本发明涉及过程控制方法。特别是，本发明涉及软木生物质预处理工艺控制，从而改善生物质的消化率。
背景技术：
采用可再生资源生产绿色化学品和燃料的生物精炼厂提供了炼油厂的替代方案，可以减少石油供应，改善能源安全。来自林业的木质纤维素废渣作为原料颇有吸引力，因为它们来源丰富，相对便宜，并且不作食物用。木质纤维素主要由木质素和两类多糖(纤维素和半纤维素)组成。多糖可以水解为糖，作为生产许多其它化学物质的平台化学物质，例如，糖发酵制备各种发酵产品，如生物醇。发酵工艺采用发酵剂将糖转化为发酵产品。其中一种发酵剂是面包酵母(酿酒酵母)，可用于将糖发酵为乙醇。纤维素水解前通常要进行预处理，预处理使纤维素更容易消化，例如，更容易被纤维素酶消化。
技术实现要素：
为了使纤维素在随后的酶解步骤中更容易被酶消化，预处理强度足够高非常重要。但是，强度过高的预处理会导致糖降解和对水解酶和发酵微生物有毒的物质的含量增加。此类有毒物质的实例包括糠醛、羟甲基糠醛、乙酸和酚类化合物。因此，准确控制预处理步骤对后面工艺步骤(例如，酶解和发酵)中的得率非常重要。
本发明人吃惊地发现，预处理过的软木浆中葡萄糖和甘露糖的计算比值可用于确定预处理工艺强度是否过高或是否太温和。根据这一发现，本发明人进一步认识到，软木预处理工艺可以通过以下方法控制：测定葡萄糖∶甘露糖的比率，将该比率与参考值进行比较，根据测定比率与参考值之差，控制预处理工艺的至少一个工艺参数。
因此，本发明的第一个方面涉及一种预处理软木原材料的方法，包括以下步骤：
a)在预处理工艺中对软木原材料进行预处理，形成浆料；
b)测定步骤a)形成的浆料中葡萄糖的浓度和甘露糖的浓度；
c)根据步骤b)测定的浓度，计算葡萄糖∶甘露糖的比率；
d)将步骤c)计算得到的比率与参考值进行比较，如果步骤c)中计算的比率与参考值不同，根据两者的差值控制预处理工艺的至少一个工艺参数。
附图说明
图1是在连续预处理反应器中在几种不同强度下预处理软木片(softwoodchips)的实验结果。测定不同预处理浆中葡萄糖、甘露糖和hmf的浓度。然后，每种预处理浆进行酶解，测定酶解产物中葡萄糖的浓度。图1绘制了两条曲线。在下面一条曲线中，将预处理浆中hmf的浓度对预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的比率作图。在上面一条曲线中，将酶解产物中葡萄糖的浓度对预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的比率作图。y轴分别是酶解产物中葡萄糖的浓度(g/l)、预处理浆中hmf的浓度(g/l)。x-轴是预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的重量比。
具体实施方式
要将木质纤维素原材料中的纤维素从木质素密封(ligninseal)及其结晶结构中释放出来，从而使其可用于随后的水解步骤，需要进行有效的预处理。如果预处理强度不够，则很难将碳水化合物水解为糖，与/或将其消解为生物气。但是，如果预处理强度过大，大量糖将降解，形成发酵抑制剂，如hmf、呋喃醛(如糠醛)、乙酸与/或酚类化合物，这些抑制剂反过来可能对水解与/或发酵工艺造成不良影响。类似地，强度过大的预处理还会降低生物气消化工艺的得率。因此，有效控制预处理步骤对采用木质纤维素生物质制备绿色化学品的工艺很有好处。