木质纤维素水解产物脱毒的方法

木质纤维素水解产物脱毒的方法
【专利摘要】本公开涉及对从木质纤维素生物质获得的水解产物进行脱毒的方法和从所述脱毒的水解产物生产乙醇的方法。本发明的方法提供了脱毒的水解产物，其中相对于所述起始水解产物，对发酵微生物有害的化合物的量显著降低，并且其中总可发酵性糖损失量最小化。
【专利说明】木质纤维素水解产物脱毒的方法

【背景技术】
[0001] 许多工业产品通过在培养物中生长的微生物来生产。微生物生长可以由木质 纤维素生物质所释放的可溶性糖分子来支持。木质纤维素生物质主要由纤维素（通过 β-1，4-糖苷键相连的葡萄糖的聚合物）、半纤维素（由通过各种不同的β连键和α连键 相连的五碳（C5)糖和六碳（C6)糖构成的多糖）和木质素（由通过醚键或碳-碳键相连的 苯丙烷单元构成的复杂聚合物）构成。在某些情况下，对木质纤维素生物质进行稀酸水解， 在此期间半纤维素被水解成单体糖（液体流），并且纤维素的晶体结构被破坏，便于将来的 酶消化（固体纤维）。从纤维素和木质素固体分离出含有C5糖和C6糖的液体、即所谓的水 解产物，并且其可以被发酵成各种产品，例如乙醇。然而，除了糖之外，水解产物还含有脂族 酸、酯（乙酸酯）、酚物质（从木质素水解获得的不同化合物）和糖脱水的产物，包括呋喃醛 类糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF)。大多数这些化合物对微生物具有负面影响并且可以抑制 发酵。在发酵之前将水解产物脱毒，是为了避免由水解产物中存在的有毒化合物引起的抑 制而可以采取的一种措施。
[0002] 已经试验了各种脱毒方法，其中超施碱石灰（alkaline overliming)是高效和高 成本效益的。在超施石灰过程中，通常在高温下，通过添加适量氢氧化钙（石灰），将水解产 物的pH从约2的pH暂时提高到9至10之间的pH。在一段时间、通常为约30分钟后，通过 添加酸将水解产物溶液的pH降低到适合于发酵微生物的pH。在所述脱毒过程中，呋喃醛被 降解，并且酸（无机酸和有机酸）被中和。
[0003] 超施石灰已被了解很长时间（Leonard和他加7，1945，1]1(^1^· Chem.，37 (4) :390 - 395)，并且仍被当作是有效的脱毒方法。然而，所述方法的显著缺点 是在脱毒期间发生可发酵性糖的相当大量的损失。参见例如Larsson等，1999，Appl. Biochem. Biotechnol. 77-79:91-103。可发酵性糖的损失导致可发酵产物例如乙醇的 总得率较低。此外，脱毒期间不溶性硫酸钙（石膏）的形成也是有问题的。参见例如 Martinez 等，2001，Biotechnol. Prog. 17 (2) : 287 - 293。石膏形成引起结垢和管线堵塞， 这显著抬高了维护成本。为了克服与氢氧化钙相关的问题，已经尝试了将其他碱用于水解 产物脱毒目的，并取得了不同程度的成功。参见例如Alriksson等，2005, Appl. Biochem. Biotechnol. 121-124:911-922。
[0004] 因此，对于减少从木质纤维素生物质获得的水解产物中的发酵抑制剂和对所述水 解产物进行脱毒的新的改进的方法，存在着需求。具体来说，对于经济上可行并且提供能够 以高得率生产乙醇的脱毒的水解产物的脱毒方法，存在着需求。
[0005] 发明概述
[0006] 本公开源自于下述发现，即多步骤脱毒方法可以显著减少从木质纤维素生物质获 得的水解产物（在本文中有时被称为"木质纤维素水解产物"）中对发酵微生物有害的化合 物的量，并且所述脱毒方法产生最小的可发酵性糖损失。当在本文中使用时，术语"脱毒"是 指从起始木质纤维素水解产物除去一种或多种对发酵微生物有害的化合物（在本文中被 称为"毒素"）或使其失活，由此形成脱毒的水解产物的过程。当在本文中使用时，短语"脱 毒的水解产物"是指与在对水解产物进行本公开的多步骤脱毒方法之前的水解产物（在本 文中被称为"起始水解产物"）中的毒素水平相比，含有较低毒素水平的水解产物。这样的 毒素包括但不限于呋喃醛、脂族酸、酯和酚物质。
[0007] 因此，总的来说，本公开提供了降低水解产物对发酵生物体的毒性（即脱毒）的方 法。更具体来说，本公开涉及在不同时间添加至少两种不同的碱或碱的混合物，以实现水解 产物脱毒的方法。在本公开的某些情况下，脱毒包括两步方法。第一步包括将水解产物的起 始溶液（即起始水解产物溶液）与其量足以将所述溶液的pH提高到足以中和所述溶液中 存在的大部分酸（例如脂肪酸）的值的第一种碱或第一种碱的混合物进行混合，并且第二 步包括将所述水解产物溶液与其量足以将所述水解产物溶液的pH提高到足够的值的第二 种碱或第二种碱的混合物进行混合，所述混合历时足以移除所述溶液中显著量的毒素（例 如呋喃醛）的时间，由此产生脱毒的水解产物溶液。
[0008] 所述水解产物脱毒方法的第一步（即将所述水解产物与所述第一种碱或第一种 碱的混合物进行混合）可以在3至9范围内的pH，例如3、4、5、6、7、8或9的pH下进行。在 特定实施方式中，所述pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如3至4、3至5、 4至6等范围内的pH。
[0009] 所述水解产物脱毒方法的第二步（即将所述水解产物与第二种碱或第二种碱的 混合物进行混合）可以在7至10范围内的pH，例如7、8、9或10的pH下进行。在特定实施 方式中，所述pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如7至9、8至9、8至10等 范围内的pH。
[0010] 生物质优选地为木质纤维质的，并且可以包括但不限于种子、谷粒、块茎、植物废 料或食品加工或工业加工的副产物（例如茎杆）、玉米（包括玉米芯、秸杆等）、禾本科植物 (包括例如印度草，例如黄假高粱（Sorghastrum nutans),或柳枝稷例如稷属物种（Panicum species)如柳枝稷（Panicum virgatum))、木材（包括例如木片、加工废料）、纸张、纸楽和 再生纸（包括例如报纸、打印纸等）。其他生物质材料包括但不限于马铃薯、大豆（例如油 菜籽）、大麦、黑麦、燕麦（oat spelt)、小麦、甜菜和甘鹿渔。生物质的其他来源公开在第 4. 1节中，并且可用于本发明的方法中。从木质纤维素生物质获得的木质纤维素水解产物导 致产生糖、脂族酸、酚物质和糖脱水的产物（例如糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF))。
[0011] 在脱毒之前，所述水解产物溶液中水解产物的个体化合物的浓度部分取决于获得 所述水解产物的生物质和用于水解所述生物质的方法。在某些实施方式中，所述起始水解 产物溶液包含（a)浓度在30g/L至160g/L、40g/L至95g/L或50g/L至70g/L范围内的总 可发酵性糖；(b)浓度在0. 5g/L至10g/L、2. 5g/L至4g/L或1.5g/L至5g/L范围内的糠醛； (c)浓度在 0. lg/L 至 5g/L、0. 5g/L 至 2. 5g/L 或 lg/L 至 2g/L 范围内的 5-HMF ; (d)浓度在 2g/L至17g/L或llg/L至16g/L范围内的乙酸；（e)浓度在Og/L至12g/L或4g/L至10g/ L范围内的乳酸；(f)浓度在Og/L至2. 5g/L范围内的其他脂族酸（例如琥珀酸、甲酸、丁酸 和乙酰丙酸）；和/或（g)浓度在0g/L至10g/L、0. 5g/L至5g/L或lg/L至3g/L范围内的 酚物质。
[0012] 在脱毒之前，可以将所述起始水解产物溶液浓缩。例如，在生物质水解后，可以将 水解产物溶液浓缩1. 2倍、1. 5倍、2倍、3倍或5倍。在特定实施方式中，将所述起始水解产 物浓缩以任两个上述实施方式为边界的范围，例如浓缩1倍至3倍、1. 5倍至3倍、3倍至5 倍等的范围。
[0013] 有利情况下，向所述水解产物溶液添加的所述第一种碱包含含镁碱（例如氢氧化 镁、碳酸镁或氧化镁），其可以中和所述水解产物溶液中存在的任何酸，并在一定程度上与 所述水解产物溶液中的其他毒素反应。在特定实施方式中，向所述水解产物溶液添加的所 述第一种碱是氢氧化镁。
[0014] 在本公开的某些情况下，向所述水解产物溶液添加的所述第二种碱包括氢氧化 铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或其混合物。在特定实施方式中，向所述水解产物溶液添 加的所述第二种碱是氢氧化铵。
