由含纤维素的生物质产生的糖可用作生产燃料、塑料和其他产品的原料。由于化石原料供应的有限性和不稳定性以及由于环境原因，用非化石原料(即由可再生资源获得的原料)替代化石原料变得越来越重要。该非化石原料的一个潜在来源是含纤维素的生物质，其可通过将纤维素酶解糖化成葡萄糖而加工，所述葡萄糖可以以化学方式或通过发酵进一步加工成多种产物。例如，通过将获得的葡萄糖发酵，可获得乙醇(有时称为生物乙醇)，其可用作内燃机，例如汽车的燃料。
为了促进酶解糖化，通常对含纤维素的生物质进行预处理，以通过降解或分解存在于含纤维素的生物质中的半纤维素和/或木质素而提高纤维素生物质的可用性。本领域已知数种预处理方法。
wo2008/134037公开了一种消化木质纤维素生物质的方法，包括用表面活性剂和任选的酸(例如硫酸)处理木质纤维素生物质，并用酶对经表面活性剂处理的木质纤维素生物质进行培养。优选的表面活性剂选吐温80、吐温20、peg(未指明摩尔质量)、ddbsa、glucopone/215、glucopone/225和glucopone/625。
wo2004/081185公开了一种水解木质纤维素的方法，包括在温和条件下使所述木质纤维素与至少一种化学品接触以产生经处理的木质纤维素，并使所述经处理的木质纤维素与至少一种能够水解木质纤维素的酶接触，其中所述化学品选自氧化剂、变性剂、洗涤剂、有机溶剂、碱及其组合。就此而言，“洗涤剂”意欲指代可形成胶束以螯合油的化合物。所述洗涤剂包括阴离子、阳离子和中性洗涤剂，包括但不限于nonidet(n)p-40、十二烷基硫酸钠(sds)、磺基甜菜碱、正辛基葡糖苷、脱氧胆酸盐、tritonx-100和吐温20。
在bioresourcetechnology169(2014)713-722的公开文献中，研究了选自聚乙二醇peg8000(摩尔质量为约8000g/mol的聚乙二醇)、peg2000(摩尔质量为约2000g/mol的聚乙二醇)、triton-x、吐温20、吐温80、十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和尿素的添加剂在50℃下提高里氏木霉(trichodermareesei)纤维素酶对热酸预处理的小麦秸秆的酶水解的能力。此处，将所述添加剂添加至热酸预处理的小麦秸秆的悬浮液中。没有公开在热酸预处理期间存在添加剂。
相关技术还有rajeevkumar等，biotechnologyandbioengineering，第102卷第6期，2009年4月15日，第1544-1557页；ep0472474a1；hairongzhang等，appliedbiochemistryandbiotechnology，第170卷第7期，2013年8月1日，第1780-1791页；yanqiaojin等，bioresourcetechnology，第102卷第3期，2011年2月1日，第3581-3583页；ep2033974a1和wo2015/049345a1。
wo2008/134037和wo2004/081185泛泛地公开了在糖化之前用于预处理含纤维素的生物质的一般类别的添加剂。然而，已发现该添加剂的化学结构以及分子尺寸对所述添加剂的效果具有强烈的影响。令人惊讶地发现，当将如下文所定义的式(i)化合物用于加工含纤维素的生物质，特别是在糖化之前用于预处理含纤维素的生物质时，对可通过酶解糖化经处理的含纤维素生物质而获得的葡萄糖的产率具有有利的影响，且允许降低酶剂量。
这些和其他目的通过本发明的加工含纤维素的生物质的方法来实现。所述加工含纤维素生物质的方法包括以下步骤：
使包含所述含纤维素的生物质、水和硫酸的处理混合物在100-4000kpa的压力下经历100-220℃的温度，其中对压力加以选择以使得至少一部分水处于液态，从而产生经处理的含纤维素的生物质，
其中所述处理混合物进一步包含一种或多种式(i)化合物：
其中在式(i)中：
