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，即含镁碱（例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁）可以有效 地脱毒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"），并且所述脱毒过程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"是指与在本文中被称为"起始水解产物"的用含镁碱处理之前的水解产物 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醒、脂族 酸、酯和酚物质。
[0007] 作为脱毒用碱，含镁碱与氢氧化钙相比提供了显著优点。例如，使用含镁碱脱毒与 使用氢氧化钙脱毒相比，引起较少的糖损耗。此外，使用含镁碱脱毒不导致显著推高维护成 本的引起结垢和管道堵塞的不溶性副产物的产生。
[0008] 本公开的水解产物脱毒方法在燃料分子例如乙醇的生产中找到应用。当将水解 产物用含镁碱处理历时足以移除或失活一种或多种毒素的时间时，得到的脱毒的木质纤维 素水解产物可以被发酵微生物（例如产乙醇菌）更有效地发酵以生产发酵产物例如乙醇。 在包含乙醇发酵的示例性实施方式中，由按照本公开生产的脱毒的水解产物产生的乙醇的 量，与使用氢氧化钙脱毒的水解产物产生的乙醇量相当（参见实施例5)。
[0009] 因此，总的来说，本公开提供了降低木质纤维素水解产物对发酵生物体的毒性的 方法。在某些情况下，所述方法包括将起始水解产物的溶液（即起始水解产物溶液）与含 镁碱（例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁）在引起脱毒的水解产物的溶液（即脱毒的水解产 物溶液）产生的条件下混合一段时间。本公开的方法提供了脱毒的水解产物，其中相对于 起始水解产物，对发酵微生物有害的毒素的量被显著降低。同时，在脱毒过程中损失的可发 酵性糖的量极少。
[0010] 在某些实施方式中，本文公开的方法导致产生的脱毒的水解产物具有至少70%、 至少80%、至少85%、至少90%、至少92%、至少93%、至少95%或至少99%的存在于起 始水解产物中的可发酵性糖，以及不超过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%的存在于起始水解产物中的呋喃醛。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)至少90%的存在于起始水解产物 中的总可发酵性糖和不超过50 %的存在于起始水解产物中的呋喃醛；(b)至少90 %的存在 于起始水解产物中的总可发酵性糖和不超过40%的存在于起始水解产物中的呋喃醛；（c) 至少90 %的存在于起始水解产物中的总可发酵性糖和不超过30 %的存在于起始水解产物 中的呋喃醛；（d)至少90 %的存在于起始水解产物中的总可发酵性糖和不超过20 %的存在 于起始水解产物中的呋喃醛；（e)至少80%的存在于起始水解产物中的总可发酵性糖和不 超过50 %的存在于起始水解产物中的呋喃醛；（f)至少80 %的存在于起始水解产物中的总 可发酵性糖和不超过40 %的存在于起始水解产物中的呋喃醛；（g)至少80 %的存在于起始 水解产物中的总可发酵性糖和不超过30%的存在于起始水解产物中的呋喃醛；或（h)至少 80%的存在于起始水解产物中的总可发酵性糖和不超过20%的存在于起始水解产物中的 呋喃醛。
[0011] 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。
[0012] 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，以及水解条件。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 ; ⑷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s (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。
[0013] 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。
[0014] 在各种实施方式中，木质纤维素水解产物溶液的脱毒可以在25°C至90°C范围内 的温度下进行。脱毒过程可以在例如 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50°C、35°C至65°C等范围内的温度下 进行。有利的是，所述脱毒过程在40°C至60°C范围内的温度下进行，这允许脱毒反应以商 业上可行的速率发生，同时将可发酵性糖的损失降至最低，由此提高发酵产物（例如乙醇、 生物化学品）的得率。
[0015] 水解产物脱毒过程通常在6. 2至9. 5范围内的pH下进行。例如，脱毒可以在6. 5、 7、7. 5、8、8. 5、9或9. 5的pH下进行。在特定实施方式中，脱毒过程可以在以任两个上述值 为边界的范围内的pH，例如6. 5至8、7至8等的范围内的pH下进行。
[0016] 在某些情况下，本公开提供了降低木质纤维素水解产物对发酵生物体的毒性的方 法，所述方法包括将起始木质纤维素水解产物溶液与含镁碱在40°C至70°C之间的温度和 6. 5至8之间的pH下混合至少1小时、至少4小时、至少10小时或至少20小时的时段的步 骤，所述起始木质纤维素水解产物溶液包含可发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物。在特定 实施方式中，所述含镁碱是氢氧化镁。
[0017] 脱毒过程可以作为分批过程、连续过程或半连续过程来进行。脱毒过程可以在 分批反应器、连续搅拌釜式反应器（CSTR)、一系列连续搅拌釜式反应器或活塞流反应器 (PFR)中进行。
[0018] 本公开还提供了用于连续降低水解产物中毒素的量的方法，所述方法包括下列步 骤：将水解产物的第一连续料流流入到连续反应器或一系列连续反应器中，将含镁碱溶液 的第二连续料流流入到所述连续反应器或所述一系列连续反应器中，将所述水解产物与所 述含镁碱在所述连续反应器中混合足以降低所述水解产物中毒素的量的时间，以及将所述 水解产物流出所述连续反应器。
