[发明专利]制备用于生物燃料、生物柴油和其它有用的化学品的脂肪酸的方法

说明书

发明背景

石油是一种非再生资源。因此，许多人担心未来石油储备的枯竭。有些人已指出世界石油资源将在21世纪用尽(Kerr RA，Science 1998，281，1128)。

这促进了可替代的碳氢化合物产品的发展，例如来自植物衍生原料和废物的乙醇和其它微生物发酵产品。事实上，当前研究估计，美国每年可以轻易生产十亿吨干生物质(生物质原料)材料(其中超过一半是废物)。其中主要是纤维素生物资源的形式。

纤维素包含于全世界几乎每一种在草甸、森林和田地中天然、自由生长的植物、树木和灌木，这不需要农业作用或成本去促使其生长。

据估计，在2030年，这些纤维素材料可以用来产生足够的乙醇，以代替30％或更多的美国能源需求。该策略的重大优点在于纤维是地球上最丰富的并且可再生的碳源，其向可用燃料的有效转化可以解决世界能源问题。

纤维素乙醇已被广泛研究。纤维素乙醇与例如来自玉米淀粉或糖的其它来源的乙醇是在化学上相同的，但是其具有纤维素原料非常丰富且来源广泛的优点。然而，其不同之处在于其需要大量处理来使得糖单体被常规用于发酵制备乙醇的微生物使用。

虽然纤维素是一种丰富的植物原料资源，但是它的刚性结构使得纤维素成了一种难以加工的起始原料。因此，需要一种有效的预处理将纤维素从木质素包封和它的晶体结构中释放出来，从而使其可以经受随后的水解步骤。到目前为止，大多数预处理通过物理或化学方法完成。为了实现更高的效率，一些研究人员开始寻求两种效果的结合。

到目前为止，可用的预处理技术包括酸水解，蒸汽膨胀，氨纤维膨胀、碱湿氧化和臭氧预处理。除了有效的纤维素释放外，理想的预处理需要最小化降解产物的形成，因为他们对随后的水解和发酵处理有抑制作用。

抑制物的存在使得很难制得乙醇。纵使通过酸水解的预处理可能是最古老并且研究最多的预处理技术，其还是产生了一些有效抑制物，包括糠醛和羟甲基糠醛(HMF)，它们被认为是目前为止存在于木质纤维水解产物的最大毒性抑制物。

纤维素分子由各种长链糖分子组成。在水解过程中，在发酵成为乙醇产物之前，这些长链破裂成为游离糖。

有两种主要的纤维素水解方法：i)使用酸的化学反应，或者ii)酶反应。然而，目前的水解方法是昂贵并且低效的。例如，酶水解方法需要得自外部供应商的昂贵的纤维素酶。

另一个将纤维素产品转化成乙醇的问题是高达50％的可利用碳到二氧化碳通过发酵处理内在地损失。此外，乙醇比汽油和柴油更具腐蚀性。所以，这需要独特的配送基础结构以及专门设计的引擎。最后，乙醇的效力比化石气体低20-30％，并且乙醇更易蒸发，在整个生产和配送过程中有更高比例的损耗。

一种可以从纤维素制备生物柴油的方法将减轻乙醇和其它生物柴油制品相关的问题。

得自微生物(例如藻类或细菌)的生物柴油还是无毒的、生物可降解的并且无硫的。由于大部分从燃烧的生物柴油中释放的二氧化碳是从微生物(例如藻类和细菌)生长期间吸收而再循环的，因此可以相信，生物柴油的燃烧相比石油燃烧释放较少的二氧化碳，石油是从已经贮藏了数个世纪的来源中释放二氧化碳。因此，使用微生物制备生物柴油可以产生较少的例如二氧化碳的温室气体。

一些微生物物种理想地适用于生物柴油的制备，这是由于他们的高含油量。某些微生物含有作为膜成分、贮存产物、代谢产物和能量源的脂类和/或其它所需的碳氢化合物。微生物中显示出的脂类、碳氢化合物和脂肪酸的比例根据培养的微生物的种类而不同。然而，发现某些菌株中高达其总重的90％包含脂类、脂肪酸和其它所需碳水化合物含量(例如，葡萄藻属(Botryococcus))。

例如小球藻属(Chlorela sp.)和杜氏藻属(Dunaliella)的藻类是用于生物柴油的脂肪酸源，这已经被认识很久了。的确，这些真核微生物产生较高的脂肪酸产量(干重的20-80％)，并且可以使用太阳能利用CO₂。

然而，光合过程并不能有效地使得该过程称为成本节约的生物柴油源。另选地是使用藻类的有机异养特性，并且使其生长在例如葡萄糖的碳源上。在这些情况下，脂肪酸的产量极端的高，并且该脂肪酸具有很高的品质。剩余的干重主要包括蛋白质。然而，可用碳源非常稀少并且昂贵，以致于不能实现任何商业生命力。

微生物中积聚的脂类和其它所需的碳氢化合物可以在环境应激阶段期间产生，包括在营养不足状态下生长。相应地，微生物的脂类和脂肪酸含量可以根据培养条件而不同。