生物加工的製作方法

2023-06-11 22:44:41

專利名稱：生物加工的製作方法
生物加工相關申請本申請要求於2009年5月20日提交的美國臨時申請號61/180，019和於2009年 10月16日提交的美國臨時申請號61/252，300的優先權。這些臨時申請各自的全部公開內容通過引用在此合併入本文。背景碳水化合物可以通過生物加工技術轉變為其他材料，所述生物加工技術利用試劑例如微生物或酶。例如，在發酵中碳水化合物可以通過微生物轉變為醇或酸，例如糖使用酵母在缺氧條件下轉變成醇。當發酵在碳水化合物完全轉變成產物(例如糖至醇)前終止時， 被稱為已發生「粘滯」發酵。其他生物加工技術包括纖維素和木質纖維素材料酶促水解成低分子量糖。概述在某些情況下，生物加工過程中基材的存在促進例如低分子量糖轉變成中間產物或產物，或纖維素或木質纖維素材料轉變成低分子量糖。本發明人已發現在具有低分子量糖、介質例如溶劑或溶劑系統和微生物的混合物中包括基材例如無機或有機材料，可以改善通過糖例如醇例如乙醇或丁醇(例如正丁醇)轉變獲得中間產物或產物的得率和生產率。包括基材還可以預防例如通過發酵的不完全、遲緩或「粘滯」產物轉變。類似地，基材的包括在內可以增強纖維素或木質纖維素材料的酶促水解。一般地，本發明的特徵在於這樣的方法，其包括使用固定化在基材例如纖維或顆粒上的微生物和/或酶，以將碳水化合物轉變成產物。在一個方面，本發明的特徵在於這樣的方法，其包括使用固定化在基材例如無機或塑料顆粒或者纖維上的微生物，以將低分子量糖例如蔗糖、葡萄糖、木糖或這些中的任何的混合物轉變成中間產物或產物。在某些情況下，基材用基材在其天然狀態中不具有的官能團進行官能化。「固定化」意指微生物或酶通過共價、氫、離子或等價鍵合和/或通過機械相互作用，例如在微生物和纖維或顆粒的孔之間，直接或間接地(例如通過化學接頭)與基材(例如顆粒或纖維)結合。結合可以例如通過電極化基材材料來產生。相互作用可以是永久、 半永久或短暫的。機械相互作用可以包括與纖維或顆粒的孔或其他位點嵌套或粘住的微生物或酶。 某些實現包括一個或多個下述特徵。 轉變可以包括允許微生物將至少部分低分子量糖轉換為醇例如乙醇或丁醇，或轉變成烴或氫。轉變可以包括發酵。微生物可以包括酵母例如釀酒酵母(S. cerevisiae)和/ 或樹幹畢赤酵母(P. stipitis)，或者細菌例如運動發酵單胞菌(Zymomonas mobilis)。該方法可以進一步包括例如用電離輻射例如粒子束照射基材例如無機纖維。纖維或顆粒可以具有大於0. 25m2/g的BET表面積和/或至少70%的多孔性。在某些情況下，BET表面積可以大於10、100、250、500或甚至1000m2/g。該方法可以進一步包括在後續轉變過程中再使用基材°
在另一個方面，本發明的特徵在於包括具有極性官能團的基材例如微粒材料、具有互補官能團的微生物或酶和液體介質的混合物。在某些情況下，基材包括纖維例如無機纖維或塑料纖維。在一個進一步的方面，本發明的特徵在於包括具有官能團的基材例如纖維或顆粒、和具有互補官能團的微生物或酶的組合物，所述微生物或酶固定化在基材上。當使用纖維時，纖維可以是例如無機纖維或塑料纖維。本發明的特徵還在於這樣的方法，其包括使具有基材、微生物和溶劑或溶劑系統 (例如水或水和有機溶劑的混合物)的混合物中的低分子量糖或包括低分子量糖的材料轉變為中間產物或產物。溶劑或溶劑系統的例子包括水、己烷、十六烷、甘油、氯仿、甲苯、乙酸乙酯、石油醚、液化石油氣(LPG)、離子液體及其混合物。溶劑或溶劑系統可以以單相或2個或更多個相的形式。基材可以例如以纖維形式。例如，基材可以包括無機纖維或合成纖維， 例如塑料纖維。在某些情況下，在中間產物或產物例如乙醇的生產過程中具有基材(例如，通過本文描述的任何方法處理或未經處理的纖維)的存在可以增強產物的生產率。不希望受任何具體理論束縛，認為通過增加溶質的有效濃度且提供可以在其上發生反應的基材，具有固體存在例如高表面積和/或高多孔性固體可以增加反應速率。例如，經照射或未經照射的纖維材料，例如無機材料例如碳纖維或玻璃纖維，或者合成聚合材料例如塑料纖維，可以加入發酵過程中，例如玉米-乙醇發酵或甘蔗提取物發酵，以使生產率增加至少10、15、20、30、40、50、75或100%或更多，例如至少150%或甚至高達1000%。