r1和r2独立地选自氢、甲基、乙基、丙基和丁基，
所述x基团(ii)任一个中的各rx
与其他基团(ii)中的rx的含义独立地选自氢、甲基、乙基和丙基，
x为50-250的整数。
使上文所定义的包含所述含纤维素的生物质、水、硫酸和一种或多种式(i)化合物的处理混合物在100-4000kpa的压力下经历100-220℃的温度且其中对压力加以选择以使得至少一部分水处于液态的步骤促进了所获得的经处理含纤维素生物质的糖化(酶解糖化或化学糖化)。因此，在本发明的优选方法中，所述步骤提供了用于糖化(酶解糖化或化学糖化)或用于生产溶解浆的含纤维素生物质的有用预处理。
经处理的含纤维素的生物质通常包含纤维素、半纤维素和木质素作为主要组分。与加工前的含纤维素的生物质相反，在经处理的含纤维素的生物质中，半纤维素和/或木质素的含量通常由于分解成木糖和其他可能包含少量葡萄糖的降解产物而降低。因此，在本发明的优选方法中，对处理混合物的组成以及所述处理混合物所经历的温度和压力加以选择，以降低含纤维素的生物质中的半纤维素和/或木质素的量。
不希望受任何具体理论的束缚，现在认为式(i)化合物与含纤维素生物质的木质素成分结合，由此防止木质素抑制酶在经处理的含纤维素生物质的糖化中的活性。此外，式(i)化合物可促进含纤维素生物质的溶胀，从而导致含纤维素生物质的开放结构稳定化，这改善了硫酸以及用于后续糖化的酶的进入。更具体地，式(i)化合物的分子可填充由于半纤维素和/或木质素分解而形成的经处理生物质中的空隙，由此避免经处理的含纤维素生物质的致密化和塌陷，从而使得在酶解糖化中促进酶的进入。
本发明的另一方面涉及如上文所定义的式(i)化合物用于加工含纤维素的生物质中的用途，尤其是用于在糖化之前预处理含纤维素的生物质的用途。
处理混合物
所述处理混合物包含固相，其包含含纤维素的生物质；和液体水相，其包含水、硫酸和一种或多种式(i)化合物。
适于通过本发明的方法加工的含纤维素的生物质可选自植物生物质、农业废弃物、林业残留物、糖加工残留物、废纸及其混合物。出于经济和生态原因，尤其优选呈废弃物和残留物形式的含纤维素的生物质。除纤维素外，含纤维素的生物质通常包含木质素和/或半纤维素。
优选地，所述处理混合物包含3-75重量％，更优选8-70重量％，进一步优选15-60重量％，最优选25-50重量％，特别优选30-45重量％的含纤维素的生物质，在每种情况下基于所述处理混合物的总重量。在处理混合物中含有更低浓度的含纤维素的生物质的情况下，由于要处理体积非常大的处理混合物以获得少量经处理的含纤维素的生物质，因此该方法效率低下。在处理混合物中含有更高浓度的生物质时，存在的问题是并非所有含纤维素的生物质都与硫酸和一种或多种如上文所定义的式(i)化合物接触。
优选地，所述处理混合物中的硫酸浓度为0.1-25重量％，更优选0.5-10重量％，最优选1-5重量％，在每种情况下基于存在于处理混合物中的含纤维素的生物质的总重量。
在基于处理混合物中存在的含纤维素生物质的总重量低于0.1重量％的浓度下，处理混合物中的硫酸量通常过低，以至于硫酸对随后糖化中的葡萄糖产率不具有显著影响。另一方面，处理混合物中的硫酸浓度越高，则不希望的副产物的量就越高。硫酸可起氧化剂和/或脱水剂作用，因此可能通过生物质成分的焦化和/或硫酸化而形成不希望的副产物。该类副产物的形成又导致可用于糖化的材料量减少、反应混合物污染、用于糖化的酶失活、反应设备污染(即通过形成不溶性沉积物)和难以分离处理混合物的各相。
因此，优选硫酸的浓度基于处理混合物中存在的含纤维素生物质的总重量不超过25重量％，且优选保持尽可能低。这在较高加工温度下甚至变得更加重要，因为较高的加工温度也促进了不希望的副产物的形成。因此，加工温度越高，则应选择的硫酸浓度就越低。就随后的酶解糖化而言，低硫酸浓度也是优选的，因为如果ph过低，则酶活性降低。因此，处理混合物中的低硫酸浓度允许对包含经处理的含纤维素生物质的处理混合物直接进行酶解糖化而不除去含酸的含水液相(还参见下文)。
