CN111315893A - 使用纸浆厂和/或造纸厂废料副产品繁殖微生物的方法和系统及相关方法和系统 - Google Patents

使用纸浆厂和/或造纸厂废料副产品繁殖微生物的方法和系统及相关方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源来繁殖微生物(例如酵母或细菌)。如果需要，在繁殖后，微生物随后可用于将从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖发酵成一种或多种生化物质。任选地，在繁殖培养基中可以包含釜馏物组合物以促进繁殖，和/或釜馏物组合物可以用于促进酶水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的寡糖和/或多糖以形成单糖。

Description

使用纸浆厂和/或造纸厂废料副产品繁殖微生物的方法和系 统及相关方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月5日提交的序列号为62/554,430的美国临时专利申请和2017年9月5日提交的序列号为62/554,434的美国临时专利申请的权益，其中所述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
背景
本发明涉及可用于发酵的繁殖微生物。繁殖微生物涉及使微生物增殖以增加所述微生物的数量。
发明内容
本发明包括繁殖微生物的方法的实施方式，该方法包括：
a)提供繁殖培养基，该繁殖培养基包含从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源；
b)提供可将该一种或多种单糖的至少一部分转化为生化物质的第一微生物细胞团；
d)将繁殖培养基和第一微生物细胞团合并以形成繁殖组合物，其中将繁殖组合物暴露于一定条件，使该第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团。
本发明还包括用于繁殖微生物的系统的实施方式，该系统包括：
a)一种或多种单糖的来源，该一种或多种单糖的来源从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到；
b)第一微生物细胞团的来源，该第一微生物细胞团的来源可以将该一种或多种单糖转化为生化物质；
d)至少一个容器，该至少一个容器与该一种或多种单糖的来源和第一微生物细胞团的来源流体连通，其中至少一个容器被配置为使一个或多个单糖的来源的至少一部分和第一微生物细胞团的来源合并以形成繁殖组合物，其中该容器还被配置为使所述繁殖组合物暴露于一定条件，使第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团。
本发明还包括处理纸浆厂或造纸厂废料副产品的方法的实施方式，其中该方法包括：
a)形成液化组合物，其中该液化组合物包括：
i)纸浆厂或造纸厂废料副产品；
ii)离子稳定组分；和
iii)一种或多种酶，该一种或多种酶可以水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分；
b)将该液化组合物暴露于一定条件，使纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分水解并形成液化后的组合物。
本发明还包括用于处理纸浆厂或造纸厂废料副产品的系统的实施方式，其中该系统包括：
a)至少一个液化罐反应器，该至少一个液化罐反应器包含液化组合物，其中所述液化组合物包括：
i)纸浆厂或造纸厂废料副产品；
ii)离子稳定组分；和
iii)一种或多种酶，该一种或多种酶可以水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分，其中所述至少一个液化罐反应器被配置(适配)以将所述液化组合物暴露于一定条件，使纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分水解并形成液化后的组合物。
附图说明
图1是示出实施例1的结果的图表。
图2是示出实施例2的结果的图表。
图3是示出实施例2的结果的图表。
具体实施方式
本文的实施方式中公开了用于将微生物繁殖成更大的微生物种群的方法和系统。繁殖微生物也可以称为“种子发酵”。繁殖(“种子发酵”)后，尤其是在工业规模上，可以使用更大的微生物种群将一种或多种单糖转化为一种或多种生化物质(例如，通过发酵)。
除了增加微生物的细胞计数外，据信，根据本发明的方法和系统可以通过使用繁殖培养基来帮助在繁殖期间产生更健壮的微生物，该繁殖培养基包含与发酵过程中使用的单糖来源(例如，从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的污泥和/或液体)相同或相似的繁殖期间的单糖来源。这也可以称为“调节”微生物。
可以使一种或多种单糖转化为生化物质的微生物包括，例如细菌和/或真菌(例如酵母)。微生物可以产生各种各样的生化物质。在一些实施方式中，生化物质包括一种或多种生物燃料，例如乙醇、丁醇等。在一些实施方式中，微生物包括一种或多种被称为“产乙醇物(ethanologen)”的产乙醇微生物。如本文所用，“产乙醇物”是指可以将一种或多种单糖(例如葡萄糖、木糖等)转化为至少乙醇的微生物。