[0015] 在某些实施方式中，所述脱毒方法的每个步骤可以在相同或基本上相似的温度下 进行。在这些实施方式中，所述水解产物溶液的脱毒可以在25°C或更高和90°C或更低的温 度下进行。所述脱毒方法可以在例如 30°C、35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、 75°C、80°C、85°C或90°C下进行。在特定实施方式中，所述脱毒方法可以在以任两个上述温 度为边界的范围内的温度下，例如在40°C至60°C、45°C至55°C、45°C至50°C等范围内的温 度下进行。
[0016] 在其他实施方式中，所述脱毒方法的每个步骤可以在不同温度下进行。例如，在添 加所述第一种碱后所述水解产物溶液的温度，可以不同于在添加所述第二种碱和/或第三 种碱等后所述水解产物溶液的温度。在涉及两种碱（或两种碱的混合物）的添加的实施方 式中，在所述脱毒方法的第一步（即混合所述水解产物与所述第一种碱）期间的温度可以 在30°C至90°C之间的范围内，并且更通常在40°C至70°C之间的范围内。在这些实施方式 中，在所述脱毒方法的第二步（即混合所述水解产物与所述第二种碱）期间的温度可以在 30°C至80°C之间的范围内，并且更通常在40°C至60°C之间的范围内。
[0017] 所述脱毒过程可以作为分批过程、作为连续过程或作为半连续过程来进行。例如， 脱毒过程可以在分批反应器、连续搅拌釜式反应器（CSTR)或活塞流反应器（PFR)中进行。 在某些实施方式中，所述脱毒的每个步骤可以在同一分批反应器中进行。在这些实施方式 中，可以在所述起始水解产物溶液中的酸已被所述第一种碱或第一种碱的混合物充分中和 之后，向所述分批反应器添加所述第二种碱或第二种碱的混合物。在其他实施方式中，脱毒 过程的每个步骤可以在不同反应器中进行。例如，在涉及两种碱（或两种碱的混合物）的 添加的实施方式中，所述脱毒方法的第一步（即混合所述水解产物与所述第一种碱）可以 在CSTR中进行，并且所述第二步（即混合所述水解产物与所述第二种碱）可以在PFR中进 行。在其他实施方式中，所述脱毒方法的第一步可以在PFR中进行，并且所述第二步可以在 CSTR中进行。在其他实施方式中，两个步骤可以在PFR中进行。在其他实施方式中，两个步 骤可以在CSTR中进行。
[0018] 在某些实施方式中，本公开提供了用于连续减少木质纤维素水解产物中呋喃醛的 量的方法，所述方法包括下列步骤：将水解产物溶液流入第一反应器或第一反应器系列中， 所述溶液包含可发酵性糖、呋喃醛、酚物质和脂族酸的混合物，将第一种碱流入所述第一反 应器或第一反应器系列中，将所述水解产物溶液与所述第一种碱在所述第一反应器或第一 反应器系列中反应历时足以中和所述水解产物溶液中的酸的时段，将所述水解产物溶液流 入所述第二反应器或第二反应器系列中，将第二种碱流入所述第二反应器或第二反应器系 列中，将所述水解产物溶液与所述第二种碱在所述第二反应器或第二反应器系列中反应历 时足以减少所述水解产物溶液中的呋喃醛的量的时段，由此产生脱毒的水解产物溶液，以 及将所述脱毒的水解产物溶液流出所述第二反应器或第二反应器系列。
[0019] 本公开的方法提供了脱毒的水解产物，其具有存在于所述起始水解产物中的至少 70%、至少80%、至少85%、至少90%、至少92%、至少93%、至少95%或至少99%的总 可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过70 %、不超过60 %、不超过50 %、不超 过40%、不超过30 %、不超过20 %或不超过10 %的呋喃醛。在特定实施方式中，本公开的 脱毒方法提供了脱毒的水解产物，其具有（a)存在于所述起始水解产物中的至少90%的总 可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过50 %的呋喃醛；(b)存在于所述起始水 解产物中的至少90 %的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过40 %的呋喃 醛；（c)存在于所述起始水解产物中的至少90%的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产 物中的不超过30 %的呋喃醛；（d)存在于所述起始水解产物中的至少90 %的总可发酵性糖 和存在于所述起始水解产物中的不超过20%的呋喃醛；（e)存在于所述起始水解产物中的 至少80%的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过50%的呋喃醛；（f)存在 于所述起始水解产物中的至少80%的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超 过40 %的呋喃醛；（g)存在于所述起始水解产物中的至少80 %的总可发酵性糖和存在于所 述起始水解产物中的不超过30%的呋喃醛；或（h)存在于所述起始水解产物中的至少80% 的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过20%的呋喃醛。
[0020] 本公开的脱毒的水解产物可以更高效地被发酵微生物发酵，以生产发酵产物例如 乙醇。因此，本公开的方法还包括在按照本公开生产的脱毒的水解产物存在下，在产生发酵 产物的条件下培养微生物。可以使用各种发酵微生物（例如产乙醇菌）来生产乙醇，例如 在第4. 5节中所描述的。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1 :本公开的示例性连续过程的示意流程图。
[0022] 图2 :描述了使用氢氧化镁和随后的氢氧化铵的两步脱毒方法，在不同的初始pH 靶（pH 8. 5和9.0)下进行的脱毒反应的不同时间点处，木糖和糠醛消除的量的图。
[0023] 图3 :示出了使用串联CSTR构造的双碱脱毒过程的示意图。每个端口可用于递送 碱或碱浆液，每个容器可以独立地保持温度。
[0024] 详细描述
[0025] 本公开涉及对从生物质获得的水解产物进行脱毒的方法以及从所述脱毒的水解 产物生产发酵产物例如乙醇的方法。可用于本发明的方法的生物质的类型包括但不限于在 第4. 1节中所描述的。水解生物质的方法描述在第4. 2节中。水解产物在脱毒之前的典型 组成描述在第4. 3节中。使用多种碱对水解产物进行脱毒的方法描述在第4. 4节中。发酵 脱毒的水解产物以生产发酵产物的方法描述在第4. 5节中，并且回收发酵产物的方法描述 在第4. 6节中。
[0026] 生物质（4. 1节）
[0027] 当在本文中使用时，术语"生物质"是指包含纤维素（任选地还包含半纤维素和/ 或木质素）的任何组合物。
[0028] 可以按照本公开水解或脱毒的相关类型的生物质可以包括来自于下列物质的生 物质：农作物，例如含有谷粒的农作物；玉米秸杆，禾本科植物，甘蔗渣，来自于例如水稻、 小麦、黑麦、燕麦、大麦、油菜、高粱的杆；块茎，例如甜菜和马铃薯。
[0029] 生物质优选地是木质纤维素的。木质纤维素生物质适合地来自于禾本科。正确名 称是有花植物的百合纲（Liliopsida)(单子叶植物纲）中被称为禾本科（Poaceae)或牧草 科（Gramineae)的科。这一科的植物通常被称为禾本科植物，并包括竹。禾本科植物存在 约600个属和约9, 000-10, 000或更多的种（《Kew世界禾本科植物物种索引》（Kew Index of World Grass Species))。
[0030] 禾本科（Poaceae)包括在全世界生长的主食用粮和禾谷类作物、草坪和饲料用草 以及竹。
[0031] 禾本科植物的成功部分在于它们的形态和生长过程，部分在于它们的生理学多样 性。大多数禾本科植物分成两个生理学组，使用C3和C4光合途径进行碳固定。C4禾本科 植物具有与特化的叶解剖学相关联的光合途径，所述叶解剖学使它们特别适应于炎热气候 和低二氧化碳的大气。C3禾本科植物被称为"冷季禾本科植物"，而C4植物被称为"暖季禾 本科植物"。