就此而言，应当认为，如果存在于处理混合物中，则其他酸有助于降低ph，并且可能进一步促进不希望的副产物的形成。因此，优选将酸的总浓度保持为低。就此而言，尤其优选所述处理混合物中的甲磺酸的量小于100重量％，优选90重量％或更少，优选50重量％或更少，更优选10重量％或更少，基于存在于处理混合物中的硫酸重量，且优选处理混合物不含大于1重量％的甲磺酸，基于存在于处理混合物中的硫酸重量。
处理混合物的ph值优选为0-2.5，更优选0.5-2.0。
本发明的处理混合物包含一种或多种式(i)化合物：
其中在式(i)中：
r1和r2独立地选自氢、甲基、乙基、丙基和丁基，
所述x基团(ii)任一个中的各rx
与其他基团(ii)中的rx的含义独立地选自氢、甲基、乙基和丙基，
x为50-250的整数。
在式(i)化合物中，基团(ii)
(其中rx如上文所定义)以无规方式、梯度方式或嵌段状分布。
具有嵌段状分布的基团(ii)的式(i)化合物
可通过相应氧化烯单体的嵌段加聚而获得。
具有无规分布的基团(ii)的式(i)化合物
可通过将相应的烯化氧单体同时供应到反应器中而获得。
式(i)化合物的组由作为表面活性剂的化合物和非表面活性剂的化合物组成。其中分子各自包含亲水区域和疏水区域的那些式(i)化合物是表面活性剂。
优选式(i)化合物，其中：
r1为氢或甲基，和/或
r2选自氢、甲基、丙基和丁基，和/或
所述x基团(ii)任一个中的各rx与其他基团(ii)中的rx的含义独立地选自氢、甲基、乙基和丙基，和/或
x为50-210的整数。
进一步优选式(i)化合物，其中：
r1为氢或甲基，
r2选自氢、甲基、丙基和丁基，
所述x基团(ii)任一个中的各rx与其他基团(ii)中的rx的含义独立地选自氢、甲基、乙基和丙基，
x为50-210的整数。
进一步优选，
(a)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1和r2选自氢和甲基，各rx为氢，x为70-210的整数，或者
(b)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1为氢或甲基，r2选自甲基、乙基、丙基和丁基，并且各rx为氢或甲基，其中rx＝氢和rx＝甲基是无规分布的，其中在所述式(i)化合物的各分子中，相对于基团(ii)的总量，rx为甲基的基团(ii)的比例为40-60％，x为70-210的整数，或者
(c)一种或多种所述式(i)化合物选自式(i')化合物：
其中:
r1和r2为氢或甲基，
r3，r4和r5独立地选自氢、甲基、乙基和丙基，条件是
-所有n个r3相同，所有m个r4相同，所有o个r5相同，
-r4与r3不同，r4与r5不同，
n，m，o彼此独立地为≥1的整数，条件是m，n和o之和为50-210。
在r1、r2和rx的上述定义中：
-丙基包括正丙基和异丙基，其中优选正丙基，
-丁基包括正丁基、异丁基和叔丁基，其中优选正丁基。
就式(i')的化合物而言，
“所有n个r3相同”意指在式(i')化合物的分子中，基团r3的数量为n，并且这些r3中的每一个都是相同的；
“所有m个r4相同”意指在式(i')化合物的分子中，基团r4的数量为m，并且这些r4中的每一个都是相同的；
“且所有o个r5相同”意指在式(i')化合物的分子中，基团r5的数量为o，并且这些r5中的每一个都是相同的。
更优选地，
(a)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1为氢，r2选自氢和甲基，并且各rx为氢，x为70-210的整数，或者
(b)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1为氢，r2选自甲基、乙基、正丙基和正丁基，各rx为氢或甲基，其中rx＝氢和rx＝甲基是无规分布的，其中在所述式(i)化合物的各分子中，相对于基团(ii)的总量，rx为甲基的基团(ii)的比例为40-60％，x为70-210的整数，或者
