燃料用纖維質(zhì)原料的微生物處理的制作方法

專利名稱：燃料用纖維質(zhì)原料的微生物處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請一般涉及微生物系統(tǒng)和化學(xué)系統(tǒng)將纖維質(zhì)廢料和其它生物廢料轉(zhuǎn)化成日用化學(xué)品如生物燃料/生物汽油的用途。
背景技術(shù)：
石油正面臨全球存儲下降的問題，并且導(dǎo)致超過30%的溫室氣體排放，從而促使全球變暖。全球每年消耗8000億桶運輸燃料。柴油燃料和噴氣燃料占全球運輸燃料的50% 以上。已經(jīng)通過意義重大的立法，要求燃料生產(chǎn)商對來自運輸燃料的生產(chǎn)和使用的碳排放設(shè)定上限或者將其降低。燃料生產(chǎn)商正在尋求實質(zhì)相似的低凈碳燃料，其可以通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施(如精煉廠、管道、油輪)混合并分送。由于石油成本的增加以及對石油化工原料的依賴，化工行業(yè)也在尋找各種方法以改善利潤和價格的穩(wěn)定性，同時減小對環(huán)境的影響?；ば袠I(yè)正致力于發(fā)展更綠色的產(chǎn)品， 其在能量、水和CO2方面比當(dāng)前的產(chǎn)品更有效。由生物來源所生產(chǎn)的燃料代表了過程的一個方面。

發(fā)明內(nèi)容
提供了利用微生物將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成燃料的系統(tǒng)及方法。在一個方面，一種生產(chǎn)脂質(zhì)的方法包括接收包括生物廢料的原料；使原料暴露在能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成脂質(zhì)的微生物中；和提取所生產(chǎn)的脂質(zhì)。在本發(fā)明的一個方面，一種生產(chǎn)燃料的方法包括接收包括纖維素的原料；使用微生物將原料的至少一部分轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)；提取由微生物生產(chǎn)的脂質(zhì)；和將所生產(chǎn)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化成液體燃料。在本發(fā)明的另一個方面，一種生產(chǎn)脂質(zhì)的系統(tǒng)包括發(fā)酵器和與發(fā)酵器連通的控制器。該控制器向發(fā)酵器提供操作指令，并且發(fā)酵器生產(chǎn)脂質(zhì)。結(jié)合以下詳述、權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將顯而易見。


本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容，包括其結(jié)構(gòu)和操作，可部分通過研究附圖獲取，在這些附圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的部分，并且其中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案的纖維質(zhì)原料預(yù)處理工藝的流程圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方案的接種和發(fā)酵工藝的流程圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方案的微生物收集工藝的流程圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明實施方案的接種和發(fā)酵工藝的流程圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明實施方案的分離工藝的流程圖。圖6為根據(jù)圖1至5所使用的工藝設(shè)備的框圖。