[0032] 禾本科植物可以是一年生或多年生的。一年生冷季禾本科植物的实例是小麦、黑 麦、一年生蓝草（一年生草地早熟禾，Poa annua)和燕麦。多年生冷季禾本科植物的实例 是野茅（鸭茅，Dactylis glomerata)、羊茅（Festuca spp·)、肯塔基蓝草和多年生黑麦草 (Lolium perenne)。一年生暖季禾本科植物的实例是玉米、苏丹草和珍珠稷。多年生暖季 禾本科植物的实例是大须芒草、假高粱、狗牙根和柳枝稷。
[0033] 禾本科植物的一种分类辨别出12个亚科：它们是l)anomochlooideae，一个阔 叶禾本植物的小谱系，其包括两个属（Anomochloa，Streptochaeta) ;2)Pharoideae(aka Poaceae)，包含三个属、包括Pharus和Leptaspis的禾本科植物的小谱系；3)Puelioideae, 包括非洲Puelia属的小谱系；4)早熟禾亚科（Pooideae)，其包括小麦、大麦、燕麦、雀麦 草（Bronnus)和拂子茅（Calamagrostis) ;5)竹亚科（Bambusoideae)，其包括竹子；6)稻 亚科（Ehrhartoideae)，其包括水稻和野生稻；7)芦竹亚科（Arundinoideae)，其包括芦竹 和芦苇；8)假淡竹叶亚科（Centothecoideae)，由11个属组成的小亚科，有时被包含在黍 亚科（Panicoideae)中； 9)画眉草亚科（Chloridoideae)，其包括画眉草（Eragrostis， 约350个种，包括埃塞俄比亚画眉草）、鼠尾粟（Sporobolus，约160个种）、龙爪稷 (Eleusine coracana(L.)Gaertn.)和乱子草（Muhlenbergia，约 175 个种）；10)黍亚科 (Panicoideae)，包括黍、玉米、高粱、甘鹿、大多数粟、fonio和须芒草；ll)Micrairoideae ; 12)Danthoniodieae，包括蒲華；其中早熟禾属（Poa)是包含原产于两个半球的温带地区的 约500个禾本科植物物种的属。
[0034] 为其可食用的种子而种植的农业禾本科植物被称为谷类。三种常见的谷类是水 稻、小麦和玉米。在所有作物中，70 %是禾本科植物。
[0035] 因此，优选的生物质选自能源作物。在另一种优选实施方式中，能源作物是禾本 科植物。优选的禾本科植物包括象草（Napier Grass)或乌干达草（Uganda Grass),例如 象草（Pennisetum purpureum);或芒草（Miscanthus)例如奇岗(Miscanthus giganteus) 和芒属（Miscanthus)的其他品种，或印度草（Indian grass)例如黄假高粱（Sorghastrum nutans);或柳枝稷例如柳枝稷（Panicum virgatum)或稷属（Panicum)的其他品种，芦竹 (arundo donax)，能源甘鹿（saccharum spp·)，木材（包括例如木片、加工废料）、纸张、纸 浆和再生纸（包括例如报纸、打印纸等）。在某些实施方式中，生物质是甘蔗，其是指甘蔗属 (Saccharum)的高的多年生禾本科植物的任何物种。
[0036] 其他类型的生物质包括种子、谷粒、块茎（例如马铃薯和甜菜）、植物废料或食品 加工或工业加工的副产物（例如杆）、玉米和玉米副产物（包括玉米皮、玉米芯、玉米纤维、 玉米秸杆等）、木材和木材副产物（包括例如加工废料、落叶木材、针叶木材、木片（例如 落叶或针叶木片）、锯末（例如落叶或针叶木锯末））、纸张和纸张副产物（例如木浆、废材 和再生纸，包括例如报纸、打印纸等）、大豆（例如油菜籽）、大麦、黑麦、燕麦、小麦、甜菜、 苏丹高粱、买罗高粱、碾碎的干小麦、水稻、甘蔗渣、林业残余物、农业残余物、藜麦、麦草、高 粱杆、柑橘废料、城市绿色废物或残余物、食品制造工业废料或残余物、谷物制造废料或残 余物、干草、禾杆、稻草、谷粒壳、用过的酒糟、稻壳、柳木、杉木、杨木、桉木、埃塞俄比亚芥 (Brassica carinata)残余物、海棠寥（Antigonum leptopus)、枫香树、胡枝子（Sericea lespedeza)、乌柏、大麻、油菜籽、高粱（Sorghum bicolor)、大豆和大豆产品（大豆叶、大豆 茎、大豆荚和大豆残余物）、向日葵和向日葵产品（例如叶、向日葵茎、无籽向日葵头、葵花 籽壳和葵花籽残余物）、芦竹、坚果壳、落叶木叶子、棉纤维、粪肥、沿海百慕大草、三叶草、 约翰逊草、亚麻、禾杆（例如大麦杆、荞麦杆、燕麦杆、黍杆、黑麦杆、苋菜杆、斯佩耳特小麦 杆）、苋菜和苋菜产品（例如苋菜茎、苋菜叶和苋菜残余物）、苜蓿和竹子。
[0037] 生物质的其他来源包括硬木和软木。适合的软木和硬木树的实例包括但不限于 下列：松树，例如火炬松、短叶松、加勒比松、美国黑松、美国短叶松、沼泽松、洪都拉斯松、马 尾松、苏门答腊松、山白松、卵果松、长叶松、帕图拉松、海岸松、西黄松、辐射松、红松、北美 白松、欧洲赤松、南洋杉树；杉树,例如花旗松；以及铁杉树，加上任何上述树的杂交种。其 他实例包括但不限于下列：桉树，例如邓恩桉、蓝桉、玫瑰桉、悉尼蓝桉、帝汶白桉和尾巨桉 (E. urograndis)杂交种；杨树，例如美洲黑杨、大齿杨、颤杨和黑杨；以及其他硬木树例如 赤杨、枫香、马褂木、阔叶涔木、绿白蜡木和柳树，加上任何上述树的杂交种。
[0038] 生物质的水解（4. 2节）
[0039] 任何水解方法可用于制备木质纤维素水解产物，包括酸水解和碱水解。酸水解是 便宜和快速的方法，并且可以适合地使用。浓酸水解优选地在20°C至100°C的温度下进 行，并且酸强度在10%至45%的范围内（例如10%、10. 5%、11 %、11. 5%、12%、12. 5%、 13%U3. 5%,14%U4. 5%U5%U5. 5%U6%U7%U7. 5%U8%U8. 5%,19%U9. 5%, 20%,20. 5%,21%,21. 5%,22%,22. 5%,23%,23. 5%,24%,24. 5%,25%,25. 5%,26%, 26. 5 %,27 %,27. 5 %,28 %,28. 5 %,29 %,29. 5 %,30 %,30. 5 %,31 %,31. 5 %,32 32. 5%,33%,33. 5%,34%,34. 5%,35%,35. 5%,36%,37%,37. 5%,38%,38. 5%,39%, 39. 5%、40%、41%、41. 5%、42%、42. 5%、43%、43. 5%、44%、44. 5%、45%或以任两个上 述值为边界的任何范围）。稀酸水解是更简单的方法，但是在更高温度（l〇〇°C至230°C) 和压力下最优。优选地使用不同种类的酸，其中浓度在0.001%至10%的范围内（例 如 0· 001 %、0· 01 %、0· 05%、0· 1%、0· 15%、0· 2%、0· 25%、0· 3%、0· 35%、0· 4%、0· 5%、 0. 6 %,0. 7 %,0. 8 %,0. 9 %U %>2 %,3 %,4 %,5 %,5. 5 %,6 %,6. 5 %,7 %,7. 5 %,8 %, 8. 5%、9%、9. 5%或10%或以任两个上述值为边界的任何范围）。在水解步骤中可以使用 适合的酸，包括硝酸、亚硫酸、亚硝酸、磷酸、乙酸、盐酸和硫酸。优选情况下使用硫酸。
[0040] 取决于酸的浓度、执行酸水解步骤的温度和压力，可能需要耐腐蚀设备和/或耐 压设备。
[0041] 水解可以进行 2 分钟至 10 小时（例如 2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、26、27、28、 29 或 30 分钟，或 0· 5、0· 75、1、1· 5、2、2· 5、3、3· 5、4、4· 5、5、5· 5、6、6· 5、7、7· 5、8、8· 5、9、9· 5 或10小时，或以任两个上述值为边界的范围）、优选地1分钟至2小时、2分钟至15分钟、 2分钟至2小时、15分钟至2小时、30分钟至2小时、10分钟至1. 5小时或1小时至5小时 的时段。
[0042] 作为酸处理的可替选方案（例如在不存在酸水解的情况下）或除了酸水解之外 (例如在其之前或之后），水解还可以包括热或压力处理或热和压力的组合，例如用蒸汽处 理约 0· 5 小时至约 10 小时（例如 0· 5、1、1· 5、2、2· 5、3、3· 5、4、4· 5、5· 5、6、6· 5、7、7· 5、8、 8. 5、9、9. 5或10小时，或以任两个上述值为边界的范围）。
