使用微藻同时糖化和发酵的工艺和方法技术

本发明专利技术一般涉及生物燃料的生产，特别地，涉及使用微藻底物同时糖化和发酵的工艺。根据本发明专利技术的一方面，提供了这样的工艺，其中调节培养液混合物的温度和pH以减缓葡萄糖转化速率并匹配微藻的葡萄糖代谢速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用微藻同时糖化和发酵的工艺和方法
本专利技术一般涉及藻类用于食品、饲料、化学品和生物燃料的生产，特别涉及使用微藻作为底物同时糖化和发酵的工艺。
技术介绍
微藻用于生产生物燃料的用途已经表现出意义重大的前景。然而，使用微藻进行生产和发酵的成本一直维持是高的。在基于乙醇的生物燃料的常规生产中，淀粉经由酶促转化工艺而转化成糖。在该工艺中，专用的酶催化淀粉到葡萄糖的解聚合。该步骤也称作酶促水解或糖化。许多高级生物燃料如纤维素乙醇的生产利用类似的工艺，即，采用专用的酶来将纤维素、半纤维素和木质素分解成可发酵的糖。在糖化之后，使用底物如酵母、细菌或微藻，将释放的葡萄糖发酵成乙醇。此后，乙醇被从含水的发酵液中分离，并可用于与汽油混合。在工业规模，通常使用分批或补料分批反应器进行糖化。在分批工艺中，所有组分在水解开始时置于反应器中，并且对反应器没有进一步输入或输出。在补料分批工艺中，周期地添加底物组分以控制反应速率。例如，进行酶或葡萄糖的添加以平衡底物的补料速率。在使用微藻产生生物燃料的工艺中，“异养”发酵用于将糖转化成生物质和油，其可以被转化成生物燃料。在此工艺中，糖典型地代表发酵所需的最大且最昂贵的组分。对于微藻而言，恒定、稳定的碳源(通常是葡萄糖)是发酵工艺中必要的组分。典型地，通过预先糖化的单体(例如源自淀粉的葡萄糖)的连续给料来提供葡萄糖。预先糖化的单体(例如，来自淀粉的葡萄糖)典型地经由酶促糖化或酸性水解通过从淀粉的转化而产生，然后是过滤、净化(clarification)、精炼和蒸发/浓缩步骤的组合，每一步骤增加了糖原料的成本。同时糖化和发酵(SSF)可以通过在相同容器中生产和利用葡萄糖而降低这些加工成本，消除对在单独的容器和位置处产生的葡萄糖的浓缩、加工和处理的需求。此外，尽管这种SSF方法已经用于在乙醇发酵中的较快生长的生物体(例如酵母属(Saccharomycesspp.))，但是典型的糖化步骤对于海藻发酵而言进行得过快，导致释放到发酵液中的糖单体的抑制水平。由于高葡萄糖水平的抑制作用，在发酵期间的给料通常需要细致的葡萄糖监控、对给料速率的改变、以及待添加的酶和葡萄糖的灭菌。补料分批操作的主要优势是通过进行物质(即，通常是糖原料)的添加而控制反应速率的能力。为了平衡反应，使用预定的补料曲线以及操作经验(即，试错法)。这种方法是不规则的，并且根据操作者的经验以及条件和成分的再现性而经历变化。补料分批给料工艺的自动化会增加成本。不管方法如何，常规的优化方法通常设计成使给定底物的糖化速率和糖转化速率最大化。对于微藻而言，使这些速率最大化降低了海藻生产率，因为高葡萄糖水平导致微藻的代谢速率下降。由此，使用微藻的发酵是非常劳动密集的，并且需要在加工期间连续且重复地再平衡葡萄糖条件。最后，使用微藻作为底物的成本效益被显著降低。
技术实现思路
为了使得在现有技术中发现的限制最小化，并且为了使在阅读本说明书之后将显而易见的其他限制最小化，本专利技术的优选实施方案提供了新颖的工艺，其中在发酵开始时添加未糖化的糖并且通过在培养液混合物(brothmixture)中的温度、pH或酶浓度来控制糖化酶活性，从而控制葡萄糖转化速率并匹配微藻的葡萄糖代谢速率。在使用时，本专利技术解决了在发酵技术中的多个主要技术问题：降低糖原料的成本、以较少的工艺步骤简化单元操作、以及改进污染控制。根据本专利技术的一方面，提供了这样的工艺，其通过使得在完全糖化之前施用碳水化合物聚合物来降低糖原料的成本。预先糖化的单体(例如，来自淀粉的葡萄糖)典型地需要经由酶促糖化或酸性水解从淀粉转化，然后是过滤、净化、精炼和蒸发/浓缩步骤的组合，每一步骤增加了糖原料的成本。本文公开的工艺能够在SSF工艺中使用碳水化合物聚合物，消除与额外的工艺步骤有关的成本。根据本专利技术的优选的实施方案，本专利技术的优选方法包括选择用于发酵的微藻物种。优选地，选定的海藻能够容忍未转化的糖的高浓度。此后，在发酵容器中将微藻与未转化的糖(优选玉米醪等形式)合并。此后，添加经由酶促糖化将未转化的糖转化成葡萄糖的酶。然后使葡萄糖同时可用于发酵所用的海藻。在此工艺中，优选控制葡萄糖释放速率，并且对于如下进一步讨论的选定的微藻物种而言，匹配在发酵液中的目标葡萄糖水平。根据优选的实施方案，经由对培养液混合物的pH和温度的调节来控制糖动力学(即，糖释放速率)。