具體實施例方式閱讀本說明書后，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，如何以替代實施方案及替代應(yīng)用來實施本發(fā)明將顯而易見的。然而，雖然本文將描述本發(fā)明的多個實施方案，但應(yīng)當(dāng)理解這些實施方案僅以舉例而非限制的方式示出。因此，多個替代實施方案的詳述不應(yīng)理解為對所附權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的范圍或廣度的限制。所描述的實施方案涉及由低價值的生物來源原料生產(chǎn)液體燃料的系統(tǒng)和方法。在一些實施方案中，這些系統(tǒng)和方法具體涉及由纖維質(zhì)原料生產(chǎn)柴油、汽油和/或航空燃料。 在一些實施方案中，該方法包括輸入未加工原料和輸出三?；视?“TAG”)或其它脂質(zhì)和芳香族化合物的多步工藝。轉(zhuǎn)化纖維質(zhì)材料的本發(fā)明方法利用專門培養(yǎng)的原料來生產(chǎn)生物燃料。除了這些 “培養(yǎng)的纖維質(zhì)原料”之外，纖維質(zhì)原料還可得自纖維質(zhì)廢料，諸如鋸屑、木屑、纖維素、藻類、其它生物材料、市政固體廢棄物(例如，紙、紙板、食品廢棄物、園林廢棄物等)及類似纖維質(zhì)廢料。根據(jù)本發(fā)明實施方案的方法包括將纖維質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化成液體燃料。在一個方面，采用專門選擇或培養(yǎng)的微生物將諸如農(nóng)業(yè)廢棄物的纖維質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)，例如TAG。這些微生物將游離糖、纖維素和半纖維素(植物物質(zhì)的主要組分)轉(zhuǎn)化成TAG。TAG包括連接至甘油主鏈的三種脂肪酸。當(dāng)脂肪酸與甘油解離且經(jīng)加氫處理時，將它們轉(zhuǎn)化成烴，這些烴形成柴油、汽油和噴氣燃料的主要組分。在一些實施方案中，TAG本身可用作燃料組分。在其它實施方案中，將脂肪酸轉(zhuǎn)化成諸如生物柴油的燃料。與本發(fā)明方法相關(guān)的有益效果是燃料燃燒時無凈碳進(jìn)入大氣中，因為原料最初通過光合作用產(chǎn)生， 從而截存了大氣中的二氧化碳。除了烷烴之外，汽油燃料和噴氣燃料規(guī)范還要求具有一定比例的芳香族化合物。 TAG不能容易地轉(zhuǎn)化成芳香族化合物。然而，植物物質(zhì)還包含木質(zhì)素(一種芳香族化合物的聚合凝聚體)，其可分解成燃料所需的芳香族化合物。特殊的微生物攻擊木質(zhì)素并將其轉(zhuǎn)化成更小的單個芳香族化合物。因此，微生物轉(zhuǎn)化方法可足以將來源于植物物質(zhì)的農(nóng)業(yè)和市政廢棄物(紙、紙漿、食品廢棄物、庭院廢棄物等)轉(zhuǎn)化成燃料的所有組分。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，合適的生物原料包括高分子量、高能含量的分子，諸如鋸屑、木屑、纖維素、藻類、其它生物材料，或其它可轉(zhuǎn)化成燃料的固體材料。所得燃料可以呈流體形式，這意味著氣體組分和液體組分可有助于燃料的構(gòu)成。例如，在一個實施方案中， 所得燃料可包括甲烷(氣體)和辛烷(液體)，以及多種其它組分。原料材料可為低價值的或廢棄的材料。在本發(fā)明的某些實施方案中，纖維質(zhì)原料包括至少10%的纖維質(zhì)廢料。在一些實施方案中，纖維質(zhì)生物質(zhì)原料包括大于50%的纖維質(zhì)廢料。在另外的其它實施方案中，纖維質(zhì)生物質(zhì)原料包括最多100%的纖維質(zhì)廢料。在一個方面，原料可為植物來源的生物制品，因此當(dāng)所得燃料產(chǎn)物燃燒時不會造成大氣二氧化碳的凈增加。在一些實施方案中，可使用兩種或更多種原料。例如，次級原料可包括纖維素轉(zhuǎn)化過程的任何材料副產(chǎn)物，所述材料能夠通過微生物作用轉(zhuǎn)化成燃料。次級原料可包括甘油分子或其片段，或具有附加碳原子或附接有短鏈烷鏈的甘油。此類化合物可在例如烷烴從 TAG中分離時產(chǎn)生。為了解釋簡單起見，根據(jù)本發(fā)明的方法可分為三個主要步驟(1)原料預(yù)處理； ⑵接種和發(fā)酵/消化；和⑶脂質(zhì)和/或芳香族產(chǎn)物的收獲及提取。(1)原料預(yù)處理在一個實施方案中，對未加工原料進(jìn)行預(yù)處理，以使其碳含量易受微生物消化并殺死任何天然存在的微生物，這些微生物可能會與被引入用于生成脂質(zhì)和/或芳香族化合物的優(yōu)選物種進(jìn)行競爭。預(yù)處理可包括三個步驟(1)機(jī)械預(yù)處理；(2)熱-化學(xué)預(yù)處理和滅菌或紫外線(“UV”)照射或巴氏滅菌；和(3)過濾/分離。