EA030075B1 - Способ получения сахарного спирта из биомассы - Google Patents

Abstract

Описанные в настоящем документе способы включают осахаривание целлюлозной и/или лигноцеллюлозной биомассы и ферментирование сахаров для производства сахарного спирта.

Description

изобретение относится к получению продуктов, например, сахарных спиртов, таких, например, как эритрит.

Уровень техники

В связи с тем, что потребление нефти все больше увеличивается, соответственно возрастает интерес в возобновляемом сырье для производства биотоплива и биохимикатов. Исследования по применению лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для таких производственных процессов были начаты еще в 1970-х. Лигноцеллюлозная биомасса привлекательна тем, что она всегда имеется в избыточных количествах, возобновляемая, является местным ресурсом, и не находит применения в пищевой промышленности.

Сегодня доступны многие виды потенциального лигноцеллюлозного сырья, в том числе: сельскохозяйственные остатки, древесная биомасса, муниципальные отходы, очистки семян/жмыхи масличных культур и морские водоросли, в качестве примера. В настоящее время данные материалы, которые также используются как корма для животных, биокомпостные материалы, сжигают в когенерационных установках, или закапывают на полигонах для захоронения отходов.

Лигноцеллюлозная биомасса является устойчивой к разрушению, поскольку стенки растительных клеток имеют жесткую и компактную структуру. Данная структура содержит фибриллы кристаллической целлюлозы, заключенные в гемицеллюлозную матрицу, окруженную лигнином. Такая компактная матрица труднодоступна для ферментов и других химических, биохимических и биологических процессов. Целлюлозные материалы биомассы (например, такие, из которых по существу был удален весь лигнин) могут стать более доступными для ферментов и других процессов преобразования, но даже при этом, целлюлозные материалы естественного происхождения при контактировании с гидролизующими ферментами часто дают низкие выходы (относительно теоретически возможных). Лигноцеллюлозная биомасса еще более устойчива к воздействию ферментов. Более того, каждый вид лигноцеллюлозной биомассы имеет свой собственный специфический состав целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.

Несмотря на то, что был испытан ряд способов с целью извлечения структурных углеводов из лигноцеллюлозной биомассы, все они оказались либо слишком дорогостоящими, либо дающими слишком низкий выход, либо оставляли в конечном продукте нежелательные химические вещества, либо просто разрушали сахара.

Сахариды из возобновляемых источников биомассы могли бы стать основой производственного получения химических веществ и промышленных топлив, замещая, дополняя или заменяя нефть и другое ископаемое сырье. Однако существует необходимость в разработке методов, которые дадут возможность сделать указанные моносахариды доступными в больших количествах с приемлемой чистотой и стоимостью.

Сущность изобретения

Представлен способ получения сахарного спирта из целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы, содержащей один или более сахаров, который включает объединение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом, способным превращать по меньшей мере один из сахаров в сахарный спирт, и поддержание комбинации "микроорганизм - биомасса" при условиях, дающих возможность микроорганизму превращать по меньшей мере один из сахаров в сахарный спирт. В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает: обеспечение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы, причем целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса содержит один или более сахаров; обеспечение микроорганизма, способного осуществлять превращение по меньшей мере одного из сахаров в сахарный спирт; объединение целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы и микроорганизма с образованием, таким образом, комбинации "микроорганизм - биомасса" и поддержание комбинации "микроорганизм биомасса" в условиях, дающих возможность микроорганизму превращать по меньшей мере один из сахаров в сахарный спирт; с получением, таким образом, сахарного спирта из целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы. Целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса могут быть подвергнуты осахариванию.

Любой из способов, представленных в настоящем документе, может включать снижение устойчивости целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы к осахариванию, осуществляемое перед объединением указанной биомассы с микроорганизмом. Устойчивость биомассы может быть уменьшена способом обработки, выбранным из группы, состоящей из: бомбардировки электронами, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза, обработки паром, химической обработки, механической обработки, измельчения замораживанием. Способ обработки может представлять собой бомбардировку электронами.

Любой из способов, представленных в настоящем документе, может также включать механическую обработку целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с целью уменьшения ее удельной плотности и/или увеличения ее площади поверхности. Например, целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса может быть измельчена, например, сухим измельчением, или она может быть подвергнута мокрому из- 1 030075

мельчению.

В любом из способов, представленных в настоящем документе, биомасса может быть подвергнута осахариванию с помощью одной или более целлюлаз. Любой из способов может также включать отделение одного или более сахаров перед объединением целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом, или способы могут включать концентрирование одного или более сахаров перед объединением целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом. Способы могут также включать как концентрирование, так и отделение одного или более сахаров перед объединением целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом. Осахаренная биомасса может быть корригирована, чтобы иметь начальную концентрацию глюкозы по меньшей мере 5 мас.%. Осахаренная биомасса может быть также очищена, например, путем удаления ионов металлов.

Любой из способов, описанных в настоящем документе, может также включать культивирование микроорганизма в фазе клеточного роста перед объединением целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом.

В любом из способов, представленных в настоящем документе, сахарный спирт может представлять собой гликоль, глицерин, эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, галактит, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит, лактит, мальтотриит, мальтотетраит или полиглицит.

Микроорганизм может представлять собой МошйеПа роШш5, МопШе11а шедасЬШеи515, УатгоМа 1тро1уйса, АигеоЪакйшт 5р.. Тпс1ю5рогопо1бе5 5р.. Тпдоиор515 уапаЫЙ5. Тпс1ю5рогоп 5р.. МошНе11аасе1оаЪи1аи5. Тур1ш1а уапаЪШ5, СапбЛа тадиойае, и5Й1адшотусе!с5, Р5еибо/ута 15икиЪаеи515; виды дрожжей родов 2удо5ассйаготусе5, ОеЪагуотусе5, Наи5еии1а и РюЫа, или грибы дематиоидного рода Тоги1а. Микроорганизм может быть видов МотНе11а, такой как М. роШш5, например, штамм СВ8 461.67 или М. тедасЫНеи515, штамм СВ8 567.85.

В любом из способов, представленных в настоящем документе, целлюлозная или лигноцеллюлозная биомасса может представлять собой: бумагу, бумажную продукцию, бумажные отходы, бумажную массу, пигментную бумагу, мелованную бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, журналы, печатные издания, бумагу для принтера, бумагу с несколькими покрытиями, пачки карточек, картон, картонаж, вату, древесину, прессованную древесину, древесные отходы, опилки, осиновую древесину, щепу, травы, просо прутьевидное, мискантус, спартину изящную, двукисточник тростниковидный, остатки зерна, рисовую шелуху, овсяную шелуху, пшеничную мякину, ячменную шелуху, сельскохозяйственные отходы, силос, солому канолы, пшеничную солому, ячменную солому, овсяную солому, рисовую солому, джут, коноплю, лен, бамбук, сизаль, абаку, зерновые отруби, стержни кукурузных початков, кукурузный корм, соевый корм, кукурузные волокна, люцерну, сено, кокосовую койру, отходы сахарного производства, жмых сахарного тростника, свекольную пульпу, жмых агавы, водоросли, морские водоросли, навоз, сточные воды, субпродукты, аракачу съедобную, гречиху, банан, ячмень, маниоку, кудзу, оку, саго, сорго, картофель, батат, таро, ямс, фасоль, кормовые бобы, чечевицу, горох или смеси любых из них.

Необходимо понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами реализации, указанными в данном разделе "Сущность изобретения". Оно предназначено для охвата модификаций, которые входят в сущность и объем данного изобретения, определяемых формулой изобретения.

Краткое описание графических материалов

Вышеизложенное будет очевидным из следующего более подробного описания примеров реализации изобретения, как показано сопроводительными графическими материалами, на которых ссылки на одни и те же составляющие в различных видах обозначены одинаковыми буквами. Графические материалы не требуют масштабирования, ввиду того, что они представлены с целью подчеркнуть значимость проиллюстрированных вариантов реализации настоящего изобретения.

На фиг. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая ферментативный гидролиз целлюлозы в глюкозу. Целлюлозный субстрат (А) с помощью эндоцеллюлазы (ί) превращается в целлюлозу (В); которая с помощью экзоцеллюлазы (ίί) превращается в целлобиозу (С); которая с помощью целлобиазы (бетаглюкозидазы) (ίίί) превращается в глюкозу (Ό).

На фиг. 2 представлена структурная схема, иллюстрирующая конверсию сырья биомассы в один или более видов продукции. Сырье подвергают предварительной физической обработке (200) (например, с целью уменьшения его размеров); необязательно проводят обработку (210) для уменьшения устойчивости сырья; полуфабрикат осахаривают (220) с образованием сахарного сиропа; сироп транспортируют (230) на перерабатывающий завод, (например, по трубопроводу, железнодорожной цистерной) (или же, если осахаривание осуществляется в пути, то транспортируют сырье, фермент и воду), осахариваемое сырье подвергают биологической обработке (240) для получения желаемого продукта (например, спирта), полученный продукт может быть обработан в дальнейшем, например, дистилляцией (250) с целью получения конечного продукта. Обработка для снижения устойчивости может быть модифицирована путем измерения содержания лигнина (201) и установки или настройки параметров процесса (205). Осахаривание сырья (220) может быть модифицировано путем смешивания сырья со средой и ферментом (221).

- 2 030075

Подробное описание сущности изобретения

Данное изобретение относится к способам переработки сырьевых материалов биомассы (например, материалов биомассы или полученных из биомассы материалы, таких как целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы) для получения сахарных спиртов, например эритрита ((2К,38)-бутан-1,2,3,4-тетраол) или его изомеров, или смесей.

В некоторых примерах перед осахариванием уменьшают устойчивость сырья. В некоторых случаях, уменьшение устойчивости сырья включает обработку сырья. Обработка может быть, например, радиационной, например, электроннолучевым излучением, обработкой ультразвуком, пиролизом, окислением, обработкой паром, химической обработкой или комбинациями любых из них.

В некоторых способах реализации изобретения способ также включает механическую обработку сырья до и/или после уменьшения его устойчивости. Механические обработки включают, например, резание, измельчение, например, с помощью молотков, раздавливание, размалывание, рассекание и дробление. Механическая обработка обусловливает уменьшение удельной плотности сырья и/или увеличение его площади поверхности. В некоторых вариантах реализации изобретения после механической обработки материал может приобретать удельную плотность меньше чем 0,75 г/см³, например, меньше чем около 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 или меньше, например, меньше чем 0,025 г/см³. Удельную плотность определяют с использованием ΑδΤΜ И1895В. При определенных обстоятельствах, механические обработки могут устранять либо уменьшать устойчивость сырья.

В одном аспекте в изобретении описывается способ, который включает приведение в контакт сахара, производимого путем осахаривания целлюлозного или лигноцеллюлозного сырья микроорганизмом с целью получения продукта, такого как сахарного спирта, например, эритрита. Другие продукты могут содержать, например, лимонную кислоту, лизин или глутаминовую кислоту.

В различных вариантах реализации способа микроорганизм может представлять собой МотйеИа ροϊΐίηίδ, УатгоМа ΙίροΙνΙίοα. АигеоЬамйшт 8ρ., ТпсЬо8рогопо1Йе8 8р., Ττί^οηορβίδ ναπαόίΐίδ. ΤτίοΗοδροτοη δρ., Μοη^1^е11аасеΐοаЪиΐаηδ, Т\р1ш1а уапаЪШ8, СаиШба тадюНае, υ8ί^1ад^ηοтусеΐе8, Р8еийοζута ЮикиЬаепδίδ; виды дрожжей родов Ζудο8ассЬа^οтусе8, ^еЪа^уοтусеδ, Нап8епи1а и РюЫа, и грибы дематиоидного рода ΤοπιΠ

В некоторых вариантах реализации стадия приведения в контакт включает двухстадийный процесс, охватывающий стадию клеточного роста и стадию ферментации. Необязательно ферментация осуществляется с использованием глюкозосодержащего раствора, имеющего начальную концентрацию глюкозы в начале брожения по меньшей мере 5 мас.%. Более того, глюкозосодержащий раствор может быть разбавлен после того, как началась ферментация.

Как проиллюстрировано на фиг. 1, например, во время осахаривания целлюлозный субстрат (А) изначально гидролизуется эндоглюконазами (ί) в случайных положениях, производя олигомерные промежуточные продукты (например, целлюлозу) (В). Затем эти промежуточные продукты становятся субстратом для экзорасщепляющих глюконаз (ίί), таких как целлобиогидролаза, образуя целлобиозу из концов целлюлозного полимера. Целлобиоза представляет собой растворимый в воде 1,4-связанный димер глюкозы. Наконец, целлобиаза (ίίί) расщепляет субстрат целлобиозу (С) с получением глюкозы (И). Иными словами, эндоглюконазы особенно эффективны при воздействии на кристаллические части целлюлозы и увеличивают эффективность экзоцеллюлаз при получении целлобиозы, которая, в свою очередь, требует специфичного воздействия целлобиазы для получения глюкозы. Таким образом очевидно, что в зависимости от природы и структуры целлюлозного субстрата, количество и видовой состав трех различных ферментов могут потребовать изменения.

В некоторых вариантах реализации изобретения фермент производится грибом, например, штаммами целлюлолитического волокнистого гриба Шс^бетта тее8ек Например, возможно использование высокопродуктивных в отношении выхода целлюлазы мутантов ΤιΈΙιο^πικι гее8е1, а именно, его штаммов ΚυΤ-ΝΟ14, РС3-7, ОМ9414 и/или РШ-С30. Такие штаммы описаны, например, в источнике "Методы селективного отбора для изоляции мутантов с высокой продукцией целлюлазы Шс^бетта тее8е1" Μοηΐеηесοшΐ, Β.δ. апй Еует1е1дЬ, И.Е., Айу. С1ет. 8ет.. 181, 289-301 (1979), полное содержание которого представлено в настоящем документе путем ссылки. Также могут быть использованы другие продуцирующие целлюлазы микроорганизмы.