示例性的酵母和其它真菌包括曲霉(Aspergillus)属、假丝酵母(Candida)属、毕赤酵母(Pichia)属、(汉逊酵母(Hansenula)属)、平革菌(Phanerochaete)属、克勒克酵母(Kloeckera)属(有孢汉逊酵母(Hanseniaspora))、克鲁维酵母(Kluyveromyces)属、红酵母(Rhodotorula)属、球拟酵母(Torulopsis)属、接合酵母(Zygosaccharomyces)属、耶氏酵母(Yarrowia)属和酵母(Saccharomyces)属。在一些实施方式中，酵母是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的菌株。在一些实施方式中，要繁殖的微生物包括经遗传修饰的酵母，例如可以将葡萄糖和木糖转化为生化物质(例如乙醇)的经遗传修饰的酿酒酵母。
多种微生物种群大小(例如，第一细胞团)可以与繁殖培养基合并以形成用于繁殖(增殖)的繁殖组合物。在一些实施方式中，第一微生物细胞团为每毫升繁殖组合物5×106个细胞或更少，每毫升繁殖组合物1×106个细胞或更少，每毫升繁殖组合物5×105个细胞或更少，或甚至每毫升繁殖组合物1×105个细胞或更少。
根据本发明的繁殖微生物包括使第一微生物细胞团与至少从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源在这样的条件下合并：使微生物的数目增殖和形成细胞数与第一细胞团相比更大的第二细胞团。
从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源(废料流)可以作为微生物的碳源和/或营养源。如本文所用，“碳源”是指这样的一种或多种化合物：包含至少一个碳原子并且可以被微生物主要用作生长和/或增殖的能源以产生另外的微生物。示例性碳源包括：单糖，例如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、木糖等；二糖，例如乳糖、麦芽糖、蔗糖、纤维二糖等；寡糖；多糖，例如纤维素、半纤维素、淀粉、木聚糖等；仅包含一个碳原子的单碳底物，例如甲醇；和多元醇，例如甘油，但不限于此。如本文所用，“营养源”是指这样的一种多种物质：可以由微生物主要作为酶辅因子和/或作为生长和/或增殖的分子的结构模块(building block)以产生另外的微生物使用。营养源可以不同于碳源，或也可以用作碳源。
可以用作根据本发明的一种或多种单糖的从来自纸浆厂或造纸厂废料副产品(料流)得到的非限制性实例包括污泥、液体、它们的组合等。
如本文所用，“污泥”是指来自纸浆厂或造纸厂的一种或多种废料副产品(也称为“废品”)，包括溶解的和/或悬浮的固体。这样的污泥包括纤维素物质中的包含一种或多种多糖(例如半纤维素和纤维素)的相对短的纤维。在一些实施方式中，污泥可包括纸浆污泥和/或纸污泥，它们分别是来自纸浆厂和造纸厂的副产品。
纸浆和/或纸污泥可包含一种或多种添加剂。例如，纸污泥可包含一种或多种造纸添加剂，例如粘土、染料、油墨等。
如本文所用，“液体”是指来自纸浆厂和/或造纸厂的一种或多种废料副产品(料流)，并且可以包括水和包含一种或多种单糖的主要溶解的固体。示例性的单糖包括葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖及其混合物。在一些实施方式中，液体可包括相对少量的一种或多种寡糖和/或一种或多种多糖。
为了说明的目的，可以产生一种或多种“液体”废料副产品作为根据本发明使用的一种或多种单糖的来源的制浆工艺的两个非限制性实例，包括被称为牛皮纸(碱性)工艺和亚硫酸盐(酸性)工艺的化学制浆工艺。这些工艺中的每个都使用含水化学物质来降解木屑并回收纸浆。含水化学物质形成液体(废液)，其包括水溶性物质(例如木质素)，多糖(例如半纤维素(及其寡糖和单糖))。可以将废液(废料副产品液)与纸浆分离，并用于繁殖培养基和/或如下文所述进行发酵。
在牛皮纸工艺中，制浆化学物质包括在称为白液的溶液中的氢氧化钠和硫化钠。在牛皮纸工艺中消化木屑后的废液与纸浆洗涤水的组合称为稀黑液。稀黑液可以通过蒸发器系统进行浓缩，形成总固体含量约为55％至70％的浓黑液。浓黑液可包含木质素、半纤维素、纤维素、碳酸钠、硫酸钠、硫化钠、氢氧化钠、硫化氢、甲硫醇、二甲基硫、二甲基二硫和其他无机盐中的一种或多种。在一些实施方式中，浓黑液可包含基于浓黑液的总重量的30％至60％的半纤维素和纤维素，以及基于浓黑液的总重量的20％至50％的木质素。在一些实施方式中，浓黑液的pH可以在11至13的范围内。
浓黑液可以在纸浆厂的回收锅炉中进一步处理，以产生有用的蒸汽(例如，用于造纸厂)，并允许将蒸煮的化学物质作为绿液进行回收和再循环。通常会添加水，使得绿液的水含量为绿液总重量的约70％至90％。绿液的pH值可以在13至14的范围内。然后可以将所得的绿液转化为白液，以返回到木材蒸煮器中。
