包括踪 搁油和挪子。但是，前文提及的生物质源/原料来源的主要问题是它们会直接争夺生产粮 食所必需的耕地。因此，随着全球人口的增长，采用该样的陆地资源来生产生物燃料将导致 粮食短缺和粮食价格上涨。尽管来自粮食作物的废料，例如麦梗和玉米梗，也可W用作生产 己醇的生物质并且该种生物质源不会产生与粮食供给直接竞争的问题，但是靠它们是不足 W满足全球需求的。近年来，人们的目光已经指向了生物燃料的生产，例如通过海藻生产己 醇。然而，在提取过程中已经遇到了困难，并且仍未进入商业化实施。另外，为了提高效率， 需要大型的生化反应器W处理足够量的海藻，并且，目前的研究聚焦在转基因有机体上，该 会增加额外的处理过程的约束条件。
[0004] 可再生能源需要满足的条件包括；（i)能够大量生产；（ii)不与粮食供给产生竞 争；W及（iii)对环境的影响最小。强烈需要一种能够解决上述问题并且满足上述要求的 可再生能源。
[0005] 被囊类动物是一类可在全球范围内的大部分海洋栖息地中找到的水下滤食者。海 銷是被囊类动物中最为公知的纲。它们最常见的用途是作为进化发育生物学研究中的模式 生物。它们的胚胎发育简单、迅速并且易于操纵，因此它们为研究脊索动物的主体发展过程 提供了良好的模型。被囊类动物是唯一一种合成纤维素的动物。从海銷中提取纤维素W及 将所述纤维素用于制造建筑材料化R2000-0000303和JP09-157304)均是公知的。迄今为 止未见被囊类动物用于生产生物燃料（例如醇类和生物柴油）的进展方面的报道或研究。
【发明内容】
[0006] 本发明的第一方面涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一 种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。
[0007]本发明的第二方面涉及由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述生物燃料选 自醇和生物柴油，并且其中所述方法包括：
[0008] (a) (i)对所述被囊类动物或者一种或多种提取自所述被囊类动物的多糖进行酶 水解或酸水解，生成含有一种或多种单糖的水解产物W及（ii)使所述一种或多种单糖发 酵生成醇；或者
[0009] 化）（i)从所述被囊类动物中提取脂质/脂肪酸W及（ii)通过醋交换或醇解将所 述脂质/脂肪酸转化成生物柴油。
[0010] 本发明的所述第二方面还涉及由被囊类动物生产生物燃料的方法，其中所述方法 包括；通过使所述被囊类动物进行醋交换或醇解，将存在于所述被囊类动物中的脂质/脂 肪酸转化成生物柴油。
[0011] 本发明的第H方面涉及根据前一段落中描述的方法由被囊类动物生产第一生物 燃料，W及根据前一段落中描述的方法由所述被囊类动物另外生产第二生物燃料的方法， 其中所述第一和第二生物燃料是不同的并且选自醇和生物柴油。
[0012] 本发明的第四方面涉及培育海銷的方法，所述方法包括下述步骤：
[0013] (a)培植具有海銷的海下结构体表面；W及
[0014] 化）从所述结构体上收获所述海銷，
[0015] 其中，所述结构体包括多个具有培植表面的细长形元件，并且所述结构体限定出 被布置成用于支撑被囊类动物的培植的H维海下区域。
[0016] 本发明涉及一种用于生产生物燃料的新型生物质源，所述生物燃料为醇类和生物 柴油。被囊类动物能在新的栖息地迅速分布并且具有非常高的生长潜力，从而能够潜在地 提供大量的生物质；它们不需要借由耕地来生长，因此不会与陆地粮食作物的生产产生竞 争；并且它们的培育具有积极的次要作用，例如改善水质，特别是由于±地流失导致遭受不 希望有的程度的水体富营养化的区域中的水质。因此，该种新型生物质源满足上述提及的 对于可再生能源的要求。
【附图说明】
[0017]图1是示出了玻璃海銷样品的脂肪酸成分的气相色谱谱图。
[0018] 图2是提取自玻璃海銷样品的脂质的HNMR分析图。
[0019] 图3示出了细长形元件的一个实施方案，所述元件是附着在平面长线体系上的绳 索，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
[0020] 图4示出了细长形元件的又一个实施方案，所述元件还包括附着在平面长线体系 上的空也塑料PVC管，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