[0019] 本公开的脱毒的水解产物可以被发酵微生物发酵，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 条件下培养发酵微生物。可以使用各种发酵微生物（例如产乙醇菌）来生产可发酵产物， 例如在第4. 5节中所描述的。
[0020] 此外，本公开提供了用于连续生产发酵产物的方法，所述方法包括下列步骤：将水 解产物的第一连续料流流入到连续反应器或一系列连续反应器或所述一系列连续反应器 中，将含镁碱的第二连续料流流入到所述连续反应器中，将所述水解产物与所述含镁碱在 所述连续反应器中混合足以将水解产物中的毒素脱毒（减少其量）的时段，将所述水解产 物流出所述连续反应器，降低所述水解产物的PH，以及将所述脱毒的水解产物流入到含有 发酵微生物的发酵容器中，由此生产发酵产物。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1 :本公开的示例性连续过程的流程示意图。
[0022] 图2A-2C :描述了使用各种不同剂量（即28. 5g氢氧化镁/lkg水解产物、85. 5g氢 氧化镁/lkg水解产物和142. 5g氢氧化镁/lkg水解产物），分别在50°C、70°C和90°C下进 行的脱毒反应在不同时间点处木糖和汤泉消除的量的图。
[0023] 图3 :从甘蔗生物质获得的水解产物的使用三种不同碱的滴定曲线。
[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。使用含镁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（100°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W02004/081185。
[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W02006/110901。
[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，可以调整水解产物溶液的浓度。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含镁碱之前进行浓缩。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] 水解产物使用含镁碱的脱毒（4. 4节）
[0060] -般来说，本公开的脱毒方法需要将木质纤维素水解产物与含镁碱（例如氢氧化 镁、碳酸镁或氧化镁）在导致产生脱毒的木质纤维素水解产物的条件下混合一段时间。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"是指观察到呋喃醛与含镁碱的反应速率高于可发酵性糖与含镁碱的反应速率。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。脱毒的水解产物然后可以被适合的发酵微生物发酵，以生产发酵 产物例如乙醇。
[0061] 脱毒方法通常包括将起始木质纤维素水解产物溶液与含镁碱在导致产生脱毒的 水解产物溶液的条件下混合一段时间。适合于执行脱毒过程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、添加的含镁 碱的总量、搅拌速率和所使用的反应器的类型。脱毒过程通常进行15分钟至80小时范围 内的时段，更通常在1小时至40小时之间。在特定实施方式中，脱毒过程进行1小时至30 小时、1. 5小时至20小时、2小时至12小时、3小时至9小时、4小时至10小时或6小时至 9小时范围内的时段。这一过程适用于分批和连续容器处理。
[0062] 水解产物脱毒过程通常在90°C或更低的温度下，例如在30°C、35°C、40°C、45°C、 50°C、55°C、60°C、70°C、75°C、80°C或85°C的温度下进行。在特定实施方式中，温度在以任 两个上述实施方式为边界的范围内，例如但不限于40°C至70°C、40°C至60°C、40°C至55°C、 45°C至55°C、45°C至50°C、50°C至55°C或40°C至50°C范围内的温度。在特定实施方式中， 水解产物溶液的温度在40°C至60°C的范围内。在该范围内，获得对呋喃醛消除的高选择 性，并在同时观察到商业上可行的脱毒反应速率。
[0063] 水解产物脱毒过程通常在6. 2至9. 5范围内的pH下，例如在6. 5、7、7. 5、8、8· 5、 9.0或9. 5的pH下进行。在特定实施方式中，pH在以任两个上述值为边界的范围内，例如 但不限于6. 5至8、6. 5至7. 5、7至8或7至7. 5范围内的pH。应该理解，水解产物溶液的 pH取决于含镁碱的浓度和溶液的温度。在使用氢氧化镁进行水解产物脱毒的实施方式中， 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（参见例如表3)。随着脱毒 过程的进展，由于氢氧化物在与糖和呋喃的反应中的消耗，溶液的pH可能略微降低。在反 应过程中，可以向水解产物溶液添加另外的氢氧化镁以调整pH。
[0064] 向lx水解产物溶液添加的含镁碱的总量可以在2克每1千克水解产物（2g/lkg水 解产物）至200克每1千克水解产物（200g/lkg水解产物）的范围内。例如，向水解产物溶 液添加的含镁碱的总量可以为40g/lkg水解产物、80g/lkg水解产物、100g/lkg水解产物、 120g/lkg水解产物、140g/lkg水解产物或160g/lkg水解产物。含镁碱可以在单一步骤中、 分成多个部分或在整个脱毒过程中连续地添加到水解产物溶液。在特定实施方式中，向水 解产物溶液添加的含镁碱的总量在以任两个上述实施方式为边界的范围内，例如但不限于 40g/lkg水解产物至160g/lkg水解产物、40g/lkg水解产物至120g/lkg水解产物、80g/lkg 水解产物至160g/lkg水解产物、80g/lkg水解产物至140g/lkg水解产物或140g/lkg水解 产物至160g/lkg水解产物。对于更浓的水解产物溶液（例如4x)来说，足以将pH升高到 所需水平的含镁碱的量相对于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0. 5x)来说，足以将pH升高到所需水平的含镁碱的量相对于lx水解产物溶液将会减 少。