专利号为8,894,818的美国专利(Schinski等人)也描述了黑液、绿液和白液，其中所述专利文件的全部内容通过引用并入本文。
在亚硫酸盐工艺中，制浆化学物质可包括金属(钠、镁、钾或钙)亚硫酸盐和亚硫酸铵的混合物。在亚硫酸盐工艺中消化木屑后的废液称为红液或棕液。
液体的其他非限制性实例包括预水解液体和COEL液体。预水解液体从使用蒸汽和/或热水的木屑消化过程得到。“COEL”液是指浓缩的氧提取液。
可以将纸浆厂或造纸厂废料副产品运输至生物炼制厂以根据本发明进行处理。在一些实施方式中，制浆和/或造纸设施可以与生物炼制厂一起位于同一地点，促进将污泥转移到生物炼制厂以根据本发明进行处理。
可以将具有一定范围的总固体含量(溶解的和未溶解的固体)的纸浆厂或造纸厂废料副产品提供给生物炼制厂。在一些实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品(污泥或液体)可包含水，并且总固体含量为0.5％至90％，2％至80％或甚至20％至60％(例如约40％)。
可以在水解和/或繁殖之前根据需要调节纸浆厂或造纸厂废料副产品的固体含量。如果纸浆厂或造纸厂废料副产品的固体含量太高，则可以使用各种液体将其稀释至目标固体含量，所述各种液体例如具有不同固体含量的来自生物炼制厂和/或其他纸浆厂或造纸厂废料副产品的用过的工艺用水。例如，可以使用液体将污泥稀释至所需的固体含量。如果纸浆厂或造纸厂废料副产品的固体含量太低，则可以通过蒸发、离心和/或与具有较高固体含量的另一种组合物合并来进行浓缩。例如，可以将污泥添加到液体中以增加固体含量。在一些实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品(液体和/或污泥)的目标固体含量可以为10％至80％、20％至70％或甚至25％至40％。
在一些实施方式中，如果需要，可以在水解和/或繁殖之前将纸浆厂或造纸厂废料副产品灭菌。例如，可以通过将纸浆厂或造纸厂废料副产品暴露于215℉至270℉的温度30秒到5分钟的时间段来对纸浆厂或造纸厂废料副产品进行灭菌。可以在灭菌过程中搅拌纸浆厂或造纸厂废料副产品，以使纸浆厂或造纸厂废料副产品始终均匀地暴露在所需温度下。
在一些实施方式中，如果需要，可以在水解和/或繁殖之前调节纸浆厂或造纸厂废料副产品的pH。可以将纸浆厂或造纸厂废料副产品的pH调节至4至7的范围内，或甚至5至6的范围内。可以使用各种物质(例如酸或碱)来调节纸浆厂或造纸厂废料副产品的pH。例如，红液倾向于是酸性的，因此可以添加碱性物质以提高其pH值。作为另一个例子，黑液倾向于是碱性的，因此可以添加酸性物质以降低其pH。
在一些实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品包含一种或多种单糖作为废料副产品。在其他实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品(例如，液体和/或污泥)包含一种或多种多糖，在将该一种或多种多糖用于微生物繁殖之前，需要将该一种或多种多糖分解成单糖。在一些实施方式中，在与微生物细胞团合并以进行繁殖之前，可以将纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖水解以形成具有一种或多种单糖的经糖化的组合物。可供选择地，如果需要，可以在繁殖期间水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖。例如，可以将纸浆厂或造纸厂废料副产品与第一微生物细胞团和一种或多种酶合并，从而可以同时水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖，同时，微生物繁殖并消耗水解产生的一种或多种单糖。
下文描述了水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖以形成经糖化的组合物的非限制性实例。
在一些实施方式中，取决于纸浆厂或造纸厂废料副产品的不溶固体含量，可以在糖化之前将纸浆厂或造纸厂废料副产品液化。可以出于各种原因进行液化。例如，如果未溶解的固体含量太高，则纸浆厂或造纸厂废料副产品可能相对难以运输(例如泵送)和/或难以搅拌(例如混合)。将纸浆厂或造纸厂废料副产品液化可以降低其粘度并使其易于处理。液化还可以使纸浆厂或造纸厂废料副产品更容易被糖化中使用的酶和/或化学物质所利用。
液化涉及至少分解多糖以便降低液化组合物的粘度，从而可以进一步处理(例如糖化)相对较高的固体含量。在一些实施方式中，可以至少合并纸浆厂或造纸厂废料副产品、离子稳定组分、和一种或多种酶以形成液化组合物，并水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分。也可以将水(例如，已经通过反渗透处理过的水)添加到液化组合物中。水可以从各种来源(例如从自来水、工艺用水(例如从生物炼制厂)和/或从本文所述的纸浆厂或造纸厂废料副产品液)获得。可以将液化组合物暴露于一定条件，使纸浆厂或造纸厂废料副产品中一种或多种多糖的至少一部分水解并形成液化后的组合物。