[0021] 图5示出了细长形元件的又一个实施方案，所述元件还包括附着在平面长线体系 上的PVC盘，通过使用浮标和重物使所述绳索在水柱中保持竖直的状态。
[0022] 图6(i)是从如实施例描述的玻璃海銷样品中获得的纤维素在显微镜下（X40)的 图形。
[0023] 图6(ii)是从如实施例描述的木材样品中获得的纤维素在显微镜下（X40)的图 形。
[0024] 图7示出了培植装置的多种可替代的布置方案。
[0025]图8是Wkg/m2表示的生物质作为根据本发明方法培育的被囊类动物的深度（m) 的函数的图形。
[0026]图9是Wkg/m2表示的生物质作为从不同颜色的绳索收获到的被囊类动物的深度 (m)的函数的图形。
【具体实施方式】
[0027] 本发明的第一方面涉及被囊类动物或者由被囊类动物获得的提取物用于生产一 种或多种选自醇和生物柴油的生物燃料的用途。
[0028] 被囊类动物
[0029] 被囊类动物可在全球范围内的大部分海洋栖息地中找到。被囊类动物是唯一一种 合成纤维素的动物。纤维素代表了动物的生物质的一个重要部分1'2。被囊类动物具有高的 生长潜力，生长潜力是一项能够促进在一年的时间内获得大量繁殖（largeblooms)并最终 生成大量纤维素源的特征。该使得被囊类动物特别适合用作可再生能源。
[0030] 在被囊类动物亚口中，存在H个纲；海銷纲、海樽纲和幼形纲3。在本发明中，所述 被囊类动物选自海銷纲、海樽纲或幼形纲。优选地，所述被囊类动物为海銷。海銷通常也被 称为海銷（seasquirts)。许多种类的海銷自由生活的浮游幼体阶段在新的栖息地迅速分 布，然后，随着它们定居在海洋环境中的新表面（例如轮船的船体表面）上，它们将经历变 态。鉴于它们能在新的栖息地迅速分布的行为，使得它们通常成为培植于新沉入海下的结 构体的表面上的第一批动物。因此，它们是容易获得的。
[0031]存在多种海銷，例如无毛短腹海銷（Aplidiumgl油rum)、悉尼海銷（Ascidia sydneiensis)、Ascidiamentula、Ascidiellaaspersa、紫拟菊海銷(Botrylloides violaceus)、史氏菊海銷炬ot;ryllusschlloseri)、萨氏海銷（Cionasavi即}d)、念珠二 段海銷值ide皿umcandidum)、旗瓣二段海銷值ide皿umvexillum)、群体海銷值iplosoma listerianum)、Eusynstyelatincta、苍白球海銷(Herdmaniapallida)、Lissoclinum fragile、硬突小齐海銷（Microcosmusexasperatus)、鱗状小齐海銷（Microcosmus squamiger)、乳突皮海銷(Molgulamanhattensis)、Perophorajaponica、Phallusia nigra、冠瘤海銷（Styelacanopus)、柄海銷（Styelaclava)、Tridide皿umsolidus和玻 璃海銷（Cionaintestinalis)。在上述海銷中，玻璃海銷是在斯堪的纳维亚海域中占最主 要地位的一类海銷。所述玻璃海銷也是被主要研究的一类海銷，其主要原因在于玻璃海銷 被用作进化发育生物学中的模式生物 4。玻璃海銷是雌雄同体的，其可W自由地在水柱中产 卵，并在此进行受精。幼体自由游动且不进食，并将附着在任何合适的表面，然后取决于温 度，在1-5天的时间内经历变态5'6。纤维素产生于幼体阶段和成体阶段的被囊中7'8。在幼 体中，所述纤维素主要起到保护作用，但也用于控制变态期间内形成幼仔和成体形式的正 常秩序。在成体中，纤维素是包覆着整个动物身体且与身体的其余部分协同生长的被囊的 结构组分。所述纤维素还存在于连接被囊和外套膜的被囊脊索（tunicchord)中9。幼体 全年不断地沿着斯堪的纳维亚海岸定居。在本发明的一个优选实施方案中，所述被囊类动 物是玻璃海銷。
[0032] 在本文中使用时，被囊类动物是指被囊类动物的身体的全部或一部分。
[0033] 在本文中使用时，由被囊类动物获得的提取物是指一种富含由所述被囊类动物获 得的一类物质的材料。由被囊类动物获得的提取物包括通过对被囊类动物进行处理而获得 的材料，所述材料富含：一种或多种单糖；多糖，例如纤维素；和/或脂质/脂肪酸。
[0034]在本发明中，被囊类动物或由被囊类动物获得的提取物被用作生产本文所描述的 生物燃料的生物质或原材料。
[0035] 在本文中使用时，术语"被囊类动物"可W被"一种或多种被囊类动物"或"多种被 囊类动物"替换。
[003引生物燃料
