EA026811B1 - Способ конвертации углеводов - Google Patents

Abstract

Функционализированные материалы субстрата, например неорганические частицы и/или синтетические полимерные частицы, используют для ускорения таких биопроцессов, как осахаривание и ферментация.

Description

Настоящая заявка устанавливает приоритет временной патентной заявки США № 61/180019, поданной 20 мая 2009 г., и временной патентной заявки США № 61/25300, поданной 16 октября 2009 г. Полное описание каждой из данных временных заявок включено посредством ссылки в настоящий документ.

Уровень техники

Углеводы можно конвертировать в другие материалы методами биообработки, в которых используются агенты, в том числе микроорганизмы или ферменты. Например, в процессе ферментации углеводы превращаются в спирты или кислоты под действием микроорганизмов, например сахар превращается в спирт при использовании дрожжей в анаэробных условиях. Когда ферментация останавливается до полной конверсии углевода в конечный продукт, например сахара в спирт, говорят, что происходит застывание ферментации.

Другие способы биообработки включают ферментативный гидролиз целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов в низкомолекулярные сахара.

Сущность изобретения

В некоторых случаях присутствие субстрата в биообработке способствует превращению низкомолекулярного сахара в промежуточный или конечный продукт или целлюлозного или лигноцеллюлозного материала в низкомолекулярный сахар. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что включение субстрата, например неорганического или органического материала, в смеси с низкомолекулярным сахаром в среде, например, растворителя или системы растворителей и микроорганизмами может повысить выход и скорость производства промежуточного или конечного продукта, получаемого путем конверсии сахара, например спирта, в том числе этанола или бутанола (например, н-бутанола). Включение субстрата также может предотвращать неполную, медленную или застывшую конверсию продукта, например, путем ферментации. Аналогичным образом, включение субстрата может ускорять ферментативный гидролиз целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов.

В целом, настоящее изобретение относится к способам, которые включают использование микроорганизма и/или фермента, который является иммобилизованным на субстрате, например волокнах или частицах, для конверсии углевода в продукт.

В одном аспекте настоящее изобретение относится к способу, который включает использование микроорганизма, который является иммобилизованным на субстрате, например неорганических или пластмассовых частицах или волокнах, чтобы конвертировать низкомолекулярный сахар, например сахарозу, глюкозу, ксилозу или смесь любых из них в промежуточный или конечный продукт. В некоторых случаях субстрат функционализируют функциональными группами, которые субстрат не содержит в своем естественном состоянии.

Термин иммобилизованный означает, что микроорганизм и/или фермент связан с субстратом непосредственно или косвенно (например, через химический линкер), ковалентными, водородными, ионными или эквивалентными связями, и/или механическим взаимодействием, например, между микроорганизмом и порами волокна или частицы. Связь можно создавать, например, электрической поляризацией материала субстрата. Данное взаимодействие может быть постоянным, полупостоянным или кратковременным. Механическое взаимодействие может включать помещение или прикрепление микроорганизма или фермента в порах или других местах волокна или частицы.

Некоторые варианты осуществления включают одну или более следующих отличительных особенностей.

Конверсия может включать возможность микроорганизма конвертировать по меньшей мере часть низкомолекулярного сахара в спирт, например этанол или бутанол, или в углеводород или водород. Конверсия может включать ферментацию. Микроорганизм может включать дрожжи, например 8ассйатотусе8 сетеу181ае (пекарские дрожжи) и/или РюЫа δΐίρίίίδ, или бактерии, например 2утотоиа8 тоЬШк. Способ может дополнительно включать облучение субстрата, например неорганических волокон, например, ионизирующим излучением, в том числе пучком частиц. Волокна или частицы могут иметь удельную поверхность по методу Брунауэра-Эммета-Теллера (ВЕТ), составляющую более чем 0,25 м²/г, и/или пористость, составляющую по меньшей мере 70%. В некоторых случаях удельная поверхность по методу ВЕТ может составлять более чем 10, 100, 250, 500 или даже 1000 м²/г. Данный способ может дополнительно включать повторное использование субстрата в процессе последующей конверсии.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к смеси, которая включает субстрат, например зернистый материал, имеющий полярные функциональные группы, микроорганизм или фермент, имеющий комплементарные функциональные группы, и жидкую среду. В некоторых случаях субстрат включает волокна, например неорганические волокна или пластмассовые волокна.

В следующем аспекте настоящее изобретение относится к композиции, включающей субстрат, например волокна или частицы, имеющие функциональные группы, и микроорганизм или фермент, имеющий комплементарные функциональные группы, причем данный микроорганизм или фермент является иммобилизованным на субстрате. Когда используют волокна, эти волокна могут представлять собой, например, неорганические волокна или пластмассовые волокна.

Настоящее изобретение также относится к способу, который включает конверсию низкомолекуляр- 1 026811 ного сахара или материала, который включает низкомолекулярный сахар в смеси с субстратом, микроорганизмом и растворителем или системой растворителей, например водой или смесью воды и органического растворителя, в промежуточный или конечный продукт. Примеры растворителей или систем растворителей включают воду, гексан, гексадекан, глицерин, хлороформ, толуол, этилацетат, петролейный эфир, сжиженный нефтяной газ (СНГ), ионные жидкости и их смеси. Растворитель или система растворителей может находиться в виде одной фазы, двух или более фаз. Субстрат может существовать, например, в волокнистой форме. Например, субстрат может включать неорганические волокна или синтетические волокна, например пластмассовые волокна.

В некоторых случаях наличие субстрата (например, волокон, обработанных каким-либо способом, описанным в настоящем документе, или необработанных) в процессе производства промежуточного или конечного продукта, например этанола, может повысить скорость производства данного продукта. Без намерения следовать какой-либо определенной теории считают, что наличие твердого вещества, например имеющего высокую удельную поверхность и/или высокую пористость, может увеличивать скорости реакций увеличением эффективной концентрации растворенных веществ и создания субстрата, на котором могут происходить реакции.

Например, облученный или необлученный волокнистый материал, например неорганические материалы, в том числе углеродные волокна или стекловолокно, или синтетические полимерные материалы, в том числе пластмассовые волокна, можно вводить в процесс ферментации, например в процесс ферментации кукурузы с образованием этанола или в процесс ферментации экстракта сахарного тростника, чтобы повысить скорость производства по меньшей мере на 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75 или 100% или более, например по меньшей мере на 150% или даже до 1000%. Волокнистый материал может иметь большую удельную поверхность, высокую пористость и/или низкую объемную плотность. В некоторых вариантах осуществления волокнистый материал присутствует в смеси в количестве, составляющем от приблизительно 0,5 мас.% до приблизительно 50 мас.%, например от приблизительно 1 до приблизительно 25 мас.% или от приблизительно 2 до приблизительно 12,5 мас.%. В других вариантах осуществления волокнистый материал присутствует в количествах, составляющих более чем приблизительно 0,5 мас.%, например более чем приблизительно 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или даже более чем приблизительно 10 мас.%. Например, в некоторых вариантах осуществления окисленный, облученный или химически функционализированный волокнистый материал можно вводить в процесс ферментации низкомолекулярного сахара, например, чтобы повысить скорость и выход ферментации.

Так как сам субстрат не расходуется в процессе конверсии, данный субстрат можно повторно использовать в многократных периодических процессах или можно использовать непрерывно в производстве больших объемов продукта.

Некоторые варианты осуществления включают одну или более следующих отличительных особенностей.