在一些实施方式中，尽管不受理论的束缚，但据信纸浆厂或造纸厂废料副产品可能缺乏一种或多种组分，这些组分可以在酶促水解存在于纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的过程中促进酶促活性。例如，特别是在工业规模上，通常可以与原材料一起存在的一种或多种组分(例如矿物质、污垢、灰分)在纸浆厂或造纸废料副产品中可能不以过度的程度缺乏(例如由于洗涤)。如果存在的话，这样的矿物质或其他组分可以为液化组合物中的酶提供期望的离子稳定性质，以在酶促水解存在于纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的过程中促进期望的酶促活性。
根据本发明，可以将一种或多种离子稳定成分与纸浆厂或造纸厂废料副产品和一种或多种酶合并以至少在液化培养基和/或糖化培养基中提供具有期望的离子强度的离子源，从而促进酶促水解过程(例如液化和/或糖化过程)中的酶促活性。在一些实施方式中，离子稳定组分可以包括一种或多种盐(例如海盐和/或缓冲盐(例如磷酸钾))、釜馏物组合物、玉米浆、纸浆厂或造纸厂废料副产品液体及其组合。
在一些实施方式中，离子稳定成分可包括釜馏物组合物。釜馏物组合物可以包含全釜馏物、稀釜馏物、浓缩稀釜馏物(例如糖浆)、湿饼及其组合。全釜馏物是蒸馏包含一种或多种生化物质的发酵产物的副产品。例如，用于制造全釜馏物的方法是玉米谷物转化为乙醇的方法。在一些实施方式中，釜馏物组合物从谷物乙醇工艺(例如，磨碎的谷物乙醇工艺)得到。在一些实施方式中，磨碎的谷物包括湿磨的谷物和/或干磨的谷物。谷物的非限制性实例包括玉米、大豆、高粱、小麦、大米、大麦、燕麦、小米、黑麦或其他任何能够发酵的谷物。可以使用磨碎的全谷物，也可以仅使用谷物的一个或多个部分。例如，可以将全谷物干磨以进行发酵，或者在磨碎前将其分成一个或多个分开的部分。磨碎后，可以将磨碎后的谷物材料进一步处理以将多糖和/或寡糖分解成一种或多种单糖，例如可以由例如酵母发酵的葡萄糖。将多糖(例如淀粉)分解为葡萄糖的方法包括例如热水，例如包含添加的酸(例如硫酸)的热水。将淀粉分解为葡萄糖的方法还包括酶促水解，酶促水解可以避免例如在喷射蒸煮中使用的相对较高的温度，从而避免其他谷物组分的过度降解，这可能有益于本文所述的污泥水解和/或本文所述的繁殖。这种酶促水解的实例描述于专利号为7,842,484的美国专利(Lewis)，并且被称为“未经蒸煮”的未加工谷物淀粉的糖化。发酵后，将发酵产物在系统中蒸馏，在该系统中，在蒸馏塔中从发酵的糊状物中除去乙醇。除去乙醇后，将剩余的残余物作为蒸馏残余物除去。釜馏物残渣被称为“全釜馏物”。全釜馏物可以任选地通过一个或多个系统进一步处理，以在递送至繁殖系统之前进一步澄清或分离全釜馏物。例如，可以对全釜馏物进行固液分离工艺，以产生也称为湿饼的固体料流和也称为稀釜馏物的液体料流。稀釜馏物可以进一步处理以通过蒸发来增加固体浓度，从而得到浓缩稀釜馏物(糖浆)。产生釜馏物组合物的实例描述于专利号为7,842,484的美国专利(Lewis)、专利号为7,919,291的美国专利(Lewis等人)和专利号为2005/0239181的美国专利(Lewis等人)，其中所述专利文献的全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方式中，釜馏物组合物可以以一定量的范围与其他组分合并。基于体积的量可以取决于使用什么类型的釜馏物组合物。例如，在一些实施方式中，以干基计，固体含量为4％至10％的稀釜馏物组合物可以占总液化组合物体积的1％至50％(例如占总液化组合物体积的5％至25％，或甚至占总液化组合物体积的5％至15％)。基于总固体百分比的量可以在多种类型的釜馏物组合物中应用。例如，在一些实施方式中，以总液化组合物的干基计，稀釜馏物或浓缩稀釜馏物(糖浆)的含量可以在0.5％至0.8％固体的范围内。
在一些实施方式中，离子稳定组分包括缓冲盐。尽管缓冲盐可以用于调节pH，但是它们也可以用于提供如本文所述的用于期望的酶活性的离子源。缓冲盐可以与其他组分(例如，液体和/或污泥、酶和水)合并为缓冲盐浓度在0.1M至10M范围内的溶液。在一些实施方式中，缓冲盐溶液与釜馏物组合物的体积比可以在0.05至25的范围内，或甚至1至10的范围内。
在一些实施方式中，一种或多种离子稳定成分可以以一定量存在，以提供如根据电导率值所测得的期望的离子强度。诸如液化组合物的组合物的电导率可以容易地测量并以西弗/cm为单位报告。在一些实施方式中，一种或多种离子稳定成分可以以一定量存在于液化组合物中，以使液化组合物的电导率范围为1微西弗/cm至50毫西弗/cm，从40微西弗/cm至40毫西弗。甚至从5毫西弗/cm到30毫西弗。
可以水解存在于纸浆厂或造纸厂废料副产品中的多糖的一种或多种酶包括纤维素酶和半纤维素酶。在一些实施方式中，一种或多种酶的存在量为每干克纸浆厂或造纸厂废料副产品0.005至0.5克酶，或甚至每干克纸浆厂或造纸厂废料副产品0.01至0.1克酶。纸浆的酶促水解公开于公开号为2011/0250638的美国公开(Sjoede等人)中，其中所述专利文件的全部内容通过引用并入本文。