[0037] 在本文中使用时，生物燃料是选自醇和生物柴油、优选选自己醇和脂肪酸烷基醋 的生物燃料。
[0038] 醇
[0039] 在一个方面中，本发明涉及被囊类动物或由被囊类动物获得的提取物用于生产醇 的用途。优选地，所述醇为C1-C4醇，即甲醇、己醇、丙醇或下醇。更优选地，所述醇为己醇。
[0040] 通过本发明研究发现，对于玻璃海銷而言，能获得8.8重量％的Ce糖化.7重量％ 的纤维素、2. 1重量％的甘露糖和半乳糖）和0. 4重量％的CJI。通过酶水解或通过酸水 解，然后发酵，可W将纤维素转化为己醇IMS。通过本申请研究发现，相比于木材纤维素，从 玻璃海銷中获得的纤维素的晶体程度更高且分子尺寸更小。因此，该种纤维素更容易通过 酸水解或通过酶水解的方式水解成葡萄糖，所述葡萄糖经发酵生成己醇。由此可见，相比于 由木材生产己醇，由该种纤维素生产己醇将更加简单、廉价。
[0041] 可W对由该类物种生产己醇的潜力进行如下预估。由文献已知100mm长的玻璃海 銷具有〇.6g的干重le。通常，玻璃海銷的密度达到每m2海洋底面3000株。上述数量的海 銷将重达1. 8kg/m2(3000株/m2X0. 0006g/株=1.8kg海銷/m2)。当获得8.8重量％的Ce 糖时，1.8kg的海銷将产生0. 16kg的Ce糖（0. 088X1.8kg= 0. 16kg的Ce糖）。假设每kg 的Ce糖产生0. 64L己醇，那么0. 16kg的Ce糖将产生0. 10L己醇化16X0. 64 = 0. 10L己 醇）。该使得每m2的海洋底面产生0.10L己醇或者每公顷的海洋底面产生1000L己醇。
[0042] 上述计算基于的是一次收获的量。因为可W在一年内至少收获两次玻璃海銷"，所 W存在至少为2000L己醇/公顷海洋底面的年产量的潜力。上述计算针对的是二维培育即 海洋底面上的培育。因为可W在海水柱中对海銷进行H维培育，所W潜在的每公顷海洋底 面/海洋表面的己醇产量将会大得多。海銷不局限于透光层，因此可W在深度低至60m或 70m处获得高的生长速率。采取海銷在浸入水中的杆中生长的情况，所述杆长20m且直径 为0. 4m(使得每根杆的表面积为25. 12m2)，并且所述杆在一公顷的范围内相互间隔Im分布 (即每公顷有10, 000根杆）。该使得每公顷的海洋表面中有251，200m2的表面积用于海銷 的生长。基于上述计算，该进而使得每公顷的海洋表面每年能够产生约50,9001己醇。该 意味着一公顷的海洋表面具有每年至少提供约50, 900L己醇的潜力。除了Ce糖之外，从所 述海銷一玻璃海銷中还可W获得0. 4重量％的Cg糖。可W对Cg糖进行发酵，生成己醇，从 而为由Ce糖获得的己醇增添了 4. 5%的更多的己醇（即，基于上述模式，使得己醇的年产量 为 1.045X50,900 = 53, 190L)。
[0043] 通过本发明研究已经显示所述产量可W远远大于上述估计值。通过本发明研究 已经显示玻璃海銷在经过6个月的生长期之后可W长至约31g(1. 37g干重）。进一步地， 通过采用如本文所述的支撑多个具有板状形式的培植表面的细长形元件，密度可W达到 9690株/m2。在H维培育模式中，假设在20米的绳索上每米长度布置3块板且每块板的 表面积为0.2m2,那么海洋中的每个细长形元件的表面积为12m2,或者说每公顷海洋中的 细长形元件的表面积为120, 000m2 (假设所述细长形元件相互间隔Im分布）。假设每年两 次收获，采用如上所述相同的方法进行计算，每公顷的己醇年产量为约180, 00化巧690株/ m'XO. 0013化gXO.088Ce糖X0. 64L己醇/kg糖X120,000m2X2 次收获 / 年=180,0001 己醇），或者说包括由Cg糖产生的那部分己醇在内的己醇年产量为188, 00化。
[0044]由被囊类动物获得的潜在的己醇产量可W与下表中所示的由传统上作为生产己 醇的生物质的作物的己醇年产量进行比较：
[0045] 表1由不同的作物获得的己醇年产量1S
[0046]
[0047]
[0048] 因此，每公顷的海洋表面由被囊类动物制得的己醇的量具有远远超出每公顷耕地 由陆地作物制得的己醇的量的潜力，并在某些情况下超出一个数量级。
[0049] 优选地，本发明涉及被囊类动物作为生物质用于生产醇的用途。在一个方面中，本 发明涉及由被囊类动物生产醇的方法，其中所述方法包括：
[0050] (i)对所述被囊类动物进行酶水解或酸水解，生成含有一种或多种单糖的水解产 物；W及
[0051] (ii)使所述一种或多种单糖发酵生成醇。