[0065] 水解产物脱毒过程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。
[0066] 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含镁碱（或 含镁碱浆液）在反应器中合并。水解产物溶液和含镁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。
[0067] 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含镁碱浆液。水 解产物和含镁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脱毒水平的时间所决定。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调整和/或在延长的滞留时间内调整温度。
[0068] 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 如连续搅拌釜式反应器或活塞流反应器，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。
[0069] 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。
[0070] 本公开提供了对从木质纤维素生物质获得的生物质进行连续脱毒的方法。如图1 中所示，连续脱毒过程的步骤包括将水解产物的第一连续料流流入到连续反应器中，将含 镁碱溶液的第二连续料流流入到所述连续反应器中，将水解产物与含镁碱在所述连续反应 器中混合足以减少水解产物中毒素的量的时段，以及将水解产物流出所述连续反应器。
[0071] 除了脱毒之外，本公开方法还可以包括其他步骤，例如在图1中示出的在脱毒步 骤上游或下游的一个或多个步骤。在图1中，仅仅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,并进入连续搅拌釜式反应器102。在进入连续搅拌釜式反应器102 之前，可以对水解产物加热。通过管线103将氢氧化镁连续供应到连续搅拌釜式反应器。 在连续搅拌釜式反应器102中的脱毒完成后，将脱毒的水解产物通入管线104中，在那里它 遇到来自于管线105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106中。中和的脱毒的水解产物通过管线107离开混合器106,并流入到发酵容器108 中。
[0072] 在添加含镁碱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l〇〇rpm、200rpm、400rpm、800rpm和 1500rpm的混合速度。在特定实施方式中，混合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。
[0073] 本公开的脱毒方法提供了与起始水解产物相比已除去显著部分的呋喃醛的脱毒 的水解产物。同时，脱毒导致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，本文中公开的方法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95%或至少99%的可发 酵性糖，以及存在于起始水解产物溶液中的不超过50%、不超过40%、不超过30%或不超 过20 %的呋喃醛。
[0074] 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；(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。 [0075] 在特别有利的实施方式中，用于脱毒的含镁碱是氢氧化镁。氢氧化镁的优点在于 它在脱毒过程进展时有效地缓冲水解产物溶液。由于氢氧化镁的有限的溶解度，固体氢氧 化镁仅仅在中和或碱性系统中，在氢氧化物离子与水解产物包含的其他组分（例如呋喃 醛）反应后才进一步解离。此外，由于常见的离子效应，当氢氧化物在与呋喃醛或糖的反应 中被消耗时，可溶性镁离子（其不反应并且作为观察离子存在）的积累将阻止氢氧化镁的 进一步溶解，并因此产生对pH进一步提高的限制。因此，在整个脱毒过程中，溶液的pH保 持在狭窄的范围内。
[0076] 不受理论的限制，据信使用本公开的方法观察到的对呋喃醛的高选择性，部分源 自于使用氢氧化镁或碳酸镁作为脱毒碱所实现的紧密pH控制。滴定研究表明，氢氧化镁在 水解产物溶液中具有低的溶解度，尤其是在通常进行脱毒过程的6至8范围内的pH下（参 见图3和实施例6)。因此，水解产物溶液中可用于与水解产物的组分（例如总可发酵性糖 和呋喃醛）反应的氢氧化物离子的量有限。动力学研究（参见实施例7)表明，糠醛破坏的 活化能低于糖降解的活化能。因此，溶液中存在的绝大部分氢氧化物被导向与呋喃醛而不 是总可发酵性糖的反应。
[0077] 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)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。
[0078] 脱毒的水解产物的发酵（4. 5节）
[0079] 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)。特别适合的发酵微生物物种包括大 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 US2003/0162271A1)。
[0080] 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。
[0081] 发酵产物的回收（4. 6节）
[0082] 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。