[0043] 酸水解方法的变化形式在本领域中是已知的，并且可以被本公开的方法所涵盖。 例如，可以通过使生物质材料经历两步过程来进行水解。第一（化学）水解步骤在水性介 质中、在所选温度和压力下进行，以主要实现半纤维素的解聚而不实现纤维素向葡萄糖的 显著解聚。这一步骤产生浆液，其中液体水性相含有从半纤维素的解聚得到的溶解的单糖 和可溶性和不溶性的半纤维素寡聚物，并且固体相含有纤维素和木质素。参见例如美国专 利号5, 536, 325。在优选实施方式中，利用硫酸来执行第一水解步骤。在从第一阶段的水解 过程分离糖之后，在更严苛的条件下运行第二水解步骤，以水解更具有抗性的纤维素级分。
[0044] 在另一种实施方式中，水解方法要求使生物质材料在反应器中经历包含强酸和金 属盐的稀溶液的催化剂。生物质材料可以是例如原材料或干燥的材料。这种类型的水解可 以降低纤维素水解的活化能或温度，最终允许可发酵性糖的较高得率。参见例如美国专利 号 6, 660, 506、6, 423, 145。
[0045] 另一种示例性方法包括下列步骤：通过一个或多个使用约0. 4%至约2%的酸的 稀酸水解阶段来加工生物质材料；然后用碱去木质素作用处理酸水解的材料的未反应的固 体木质纤维素组分。参见例如美国专利号6, 409, 841。另一种示例性水解方法包括在预水 解反应器中对生物质（例如木质纤维素材料）进行预水解；向固体木质纤维素材料添加酸 性液体以制造混合物；将所述混合物加热至反应温度；将反应温度维持足以将木质纤维素 材料分级成含有来自于所述木质纤维素材料的至少约20%的木质素的增溶的部分，以及含 有纤维素的固体级分；将所述增溶的部分与所述固体级分分离开，并在等于或接近反应温 度下除去增溶的部分；以及回收所述增溶的部分。
[0046] 水解还可以包括将生物质材料与化学计算量的非常低浓度的氢氧化钠和氢氧化 铵相接触。参见 Teixeira 等，1999, Appl.Biochem. and Biotech. 77-79:19-34。水解还可 以包括将木质纤维素与化学品（例如碱，例如碳酸钠或氢氧化钾）在约9至约14的pH和 适度的温度、压力和pH下相接触。参见PCT公开W0 2004/081185。
[0047] 也可以使用氨水解。这样的水解方法包括使生物质材料在高固体条件下经历低的 氨浓度。参见例如美国专利公布号20070031918和PCT公布W0 2006/110901。
[0048] 在水解后，水解产物包含酸和碱、部分降解的生物质和可发酵性糖的混合物。在进 一步加工之前，可以通过施加真空从混合物中除去酸或碱。也可以在脱毒之前将混合物中 和。
[0049] 在脱毒之前，可以在被称为固/液分离的过程中，将包含增溶的糖的水性级分与 混合物中残留的不溶性颗粒物分离开。将可溶性级分与不溶性级分分离开的方法包括但不 限于离心（连续、半连续和分批）、倾析和过滤。可以任选地将水解的生物质固体用水性溶 剂（例如水）清洗，以除去吸附的糖。
[0050] 在脱毒之前，可以对固体进行进一步处理，例如脱水。脱水可以使用螺旋压力机适 合地实现。螺旋压力机是使用大的螺杆将含有固体的料流沿着水平筛管推动的机器。固体 的移动可以受到管末端处的加重板的阻碍。该板对固体塞的压力迫使液体流出固体并通过 筛管侧面中的孔，然后沿着排液管流出。然后螺杆将剩余的固体推过所述板，在那里它们跌 落在下方的收集垫或传送带上。
[0051] 水解产物特征（4. 3节）
[0052] 在生物质水解和固/液分离步骤之后，对木质纤维素水解产物进行脱毒。在脱毒 之前的木质纤维素水解产物溶液（即起始木质纤维素水解产物溶液）中包含的个体化合 物、包括可发酵性糖、呋喃醛、脂族酸和酚物质的相对量和浓度，取决于具体的木质纤维素 生物质和获得水解产物的水解方法。
[0053] 在某些实施方式中，起始水解产物溶液包含（a)浓度在30g/L至160g/L、40g/L至 95g/L或50g/L至70g/L范围内的总可发酵性糖；(b)浓度在0. 5g/L至10g/L、2. 5g/L至 4g/L 或 1. 5g/L 至 5g/L 范围内的糠醒；（c)浓度在 0. lg/L 至 5g/L、0. 5g/L 至 2. 5g/L 或 lg/ L至2g/L范围内的5-HMF ;(d)浓度在2g/L至17g/L或llg/L至16g/L范围内的乙酸；（e) 浓度在lg/L至12g/L或4g/L至10g/L范围内的乳酸；（f)浓度在Og/L至2. 5g/L范围内 的其他脂族酸（例如琥珀酸、甲酸、丁酸和乙酰丙酸）；和/或（g)浓度在〇g/L至10g/L、 0. 5g/L至5g/L或lg/L至3g/L范围内的酚物质。在这些实施方式中，起始水解产物溶液在 本文中被称为"lx"。
[0054] 在其他实施方式中，起始水解产物可以比lx更浓。例如，起始水解产物溶液可以 比lx浓1. 5倍、2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。在这些实施方式中，起 始水解产物将分别被称为1. 5x、2x、3x、4x、5x、6x、7x、8x、9x和10x。
[0055] 在其他实施方式中，起始水解产物浓度可以比lx更低。例如，起始水解产物溶液 的浓度可以为lx的〇. 1倍、〇. 2倍、0. 3倍、0. 4倍、0. 5倍、0. 6倍、0. 7倍、0. 8倍或0. 9倍。 在这些实施方式中，起始水解产物将分别被称为0. lx、〇. 2x、0. 3x、0. 4x、0. 5x、0. 6x、0. 7x、 0· 8x 和 0· 9。
[0056] 在脱毒过程之前，可以调整可发酵性糖和毒素的浓度。在连续过程的情形中，水解 产物溶液的浓缩可能特别有利（参见图1和第4. 4节）。例如，在稀酸水解和固/液分离后 离开水解器的水解产物溶液，可以在添加用于脱毒的第一种碱之前进行浓缩。在某些实施 方式中，在脱毒之前可以将水解产物溶液浓缩1. 2倍、1. 5倍、2倍、3倍或5倍。在特定实 施方式中，可以将起始水解产物在以任两个上述实施方式为边界的范围内浓缩，例如浓缩1 倍至3倍、1. 5倍至3倍、3倍至5倍等。
[0057] 在脱毒之前浓缩水解产物溶液，可以导致对呋喃醛消除的选择性增加到超过糖降 解。不受理论限制，据信对于糖降解来说反应速率是一阶的，对于呋喃醛消除来说反应速率 是二阶的。因此，浓缩水解产物溶液导致呋喃醛消除速率相对于可发酵性糖降解速率增加。
[0058] 水解产物溶液可以在减压下和/或通过加热来浓缩。在一种实施方式中，水解产 物溶液在多级蒸发装置中浓缩（参见图1和实施例1)。水解产物的浓缩液可以通过其他技 术例如膜过滤、碳处理和离子交换树脂来进行。蒸发导致糖浓度增加，并且可以导致一定量 糠醛和乙酸盐的移除。
[0059] 水解产物的脱毒（4. 4节）
[0060] 一般来说，本公开的脱毒方法需要使木质纤维素水解产物经历多步过程，其中在 脱毒过程中的不同时间添加至少两种不同的碱或两种不同的碱的混合物。脱毒方法对于呋 喃醛的消除来说是高选择性的。当在本文中使用时，短语"对呋喃醛的消除高选择性"是指 观察到呋喃醛被消除（反应）的速率高于可发酵性糖从水解产物中的消除速率。结果，按 照本公开生产的脱毒的水解产物相对于起始水解产物具有较高百分率的可发酵性糖和较 低百分率的呋喃醛。脱毒的木质纤维素水解产物然后可以被适合的发酵微生物（例如产乙 醇菌）发酵，以生产发酵产物（例如乙醇）。
[0061] 脱毒方法一般包括将起始木质纤维素水解产物溶液与第一种碱或第一种碱的混 合物，在引起水解产物溶液中存在的大部分酸（例如脂族酸和用于水解的酸的平衡离子） 中和的条件下混合一段时间，然后将所述水解产物溶液与显著减少水解产物溶液中的毒素 (例如呋喃醛）的量的第二种碱或第二种碱的混合物混合。在每个步骤中使用的碱可以包 括但不限于氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铵和氢氧化钠。在某些实施方式 中，第一种碱或第一种碱的混合物与第二种碱或第二种碱的混合物相同。在其他实施方式 中，第一种碱或第一种碱的混合物与第二种碱或第二种碱的混合物不同。
[0062] 适合于执行脱毒过程的每个步骤的时间量取决于多种因素，包括水解产物的化学 组成、水解产物溶液的浓度、反应温度、水解产物溶液的pH、在每个步骤中添加的碱的总量、 搅拌速率和所使用的反应器的类型。在脱毒包括两个步骤的实施方式中，脱毒的第一步可 以进行1分钟至15分钟范围内的时段，脱毒的第二步可以进行30分钟至20小时范围内的 时段。总的脱毒过程通常进行30分钟至20小时范围内的时段，更通常为1小时至10小时 之间。例如，总脱毒时间可以为1小时、2小时、3小时、4小时、5小时或10小时。在特定实 施方式中，总脱毒过程进行1小时至6小时、1. 5小时至5小时、2小时至5小时、2. 5小时至 5小时、2. 5小时至4小时或3小时至4小时范围内的时段。