在将纸浆厂或造纸厂废料副产品与一种或多种酶和离子稳定组分合并形成液化组合物之后，可以将液化组合物保持在45℃至75℃或甚至55℃至65℃范围内的温度以及4至7或甚至5至6范围内的pH下5小时至15小时或甚至6小时至10小时，以形成液化组合物。在一些实施方式中，液化工艺可以是通过将纸浆厂或造纸厂废料副产品、酶、水和离子稳定成分连续进料到连续搅拌罐反应器(CSTR)中并连续移除液化后的组合物的连续液化工艺。可以选择从反应器的进料和排出速率以提供在反应器中适当的停留时间。CSTR可以促进反应器内容物的剧烈混合，以促进酶的分散并提供有利于酶促活性的均匀介质。可供选择地，可以使用补料分批系统进行液化。
液化后，可以将液化后的组合物暴露于一定条件下以形成包含单糖的经糖化的组合物。在一些实施方式中，单糖包括木糖和/或葡萄糖。例如，可以将液化后的组合物转移到分批糖化反应器中，并保持在45℃至75℃或甚至55℃至65℃范围内的温度以及4至7或甚至5至6范围内的pH下30小时至60小时或甚至35小时至55小时，以形成经糖化的组合物。
在一些实施方式中，经糖化的组合物的总固体含量(溶解的和未溶解的固体)为15％至50％、15％至35％或甚至20％至30％的范围内。有利地，这样的固体含量可以产生足量的一种或多种单糖以产生非常期望的微生物种群用于随后的发酵。
在一些实施方式中，经糖化的组合物形成后不进行处理，例如通过过滤等。糖化后，可以将第一微生物细胞团以一定方式添加到包含经糖化的组合物的繁殖培养基中，使得微生物可以繁殖。
从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源可以各种量存在于繁殖培养基中。该量可以取决于多种因素。例如，该量可以取决于所需的单糖量，并且因此可以取决于是否使用了纸浆厂和/或造纸厂废料副产品污泥，是否使用了纸浆厂和/或造纸厂废料副产品液体，或者是否使用了这样的污泥和液体的组合。该量还可以取决于纸浆厂或造纸厂废料副产品在繁殖之前或繁殖期间是否被水解。该量还可以取决于是否如上所解释地包含釜馏物组合物以促进酶促水解。在一些实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品液或污泥的量可以占总繁殖培养基体积的1％至99％，占总繁殖培养基体积的30％至99％，占总繁殖培养基体积的50％至99％，或甚至占总繁殖培养基体积的80％至99％，在一些实施方式中，纸浆厂或造纸厂废料副产品污泥的量可以占总繁殖培养基重量的1％至5％。
在一些实施方式中，从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源(例如经糖化的组合物)是繁殖培养基中的唯一碳源和营养源。
任选地，繁殖培养基中可以包含一种或多种另外的组分。例如，可以根据需要添加额外的水以调节固体含量。作为另一个例子，繁殖培养基中可以包括一种或多种附加成分，以作为碳源和/或营养源。在一些实施方式中，繁殖培养基可以包括釜馏物组合物(例如，全釜馏物、稀釜馏物、湿饼、浓缩稀釜馏物(例如糖浆)及其混合物)。上文中在酶促水解方面讨论了釜馏物组合物。如上所讨论的，添加到繁殖培养基中的釜馏物组合物可以与用于纸浆厂或造纸厂废料副产品的酶促水解中的任何釜馏物组合物相同或不同。不受理论的束缚，据信釜馏物组合物可以用作pH缓冲剂以帮助维持促进繁殖的pH。釜馏物组合物也可以是可促进繁殖的离子源。作为一个实例，如果纸浆厂或造纸厂废料副产品的水解与繁殖同时进行，则所述釜馏物组合物可以作为离子稳定成分(如上所述)。
釜馏物组合物可以以任何量添加到繁殖培养基中，以帮助在给定的时间内增殖(繁殖)并产生所需的微生物种群。提供的釜馏物组合物的量可以取决于例如存在的其他碳和/或其他营养源的类型和量、纸浆厂或造纸厂废料副产品的pH、繁殖期间的温度、繁殖所需的时间段、总繁殖培养基的固体等因素。在一些实施方式中，繁殖培养基仅包含如本文所述的纸浆厂或造纸厂废料副产品，以及釜馏物组合物(稀釜馏物)作为碳和营养源。在一些实施方式中，釜馏物组合物可以按以下量存在：每升繁殖培养基1克至50克干固体，每升繁殖培养基5克至40克干固体，或甚至每升繁殖培养基10克至30克干固体。可以选择釜馏物组合物与纸浆厂或造纸厂废料副产品的重量比以促进繁殖。重量比可取决于，例如釜馏物组合物和纸浆厂或造纸厂废料副产品的固体含量和/或釜馏物组合物和纸浆厂或造纸厂废料副产品的类型。在一些实施方式中，以干重计，釜馏物组合物与纸浆厂或造纸厂废料副产品(液体或污泥)的重量比可以为0.01至40，或甚至1至30。
繁殖培养基中可以包含的其他组分的另一个实例包括尿素、铵、维生素、磷酸氢二铵、钾肥、酵母提取物、这些的组合等。
第一微生物细胞团可以与从纸浆厂或造纸厂废料副产品(以及作为繁殖培养基一部分的任何其他组分，例如釜馏物)得到的一种或多种单糖的来源合并以形成繁殖组合物。然后可将繁殖组合物暴露于繁殖条件，使第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团。繁殖组合物可以至少包含繁殖培养基和第一微生物细胞团。在一些实施方式中，繁殖培养基构成了繁殖组合物的绝大部分。在一些实施方式中，繁殖培养基以繁殖组合物体积的0.1％至100％、繁殖组合物体积的1％至99％或甚至繁殖组合物体积的5％至95％的量存在。