Конверсия может обеспечивать микроорганизму возможность конвертировать по меньшей мере часть низкомолекулярного сахара в спирт, например этанол или бутанол. Например, конверсия может включать ферментацию. Микроорганизм может включать дрожжи, например, выбранные из группы, в которую входят §ассЬатошусс8 ссгсуыас и Р1сЫа 8ίΐρΐΐΪ8, или бактерии, в том числе 2ушошопа8 шоЬШв. Микроорганизм может представлять собой природный микроорганизм или генетически модифицированный микроорганизм. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например целлюлитическую бактерию, грибок, например дрожжи, растение или протист, например водоросль, простейшее или грибкоподобный протист, например слизевик (миксомицет). Когда организмы являются совместимыми, можно использовать смеси. Конверсия может обеспечивать процентную эффективность, составляющую по меньшей мере 140%, в некоторых случаях по меньшей мере 170%. Для вычисления процентной эффективности ферментации с образованием этанола используют следующее уравнение:

Процентная эффективность = (содержание этанола в исследуемом образце/ содержание этанола в контрольном образце)· 100.

Субстрат может включать волокнистый материал. Данный способ может дополнительно включать облучение волокнистого материала перед смешиванием, например, с помощью ионизирующего излучения, полная доза которого составляет, например, по меньшей мере 5 Мрад. Облучение можно осуществлять с использованием пучка частиц, например электронного пучка. В некоторых вариантах осуществления облучение осуществляют на субстрате, причем субстрат находится в атмосфере воздуха, азота, кислорода, гелия или аргона. Облучение можно осуществлять с использованием ионизирующего излучения, включая гамма-лучи, пучок электронов или ультрафиолетовое излучение в диапазоне С, имеющее длину волны от приблизительно 100 до приблизительно 280 нм. Облучение можно осуществлять, используя множественные применения излучения. В некоторых случаях излучение можно применять при полной дозе, составляющей от приблизительно 10 до приблизительно 150 Мрад, например при мощности дозы, составляющей от приблизительно 0,5 до приблизительно 10 Мрад/с или от 1 до приблизительно 10 Мрад/с. В некоторых вариантах осуществления облучение включает применение двух или более источников излучения, включая гамма-излучение и пучок электронов.

В другом аспекте субстрат включен в процесс осахаривания, в котором присутствие субстрата мо- 2 026811 жет повысить скорость реакции и выход низкомолекулярного сахара из содержащего целлюлозу исходного материала. В данном аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему использование осахаривающего агента, который является иммобилизованным на частицах, чтобы осахаривать целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Осахаривающий агент может представлять собой, например, фермент.

Если не определено иное условие, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют такие же значения, которые являются общепонятными для обыкновенного специалиста в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. Хотя в практическом осуществлении или испытании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, аналогичные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе, подходящие способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие источники, упомянутые в настоящем документе, во всей своей полноте включены в него посредством ссылки. В случае противоречия преобладающую силу имеет настоящее описание, включая определения. Кроме того, данные материалы, способы и примеры являются лишь иллюстративными и не предназначены в качестве ограничительных.

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из следующего подробного описания и из формулы изобретения.

Описание чертежей

Фиг. 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую обработку волокон и использование обработанных волокон в процессе ферментации;

фиг. 1А схематично представляет функционализированное волокно, взаимодействующее с микроорганизмом.

Подробное описание

Субстратные материалы, описанные в настоящем документе, например функционализированные зернистые материалы, могут способствовать конверсии низкомолекулярного сахара в промежуточный или конечный продукт, например, в процессе ферментации. Функционализированные субстратные материалы, содержащие функциональные группы желательного типа и числа, в том числе карбоксильные группы, енольные группы, альдегидные группы, кетонные группы, нитрильные группы, нитрогруппы или нитрозогруппы, можно получить, используя способы, описанные в настоящем документе, или другие известные способы.

Субстратные материалы.

Обсуждаемые ниже материалы можно функционализировать функциональными группами, которые являются комплементарными по отношению к функциональным группам на агенте, который предстоит использовать в конверсии низкомолекулярного сахара, включая, например, функциональные группы, присутствующие на микроорганизмах, в том числе дрожжах.

Подходящие субстратные материалы включают органические и неорганические зернистые материалы. Субстратные материалы включают, например, неорганические наполнители, в том числе карбонат кальция, (например, осажденный карбонат кальция или природный карбонат кальция), арагонитовая глина, орторомбические глины, кальцитовая глина, ромбоэдрическая глина, каолиновая глина, бентонитовая глина, гидрофосфат кальция, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, нерастворимый метафосфат натрия, ортофосфат магния, трехзамещенный фосфат магния, гидроксиапатиты, синтетические апатиты, оксид алюминия, гидратированный оксид алюминия, ксерогель диоксида кремния, алюмосиликатные комплексы металлов, алюмосиликат натрия, силикат циркония, диоксид кремния, графит, волластонит, слюда, стекло, стекловолокно, кремнезем, тальк, углеродные волокна, проводящая сажа, керамические порошки и керамические волокна, а также тригидрат оксида алюминия. Можно также использовать другие зернистые материалы, к которым относятся, например, измельченные строительные отходы, измельченная шинная резина, лигнин, малеированный полипропилен, нейлоновые волокна или другие термопластические волокна, а также фторированные полимеры, например фторированный полиэтилен. Можно также использовать сочетания перечисленных выше материалов.

Некоторые материалы имеются в продаже в функционализированном состоянии. Например, содержащие карбоксильные функциональные группы углеродные нанотрубки поставляет на продажу, например, фирма ЦапоЬаЪ (Ньютон, штат Массачусетс, США), и функционализированные силикагели поставляет на продажу фирма Нсо, 1пс.

Данные зернистые материалы могут иметь частицы, размер которых составляет, например, более чем 1 мкм, например более чем 2, 5, 10, 25 или даже более чем 35 мкм. Другие физические свойства предпочтительных субстратов будут описаны ниже.

Содержащие нанометровые частицы наполнители можно также использовать как индивидуально, так и в сочетании с волокнистыми материалами любого размера и/или формы. Эти наполнители могут находиться, например, в виде частиц, пластин или волокон. Например, можно использовать содержащие нанометровые частицы глины, кремниевые и углеродные нанотрубки или фуллерены, а также кремниевые и углеродные нанонити. Наполнитель может иметь поперечный размер, составляющий менее чем 1000, например менее чем 900, 800, 750, 600, 500, 350, 300, 250, 200, менее чем 100 или даже менее чем 50 нм.

- 3 026811

В некоторых вариантах осуществления наноглина представляет собой бентонитовую глину (монтмориллонит). Такие глины поставляют фирмы Ыаиосог, 1ис. и ЗоиГОеги С1ау РгобисК и они описаны в патентах США № 6849680 и 6737464. Поверхность глин можно обрабатывать перед смешиванием, например, с полимером или волокнистым материалом. Например, поверхность глины можно обрабатывать таким образом, что данная поверхность приобретет ионную природу и станет, например, катионной или анионной.

Можно также использовать агрегированные или агломерированные наполнители, содержащие нанометровые частицы, или содержащие нанометровые частицы наполнители, которые объединены в надмолекулярные структуры, например, самособирающиеся надмолекулярные структуры. Агрегированные или надмолекулярные наполнители могут иметь открытую или закрытую структуру и принимать разнообразные формы, существуя, например, в виде клетки, трубки или сферы.

Смеси любых субстратных материалов, описанных в настоящем документе, можно использовать для производства любых продуктов, описанных в настоящем документе.

Системы для функционализации субстратных материалов и использования субстратных материалов в ферментации.

Фиг. 1 представляет систему 100 для обработки субстратного материала, например волокнистого или зернистого материала, и последующего использования обработанного материала для ускорения процесса ферментации. Система 100 включает необязательный модуль 102, в котором субстратный материал функционализируют, например облучением, окислением, химической функционализацией или другими способами. Если субстратный материал предназначен для использования в своем естественном состоянии или был предварительно функционализирован, данную стадию пропускают.