根据供替代的优选实施方案，糖释放动力学与外部氮(“N”)补充相匹配以平衡在不同碳(“C”):N比例下的原位发酵(例如，使用酶)并在特定时间由N补充物对其增强。本文公开的工艺允许最佳的海藻性能，同时消除或降低随着发酵进展对糖或酶的添加的需求。使用这种方法的益处包括通过改善的生物体性能而操作简易(在发酵进程中较少的添加，并且在一些情况中，通过糖的原位受控释放而发挥补料分批系统的作用的真正的分批操作)，以及较低的污染风险(较少的添加)。本文公开的工艺还通过在发酵进行时降低或消除对糖或酶的给料的需求而简化单元操作。在发酵期间的给料通常需要相关的控制，例如实时葡萄糖监控、对给料速率的调节以及葡萄糖或酶原料的临时灭菌。本文公开的工艺能够实现发酵器输入的分批或简化补料分批操作，同时获得补料分批生物体性能，这归因于糖以最佳浓缩从酶促糖化中连续释放。分批操作和/或较少的添加降低了由于工艺输入的不正确或不完全的灭菌造成的污染的机会次数。附图说明图中的元件为了增强它们的清楚性并改进对本专利技术的各种元件和实施方案的理解，而不必按比例绘制。此外，为了提供本专利技术的各种实施方案的更清楚的图示，已知是工业技术人员常见和完全理解的元件并未描绘出。因此，应理解以为了清楚和简要的形式概括出附图。图1是例示出在不同葡萄糖浓度下微藻的降低的性能的图表，表明在升高的葡萄糖水平下的抑制。图2是例示出于惯常补料分批葡萄糖给料相比，由本专利技术的方法提供的糖水平的性能和稳定性的图表。图3A是例示出对于受控糖化运行而言，生长和糖曲线的图表。图3B是例示出对于使用本专利技术的玉米/酶/海藻分批SSF工艺的糖化运行而言，生长和糖曲线的图表。图3C示出来自不受控和受控的糖化的干重比较。图4是例示出根据本专利技术的第一优选实施方案的用于生产生物燃料的示例性方法的流程图。具体实施方式在解决本专利技术的诸多实施方案和应用的以下讨论中，对附图进行参考，附图形成以下讨论的一部分，并且以例示方式示出本专利技术可以实践的具体实施方案。应理解可以使用其他实施方案并且可以在不背离本专利技术的范围的情况下做出改变。以下描述多种专利技术特征，其可以各自彼此独立使用或与其他特征组合使用。然而，任何单独的专利技术特征可能不解决以上讨论的任何问题，或可能仅解决以上讨论的问题之一。此外，可能通过以下描述的任一特征不能完全解决以上讨论的问题中的一个或多个。本专利技术涉及由生物质生产生物燃料和其他可消耗的产品。这些生物燃料和可消耗的产品可以包括食品、饲料、化学品、燃料(即，可再生柴油、乙醇等)等，出于便利，这些在下文通常为生物燃料。特别地，本专利技术涉及这样的工艺，当使用微藻底物生产生物燃料时，所述工艺意欲降低糖原料的成本并简化单元操作且改善污染控制。此外，本专利技术还用于改善由海藻生产的特定化合物的数量和/或品质，例如脂质(例如增强的C18分布)、多糖(例如增强的鼠李糖浓度)和蛋白本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于生产生物燃料的工艺，其中所述工艺包括：预先水解产物原料的预先处理和液化；通过将所述预先水解产物原料与一种或多种酶和一种或多种微藻物种在发酵容器中合并而启动酶促水解，以产生反应混合物；向所述反应混合物添加营养物以辅助微藻生长；发酵所述反应混合物以产生微藻生物质，其中所述酶促水解和发酵同时进行；以及在所述同时的酶促水解和发酵期间测量和调节所述反应混合物的温度和pH；其中测量和调节所述反应混合物的温度和pH以减缓葡萄糖转化速率并匹配所述微藻的葡萄糖代谢速率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.20 US 62/105,4051.用于生产生物燃料的工艺，其中所述工艺包括：预先水解产物原料的预先处理和液化；通过将所述预先水解产物原料与一种或多种酶和一种或多种微藻物种在发酵容器中合并而启动酶促水解，以产生反应混合物；向所述反应混合物添加营养物以辅助微藻生长；发酵所述反应混合物以产生微藻生物质，其中所述酶促水解和发酵同时进行；以及在所述同时的酶促水解和发酵期间测量和调节所述反应混合物的温度和pH；其中测量和调节所述反应混合物的温度和pH以减缓葡萄糖转化速率并匹配所述微藻的葡萄糖代谢速率。2.如权利要求1所述的工艺，其中所述原料是玉米衍生物。3.如权利要求2所述的工艺，其中所述预先处理包括施加蒸汽。4.如权利要求3所述的工艺，其中所述预先处理包括使用酸性催化剂的蒸汽爆破处理。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：托比·艾仁思，亚当·克罗特，克里斯托弗·马洛尼，斯如温科亚当·维斯瓦纳坦，
申请(专利权)人：藻类生物过程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US