在機(jī)械預(yù)處理步驟中，可將未加工原料輸送至切碎機(jī)、粉碎機(jī)、研磨機(jī)或其它機(jī)械加工機(jī)，以增加表面積與體積的比例。熱-化學(xué)預(yù)處理步驟可用水、熱和壓力的組合來處理機(jī)械加工的材料。任選地，還可在熱_壓處理之前添加酸性或堿性添加劑或酶。此處理還使固體組分展開(例如，增加表面積與體積的比例)以便微生物進(jìn)入，并且將糖和其它化合物溶解成液相以使其更易于被微生物消化。此類處理的實例包括具有各自地稱為水解或糖化的這類處理過程，但也可利用低能量處理，例如在水中簡單地蒸煮或熬煉。在一個實施方案中，在熱_化學(xué)預(yù)處理步驟之前添加無碳微生物養(yǎng)分。無碳微生物養(yǎng)分包括，例如氮、磷、硫、金屬等來源。添加無碳微生物養(yǎng)分后，然后可對整體進(jìn)行滅菌。過濾/分離步驟優(yōu)選地將固體物質(zhì)(例如，木質(zhì)素濃縮處的固體物質(zhì))與液體(例如，其包含大部分來自原料中纖維素和半纖維素的糖和多糖)分離。在一些實施方案中，將原料(例如，通過添加甘油)強(qiáng)化。例如，用于原料強(qiáng)化的甘油可以某些TAG轉(zhuǎn)化過程中的副產(chǎn)物的形式獲得。具體地講，通過TAG轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物柴油燃料(例如，通過酯交換)來釋放甘油。然后，可以代謝釋放的甘油以有助于TAG形成。 向原料中添加甘油的有益效果是，其可加速在下述發(fā)酵期間某些微生物物種的生長。應(yīng)當(dāng)理解，由酯交換得到的甘油不具有高純度，而是包括多種組分?，F(xiàn)參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的纖維質(zhì)原料預(yù)處理工藝100的流程圖。 預(yù)處理工藝100包括用于接收纖維質(zhì)原料的接收階段110和用于將原料轉(zhuǎn)化成小顆粒的機(jī)械預(yù)處理階段120。預(yù)處理工藝100還包括熱-化學(xué)預(yù)處理階段130，該階段展開纖維質(zhì)結(jié)構(gòu)，以使纖維質(zhì)結(jié)構(gòu)更易受微生物影響并且使一些糖和多糖進(jìn)入溶液中。在一些實施方案中，在熱-化學(xué)預(yù)處理階段130中，將水和任選的酸性或堿性添加劑134添加到原料中。在一些實施方案中，還在熱-化學(xué)預(yù)處理階段130中添加用于微生物代謝的無碳養(yǎng)分138。應(yīng)當(dāng)理解，熱-化學(xué)處理步驟130還可用于對纖維質(zhì)材料和周圍的液體進(jìn)行滅菌，從而潛在地抑制競爭性微生物。預(yù)處理工藝100還包括固-液分離階段140，該階段可采用諸如過濾器和/或離心機(jī)的機(jī)械裝置將大量的固體原料與液體部分分離。如上所述，液體部分144包括大部分糖和多糖，而固體部分148包括木質(zhì)素以及未溶解的纖維素和半纖維素。(2)接種和發(fā)酵在接種和發(fā)酵階段，將處理過的原料的固體和液體部分優(yōu)選地置于單獨的消化器中。消化器為包含原料材料和將原料分別分解成脂質(zhì)或芳香族化合物的微生物、溶劑(例如，水)和無碳養(yǎng)分(例如，硝酸鹽、磷酸鹽、痕量金屬等)的容器。微生物可以為以下兩類中的任何一類物種將纖維素、半纖維素或甘油轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)的一類物種，和將木質(zhì)素分解成芳香族化合物的第二類物種。包括將纖維素、半纖維素或甘油轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)的細(xì)菌和/或真菌物種的微生物包括，例如里氏木霉(Trichoderma reesi)、不動桿菌屬(Acinetobacter sp.)以及方文線菌屬(Actinomyces)禾口鏈霉菌屬 (Streptomyces)的成員，這些物種貯存最多80%的呈脂質(zhì)的干菌體(dry cell mass) 0其它細(xì)菌和真菌物種將木質(zhì)素分解成芳香族化合物。在一些實施方案中，采用標(biāo)準(zhǔn)工序使用于接種的微生物在發(fā)酵劑培養(yǎng)物中生長。 標(biāo)準(zhǔn)工序可根據(jù)所選的具體物種變化。所得脂質(zhì)可包括具有直鏈烴部分的任何分子形式。此類脂質(zhì)是有利的，因為直鏈烴部分較易于轉(zhuǎn)化成車用燃料。脂質(zhì)包括TAG和蠟酯。