Обработанный субстратный материал, например функционализированные частицы или волокна, поступает в систему ферментации 106 посредством подающего субстрат модуля 108. Субстратный материал можно подавать в любой требуемой концентрации, составляющей, например, от приблизительно 0,05 до приблизительно 20%, от приблизительно 0,1 до приблизительно 10%, от приблизительно 0,2 до приблизительно 6% или от приблизительно 0,3 до приблизительно 4%. Концентрацию будут частично определять свойства использованного субстратного материала и возможное количество субстратного материала, добавляемого практичным способом.

Функционализированный субстратный материал затем присутствует в процессе ферментации и ускоряет процесс ферментации, предоставляя субстрат, который может взаимодействовать с микроорганизмами, используемыми в ферментации, например клетками дрожжей. Это взаимодействие схематично представлено на фиг. 1А, который изображает функционализированное полярное волокно 10 и дрожжевую клетку 12, имеющую комплементарную полярную функциональную группу. Вследствие полярности волокон и дрожжевых клеток возможна иммобилизация клетки на одном или большем числе волокон. Связь дрожжевой клетки (или другого микроорганизма) с волокнами может представлять собой водородную связь или ковалентную, или ионную связь. В некоторых случаях функциональные группы на волокнах могут реагировать с функциональными группами на микроорганизме, образуя ковалентную связь. Высокая удельная поверхность и пористость волокон обеспечивает большую площадь поверхности для взаимодействия волокна и микроорганизма и тем самым усиливает это взаимодействие. Иммобилизованные клетки являются более продуктивными, увеличивая эффективность и выход процесса ферментации и предотвращения преждевременного застывания данного процесса.

Следует отметить, что если в процессе ферментации осуществляют перемешивание, то это перемешивание предпочтительно является относительно мягким (низкосдвиговым), чтобы сократить до минимума нарушение взаимодействия между микроорганизмами и волокнами. В некоторых вариантах осуществления используют струйное перемешивание, как описано во временных патентных заявках США № 61/179995 от 20 мая 2009 г. и № 61/218832 от 19 июня 2009 г., а также в патентной заявке США (номер не указан), поданной одновременно с настоящей заявкой под регистрационным номером патентного поверенного 00119-Ш8. Полное описание каждой из данных заявок включено в настоящий документ посредством ссылки.

В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, при ферментации образуется неочищенная смесь на основе этанола, которая втекает в резервуар для хранения 110. Вода или другой растворитель, а также другие неэтанольные компоненты отгоняют из неочищенной смеси на основе, используя отгоночную колонну 112, и этанол затем перегоняют, используя дистилляционный блок 114, например ректификационную колонну. Наконец, этанол можно сушить, используя молекулярное сито 116, денатурировать по мере необходимости и направлять на транспортировку желательным способом.

В некоторых случаях системы, описанные в настоящем документе, или их компоненты, могут быть портативными, чтобы систему можно было перевозить (например, железнодорожным, автомобильным или водным транспортом) из одного места в другое. Стадии способа, описанного в настоящем документе, можно осуществлять в одном или нескольких местах и в некоторых случаях одну или более стадий можно осуществлять в процессе транспортировки. Такая мобильная обработка описана в патентной заявке США № 12/374549 и в международной патентной заявке νθ 2008/011598, полные описания которых включены в настоящий документ посредством ссылки.

- 4 026811

Физические свойства субстрата.

Как функционализированные субстратные материалы, так и субстратные материалы в своем естественном состоянии могут иметь физические свойства, обсуждаемые в настоящем документе.

При использовании в настоящем документе средние значения ширины волокна (например, диаметры) представляют собой значения, определенные оптическим способом при случайном выборе приблизительно 5000 волокон. Средние значения длины волокна представляют собой исправленные значения взвешенной по длине длины. Значения удельной поверхности по методу ВЕТ представляют собой многоточечные значения удельной поверхности, и значения пористости представляют собой значения, определенные методом ртутной порометрии.

Если субстрат представляет собой волокнистый материал, среднее отношение длины к диаметру волокон механически обработанного субстратного материала может составлять, например, более чем 8/1, например более чем 10/1, более чем 15/1, более чем 20/1, более чем 25/1 или более чем 50/1. Средняя длина волокна может составлять, например приблизительно от 0,5 до 2,5 мм, например приблизительно от 0,75 до 1,0 мм, и средняя ширина (например, диаметр) волокон может составлять, например, приблизительно от 5 до 50 мкм, например приблизительно от 10 до 30 мкм.

В некоторых вариантах осуществления стандартное отклонение длины волокон может составлять менее чем 60% средней длины волокон, например менее чем 50% средней длины, менее чем 40% средней длины, менее чем 25% средней длины, менее чем 10% средней длины, менее чем 5% средней длины или даже менее чем 1% средней длины.

В некоторых вариантах осуществления удельная поверхность по методу ВЕТ субстратного материала составляет более чем 0,1, например более чем 0,25, 0,5, 1,0, 1,5, 1,75, 5,0, 10, 25, 35, 50, 75, 100, 200, 250, 500 или даже более чем 1000 м²/г.

Пористость субстратного материала может составлять, например, более чем 20, более чем 25, более чем 35, более чем 50, более чем 60, более чем 70, например более чем 80, более чем 85, более чем 90, более чем 92, более чем 94, более чем 95, более чем 97,5, более чем 99 или даже более чем 99,5%.

Г ашение и функционализация субстрата.

В некоторых случаях субстратный материал функционализируют облучением. Можно также использовать другие способы, которые хорошо известны в технике, например окисление или химическую функционализацию. В некоторых случаях функционализация субстратного материала не является частью процесса, например материал используют в его естественном состоянии или его предварительно функционализирует поставщик.

После обработки ионизирующим излучением субстратный материал становится ионизированным, т.е. материал включает радикалы, которые можно обнаружить с помощью спектрометра электронного парамагнитного (спинового) резонанса. В настоящее время уровень практического обнаружения радикалов составляет приблизительно 10¹⁴ спинов при комнатной температуре. После ионизации материал можно гасить, чтобы уменьшить уровень радикалов в ионизированном материале, например, таким образом, чтобы радикалы перестали обнаруживаться с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Например, радикалы можно гасить приложением достаточного давления к биомассе и/или использованием в контакте с ионизированной биомассой текучей среды, в том числе газообразной или жидкой, которая вступает в реакцию (гашение) с радикалами. Введение газа или жидкости, чтобы, по меньшей мере, способствовать гашению радикалов, можно использовать для функционализации ионизированной биомассы образованием функциональных групп необходимого количества и вида, включая карбоксильные группы, енольные группы, альдегидные группы, нитрогруппы, нитрильные группы, аминогруппы, алкиламиногруппы, алкильные группы, хлоралкильные группы или хлорфторалкильные группы. Как обсуждалось выше, функциональные группы, внедренные в материал при гашении, могут действовать в качестве рецепторных центров для присоединения микроорганизмов или ферментов.

Обнаружение радикалов в облученных образцах методами спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и сроки существования радикалов в указанных образцах обсуждают в своей статье Ваг1о1оОа и др., Рйу8Ю8 МеФсте апб Вю1о§у, 46(2001), 461-471 и Ваг1о1оОа и др., КаФайоп Рго1ес1юп Όο81ше1гу (Дозиметрия радиационной защиты), 1999 г., т. 84, № 1-4, стр. 293-296.