在一些实施方式中，在至少一部分繁殖工艺中对繁殖组合物进行通气和/或搅动(搅拌)，以帮助在整个组合物中提供足够的氧气水平，从而促进有氧呼吸，并因此促进微生物的增殖而不是例如厌氧发酵。在一些实施方式中，在整个繁殖持续时间内给繁殖组合物通气。示例性的通气速率包括每分钟每体积单位繁殖组合物0.5至1体积单位空气(vvm)。繁殖微生物还公开于专利号为9,340,767的美国专利(Narendranath)；专利号为9,034,631的美国专利(Narendranath等人)；专利号为8,450,094的美国专利(Narendranath等人)；专利号为9,234,167的美国专利(Narendranath等人)；专利号为9,416,376的美国专利(Narendranath等人)；公开号为2015/0368679的美国公开(Narendranath等人)；公开号为2018/0171285的美国公开(Narendranath等人)；公开号为2017/091361的WO公开(Karl等人)；和公开号为2017/218380的WO公开(Sarks等人)，其中所述专利文献的全部内容通过引用并入本文。
繁殖组合物可以在20℃至40℃(例如，约31至32℃)范围内的温度下保持10小时至40小时(例如约20小时至30小时)，以将第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团。繁殖组合物的pH可以为5至7或甚至5至6。如果需要，可以通过添加与要繁殖的微生物相容的多种pH控制物质来控制pH。
在一些实施方式中，第二微生物细胞团的数量是所述第一微生物细胞团的数量的至少200倍，是第一微生物细胞团的数量的至少1000倍，是第一微生物细胞团的数量的至少1500倍，是第一微生物细胞团的数量的至少2000倍，或甚至是第一微生物细胞团的数量的至少3000倍。
在一些实施方式中，第二微生物细胞团为每毫升繁殖组合物1×107个细胞或更多，每毫升繁殖组合物5×107个细胞或更多，每毫升繁殖组合物1×108个细胞或更多，每毫升繁殖组合物5×108个细胞或更多，或甚至每毫升繁殖组合物1×109个细胞或更多。
任选地，可以添加一种或多种其他组分以形成繁殖组合物。例如，如果需要更多的水，可以添加补充水。
形成(繁殖)期望的微生物种群后，可将至少一部分第二微生物细胞团添加到一种或多种单糖的另一种来源中，以便至少一部分第二微生物细胞可以将一种或多种单糖(例如木糖和/或葡萄糖)转化为生化物质(例如乙醇)。例如，可以将至少一部分第二微生物细胞群添加至从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的另一种来源(如上所述)中。注意，用于繁殖和发酵的从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源均可以通过水解纸浆污泥、纸浆液、纸污泥、纸液(paper liquor)及其混合物而得到，因此在组成上可以相同或不同。
因为根据本发明的方法和系统可以在液化和/或糖化过程中处理较高固体含量的纸浆厂或造纸厂废料副产品，所以这导致了发酵过程中期望的乙醇滴度，尤其是在其中液化可以在连续基础上以本文所述的高固体含量进行的商业规模生物炼制厂中。在一些实施方式中，根据本发明生产的经糖化的组合物(肉汤)的发酵可以生产含有至少体积5体积％乙醇、至少7体积％乙醇或甚至至少10体积％乙醇的啤酒。
实施例1
该实施例测量了根据本发明制备的经糖化的组合物的可发酵糖和乙醇滴度，所述经糖化的组合物具有20％的最终总固体和终体积为1升的浆料，以及具有30％的最终总固体和终体积为1升的浆料。从图1中可以看出，图表显示了总可发酵糖随时间的变化，以及来自该反应的乙醇滴度随时间的变化。直线显示总理论乙醇滴度。
对于每个试验，在反应器中混合178.33mL反渗透水、100mL稀釜馏物(总固体含量5％)和50mL 5.5pH磷酸钾缓冲液。添加16.5mL的酶，这对应于0.066克酶/克干污泥固体的酶负载率。该酶能够促进半纤维素和纤维素的水解。pH维持在5.0至5.5。根据需要用10％氨水或10％硫酸调节pH。纸浆污泥“按原样”添加，这意味着污泥固体未被干燥。对于这种规模的反应器，最终目标是666.67克原样污泥固体。最初，添加100克污泥固体，并在55℃下以150rpm混合1小时。接下来，一次添加50克污泥固体，直到添加所有剩余的566.67克。在添加了最终固体之后，将反应器的内容物混合，同时在55℃下保持额外的时间。在整个液化和糖化过程中，pH值均保持在5.0至5.5的范围内。将总固含量为20％的试验水解47小时，同时将总固含量为30％的试验水解99小时。在混合物变成液体后，获取水解过程中糖浓度的数据，因此数据点不从零开始。在糖化结束时，将温度降低至32℃，同时将pH保持在5.5。接下来以每升1克活性酵母与用于细菌控制的4mL乳糖苷247TM添加到反应器中。对于总固体含量为20％的试验，使发酵进行94小时(直到图1中141小时时间点)，对于总固体含量为30％的试验，使发酵进行120小时(直到图1中的219小时时间点)。
实施例2