(c)一种或多种所述式(i)化合物选自式(i')化合物：
其中：
r1和r2为氢，
r3，r4和r5独立地选自氢和甲基，条件是
-所有n个r3相同，所有m个r4相同，所有o个r5相同，
-r4与r3不同，r4与r5不同，
n，m，o彼此独立地为≥1的整数，条件是m，n和o之和为50-210。特别优选地，
(a)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1，r1和各rx为氢，x为70-210的整数(该优选组的合适式(i)化合物可以以商品名
(b)在一种或多种所述式(i)化合物中，r1为氢，r2选自正丙基和正丁基，各rx为氢或甲基，其中rx＝氢和rx＝甲基是无规分布的，其中在所述式(i)化合物的各分子中，相对于基团(ii)的总量，rx为甲基的基团(ii)的比例为40-60％，x为100-150的整数(该优选组的合适式(i)化合物可以以商品名
(c)一种或多种所述式(i)化合物选自式(i')化合物：
其中：
r1和r2为氢，
所有r3和r5都为氢，
所有r4都为甲基，
n，m，o彼此独立地为≥1的整数，条件是m，n和o之和为50-200，优选n＝o(该优选组的合适式(i')化合物可以以商品名
尤其优选的式(i')化合物为如下化合物，其中：
r1，r2，所有r3和所有r5为氢且r4为甲基，
m为25-35的整数，n和o为65-85的整数，其中优选n+o(n和o之和)为140-160，m为25-35的整数，n和o为12-15的整数，n+o(n和o之和)优选为25-30，其中在每种情况下，优选n和o是相同的。
优选地，如上文所定义的所述一种或多种式(i)化合物是水溶性的。
优选地，所述处理混合物中的式(i)化合物的总浓度为0.05-25重量％，更优选0.1-12重量％，最优选0.5-8重量％，在每种情况下基于存在于处理混合物中的含纤维素的生物质的总重量。
在基于处理混合物中存在的含纤维素的生物质的总重量低于0.05重量％的浓度下，处理混合物中选自式(i)化合物的化合物的量过低，以至于与通过在相同条件下加工且唯一区别之处在于处理混合物不含任何式(i)化合物而获得的经处理的含纤维素生物质相比，所述化合物对随后糖化中的葡萄糖产率不具有显著影响。出于经济原因，式(i)化合物的浓度优选不超过25重量％，基于存在于处理混合物中的含纤维素的生物质的总重量。此外，某些式(i)化合物表现为表面活性剂，并且在高表面活性剂浓度下，可能在处理混合物中形成泡沫，这对处理混合物的加工是不利的。
优选地，在处理混合物中，含纤维素的生物质、水、硫酸和式(i)化合物的总量为至少95重量％，优选至少98重量％，更优选至少99重量％，基于处理混合物的总重量。
优选地，本发明方法中所用的处理混合物通过将含有硫酸和一种或多种式(i)化合物的处理水溶液添加至所述含纤维素的生物质中而获得。
优选地，将上文所定义的处理水溶液添加至含纤维素的生物质中，其量使得得到包含3-75重量％，更优选8-70重量％，进一步优选15-60重量％，最优选25-50重量％，特别优选30-45重量％含纤维素的生物质的处理混合物，在每种情况下基于所述处理混合物的总重量。
优选地，所述处理水溶液中的硫酸浓度为0.1-5.5重量％，优选0.2-5.0重量％，更优选0.3-3.0重量％，最优选0.4-1.5重量％，在每种情况下基于所述处理水溶液的总重量。
优选地，所述处理水溶液中的式(i)化合物的总浓度为0.01-5重量％，优选0.05-3.0重量％，更优选0.1-2.0重量％，最优选0.1-1.0重量％，在每种情况下基于所述处理水溶液的总重量。
进一步优选地，在所述处理水溶液中，
-硫酸的浓度为0.1-5.5重量％，优选0.2-5.0重量％，更优选0.3-3.0重量％，最优选0.4-1.5重量％，