В некоторых вариантах осуществления гашение включает приложение давления к ионизированному материалу, в том числе посредством механической деформации материала, например непосредственного механического сжатия материала по одному, двум или трем направлениям, или приложением давления к текучей среде, в которую погружен материал, используя, например, изостатическое сжатие. В таких случаях сама деформация материала производит радикалы, которые часто захватываются в доменах кристаллической структуры в достаточно тесной близости друг от друга, в результате чего радикалы могут рекомбинировать или реагировать с другой группой. В некоторых случаях давление прилагают вместе с подведением тепла, в том числе достаточного количества тепла для повышения температуры материала выше температуры плавления или температуры размягчения материала или компонента материала. Нагреванию может повышать подвижность молекул материала, что может способствовать гашению радикалов. Когда давление используют для гашения, это давление может составлять более чем приблизительно 1000 фунтов на кв. дюйм (7 МПа), в том числе более чем приблизительно 1250 фунтов на

- 5 026811 кв. дюйм (8,75 МПа), 1450 фунтов на кв. дюйм (10,15 МПа), 3625 фунтов на кв. дюйм (25,38 МПа), 5075 фунтов на кв. дюйм (35,53 МПа), 7250 фунтов на кв. дюйм (50,75 МПа), 10000 фунтов на кв. дюйм (70 МПа) или даже более чем 15000 фунтов на кв. дюйм (105 МПа).

В некоторых вариантах осуществления гашение включает контакт материала с текучей средой, в том числе жидкой или газообразной, например газом, способным реагировать с радикалами, в том числе ацетиленом или смесью ацетилена с азотом, этиленом, хлорированными этиленами или хлорфторэтиленами, пропиленом или смесью этих газов. В других определенных вариантах осуществления гашение включает контакт материала с жидкостью, например жидкостью, которая растворяется или, по меньшей мере, способна проникать в материал и реагировать с радикалами, в том числе диеном, в том числе 1,5циклооктадиеном. В некоторых особых вариантах осуществления гашение включает контакт радикала с антиоксидантом, в том числе витамином Е.

Возможны и другие способы гашения. Например, любой способ гашения радикалов в полимерных материалах, который описан в патентной заявке США № 2008/0067724 (авторы Мита1од1и и др.) и в патенте США № 7166650 (авторы Мита1од1и и др.), можно использовать для гашения любого ионизированного материала, описанного в настоящем документе. Кроме того, любой агент для гашения (который Мита1од1и определил термином сенсибилизатор в указанных выше патентных документах) и/или любой антиоксидант, описанный в любом из документов Мита1од1и, можно использовать для гашения любого ионизированного материала.

Функционализацию можно усиливать, используя тяжелые заряженные ионы, в том числе любые из тяжелых ионов, описанных в настоящем документе. Например, если желательно ускорить окисление, для облучения можно использовать заряженные ионы кислорода. Если желательны азотные функциональные группы, можно использовать ионы азота или анионы, которые включают азот. Аналогичным образом, если желательны содержащие серу или фосфор группы, в облучении можно использовать ионы серы или фосфора.

После гашения любой из гашеных материалов, описанных в настоящем документе, можно дополнительно обрабатывать, используя один или более видов излучения, в том числе ионизирующее или неионизирующее излучение, ультразвуковую обработку, пиролиз и окисление для дополнительного изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры.

Обработка текучих сред пучком частиц.

В некоторых случаях субстратные материалы можно обрабатывать пучком частиц в присутствии одной или более дополнительных текучих сред (например, газов и/или жидкостей). Воздействие на материал пучком частиц в присутствии одной или более дополнительных текучих сред может повышать эффективность обработки.

В некоторых вариантах осуществления материал обрабатывают пучком частиц в присутствии текучей среды, в том числе воздуха. Ускоренные частицы вылетают из ускорителя через выходное отверстие (например, тонкую мембрану, в том числе металлическую фольгу), проходят через объем пространства, занятого текучей средой, и затем попадают на материал. Помимо непосредственной обработки материала некоторые частицы образуют также химические соединения путем взаимодействия с частицами текучей среды (например, ионами и/или радикалами, образующимися из различных компонентов воздуха, включая озон и оксиды азота). Эти образующиеся химические вещества могут также взаимодействовать с материалом; например любой образующийся окислитель может окислять материал.

В определенных вариантах осуществления дополнительные текучие среды можно избирательно вводить на пути пучка частиц перед попаданием пучка на материал. Как обсуждалось выше, реакции между частицами пучка и частицами вводимых текучих сред могут образовывать дополнительные химические соединения, которые реагируют с материалом и могут способствовать функционализации материала, и/или иным образом избирательно изменять определенные свойства материала. Одну или более дополнительных текучих сред можно направлять на путь пучка, например, из питающей трубы. Направление и скорость движения вводимой текучей среды (текучих сред) можно выбирать соответственно требуемой мощности дозы и/или направлению обработки, чтобы регулировать эффективность всей обработки, включая эффекты, которые возникают в результате обработки на основе частиц, и эффекты, которые обусловлены взаимодействием динамически образующихся частиц от введения текучей среды с материалом. Помимо воздуха, примеры текучих сред, которые можно вводить в ионный пучок, включают кислород, азот, один или более благородных газов, один или более галогенов и водород.

Радиационная обработка.

Излучением можно воздействовать на материал, который является сухим или мокрым, или даже диспергированным в жидкости, включая воду, и его можно использовать в то время, когда материал находится в атмосфере воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже чистого кислорода, или покрыт слоем инертного газа, в том числе азота, аргона или гелия. Когда предпочтительно максимальное окисление, используют окислительную среду, в том числе воздух или кислород.

Излучение можно применять под давлением, составляющим более чем приблизительно 2,5 атмосферы, в том числе более чем 5, 10, 15, 20 или даже более чем приблизительно 50 атмосфер (соответственно, 0,25, 5, 1, 1,5, 2 или 5 МПа).

- 6 026811

В некоторых вариантах осуществления для облучения материалов используют воздействие на материал энергии, которая выбивает электрон с его атомной орбитали. Излучение могут создавать: 1) тяжелые заряженные частицы, в том числе альфа-частицы или протоны, 2) электроны, образующиеся, например, при бета-распаде или в ускорителях электронных пучков, или 3) электромагнитное излучение, например, гамма-излучение, рентгеновское излучение или ультрафиолетовое излучение. В одном подходе излучение, создаваемое радиоактивными веществами, можно использовать для облучения исходного материала. В некоторых вариантах осуществления можно использовать любое сочетание излучения по пп.(1)-(3) в любом порядке или одновременно. В другом подходе можно использовать электромагнитное излучение (например, полученное с помощью излучателей электронных пучков) для облучения исходного материала. В некоторых случаях, когда предпочтительно осуществить расщепление цепи и/или функционализацию полимерной цепи, можно использовать более тяжелые частицы, чем электроны, в том числе протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Когда предпочтительно расщепление цепи с раскрытием цикла, можно использовать положительно заряженные частицы вследствие их свойств кислоты Льюиса для ускорения расщепления цепи с раскрытием цикла. Например, когда предпочтительны кислородсодержащие функциональные группы, можно осуществлять облучение в присутствии кислорода или даже облучение ионами кислорода. Например, когда желательны азотсодержащие функциональные группы, можно осуществлять облучение в присутствии азота или даже облучение ионами азота.

Ионизирующее излучение.

Каждый вид излучения ионизирует углеродсодержащий материал посредством определенного взаимодействия, которое определяет энергия излучения. Тяжелые заряженные частицы ионизируют вещество, главным образом, посредством кулоновского рассеяния; кроме того, в этих взаимодействиях образуются высокоэнергетические электроны, которые могут дополнительно ионизировать вещество. Альфачастицы представляют собой ядра атомов гелия и образуются при альфа-распаде ядер различных радиоактивных элементов, включая изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, ряда актинидов, включая актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.