预处理木质纤维素生物质浆料的组成依预处理的强度而异。例如，抑制剂和糖的浓度将根据预处理的强度而变化。本发明人认识到，可以对预处理浆中不同特定分子的浓度进行监测，从而测定预处理的强度。令人吃惊的是，本发明人已经证明，如果生物质是软木生物质，则葡萄糖和甘露糖的比率可用于确定预处理工艺的强度是否过高或是否太温和。本发明人进一步证明了可以将葡萄糖和甘露糖的比率与参考值比较，对预处理工艺进行控制。如果该比率与参考值不同，可以根据其差值，调整预处理工艺的至少一个工艺参数，对预处理工艺进行控制。
考虑到多种不同分子的浓度在预处理步骤中将变化，浓度根据预处理步骤的强度而变化，只需通过测定两种特定分子，即葡萄糖和甘露糖的浓度，就可以高效控制预处理步骤，这一点令人十分吃惊。重要的是，本发明人已经证明了这种方法适合某些木质纤维素基质，但不适合其它基质。特别是，所述方法在控制软木原材料预处理方面非常有效，但是似乎并不适合控制秸杆预处理。
因此，本发明的第一个方面涉及一种预处理软木原材料的方法，包括以下步骤：
a)在预处理工艺中对软木原材料进行预处理，形成浆料；
b)测定步骤a)形成的浆料中葡萄糖的浓度和甘露糖的浓度；
c)根据步骤b)测定的浓度，计算葡萄糖∶甘露糖的比率；
d)将步骤c)计算得到的比率与参考值进行比较，如果步骤c)计算的比率与参考值不同，根据两者的差值控制预处理工艺的至少一个工艺参数。
准确的预处理对后面的步骤(如从浆料制备绿色化学品)非常重要。此类绿色化学品的制备涉及将浆料中存在的纤维素水解为糖。因此，在本发明的一个实施例中，进一步包括步骤e1)水解步骤a)中得到的浆料，从而得到糖溶液。在优选的实施例中，步骤e1)的水解是酶解。水解工艺得到的糖，例如，可以发酵得到目标化学物质。因此，在一个实施例中，所述方法进一步包括下述步骤：
f)采用发酵剂，对步骤e1)中得到的糖溶液进行发酵，从而得到发酵产物。在一个实施例中，步骤e1)和步骤f)在同步糖化发酵工艺(ssf)中同时执行。在另一个实施例中，步骤e1)和步骤f)在分步水解发酵工艺(shf)中分步执行。在一个实施例中，在步骤e1)中加入至少一种内切葡聚糖酶、至少一种外切葡聚糖酶和至少一种β-葡萄糖苷酶。在一个实施例中，发酵产物选自醇、酸、烷烃、烯烃、芳烃、醛、酮、生物聚合物、蛋白质、肽、氨基酸或维生素。在一个优选实施例中，发酵产物选自乙醇、丁醇、乙酸、丁酸和琥珀酸。在一个实施例中，发酵剂是细菌与/或酵母。在一个实施例中，发酵生物是酵母菌属、毕赤酵母属或假丝酵母属酵母。在一个实施例中，发酵生物是野生型、突变或重组酿酒酵母。在另一个实施例中，发酵生物是发酵单胞菌属或埃希氏杆菌属细菌。
预处理浆料还可用于厌氧消化浆料制备生物气。用作生物气消化基质的预处理浆料的要求与用作水解工艺(如酶解工艺)制糖的预处理浆料的要求类似。因此，在一个实施例中，所述方法进一步包括下述步骤：
e2)将步骤a)得到的浆料或步骤e1)得到的糖溶液厌氧消化，从而得到生物气。
本发明人发现，与较高强度预处理相比，温和的预处理导致葡萄糖∶甘露糖的比率较低。此外，发明人发现，如果初始生物质是软木，可以通过分析预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的比率，并将其与参考值比较，控制预处理工艺。如果该比率的值低于参考值，可以改变工艺参数，从而提高预处理的强度。相反，如果葡萄糖∶甘露糖的比率高于参考值，表明预处理强度过高。因此，可以调节工艺参数，从而降低预处理的强度，控制预处理。