單-或多-不飽和烴鏈還發(fā)現(xiàn)于脂質(zhì)中，并且適于轉(zhuǎn)化成烷烴，盡管需要附加的氫使其飽和。所得的芳香族化合物包括具有碳環(huán)結(jié)構(gòu)的任何分子形式。優(yōu)選的芳香族化合物的實例包括二甲苯、甲苯及其它。在一些實施方案中，通過將微生物保持在高碳、低氮環(huán)境中且提供通氣和/或攪拌來促進(jìn)TAG和芳香族化合物的生成。應(yīng)了解，優(yōu)化原料碳轉(zhuǎn)化成TAG或芳香族化合物的百分比需控制微生物培養(yǎng)物的生長，以降低細(xì)胞復(fù)制所消耗的碳和代謝活性，從而增加生成TAG和芳香族化合物時所消耗的碳。這可通過控制無碳養(yǎng)分與原料中碳的比例，以及通過控制其它參數(shù)如PH、溫度、溶解氧、二氧化碳生成量、流體剪切等來實現(xiàn)。在一些實施方案中，這些參數(shù)的一個或多個測量值可用于確定何時收獲所產(chǎn)生的TAG。換句話講，這些參數(shù)中的一個或多個可具有與所需TAG產(chǎn)量相關(guān)或指示所需TAG產(chǎn)量的值。例如，在一些實施方案中，通過使反應(yīng)容器整體移動(例如，通過以控制頻率將其來回?fù)u動)或借助于浸沒在流體中的機(jī)械攪拌器(例如，由電動馬達(dá)以控制頻率驅(qū)動的多種攪拌槳或攪拌棒形式中的任何一種)來控制流體剪切。在一些實施方案中，對流體通氣或充氧通過許多方法實現(xiàn)，這些方法包括通過流體的機(jī)械攪拌所引起的湍流來夾帶空氣和通過將空氣、富含氧氣的空氣或純氧氣鼓泡通過流體?，F(xiàn)參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的接種和發(fā)酵工藝200的流程圖。接種和發(fā)酵工藝200包括接收階段210和接種步驟220，接收階段210用于接收來自預(yù)處理工藝100的液體輸出物144，接種步驟220將所選微生物的發(fā)酵劑培養(yǎng)物225添加到液體144 中，以形成接種步驟220的混合物。所選微生物可為單一物種或菌株，或多個物種或菌株的組合。接種和發(fā)酵工藝200還包括代謝步驟230，該步驟處理混合物并采用本領(lǐng)域中合適的方法控制參數(shù)，如溫度、PH、溶解氧和流體剪切。在此代謝步驟230期間，微生物進(jìn)行增殖，然后使原料代謝，從而形成細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)內(nèi)含物。在此階段結(jié)束(例如，根據(jù)時間、PH、 溶解氧或其它參數(shù)中的一個或多個的限定值確定)時，代謝停止，得到貧化流體(cbpleted fluid) 240，其具有懸浮的含脂質(zhì)的微生物。現(xiàn)參照圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的接種和發(fā)酵工藝400的流程圖。接種和發(fā)酵工藝400包括接收階段410和接種步驟420，接收階段410用于接收來自預(yù)處理工藝 100的預(yù)處理原料148的固體部分，在接種步驟420中，原料148的部分與無菌水和無碳養(yǎng)分424以及適于分解木質(zhì)素428的特選微生物混合。接種和發(fā)酵工藝400還包括代謝步驟430、該步驟處理此混合物并采用本領(lǐng)域中合適的方法控制參數(shù)，如溫度、PH、溶解氧和流體剪切。在此代謝步驟430期間，微生物進(jìn)行增殖，然后代謝原料，從而將木質(zhì)素分解成釋放到溶液中的較小的芳香族化合物。在此階段結(jié)束(例如，根據(jù)時間、PH、溶解氧或其它參數(shù)中的一個或多個的限定值確定)時，代謝停止，得到混合物440，其包含貧化固體、微生物以及包含所需芳香族化合物的氣體和液體。(3)收獲和產(chǎn)物提取從消化器中提取產(chǎn)物的方法取決于產(chǎn)物是得自纖維素分解的TAG還是得自木質(zhì)素分解的芳香烴。依次考慮每一種情況。然而，在這兩種情況下，選擇合適的收獲時間會使收率最大化。參數(shù)諸如PH、溶解氧、二氧化碳生成量、殘余的碳養(yǎng)分濃度及類似參數(shù)可用于確定最佳收獲時間。收獲和提取TAG消化器中的液體介質(zhì)為生產(chǎn)TAG的微生物提供營養(yǎng)，使得微生物活躍并進(jìn)行復(fù)制。這些微生物將TAG貯存在胞內(nèi)結(jié)構(gòu)中。因此，第一個步驟為從液體介質(zhì)中收獲或收集細(xì)胞生物質(zhì)。