[0063] 脱毒过程的第一步（即与第一种碱或第一种碱的混合物混合）通常在95°C或或更 低的温度下，例如在 30°C、35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、85°C、 90°C或95°C的温度下进行。在特定实施方式中，反应的第一步可以在以任两个上述实施 方式为边界的温度下进行，例如但不限于40°C至80°C、40°C至70°C、40°C至65°C、40°C至 60°C、45°C至50°C、50°C至55°C或40°C至50°C范围内的温度。在添加水解产物溶液后的任 何时间，可以提高或降低混合物的温度。
[0064] 在脱毒反应包含两个步骤（即添加两种碱）的实施方式中，过程的第二步（即 与第二种碱或第二种碱的混合物混合）通常在85°C或更低的温度下，例如在40°C、45°C、 50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75°C、80°C、85°C或90°C的温度下进行。脱毒过程的第一步的 温度可以与脱毒过程的第二步的温度相同或不同。在特定实施方式中，反应的第二步可以 在以任两个上述实施方式为边界的温度下进行，例如但不限于40°C至80°C、40°C至70°C、 40°C至 65°C、40°C至 60°C、40°C至 50°C、50°C至 55°C、45°C至 50°C或 47°C至 50°C范围内的 温度。在添加第二种碱后的任何时间，可以提高或降低水解产物溶液的温度。
[0065] 在特别有利的实施方式中，脱毒过程的第二步在约40°C至60°C之间的温度范围 内进行，这允许脱毒反应以商业上可行的速率进行，同时最小化可发酵性糖的损失，由此提 高发酵产物（例如乙醇）的得率。
[0066] 水解产物脱毒过程的第一步通常在3至9范围内的pH下，例如在3、4、5、6、7、8或 9的pH下进行。在特定实施方式中，pH在以任两个上述实施方式为边界的范围内，例如但 不限于3至4、3至5、4至5或4至6范围的pH。应该理解，在添加第一种碱后水解产物溶 液的pH取决于向水解产物溶液添加的碱的本质和浓度。水解产物溶液的pH还取决于温 度。例如，在第一种碱是氢氧化镁的实施方式中，氢氧化镁的溶解度随着温度升高而降低。 因此，对于向水解产物溶液添加的给定量的氢氧化镁来说，当温度升高，所有其他变量保持 恒定时，平衡pH降低。
[0067] 水解产物脱毒过程的第二步通常在7至10范围内的pH，例如7、8、9或10的pH下 进行。在特定实施方式中，pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于7 至8、7至9、8至9或8至10范围的pH。应该理解，在添加第二种碱后水解产物溶液的pH 取决于向水解产物溶液添加的碱的本质和浓度以及水解产物溶液的pH。还应该理解，溶液 的pH可以随着脱毒过程的进展而改变。在过程期间可以通过添加适合的酸或碱来调整水 解产物溶液的pH。
[0068] 在本公开的某些情况下，在脱毒过程的第一步中向水解产物溶液添加的第一种碱 是含镁碱，例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁。含镁碱可以在单一步骤中、分多个部分或连续 地向水解产物溶液添加。在特定实施方式中，向水解产物溶液添加的第一种碱是氢氧化镁。 氢氧化镁在酸性pH水平下可以溶解在水性溶液中，但是在7的中性pH或更高pH下具有低 的溶解度。因此，氢氧化镁在水解产物的等当量点附近提供缓冲效果。使用氢氧化镁作为 第一种碱的特别优点在于缓冲效果降低了在脱毒过程的第二步中添加第二种碱或第二种 碱的混合物之前pH超调的可能性。
[0069] 在脱毒过程的第一步中向水解产物溶液添加的含镁碱的总量取决于水解产物溶 液的所需pH。通过添加较大量含镁碱以获得所需pH，可以获得较高pH水平。在含镁碱是 氢氧化镁的实施方式中，可以在脱毒过程的第一步中向lx水解产物溶液添加以获得3至8 之间的pH的氢氧化镁的总量，可以在1克每1千克水解产物（lg/lkg水解产物）至30克 每1千克水解产物（30g/lkg水解产物）的范围内。例如，向lx水解产物溶液添加的氢氧 化镁的总量可以为1 g/ lkg水解产物、2g/ lkg水解产物、4g/ lkg水解产物、6g/ lkg水解产物、 8g/lkg水解产物、10g/lkg水解产物、12g/lkg水解产物、15g/lkg水解产物、20g/lkg水解产 物或25g/lkg水解产物。在特定实施方式中，向lx水解产物溶液添加的氢氧化镁的总量在 以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于lg/lkg水解产物至20g/lkg水解 产物、lg/lkg水解产物至10g/lkg水解产物、4g/lkg水解产物至20g/lkg水解产物、4g/lkg 水解产物至12g/lkg水解产物或10g/lkg水解产物至12g/lkg水解产物范围内的氢氧化镁 量。对于更浓的水解产物溶液（例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化镁的量 相对于lx水解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液（例如〇.5x)来说，足以 将pH升高到所需水平的氢氧化镁的量相对于lx水解产物溶液将会减少。
[0070] 在本公开的某些情况下，向水解产物溶液添加的第二种碱包括氢氧化铵、氢氧化 钠、氢氧化钾、氢氧化钙或其混合物。在这些实施方式中，在添加第二种碱或第二种碱的混 合物后，溶液的pH被调整到7至11之间。例如，在添加第二种碱或第二种碱的混合物后， 水解产物的pH可以为7、8、9、10或11。在特定实施方式中，在添加第二种碱后溶液的pH可 以以任两个上述值为边界，例如但不限于7至9、8至9、8至10或9至11范围内的pH。
[0071] 在本公开的某些情况下，在脱毒过程的第二步中向水解产物溶液添加的第二种碱 是氢氧化铵。氢氧化铵具有约9.25的pK b。结果，可以将水解产物溶液的pH升高至所需 水平（例如7至10之间、8至10之间或8至9之间），而没有pH超调并由此造成过量糖 降解的风险。此外，氢氧化铵在发酵期间为发酵微生物提供氮源（参见第4.5节），这降低 了发酵培养基的成本。向lx水解产物溶液添加以将pH带到所需水平的氢氧化铵的总量， 可以在1克每1千克水解产物（lg/lkg水解产物）至50克每1千克克每1千克水解产物 (50g/lkg水解产物）的范围内。例如，向lx水解产物溶液添加的氢氧化铵的总量可以为 5g/lkg水解产物、10g/lkg水解产物、15g/lkg水解产物、20g/lkg水解产物、25g/lkg水解 产物或30g/lkg水解产物。氢氧化铵可以在单一步骤中、分多个部分或连续地向水解产物 溶液添加。在特定实施方式中，向lx水解产物溶液添加的氢氧化铵的总量在以任两个上述 实施方式为边界的范围之内，例如但不限于lg/lkg水解产物至30g/lkg水解产物、lg/lkg 水解产物至20g/lkg水解产物、lg/lkg水解产物至15g/lkg水解产物、lg/lkg水解产物至 10g/lkg水解产物或10g/lkg水解产物至22g/lkg水解产物范围内的氢氧化铵。对于更浓 的水解产物溶液（例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化铵的量相对于lx水 解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液（例如〇.5x)来说，足以将pH升高到 所需水平的氢氧化铵的量相对于lx水解产物溶液来说将会减少。