Как проиллюстрировано на фиг. 2, процесс производства сахарного спирта может включать, например, дополнительную механическую обработку сырья, например, с целью уменьшения его размеров (200), до и/или после этой обработки, необязательно может проводиться обработка сырья с помощью другой физической обработки с целью дополнительного уменьшения его устойчивости (210); затем осуществляют осахаривание сырья с использованием комплекса ферментов для получения сахарного сиропа (220). Необязательно способ также может включать транспортировку на перерабатывающий завод (230),

- 3 030075

например, трубопроводом, железнодорожной цистерной, грузовиком или баржой (либо сырья, фермента и воды, если осахаривание осуществляется в пути). В некоторых случаях осахариваемое сырье подвергают дальнейшей биологической обработке (например, ферментированию), с целью получения желаемого продукта, например, спирта (240). Полученный продукт в некоторых вариантах осуществления может быть обработан далее, например, дистилляцией (250), с целью получения конечного продукта. Один метод уменьшения устойчивости сырья заключается в его электронной бомбардировке. Если представляется возможным, то этапы по измерению содержания лигнина в сырье (201), а также установке или настройке параметров процесса, основанных на этом измерении (205), могут выполняться на различных стадиях процесса, как описано в публ. заявки на пат. США №2010/0203495 А1 МебоГГ и Мак1еттап, опубликованной 12 августа 2010 г., полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки. Осахаривание сырья (220) также может модифицироваться за счет смешивания сырья со средой и ферментом (221).

В некоторых случаях, сырье может быть отвариваться, вымачиваться или готовиться в горячей воде до проведения осахаривания, как описано в заявке на патент США №13/276192, поданной 18 октября

2011 г.

Вышеупомянутые процессы могут частично или полностью выполняться в резервуаре (например, резервуаре объемом по меньшей мере 4000, 40000 или 500000 л) на промышленном заводе и/или может частично или полностью выполняться при перевозке, например, в железнодорожной цистерне, автоцистерне, танкере или отсеке судна. Также могут быть задействованы передвижные ферментеры, как описано в публ. заявки на пат. США №2010/0064746 А1, опубликованной 18 марта 2010 г., полное раскрытие которой включено в настоящий документ путем ссылки.

В общем предпочтительно, чтобы содержимое резервуара и/или ферментера перемешивалось в течение всего процесса или его части, например, используя струйное перемешивание, как описано в публ. заявки на пат. США №2010/0297705 А1, поданной 18 мая 2010 г. и опубликованной 25 ноября 2012 г., публ. заявки на пат. США № 2012/0100572 А1, поданной 10 ноября 2011 г., и опубликованной 26 апреля

2012 г., публ. заявки на пат. США № 2012/0091035 А1, поданной 10 ноября 2011 г., и опубликованной 19 апреля 2012 г., полные раскрытия которых включены в настоящий документ путем ссылки.

Добавление добавок, таких как, например, сурфактанты или питательные вещества может увеличивать скорость осахаривания. Примеры сурфактантов включают неионные сурфактанты, такие как сурфактанты в полиэтиленгликоля Т\\ееп ®20 или Т\\ееп 80, ионные сурфактанты либо амфотерные сурфактанты.

Могут производиться один или более видов подходящих продуктов. Например, гликоль, глицерин, эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбитол, галактито, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит, лактит, мальтотриит, мальтотетраит и полиглицит, которые могут получаться путем ферментации. Также могут быть получены масляная кислота, глюконовая кислота и лимонная кислота.

В некоторых вариантах реализации изобретения путем ферментации могут быть получены полиолы, в том числе мономерные полиолы, такие как глицерин, пентаэритрит, этиленгликоль или сахароза. Они могут преобразованы в полимерные полиолы, такие как полиэфирные полиолы.

В некоторых вариантах реализации изобретения необязательно механически и/или физически обработанное сырье может объединяться с комплексом ферментов для осахаривания, а также объединяться с микроорганизмом, который ферментирует по меньшей мере часть выделенных сахаров в сахарный спирт. Сахарный спирт затем отделяется от других продуктов и разных неферментированных материалов, таких как твердые вещества, неферментированные сахара и продуктов распада клеток.

Необязательно механически и/или физически обработанное сырье может также объединяться с комплексом ферментов для осахаривания и после того, как осахаривание по меньшей мере частично завершено, указанная смесь объединяется с микроорганизмом, способным продуцировать сахарные спирты. Условия для осахаривания (например, температура, перемешивание, аэрация) могут отличаться от условий для ферментации. Оптимальным показателем рН для ферментации является рН около 4-6. Типичная продолжительность ферментации составляет от 24 до 120 часов с температурами в диапазоне от 25 до 40°С, например 25-30°С. Ферментацию, как правило, проводят с аэрацией, с использованием устройства распределения и подачи воздуха и/или кислорода для поддержания уровня растворенного кислорода не менее около 10% и выше (например, около 20% и выше). Осахаривание и ферментация могут быть проведены в одном и том же или в различных реакторах/сосудах. Затем выделяют сахарный спирт. Как отмечалось выше, ферментация может выполняться также во время процесса транспортировки.

Обычно высокая начальная концентрация сахаров в начале ферментации способствует продуцированию сахарных спиртов. Следовательно, осахариваемый раствор сырья может быть предварительно подвержен концентрированию с целью увеличения уровня глюкозы в растворе, причем концентрирование осуществляют перед объединением сырья с микроорганизмом, продуцирующим сахарные спирты. Концентрирования можно достичь любым приемлемым методом, например, нагреванием, охлаждением, центрифугированием, обратным осмосом, хроматографией, осаждением, кристаллизацией, испарением, абсорбцией, а также любыми их комбинациями. Предпочтительно концентрирование осуществляется путем испарения по меньшей мере части жидкостей из осахариваемого сырья. Концентрация предпочти- 4 030075

тельно осуществляется с целью увеличения содержания глюкозы до более 5 мас.%, например более 10, более 15, более 20, более 30, более 40 или даже более 50 мас.%. Затем выделяют продукт ферментации.

Осахаренное сырье также может быть очищено как до, так и после его концентрирования. Очистка предпочтительно осуществляется с целью увеличения содержание глюкозы до более 50 мас.% от содержания всех компонентов, кроме воды (например, более 60, более 70, более 80, более 90 и даже более 99 мас.%). Очисткау также можно осуществить любым приемлемым методом, например, нагреванием, охлаждением, центрифугированием, обратным осмосом, хроматографией, осаждением, кристаллизацией, испарением, абсорбцией, а также любыми их комбинациями.

В некоторых вариантах осуществления ферментация является двухстадийной с фазой роста клеток и фазой получения продукта. На фазе роста условия выбраны для оптимизации роста клеток, тогда как на фазе получения условия выбраны для оптимизации получения желаемых продуктов ферментации. Как правило, низкие уровни сахаров (например, между 0,1 и 10 мас.%, между 0,2 и 5 мас.%) в среде для роста способствуют росту клеток, а высокие уровни сахаров (например, более чем 5 мас.%, более чем около 10, более чем 20, более чем 30, более чем 40 мас.%) в ферментационной среде способствуют получению продукта. Другие условия на каждой стадии необязательно могут быть модифицированы, например, температура, перемешивание, уровни сахаров, питательные вещества и/или рН. На каждой стадии может быть выполнен контроль условий для оптимизации процесса.

Например, рост может контролироваться для достижения оптимальной плотности, например, около 50 г/л (например, более чем 60 г/л, более чем 70 г/л или более чем около 75 г/л), и концентрированный осахаренный раствор может быть добавлен для запуска начала образования продукта. Необязательно процесс может быть оптимизирован, например, контролем и регулированием значения рН или уровня насыщения кислородом с помощью датчиков и автоматической подачи для контроля роста клеток и образования продукта. Более того, для оптимизации процесса могут регулироваться и контролироваться другие питательные вещества (например, аминокислоты, витамины, ионы металлов, дрожжевой экстракт, экстракты овощей, пептоны, источники углерода и белки).

Двухстадийные ферментации описаны в Вю1есЬио1одюа1 ргобисйои о£ егу1Ьгйо1 аиб ίΐδ аррйсайоиз, Нсс-Лцщ Моои е! а1., Арр1. МюгоЪю1. Вю1есЬио1. (2010) 86:1017-1025. Хотя обычно высокая начальная концентрация глюкозы в начале ферментации способствует образованию эритрита, но если эта высокая концентрация сохраняется слишком долго, то она может быть неблагоприятной для микроорганизма. Высокая начальная концентрация глюкозы может достигаться путем концентрирования глюкозы в течение или после осахаривания, как описано выше. После начального периода времени ферментации для обеспечения возможности начала ферментации, среду для ферментации разбавляют подходящим разбавителем, для того, чтобы уровень глюкозы сделать ниже около 60 мас.% (например, ниже около 50 мас.%, ниже около 40 мас.%). Разбавителем может быть вода или вода с дополнительными компонентами, такими как аминокислоты, витамины, ионы металлов, дрожжевой экстракт, экстракты овощей, пептоны, источники углерода и белки.

Материалы биомассы

Используемый в настоящем документе термин "материалы биомассы" включает лигноцеллюлозные, целлюлозные, крахмальные и микробные материалы.

Лигноцеллюлозные материалы включают в себя без ограничения дерево, прессованную древесину, древесные отходы (например, опилки, осиновую древесину, древесные стружки), травы, (например, прутьевидное просо, мискантус, спартину изящную, двукисточник тростниковидный), зерновые остатки, (например, рисовую шелуху, овсяную шелуху, пшеничную мякину, ячменную шелуху), отходы сельского хозяйства (например, силос, солому канолы, пшеничную солому, ячменную солому, овсяную солому, рисовую солому, джут, коноплю, лен, бамбук, сизаль, абаку, стержни кукурузных початков, кукурузный корм, соевый корм, кукурузные волокна, люцерну, сено, кокосовую койру), остатки процесса получения сахара (например, жмых сахарного тростника, свекольную пульпу, жмых агавы), водоросли, морские водоросли, навоз, сточные воды и смеси любых из них.

В некоторых случаях лигноцеллюлозный материал включает стержни кукурузных початков. Размельченные или измельченные молотковой дробилкой стержни кукурузных початков могут быть распределены в слое относительно однородной толщины для облучения, а после облучения они легко диспергируются в среде для дополнительной переработки. Для облегчения уборки и сбора, в некоторых случаях, используют целое растение кукурузы, включая стебель кукурузы, кукурузные зерна и, в некоторых случаях, даже корневую систему растения.

Преимущественно, не требовалось никаких дополнительных питательных веществ (за исключением источника азота, например, мочевины или аммиака) в течение ферментации стержней кукурузных початков или целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, содержащих значительное количество стержней кукурузного початка.

Стержни кукурузных початков, до и после измельчения, также легче транспортировать и диспергировать, и они обладают меньшей склонностью к образованию взрывоопасных смесей с воздухом, чем другие целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы, такие как сено и травы.

Целлюлозные материалы включают, например, бумагу, бумажную продукцию, отходы бумаги, бу- 5 030075

мажную массу, пигментную бумагу, мелованную бумагу, бумагу с покрытием, бумагу с наполнителем, журналы, печатную продукцию (например, книги, каталоги, инструкции, этикетки, календари, открытки, брошюры, публикации, газетную бумагу), бумагу для принтера, бумагу с несколькими покрытиями, пачки карточек, картон, картонаж, материалы с высоким содержанием α-целлюлозы, такие как хлопок, и смеси любого из этого. Например, бумажная продукция, как описано в заявке на патент США № 13/396365 ("Мада/иге РеебкФекк" МебоГГ с1 а1., поданный 14 февраля 2012 г.), полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

Целлюлозные материалы также могут включать лигноцеллюлозные материалы, которые были делигнифицированы.

Крахмалистые материалы включают сам крахмал, например, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, картофельный крахмал или рисовый крахмал, производные крахмала или материал, который содержит крахмал, такой как съедобный пищевой продукт или зерновые. Например, крахмалистым материалом может быть аракача съедобная, гречиха, банан, ячмень, маниока, кудза, ока, саго, сорго, обычный домашний картофель, батат, таро, ямс и один или более видов бобов, такие как кормовые бобы, чечевица или горох. Смеси любых двух или более крахмалистых материалов также представляют собой крахмалистые материалы. Также могут быть использованы смеси крахмалистых, целлюлозных и/или лигноцеллюлозных материалов. Например, биомассой может быть целое растение, часть растения или различные части растения, например, пшеница, растения хлопчатника, растения кукурузы, растения риса или дерево. Крахмалистые материалы могут быть обработаны любыми описанными в настоящем документе способами.

Микробные материалы включают без ограничения любой природный или генетически модифицированный микроорганизм или организм, который содержит или способен обеспечивать источник углеводов (например, целлюлозу), например, протисты, например, животные протисты (например, протозоа, такие как жгутиковые, амебные, инфузории и споровики) и растительные протесты (например, водоросли, такие как альвеолярные, хлорарахниофитные, криптомонадные, эвглениды, глаукофиты, гаптофиты, красные водоросли, страминопилы и зеленые растения). Другие примеры включают морские водоросли, планктон (например, макропланктон, мезопланктон, микропланктон, нанопланктон, пикопланктон и фемптопланктон), фитопланктон, бактерии (например, грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и экстремофилы). дрожжи и/или их смеси. В некоторых случаях микробная биомасса может быть получена из природных источников, например, океана, озер, водоемов, например, с соленой водой или с пресной водой, или на суше. Альтернативно или вдобавок, микробная биомасса может быть получена из систем культивирования, например, крупномасштабных и систем ферментации сухого и влажного культивирования.

Материал биомассы также может включать субпродукты и подобные источники материала.