因此，在一个实施例中；
-如果葡萄糖∶甘露糖的比率低于参考值，控制预处理工艺的至少一个工艺参数，从而提高预处理的强度，及
-如果葡萄糖∶甘露糖的比率高于参考值，控制预处理工艺的至少一个工艺参数，从而降低预处理的强度。
本发明人发现，预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的比率(w/w)在1:1至1.6:1时，后面步骤中产生的产物的得率高。例如，在后面的酶解步骤中，糖的得率高，酶解步骤得到的糖发酵制备乙醇的得率高。本发明人发现，如果预处理浆中葡萄糖∶甘露糖的比率(w/w)在此定义范围外，发酵产物的得率较低。因此，在一个实施例中，在步骤c)中计算葡萄糖∶甘露糖的比率(w/w)，参考值是1:1-1.6:1，优选是1.1:1-1.5:1。
正如从图1可以看出，预处理强度大于使葡萄糖∶甘露糖的比率大约为1.5时的强度的条件并不会使预处理浆的酶解产物中葡萄糖的浓度进一步增加。此外，葡萄糖∶甘露糖的比率大于1.5:1时，hmf的浓度迅速增加。hmf浓度增加是葡萄糖降解增加的结果，葡萄糖降解对葡萄糖得率造成不良影响。此外，预处理条件强度越高(即葡萄糖∶甘露糖的比率越高)，形成的hmf水平越高，对后面的发酵过程造成不良影响，因为hmf和其它抑制降解产物将抑制发酵剂，从而发酵产物的得率将降低。本发明人发现，要使获得的水解物产生发酵产物(如乙醇)的得率高，葡萄糖∶甘露糖的最佳比率是1.2:1至1.4:1。因此，在一个特别优选的实施例中，参考值是1.2:1-1.4:1。
在一个实施例中，参考值是一个区间。在一个实施例中，所述区间是1:1至1.6:1，优选是1.1:1至1.5:1，最优选是1.2:1至1.4:1。
采用葡萄糖∶甘露糖的比率控制软木生物质预处理强度存在几个优点。首先，所述方法非常可靠(solid)，而且通过控制预处理，从而将比率保持在预定区间内，可以实现高产品得率。本发明人未发现预处理浆中任何其它化学物质对控制预处理工艺或预测后面酶解或发酵步骤的得率像这样有用。此外，与几种其它化学物质相比，葡萄糖和甘露糖的测定简单、准确。例如，准确测定hmf浓度的难度较大，无法像葡萄糖∶甘露糖的比率那么好地预测后面酶解或发酵步骤的得率，数据未示出。
在本发明中，“预处理”指的是改变木质纤维素原材料，使其中的纤维素在后面的水解步骤中更容易水解。但是，在本发明的一些实施例中，可以开展预处理，使木质纤维素原材料更适合厌氧消化制备生物气。本领域技术人员熟悉用于此目的的各种预处理方法。例如，预处理可以是酸预处理或碱预处理。因此，预处理可以加入催化剂来辅助。催化剂可以在浸渍步骤中以流体的形式加入，浸渍步骤后是加热步骤。通常采用蒸汽加热。流体可以是酸溶液，如无机酸水溶液，如硫酸或亚硫酸。浸渍还可以采用气体，如so2气体或co2气体进行，或气体和液体组合进行。预处理还可包括蒸煮。蒸煮指的是将纤维素生物质中空气赶出而促进纤维素进一步水解的过程。蒸煮是，预处理例如木质纤维素生物质的众所周知的方法。再如，预处理可能涉及蒸汽爆破。蒸汽爆破是一个结合蒸汽、快速泄压和水解而用于破坏纤维素纤维的过程。蒸汽爆破可以在预先加入或不加入催化剂的条件下进行。因此，在一个实施例中，预处理是采用酸催化剂的酸预处理或采用碱催化剂的碱预处理。在一个优选实施例中，预处理是采用酸催化剂的酸预处理。在一个实施例中，酸催化剂是酸溶液(如无机酸溶液)或气体(如二氧化硫)。在一个实施例中，催化剂选自硫酸、亚硫酸和硫酸。在一个实施例中，预处理包括蒸汽爆破。在一个实施例中，预处理是稀酸预处理。