[0072] 在本公开的其他情况下，在脱毒过程的第二步中向水解产物溶液添加的第二种碱 是氢氧化钙。在这些实施方式中，在脱毒后通过带过滤或离心过程进行固体石膏（硫酸钙） 的移除。向lx水解产物溶液添加以将pH带到所需水平（例如7至10之间、8至10之间或 8至9之间）的氢氧化铵的总量，可以在2克每1千克水解产物（2g/lkg水解产物）至50 克每1千克水解产物（50g/lkg水解产物）的范围内。例如，向lx水解产物溶液添加的氢 氧化钙的总量可以为2g/lkg水解产物、10g/lkg水解产物、15g/lkg水解产物、20g/lkg水解 产物、25g/lkg水解产物或30g/lkg水解产物。氢氧化钙可以在单一步骤中、分多个部分或 连续地向水解产物溶液添加。在特定实施方式中，向lx水解产物溶液添加的氢氧化钙的总 量在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于2g/lkg水解产物至30g/lkg 水解产物、2g/lkg水解产物至20g/lkg水解产物、2g/lkg水解产物至15g/lkg水解产物、 2g/lkg水解产物至20g/lkg水解产物或10g/lkg水解产物至25g/lkg水解产物范围内的氢 氧化钙量。对于更浓的水解产物溶液（例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化 钙的量相对于lx水解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液（例如〇. 5x)来 说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化钙的量相对于lx水解产物溶液来说将会减少。
[0073] 本公开的脱毒过程的每个步骤可以在任何适合的容器例如分批反应器或连续反 应器（例如连续搅拌釜式反应器（CSTR)或活塞流反应器（PFR))中进行。连续反应器允 许在脱毒反应进行时连续添加和移除输入的材料（例如水解产物、含镁碱浆液）。适合的 容器可以装备有用于搅拌水解产物溶液的手段，例如旋桨。反应器设计在Lin，K.-H.和 Van Ness, H.C.(在 Perry, R.H.和Chilton, C.H.主编的《化学工程师手册》（Chemical Engineer' s Handbook)第 5 版（1973)，第 4 章，McGraw-Hill, NY)中讨论。
[0074] 脱毒过程可以以分批模式进行。所述方法通常包括将水解产物溶液与碱（或碱浆 液）在反应器中合并。水解产物溶液和脱毒碱可以一起或分开地进料到反应器。任何类型 的反应器可用于分批模式脱毒，其简单地包括添加原料，在特定条件（例如温度、剂量和时 间）下进行脱毒过程，以及从反应器移除脱毒的水解产物。
[0075] 或者，脱毒过程可以以连续模式进行。本公开的连续过程有利地减少了对停止和 清洁反应器的需要，并因此可以以连续模式进行例如几天或更长（例如一周或更长）的时 段，以支持总的连续过程。方法通常需要向反应器连续进料水解产物溶液和碱浆液。水解 产物和碱浆液可以一起或分开地进料。得到的混合物在反应器中具有特定的滞留或停留时 间。停留时间由向反应器添加水解产物和碱后达到所需水平的酸中和和/或脱毒的时间所 决定。在脱毒过程后，脱毒的水解产物离开反应器，并且可以向反应器添加其他组分（例如 水解产物和碱浆液）。可以将多个这样的反应器串联连接，以在延长的滞留时间内支持进一 步的pH调节和/或在延长的滞留时间内调节温度。
[0076] 对于连续模式的脱毒来说，可以使用允许相等的输入和输出速率的任何反应器例 如CSTR或PFR，以便在反应器中实现稳态并使反应器的填充水平保持恒定。
[0077] 本公开的脱毒过程可以以半连续模式进行。可以使用具有不相等的输入和输出料 流并最终需要将系统重新设定到起始条件的半连续反应器。
[0078] 脱毒的每个步骤可以在相同的反应器或不同的反应器中进行。例如，在包含两步 脱毒过程的实施方式中，第一和第二步可以在分批反应器中进行。在这些实施方式中，第二 种碱或第二种碱的混合物在第一种碱或第一种碱的混合物之后添加，中和水解产物溶液中 存在的酸。在添加第二种碱之前或期间，可以调整分批反应器的温度。
[0079] 在包括两步脱毒过程的某些实施方式中，脱毒过程的第一步（即将水解产物与第 一种碱或第一种碱的混合物混合）和脱毒过程的第二步（即将水解产物与第二种碱或第二 种碱的混合物混合）两者可以在CSTR(或一系列CSTR)或PFR中进行。在某些实施方式中， 脱毒过程的第一步和脱毒过程的第二步两者可以在CSTR(或一系列CSTR)中进行。在其他 实施方式中，脱毒过程的第一步和脱毒过程的第二步两者可以在PFR中进行。在其他实施 方式中，脱毒过程的第一步可以在CSTR (或一系列CSTR)中进行，并且脱毒过程的第二步可 以在PFR中进行。在其他实施方式中，脱毒过程的第一步可以在PFR中进行，并且脱毒过程 的第二步可以在CSTR (或一系列CSTR)中进行。
[0080] 除了多步脱毒过程之外，本公开方法还可以包括其他步骤，例如在图1中示出了 在脱毒步骤上游或下游的一个或多个步骤。在图1中，示出了在生物质水解下游的步骤。在 生物质水解和固/液分离后，将水解产物在多级蒸发装置100中浓缩。水解产物通过管线 101离开多级蒸发装置100,并被泵入到混合器102中。通过管线103将分开的氢氧化镁料 流泵入到混合器102中。然后将水解产物与氢氧化镁的混合物泵入到CSTR 104中。混合物 在CSTR 104中的停留时间约为30分钟至1小时。CSTR中的pH被维持在5至6之间的范 围内，并且温度在45°C至60°C之间的范围内。通过管线105将离开CSTR 104的液体料流 泵入到CSTR或PFR反应器106中。通过管线107将氢氧化铵连续供应到CSTR或PFR反应 器106。混合物在第二CSTR或PFR反应器106中的停留时间约为3至5小时，并且反应器 的pH被维持在8至10之间的范围内。在第二CSTR或PFR反应器106中脱毒后，将脱毒的 水解产物通入到管线108中，在那里它遇到来自于管线109的酸（例如硫酸或磷酸）料流。 将脱毒的水解产物的混合物通入到混合器110中。中和的脱毒的水解产物通过管线111离 开混合器110,并流入到发酵容器112中。
[0081] 在添加每种碱或碱的混合物后水解产物溶液的充分混合，可以提高碱的溶解速率 并确保在整个溶液中pH保持基本上均匀。例如，理想的混合将避免形成局部的较高pH的口 袋，所述口袋可以造成对呋喃消除的较低选择性。可以使用100转每分钟（rpm)至1500rpm 之间的混合速度来确保水解产物溶液的充分混合。例如，可以使用100rpm、200rpm、400rpm、 800rpm和1500rpm的混合速度。在特定实施方式中，混合可以在以任两个上述混合速度为 边界的速度下进行，例如但不限于l〇〇rpm至200rpm、lOOrpm至400rpm、200rpm至400rpm、 400rpm至800rpm或800rpm至1，500rpm。在其他实施方式中，可以使用间歇的混合方案， 其中混合速率随着脱毒过程的进展而变。水解产物溶液的混合物可以使用本领域中已知的 任何混合器来实现，例如高剪切混合器、桨式混合器、磁力搅拌机或振摇器、涡旋振荡、使用 珠子的搅拌和顶置式搅拌。
[0082] 本公开的脱毒方法提供了与脱毒前的起始水解产物相比已除去显著部分的呋喃 醛（例如糠醛）的脱毒的水解产物。同时，脱毒导致总可发酵性糖的极小损失。因此，脱毒 反应对呋喃醛的消除是高度选择性的。在特定实施方式中，本公开提供的脱毒的水解产物 具有存在于起始水解产物中的至少70%、至少80%、至少85%、至少90%、至少92%、至少 93%、至少95%或至少99%的总可发酵性糖，以及存在于起始水解产物中的不超过50%、 不超过40%、不超过30%或不超过20%的呋喃醛。
[0083] 在特定实施方式中，本公开的脱毒方法提供的脱毒的水解产物具有（a)起始水 解产物中存在的至少90 %的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过50 %的呋喃 醛；(b)起始水解产物中存在的至少90%的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过 40%的呋喃醛；（c)起始水解产物中存在的至少90%的总可发酵性糖和起始水解产物中存 在的不超过30%的呋喃醛；（d)起始水解产物中存在的至少90%的总可发酵性糖和起始水 解产物中存在的不超过20%的呋喃醛；（e)起始水解产物中存在的至少80%的总可发酵性 糖和起始水解产物中存在的不超过50%的呋喃醛；（f)起始水解产物中存在的至少80%的 总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过40%的呋喃醛；（g)起始水解产物中存在的 至少80%的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过30%的呋喃醛；或（h)起始水解 产物中存在的至少80%的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过20%的呋喃醛。