-所述处理水溶液中的式(i)化合物的总浓度为0.01-5重量％，优选0.05-3.0重量％，更优选0.1-2.0重量％，最优选0.1-1.0重量％，
在每种情况下基于所述水性处理溶液的总重量。
加工条件
在本发明的方法中，使所述处理混合物经历100-220℃的温度，其中对压力加以选择以使得至少一部分水处于液态。
当温度低于100℃时，可通过所述经处理的含纤维素的生物质的糖化获得的葡萄糖的产率显著降低。当温度高于220℃时，由纤维素和/或半纤维素(如呋喃类、糠醛和羟甲基糠醛)分解所产生的不希望副产物的量过高。这些副产物的形成使得可用于糖化的纤维素的量降低和/或抑制酶解糖化所需的酶的活性。
就压力的选择而言，重要的是压力足够高以避免水完全汽化，从而允许含纤维素的生物质与溶解在水中的硫酸发生相互作用。另一方面，出于经济和技术原因，压力优选尽可能低。
优选地，在本发明的方法中，将在100-4000kpa的压力(其中对压力加以选择以使得至少一部分水处于液态)下为100-220℃的温度保持不超过120分钟，优选不超过60分钟，进一步优选不超过30分钟，特别优选不超过20分钟，最优选不超过10分钟的时间。然后使处理混合物冷却和/或降低压力。
优选地，温度为110-180℃，优选120-175℃。优选地，压力为100-1600kpa，进一步优选100-1300kpa，更优选100-1000kpa。进一步优选地，温度为110-180℃，优选120-175℃，压力为100-1600kpa，优选100-1300kpa，更优选100-1000kpa。
本领域技术人员知晓参数硫酸的浓度、温度和处理时间之间的相互依赖性。因此，硫酸浓度越低，则必须选择越高的温度和/或处理时间，反之亦然(还参见上文)。根据其知识，本领域技术人员将相应地选择参数，或者通过简单的常规实验来确定所述参数的适当组合。
尤其优选的是本发明的方法，其中组合了关于加工条件的两个或更多个，优选全部上述优选特征。
进一步优选的是本发明的方法，其中组合了关于加工条件和处理混合物的组成的两个或多个，优选全部上述优选特征。
就此而言，尤其优选的是本发明的方法，包括以下步骤：
-制备包含0.4-1.5重量％硫酸和0.1-1重量％一种或多种式(i)化合物的处理水溶液，
-将所述处理水溶液添加至所述含纤维素的生物质中，从而获得包含所述含纤维素的生物质、水和硫酸以及一种或多种式(i)化合物的处理混合物，所述处理混合物包含30-45重量％的含纤维素的生物质，基于所述处理混合物的总重量，
-使所述处理混合物经历120-175℃的温度，其中将所述温度保持不超过40分钟的时间以产生经处理的含纤维素的生物质。
在上述方法中，所述一种或多种式(i)化合物优选选自上文所定义的优选的式(i)化合物。
加工设备
为了允许根据本发明有效地加工含纤维素的生物质，重要的是使反应混合物的固体成分与反应混合物的液相和—如果存在—由所述混合物的水部分汽化形成的蒸汽充分接触。该充分接触优选在反应混合物在100-4000kpa的压力下经历100-220℃温度(其中对压力加以选择以使得至少一部分水处于液态)的整个期间内存在。因此，对于本发明的方法，可使用能满足该条件的任何类型的反应器。
更具体地，可使用旋转反应器，例如呈转鼓形式。或者，可使用具有用于混合反应物的装置的反应器，例如搅拌釜反应器。可使用不同的混合装置，例如捏和混合器、桨式混合器、螺条混合器。
另一种合适类型的反应器是渗滤反应器，其中将含纤维素的生物质保持在固定床，例如柱、管、鼓或容器中，并且使包含硫酸和一种或多种式(i)化合物的处理水溶液流过所述床，例如允许涉及较小体积液体的液体流动的滴流床反应器类型。优选地，反应器设计成允许再循环包含硫酸和一种或多种式(i)化合物的处理水溶液。
另一种合适类型的反应器为螺杆式反应器。在该类反应器中，沿着反应器轴的长度提供固体(即含纤维素的生物质)的径向混合，并且使包含硫酸和一种或多种式(i)化合物的处理水溶液同向或逆向流至固体。如果存在，则通过处理水溶液的水部分汽化形成的蒸汽是所述同向或逆向流至固体的流的另一种成分。
