用于将木质纤维素材料转化为有用产品的方法

摘要

本发明提供了用于木质纤维素材料的预处理的组合物和方法。本发明进一步提供了预处理的木质纤维素材料，其可被用于生产有用的产品，例如可发酵糖。

说明书

相关申请

本申请要求于2011年12月14日提交的美国临时申请号61/570,438和2011 年6月10日提交的美国临时申请号61/495,541的权益和优先权，将其中的每个 披露通过引用以其全文结合在此。

发明领域

本发明涉及用于木质纤维素材料的预处理溶液，以及用于预处理木质纤 维素材料的方法，该方法可被用于生产有用的产品，例如可发酵糖。

发明背景

木质纤维素材料可被用于生产生物燃料（例如生物乙醇）和生化药剂， 并因此是化石燃料的一种替代物。为了从木质纤维素材料有效生产生物燃 料，木质纤维素材料的纤维素和/或半纤维素组分需要被转化为单糖（即，单 糖），这些单糖能被发酵成乙醇或丁醇。本领域的现有技术已经提出用于从 木质纤维素材料生产可发酵糖的方法，该方法包括对木质纤维素材料的天然 结构进行破坏的化学和/或物理预处理，随后将该纤维素和半纤维素组分酶水 解成单糖。然后该单糖可被发酵以生产生物燃料，这些生物燃料包括乙醇或 丁醇、和/或其他发酵产品，例如有机酸和/或其他醇。然而，这些方法目前 还不能商品化，这归因于其高成本、低效率、不良反应条件、以及与预处理 方法有关的其他问题。另外，这些方法不是环境友好的，并且为了实现有效 的和高效的水解，需要添加大量酶，这进一步增加了成本。

通过提供用于木质纤维素材料的预处理溶液和用于预处理木质纤维素 材料的可被用于生产可发酵糖的方法，本发明解决了本领域中的前述缺点。

发明概述

本发明的第一个方面包括用于木质纤维素材料的一种预处理溶液，该溶 液包括按重量计大约40%至大约99%的多元醇、按重量计大约0.1%至大约5% 的酸催化剂、以及按重量计大约1%至大约60%的水。

本发明的第二个方面包括用于生产部分水解的木质纤维素材料的方法， 该方法包括用一种预处理溶液预处理木质纤维素材料，该溶液包括按重量计 大约40%至大约99%的多元醇、按重量计大约0.1%至大约5%的酸催化剂、以 及按重量计大约1%至大约60%的水，从而产生一种预处理的部分水解的木质 纤维素材料。

本发明的另一个方面包括用于生产一种可发酵糖的方法，该方法包括用 一种预处理溶液预处理木质纤维素材料，该溶液包括按重量计大约40%至大 约99%的多元醇、按重量计大约0.1%至大约5%的酸催化剂、以及按重量计大 约1%至大约60%的水，以产生一种预处理的木质纤维素材料，并且酶促水解 该预处理的木质纤维素材料，从而产生一种可发酵糖。

现在，就在此所述的其他实施方案而言，将更详细地说明本发明的上述 以及其他方面。应当理解的是，本发明可以体现为不同的形式，并且不应当 被解释为对在此提出的实施例的限制。更确切地说，提出这些实施例以使得 本披露将是彻底的和完整的，并将向本领域的普通技术人员充分传达本发明 的范围。