纖維材料可以具有高表面積、高多孔性和/或低堆密度。在某些實施方案中，纖維材料以約0. 5重量％ -約50重量％的濃度存在於混合物中，例如約1重量％ -約25重量％，或約2重量％ -約12.5重量％。在其他實施方案中，生物材料以大於約0.5重量％ 的量存在，例如大於約1、2、3、4、5、6、7、8、9、或甚至大於約10重量％。例如，在某些實施方案中，氧化、照射或化學官能化的纖維材料可以加入低分子量糖發酵過程中，例如以增強發酵速率和輸出。因為基材其自身在轉變過程期間不消耗，所以基材可以在多批次加工過程中再使用，或可以連續使用用於生產相對大體積的產物。某些實現包括下述特徵中的一種或多種。轉變可以包括允許微生物使至少部分低分子量糖轉變成醇例如乙醇或丁醇。例如，轉變可以包括發酵。微生物可以包括例如選自釀酒酵母和樹幹畢赤酵母的酵母，或者細菌例如運動發酵單胞菌。微生物可以是天然微生物或經改造的微生物。例如，微生物可以是細菌例如分解纖維素的細菌，真菌例如酵母，植物或原生生物例如藻類，原生動物或真菌樣原生生物例如粘菌。當生物相容時，可以利用混合物。轉變可以顯示出至少140%在某些情況下至少170%的性能％。用於測定關於乙醇發酵的性能％的等式是 性能％ =(樣品中的乙醇/對照中的乙醇)χ 100 基材可以包括纖維材料。所述方法可以進一步包括在混合前例如用電離輻射以例如至少5Mrad的總用量照射纖維材料。照射可以使用粒子束例如電子束執行。在某些實施方案中，在基材暴露於空氣、氮、氧、氦或氬時，對基材執行照射。照射可以利用電離輻射來執行，例如 射線、電子束或具有約IOOnm-約^Onm波長的紫外線C輻射。輻射可以使用輻射的多重應用來執行。在某些情況下，輻射可以以約IOMrad-約150Mrad的總劑量，和以約0. 5-約IOMrad/天、或lMrad/s-約10Mrad/s的劑量率應用。在某些實施方案中，照射包括應用2個或更多個輻射源，例如、射線和電子束。在另一個方面，基材包括在糖化過程中，其中基材的存在可以增強來自含纖維素原料的低分子量糖的反應速率和得率。在這個方面，本發明的特徵在於包括利用固定化在顆粒上的糖化劑的方法，以糖化纖維素或木質纖維素材料。糖化劑可以是例如酶。除非另有定義，否則本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解相同的含義。儘管下文描述了合適方法和材料，但與本文描述那些相似或等價的方法與材料可以用於本發明的實踐或測試。本文提及的所有出版物、專利申請、 專利和其他參考文獻通過引用整體合併。在衝突的情況下，以本說明書包括定義為準。此外，材料、方法和實施例僅是舉例說明性的，並且不預期是限制性的。本發明的其他特徵和優點由於下述詳述和權利要求將是顯而易見的。附圖描述

圖1是舉例說明纖維的處理和經處理的纖維在發酵過程中的用途的方框圖。圖IA 是與微生物相互作用的官能化纖維的圖示。詳述本文描述的基材材料例如官能化的微粒材料可以促進低分子量糖轉變成中間產物或產物，例如在發酵過程期間。具有所需功能性類型和量的官能化的基材材料，例如羧酸基團、烯醇基團、醛基、酮基、腈基、硝基或亞硝基，可以使用本文描述的方法或其他已知方法進行製備。基材材料下文討論的材料可以用官能團進行官能化，所述官能團與在轉變低分子量糖中使用的試劑上的官能團是互補的，例如在微生物例如酵母上存在的官能團。合適的基材材料包括有機和無機微粒材料。基材材料包括例如無機填充劑，例如碳酸鈣(例如，沉澱的碳酸鈣或天然碳酸鈣)、霰石粘土、斜方晶粘土、方解石粘土、三角晶粘土、高嶺土、膨潤土、磷酸二鈣、磷酸三鈣、焦磷酸鈣、不溶性偏磷酸鈉、正磷酸鎂、磷酸三鎂、羥磷灰石、合成磷灰石、鋁、水合氧化鋁、矽基幹凝膠、金屬鋁矽酸鹽複合物、矽酸鋁鈉、 矽酸鋯、二氧化矽石墨、矽灰石、雲母、玻璃、玻璃纖維、二氧化矽、滑石、碳纖維、導電碳黑、 陶瓷粉末和陶瓷纖維、和三水合氧化鋁。還可以使用其他微粒材料，例如研磨建築廢物、研磨輪胎橡膠、木質素、馬來酸化聚丙烯、尼龍纖維或其他熱塑性纖維、和氟化聚合物，例如氟化聚乙烯。還可以使用上述材料的組合。某些材料以官能化狀態是商購可得的。例如，羧基官能化的碳納米管是例如從 NanoLab, Newton, MA, USA商購可得的，並且官能化的矽膠是從Isco，Inc商購可得的。