[0084] 在脱毒过程完成后，可以通过添加适合的酸（例如硫酸或磷酸）（参见图1和实施 例3)来降低脱毒的水解产物溶液的pH。可以将pH调整到适合于发酵微生物的水平。一般 来说，将pH调整到3. 5至8之间的值，更通常为4至7之间的值。在将pH调整到所需水平 之后，可以将脱毒的水解产物转移到发酵容器。
[0085] 脱毒的水解产物的发酵（4. 5节）
[0086] 糖向发酵产物的发酵可以在单步或多步发酵中，通过一种或多种适合的 发酵微生物来进行。发酵微生物可以是野生型微生物或重组微生物，并包括埃希 氏菌（Escherichia)、发酵单胞菌（Zymomonas)、酵母（Saccharomyces)、假丝酵母 (Candida)、毕赤酵母（Pichia)、链霉菌（Streptomyces)、芽抱杆菌（Bacillus)、乳杆菌 (Lactobacillus)和梭状芽孢杆菌（Clostridium)。特别适合的产乙醇菌物种包括大肠 埃希氏菌（Escherichia coli)、运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis)、嗜热脂肪芽孢杆 菌（Bacillus stearothermophilus)、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)、热纤梭状 芽抱杆菌(Clostridia thermocellum)、Thermoanaerobacterium saccharolyticum 和 树干毕赤酵母（Pichia stipitis)。大肠杆菌或运动发酵单胞菌的遗传修饰菌株可用于 乙醇生产（参见例如 Underwood 等，2002, Appl. Environ. Microbiol. 68:6263-6272 和 US 2003/0162271A1)。
[0087] 发酵可以在含有或不含其他营养物例如维生素和玉米浆（CSL)的最低培养基 中进行。发酵可以在本领域中已知的任何适合的发酵容器中进行。例如，发酵可以在 Erlenmeyer 摇瓶、Fleaker、DasGip fedbatch-pro (DasGip technology)、2L BioFlo 发酵罐 或l〇L发酵罐（B. Braun Biotech)中进行（参见实施例5)。发酵过程可以作为分批、补料 分批或连续过程来进行。发酵液的起始pH在3. 5的值至8的值的范围内，更通常在4的值 至7的值的范围内。发酵一般在20°C至40°C之间的温度下进行，更通常在25°C至35°C之 间。在特定实施方式中，发酵进行5至90小时、10至50小时或20至40小时之间的时段。
[0088] 发酵产物的回收（4. 6节）
[0089] 发酵产物可以使用本领域中已知的各种方法来回收。产物可以通过离心、过滤、 微滤和纳滤与其他发酵组分分开。产物可以通过离子交换、溶剂萃取或电透析来提取。 可以使用絮凝剂来协助产物分离。作为具体实例，可以使用本领域中已知的用于ABE发 酵的方法从发酵培养基分离生物生产的乙醇（参见例如Durre, 1998, Appl. Microbiol. Biotechnol. 49:639-648 ;Groot 等，1992, Process. Biochem. 27:61-75 ;以及其中的参考文 献）。例如,可以通过离心、过滤、倾倒等从发酵培养基中移除固体。
[0090] 在发酵后，发酵产物例如乙醇，可以通过已知用于从水性溶液分离乙醇的许多常 规技术中的任一种，从发酵液分离。这些方法包括蒸发、蒸馏、共沸蒸馏、溶剂萃取、液-液 萃取、膜分离、薄膜蒸发、吸附、涤气、渗透汽化等。

【具体实施方式】
[0091] 实施例1 :木质纤维素生物质的水解（5. 1节）
[0092] 收获木质纤维素生物质（例如能源甘蔗或甘蔗）并使用饲料切碎机切成一定大 小，用乳杆菌细菌制备物接种并储存在农用袋中直至使用。在稀酸水解之前，从袋子中取出 木质纤维素生物质并用工艺用水清洗以除去有机酸，然后使用螺旋压力机脱水。然后将生 物质与水和硫酸（〇. 2%至3 % ) -起运送到加压反应室（即水解器）。最小化浆液的液/ 固比，以最大化水解后水解产物中溶解的糖的浓度。在水解器中的滞留时间和水解器的温 度取决于生物质的参数（例如湿度和葡聚糖水平）。一般来说，水解器的温度在120°C至 180°C的范围内，滞留时间在3分钟至2小时的范围内。
[0093] 在稀酸水解后，得到的水解器浆液含有溶解的糖以及残留的不溶性纤维。将浆液 爆炸减压并吹入到旋风分离器装置中，以将浆液减压。使用清洗用水将材料重新形成浆液， 并使用螺旋压力机将浆液脱水，以便榨出溶解的糖和毒素。使用具有反向流清洗的三个螺 旋压力机步骤来脱水和清洗抑制剂饼。反向流清洗被定义为清洗用水以与饼流动相反的方 向流动。将高固体百分率的浆液稀释成低固体百分率的浆液（〈10%固体）并泵向螺旋压力 机。这种稀释使用当系统达到稳态时从后面的螺旋压力机通过反向流交换所提供的一部分 重循环液体（被定义为"压出液"）。在最后的螺旋压力机步骤中与压出液一起加入清洁的 水，以使饼可泵送。使用另外两个螺旋压力机重复最初的液/固分离步骤，以从饼中除去毒 素。将得到的高固体百分率的饼推进到进行同时糖化和发酵，并收集来自于第一步的压出 液用于脱毒工作。
[0094] 来自于几种生物质来源的起始水解产物中各个化合物（例如糖、呋喃和脂族酸） 在稀酸水解和固/液分离后的浓度，示出在表1中。
[0095] 表1 :起始水解产物的组成
[0096]

【权利要求】
1. 一种降低木质纤维素水解产物对发酵生物体的毒性或减少来自于木质纤维素水解 产物的对发酵生物体的一种抑制剂的至少一部分的方法，所述方法包括下列步骤： (a) 将从木质纤维素生物质获得的木质纤维素水解产物的起始溶液，与其量足以将所 述溶液的pH提高到3至8之间的第一种碱或第一种碱的混合物混合，所述起始溶液包含可 发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物；以及 (b) 将在步骤（a)中产生的溶液与其量足以将所述溶液的pH提高到7至10之间的第 二种碱或第二种碱的混合物混合，所述混合历时足以消除所述木质纤维素水解产物中至少 40%的呋喃醛的时间， 由此降低所述木质纤维素水解产物的毒性。
2. 权利要求1的方法，其中所述第一种碱和第二种碱是相同的。
3. 权利要求1的方法，其中所述第一种碱和第二种碱是不同的。
4. 权利要求1-3任一项的方法，其中所述第一种碱以足以将所述溶液的pH提高到3至 5之间的量添加。
5. 权利要求1-3任一项的方法，其中所述第一种碱以足以将所述溶液的pH提高到4至 6之间的量添加。
6. 权利要求1-5任一项的方法，其中所述第二种碱以足以将所述溶液的pH提高到8至 10之间的量添加。
7. 权利要求1-5任一项的方法，其中所述第二种碱以足以将所述溶液的pH提高到9至 10之间的量添加。
8. 权利要求1-7任一项的方法，其中步骤（a)在40°C至60°C之间的温度下进行。
9. 权利要求1-7任一项的方法，其中步骤（a)在40°C至50°C之间的温度下进行。
10. 权利要求1-9任一项的方法，其中步骤（b)在30°C至90°C之间的温度下进行。
11. 权利要求1-9任一项的方法，其中步骤（b)在40°C至70°C之间的温度下进行。
12. 权利要求1-11任一项的方法，其中所述木质纤维素生物质选自象草、能源甘蔗、高 粱、芦竹、糖用甜菜、柳枝稷、甘蔗渣、稻杆、芒草、柳枝稷、麦杆、木材、木材废料、纸张、废纸、 农业废料、城市废料、桦木、燕麦、玉米秸杆、桉木、柳木、杂交杨木、短周期木本作物、针叶软 木和作物残茬。
13. 权利要求1-12任一项的方法，其中所述第一种碱是含镁碱。
14. 权利要求13的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