上述反应器类型的组合也是可能的。
所述方法可以以不连续、半连续或连续操作模式操作。
通过电加热、蒸汽或本领域技术人员已知的其他合适方式将处理混合物加热至所需的加工温度。
反应器可设计成单步反应器，从而使得对于进一步的加工步骤如糖化，将经处理的含纤维素的生物质从反应器中取出并转移到一个或多个另外的反应器中，在其中实施该进一步的加工步骤。或者，反应器可设计成多步反应器，从而允许实施经处理的含纤维素生物质的后续糖化，而不将经处理的含纤维素的生物质从反应器中取出。
进一步的加工步骤
优选地，本发明的方法进一步包括选自如下组的步骤：
-将经处理的含纤维素的生物质糖化，从而形成葡萄糖和/或其他糖，且任选对所形成的葡萄糖和/或其他糖进行发酵和/或化学加工，和
-对经处理的含纤维素的生物质进一步加工以获得溶解浆。
在第一优选的替代方案中，经处理的含纤维素生物质的糖化借助酶进行(酶解糖化，有时也称为酶水解步骤)。在酶解糖化步骤中，将合适的酶添加至经处理的含纤维素的生物质中以将所含的纤维素转化成葡萄糖和/或其他糖，例如木糖。用于酶解糖化的合适反应器、加工条件和酶是本领域技术人员所已知的。酶解糖化步骤通常在受控的ph、温度和混合条件下在搅拌釜反应器或发酵罐中进行。酶解糖化步骤可持续长达200小时。酶解糖化通常在约30-约65℃，特别是约50℃的温度和约4-约6的ph，特别是约ph5.5下进行。为了制得可由酵母代谢的葡萄糖，酶解糖化通常在β-葡糖苷酶的存在下进行。优选使用包含一种或多种选自β-葡糖苷酶、外切纤维素二糖水解酶、内切和外切葡聚糖酶、葡糖苷水解酶和木聚糖酶的酶配制剂。在一些情况下，优选使用热稳定且允许酶解糖化在约60-约80℃的温度下进行的酶。
在第二优选替代方案中，糖化通过化学加工，特别是热化学加工经处理的含纤维素的生物质而实现，所述化学加工不涉及酶。更具体地，通过用超临界或近超临界流体处理或通过水热处理由经处理的含纤维素的生物质(可通过本发明的方法获得)制备可发酵的糖和木质素。
通过糖化经处理的含纤维素生物质而获得的糖可用作原料以通过发酵或通过化学加工由经处理的含纤维素生物质的糖化获得的糖而获得多种其他产物。
在发酵步骤中，将通过糖化经处理的含纤维素生物质而获得的葡萄糖通过发酵生物体如酵母发酵成乙醇。用于发酵的合适反应器、加工条件和发酵生物体是本领域技术人员所已知的。酶解糖化和发酵的步骤在一个容器中同时或在分开的容器中进行。在第一个替代方案中，发酵与酶解糖化在受控的ph、温度和混合条件下在同一容器中同时进行。葡萄糖发酵的典型产物包括乙醇、丁醇、丁二醇、乳酸、氨基酸和琥珀酸。
通过糖化经处理的含纤维素生物质获得的糖的化学加工是指所述糖经历不涉及发酵的化学反应以获得其他化学产物的方法。优选地，所述化学反应在一种或多种非酶催化剂存在下进行。可通过葡萄糖的化学加工获得的典型产物包括糖醇、糖酸、羟甲基糠醛及其衍生物。
在本发明的优选方法中，在经处理的含纤维素生物质糖化之前，将处理混合物的液相至少部分地与经处理的含纤维素生物质分离，例如通过过滤并随后洗涤经处理的含纤维素的生物质。处理混合物的液相由水溶液组成，所述水溶液包含半纤维素糖(例如木糖)和在处理混合物在100-4000kpa压力下经历100-220℃温度的步骤中形成的其他水溶性分解产物。该水溶液可用作进一步加工的原料。可通过木糖的化学加工获得的典型产物包括糖醇、糖酸、糠醛及其衍生物。
在酶解糖化之前将处理混合物的液体成分与经处理的含纤维素的生物质分离具有以下优点：将可起酶抑制剂作用的水溶性副产物如呋喃类、糠醛和羟甲基糠醛从用于酶分离的经处理的含纤维素生物质中除去。该具体方法的缺点是可将式(i)化合物从经处理的含纤维素的生物质中除去，从而使得在酶解糖化期间存在式(i)化合物的任何可能的积极作用(如上文所述)可能降低。