Когда используют частицы, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Когда частицы являются заряженными, они могут нести единичный положительный или отрицательный заряд или кратные заряды, например единичный, двойной, тройной или даже четверной или более высокие заряды. В тех случаях, где предпочтительно расщепление цепи, целесообразны положительно заряженные частицы, отчасти вследствие своей кислотной природы. Когда используют частицы, эти частицы могут иметь массу покоя электрона или более высокую массу, которая, например, в 500, 1000, 1500 или 2000 или более раз превышает массу покоя электрона. Например, частицы могут иметь массу, составляющую от приблизительно 1 до приблизительно 150 атомных единиц, например, от приблизительно 1 до приблизительно 50 атомных единиц или от приблизительно 1 до приблизительно 25, например 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, используемые для ускорения частиц, могут представлять собой электростатические ускорители постоянного тока, электродинамические ускорители постоянного тока, радиочастотные линейные, магнитноиндукционные линейные или непрерывно-волновые устройства. Например, ускорители типа циклотрона поставляет фирма ΙΒΑ (Бельгия), включая систему В1юйо1гоп®. в то время как ускорители постоянного тока поставляет фирма ΡΌΙ (в настоящее время ΙΒΑ 1пйи51па1), включая Эупатйтоп®. Ионы и ионные ускорители обсуждаются в работах 1п1тобис1огу Ыис1еаг Рйу8Ю8 (Введение в ядерную физику), автор Кеппе!й 8. Кгапе, издательство 1ойп \УПеу & §ои8, 1пс., 1988 г.; Кт81о Рге1ес, ΡίζίΚη Β6, 1997 г., т. 4, стр. 177206; Сйи, \νί11ί;πη Т., Оуег\ае\у о! ПдЫ-юп Веат Тйетару (Обзор по терапии пучком легких ионов), конференция 1СКи-1АЕА, Колумбус, штат Огайо, 18-20 марта 2006 г.; 1\уа1а, Υ. и др., АНетпаБпд-РйакеРосикеб И-ЭТЬ Тот Неауу-юп Мебюа1 Ассе1ета1от8 (Сфокусированный пролетно-трубчатый линейный ускоритель типа Н с чередующимися фазами для медицинских ускорителей тяжелых ионов), материалы ЕРАС 2006 г., Эдинбург (Шотландия); и Ьеапет, С.М. и др., §1а1и8 о! 1йе §ирегсопбис1тд ЕСК 1оп §оигсе νΕΝυ§ (Состояние сверхпроводящего электронного циклотронного резонансного источника ионов УЕΝυ§), материалы ЕРАС 2000 г., Вена (Австрия).

Гамма-излучение имеет преимущество значительной глубины проникновения в разнообразные материалы. Источники гамма-излучения включают ядра радиоактивных элементов, в том числе изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия и ксенона.

Источники рентгеновского излучения включают столкновение электронного пучка с металлическими мишенями, изготовленными в том числе из вольфрама или молибдена или сплавов, или компактные источники света, в том числе те, которые производит фирма Ьупсеап.

Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы. Источники инфракрасного излучения включают керамические лампы с окном из сапфира, цинка или селенида.

Источники микроволнового излучения включают клистроны, радиочастотные источники типа Слевина (§1еуш) или источники атомных пучков, которые используют газы, в том числе водород, кислород

- 7 026811 или азот.

Электронный пучок.

В некоторых вариантах осуществления пучок электронов используют в качестве источника излучения. Пучок электронов имеет преимущества высокой мощности дозы (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительности, меньшего объема и меньшего содержания оборудования. Электроны могут также оказаться более эффективными в реакциях расщепления цепи. Кроме того, электроны, обладающие энергией от 4 до 10 МэВ, могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, в том числе 40 мм.

Электронные пучки можно создавать, используя, например, электростатические генераторы, каскадные генераторы, генераторы-трансформаторы, низкоэнергетические ускорители с системой сканирования, низкоэнергетические ускорители с линейным катодом, линейные укорители и импульсные ускорители. Электроны в качестве источника ионизирующего излучения могут быть полезны, например, для относительно тонких срезов материала, например, менее чем 0,5 дюйма, например, менее чем 0,4, 0,3, 0,2 или менее чем 0,1 дюйма (12,7, 10,16, 7,62, 5,08 или 2,54 мм соответственно). В некоторых вариантах осуществления энергия каждого электрона в электронном пучке составляет от приблизительно 0,3 до приблизительно 2,0 МэВ (миллионов электрон-вольт), например, от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5 МэВ или от приблизительно 0,7 до приблизительно 1,25 МэВ. Устройства для облучения электронным пучком могут серийно производить фирмы Ιοη Веат АррПсаПопз, (Лувэн-ла-Нев, Бельгия) или ΤίΙαη Согрогайоп (Сан-Диего, штат Калифорния). Обычно энергии электронов составляют 1, 2, 4,5, 7,5 или 10 МэВ. Обычно мощность устройства для облучения электронным пучком составляет 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250 или 500 кВт. Уровень деполимеризации исходного материала зависит от используемой энергии электронов и применяемой дозы, в то время как время облучения зависит от мощности и дозы. Обычно дозы принимают значения, составляющие 1, 5, 10, 20, 50, 100 или 200 кГр (килогрэй).

Пучки ионных частиц.

Можно использовать более тяжелые частицы, чем электроны, чтобы облучать любой из материалов биомассы, описанных в настоящем документе. Например, можно использовать протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. В некоторых вариантах осуществления частицы тяжелее электронов могут вызывать более значительное расщепление цепи (по сравнению с частицами меньшей массы). В некоторых случаях положительно заряженные частицы могут производить более значительное расщепление цепи, чем отрицательно заряженные частицы, вследствие своей кислотности. Пучки более тяжелых частиц можно создавать, например, используя линейные ускорители или циклотроны. В некоторых вариантах осуществления энергия каждой частицы в пучке составляет 1,0 до приблизительно 6000 МэВ/ат.ед., например от приблизительно 3 до приблизительно 4,800 МэВ/ат.ед. или от приблизительно 10 до приблизительно 1000 МэВ/ат.ед. (атомная единица).

В определенных вариантах осуществления ионные пучки, используемые для облучения углеродсодержащих материалов, например материала биомассы, могут включать ионы более чем одного типа. Например, ионные пучки могут включать смеси ионов двух или более (например, трех, четырех или более) различных типов. Примерные смеси могут включать ионы углерода и протоны, ионы углерода и ионы кислорода, ионы азота и протоны, и ионы железа и протоны. В более общем случае смеси любых указанных выше ионов (или любых других ионов) можно использовать для создания облучающих ионных пучков. В частности, смеси относительно легких и относительно тяжелых ионов можно использовать в одном ионном пучке.

В некоторых вариантах осуществления ионные пучки для облучения материалов включают положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы могут включать, например, положительно заряженные ионы водорода (например, протоны), ионы инертных газов (включая, например, гелий, неон, аргон), ионы углерода, ионы азота, ионы кислорода, ионы кремния, ионы фосфора и ионы металлов, в том числе ионы натрия, ионы кальция и/или ионы железа. Без намерения следовать какой-либо теории считают, что указанные положительно заряженные ионы проявляют химические свойства кислот Льюиса при воздействии на материалы, инициируя и поддерживая реакции катионного расщепления цепи с раскрытием цикла в окислительной среде.

В определенных вариантах осуществления ионные пучки для облучения материалов включают отрицательно заряженные ионы. Отрицательно заряженные ионы могут включать, например, отрицательно заряженные ионы водорода (например, гидрид-ионы) и отрицательно заряженные ионы различных относительно электроотрицательных ядер (например, ионы кислорода, ионы азота, ионы углерода, ионы кремния и ионы фосфора). Без намерения следовать какой-либо теории считают, что такие отрицательно заряженные ионы проявляют химические свойства оснований Льюиса при воздействии на материалы, инициируя и поддерживая реакции катионного расщепления цепи с раскрытием цикла в восстановительной среде.