一些細(xì)胞往往形成尺寸為數(shù)百微米的多細(xì)胞凝聚體，在這種情況下，收獲可通過篩選、篩分、離心或過濾來進(jìn)行。此步驟的結(jié)果為通常包括過量水的細(xì)胞物質(zhì)團(tuán)塊，例如濕法發(fā)酵產(chǎn)物。當(dāng)細(xì)胞趨于保持分離時，收獲可包括添加凝結(jié)劑和其它細(xì)胞分離步驟。在一些實施方案中，將濕法發(fā)酵產(chǎn)物在收集步驟后干燥。例如，可通過滾壓機(jī)擠壓移除大量過剩的水。然后可使用真空烘箱、冷凍干燥機(jī)或其它常見的干燥設(shè)備將產(chǎn)物進(jìn)一步干燥。應(yīng)認(rèn)識到，當(dāng)使用真空烘箱時，例如，應(yīng)將溫度控制為使得TAG不發(fā)生水解或僅最低程度地發(fā)生水解。在一些實施方案中，選擇凍干為干燥方法是因為其具有增加所得干物質(zhì)的表面積與體積比例的作用，從而使后續(xù)提取加快。在一些實施方案中，閃凍(例如，通過浸入液氮中)用于分裂細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以改善后續(xù)提取的效率。因為提取的液體可包含殘余養(yǎng)分以及未收獲的微生物細(xì)胞，所以可對此流體進(jìn)行再利用。例如，在一個實施方案中，將得自一個生產(chǎn)周期的流體(例如，濾液)用作下個生產(chǎn)周期的起始培養(yǎng)基(例如，液體介質(zhì))的一部分。因為流體還可包含通過復(fù)制和消化微生物所釋放的代謝物，并且高代謝物濃度會抑制隨后的生產(chǎn)周期，因此在一個實施方案中， 將回收利用的流體進(jìn)行處理以中和代謝物。在某些情況下，還可對回收利用的流體進(jìn)行滅菌。收集過后，將細(xì)胞物質(zhì)暴露在細(xì)胞破碎儀(例如，用于從細(xì)胞內(nèi)提取脂質(zhì)物質(zhì)的裝置)中。在一些實施方案中，細(xì)胞破碎儀通過對細(xì)胞進(jìn)行例如熱、超聲或或化學(xué)破碎(裂解)而將脂質(zhì)從微生物細(xì)胞釋放。在一個實施方案中，化學(xué)裂解包括利用氯仿-甲醇溶液使細(xì)胞及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂解。在不希望受任何具體理論束縛的情況下，據(jù)信是甲醇使細(xì)胞破碎，而氯仿用于提取脂質(zhì)。也可將其它化學(xué)溶劑(包括但不限于二氯甲烷和氯仿-甲醇) 用于化學(xué)裂解和脂質(zhì)提取。一旦脂質(zhì)從胞內(nèi)結(jié)構(gòu)釋放，其就與細(xì)胞碎屑分離。在一些實施方案中，采用機(jī)械脂質(zhì)分離器。例如，可采用從混合物的頂部引導(dǎo)漂浮富脂質(zhì)物質(zhì)的刮刀，從脂質(zhì)分離器的底部抽吸較重組分的槽或取決于脂質(zhì)性質(zhì)的其它端口裝置。此外，在一些實施方案中，可采用化學(xué)溶劑化方法來提供較高純度水平的TAG。例如，采用如己烷或庚烷的低碳烷烴溶劑得到的TAG的純度高于用機(jī)械裝置得到的純度，這是因為磷脂和蛋白質(zhì)不溶于烷烴。因此，所得 TAG可能受磷和金屬污染的程度較低，這在一些燃料中是所期望的。提取TAG后，TAG轉(zhuǎn)化成烴，這些烴然后可分餾形成汽油、柴油或噴氣燃料的組分。 此類轉(zhuǎn)化方法是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所已知的?，F(xiàn)參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的微生物物質(zhì)或中間產(chǎn)物收集工藝300 的流程圖。微生物收集工藝300包括用于接收貧化流體240的接收階段310，貧化流體240 具有來自接種和發(fā)酵工藝200的懸浮的含TAG的微生物，并且微生物收集工藝300采用本文所述的一種或多種分離技術(shù)來收獲或收集320微生物物質(zhì)或中間產(chǎn)物330。在一些實施方案中，采用機(jī)械方法(諸如過濾、篩分、篩選、離心或沉淀中的一種或多種)將微生物物質(zhì) 330與貧化液體325分離。在一些實施方案中，回收利用貧化液體325，作為添加到圖1預(yù)處理階段100的原料中的水134的部分。貧化液體(cbpleted liquid) 325可能需要緩沖(未示出)以減輕圖2的代謝階段230中由微生物分泌的代謝物的其它抑制作用。