该实施例显示了当使用在酵母提取物、蛋白胨、葡萄糖和木糖上繁殖的酵母与在酵母提取物、蛋白胨、葡萄糖和红液上繁殖的酵母相比时红液发酵的结果。酵母在带有Air-O-Top密封件的500mL带挡板锥形瓶中进行需氧繁殖。对于两种繁殖，繁殖培养基均在反渗透(RO)水中包含1％的酵母提取物、2％的蛋白胨和2％的葡萄糖，同时一种繁殖培养基另外包含1％木糖(以下称为YEP)，另一种另外包含占总糖1％的红液(以下称为YEPL)。酵母在30℃下从约0.01g/L至0.02g/L的干酵母浓度繁殖到5g/L的干酵母浓度(YEP约20小时，YEPL约24小时)。尽管不受理论的束缚，但是由于由红液中一种或多种抑制剂(例如盐，诸如硫酸镁)引起的酵母上的渗透压，YEPL的繁殖可能花费了更长的时间。使用分光光度计测量600nm光密度(OD)，使用OD对比干酵母浓度校准来确定干酵母浓度。根据干酵母浓度，使用离心法从每次繁殖中获得一定质量的酵母，然后将其重新悬浮在稀釜馏物中，以40g/L的干酵母浓度产生烈性甜酒(crème)。稀釜馏物从“未经蒸煮”的淀粉糖化工艺得到，其实例在专利号为7,842,484的美国专利(Lewis)中有所描述。然后将来自每次繁殖的酵母悬浮液以0.5g/L或5g/L添加到发酵瓶中。接种时，基于总体积百分比，发酵瓶包含90％的红液(使用30％的氢氧化铵将pH调节至5.5)、10％的稀釜馏物(使用30％的氢氧化铵将pH调节至5.5)，用于细菌控制的2ppm乳糖苷247TM，以及之前提及的酵母烈性甜酒。使用ANKOM RF气体生产系统和32℃振动空气培养箱进行发酵72小时。ANKOM系统通过累积测量产生的二氧化碳量来测量发酵性能；假定产生的任何二氧化碳都是由糖发酵为乙醇而产生的。
图2中的结果显示，与不包含红液的繁殖物(YEP)相比，使用包含红液的繁殖物(YEPL)时获得更高的累积二氧化碳，并且获得更快的发酵动力学。图3还包括用于生产乙醇的HPLC测量结果，并且表明，与不含红液的繁殖物(YEP)相比，使用含红液的繁殖物(YEPL)获得的乙醇滴度更高。
红液包含以下括号中所示的适量的单糖：葡萄糖(1.5％w/v)、木糖(0.9％w/v)、半乳糖(0.7％w/v)和甘露糖(4.5％w/v)。高效液相色谱(HPLC)显示在红液中存在的单糖中，半乳糖消耗最快。
下面描述根据本发明的另外的实施方式。
实施方式1-一种处理纸浆厂或造纸厂废料副产品的方法，其中该方法包括：
a)形成液化组合物，其中所述液化组合物包含：
i)纸浆厂或造纸厂废料副产品；
ii)离子稳定组分；和
iii)一种或多种酶，该一种或多种酶可以水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分；
b)将液化组合物暴露于水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分的条件下，并形成液化后的组合物。
实施方式2-实施方式1的方法，其中所述离子稳定组分包含从谷物乙醇工艺(例如干磨或湿磨谷物乙醇工艺)得到的釜馏物组合物。
实施方式3-实施方式2的方法，其中所述釜馏物组合物选自全釜馏物、稀釜馏物、浓缩稀釜馏物(例如糖浆)、湿饼及其组合。
实施方式4-实施方式2的方法，其中所述釜馏物组合物以占总液化组合物体积的1％至50％(例如占总液化组合物体积的5％至25％、甚至占总液化组合物体积的5％至15％)的量添加到液化组合物中。
实施方式5-实施方式1的方法，其中所述离子稳定组分选自一种或多种盐(例如海盐和/或缓冲盐(例如磷酸钾))、釜馏物组合物、玉米浆、纸浆厂或造纸厂废料副产品液及其组合。
实施方式6-实施方式5的方法，其中所述离子稳定组分包含缓冲盐和釜馏物组合物，其中所述缓冲盐作为缓冲盐浓度在0.1M至10M范围内的溶液添加到所述液化组合物中，其中所述溶液与釜馏物组合物的体积比在0.05至25的范围内。
实施方式7-实施方式6的方法，其中所述一种或多种酶以每干克纸浆污泥和/或纸污泥0.005至0.1克酶的量存在。
实施方式8-实施方式1的方法，其中所述液化组合物保持在45℃至75℃范围内的温度和4至7范围内的pH下持续5小时至15小时的时间段以形成液化后的组合物。
实施方式9-实施方式1的方法，其中所述液化组合物的总固体(溶解的和未溶解的固体)在15％至45％、15％至35％或甚至15％至30％范围内。
实施方式10-实施方式1的方法，进一步包括将所述液化后的组合物暴露于一定条件下以形成包含单糖的经糖化的组合物，其中所述单糖包含木糖和/或葡萄糖。
实施方式11-实施方式10的方法，其中所述液化后的组合物转移至分批糖化反应器中，并在45℃至60℃范围内的温度和4至7范围内的pH下保持30小时至60小时的时间段以形成经糖化的组合物。
实施方式12-实施方式11的方法，进一步包括以一定方式将微生物(例如细菌或酵母)细胞团加入到经糖化的组合物中，使得微生物可以至少将木糖和/或葡萄糖转化为生化物质(例如乙醇)。
实施方式13-一种用于处理纸浆厂或造纸厂废料副产品的系统，其中所述系统包括：
a)包含液化组合物的至少一个液化罐反应器，其中所述液化组合物包括：
i)纸浆厂或造纸厂废料副产品；
ii)离子稳定组分；和