预处理工艺反应最重要的强度参数是ph、温度、压力和原材料在预处理工艺的停留时间。因此，在一个实施例中，预处理工艺的工艺参数通过下述方法控制：
-调节预处理步骤的温度；
-调节预处理步骤的压力
-调节预处理步骤的停留时间与/或
-调节预处理步骤的ph
在一个实施例中，控制预处理工艺的工艺参数，从而预处理的强度通过以下方法提高：
-提高预处理步骤的温度；
-提高预处理步骤的压力
-延长预处理步骤的停留时间与/或
-若预处理是酸预处理，降低预处理步骤的ph，或者如果预处理是碱预处理，提高预处理步骤的ph。
在一个实施例中，控制预处理工艺的工艺参数，从而预处理的强度通过以下方法降低：
-降低预处理步骤的温度；
-降低预处理步骤的压力
-缩短预处理步骤的停留时间与/或
-若预处理是酸预处理，提高预处理步骤的ph，或者如果预处理是碱预处理，降低预处理步骤的ph。
在一个实施例中，步骤a)的预处理温度是190-225℃，如200-220℃。
在一个实施例中，步骤a)预处理的ph是1.2-2.2，优选1.2-2.0。在一个实施例中，预处理步骤的停留时间是3-10分钟，如4-8分钟。
葡萄糖和甘露糖的浓度可以采用本领域技术人员熟悉的任何方法测定。例如，可以采用基于hplc的技术测定葡萄糖和甘露糖的浓度。
在一个实施例中，软木原材料是软木刨花或木片。在一个实施例中，软木原材料包括云杉、松木与/或枞木。
实例
在几种不同的条件下对云杉木片进行预处理，其中温度200-220℃；ph1.2-2.0，停留时间4-8分钟，在连续立式预处理反应器中进行，然后，开展蒸汽爆破。采用基于hplc的方法，测定获得的预处理浆中hmf、葡萄糖和甘露糖的浓度。然后，采用商业纤维素酶和纤维二糖酶制备物将预处理浆酶解24小时。然后，采用基于hplc的方法，测定获得的水解产物中葡萄糖的浓度。计算预处理浆中葡萄糖和甘露糖的重量比。在图1中，酶解产物中葡萄糖的浓度及预处理浆中hmf的浓度对葡萄糖∶甘露糖的计算比率绘图。该图数据在表1中示出。从图1中可以看出，在葡萄糖∶甘露糖的比率较高时，随着预处理强度增加，酶解产物中葡萄糖的浓度增加。但是，当葡萄糖∶甘露糖的比率大于1.5:1时，葡萄糖的浓度并不进一步增加。事实上，葡萄糖的水平甚至降低。此外，显然，在葡萄糖∶甘露糖的比率大于1.5:1时，hmf的浓度开始迅速增加。这表明糖降解为hmf，降低了糖的得率。此外，hmf和其它抑制剂的浓度将导致后面发酵步骤的得率较低，众所周知，发酵步骤受hmf和其它发酵抑制剂的抑制。发明人进一步开展了发酵实验，结果表明，当葡萄糖∶甘露糖的比率在1:1至1.6:1时，乙醇的得率最好，在1.2:1至1.4:1时，得率甚至更好，数据未示出。最后，本发明人还证明，通过测定葡萄糖∶甘露糖的比率，控制预处理强度，从而使该比率保持在预定参考值1:1至1.6:1，优选1.2:1至1.4:1范围之内，可以高效地控制连续中试规模预处理工艺，数据未示出。
表1