微生物物質(zhì)或中間產(chǎn)物330由濕微生物發(fā)酵產(chǎn)物組成。因此，干燥步驟340可任選地進(jìn)行，以加速提取過程。干燥步驟340可利用在烘箱中的加熱、在真空烘箱中的加熱和 /或排氣、凍干(采用或不采用低溫冷凍液)或其它干燥方法。此步驟340的結(jié)果為干微生物物質(zhì)或中間產(chǎn)物350。然后對濕物質(zhì)330或干物質(zhì)350進(jìn)行細(xì)胞破碎步驟360，該步驟使細(xì)胞結(jié)構(gòu)分裂， 從而使TAG觸及化學(xué)溶劑。細(xì)胞破碎步驟360可利用包括機(jī)械、熱或化學(xué)方法中的一種或多種方法。例如，機(jī)械破碎方法可包括超聲、切割、擠壓、滾壓或研磨方法中的一種或多種。除了其它方式，熱方法還可采用熱空氣或微波能量等方法?；瘜W(xué)方法采用包括但不限于氯仿、 氯仿和甲醇或二氯甲烷的若干化學(xué)試劑中的一種。細(xì)胞破碎步驟360的輸出物為具有所釋放的TAG 370的生物質(zhì)。用于此步驟360中的破碎化學(xué)物質(zhì)可在封閉循環(huán)系統(tǒng)中捕集、回收和重復(fù)利用。微生物收集工藝300還包括TAG提取或初步純化步驟380。在一些實施方案中，TAG提取通過化學(xué)溶劑化進(jìn)行，其中采用包括短鏈烷烴(如己烷和庚烷)的溶劑。溶劑化后進(jìn)行潷析，按照實現(xiàn)所需TAG純度和不含污染物的需要進(jìn)行重復(fù)。TAG提取步驟380 的輸出物為經(jīng)提取和純化的TAG 384以及細(xì)胞碎屑388。用于此步驟380的溶劑可在封閉循環(huán)系統(tǒng)中捕集、回收和重復(fù)利用。如上所述，干微生物物質(zhì)或中間產(chǎn)物在微生物細(xì)胞內(nèi)包含TAG。下一個步驟同時破碎細(xì)胞并提取TAG。其依賴于下列溶劑的混合物a.用于破碎細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基于醇的溶劑(諸如甲醇、乙醇、異丙醇等)；和b.用于提取TAG的極性有機(jī)溶劑(諸如氯仿、二氯甲烷、丙酮等)。在一個實施方案中，該溶劑包括10%的甲醇和90%的氯仿的混合物。TAG的百分比不必精確。如果干微生物物質(zhì)致密且柔韌，則可將其在溶劑混合物中預(yù)先浸泡數(shù)小時，然后進(jìn)行下一步驟。如果其多孔且松散，則無需預(yù)先浸泡。通過將熱溶劑混合物反復(fù)濾過一定量的干微生物物質(zhì)來進(jìn)行細(xì)胞破碎和TAG提取。在實驗室，這通過索格利特抽提器(Soxhlet apparatus)來實現(xiàn)。在工業(yè)規(guī)模下，用更堅固和更節(jié)能的大型系統(tǒng)來代替索格利特抽提器?；净瘜W(xué)原理仍相同將干發(fā)酵產(chǎn)物在熱溶劑中反復(fù)暴露，直到幾乎所有的細(xì)胞破碎和幾乎所有的TAG已進(jìn)入溶液為止。在索格利特抽提器中，對溶劑的儲存器加熱，使其沸騰。蒸汽上升，直到其在冷卻至恰好沸點以下的冷凝器中冷凝為止。冷凝液滴入含有干生物質(zhì)的容器中。熱(因此化學(xué)性質(zhì)更活躍)的溶劑水平面上升，從而浸沒生物質(zhì)。每當(dāng)容器中的液體到達(dá)虹吸管彎曲處的頂部時，容器頂部的虹吸管就將容器中的液體流回到溶劑儲存器中。此過程可能消耗數(shù)十分鐘的時間。在此期間，溶劑混合物同時分解細(xì)胞結(jié)構(gòu)和溶解TAG(和其它細(xì)胞內(nèi)的分子)。當(dāng)容器中的液體全部流入溶劑儲存器中時，此刻容器中裝載著溶解的TAG?？芍貜?fù)進(jìn)行蒸發(fā)-冷凝-填充-溶解-虹吸的循環(huán)，直到從生物質(zhì)中不再提取出顯著量的TAG為止。溶劑儲存器中收集的物質(zhì)包含TAG，現(xiàn)已從微生物細(xì)胞提取出來。在一些實施方案中，儲存器包含TAG、在極性溶劑中可溶的其它生物分子以及溶劑本身。蒸發(fā)和蒸餾階段將溶劑從混合物中蒸發(fā)出來并將其冷凝，從而再次捕集溶劑以供重復(fù)利用。此刻殘留在儲存器中的物質(zhì)稱為粗TAG，因為其可能包含雜質(zhì)。精煉步驟包括在由短鏈烴(如庚烷或庚烷與己烷或石油醚的混合物)構(gòu)成的溶劑中處理粗TAG。一個實施方案采用庚烷與低沸點(沸點介于40°C和60°C之間)石油醚的 1 1混合物。在一些實施方案中，將細(xì)胞碎屑388置于氣化器中，并將其消耗以現(xiàn)場發(fā)電和/或產(chǎn)生工藝用熱。