在本发明的另一优选方法中，将用于糖化的酶添加至包含经处理的含纤维素的生物质的处理混合物中，而无需事先从经处理的含纤维素的生物质中除去液相，由此降低整个加工方法的复杂性。此外，在该方法中，式(i)化合物保留在经处理的含纤维素的生物质中，从而使得可尽可能多地获得上述的积极效果。对于本发明的该具体方法，特别重要的是处理混合物中的酸浓度低，并且处理混合物在100-4000kpa压力下经历100-220℃温度的步骤以可起酶抑制剂作用的副产物如呋喃类、糠醛和羟甲基糠醛的量尽可能少的方式进行。如果需要，中和处理混合物中的酸以将ph调节至适于酶解糖化的值。
本发明的另一个应用领域涉及溶解浆的生产。溶解浆(也称为溶解纤维素)是具有高含量纤维素含量(>90％)的漂白木浆或棉绒。其具有高水平的亮度和均一的分子量分布。该浆料是为了需要高化学纯度和特别低的半纤维素含量的用途而生产的，因为半纤维素可干扰后续工艺。之所以如此命名溶解浆，是因为它不制成纸，而是溶解在溶剂中或衍生化成均匀的溶液，这使得其可完全化学利用且除去任何残留的纤维结构。一旦溶解，则其可纺成纺织纤维，或者化学反应以制得衍生化的纤维素，例如三乙酸纤维素、成型成纤维或膜的塑料状材料，或用作增稠剂的纤维素醚如甲基纤维素。溶解浆主要由木浆通过亚硫酸盐法或硫酸盐法化学制得，其中所述方法具有酸预水解步骤以除去半纤维素。如上文所述，在可通过本发明方法获得的经处理的含纤维素的生物质中，半纤维素和/或木质素的含量通常由于分解成木糖而降低。因此，可通过本发明方法获得的经处理的含纤维素的生物质适于进一步加工以获得溶解浆。
以下通过实施例进一步描述本发明。
实施例
1.含纤维素的生物质的预处理：
在具有桨式搅拌器的高压釜中填充有由如下物质组成的处理混合物：
-下表1所述量的短切秸秆，和
-包含表1-4所述浓度的硫酸(实施例6-9、12-14、16-18、20)以及表1-4所述类型和浓度的任选式(i)化合物或非式(i)化合物的对比添加剂(实施例2-5和11)的处理水溶液。
在上文所定义的处理混合物中，短切秸秆的重量分数对应于处理混合物总重量的5％，且处理水溶液的重量分数对应于处理混合物总重量的95％。
在下文中，式(i)化合物和非式(i)化合物的对比添加剂通常称为添加剂。所述添加剂的化学结构参见下表5。所有添加剂均为可商购获得的常用表面活性剂。为了进行对比，实施例1、10、15、19、21和22使用包含表1-4所述浓度的硫酸且不含添加剂的处理水溶液进行。
为了制备如上文所定义的处理水溶液，用去离子水稀释包含96重量％硫酸的水溶液。
将高压釜用氮气吹扫三次，并将处理混合物在搅拌(50rpm)下加热至表1-4所述的目标温度。所得压力为280-340kpa。在达到目标温度后，根据表1-4的时间间隔保持温度。然后关闭加热，将混合物冷却至环境温度，然后将高压釜放松并排空。将包含经处理的含纤维素生物质的所得混合物通过玻璃料(孔尺寸2)过滤，并且测定作为滤液获得的液相的重量，参见表1-4。测定作为过滤残留物获得的经处理的含纤维素生物质(固相)的重量，参见表1-4，然后如下文所述对获得的经处理的含纤维素的生物质样品进行酶解糖化。
2.含纤维素的生物质的酶解糖化：
将4.50g如上文所述获得的经处理的含纤维素的生物质称量至50ml管中，并用含有0.1重量％叠氮化钠的去离子水填充至30ml体积。通过加入100mm磷酸盐缓冲液而调节至5.5的ph值且以表1-4所述的浓度添加包含一种或多种选自β-葡糖苷酶、外切纤维素二糖水解酶、内切和外切葡聚糖酶、葡糖苷水解酶和木聚糖酶的酶的酶配制剂。任选地，将如表4所述类型和浓度的式(i)化合物添加至糖化溶液中(实施例21和22)。将混合物在eppendorf-thermomixer中在350rpm和53℃(内部50℃)下培养。以表1-4所述的特定间隔取出1ml样品并用水1:1稀释。在离心后，通过hplc分析澄清上清液的葡萄糖和木糖的浓度。