В некоторых вариантах реализации материалы биомассы, такие как целлюлозные, крахмалистые и лигноцеллюлозные сырьевые материалы, могут быть получены из трансгенных микроорганизмов и растений, которые могут быть модифицированы по отношению к множеству диких типов. Такие модификации могут быть сделаны, например, путем итеративных этапов выбора и выведения с получением у растения требуемых признаков. Более того, у растений генетический материал может быть удален, модифицирован, подавлен и/или добавлен по отношению к множеству диких типов. Например, генетически модифицированные растения могут быть получены методами рекомбинантной ДНК, причем генетические модификации включают введение или модификацию конкретных генов из родительских разновидностей, или, например, с применением трансгенного выведения, причем конкретный ген или гены вводят в растение из различных образцов растений и/или бактерий. Другим путем образования генетического изменения является способ посредством мутационного выведения, при котором новые аллели искусственно создают из эндогенных генов. Искусственные гены могут быть созданы различными способами, включая обработку растения или семян, например, химическими мутагенами (например, с применением алкилирующих агентов, эпоксидов, алкалоидов, пероксидов, формальдегида), облучением (например, рентгеновскими лучами, гамма-лучами, нейтронами, бета-частицами, альфа-частицами, протонами, дейтеронами, УФ-облучением) и температурным шоком или другим внешними стрессовыми воздействиями и последующими методиками отбора. Другие способы обеспечения модифицированных генов проводят путем допускающей ошибки ПЦР и перестановкой ДНК с последующей вставкой желаемой модифицированной ДНК в желаемое растение или семя. Способы введения желаемого генетического изменения в семя или растение включают, например, применение бактериального носителя, биолистики, осадка фосфата кальция, электропорации, сплайсинга генов, сайленсинга генов, липофекции, микроинъекции и вирусных носителей. Дополнительные генетически модифицированные материалы были описаны в заявке на патент США серийный № 13/396369, поданной 14 февраля 2012 г., полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

Любой из описанных в настоящем документе способов могут быть применены на практике со смесями любых материалов биомассы, описаных в настоящем документе.

Получение материала биомассы - механические обработки

- 6 030075

Биомасса может быть в сухой форме, например, с менее чем около 35% содержанием влаги (например, менее чем около 20%, менее чем около 15%, менее чем около 10% менее чем около 5%, менее чем около 4%, менее чем около 3%, менее чем около 2% или даже менее чем около 1%). Биомасса также может быть доставлена во влажном состоянии, например, в виде влажного твердого вещества, взвеси или суспензии с по меньшей мере около 10 мас.% твердых веществ (например, по меньшей мере около 20 мас.%, по меньшей мере около 30 мас.%, по меньшей мере около 40 мас.%, по меньшей мере около 50 мас.%, по меньшей мере около 60 мас.%, по меньшей мере около 70 мас.%).

В описанных в настоящем документе процессах могут быть использованы материалы с низкой удельной плотностью, например целлюлозное или лигноцеллюлозное сырье, которое предварительно физически обрабатывали для получения удельной плотности менее чем около 0,75 г/см³, например менее чем около 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 или менее, например менее чем около 0,025 г/см³. Объемную плотность определяют с использованием ΆδΤΜ Ό1895Β. Вкратце, такой способ включает заполнение мерного цилиндра известного объема образцом и получение массы образца. Удельную плотность рассчитывали путем деления массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах. При необходимости, материалы с низкой удельной плотностью могут быть уплотнены, например, способами, описанным в пат. США № 7971809, принадлежащем МсОоГГ. полное содержание которого включено в настоящий документ путем ссылки.

В некоторых случаях процессы предварительной переработки включают просеивание материала биомассы. Просеивание может быть проведено через ситовую или перфорированную пластину с желаемым размером отверстий, например, менее чем около 6,35 мм (1/4 дюйма, 0,25 дюйма), (например, менее чем около 3,18 мм (1/8 дюйма, 0,125 дюйма), менее чем около 1,59 мм (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), менее чем около 0,79 мм (1/32 дюйма, 0,03125 дюйма), например, менее чем около 0,51 мм (1/50 дюйма, 0,02000 дюйма), менее чем около 0,40 мм (1/64 дюйма, 0,015625 дюйма), менее чем около 0,23 мм (0,009 дюйма), менее чем около 0,20 мм (1/128 дюйма, 0,0078125 дюйма), менее чем около 0,18 мм (0,007 дюйма), менее чем около 0,13 мм (0,005 дюйма) или даже менее чем около 0,10 мм (1/256 дюйма, 0,00390625 дюйма)). В одной конфигурации желаемая биомасса падает сквозь отверстия или сито, и, таким образом, биомасса, которая больше отверстий или сита, не облучается. Эти материалы большего размера могут быть повторно переработаны, например, измельчением, или они могут быть легко удалены из переработки. В другой конфигурации материал, который больше отверстий, облучают, а материал, который меньше, удаляют процессом просеивания или повторно используют. При таком виде конфигурации сам по себе транспортер (например, часть транспортера) может быть перфорирован или изготовлен с ячейками. Например, в одном конкретном варианте реализации материл биомассы может быть влажным, а отверстия или ячейки позволяют воде вытекать из биомассы перед облучением.

Просеивание материала также может осуществляться ручным способом, например, с помощью оператора или механически (например, автоматом, оборудованным сенсором цвета, отражения или другим сенсором), при помощи чего удаляют ненужный материал. Просеиванием также может осуществляться магнитным просеиванием, где магнит расположен рядом с перемещаемым материалом, и магнитный материал удаляется магнитным способом.

Необязательные процессы предварительной переработки могут включать нагревание материала. Например, часть транспортера может быть направлена сквозь нагретую зону. Нагретая зона может быть образована, например, ИК-облучением, микроволнами, сжиганием (например, газа, угля, нефти, биомассы), резистивным нагревом и/или индукционными катушками. Нагрев можно использовать с по меньшей мере одной стороны или более чем с одной стороны, он может быть непрерывным или периодическим и может быть только для части материала или для всего материала. Например, транспортируемая часть может быть нагрета с применением нагревающей рубашки. Нагревание, например, может быть проведено с целью сушки материала. В случае сушки материала этот процесс также может быть облегчен, с нагревом или без нагрева, движением газа (например, воздуха, кислорода, азота, Не, СО₂, аргона) над и/или через биомассу, которую подвергают транспортированию.

Необязательно процесс предварительной переработки может включать охлаждение материала. Охлаждение материала описано в пат. США № 7900857, принадлежащем МсОоГГ, полное содержание которого включено в настоящий документ путем ссылки. Например, охлаждение может происходить путем подачи охлаждающей жидкости, например, воды (например, с глицерином) или азота (например, жидкого азота) на дно транспортного лотка. Альтернативно, охлаждающий газ, например, охлажденный азот, может продуваться над материалами биомассы или под системой транспортировки.

Другой необязательный способ процесса предварительной переработки может включать добавление материала к биомассе. Дополнительный материал может быть добавлен, например, обливанием, обрызгиванием и/или выливанием материала на транспортируемую биомассу. Материалы, которые могут быть добавлены, включают, например, металлы, керамику и/или ионы, как описано в публ. заявки на пат. США № 2010/0105119 А1 (поданной 26 октября 2009 г.) и в публ. заявки на пат. США № 2010/0159569 А1 (поданной 16 декабря 2009 г.), полные описания которых включены в данный документ путем ссылки. Необязательные материалы, которые могут быть добавлены, включают кислоты и основания. Другие материалы, которые могут быть добавлены, представляют собой окислители (например, пероксиды, хло- 7 030075

раты), полимеры, полимеризуемые мономеры (например, содержащие ненасыщенные связи), воду, катализаторы, ферменты и/или микроорганизмы. Материалы могут быть добавлены, например, в чистом виде, в виде раствора в растворителе (например, воде или органическом растворителе) и/или в виде раствора. В некоторых случаях растворитель является летучим и может выпариваться, например, нагреванием и/или продуванием газа, как описано ранее. Добавленный материал может образовывать однородное покрытие биомассы или быть гомогенной смесью различных компонентов (например, биомассы и дополнительного материала). Добавленный материал может модулировать последующий этап облучения увеличением эффективности облучения, тушения облучения или изменением эффекта облучения (например, от пучков электронов до рентгеновских лучей или нагрева). Способ может не влиять на облучение, но может быть применимым для дальнейшей последующей переработки. Добавленный материал может способствовать транспортировке материала, например, путем снижения уровней запыленности.

Биомасса может быть подаваться на транспортер при помощи ленточного транспортера, пневматического транспортера, шнекового транспортера, бункера, трубы, вручную или их комбинацией. Биомасса может, например, быть опущенной, вылитой и/или помещенной в транспортер любым из этих способов. В некоторых вариантах реализации изобретения материал подают на транспортер с применением закрытой системы распределения материалов, чтобы помочь обеспечить атмосферу с низким содержанием кислорода и/или для контроля содержания пыли и мелких частиц. Поднятые суспендированные в воздухе мелкие частицы биомассы и пыль являются нежелательными, поскольку они могут создавать угрозу взрыва или повреждение фольги окон электронной пушки (при использовании такого устройства для обработки материала).

Материал может быть выровнен с образованием однородной толщины между около 0,0312 и 5 дюймами (например, между около 0,0625 и 2,000 дюймами, между около 0,125 и 1 дюймами, между около 0,125 и 0,5 дюймами, между около 0,3 и 0,9 дюймами, между около 0,2 и 0,5 дюймами, между около 0,25 и 1,0 дюймом, между около 0,25 и 0,5 дюймами, 0,100 +/- 0,025 дюйма, 0,150 +/- 0,025 дюйма, 0,200 +/- 0,025 дюйма, 0,250 +/- 0,025 дюйма, 0,300 +/- 0,025 дюйма, 0,350 +/- 0,025 дюйма, 0,400 +/-0,025 дюйма, 0,450 +/- 0,025 дюйма, 0,500 +/- 0,025 дюйма, 0,550 +/- 0,025 дюйма, 0,600 +/- 0,025 дюйма, 0,700 +/0,025 дюйма, 0,750 +/- 0,025 дюйма, 0,800 +/- 0,025 дюйма, 0,850 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма, 0,900 +/- 0,025 дюйма.

Как правило, является предпочтительным насколько возможно быстро транспортировать материал через пучок электронов для максимизирования производительности. Например, материал может транспортироваться при скоростях по меньшей мере 1 фут/мин, например, по меньшей мере 2 фута/мин, по меньшей мере 3 фута/мин, по меньшей мере 4 фута/мин, по меньшей мере 5 футов/мин, по меньшей мере 10 футов/мин, по меньшей мере 15 футов/мин, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 футов/мин. Скорость транспортировки связана с током пучка, например, для биомассы, толщиной '/₄ дюйма и 100 мА, транспортер может двигаться приблизительно на 20 футов/мин с обеспечением приемлемой дозировки облучения, при 50 мА транспортер может двигаться приблизительно на 10 футов/мин с обеспечением приблизительно такой же дозировки облучения.

После того, как материал биомассы был транспортирован через зону облучения, могут быть проведены необязательные процессы предварительной переработки. Необязательная предварительная переработка может, например, представлять собой процесс, описанный относительно процесса предварительного облучения. Например, биомасса может быть просеяна, нагрета, охлаждена и/или объединена с добавками. Исключительно для этапа после облучения, гашение радикалов может происходить, например, гашением путем добавления жидкостей или газов (например, кислорода, закиси азота, аммиака, жидкостей) с применением давления, нагрева и/или добавления акцепторов радикалов. Например, биомасса может быть снята с закрытого транспортера и подвергаться воздействию газа (например, кислорода), при этом она гасится с образованием карбоксилированных групп. В одном варианте реализации биомассу во время облучения подвергают воздействию реакционно-способного газа или жидкости. Гашение биомассы, которую облучили, описано в пат. США № 8083906, принадлежащем МебоГГ. полное содержание которого включено в данный документ путем ссылки.

При необходимости, для дополнительного понижения устойчивости материала биомассы, вдобавок к облучению могут быть использованы одна или несколько механических обработок. Эти процессы могут применяться до, в течение и/или после облучения.

В некоторых случаях механическая обработка может включать начальное получения сырья в состоянии поставки, например, уменьшение размера материалов, например, измельчением, например, нарезанием, перемалыванием, рассеканием, тонким измельчением или дроблением. Например, в некоторых случаях неплотное сырье (например, бумага вторичной переработки, крахмалистые материалы или просо прутьевидное) получали резанием или нарезанием на полоски. Механическая обработка может снижать удельную плотность материала биомассы, увеличивать площадь поверхности материала биомассы и/или уменьшать один или более размеров материала биомассы.

Альтернативно или вдобавок, материал сырья сначала может быть физически обработан одним или несколькими другими физическими способами обработки, например, химической обработкой, облучением, обработкой ультразвуком, окислением, пиролизом или обработкой паром, а затем обработан механи- 8 030075

чески. Эта последовательность может быть преимущественной, поскольку материалы, обрабатываемые одной или более другими обработками, например, облучение или пиролиз, имеют склонность быть более хрупкими, и, таким образом, будет легче дополнительно изменять структуру материала механической обработкой. Например, материал сырья может быть транспортирован через ионизирующее облучение с применением транспортера, как описано в данном документе, а затем механически обработан. При помощи химической обработки может быть удалено некоторое количество или весь лигнин (например, химической варкой), и материал частично или полностью может быть гидролизован. Способы также можно использовать с предварительно гидролизованным материалом. Способы также могут быть использованы с материалом, который не был предварительно гидролизован. Способы могут быть использованы со смесями гидролизованных и негидролизованных материалов, например, с около 50% или более негидролизованного материала, с около 60% или более негидролизованного материала, с около 70% или более негидролизованного материала, с около 80% или более негидролизованного материала или даже с около 90% или более негидролизованного материала.

Вдобавок к уменьшению размера, что может быть выполнено изначально и/или позже при переработке, механическая обработка также может быть преимущественной для "раскрытия", "напряжения", разрушения или разрыхления материалов биомассы, что делает целлюлозу материалов более чувствительной к распаду цепей и/или разрушению кристаллической структуры во время физической обработки.