В некоторых вариантах осуществления пучки для облучения материалов могут включать нейтральные атомы. Например, пучки, содержащие любой один или более видов атомов из числа, к которым относятся атомы водорода, атомы гелия, атомы углерода, атомы азота, атомы кислорода, атомы неона, ато- 8 026811 мы кремния, атомы фосфора, атомы аргона и атомы железа, используют для облучения материала биомассы. Как правило, в пучках могут присутствовать смеси атомов двух или более типов (например, трех или более, четырех или более, или еще более типов).

В определенных вариантах осуществления ионные пучки, используемые для облучения материалов, включают ионы с единичным зарядом, в том числе один или более из ионов Н+, Н^-, Не'. Νο'. Аг⁺, С+, С^-, О+, О^-, Ν+, Ν^-, δί⁺, δί^-, Р+, Ρ^-, Να', Са' и Ре⁺. В некоторых вариантах осуществления ионные пучки могут включать ионы с кратными зарядами, в том числе один или более из ионов С²+, С³+, С⁴+, Ν³+, Ν⁵', Ν^3-, О²+, δί⁴⁺, δί^2- и δί^4-. Как правило, ионные пучки могут также включать более сложные многоО^2-, О2^2-, δί²⁺, ядерные ионы, которые несут кратные положительные или отрицательные заряды. В определенных вариантах осуществления в силу структуры многоядерного иона положительные или отрицательные заряды могут эффективно распределяться по практически всей структуре ионов. В некоторых вариантах осуществления положительные или отрицательные заряды могут в некоторой степени локализоваться на частях структуры ионов.

Электромагнитное излучение.

В вариантах осуществления, в которых облучение осуществляют с помощью электромагнитного излучения, электромагнитное излучение может иметь, например, энергию на фотон (в электрон-вольтах), составляющую более чем 10² эВ, например более чем 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ или даже более чем 10⁷ эВ. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет энергию на фотон, составляющую от 10⁴ до 10⁷, например от 10⁵ до 10⁶ эВ. Электромагнитное излучение может иметь частоту, составляющую, например, более чем 10¹⁶ Гц, более чем 10¹⁷ Гц, 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰ или даже более чем 10²¹ Гц. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет частоту, составляющую от 10¹⁸ до 10²² Гц, например от 10¹⁹ до 10²¹ Гц.

Дозы.

В некоторых случаях облучение осуществляют при мощности дозы, составляющей более чем приблизительно 0,25 Мрад в секунду, например более чем приблизительно 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,0 или даже более чем приблизительно 2,5 Мрад в секунду. В некоторых вариантах осуществления облучение осуществляют при мощности дозы, составляющей от 5,0 и 1500,0 крад/ч, например от 10,0 до 750,0 крад/ч или от 50,0 до 350,0 крад/ч.

В некоторых вариантах осуществления облучение (при использовании любого источника излучения или сочетания источников) осуществляют до тех пор, пока материал не получит дозу, составляющую по меньшей мере 0,1 Мрад, по меньшей мере 0,25 Мрад, например по меньшей мере 1,0 Мрад, по меньшей мере 2,5 Мрад, по меньшей мере 5,0 Мрад, по меньшей мере 10,0 Мрад, по меньшей мере 60 Мрад или по меньшей мере 100 Мрад. В некоторых вариантах осуществления облучение осуществляют до тех пор, пока материал не получит дозу, составляющую от приблизительно 0,1 до приблизительно 500 Мрад, от приблизительно 0,5 до приблизительно 200 Мрад, от приблизительно 1 до приблизительно 100 Мрад или от приблизительно 5 до приблизительно 60 Мрад. В некоторых вариантах осуществления применяют относительно низкую дозу облучения, составляющую, например, менее чем 60 Мрад.

Пиролиз, окисление и химическая функционализация.

Функционализацию можно также осуществлять другими способами, например пиролизом и/или окислением. Пиролиз и окисление биомассы подробно описаны в патентной заявке США № 12/417840, описании которой включено посредством ссылки в настоящий документ. В некоторых случаях можно использовать аналогичные способы в отношении субстратных материалов, описанных в настоящем документе.

Способы функционализации неорганических материалов хорошо известны в технике. Примеры таких способов включают методики, описанные в статьях 8о1иЬ1е СагЬоп ШпоЩЬез (Растворимые углеродные нанотрубки), авторы Та818 и др., СЬет. Еиг. 1. (Химический европейский журнал), 2003 г., т. 9, с. 4000-4008, и ЕПгарршд Еп/уте ίη а РипсбопаЬ/ей Шпорогоиз διιρροη (Внедрение фермента в функционализированную нанопористую подложку), 1. Ат. СЬет. δοс. (Журнал Американского химического общества), 2002 г., т. 124, с. 11242-11243, тексты которых включены посредством ссылки в настоящий документ.

Ультразвуковая обработка.

В некоторых случаях материал можно также подвергать ультразвуковой обработке, например, чтобы увеличить пористость, например используя системы ультразвуковой обработки, описанные в патентной заявке США № 12/417840, включенной в настоящий документ посредством приведенной выше ссылки.

Другие процессы.

Функционализацию можно осуществлять, используя другие способы, например химическую функционализацию. В некоторых случаях можно использовать, например, химические реакции типа реакции Фентона (РеПоп), как описано, например, в патентной заявке США № 61/147377, полный текст которой включен в настоящий документ посредством ссылки.

- 9 026811

Биопроцессы с использованием субстратных материалов.

Осахаривание.

Субстратные материалы, описанные в настоящем документе, можно использовать для ускорения реакции осахаривания. При осахаривании целлюлозу в исходном материале, например материале биомассы, гидролизуют с получением низкомолекулярных углеводов, в том числе сахаров, под действием осахаривающего агента, например фермента. Материалы, которые включают целлюлозу, обрабатывают ферментом, например сочетанием материала и фермента в жидкой среде, например в водном растворе.

Эту реакцию можно ускорять иммобилизацией фермента или другого осахаривающего агента на субстратном материале, описанном в настоящем документе.

Ферменты и уничтожающие биомассу организмы, которые разлагают биомассу, включая в том числе целлюлозные и/или лигниновые компоненты биомассы, содержат или производят различные целлюлитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные низкомолекулярные уничтожающие биомассу метаболиты. Эти ферменты могут представлять собой комплекс ферментов, которые оказывают синергетическое действие, разлагая кристаллические целлюлозные или лигниновые компоненты биомассы. Примеры целлюлитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (β-глюкозидазы). В процессе осахаривания целлюлозный субстрат вначале гидролизуется в случайных положениях, образуя олигомерные промежуточные продукты. Эти промежуточные продукты становятся затем субстратами для расщепляющих экзоглюканаз, включая целлобиогидралазу, которые образуют целлобиозу из концевых звеньев целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой водороастворимый 1,4-связанный димер глюкозы. Наконец, целлобиаза расщепляет целлобиозу с образованием глюкозы.