細(xì)胞碎屑388還可用作圖2代謝階段230中的碳和無碳養(yǎng)分的一部分?？蛇x地，可將細(xì)胞碎屑388收集、加工并以其它產(chǎn)品(例如畜牧飼料)出售。容易理解的是，根據(jù)本發(fā)明實施方案生產(chǎn)的TAG可用作適于運輸用途的液體燃料。在一些實施方案中，燃料產(chǎn)品包括具有在預(yù)定范圍內(nèi)的分子量(例如，如車輛發(fā)動機(jī)所需)的飽和非芳香烴分子(例如，直鏈和支鏈烷烴)。在一些實施方案中，TAG組分可用作汽油的替代品。在此類實施方案中，TAG包括大約6至12個碳范圍內(nèi)的組分。在一些實施方案中，TAG組分可用作航空燃料的替代品。在此類實施方案中，TAG 組分主要包括烷烴。在一些實施方案中，TAG組分可用作柴油燃料的替代品。在此類實施方案中，TAG 包括16至18個碳范圍內(nèi)的烷烴，并且包括任選附加的約14至20個碳范圍內(nèi)的次要成分。表1示出由所選微生物菌株生產(chǎn)的示例性TAG組分。表1:生產(chǎn)的TAG
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)脂質(zhì)的方法，所述方法包括 接收包括生物物質(zhì)的原料；將所述原料暴露在能夠?qū)⑺鲈限D(zhuǎn)化成脂質(zhì)的微生物中；和提取所生產(chǎn)的脂質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括用機(jī)械預(yù)處理、熱-化學(xué)預(yù)處理、滅菌、紫外線照射、巴氏滅菌、過濾和分離中的至少一種對所述原料進(jìn)行預(yù)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)包括三?；视?，所述方法還包括將所述三?；视头蛛x成甘油和脂肪酸甲酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括通過將所述甘油添加到所述原料中而對其進(jìn)行回收利用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 將所述原料分離成液相和固相。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將所述原料暴露在微生物中的步驟包括用微生物接種對所述液相進(jìn)行接種，并且提供了所述微生物將所述原料轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)的合適的條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括提取脂質(zhì)后回收利用任何殘余的液相物質(zhì)，所述回收利用通過將所述回收利用的液相物質(zhì)添加到所述原料中來實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括 將水和養(yǎng)分添加到所述固相中；用能夠?qū)⑺龉滔噢D(zhuǎn)化成芳香族化合物的微生物對所述固相進(jìn)行接種；和提供了所述微生物將所述固相轉(zhuǎn)化成芳香族化合物的合適的條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括提取所生產(chǎn)的芳香族化合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括提取芳香族化合物后回收利用任何殘余的固相物質(zhì)，所述回收利用通過將所述固相物質(zhì)用作氣化原料來實現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述固相包括木質(zhì)素。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料。