Способы механической обработки материала биомассы включают, например, перемалывание или дробление. Перемалывание может быть выполнено с применением, например, мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, бегунов, мельницы Уайли, мукомольной мельницы или другой мельницы. Дробление может быть выполнено с применением, например, дробилки режущего/ударного типа. Некоторые типичные дробилки включают жерновые дробилки, штифтовые дробилки, кофемолки и обдирных мельниц. Дробление или перемалывание могут быть обеспечены, например, штифтом с качательным движением или другим элементом, как в случае со штифтовыми мельницами. Другие способы механической обработки включают механическое рыхление, разрыв, разрезание или раскол, другие способы, которые применяют давление к волокнам, и перемалывание с истиранием в воздухе. Подходящие механические обработки дополнительно включают любую другую методику, которая продолжает разрушение внутренней структуры материала, которое было начато на предыдущих стадиях переработки.

Механические системы подготовки подачи могут быть сконфигурированы для получения потоков с конкретными характеристиками, такими как, например, конкретные максимальные размеры, конкретные соотношения длины к ширине или конкретные соотношения площадей поверхности. Физическая подготовка может увеличивать скорость реакций, улучшать движение материала по транспортеру, улучшать профиль облучения материала, улучшать однородность облучения материала или понижать время переработки, требуемое для раскрытия материалов и делания их более доступными для процессов и/или реагентов, таких как реагенты в растворе.

Может контролироваться удельная плотность сырья (например, повышаться). В некоторых ситуациях может быть желательным получение материала с низкой удельной плотностью, например, уплотнением материала (например, уплотнение может сделать его более удобным и менее дорогостоящим для переноса на другой участок), а затем возвращение материала в состояние более низкой удельной плотности (например, после транспортировки). Материал может быть уплотнен, например, от менее чем около 0,2 г/куб.см до более чем около 0,9 г/куб.см (например, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,5 г/куб. см, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,9 г/куб.см, от менее чем около 0,5 до более чем около 0,9 г/куб.см, от менее чем около 0,3 до более чем около 0,8 г/куб.см, от менее чем около 0,2 до более чем около 0,5 г/куб.см). Например, материал может быть уплотнен способами и оборудованием, описанными в пат. США № 7932065, принадлежащем МсбоГГ. и в публикации международной заявки № АО 2008/073186 (которая была подана 26 октября 2007 г., была опубликована на английском языке и указанной страной являются США), полное содержание которых включено в данный документ путем ссылки. Уплотненные материалы могут быть переработаны любым из описанных в данном документе способов, или любой материал, переработанный любым из описанных в данном документе способов, может быть впоследствии уплотнен.

В некоторых вариантах реализации перерабатываемый материал находится в виде волокнистого материала, который содержит волокна, полученные разрезанием источника волокон. Например, разрезание может быть выполнено ротационными ножами.

Например, разрезание источника волокон, например, который является устойчивым или его уровень устойчивости был снижен, может быть выполнено, например, ротационными ножами с получением первого волокнистого материала. Первый волокнистый материал пропускают через первое сито, например, со средним размером отверстия 1,59 мм или меньше (1/16 дюйма, 0,0625 дюйма), с получением второго волокнистого материала. При необходимости, источник волокон может быть нарезан перед разрезанием, например, с помощью шредера. Например, при применении бумаги в качестве источника волокон, бумагу можно сначала нарезать на полоски шириной, например, 1/4 - 1/2 дюйма с применением шредера, например, шредера со шнеками встречного вращения, такого как производится компанией Мипкоп (г.

- 9 030075

Ютика, штат Нью-Йорк). В качестве альтернативы разрезанию на полоски, бумагу можно измельчить путем разрезания до необходимого размера в гильотинной резальной машине. Например, гильотинную резальную машину можно применять для разрезания бумаги на листы, например, шириной 10 дюймов и длиной 12 дюймов.

В некоторых вариантах реализации разрезание источника волокна и прохождение полученного первого волокнистого материала через первое сито осуществляют одновременно. Разрезание и прохождение можно также осуществлять в периодическом процессе.

Например, могут быть использованы ротационные ножи для одновременного разрезания источника волокон и просеивания первого волокнистого материала. Ротационные ножи содержат загрузочный бункер, который можно загрузить нарезанным на полоски источником волокон, полученным в результате его нарезания на полоски. Нарезанный на полоски источник волокон.

В некоторых вариантах реализации сырье физически обрабатывают перед осахариванием и/или ферментацией. Процессы физической обработки могут включать один или более из любых способов, описанных в данном документе, такие как механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или обработка паром. Способы обработки могут быть использованы в комбинациях из двух, трех, четырех или даже всех указанных технологий (в любом порядке). При применении более одного способа обработки, способы могут применяться одновременно или в различные моменты времени. Также могут быть использованы другие процессы, которые изменяют молекулярную структуру сырья биомассы в отдельности или в комбинации с процессами, описанными в данном документе.

Могут быть использованы механические обработки, и свойства механически обработанных материалов биомассы более подробно описаны в публ. заявки на пат. США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 г., полное содержание которой тем самым включено в данный документ путем ссылки.

Обработка материала биомассы - бомбардировка частицами

Одна или несколько обработок бомбардировкой частицами высоких энергий могут быть использованы для переработки исходного сырья из большого разнообразия различных источников для выделения применимых веществ из сырья, и для обеспечения частично разрушенного органического материала, который выполняет функцию входного для дополнительных этапов и/или последовательностей переработки. Бомбардировка частицами может снижать молекулярную массу и/или кристаллическое состояние сырья. В некоторых вариантам реализации изобретения энергия, накопленная в материале, которую высвобождает электрон со своей атомной орбитали, может быть использована для обработки материалов. Бомбардировка может быть обеспечена тяжелыми заряженными частицами (такими как альфа-частицы или протоны), электронами (полученными, например, при бета-распаде или в ускорителях пучка электронов) или электромагнитным излучением (например, гамма-лучи, рентгеновские лучи или ультрафиолетовые лучи). Альтернативно, излучение, испускаемое радиоактивными веществами, может быть использовано для обработки сырья. Может быть использована любая комбинация в любом порядке или одновременно с этими обработками. В другом подходе электромагнитное излучение (например, полученное с применением излучателей пучка электронов) может быть использовано для обработки сырья.

Каждая форма энергии ионизирует биомассу за счет взаимодействий частиц. Тяжелые заряженные частицы в первую очередь ионизируют вещество посредством кулоновского рассеяния; более того, эти взаимодействия производят электроны высокой энергии, которые могут дополнительно ионизировать вещество. Альфа-частицы тождественны ядрам атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актинидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.

При использовании частиц они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Если заряжены, заряженные частицы могут нести один положительный или отрицательный заряд, или несколько зарядов, например, один, два, три или даже четыре или более зарядов. В случаях, если требуется разрыв цепи, предпочтительными могут быть положительно заряженные частицы, в частности, благодаря их кислотной природе. При использовании частиц они могут обладать массой, равной массе электрона в состоянии покоя или более, например, в 500, 1000, 1500 или 2000 или более раз больше массы электрона в состоянии покоя. Например, частицы могут обладать массой от около 1 атомной единицы до около 150 атомных единиц, например, от около 1 атомной единицы до около 50 150 атомных единиц или от около 1 до около 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими с постоянным током, электростатическими с постоянным током, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или с незатухающими волнами. Например, ускорители циклотронного типа являются доступными от ΙΒΑ (Ιοη Веат Лсее1ега1ог8, г. Лувэн-ла-Нев, Бельгия), такие как система ΚΚοάοΐΓοη™, тогда как ускорители постоянного тока доступны от ΚΠΙ, сейчас ΙΒΑ ПЛиМпак такие как Оупатйгоп™. Ионы и ускорители ионов обсуждаются в БигойисЮгу Ыис1еаг Рйу81С8, Кенией! 8. Кгапе, ,ΙοΙιιι №йеу & 8οη§, Шс. (1988), КгзЮ Рге1ес, ΡΙΖΙΚΑ В 6 (1997) 4, 177-206; Сйи, №ййат Т., "О\ете\\ οΐ' ЫдЫ-Ιοη Веат Тйегару", г. Колумбус-Огайо, ЮКПЛЛЕА Мее1ш§, 18-20 Маг. 2006; ВуаЮ, Υ. е1 а1, "ЛИег- 10 030075

пайпд-РЬаке-Росикей Щ-ЭТЬ Гог Неауу-Ιοη Мебюа1 Ассе1ега1ог8", Ргосеебшдк оГ ЕРАС 2006, г. Эдинбург, Шотландия; и Ьейпег, С. М. е1 а1, "§1а1и8 оГ 1йе §ирегсопйисйпд ЕСК Ιοη §оигсе Уепик", Ргосеебшдк оГ ЕРАС 2000, г. Вена, Австрия.

Используемые дозы зависят от желаемого эффекта и конкретного сырья. Например, высокие дозы могут разрушать химические связи в компонентах сырья, а низкие дозы могут усиливать химическое связывание (например, перекрестное сшивание) в компонентах сырья.

В некоторых случаях, если является желательным разрыв цепей и/или желательной является функционализация полимерной цепи, могут быть использованы частицы, которые тяжелее электронов, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Если желательным является разрыв цепей с раскрытием цикла, то для усиления разрыва цепей с раскрытием цикла могут быть использованы положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислот Льюиса. Например, если желательными являются содержащие кислород функциональные группы, может быть выполнена обработка в присутствии кислорода или даже обработка ионами кислорода. Например, если желательными являются содержащие азот функциональные группы, может быть выполнена обработка в присутствии азота или даже обработка ионами азота.

Другие формы энергии

Электроны взаимодействуют посредством кулоновского рассеяния и тормозным излучением, образованным при изменении скорости электронов. Электроны могут быть получены из радиоактивных ядер, которые подвергаются бета-распаду, таких как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, посредством термоионной эмиссии в качестве источника электронов может быть использована электронная пушка.

Электромагнитное излучение взаимодействует посредством трех процессов: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пар.

Преобладающее взаимодействие определяется энергией падающего излучения и атомным числом материала. Суммирование взаимодействий, вносящих вклад в поглощенное излучение в целлюлозном материале, может быть выражено массовым коэффициентом поглощения.

Электромагнитное излучение подклассифицируют как гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволновые волны или радиоволны, в зависимости от длины волны.

Например, гамма-излучение может быть использовано для обработки материалов. Г амма-излучение обладает преимуществом существенной глубиной проникания в различный материал образца. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, талия и ксенона.

Источники рентгеновских лучей включают столкновение пучка электронов с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден, или сплавами, или компактные источники света, такие как коммерчески производимые Ьупсеап.

Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.

Источники инфракрасного излучения включают керамические лампы с окнами из сапфира или селенида цинка.

Источники микроволн включают в себя клистроны, предложенные Слевиным РЧ-источники или источники пучков атомов, в которых используют газообразный водород, кислород или азот.

В описанных в данном документе способах могут быть использованы различные другие устройства, включая источники полевой ионизации, электростатические разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, рециркулирующие или статистические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-деГраафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства описаны, например, в пат. США № 7931784 В2, полное содержание которого включено в данный документ путем ссылки.

Обработка материала биомассы - бомбардировка электронами

Сырье может быть обработано при помощи бомбардировки электронами для модификации его структуры, и, таким образом, снижения его устойчивости. Такая обработка может, например, снижать среднюю молекулярную массу сырья, изменять кристаллическую структуру сырья и/или увеличивать площадь поверхности и/или пористость сырья.

Как правило, предпочтительной является бомбардировка электронами посредством пучка электронов, поскольку она обеспечивает очень высокую производительность и потому что применение устройства с пучком электронов относительно низкого напряжения/высокой мощности устраняет потребность в дорогостоящей защите из бетонного сооружения, поскольку такие устройства являются "самоэкранирующими" и обеспечивают безопасный эффективный процесс. Поскольку "самоэкранирующие" устройства действительно включают экранирование (например, экранирование металлической пластиной), им не требуется строительство из бетонного сооружения, что значительно снижает капитальные затраты и часто позволяет использовать существующего производственного оборудования без дорогостоящей модификации. Ускорители пучка электронов доступны, например, от ΙΒΑ (1оп Веат Арр11са11оп8, г. Лувэнла-Нев, Бельгия), ТИап Согрогайоп (г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) и ΝΗΥ Согрогайоп (№рроп

- 11 030075

Ηί§1ι УоНаде, Япония).

Бомбардировка электронами может выполняться с применением электронно-лучевого устройства с номинальной энергией менее чем 10 МэВ, например, менее чем 7 МэВ, менее чем 5 МэВ или менее чем 2 МэВ, например, от около 0,5 до 1,5 МэВ, от около 0,8 до 1,8 МэВ, от около 0,7 до 1 МэВ или от около 1 до 3 МэВ. В некоторых вариантах реализации изобретения номинальная энергия равна от около 500 до 800 кэВ.

Пучок электронов может обладать относительно высокой мощностью полного пучка (объединенная мощность пучков всех ускоряющих головок, или, при использовании нескольких ускорителей, всех ускорителей и всех головок), например, по меньшей мере 25 кВт, например, по меньшей мере 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 или 150 кВт. В некоторых случаях мощность доходит даже до 500 кВт, 750 кВт или даже 1000 кВт или более. В некоторых случаях пучок электронов обладает мощностью пучка 1200 кВт или более.

Эта высокая мощность полного пучка обычно достигается с применением нескольких ускоряющих головок. Например, электронно-лучевое устройство может включать две, четыре или более ускоряющих головок. Применение нескольких головок, каждая из которых обладает относительно низкой мощностью пучка, предотвращает чрезмерное повышение температуры в материале, тем самым предотвращает сгорание материала и также увеличивает однородность дозы посредством толщины слоя материала.

В некоторых вариантах реализации изобретения желательным является охлаждение материала во время бомбардировки электронами. Например, материал может быть охлажден при транспортировке, например, при помощи шнекового экструдера или другого оборудования для транспортировки.