微粒材料可以具有例如超過1微米的顆粒大小，例如超過2微米、5微米、10微米、 25微米或甚至超過35微米。優選基材的其他物理性質將在下文描述。納米尺寸的填充劑也可以單獨或與任何大小和/或形狀的纖維材料組合使用。填充劑可以以例如顆粒、平板或纖維的形式。例如，可以使用納米大小的粘土、矽和碳納米管或巴克球，以及矽和碳納米線。填充劑可以具有小於IOOOnm的橫向尺度，例如小於900nm、 800nm、750nm、600nm、500nm、350nm、300nm、250nm、200nm、小於 lOOnm、或甚至小於 50nm。
在某些實施方案中，納米粘土是蒙脫土。此類粘土可從Nanocor，Inc.和Southern Clay產品獲得，並且已在美國專利號6，849，680和6，737，464中描述。粘土可以在混合到例如樹脂或纖維材料內之前進行表面處理。例如，粘土可以進行表面處理，從而使得它的表面在性質中是離子的，例如陽離子或陰離子的。還可以使用聚集或凝聚的納米尺寸填充劑，或裝配成超分子結構例如自裝配的超分子結構的納米尺寸填充劑。聚集或超分子的填充劑在結構中可以是開放或閉合的，並且可以具有各種形狀，例如筒、管或球形。本文描述的任何基材材料的摻和物可以用於製備本文描述的任何產物。■胃·&舗圖1顯示用於處理基材材料例如纖維或微粒材料，並且隨後使用經處理的材料以增強發酵加工過程的系統100。系統100包括基材材料在其中例如通過照射、氧化、化學官能化或其他方法進行官能化的光學模塊102。如果基材材料要以其天然狀態使用，或已進行預官能化，那麼省略這個步驟。經處理的基材材料例如官能化的顆粒或纖維通過基材遞送模塊108遞送至發酵系統106。基材材料可以以任何所需濃度遞送，例如約0. 05 % -約20 %、約0. 1 % -約10 %、 約0.2% -約6%、或約0.3% -約4%。濃度將部分由所使用基材材料的性質和多少基材材料加入作為實際物質來指定。官能化的基材材料隨後存在於發酵過程中，並且通過提供基材增強發酵過程，所述基材可以與發酵中使用的微生物例如酵母細胞相互作用。這種相互作用在圖IA中示意性顯示，所述圖IA描述了官能化的極性纖維10和具有互補極性官能團的酵母細胞12。由於纖維和酵母細胞的極性，細胞可以變得固定化在一種或多種纖維上。酵母細胞(或其他微生物)與纖維的結合可以通過氫鍵合或通過共價或離子鍵合。在某些情況下，纖維上的官能團可以與微生物上的那些反應，形成共價鍵。纖維的高表面積和多孔性提供了用於纖維和微生物的相互作用的大表面積，並且從而增強這種相互作用。固定化的細胞具有更高生產性，增加發酵加工過程的效率和得率，並且阻止該過程變得過早「粘滯」。應當指出如果混合在發酵過程中執行，那麼混合是優選相對溫和的(低剪切)，以便使微生物和纖維之間相互作用的破壞降到最低。在某些實施方案中，使用噴射混合，如於2009年5月20日提交的美國臨時申請號61/179，995、和於2009年6月19日提交的
61/218，832、和在代理人案號00119-1US下與本申請同時提交的USSN_中描述的。這些
申請各自的完整公開內容通過引用合併入本文。在圖1中所示的實現中，發酵產生粗乙醇混合物，這流動到容納槽110內。水或其他溶劑和其他非乙醇組分使用反萃取柱112從粗乙醇混合物中剝離，並且乙醇隨後使用蒸餾單元114例如精餾器進行蒸餾。最後，乙醇可以使用分子篩116進行乾燥，需要時進行變性，並且輸出至所需運送方法。在某些情況下，本文描述的系統或其組分可以是手提式的，從而使得該系統可以從一個位置轉運(例如通過軌道、貨車或海洋船隻)到另一個。本文描述的方法步驟可以在一個或多個位置執行，並且在某些情況下，一個或多個步驟可以在運輸中執行。此類移動加工在美國序列號12/374，549和國際申請號WO 2008/011598中描述，其完整公開內容通過引用合併入本文。