表1-4所示的“产率”是以任意单位表示的绝对产率或归一化的绝对产率。因此，表1-4中的产率不是基于理论产率。将在24小时和48小时酶解糖化后获得的葡萄糖产率外推至经处理的含纤维素的生物质的量，并相对于在根据相应对比实施例(使用包含硫酸且无添加剂的处理水溶液进行预处理)酶解糖化24小时后的产率归一化。
表1显示了一系列实验(实施例1-9)，其中预处理和酶解糖化在相同条件下进行，不同之处在于处理混合物中的添加剂。为了进行对比，提供了实施例1，其中处理水溶液不含任何添加剂。令人惊讶地发现，与其中处理混合物中不存在添加剂的实施例1相比，在处理混合物中存在式(i)化合物导致在酶解糖化24和48小时后的较高葡萄糖产率(实施例6-9)。另一方面，在处理混合物中存在对比添加剂而非式(i)化合物(实施例2-5)导致在酶解糖化24小时和48小时后葡萄糖产率的提高显著更低。
表2显示了另一系列实验(实施例101-14)，其中预处理和酶解糖化在相同条件下进行，不同之处在于处理混合物中的添加剂。再次发现，与处理混合物中不存在添加剂的实施例10相比以及与处理混合物中存在对比添加剂的实施例11相比，处理混合物中存在式(i)化合物导致在酶解糖化24和48小时后较高的葡萄糖产率(实施例12-14)。实施例11的对比添加剂的存在的确导致在糖化24小时后葡萄糖的产率略有降低。
表1和2的结果显示了处理混合物中的该类添加剂的化学结构的强烈影响。此外，表1显示了分子尺寸的影响。尽管实施例4-8的添加剂具有类似的化学结构，然而具有比实施例6-8的添加剂更低量的氧化乙烯单元的实施例4和5的添加剂效果较差。由于其氧化乙烯单元数量少，实施例4和5的添加剂并非如上文所定义的式(i)化合物。
表3显示了一系列实验(实施例16-18)，其中证实了酶剂量对葡萄糖产率的影响。从实施例16至18，酶用量依次降低。为了进行对比，提供了实施例15，其中处理水溶液不含任何添加剂且酶剂量与实施例16相同。在实施例15-18中，预处理和酶解糖化的所有其他参数都相同(短切秸秆的不同起始质量通过较大量的处理水溶液补偿，从而调节上文所定义的处理混合物中的短切秸秆和处理水溶液的重量分数)。结果表明，即使实施例18中的酶剂量仅为实施例15和16的25％，葡萄糖的产率也显著高于实施例15。这表明本发明方法的预处理能使得经处理的含纤维素生物质的酶解糖化中的酶剂量降低而不损害葡萄糖的产率。这是一个显著的优点，因为酶解糖化所需的酶配制剂的成本相当高，并且构成了酶法广泛应用的严重障碍。
表4显示了一系列实验(实施例20-22)，其中证实了加入式(i)化合物的时间点的影响。在实施例20中，处理混合物中存在式(i)化合物。在对比实施例21和22中，处理混合物中不存在式(i)化合物，而是将式(i)化合物以表4所述的浓度添加至糖化溶液中。该方法描述在公开文献bioresourcetechnology169(2014)713-722中。为了进一步对比，提供了实施例19，其中处理混合物和糖化溶液都不含任何添加剂。在实施例19-22中，预处理和酶解糖化的所有其他参数都相同(短切秸秆的不同起始质量由较大量的处理水溶液补偿，从而调节上文所定义的处理混合物中的短切秸秆和处理水溶液的重量分数)。结果表明，在糖化溶液中存在式(i)化合物对葡萄糖的产率仅具有非常小的影响，即使糖化溶液中的所述式(i)化合物的浓度(实施例22)比平行实施例20中所用的处理混合物中的所述式(i)化合物的浓度显著更高。该发现表明与bioresourcetechnology169(2014)713-722中所述的方法相比，本发明的方法提供了一种更有效的提高葡萄糖产率的方法。
需要指出的是，在上述实施例中，基于处理混合物总重量的含纤维素的生物质的浓度相当接近上文所定义的3-75重量％的优选范围的下限。然而，本发明技术领域中的通常做法是，首先研究在低浓度生物质存在下添加剂对生物质的影响。基于由本文所述的实施例获得的结果，本领域技术人员基于其知识能够将本发明的方法常规地放大至更高浓度的含纤维素的生物质。
表1
表2
表3
表4
表5