Для снижения энергии, необходимой для процесса снижения устойчивости, желательной является обработка материала настолько быстро, насколько возможно. В общем случае является предпочтительным, чтобы обработку проводили при интенсивности дозы более чем около 0,25 Мрад в секунду, например, более чем около 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 5, 7, 10, 12, 15 или даже более чем около 20 Мрад в секунду, например, от около 0,25 до 2 Мрад в секунду. Как правило, более высоким интенсивностям доз необходимы более высокие линейные скорости, чтобы избежать термического разложения материала. В одном варианте реализации изобретения ускоритель устанавливают на 3 МэВ, ток пучка 50 мАмп, а линейная скорость равна 24 футов/минуту, для толщины образца около 20 мм (например, измельченный материал стержней кукурузных початков с удельной плотностью 0,5 г/см³).

В некоторых вариантах реализации изобретения бомбардировку электронами проводят, до получения материалом общей дозы по меньшей мере 0,5 Мрад, например, по меньшей мере 5, 10, 20, 30 или по меньшей мере 40 Мрад. В некоторых вариантам реализации изобретения обработку проводят, до получения материалом дозы от около 0,5 Мрад до около 150 Мрад, от около 1 Мрад до около 100 Мрад, от около 2 Мрад до около 75 Мрад, от 10 Мрад до около 50 Мрад, например, от около 5 Мрад до около 50 Мрад, от около 20 Мрад до около 40 Мрад, от около 10 Мрад до около 35 Мрад или от около 25 Мрад до около 30 Мрад. В некоторых вариантам осуществления предпочтительной является общая доза от 25 до 35 Мрад, оптимально применяемая в течение нескольких секунд, например, около 5 Мрад/прохождение с каждым прохождением, применяемым в течение около одной секунды. Применение дозы более чем 7-8 Мрад/прохождение в некоторых случаях может вызывать термический распад сырьевого материала.

С применением множества головок, как обсуждалось выше, материал может быть обработан многократным прохождением, например, двумя прохождениями при от 10 до 20 Мрад/прохождение, например, от 12 до 18 Мрад/прохождение, с промежутками в несколько секунд для охлаждения, или тремя прохождениями от 7 до 12 Мрад/прохождение, например, от 9 до 11 Мрад/прохождение. Как обсуждалось выше, обработка материала несколькими относительно низкими дозами, а не одной высокой дозой, направлена на предотвращение перегревания материала, а также увеличивает однородность дозы посредством толщины материала. В некоторых вариантах реализации изобретения материал перемешивали или другим образом смешивали или иным образом перемешивали во время или после каждого похождения, а затем снова выравнивали в равномерный слой перед следующим прохождением для дополнительного усиления однородности обработки.

В некоторых вариантах реализации изобретения электроны ускорялись, например, до скорости более чем 75 процентов скорости света, например, более чем 85, 90, 95 или 99 процентов скорости света.

В некоторых вариантах реализации изобретения любая описанная в настоящем документе переработка происходит с лигноцеллюлозным материалом, который остается сухим, как при приобретении или который высушили, например, с применением нагревания и/или пониженного давления. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал содержит менее чем около пять процентов по массе удерживаемой воды, измеренной при 25°С и пятидесяти процентах относительной влажности.

Может применяться бомбардировка электронами, поскольку целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал подвергают воздействию воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже одного кислорода, или покрывают инертным газом, таким как азот, аргон или гелий. При необходимости максимального окисления применяют окислительную среду, такую как воздух или кислород, а расстояние от источника пучка оптимизируют для максимизации образования реакционно-способного газа, например,

- 12 030075

озона и/или оксидов азота.

В некоторых вариантах реализации изобретения применяют два или более источников электронов, таких как два или более ионизирующих источников. Например, образцы могут быть обработаны в любом порядке пучком электронов, а затем гамма-излучением и УФ-светом с длинами волн от около 100 нм до около 280 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения образцы обрабатывают тремя источниками ионизирующего излучения, такими как пучок электронов, гамма-излучение и УФ-свет высокой энергии. Биомассу перемещают через зону обработки, где она может бомбардироваться электронами. Как правило, предпочтительным является, чтобы пласт материала биомассы при обработке обладал относительно равномерной толщиной, как описано ранее.

Может быть целесообразным повторение обработки для более полного снижения устойчивости биомассы и/или дополнительной модификации биомассы. В частности, параметры процесса могут быть установлены после первого (например, второго, третьего, четвертого или более) прохождения в зависимости от устойчивости материала. В некоторых вариантах реализации изобретения может быть использован такой конвейер, который включает круговую систему, в которой биомасса перемещается много раз через различные описанные выше процессы. В других вариантах реализации изобретения используют множество устройств для обработки (например, электронно-лучевые генераторы) для обработки биомассы много (например, 2, 3, 4 или более) раз. В еще других вариантах реализации изобретения один электронно-лучевой генератор может быть источником множества пучков (например, 2, 3, 4 или более пучков), которые могут быть использованы для обработки биомассы.

Эффективность изменения молекулярной/надмолекулярной структуры и/или снижения устойчивости биомассы зависит от используемой энергии электронов и примененной дозы, тогда как время воздействия зависит от мощности и дозы.

В некоторых вариантах реализации изобретения обработку (любым источником электронов или комбинацией источников) проводят, до получения материалом дозы по меньшей мере около 0,05 Мрад, например, по меньшей мере около 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 1,0, 2,5, 5,0, 7,5, 10,0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175 или 200 Мрад. В некоторых вариантах реализации изобретения обработку проводят до получения материалом дозы 0,1-100 Мрад, 1-200, 5-200, 10-200, 5-150, 5-100, 5-50, 5-40, 10-50, 10-75, 15-50, 20-35 Мрад.

В некоторых вариантах реализации изобретения обработку проводят при интенсивности дозы между 5,0 и 1500,0 крад/ч, например между 10,0 и 750,0 крад/ч или между 50,0 и 350,0 крад/ч. В других вариантах реализации изобретения обработку проводят при интенсивности дозы между 10 и 10000 крад/ч, между 100 и 1000 крад/ч или между 500 и 1000 крад/ч.

Источники электронов

Электроны взаимодействуют посредством кулоновского рассеяния и тормозного излучения, получаемого при изменении скорости электронов. Электроны могут быть получены при помощи радиоактивных ядер, которые подвергаются бета-распаду, таких как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, в качестве источника электронов может быть использована электронная пушка посредством термоионной эмиссии и ускорения при помощи ускоряющего потенциала. Электронная пушка генерирует электроны, ускоряет их посредством сильного потенциала (например, более чем около 500 тысяч, более чем около 1 миллион, более чем около 2 миллиона, более чем около 5 миллионов, более чем около 6 миллионов, более чем около 7 миллионов, более чем около 8 миллионов, более чем около 9 миллионов или даже более чем 10 миллионов вольт), а затем сканирует их магнитным способом в плоскости х-у, в которой электроны изначально ускорялись, в ζ-направлении вниз по трубке и выбрасывает через окно из фольги. Сканирование электронного пучка применимо для увеличения поверхности облучения при облучении материалов, например, биомассы, которую перемещают через сканирующий пучок. Сканирование пучка электронов также однородно распределяет тепловую нагрузку на окно и помогает снижать разрушение окна из фольги из-за локального нагрева пучком электронов. Разрушение окна из фольги является причиной существенного времени простоя из-за последующего необходимого восстановления и перезапуска электронной пушки.

В описанных в данном документе способах могут быть использованы различные другие облучатели, включая источники полевой ионизации, электростатические разделители ионов, генераторы полевой ионизации, источники термоионной эмиссии, источники ионов сверхвысокочастотного разряда, рециркулирующие или статистические ускорители, динамические линейные ускорители, ускорители Ван-деГраафа и складчатые тандемные ускорители. Такие устройства описаны, например, в пат. США № 7931784, принадлежащем МебоГГ. полное содержание которого включено в данный документ путем ссылки.

Пучок электронов может быть использован как источник излучения. Пучок электронов обладает преимуществом доз с высокой интенсивностью (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительностью, меньшим ограждением и меньшей защитой оборудования. Пучки электронов также могут обладать высоким электрическим КПД (например, 80%), позволяя обходиться меньшим энергопотреблением относительно других способов облучения, что может обуславливать более низкую стоимость операции и более низким выбросам парниковых газов, что соответствует меньшему количест- 13 030075

ву используемой энергии.

Пучки электронов могут генерироваться, например, электростатическими генераторами, каскадными генераторами, трансформаторными генераторами, ускорителями низкой энергии с системой сканирования, ускорителями низкой энергии с линейным катодом, линейными ускорителями и импульсными ускорителями.

Электроны также могут быть более эффективными при вызывании изменений в молекулярной структуре материалов биомассы, например, механизмом расщепления цепей. Кроме того, электроны с энергиями 0,5-10 МэВ могут проникать в материалы с низкой плотностью, такие как материалы биомассы, описанные в данном документе, например, материалы с удельной плотностью менее чем 0,5 г/см³ и толщиной 0,3-10 см. В качестве источника ионизирующего излучения электроны могут быть использованы, например, для относительно тонких пачек, слоев или пластов материалов, например, менее чем около 0,5 дюйма, например, менее чем около 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,25 дюйма или менее чем около 0,1 дюйма. В некоторых вариантах реализации изобретения энергия каждого электрона электронного пучка составляет от около 0,3 МэВ до около 2,0 МэВ (мегаэлектронвольт), например, от около 0,5 МэВ до около 1,5 МэВ или от около 0,7 МэВ до около 1,25 МэВ. Способы облучения материалов обсуждали в публ. заявки на пат. США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 г., полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

Устройства для облучения электронным пучком могут быть коммерчески приобретены у Ιοη Веат ΑρρΙίοαΙίοηδ (г. Лувэн-ла-Нев, Бельгия), ТЛап СотротаЛоп (г. Сан-Диего, Калифорния, США) и ΝΗν Согрогайоп (Νίρροη Ηί§1ι ^Йаде, Япония). Типичные энергии электронов могут составлять 0,5 МэВ, 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения электронным пучком может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 60 кВт, 70 кВт, 80 кВт, 90 кВт, 100 кВт, 125 кВт, 150 кВт, 175 кВт, 200 кВт, 250 кВт, 300 кВт, 350 кВт, 400 кВт, 450 кВт, 500 кВт, 600 кВт, 700 кВт, 800 кВт, 900 кВт или даже 1000 кВт.

Компромиссы при рассмотрении требований к мощности устройства для облучения электронным пучком включают стоимость эксплуатации, капитальные затраты, снижение стоимости и контур устройства. Компромиссы при рассмотрении уровней доз облучения электронным пучком будут касаться затрат энергии и вопросов, связанных с окружающей средой, безопасностью и здоровьем (Ε8Η). Как правило, генераторы помещались в сооружении, например, из свинца или бетона, специально для защиты от рентгеновских лучей, которые генерируются в данном процессе. Компромиссы при рассмотрении энергий электронов включают затраты энергии.

Устройство для облучения электронным пучком может давать или фиксированный пучок, или сканирующий пучок. Сканирующий пучок с большой длиной развертки скана и высокими скоростями сканирования может быть предпочтительным, поскольку он будет эффективно заменять большую ширину фиксированного пучка. Кроме того, доступной является ширина сектора 0,5 м, 1 м, 2 м или более. Сканирующий пучок является предпочтительным в большинстве вариантов реализации, описанных в данном документе, по причине большей ширины скана и сниженной возможности локального нагрева и повреждения окон.

Обработка материала биомассы - обработка ультразвуком, пиролиз, окисление, обработка паром

При необходимости, один или более процессов обработки ультразвуком, пиролизом, окислительным процессом или процессом обработки паром могут быть использованы вдобавок к или вместо других обработок для дополнительного снижения устойчивости материала биомассы. Эти процессы могут быть использованы перед, во время и/или после другой обработки или обработок. Эти процессы подробно описаны в пат. США № 7932065, принадлежащем МеЛой, полное содержание которого включено в данный документ путем ссылки.

Применение обработанного материала биомассы

С применением описанных в данном документе способов исходные материалы биомассы (например, биомасса растений, биомасса животных, бумага и биомасса городских отходов) могут быть использованы в качестве сырья для получения применимых промежуточных соединений и продуктов, таких как органические кислоты, соли органических кислот, ангидриды, сложные эфиры органических кислот и топлив, например, топлив для двигателей внутреннего сгорания или сырья для топливных элементов. В данном документе описаны системы и процессы, в которых в качестве сырья могут быть использованы целлюлозные и/или лигноцеллюлозные материалы, которые являются легко доступными, но часто могут быть сложными для переработки, например, потоки городских отходов и потоки отходов, такие как потоки, которые включают газетную бумагу, крафт-бумагу, гофрированную бумагу или их смеси.

Для превращения сырья в форму, которая может быть легко переработана, глюкан- или ксилансодержащая целлюлоза в сырье может быть гидролизирована в низкомолекулярные углеводы, такие как сахара, осахаривающим агентом, например, ферментом или кислотой, в процессе, называемом осахаривание. Затем низкомолекулярные углеводы могут быть использованы, например, на существующей производственной установке, такой как установка для получения белка одноклеточных, производственная установка для получения ферментов или топливная установка, например, производственное оборудование для этанола.

- 14 030075

Сырье может быть гидролизовано с применением фермента, например, объединением материалов и фермента в растворителе, например, в водном растворе.

Альтернативно, микроорганизмы могут поставлять ферменты, которые разрушают биомассу, такую как целлюлоза и/или лигниновые части биомассы, содержат или производят различные целлюлолитические ферменты (целлюлазы), лигниназы или различные низкомолекулярные метаболиты для разложения биомассы. Эти ферменты могут быть комплексом ферментов, который действует синергично для разложения кристаллической целлюлозы или лигниновых частей биомассы. Примеры целлюлолитических ферментов включают: эндоглюканазы, целлобиогидролазы и целлобиазы (бета-глюкозидазы).

Во время осахаривания целлюлозный субстрат сначала может быть гидролизирован эндоглюканазами в произвольных положениях с получением олигомерных промежуточных соединений. Эти промежуточные соединения затем являются субстратами для экзо-расщепления глюканаз, таких как целлобиогидролаза, с получением целлобиозы из концов полимера целлюлозы. Целлобиоза представляет собой растворимый в воде 1,4-связанный димер глюкозы. В конечном итоге, целлобиаза расщепляет целлобиозу с получением глюкозы. Эффективность (например, время гидролиза и/или полнота гидролиза) этого процесса зависит от устойчивости целлюлозного материала.