基材的物理件質官能化的基材材料和以其天然狀態的基材材料可以具有本文討論的物理性質。如本文使用的，平均纖維寬度(即直徑)是通過隨機選擇約5，000根纖維在光學上測定的。平均纖維長度是校正長度-加權長度。BET(Brunauer，Emmet和1Te 11 er)表面積是多點表面面積，並且多孔性是通過水銀孔率法測定的那些。如果基材材料是纖維的，那麼在某些情況下，基材材料的纖維的平均長度直徑比可以是例如大於8/1、例如大於10/1、大於15/1、大於20/1、大於25/1或大於50/1。纖維的平均長度可以是例如約0. 5mm-2. 5mm、例如約0. 75mm-l. 0mm,並且纖維的平均寬度(即直徑)可以是例如約5 μ m-50 μ m,例如約10 μ m-30 μ m。在某些實施方案中，纖維的長度標準差小於纖維的平均長度的60%，例如小於平均長度的50 %、小於平均長度的40 %、小於平均長度的25 %、小於平均長度的10 %、小於平均長度的5%、或甚至小於平均長度的1%。 在某些實施方案中，基材材料的BET表面積大於0. lm2/g，例如大於0. 25m2/g、 0. 5m2/g、l. 0m2/g、l. 5m2/g、l. 75m2/g、5. 0m2/g、10m2/g、25m2/g、35m2/g、50m2/g、75m2/g、IOOm2/ g、200m2/g、250m7g、500m7g 或甚至大於 1000m2/g。基材材料的多孔性可以是例如大於20%、大於25%、大於35%、大於50%、大於 60%、大於70%、例如大於80%、大於85%、大於90%、大於92%、大於94%、大於95%、大於97. 5%、大於99%、或甚至大於99. 5%。基材的猝滅和官能化在某些情況下，基材材料通過照射進行官能化。如本領域眾所周知的，還可以使用其他技術，例如氧化或化學官能化。在某些實施方案中，官能化基材材料不是所述加工過程的部分，例如材料以其天然狀態使用，或通過供應者進行預官能化。在用電離輻射處理後，基材材料變得電離；即，材料包括在用電子自旋共振光譜儀可檢測的水平上的原子團。目前的原子團實際檢測極限是在室溫下約IO14自旋。在電離後，可以猝滅材料，以減少經電離的材料中的原子團水平，例如從而使得原子團用電子自旋共振光譜儀不再可檢測。例如，通過給材料應用足夠壓力和/或通過利用與經電離的材料接觸的流體，所述流體例如氣體或液體，與原子團反應(猝滅)，可以使原子團猝滅。使用至少幫助原子團猝滅的氣體或液體也允許操作者以所需量和種類的官能團控制經電離的材料官能化，所述官能團例如羧酸基團、烯醇基團、醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、環烷基或氯氟烷基。如上所述，通過猝滅而賦予材料的官能團可以充當用於通過微生物或酶附著的受體位點。通過電子自旋共振光譜儀檢測經照射的樣品中的原子團和此類樣品中的原子團壽命在 Bartolotta 等人，Physics in Medicine and Biology，46 (2001)，461-471，和 Bartolotta ^A, Radiation Protection Dosimetry,第 84 Nos. 1-4,第 293-296 M (1999)中討論。在某些實施方案中，猝滅包括給經電離的材料應用壓力，例如通過使材料機械變形，例如在1、2或3個維度直接機械壓縮材料，或對將材料浸入其中的流體應用壓力，例如等靜壓制。在此類情況下，材料自身的變形使通常在結晶結構域中捕獲的原子團處於足夠接近中，從而使得原子團可以重組或與另一個基團反應。在某些情況下，壓力連同熱的應用例如足夠量的熱一起應用，以使材料的溫度升高超過材料或材料組分的熔點或軟化點。熱可以改善材料中的分子流動性，這可以幫助原子團的猝滅。當壓力用於猝滅時，壓力可以大於約 lOOOpsi，例如大於約 1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、IOOOOpsi 或甚至大於 15000psi。在某些實施方案中，猝滅包括使材料與流體例如液體或氣體相接觸，所述流體例如能夠與原子團反應的氣體，例如乙炔或乙炔在氮、乙烯、氯化乙烯或氯氟乙烯中的混合物，丙烯或這些氣體的混合物。在其他具體實施方案中，猝滅包括使材料與液體相接觸，所述液體例如在材料中可溶或至少能夠穿透到材料內且與原子團反應的液體，例如二烯，例如1，5_環辛二烯。在某些具體實施方案中，猝滅包括使材料與抗氧化劑例如維生素E相接觸。用於猝滅的其他方法是可能的。例如，在Muratoglu等人，美國專利申請
發明者H·米多夫, M·米多夫, T·馬斯特曼 申請人:希樂克公司