iii)一种或多种酶，该酶可以水解纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分，其中所述至少一个液化罐反应器配置(适配)成将所述液化组合物暴露于使纸浆厂或造纸厂废料副产品中的一种或多种多糖的至少一部分水解的条件并形成液化后的组合物。

Claims (17)

1.一种繁殖微生物的方法，所述方法包括：
a)提供繁殖培养基，所述繁殖培养基包含从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的来源；
b)提供可将所述一种或多种单糖的至少一部分转化为生化物质的第一微生物细胞团；
d)将所述繁殖培养基和所述第一微生物细胞团合并以形成繁殖组合物，其中将所述繁殖组合物暴露于使所述第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团的条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废料副产品包含纸浆污泥和/或纸污泥，并且其中，所述繁殖组合物还包含一种或多种酶，所述一种或多种酶水解所述纸浆污泥和/或所述纸污泥中的一种或多种多糖，形成一种或多种单糖。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述一种或多种单糖的来源包括经糖化的组合物，所述经糖化的组合物从水解纸浆污泥和/或纸污泥中一种或多种多糖得到。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述废料副产品包含液体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种单糖的来源以所述繁殖培养基的体积的1％至99％的量存在。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述繁殖培养基还包括从谷物乙醇工艺得到的釜馏物组合物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述釜馏物组合物选自全釜馏物、稀釜馏物、浓缩稀釜馏物、湿饼及其组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述釜馏物组合物包括从蒸馏玉米谷物发酵产物得到的稀釜馏物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二微生物细胞团的数量是所述第一微生物细胞团的数量的至少200倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一微生物细胞团为每毫升繁殖组合物5×106个细胞或更少，并且所述第二微生物细胞团为每毫升繁殖组合物1×108个细胞或更多。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微生物包括产乙醇物。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述产乙醇物包含酵母，其中所述酵母包含非遗传修饰的酿酒酵母和/或经遗传修饰的将木糖和葡萄糖转化为乙醇的酿酒酵母。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述第二细胞团的至少一部分与从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到的一种或多种单糖的另一来源合并，使得所述第二微生物细胞团的至少一部分可以将所述一种或多种单糖转化为生化物质。
14.一种用于繁殖微生物的系统，所述系统包括：
a)一种或多种单糖的来源，所述一种或多种单糖的来源从纸浆厂或造纸厂废料副产品得到；
b)第一微生物细胞团的来源，所述第一微生物细胞团的来源能够将一种或多种单糖转化为生化物质；
d)至少一个容器，所述至少一个容器与所述一种或多种单糖的来源和所述第一微生物细胞团的来源流体连通，其中所述至少一个容器被配置为使所述一种或多种单糖的来源的至少一部分和所述第一微生物细胞团的来源合并以形成繁殖组合物，其中所述容器还被配置为将所述繁殖组合物暴露于使第一微生物细胞团繁殖成第二微生物细胞团的条件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，还包括釜馏物组合物的来源，所述釜馏物组合物的来源与所述至少一个容器流体连通，其中所述至少一个容器被配置为将所述釜馏物组合物与所述一种或多种单糖的来源和所述第一微生物细胞团的来源合并。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述釜馏物组合物的来源从谷物乙醇生物炼制厂得到。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，还包括发酵系统，所述发酵系统与所述一种或多种单糖的来源和所述至少一个容器流体连通，其中所述发酵系统被配置为将所述一种或多种单糖的来源的至少另一部分与所述第二微生物细胞团的至少一部分合并，使得所述第二微生物细胞团能够使所述一种或多种单糖转化为生化物质。
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