Промежуточные соединения и продукты

Описанные в данном документе процессы предпочтительно использовали для получения бутанола, например, изобутанола или н-бутанола, а также производных. Тем не менее, процессы могут быть использованы для получения других продуктов, побочных продуктов и промежуточных веществ, например, продуктов, описанных в публ. заявки на патент США 2012/0100577 А1, поданной 18 октября 2011 г. и опубликованной 26 апреля 2012 г., полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

С применением описанных в данном документе процессов материал биомассы может быть превращен в один или более продуктов, таких как энергия, топлива, пищевые продукты и материалы. Конкретные примеры продуктов включают без ограничения водород, сахара (например, глюкозу, ксилозу, арабинозу, маннозу, галактозу, фруктозу, дисахариды, олигосахариды и полисахариды), спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол, изобутанол, втор-бутанол, трет-бутанол или н-бутанол), гидратированные или водные спирты (например, содержащие больше чем 10, 20, 30% или даже больше чем 40% воды), биодизельное топливо, органические кислоты, углеводороды (например, метан, этан, пропан, изобутен, пентан, н-гексан, биодизельное топливо, биобензин и их смеси), сопутствующие продукты (например, белки, такие как целлюлотические белки (ферменты) или одноклеточные белки) и смеси любых из них в любой комбинации или относительной концентрации, и необязательно в комбинации с любыми добавками (например, топливными присадками). Другие примеры включают карбоновые кислоты, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и соли карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны (например, ацетон), альдегиды (например, ацетальдегид), альфа- и бетаненасыщенные кислоты (например, акриловая кислота) и олефины (например, этилен). Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, сахарные спирты и полиолы (например, гликоль, глицерин, эритрит, треит, арабит, ксилит, рибит, маннит, сорбит, галактит, идит, инозит, волемит, изомальт, мальтит, лактит, мальтотриит, мальтотетраит и полиглицит, а также другие полиолы), и метиловые или этиловые сложные эфиры любых указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, лимонную кислоту, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, валериановую кислоту, капроновую кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, щавелевую кислоту, малоновую кислоту, глутаровую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, гликолевую кислоту, гамма-гидроксимасляную кислоту и их смеси, соли любых указанных кислот, смеси любых кислот и их соответствующих солей.

Любая комбинация вышеуказанных продуктов друг с другом и/или вышеуказанных продуктов с другими продуктами, причем другие продукты могут быть получены процессами, описанными в настоящем документе или иным образом, могут быть упакованы вместе и продаваться в виде продуктов. Продукты могут быть объединены, например, смешиванием, перемешиванием или совместным растворением, или могут быть просто упакованы или продаваться вместе.

Любые из продуктов или комбинаций продуктов, описанных в данном документе, могут быть дезинфицированы или стерилизованы перед продажей продуктов, например, после очистки или выделения или даже после упаковки, для нейтрализации одного или нескольких потенциально нежелательных загрязнителей, которые могут присутствовать в продукте(ах). Такая санитизация может быть проведена бомбардировкой электронами, например, при дозировке менее чем около 20 Мрад, например, от около 0,1 до 15 Мрад, от около 0,5 до 7 Мрад или от около 1 до 3 Мрад.

При помощи процессов, описанных в данном документе, могут быть получены различные потоки побочных продуктов, применимые для генерации пара и электричества, потребляемых в других частях предприятия (когенерация) или продаваемых на открытом рынке. Например, пар, генерируемый при сгорании потоков побочных продуктов, может быть использован в процессе дистилляции. В качестве друго- 15 030075

го примера, электричество, генерируемое при сгорании потоков побочных продуктов, может быть использовано для питания электронно-лучевых генераторов, используемых при предварительной обработке.

Побочные продукты, используемые для генерации пара и электричества, получают из большого числа источников на протяжении всего процесса. Например, анаэробное разложение сточных вод может давать биогаз, с высоким содержанием метана небольшим количеством сточной биомассы (шлам). В качестве другого примера могут быть использованы твердые вещества после осахаривания и/или после дистилляции (например, непрореагировавший лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза, оставшиеся после предварительной обработки и первичных процессов), например, сжигаемые в качестве топлива.

Многие полученные продукты, такие как этанол или н-бутанол, могут быть использованы в качестве топлива для приведения в действие автомобилей, грузовых автомобилей, тракторов, кораблей или поездов, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в качестве сырья для топливных элементов.

Многие из полученных продуктов также могут быть использованы для приведения в действие летательных аппаратов, таких как самолеты, например, с реактивными двигателями, или вертолетов. Кроме того, описанные в данном документе продукты могут быть использованы для генерации электроэнергии, например, в традиционной парогенерирующей установке или в установке топливных элементов.

Другие промежуточные соединения и продукты, в том числе, пищевые и фармацевтические продукты, описаны в публ. заявки на пат. США 2010/0124583 А1, опубликованной 20 мая 2010 г., принадлежащей МебоГГ, полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

Постобработка

Процесс очистки продуктов может включать применение ионообменных смол, активированного угля, фильтрацию, дистилляцию, центрифугирование, хроматографию, осаждение, кристаллизацию, выпаривание, адсорбцию и их комбинации. В некоторых случаях, продукт ферментации также стерилизован, например, нагревом или облучением.

Осахаривание

Для получения раствора фруктозы из сырья пониженной устойчивости, обработанные материалы биомассы могут быть осахарены, как правило, путем объединения материала и целлюлазного фермента в жидкой среде, например, в водном растворе. В некоторых случаях материал кипятят, замачивают или варят в горячей воде перед осахариванием, как описано в публ. заявки на пат. США 2012/0100577, авторов МебоГГ и Ма81еттаи, опубликованной 26 апреля 2012 г., полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

Процесс осахаривания может быть частично или полностью выполнен в резервуаре (например, в резервуаре с объемом по меньшей мере 4000, 40000 или 500000 л) на производственной установке, и/или может быть частично или полностью выполнен при транспортировке, например, в железнодорожной цистерне, автоцистерне или в танкере или в отсеке судна. Время, необходимое для полного осахаривания, будет зависеть от условий процесса и используемых материала биомассы и фермента. Если осахаривание выполняют в производственной установке при контролируемых условиях, целлюлоза может практически полностью превращаться в сахар, например, глюкозу за около 12-96 часов. Если осахаривание выполняют частично или полностью при транспортировке, осахаривание может занимать больше времени.

Как правило, является предпочтительным, чтобы содержимое резервуара смешивалось во время осахаривания, например, с применением струйного перемешивания, как описано в международной заявке № РСТ/и82010/035331, поданной 18 мая 2010 г., которая была опубликована на английском языке как νθ 2010/135380 и указанной страной является США, полное содержание которой включено в данный документ путем ссылки.

Добавление сурфактантов может увеличить скорость осахаривания.

Примеры сурфактантов включают неионные сурфактанты, такие как полиэтиленгликолевые сурфактанты Тгееи® 20 или Тгееи® 80, ионные сурфактанты или амфотерные сурфактанты.

В целом предпочтительно, чтобы концентрация сахарного раствора, полученного в результате осахаривания, была сравнительно высокой, например, более чем 40%, или более чем 50, 60, 70, 80, 90, или даже более чем 95 мас.%. Вода может быть удалена, например, выпариванием для увеличения концентрации сахарного раствора. Это позволяет уменьшить объем при транспортировке, а также ингибирует рост микроорганизмов в растворе.

Альтернативно, могут быт использованы сахарные растворы более низких концентраций, в этом случае может быть желательным добавить противомикробную добавку, например, антибиотик широкого спектра действия при низкой концентрации, например, от 50 до 150 ррт. Другие подходящие антибиотики включают амфотерицин В, ампициллин, хлорамфеникол, ципрофлоксацин, гентамицин, гигромицин В, канамицин, неомицин, пенициллин, пуромицин, стрептомицин. Антибиотики будут ингибировать рост микроорганизмов при транспортировке и хранении, и они могут быть использованы при подходящих концентрациях, например, между 15 и 1000 ррт по массе, например, между 25 и 500 ррт или между 50 и 150 ррт. При необходимости, можно добавить антибиотик, даже если концентрация сахара сравнительно высокая. Альтернативно, могут быть использованы другие добавки с противомикробным препа- 16 030075

ратом с защитными свойствами. Предпочтительно, противомикробная(ые) добавка(и) являются пищевыми.

Раствор с относительно высокой концентрацией может быть получен путем ограничения количества воды, добавленного к материалу биомассы с ферментом.

Концентрация может регулироваться, например, контролем того, в какой степени происходит осахаривание. Например, концентрация может быть увеличена путем добавления в раствор большего количества материала биомассы. Для сохранения сахара, образованного в растворе, может быть добавлен сурфактант, например, один из обсуждаемых выше. Растворимость также может быть увеличена путем повышения температуры раствора. Например, температуру раствора можно поддерживать при 40-50°С, 60-80°С или даже выше.

Путем добавления глюкозоизомеразы к содержимому резервуара может быть получена высокая концентрация фруктозы без осахаривания, ингибируемого сахарами в резервуаре. Глюкозоизомераза может быть добавлена в любом количестве. Например, концентрация может быть ниже около 500 ед./г целлюлозы (ниже чем или равной 100 ед./г целлюлозы, ниже чем или равной 50 ед./г целлюлозы, ниже чем или равной 10 ед./г целлюлозы, ниже чем или равной 5 ед./г целлюлозы). Концентрация составляет по меньшей мере около 0,1 ед./г целлюлозы (по меньшей мере около 0,5 ед./г целлюлозы, по меньшей мере около 1 ед./г целлюлозы, по меньшей мере около 2 ед./г целлюлозы, по меньшей мере около 3 ед./г целлюлозы).

Добавление глюкозоизомеразы увеличивает количество полученных сахаров по меньшей мере на 5% (по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 15%, по меньшей мере на 20%).

Концентрация сахаров в растворе также может быть увеличена путем ограничения количества воды, добавленного к сырью с ферментом, и/или концентрация может быть увеличена путем добавления большего количества сырья к раствору во время осахаривания. Для сохранения сахара, который получался в растворе, может быть добавлен сурфактант, например, один из обсуждаемых выше. Растворимость также может быть увеличена повышением температуры раствора. Например, раствор может сохраняться при температуре 40-50°С, 60-80°С или даже выше.

Осахаривающие агенты

Подходящие целлюлотические ферменты включают целлюлазы. Цееллюлазы могут быть получены, например, из видов рода ВасШик, Сорттик, МусейорНШота, СерНа1окройит, §су1айШит, РетсШшт, АкрегдШик, Ркеийотопак, Нитюо1а, Рикатшт, ТЫе1ау1а, Асгетотит, СНтукокройит и ТпсНобегта, особенно такие, которые получены с помощью штамма, выбранного из видов АкретдШик (см., например, публ. Европейского патента № 0458162), Нитюо1а шко1епк (переклассифицированный как §су1аИШит (НегторНШпп, см., например, пат. США № 4435307), Сорттик стетеик, Рикатшт охукрогит, МусейорЫНога ШетторНйа, Мейрйик дщайеик, ТЫе1ау1а 1еггек1пк, Астетошит кр. (включая без ограничения А. регкй сшит, А. асгетотит, А. Ъгасйуретит, А. ШсНтотокрогит, А. оЪс1ауаШт, А. р1пкейотае, А. гокеодпкеит, А. шсо1огаШт и А. ГигаШт). Предпочтительные штаммы включают Нитюо1а тко1епк ΌδΜ 1800, Рикатшт охукрогит ΌδΜ 2672, МусеПорШНога ШетторНйа СВ§ 117.65, Серйа1окротшт кр. КУМ-202, Асгетотит кр. СВ§ 478.94, Асгетотит кр. СВ§ 265.95, Асгетотит ретысшит СВ§ 169.65, Асгетоптт асгетотит АНИ 9519, Серйа1окротшт кр. СВ§ 535.71, Асгетотит Ъгасйуретит СВ§ 866.73, Асгетотит ШсНтотокрогит СВ§ 683.73, Асгетотит оЪс1ауаШт СВ§ 311.74, Асгетотит ршкейотае СВ§ 157.70, Асгетотит гокеодйкеит СВ§ 134.56, Асгетотит шсо1огаШт СВ§ 146.62 и Асгетотит Гига(ит СВ§ 299.70Н. Целлюлотические ферменты также могут быть получены из СНтукокройит, предпочтительно штамма СНтукокротшт 1искпо\уепке. Дополнительные штаммы, которые могут быть использованы, включают без ограничения ТпсНобегта (в частности, Т. уййе, Т. гееке1 и Т. котидй), алкалофильные ВасШик (см., например, пат. США № 3844890 и публ. Европейского патента № 0458162) и ШгерЮтусек (см., например, публ. Европейского патента №0458162).

Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для осахаривания материала биомассы и получения сахаров, также могут быть использованы для ферментации и превращения этих сахаров в применимые продукты.

Сахара

В описанных в настоящем документе процессах, например, после осахаривания, могут быть выделены сахара (например, глюкоза и ксилоза). Например, сахара могут быть выделены осаждением, кристаллизацией, хроматографией (например, хроматография с псевдодвижущимся слоем, хроматография высокого давления), центрифугированием, экстракцией, любым другим известным в данной области техники способом выделения и их комбинациями.