[0083] 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】
[0084] 实施例1 :木质纤维素生物质的水解（5. 1节）
[0085] 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。
[0086] 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。
[0087] 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。
[0088] 表1 :起始水解产物的组成
[0089]

【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，所述方法包括将起始木质纤维素 水解产物溶液与选自氢氧化镁、碳酸镁和氧化镁的含镁碱在导致形成脱毒的水解产物溶液 的条件下混合一段时间，由此降低所述木质纤维素水解产物的毒性的步骤，所述起始木质 纤维素水解产物溶液包含可发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物，所述脱毒的水解产物溶 液包含存在于所述起始木质纤维素水解产物溶液中的至少90 %的总可发酵性糖和存在于 所述起始木质纤维素水解产物溶液中的不超过40%的呋喃醛。
2. 权利要求1的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
3. 权利要求1的方法，其中所述含镁碱是碳酸镁。
4. 权利要求1的方法，其中所述含镁碱是氧化镁。
5. 权利要求1-4任一项的方法，其中所述条件包括40°C至70°C之间的温度。
6. 权利要求1-4任一项的方法，其中所述条件包括45°C至50°C之间的温度。
7. 权利要求1-6任一项的方法，其中所述条件包括6. 2至9. 5之间的pH。
8. 权利要求1-6任一项的方法，其中所述条件包括6. 5至8之间的pH。
9. 权利要求1-8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在分批反 应器中进行。
10. 权利要求1-8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在连续 反应器中进行。
11. 权利要求10的方法，其中所述连续反应器是活塞流反应器（PFR)。
12. 权利要求10的方法，其中所述连续反应器是连续搅拌釜式反应器（CSTR)。
13. 权利要求1-12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1 小时至40小时之间的时段。
14. 权利要求1-12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2 小时至12小时之间的时段。
15. 权利要求1-12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3 小时至9小时之间的时段。
16. 权利要求1-15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 30g/L 至 160g/L 之间。
17. 权利要求1-15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 40g/L 至 95g/L 之间。
18. 权利要求1-15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。
19. 权利要求1-18任一项的方法，其中所述呋喃醛包含糠醛和5-HMF。
20. 权利要求19的方法，其中所述起始水解产物中糠醛的起始浓度在0. 5g/L至10g/L 之间。
21. 权利要求19的方法，其中所述起始水解产物中糠醛的起始浓度在1. 5g/L至5g/L 之间。
22. 权利要求19-21任一项的方法，其中所述起始水解产物中5-HMF的浓度在0. lg/L 至5g/L之间。
23. 权利要求19-21任一项的方法，其中所述起始水解产物中5-HMF的浓度在0. 5g/L 至2. 5g/L之间。
24. 权利要求1-23任一项的方法，其中所述脂族酸包含乙酸和乳酸。
25. 权利要求24的方法，其中所述起始水解产物中乙酸的浓度在2g/L至17g/L之间。
26. 权利要求24的方法，其中所述起始水解产物中乙酸的浓度在llg/L至16g/L之间。
27. 权利要求24-26任一项的方法，其中所述起始水解产物中乳酸的浓度在Og/L至 12g/L之间。
28. 权利要求1-27任一项的方法，其中所述起始水解产物还包含酚物质。
29. 权利要求28的方法，其中所述起始水解产物中酚物质的浓度在0. 5g/L至5g/L之 间。
30. 权利要求1-29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。
31. 权利要求1-30任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含不超过30%的存 在于所述起始木质纤维素水解产物溶液中的呋喃醛。
32. 权利要求1-30任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含不超过20%的存 在于所述起始木质纤维素水解产物溶液中的呋喃醛。
33. 权利要求1-30任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含不超过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。
34. 权利要求1-33任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含至少90%的存在 于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
35. 权利要求1-33任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含至少93%的存在 于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