Целлюлаза способна разлагать биомассу и может быть грибкового или бактериального происхождения. Подходящие ферменты включают целлюлазы родов ВасШиз, Рзеиботопаз, Нитюо1а, Ризалит, Т1йс1аОа. Асгетопшт, СНгузозрогшт и ТпсНобегта и включают виды Нцтюо1а, Соргшиз, Т1йе1а\аа. Ризалит, МусеНорНИога, Лсгетошит, СерНа1озролит, §су1аНбшт, РешсШшт или АзрегдШиз (см., например, европейский патент № 458162), в частности, полученные выбором штаммов из видов Нитюо1а шзо1еиз (переклассифицирован как §су!аМшт ШегторНйцт, см., например, патент США № 4435307), Соргтиз сшегеиз, Ризалит охузрогит, МусеНорНШога ШегторНйа, Мелрйиз д1дап1еиз, ТЫе1ау1а 1елез1пз, видов Лсгетошит, включая Лсгетошит регзюшит, Лсгетошит асгетопшт, Лсгетошит ЬгасНурепшт, Лсгетошит ФсНготозрогцт, Лсгетошит оЬс1ауа!ит, Лсгетошит р1пкегЮтае, Асгетошит гозеодлзеит, Асгетопшт шсо1ога1ит и Асгетопшт Гигабит предпочтительно из видов НшШсо1а Шзо1епз ΌδΜ 1800, Ризалит охузрогит ΌδΜ 2672, МусеНорНШога ШегторНПа СВ§ 117.65, вид СерНа1озрогшт КУМ-202, вид Асгетопшт СВ§ 478.94, вид Асгетопшт СВ§ 265.95, Асгетопшт регзюшит СВ§ 169.65, Асгетопшт асгетопшт АНИ 9519, вид СерНа1озрогшт СВ§ 535.71, Асгетопшт ЪгасНурепшт СВ§ 866.73, Асгетопшт ФсНготозрогцт СВ§ 683.73, Асгетопшт оЪс1ауаШт СВ§ 311.74, Асгетопшт ршкепошае СВ§ 157.70, Асгетопшт гозеодлзеит СВ§ 134.56, Асгетопшт шсо1огаШт СВ§ 146.62 и Асгетопшт ГигаШт СВ§ 299.70Н. Целлюлитические ферменты можно также получать из СНгузозрогшш, предпочтительно штамма СНгузозрогшт 1искпо\уепзе. Кроме того, можно использовать ТпсНобегта (в частности, ТпсНобегта ушбе, ТпсНобегта геезе1 и ТлсНобегта коптди), алкалофильные бациллы (см., например, патент США № 3844890 и европейский патент № 458162) и ШгерЮтусез (см., например, европейский патент № 458162).

Подходящие целлобиазы включают целлобиазу из АзрегдШиз тдег, продаваемую под торговым наименованием Ы0У02УМЕ 188™.

Можно использовать комплексные ферменты, в том числе те, которые поставляет фирма Сепепсог под торговым наименованием АССЕЬЬЕКАБЕ®, например комплексный фермент Ассе11егазе® 1500. Комплексный фермент Ассе11егазе® 1500 обладает многофункциональной ферментативной активностью, действуя, главным образом, как экзоглюканаза, эндоглюканаза (2200-2800 единиц СМС/г), гемицеллюлаза и β-глюкозидаза (525-775 единиц рМРО/г), и имеет значение рН от 4,6 до 5,0. Активность комплексного фермента в качестве эндоглюканазы выражена в единицах активности по отношению к карбоксиметилцеллюлозе (единицы СМС), в то время как его активность в качестве β-глюкозидазы выражена в единицах активности по отношению к пара-нитрофенил-пара-Э-глюкопиранозиду (единицы рМРО). В одном варианте осуществления используют смесь комплексного фермента Ассе11егазе® 1500 и целлобиазы Ы0У02УМЕ™ 188.

Процесс осахаривания можно частично или полностью осуществлять в резервуаре (например, в резервуаре, имеющем объем, который составляет, по меньшей мере, 4000, 40000 или 400000 л), на производственном предприятии, и/или можно частично или полностью осуществлять в процессе перевозки, например, в железнодорожной цистерне, автомобильной цистерне или в резервуаре большой емкости или трюме судна. Время, требуемое для полного осахаривания, будет зависеть от условий процесса и используемого исходного материала и фермента. Если осахаривание осуществляют на производственном предприятии в контролируемых условиях, целлюлозу можно практически полностью превратить в глюкозу в течение приблизительно 12-96 ч. Если осахаривание осуществляют частично или полностью в

- 10 026811 процессе перевозки, осахаривание может занимать более продолжительное время. Добавление поверхностно-активных веществ может повышать скорость осахаривания. Примеры поверхностно-активных веществ включают неионные поверхностно-активные вещества, в том числе поверхностно-активные вещества на основе полиэтиленгликоля Т\уссп® 20 или Т\уссп® 80, ионные поверхностно-активные вещества или амфотерные поверхностно-активные вещества.

Как правило, предпочтительно, чтобы концентрация полученного раствора глюкозы была относительно высокой, например более чем 40 мас.%, или более чем 50, 60, 70, 80, 90 или даже более чем 95 мас.%. Это уменьшает перевозимый объем и также ингибирует рост микробов в растворе. Однако можно использовать и менее высокие концентрации, и в таком случае может оказаться предпочтительным введение антимикробной добавки, например антибиотика широкого действия, в низкой концентрации, например от 50 до 150 м.д. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол (левомицетин), ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В, канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов во время транспортировки и хранения, и их можно использовать в соответствующих концентрациях, составляющих, например, от 15 до 1000 мас. м.д., например от 25 до 500 м.д. или от 50 до 150 м.д. При необходимости антибиотик можно добавлять, даже если концентрация сахара относительно высока.

Раствор относительно высокой концентрации можно получить ограничением количества воды, добавляемой в исходный материал с ферментом. Концентрацию можно регулировать, например, регулируя степень, в которой осуществляется осахаривание. Например, концентрацию можно увеличивать добавлением в раствор большего количества исходного материала. Чтобы удерживать в растворе образующийся сахар, можно добавлять поверхностно-активное вещество, например, одно из тех, которые обсуждаются выше. Растворимость можно также повышать увеличением температуры раствора. Например, раствор можно выдерживать при температуре, составляющей 40-50°С, 60-80°С или даже выше.

Ферментация.

Микроорганизмы могут производить ряд полезных промежуточных и конечных продуктов, в том числе те, которые описаны в настоящем документе, ферментацией низкомолекулярного сахара в присутствии функционализированного материала биомассы. Например, в ходе ферментации или других биопроцессов можно получать спирты, органические кислоты, углеводороды, водород, белки или смеси любых данных материалов.

Микроорганизм может представлять собой природный микроорганизм или генетически модифицированный микроорганизм. Например, микроорганизм может представлять собой бактерию, например целлюлитическую бактерию, грибок, например дрожжи, растение или протист, например водоросль, простейшее или грибкоподобный протист, например слизевик (миксомицет). Когда организмы являются совместимыми, можно использовать смеси организмов.

Подходящие для ферментации микроорганизмы обладают способностью конвертировать углеводы, в том числе глюкозу, ксилозу, арабинозу, маннозу, галактозу, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода 8ассбаготусе8 (сахарные грибки), например, виды 8ассбаготусе8 сегеуыае (пекарские дрожжи), 8ассбаготусе8 б181абси8, 8ассбаготусе8 иуагит; род К1иууеготусе8, например, виды К1иууеготусе8 татаиш, К1иууеготусе8 ГгадШ8; род СаиФба (кандида), например СаиФба р8еибоб‘орюаб8, СаиФба Ъга88юае, РюЫа δΐίρίίίδ (родственник СаиФба 8ЙеЬа1ае), род С1ау18рога, например виды С1ау18рога 1и8батае и С1ау18рога орипбае, род Расйуво1еп, например виды Расбу8о1еп 1апиорй1и8, род Вге1аииотусе8, например виды Вге1аииотусе8 с1аи8епб (ΡΗί1ίρρίάΐ8 О.Р., раздел Се11и1о8е Вюсоиуегаюи ТесЬио1оду (Технология биоконверсии целлюлозы) в книге НапбЪоок оп ВюеФапок Ргобисбоп апб ицП/айоп (Справочник по биоэтанолу: производство и применение), под ред. ХУутап С.Е., издательство Тау1ог & Ргапс18, Вашингтон, округ Колумбия, 1996 г., с. 179212).