Гидрирование и другие химические превращения

Описанные в настоящем документе процессы могут включать гидрирование. Например, глюкоза и ксилоза могут быть гидрированы до сорбита и ксилита, соответственно. Гидрирование может быть выполнено с применением катализатора (например, РЙгамма-А1₂О₃, Ки/С, никеля Ренея или других известных в данной области техники катализаторов) в комбинации с Н₂ при высоком давлении (например, от 10 до 12000 фунтов на квадратный дюйм). Могут быть использованы другие типы химических превращений продуктов из описанных в настоящем документе процессов, например, получение таких произ- 17 030075

водных продуктов органических сахаров (например, фурфурол и производных продуктов фурфурола). Химические превращения производных продуктов сахаров описаны в предв. заявке на пат. США № 61/667481, поданной 3 июля 2012 г., полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

Ферментация

Для превращения сахаров (например, фруктозы) в бутанол предпочтительно используется С1ок1пбшт крр. Оптимальное значение рН для ферментации составляет от около рН 4 до 7. Например, оптимальное значение рН для дрожжей составляет от около рН 4 до 5, тогда как оптимальное значение рН для Ζνιηοιηοηαδ составляет от около рН 5 до 6. Типичное время ферментации составляет от около 24 до 168 ч (например, от 24 до 96 ч) при температурах в диапазоне от 20 до 40°С (например, от 26 до 40°С), тем не менее термофильные микроорганизмы предпочитают более высокие температуры.

В некоторых вариантах реализации изобретения, например, при использовании анаэробных организмов, по меньшей мере часть ферментации проводят в отсутствии кислорода, например, в атмосфере инертного раза, такого как Ν₂, Аг, Не, СО₂, или их смесей. Кроме того, смеси может быть необходимо постоянное нагнетание инертного газа, проходящего через резервуар в течение части или всей ферментации. В некоторых случаях анаэробные условия могут быть достигнуты или сохраняться при помощи образования во время ферментации диоксида углерода и без необходимости использования дополнительного инертного газа.

В некоторых вариантах реализации изобретения весь или часть процесса ферментации может быть прерван перед полным превращением низкомолекулярного сахара в продукт (например, этанол). Промежуточные продукты ферментации включают сахар и углеводы в высоких концентрациях. Сахара и углеводы могут быть выделены любыми способами, известными в данной области техники. Эти промежуточные продукты ферментации могут быть использованы при получении пищевых продуктов для потребления людьми или животными. Дополнительно или альтернативно, промежуточные продукты ферментации могут быть измельчены до тонкодисперсных частиц в лабораторной мельнице из нержавеющей стали с получением мукообразного вещества.

Во время ферментации может быть использовано струйное перемешивание, и в некоторых случаях осахаривание и ферментацию выполняют в одном резервуаре.

Питательные вещества для микроорганизмов могут быть добавлены в течение осахаривания и/или ферментации, например, упаковки питательных веществ на основе пищевых продуктов, описанные в публикации заявки на пат. США № 2012/0052536, поданной 15 июля 2011 г., полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

"Ферментация" включает способы и продукты, которые описаны в предв. заявке на пат. США № 61/579559, поданной 22 декабря 2012 г., и предв. заявке на пат. США № 61/579576, поданной 22 декабря 2012 г., полное содержание обоих из которых включено в настоящий документ путем ссылки.

Могут быть использованы передвижные ферментеры, как описано в международной заявке № РСТ/и82007/074028 (которая подана 20 июля 2007 г., опубликована на английском языке как АО 2008/011598 и указанной страной является США), полное содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки. Подобным образом, оборудование для осахаривания может быть передвижным. Кроме того, осахаривание и/или ферментация могут быть выполнены частично или полностью в течение перемещения.

Агенты для ферментации

Хотя предпочтительными являются ΟοδΙπάίιιιη. также могут быть использованы другие микроорганизмы. Например, для ферментации или превращения сахара(ов) в другой(ие) спирт(ы) могут использоваться дрожжи и бактерии Ζутотоηак. Другие микроорганизмы обсуждаются ниже. Они могут быть микроорганизмами природного происхождения и/или сконструированными микроорганизмами. Например, микроорганизмом может быть бактерия (включая без ограничения, например, целлюлотическую бактерию), гриб, (включая без ограничения, например, дрожжи), растение, протист, например, протозоа или грибоподобный протист (включая без ограничения, например, слизистую плесень), или водоросль. Если организмы совместимы, могут быть использованы смеси организмов.

Подходящие ферментирующие микроорганизмы обладают способностью превращать углеводы, такие как глюкоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза, олигосахариды или полисахариды, в продукты ферментации. Ферментирующие микроорганизмы включают штаммы рода 8ассЬаготусек крр. (включая без ограничения δ. сегеу1к1ае (пекарские дрожжи), δ. ΗίκΙαΙίουκ, δ. иуагит), рода К1иууеготусек, (включая без ограничения К. татапик, К. ГгадШк), рода Сапб1ба (включая без ограничения С. ркеибойорюайк и С. Ъгаккюае), РюЫа кйрЫк (родственный Сапб1ба ккеЬа!ае), рода С1ау1крога (включая без ограничения С. 1икИатае и С. орипйае), рода Раскуко1еп (включая без ограничения Р. 1аппорЫ1ик), рода Вге1аппотусек (включая без ограничения, например, В. с1аикепи (РЫйррШк, О. Р., 1996, Се11и1оке Ъюсопуегкюп 1есЬпо1оду, ίη НапбЪоок оп Вюе1капо1: Ргобисбоп апб ИбИ/аНоп, Аутап, С.Е., еб., Тау1ог & Ргапс1к, АакЫп§1оп, ОС, 179-212)). Другие подходящие микроорганизмы включают, например, Ζутотоηак тоЪШк, С1ок1пбшт крр. (включая без ограничения С. 1кегтосе11ит (РЫГтрртбтк, 1996, выше), С. касскагоЪи1у1асе1отсит, С. касскагоЪи1у11сит, С. Ритсеит, С. Ъеуетски, и С. асе1оЪи1у11сит), МопШе11а роШтк,

- 18 030075

МопШеПа тедасЬШеп818, ЬаОоЬасШш 8рр. Уагго\\!а Прокоса, АигеокМДинп 5р.. Тпс1ю5рогопснДс5 8р., Тпдопор515 уапаЬШ8, Тпс1ю5рогоп 8р., МошПе11аасеЮаЬи1ап5 8р., ТурПи1а уапаЫк. СапД|Да тадпоПае. и51|1ад1потусе1е5 8р., Р5еиДо/ута 18икиЬаеп818, виды дрожжей рода 2удо8ассйаготусе5, ИеЬагуотусе5, Нап8епи1а и РюЫа и дематиоидные грибы рода Тоги1а.

Например, С1о81пДцип 8рр. может быть использован для получения этанола, бутанола, масляной кислоты, уксусной кислоты и ацетона. Ьас1оЬасШи5 8рр. может быть использован для получения молочной кислоты.

Много таких штаммов микроорганизмов являются общедоступными, или коммерчески, или в депозитариях, таких как АТСС (Американская коллекция типовых культур, г. Манассас, штат Вирджиния, США), ΝΚΚΕ (коллекция культур Службы сельскохозяйственных исследований, г. Пеория, штат Иллинойс, США) или Ό8ΜΖ (ИеШзсЬе 8атт1иид уои М1кгоогдаш5теи ииД 2е11киЙигеп ОтЬН, г. Брауншвейг, Германия), для примера.

Коммерчески доступные дрожжи включают, например, КеД 81аг®/Бе5аГГге ЕΐЬаиο1 КеД (доступный от КеД 81аг/Ее5а£Гге, США), РАЬ1® (доступный от Пе15сПтапп'5 Υеа8ΐ, отделение Вит5 РЬШр РооД 1пс., США), 8ИРЕК8ТАКТ® (доступный от АШесЬ, сейчас ЕактапД), ОЕКТ ^ΡΑΝΏ® (доступный от Оег1 81гапД АВ, Швеция) и РЕКМОЬ® (доступный от Ό8Μ 8рес1аЮе5).

Многие микроорганизмы, которые могут быть использованы для осахаривания материала биомассы и получения Сахаров, также могут быть использованы для ферментации и превращения этих Сахаров в применимые продукты.

Дистилляция

После ферментации полученные жидкости могут быть дистиллированы с применением, например, "бражной колонны", для отделения этанола и других спиртов от большей части воды и остаточных твердых веществ. Выходящий их бражной колонны пар может содержать, например, 35% по массе этанола, и может подаваться в ректификационную колонну. Смесь почти азеотропного (92,5%) этанола и воды из ректификационной колонны может быть очищена до чистого (99,5%) этанола с применением парофазных молекулярных сит. Остатки бражной колонны могут быть направлены в первый корпус трехкорпусного испарителя. Обратный холодильник ректификационной колонны может давать тепло для этого первого корпуса. После первого корпуса твердые вещества могут быть отделены с применением центрифуги и высушены в барабанной сушилке. Часть (25%) потока продукта из центрифуги может быть возвращена обратно для ферментации, а остаток отправлен во второй и третий корпуса испарителя. Большая часть конденсата испарителя может быть возвращена в процесс в виде практически чистого конденсата с небольшой частью, отделяемой на этап обработки сточных вод, для предотвращения накопления низкокипящих соединений.

За исключением описанных в настоящем документе примеров или если явным образом не определено иное, все числовые диапазоны, количества, значения и процентные содержания, такие как количества материалов, содержания элементов, времени и температур реакции, соотношений количеств и другое, в следующей части описания и приложенной формулы изобретения могут читаться словно с добавлением слова "около", даже если термин "около" явным образом не присутствует со значением, количеством или диапазоном. Соответственно, если не отмечено иное, изложенные в следующем описании и приложенной формуле изобретения числовые параметры являются приближенными величинами, которые могут варьировать в зависимости от желаемых свойств, которые необходимо получить в настоящем изобретении. По крайней мере, и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр по меньшей мере следует истолковывать в свете числа сообщенных значащих разрядов и применением обычных методик округления.

Несмотря на то, что области числовых значений и параметры, изложенные в широком объеме настоящего изобретения, являются приблизительными, числовые значения, изложенные в конкретных примерах, сообщены максимально точно. Тем не менее, любое числовое значение по определению содержит погрешность, неизбежно возникающую в результате стандартного отклонения, которое встречается в лежащих в его основе соответствующих исследуемых измерениях. Более того, если в настоящем документе изложены числовые диапазоны, эти диапазоны включают в себя конечные точки изложенного диапазона (т.е., могут быть использованы как конечные точки). При использовании в настоящем документе процентного содержания по массе, сообщенные числовые значения являются относительными к общей массе.

Также следует понимать, что любой, описанный в настоящем изобретении диапазон числовых значений, предполагает включение в себя всех поддиапазонов, подпадающих в него. Например, подразумевается, что диапазон "от 1 до 10" включает в себя все поддиапазоны между (и включая) описанным минимальным значением 1 и описанным максимальным значением 10, то есть с минимальным значением, равным или более 1, и максимальным значением, равным или менее 10. Подразумевается, что используемые в настоящем изобретении термины "один" или формы единственного числа включают в себя "по меньшей мере один" или "один или более", если не отмечено иное.

Примеры

- 19 030075

Пример 1. Материалы и методы.

Подготовка культур семян: Клетки МоиШе11а, которые хранили при -80°С, использовали для инокуляции среды для выращивания (20 г/л экстракта солода, 1 г/л пептона, 20 г/л глюкозы), и инкубировали при 30°С и перемешивали при 200 оборотах в минуту в течение 72 ч. Культуру затем перемещали в биореактор (или 3 л, 20 л, или 400 л) для получения эритрита.

Основная культура. Среда для получения эритрита состоит из 10 г/л дрожжевого экстракта, 1 г/л фитиновой кислоты, 1 г/л нитрата калия, 100 г/л хлорида кальция, 10 мг/л сульфата меди, 50 мг/л хлорида цинка и или 300 г/л глюкозы (химически чистый от Зщта), или очищенного осахаренного стержня кукурузного початка собственного производства.

Стержень кукурузного початка обрабатывали дозой 35 Мрад пучка электронов, и затем осахаривали целлюлазой собственного производства. Осахаренный стержень кукурузного початка затем очищали катионным обменом (Э1аюи РК228, МйзиЫзЫ Сйетюа1 Согрогайои) и анионным обменом (Э1аюи 1А300, МйзиЫзЫ Сйетюа1 Согрогайои).

Пример 2. Определение условий культивирования.

Культура биореактора содержала 1,5 л в 3 л сосуде, 10 л в 20 л сосуде или 250 л в 400 л сосуде. Инокулят для каждого, состоящий из культивированной в течение 72 ч культуры семян, добавляли до 5% объема в биореакторе. Аэрация была отрегулирована на от 0,3 до 1 УУМ, перемешивание составляло 300 - 1000 оборотов в минуту и температура была равна 35°С. Пеногаситель 204 добавляли непрерывно при скорости 1,5 мл/л/день.

Двенадцать различных дрожжевых экстрактов проверяли на влияние при получении эритрита. Результаты были такими: Огаии1а1еб ГОзйег (получение эритрита 105 г/л), Тйегто Охо1б (30 г/л), Вас1о Тесй (94 г/л), Р1ика (108 г/л), Тйегто Кете1 (111 г/л), Текиоуа (108 г/л), Асгоз (93 г/л), Воз1ои (96 г/л), Зиилзе (8 г/л), ИЗ Вюсйет (88 г/л), Зщта (76 г/л) и ВГ) (90-120 г/л). Огаии1а1еб ГОзйегт Вас1о Тесй, Р1ика, Тйегто Кете1, Текиоуа, Асгоз, Воз1ои, ИЗ Вюсйет и ВГ) применяли для дополнительных исследований.

Исследовали двенадцать различных пеногасителей. Это были: АийГоат А, В, С, О-30, ЗЕ-15, Υ-30, ЗШсоие АийГоат, АийГоат 204 (все от Зщта Сйетюа1 Сотраиу, г. Сент-Луис, штат Миссури, США), АийГоат АР (от Пзйег), КРО 880, КРО 770 и Роат В1аз1 779 (от ЕтегаШ РегГогтаисе МаГепаР).