36. 权利要求1-33任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含至少95%的存在 于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
37. 权利要求1-33任一项的方法，其中所述脱毒的水解产物溶液包含至少99%的存在 于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
38. 权利要求1-37任一项的方法，其中向所述水解产物溶液添加的含镁碱的量在 2g/lkg水解产物至200g/lkg水解产物之间。
39. 权利要求1-37任一项的方法，其中向所述水解产物溶液添加的含镁碱的量在 40g/lkg水解产物至160g/lkg水解产物之间。
40. 权利要求1-39任一项的方法，其还包括添加酸以将所述脱毒的水解产物的pH降低 到3. 5至8之间的pH的步骤。
41. 权利要求1-39任一项的方法，其还包括添加酸以将所述脱毒的水解产物的pH降低 到4至7之间的pH的步骤。
42. 权利要求1-41任一项的方法，其中所述起始水解产物溶液通过水解木质纤维素生 物质来制备。
43. 权利要求42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。
44. 权利要求1-43任一项的方法，其还包括在所述混合步骤之前浓缩水解产物溶液以 产生所述起始水解产物溶液的步骤。
45. -种降低木质纤维素水解产物对发酵生物体的毒性的方法，所述方法包括将起始 木质纤维素水解产物溶液与选自氢氧化镁、碳酸镁和氧化镁的含镁碱在40°C至70°C之间 的温度和6. 5至8之间的pH下混合至少1小时、至少4小时、至少10小时或至少20小时 的时段，由此降低所述木质纤维素水解产物的毒性的步骤，所述起始木质纤维素水解产物 溶液包含可发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物。
46. 权利要求45的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
47. 权利要求45的方法，其中所述含镁碱是碳酸镁。
48. 权利要求45的方法，其中所述含镁碱是氧化镁。
49. 权利要求45-48任一项的方法，其中所述混合进行至多4小时的时段。
50. 权利要求45-49任一项的方法，其中所述pH在7至8的范围内。
51. 权利要求45-50任一项的方法，其中所述温度在40°C至70°C之间。
52. 权利要求45-50任一项的方法，其中所述温度在40°C至55°C之间。
53. 权利要求45-52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在分 批反应器中进行。
54. 权利要求45-52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在连 续反应器中进行。
55. 权利要求54的方法，其中所述连续反应器是活塞流反应器（PFR)。
56. 权利要求55的方法，其中所述连续反应器是连续搅拌釜式反应器（CSTR)。
57. -种生产发酵产物的方法，所述方法包括在通过权利要求1-56任一项的方法生产 的脱毒的水解产物溶液存在的条件下、在生产乙醇的条件下培养发酵微生物由此生产所述 发酵产物的步骤。
58. 权利要求57的方法，其还包括从所述培养物中分离所述发酵产物。
59. 权利要求57或58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。
60. 权利要求57-59任一项的方法，其还包括在所述培养步骤之前生产所述脱毒的水 解产物。
61. 权利要求57-59任一项的方法，其中所述发酵产物是乙醇。
62. -种用于连续降低水解产物中毒素的量的方法，所述方法包括下列步骤： (a) 将所述水解产物的第一连续料流流入到连续反应器中； (b) 将含镁碱的第二连续料流流入到所述连续反应器中； (c) 将所述水解产物与所述含镁碱在所述连续反应器或一系列连续反应器中混合历时 足以降低所述水解产物中毒素的量的时段；以及 (d) 将所述水解产物流出所述连续反应器或所述一系列连续反应器。
63. 权利要求62的方法，其中所述含镁碱选自氢氧化镁、碳酸镁和氧化镁。
64. 权利要求63的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
65. 权利要求62-64任一项的方法，其中所述反应器是活塞流反应器（PFR)。
66. 权利要求62-64任一项的方法，其中所述反应器是连续搅拌釜式反应器（CSTR)。
67. 权利要求62-66任一项的方法，其还包括在步骤（a)之前浓缩所述水解产物。
68. -种用于连续生产发酵产物的方法，所述方法包括： (a) 将水解产物的第一连续料流流入到连续反应器中； (b) 将含镁碱的第二连续料流流入到所述连续反应器中； (c) 将所述水解产物与所述含镁碱在所述连续反应器或一系列连续反应器中混合历时 足以降低所述水解产物中呋喃醛的量的时段； (d) 将所述水解产物流出所述连续反应器或所述一系列连续反应器； (e) 降低所述水解产物的pH ;以及 (f) 将所述水解产物流入到含有发酵微生物的发酵容器中，由此生产所述发酵产物。
69. 权利要求68的方法，其中所述含镁碱选自氢氧化镁、碳酸镁和氧化镁。
70. 权利要求69的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
71. 权利要求68-70任选的方法，其中所述反应器是活塞流反应器（PFR)。
72. 权利要求68-70任一项的方法，其中所述反应器是连续搅拌釜式反应器（CSTR)。
73. 权利要求68-72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】D21C5/00GK104254601SQ201380009227
【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