15. 权利要求13的方法，其中所述含镁碱是碳酸镁。
16. 权利要求13的方法，其中所述含镁碱是氧化镁。
17. 权利要求1-16任一项的方法，其中所述第二种碱选自氢氧化铵、氢氧化|丐、氢氧化 钠和氢氧化钾。
18. 权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化铵。
19. 权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钙。
20. 权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钠。
21. 权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钾。
22. 权利要求1-21任一项的方法，其中步骤（a)和步骤（b)在分批反应器中进行。
23. 权利要求1-21任一项的方法，其中步骤（a)在分批反应器中进行，并且步骤（b)在 连续搅拌釜式反应器（CSTR)或一系列CSTR中进行。
24. 权利要求1-21任一项的方法，其中步骤（a)和步骤（b)两者都在CSTR或一系列 CSTR中进行。
25. 权利要求1-21任一项的方法，其中步骤（a)在CSTR或一系列CSTR中进行，并且步 骤（b)在活塞流反应器（PFR)中进行。
26. 权利要求1-21任一项的方法，其中步骤（a)和步骤（b)两者都在PFR中进行。
27. 权利要求1-26任一项的方法，其中所述起始水解产物与所述含镁碱的混合进行 0. 05小时至4小时之间的时段。
28. 权利要求1-26任一项的方法，其中步骤（a)和步骤（b)进行1小时至6小时之间 的合并时段。
29. 权利要求1-26任一项的方法，其中步骤（a)和步骤（b)进行2小时至5小时之间 的合并时段。
30. 权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始溶液中总可发酵性糖的浓度在30g/L 至160g/L之间。
31. 权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始溶液中总可发酵性糖的浓度在40g/L 至95g/L之间。
32. 权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始水解产物中总可发酵性糖的浓度在 50g/L 至 70g/L 之间。
33. 权利要求1-32任一项的方法，其中所述呋喃醛包含糠醛和5-HMF。
34. 权利要求33的方法，其中所述起始溶液中糠醛的起始浓度在0. 5g/L至10g/L之 间。
35. 权利要求33的方法，其中所述起始溶液中糠醛的起始浓度在1. 5g/L至5g/L之间。
36. 权利要求33-35任一项的方法，其中所述起始溶液中5-HMF的浓度在0. lg/L至5g/ L之间。
37. 权利要求33-35任一项的方法，其中所述起始溶液中5-HMF的浓度在0. 5g/L至 2. 5g/L 之间。
38. 权利要求1-37任一项的方法，其中所述脂族酸包含乙酸和乳酸。
39. 权利要求38的方法，其中所述起始溶液中乙酸的浓度在2g/L至17g/L之间。
40. 权利要求38的方法，其中所述起始溶液中乙酸的浓度在llg/L至16g/L之间。
41. 权利要求38-40任一项的方法，其中所述起始溶液中乳酸的浓度在4g/L至10g/L 之间。
42. 权利要求1-41任一项的方法，其中所述起始水解产物还包含酚物质。
43. 权利要求42的方法，其中所述起始溶液中酚物质的浓度在0. 5g/L至5g/L之间。
44. 权利要求1-43任一项的方法，其中所述可发酵性糖包括木糖、阿拉伯糖、鼠李糖、 葡萄糖、甘露糖和半乳糖中的一种或多种。
45. 权利要求1-44任一项的方法，其中在步骤（b)中产生的水解产物溶液包含不超过 30%、不超过20%或不超过10%的存在于所述起始木质纤维素水解产物溶液中的呋喃醛。
46. 权利要求1-45任一项的方法，其中在步骤（b)中产生的水解产物溶液包含至少 90%、至少93%或至少95%的存在于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
47. 权利要求1-46任一项的方法，其还包括添加酸以将在步骤（b)中产生的溶液的pH 降低到3. 5至9之间的步骤。
48. 权利要求1-46任一项的方法，其还包括添加酸以将在步骤（b)中产生的溶液的pH 降低到4至6之间的步骤。
49. 权利要求1-48任一项的方法，其还包括在步骤（a)之前浓缩所述起始水解产物溶 液的步骤。
50. -种生产乙醇的方法，所述方法包括在通过权利要求1-49任一项的方法产生的脱 毒的水解产物溶液存在下、在生产乙醇的条件下培养发酵微生物由此生产乙醇的步骤。
51. 权利要求50的方法，其还包括从所述培养物中分离乙醇。
52. 权利要求50或51的方法，其中所述发酵生物体包括大肠埃希式杆菌 (Escherichia coli)、运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis)、嗜热脂肪芽抱杆菌（acillus stearothermophilus)、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae)、热纤梭菌（Clostridia thermocellum)、Thermoanaerobacterium saccharolyticum 和树干毕赤酵母(Pichia stipitis)中的一种或多种。
53. 权利要求50-52任一项的方法，其还包括在所述培养步骤之间生产所述脱毒的水 解产物。 5 4. -种连续减少木质纤维素水解产物中呋喃醛的量的方法，所述方法包括下列步 骤： (a) 将水解产物溶液流入第一反应器或第一反应器系列，所述水解产物溶液包含可发 酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物； (b) 将第一种碱流入所述第一反应器或第一反应器系列； (c) 将所述水解产物溶液与所述第一种碱在所述第一反应器或第一反应器系列中混合 历时足以中和所述水解产物溶液中的酸的时段； (d) 将所述水解产物溶液流入第二反应器或第二反应器系列； (e) 将第二种碱流入所述第二反应器或第二反应器系列； (f) 将所述水解产物溶液与所述第二种碱在所述第二反应器或第二反应器系列中混合 历时足以减少所述水解产物中的呋喃醛的量的时段，由此产生脱毒的水解产物溶液；以及 (g) 将所述脱毒的水解产物溶液流出所述第二反应器或第二反应器系列。
55. 权利要求54的方法，其还包括酸化流出所述第二反应器的水解产物。
56. 权利要求54或55的方法，其中所述第一种碱是含镁碱。
57. 权利要求56的方法，其中所述含镁碱选自氢氧化镁、氧化镁和碳酸镁。
58. 权利要求57的方法，其中所述第一种碱是氢氧化镁。
59. 权利要求54-58任一项的方法，其中所述第二种碱是氢氧化铵。
60. 权利要求54-58任一项的方法，其中所述第二种碱是氢氧化隹丐。
61. 权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是CSTR，并且所述第二反应器 是 PFR。
62. 权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是PFR，并且所述第二反应器 是活塞流反应器PFR。
63. 权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是PFR，并且所述第二反应器 是 CSTR。
64. 权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是CSTR，并且所述第二反应器 是 CSTR。
65. 权利要求54-64任一项的方法，其还包括在步骤（a)之前浓缩所述水解产物。
【文档编号】C12P19/00GK104254613SQ201380009224
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年2月12日 优先权日:2012年2月13日
【发明者】马乌戈热塔·斯卢普斯卡, 佐藤裕纪子, 卡伦·库斯特佐, 黄永宁 申请人:Bp北美公司