Таблица 1а. Компоненты среды, исследуемые для получения эритрита

Компонент среды	Исследуемый диапазон	Рабочий диапазон*	Оптимальный диапазон
Фитиновая	с фитиновой	3-4 дня для достижения	с фитиновой
кислота (период культивир.)	кислотой	макс, получения	кислотой
Фитиновая	без фитиновой	10-12 дней для
кислота (период культивир.)	кислоты	достижения макс. получения
Фитиновая кислота (количество)	0,3 - 9 г/л	0,3 - 1,0 г/л	0,3 - 1,0 г/л
Одноосновный	2-12 г/л	2-12 г/л (3-4 дня для	Более низкий выход,
фосфат натрия		достижения макс.	чем фитиновая
(период культивир)		получения	кислота
Хлорид кальция (количество)	10-300 мг/л	10-150 мг/л	100 мг/л
Глюкоза (количество)	150-600 г/л	200-400 г/л	300 г/л
Сульфат меди (количество)	2-250 мг/л	2-250 мг/л	10 мг/л
Дрожжевой экстракт (количество)	5-20 г/л	9-13 г/л	10 г/л
Дрожжевой экстракт (марка)	12 различных марок	9 различных марок	Пика ΥΕ
Хлорид цинка (количество)	25-100 мг/л	25-100 мг/л	50 мг/л
Пеногаситель	12 различных	КРО 880;	АийГоат 204
(марка)	агентов	АийГоат 204
Источник азота	5 различных источников	Мочевина; Нитрат натрия; Нитрат аммония; Сульфат аммония; Нитрат калия	Нитрат калия
Нитрат калия (количество)	0,5-5 г/л	0,5-5 г/л	1 г/л

*"Рабочий диапазон" был определен как условия, при которых получали более чем 80 г/л эритрита из 300 г/л глюкозы.

- 20 030075

Таблица 1Ь. Условия культивирования, исследуемые для получения эритрита

Исследуемое условие	Исследуемый диапазон	Рабочий диапазон*	Оптимальный диапазон
Перемешивание	450-1000 оборотов	600-1000 оборотов	800 оборотов в
(скорость в 3 л	в минуту	в минуту	минуту
биореакторе)
Перемешивание	300-650 оборотов в	400-650 оборотов в	650 оборотов в
(скорость в 20 л	минуту	минуту	минуту
биореакторе)
Аэрация (УУМ)	0,3-1 УУМ	0,3-1 УУМ	0,6 УУМ
Температура	30-40°С	30-37°С	35°С
культивирования
Турбулентность	с/без погружной	с погружной	с погружной
(погружная труба в	трубы	трубой	трубой
400 л биореакторе)

* "Рабочий диапазон" был определен как условия, при которых получали более 80 г/л эритрита из 300 г/л глюкозы.

Пример 3. Биореакторное культивирование МопШеПа в 3 л биореакторе.

МопШеПа роШпП (штамм СВЗ 461.67; Сеп1гаа1Ьигеаи уоог ЗсЫшше1сиПиге5, г. Утрехт, Нидерланды) культивировали в среде для получения в 3 л биореакторе (объема культуры 1,5 л) с различными условиями по компонентов среды (табл. 1а). Фитиновая кислота сокращала период культивирования до 3-4 дней, тогда как получение эритрита без фитиновой кислоты составляло от 10 до 12 дней (табл. 1а). Каждый компонент (фитиновая кислота, дрожжевой экстракт, одноосновный фосфат натрия, хлорид кальция, глюкоза, сульфат меди, хлорид цинка, нитрат калия) исследовали на получение оптимальной концентрации (табл. 1а). Также исследовали физические условия, включающие перемешивание, аэрацию, температуру, (табл. 1Ь). Типичное получение эритрита составляло от 80 до 120 г/л эритрита из 300 г/л глюкозы.

В таблице ниже представлено получение эритрита в 3 л биореакторе с культурой штамма МопШеПа СВЗ 461.67 с оптимальными концентрациями компонентов среды (300 г/л глюкозы, 10 г/л дрожжевого экстракта, 1 г/л фитиновой кислоты, 1 г/л нитрата калия).

Таблица 2. Получение эритрита и других продуктов из 300 г/л глюкозы

День	Глицерин	Эритрит	Рибит	Этанол
0	0	0	0	0
1	7,13	3,66	0	5,39
2	33,50	35,69	3,51	9,68
3	33,77	92,13	4,79	2,86
4	16,89	88,51	4,92	0,45

Пример 4. Биореакторное культивирование МопШеПа в 20 л биореакторе.

Обнаружено, что скорость перемешивания сильно влияет на получение эритрита. Эритрит получали в объеме культуры 10 л в 20 л биореакторе при трех различных скоростях (300 оборотов в минуту, 400 оборотов в минуту, 650 оборотов в минуту), при 1 УУМ и 35°С, в среде, содержащей дрожжевой экстракт (10 г/л), ΚΝΟ₃ (1 г/л), фитиновую кислоту (1 г/л), СиЗО₄ (2 мг/л). Культивирования при 400 оборотов в минуту и 650 оборотов в минуту также включали использование трех мешалок. Культивирование при 650 оборотах в минуту обеспечивали аэрированием при 0,6 УУМ, а не при 1 УУМ.

Биореакторное культивирование со скоростью встряхивания 300 оборотов в минуту приводило к более низкому получению эритрита, чем та же культура при 650 оборотах в минуту. С другой стороны, получение этанола было снижено путем увеличения скорости перемешивания.

Таблица 3. Влияние скорости перемешивания на получение эритрита.

День	Глицерин	Эритрит	Рибит	Этанол	Глюкоза
300 оборотов	в минуту
0	4,09	3,35	0	2,36	>50
1	10,80	5,95	3,06	15,15	>50
2	18,48	19,39	0	24,44	>50
3	24,24	48,09	0	32,37	70,74
4	25,27	59,51	0	25,15	0
5	23,36	64,09	3,60	8,48	0
6	21,59	63,70	3,66	2,32
7	19,35	59,69	3,65	1,50

400 оборотов в минуту

0	0	0	0	0	300
1,3	7,09	4,21	0	21,16	>150
3	16,07	80,01	3,41	22,43	48,70
4	9,56	92,08	3,88	11,04	0
4,3	7,16	94,70	3,94	4,57	0
5	4,08	86,30	3,68	1,31	0
650 оборотов	в минуту

- 21 030075

0	0	0	0	0	300
2	18,01	89,13	4,13	6,57	112,57
3	30,72	145,67	6,86	1,61	4,31
4	16,02	129,69	6,59	1,39	0
5	12,65	147,54	6,87		0

Пример 5. Биореакторное культивирование МопШе11а в 400 л биореакторе.

Обнаружено, что скорость переноса кислорода является ключевым фактором при получении эритрита в 400 л биореакторе. Для усиления турбулентности использовали две погружные трубы, распределитель воздуха был установлен на дне сосуда и был увеличен коэффициент сжатия. Результаты (в г/л) представлены в таблице ниже.

Таблица 4. Получение эритрита и других продуктов в 400 л биореакторе

День	Глицерин	Эритрит	Рибит	Этанол
0	0	0	0	0
1	6,1	9,2	1,5	15,3
2	10,0	60,3	1,7	19,3
3	11,8	75,3	0	27,7

Пример 6. Очистка продукта осахаривания

Стержень кукурузного початка осахаривали и полученную сахарную смесь очищали ионным обменом. Катионный обмен и анионный обмен использовали для удаления металлических компонентов, перечисленных в таблице ниже.

Таблица 5. Металлические элементы в ррт в растворе осахаренного стержня кукурузного початка, содержащего 100 г/л глюкозы, до и после ионного обмена

Элемент	Перед ионным обменом	После катионного обмена	После катионного и анионного обмена
Мп	9	0	0
Ζη	9	0	0
δΐ	71	70	0
Ре	14	0	0
Р	668	704	0
К	4951	20	0
м§	418	0	0
N3	10099	0	0
Са	342	0	0
δ	2048	2372	37

Раствор очищенного осахаренного стержня кукурузного початка затем использовали для производства эритрита двумя различными штаммами МоШе11а, СБ8 461.67 (МошШе1а роШшз) и СБ8 567.85 (Мо11П1е11а тедаеЫНепзхз). Использовали колбы для культивирования, и компоненты среды, содержащие 10 г/л дрожжевого экстракта, 1 г/л нитрата калия, 0,3 г/л фитиновой кислоты, 2 мг/л сульфата меди, а также очищенный осахаренный стержень кукурузного початка. Глюкоза была израсходована за 2 дня, было израсходовано небольшое количество ксилозы.

Таблица 6. Продукция эритрита двумя различными штаммами из очищенного осахаренного стержня кукурузного початка, содержащего 160 г/ глюкозы и 140 г/л ксилозы

День	Глицерин С	Эритрит	Рибит	Этанол	Фруктоза
Штамм СВ δ 461.67
0	6,85	4,54	0	0,36	9,78
2	9,22	31,20	0	22,35	0
3	7,30	33,46	0	19,80	0
Штамм ϋΒδ 567.85
0	0	4,54	0	0,21	10,30
2	9,72	29,36	0	22,52	0
3	7,82	45,99	0	19,47	0

Выход при получении эритрита составлял 21% для СБ8 461.67 и 28% для СБ8 567.85. Этот выход сопоставим с получением эритрита из химически чистой глюкозы (от 30 до 40% выхода).

Любой патент, публикация или другой описанный материал, полностью или частично, который, как указано, включен в настоящий документ путем ссылки, включен в него только до такой степени, при которой содержащийся материал не противоречит существующим определениям, утверждениям или другому описанному материалу, изложенному в настоящем описании. В связи с этим, и в требуемых случаях, изложенное в настоящем документе конкретное описание заменяет любой противоречащий материал, включенный путем ссылки. Любой материал или его часть, которые, как указано, включены путем ссылки, но которые противоречат существующим определениям, утверждениям или другому изложенному в настоящем документе описанному материалу, будут включены только до такой степени, чтобы не возникало противоречия между этим включенным материалом и существующим описанным материалом.

Поскольку данное изобретение было конкретно проиллюстрировано и описано со ссылками на предпочтительные варианты его реализации, для квалифицированного специалиста в данной области,

- 22 030075

будет очевидным то, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отклонения от объема изобретения, охваченного прилагаемой формулой изобретения.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ получения сахарных спиртов, который включает уменьшение устойчивости биомассы путем бомбардировки электронами;

   комбинирование целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы, содержащей один или более сахаров с микроорганизмом и

   использование струйного перемешивания и поддерживание комбинации "биомасса - микроорганизм" в условиях, дающих возможность микроорганизму ферментировать по меньшей мере один из сахаров в сахарный спирт, причем указанные условия включают уровень растворенного кислорода свыше 10%.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает этап осахаривания целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы предпочтительно с помощью одного или более целлюлозных ферментов.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сахарный спирт выбирают из группы, состоящей из гликоля, глицерина, эритритола, треитола, арабитола, ксилитола, рибитола, маннита, сорбитола, галактитола, идитола, инозита, волемитола, изомальта, мальтитола, лактитола, мальтотриитола, мальтотетраитола, полиглицитола.
4. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что микроорганизм выбирают из группы, состоящей из МопШе11а ροϊΐίηίδ, МопШеПа тедасЬШеп818, ΥαπΌ\νία Ιίροίνΐίοα. АигеоЬамбшт 8ρ., ТпсНохрогопоШех 8ρ., Тпдопор818 уапаЫШ, ТпсНоврогоп δρ., МопШе11аасеЮаЬи1ап8, Тур1ш1а уапаЫПв, СапШба тадпоПае, и8Й1адшотусе1е8, Р8еибо/ута 18икиЬаеп818; разновидности дрожжей из родов 2удо8асскаготусе8, ОеЬагуотусе8, Нап8епи1а и Рю1йа; дематиоидных грибов рода Тоги1а.
5. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что микроорганизмом является микроорганизм из рода МопШеПа. предпочтительно из М. ρο11^η^8 и предпочтительно из М. ρο11^η^8 штамма СВ§ 461.67.
6. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что микроорганизмом является микроорганизм вида М. тедас1йПеп818, предпочтительно М. тедас1йПеп818 штамм СВ§ 567.85.
7. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что источник целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы выбирают из группы, состоящей из бумаги, бумажной продукции, бумажного брака, бумажной мякоти, пигментированной бумаги, загруженной бумаги, бумаги с покрытием, заполненной бумаги, журналов, печатного материала, бумаги принтера, бумаги с несколькими покрытиями, карточек, картона, картонажа, ваты, древесины, ДСП, отходов лесоводства, опилок, осиновой древесины, щепы, травы, свичграсса, мискантуса, шнуровой травы, двукисточника, остатков зерна, рисовой шелухи, овсяной шелухи, пшеничной мякины, ячменного полова, сельскохозяйственных отходов, силоса, соломы канолы, пшеничной соломы, ячменной соломы, овсяной соломы, рисовой соломы, джута, конопли, льна, бамбука, сизали, абака, зерновых отрубей, зернового сухого корма для скота, соевого сухого корма для скота, зернового волокна, люцерна, сена, кокосовой обертки, отходов сахарного производства, жома, свекловичной мякоти, жмыха агавы, водорослей, морских водорослей, навоза, сточных вод, отбросов, арракачи, гречихи, банана, ячменя, маниоки, кудзу, оки, саго, сорго, картофеля, батата, таро, ямса, фасоли, бобов, чечевицы, гороха, или смеси любого из них.
8. 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает уменьшение устойчивости биомассы посредством обработки способом, выбранным из группы, состоящей из разрушения ультразвуком, окисления, пиролиза, парового взрыва, химической обработки, механической обработки, замораживания размола.
9. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает этап механической обработки материала целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы для уменьшения удельной плотности материала и/или увеличения его внешней поверхности, и в нем предпочтительно используют механическую обработку материала сухим дроблением или влажным размалыванием.
10. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает этап по выделению одного или более сахаров до комбинирования целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом.
11. 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает этап концентрирования одного или более сахаров до комбинирования целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом, предпочтительно при условии достижения уровня начальной концентрации глюкозы не ниже 5 мас.%.
12. 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно включает этап культивирования микроорганизма в фазе роста клеток до комбинирования целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с микроорганизмом.
13. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно вклю- 23 030075

    чает этап очищения биомассы, причем указанное очищение предпочтительно включает удаление ионов металлов.
14. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что струйно-проточный смеситель включает лопасть, лопастное колесо, имеющее скорость 400-650 об/мин при перемешивании.