13.—種生產(chǎn)燃料的方法，所述方法包括 接收包括纖維素的原料；采用微生物將所述原料的至少一部分轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)； 從所述微生物中提取所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)；和將所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述纖維素來源于纖維質(zhì)廢料，所述纖維質(zhì)廢料包括鋸屑、木屑、藻類、市政固體廢棄物和其它生物材料中的至少一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述原料還包括游離糖、半纖維素和其它植物物質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)包括游離脂肪酸、三?；视?、蠟酯、直鏈烴和支鏈烴中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述原料用甘油來加強(qiáng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述微生物包括選自下列的細(xì)菌或真菌物種中的至少一種里氏木霉、不動桿菌屬以及放線菌屬和鏈霉菌屬的成員。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述微生物還能將所述原料轉(zhuǎn)化成芳香族化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述微生物將所述脂質(zhì)貯存在胞內(nèi)結(jié)構(gòu)中，所述方法還包括在提取所述脂質(zhì)前至少部分地干燥所述微生物。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中提取所述脂質(zhì)的步驟包括將所述微生物暴露在基于醇的溶劑和極性有機(jī)溶劑中。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述基于醇的溶劑選自甲醇、乙醇、異丙醇及其組合。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述極性有機(jī)溶劑選自氯仿、二氯甲烷、丙酮及其組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述溶劑包括大約10%體積的甲醇和90%體積的氯仿的混合物。
25.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述脂質(zhì)包括三?；视?，并且其中所述將所述所生產(chǎn)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料的步驟包括將所述三酰基甘油解離成脂肪酸和甘油；和對所述脂肪酸進(jìn)行加氫處理以生成飽和烴。
26.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述所生產(chǎn)的燃料包括生物柴油燃料、柴油燃料、汽油燃料和噴氣燃料中的至少一種。
27.一種用于生產(chǎn)三酰基甘油的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 發(fā)酵器；和與所述發(fā)酵器連通的控制器，所述控制器對所述發(fā)酵器提供操作指令； 其中所述發(fā)酵器生產(chǎn)所述三?；视汀?br> 28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，還包括連接至所述發(fā)酵器的提取器，其中所述提取器收集所述三?；视?。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述控制器通過網(wǎng)絡(luò)與所述發(fā)酵器連通。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述控制器與用戶界面連通，使得用戶可在所述用戶界面上改變所述發(fā)酵器的操作指令。
全文摘要
本發(fā)明提供了利用微生物將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成燃料的系統(tǒng)及方法。在一個方面，生產(chǎn)脂質(zhì)的方法包括接收包括生物質(zhì)的原料；將原料暴露在能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成脂質(zhì)的微生物中；和提取所生產(chǎn)的脂質(zhì)。
文檔編號C12M1/33GK102177245SQ200980139855
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者D·E·紐曼, J·C·西爾卡, K·A·楊, K·阿里薩拉, S·M·梅農(nóng), S·吉迪, S·歐舍德 申請人:梅農(nóng)及合伙人公司