Имеющиеся в продаже дрожжи включают, например, Кеб 81аг®/бе8аГГге Е(Напо1 Кеб, поставщик Кеб 81аг/бе8аГГге (США); РАМ®, поставщик Р1е18сНтапп'8 Уеа81, отделение фирмы Вигп8 Рйбр Рооб 1пс. (США); 8иРЕК8ТАКТ®, поставщик А1бесб, в настоящее время Ьа1етапб; СЕКТ 8ΤΚΑΝΏ®, поставщик Оеб 81гапб АВ (Швеция); и РЕКМОЬ®, поставщик Ό8Μ 8реаа1бе8.

В ферментации можно также использовать бактерии, например 2утотопа8 тоЪШ8 и С1о8бгбшт Фегтосебит (Рйбрр1б18, 1996 г., см. выше).

Оптимальное значение рН для дрожжей составляет приблизительно от 4 до 5, в то время как оптимальное значение рН для бактерий 2утотопа8 составляет приблизительно от 5 до 6. Типичные сроки ферментации составляют приблизительно от 24 до 96 ч при температуре в интервале от 26 до 40°С, однако термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.

В некоторых вариантах осуществления процесс ферментации можно прерывать полностью или частично, прежде чем низкомолекулярный сахар будет полностью конвертирован в этанол. Промежуточные продукты ферментации включают высококонцентрированные сахара и углеводы. Эти промежуточные продукты ферментации можно использовать в приготовлении пищи для человека или животных. Дополнительно или в качестве альтернативы промежуточные продукты ферментации можно молоть, получая

- 11 026811 мелкодисперсные частицы, используя лабораторную мельницу из нержавеющей стали и получая похожий на муку материал.

Можно использовать мобильные ферментеры, которые описаны во временной патентной заявке США № 60/832735 и в опубликованной в настоящее время международной патентной заявке №0 2008/011598.

Последующая обработка.

Дистилляция.

После ферментации полученные текучие среды можно дистиллировать, используя, например, бражную колонну, чтобы отделить этанол и другие спирты от составляющей основную массу воды и остаточной твердой фазы. Пар, выходящий из колонны, может содержать, например, 35 мас.% этанола и может поступать в ректификационную колонну. Почти азеотропную смесь (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны можно очищать и получать чистый (99,5%) этанол, используя парофазные молекулярные сита. Донные осадки из бражной колонны можно направлять на первую стадию трехстадийного испарителя. Дефлегматор ректификационной колонны может обеспечивать тепло для этой первой стадии. После первой стадии твердую фазу можно отделять с помощью центрифуги и сушить в роторной сушилке. Часть (25%) выходящей из центрифуги текучей среды можно возвращать на ферментацию, а остаток направлять на вторую и третью стадию испарителя. Большую часть конденсата из испарителя можно возвращать в процесс в виде достаточно чистого конденсата, а небольшую часть отделять для обработки сточной воды, чтобы предотвратить образование низкокипящих соединений.

Промежуточные и конечные продукты.

Способы, описанные в настоящем документе, можно использовать для производства одного или более промежуточных или конечных продуктов, включая энергию, топливо, пищевые продукты и материалы. Конкретные примеры продуктов включают, но не ограничиваются этим, водород, спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, в том числе этанол, н-пропанол или н-бутанол), гидратированные или водные спирты, например, содержащие более чем 10, 20, 30 или даже более чем 40% воды, ксилит, сахара, биодизельное топливо, органические кислоты (например, уксусная кислота и/или молочная кислота), углеводороды, сопутствующие продукты (например, белки, в том числе целлюлитические белки (ферменты) или генетически однородные белки) и смеси любых данных продуктов в любых сочетаниях или относительных концентрациях, и необязательно в сочетании с любыми добавками, включая, например, топливные добавки. Другие примеры включают карбоновые кислоты, в том числе уксусную кислоту или масляную кислоту, соли карбоновых кислот, смеси карбоновых кислот и солей карбоновых кислот, сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и нпропиловые сложные эфиры), кетоны (например, ацетон), альдегиды (например, ацетальдегид), α,βненасыщенные кислоты, в том числе акриловую кислоту, и олефины, в том числе этилен. Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, метиловые или этиловые простые эфиры данных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, 3гидроксипропионовую кислоту, соли любых данных кислот и смеси любых кислот и соответствующих солей.

Другие промежуточные и конечные продукты, включая продукты питания и фармацевтические изделия, описаны в патентной заявке США № 12/417900, полное описание которой включено посредством ссылки в настоящий документ.

Другие варианты осуществления.

Описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее будет понятно, что можно произвести различные модификации без отклонения от духа и выхода за пределы объема настоящего изобретения.

Например, волокна могут присутствовать в любой требуемой форме и могут иметь ряд разнообразных морфологии. Как правило, предпочтительно, чтобы целлюлозные материалы имели высокую удельную поверхность. В некоторых случаях волокна можно внедрять в однослойные или многослойные листы; например, волокна могут представлять собой часть высокоэффективного сухого воздушного пылевого фильтра (НЕРА) или подобных изделий. Листовой материал может иметь удельную поверхность, составляющую, например, приблизительно от 1 до 500 м²/г. Волокнистый материал может быть накладным, например полученным аэродинамическим способом из расплава, складчатым, в виде сетки или решетки, или изготовленным в других геометриях. Волокна могут быть экструдированными или совместно экструдированными.

Волокна могут иметь любой требуемый размер частиц, от наноразмера, составляющего, например, менее чем приблизительно 1000 нм, например менее чем 500, 250, 100, 50, 25 или даже менее чем 1 нм, до более крупных частиц, размер которых составляет, например, более чем 100, 200, 500 или даже 1000 мкм, или агломератов частиц.

Волокна или волокнистый материал, содержащий волокна, можно предварительно обрабатывать микроорганизмом и/или ферментом и/или волокна или волокнистый материал можно приводить в контакт с микроорганизмом и/или ферментом в ходе биопроцесса, включая осахаривание или ферментацию.

- 12 026811

Хотя неорганические и синтетические субстратные материалы обсуждались в настоящем документе, данные материалы можно использовать в сочетании с другими субстратными материалами, например субстратами биомассы, описанными во временной патентной заявке США № 61/252293, поданной 16 октября 2009 г., полное описание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Как обсуждалось выше, ферменты можно иммобилизовать на волокнах вместо микроорганизмов или вместе с ними.

Соответственно, другие варианты осуществления находятся в пределах следующей формулы изобретения.

Claims (8)

1. Способ конвертации углеводов, включающий:

(a) функционализирование неорганических волокон путем облучения волокна ионизирующим излучением и гашение облученного волокна и (b) осуществление взаимодействия низкомолекулярного сахара с функционализированными неорганическими волокнами и ферментирующим микроорганизмом, иммобилизованным на волокнах, в среднем в течение периода времени и при условиях ферментации, подходящих для конвертации низкомолекулярного сахара в продукт ферментации.

2. Способ по п.1, в котором неорганические волокна включают синтетический материал.

3. Способ по п.1, в котором низкомолекулярный сахар конвертируют в спирт.

4. Способ по п.1, в котором микроорганизм включает дрожжи.

5. Способ по п.4, в котором дрожжи выбраны из группы, в которую входят §ассйагошусс8 ссгсуыас и РюЫа δίίρίΐίδ.

6. Способ по п.1, в котором микроорганизм включает бактерию.

7. Способ по п.6, в котором бактерия включает 2ушошопа8 шоЬШ8.

8. Способ по п.1, в котором низкомолекулярный сахар выбран из группы, в которую входят сахароза, глюкоза, ксилоза и их смеси.