附图简要说明

图1显示了(a)未处理的蔗渣、(b)用一种酸溶液预处理的蔗渣、以及(c) 用一种甘油/酸/水溶液预处理的蔗渣的FTIR光谱。

图2显示了(a)未处理的蔗渣、(b)用一种酸溶液预处理的蔗渣、以及(c) 用一种甘油/酸/水溶液预处理的蔗渣的SEM图像。样品被放大了1000倍。

图3显示了用包含(a)甘油、(b)乙二醇、以及(c)1,2-丙二醇的预处理 溶液预处理的蔗渣的酶水解动力学曲线图。

图4显示了通过苏打洗涤去除木质素对用预处理溶液预处理的蔗渣的酶 水解的影响，该预处理溶液包括(a)乙二醇溶液和(b)1,2-丙二醇溶液。

图5显示了稀酸处理、苛性钠处理、和酸催化的水性甘油预处理的甘蔗 渣连同未处理甘蔗渣的比较。

图6显示了酸催化的甘油水溶液预处理生物炼制过程的示意图。

图7显示了在试验厂规模下进行的预处理的甘蔗渣的酶水解动力学曲线 图。

发明详细说明

在此处的本发明的说明书中使用的术语仅仅是为了描述具体实施例的 实施例并且不意在限制本发明。

除非另外定义，在此所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具 有与本发明所属领域之内的普通技术人员通常所理解的相同的含义。将进一 步理解的是，术语（例如在常用词典中定义的那些）将被解释为具有与它们 在本申请和相关领域的背景下的含义一致的含义，并且不应当被解释为理想 化的或过度正式的意思，除非在此清楚地这样定义。在此处的本发明的说明 中使用的术语是仅仅是为了描述具体的实施例例并且不意在限制本发明。在 此提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用以其全文结 合在此。

如在本发明的说明书和所附的权利要求中所使用的，单数形式“一个”、 “一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外表明。

还如在此使用的，“和/或”是指并且涵盖一个或多个相关的列出项的任 何及所有所有可能组合，连同当以替代方案（“或”）解释时组合的缺乏。

除非上下文另外表明，明确地预期的是在此所述的本发明的不同特征可 以按任何组合使用。

而且，本发明还考虑到在本发明的一些实施例中，在此提出的任何特征 或特征的组合可以被排除或省略。

举例说明，如果该说明书陈述包含组分A、B和C的一种复合物，它明确 地预期A、B或C的任何一种或其组合可被省略和放弃。

如在此使用的，过渡短语“基本上由……组成”（以及语法变体）将被解 释为包括列举的材料或步骤“以及并不实质上影响本发明的基本特征或新颖 特征的那些”。参见In re Herz,537F.2d549,551-52,190U.S.P.Q.461,463 （CCPA1976）（在原文中强调）；还参见MPEP§2111.03。因此，如在此使 用的术语“基本上由……组成”不应当被解释为等同于“包含”。

另外，当提及可测量值诸如量或浓度（例如预处理溶液中的多元醇的量） 以及类似情形时，如在此使用的术语“大约”意在包括特定量的20%、10%、 5%、1%、0.5%或甚至0.1%的变化。

本发明涉及用于木质纤维素材料的预处理溶液，以及用于水解木质纤维 素材料的方法，随后该方法可被用于生产可发酵糖。

如在此所使用的“木质纤维素的”或“木质纤维素”是指包含木质素和/或 纤维素的材料。木质纤维素材料也可包括半纤维素、木聚糖、蛋白质、脂类、 碳水化物（例如淀粉和/或糖）或其任何组合。木质纤维素材料可以从活的或 先前活的植物材料（例如木质纤维素生物质）中得到。如在此所使用的，“生 物质”是指任何木质纤维素材料并且可被用作一种能源。

木质纤维素材料（例如木质纤维素生物质）可从单一材料或多种材料的 组合中得到和/或可以是非修饰的和/或修饰的。木质纤维素材料可以是转基 因的（即基因修饰的）。如在此使用的“转基因的”是指一种已经向其中递送 或导入转基因的植物，并且该转基因可在这种转基因植物中表达以产生一种 产物，该产物的存在可以赋予在这种植物中的一种效应和/或表型。如在此使 用的术语“转基因”，是指在植物的转化中使用的任何核酸序列。如此，转基 因可以是一种编码序列、非编码序列、cDNA、基因或其片段或部分、基因 组序列、调节元件，等等。在本发明的一些实施例中，该木质纤维素材料是 表达或表达了外源酶的一种转基因植物或转基因植物材料。

木质纤维素通常在例如植物的纤维、果肉、茎、叶、外壳、藤条、外皮、 和/或穗轴，或者树木和/或灌木的纤维、叶、枝、树皮、和/或木材中找到。 示例性的木质纤维素材料包括但不限于农业生物质，例如农业和/或林业材料 和/或残余物、枝、灌木、藤条、森林、谷物、草地、短轮伐期木本作物、草 本作物、和/或叶；能源作物，例如玉米、小米、和/或大豆；能源作物残余 物；造纸厂残余物；锯木厂残余物；城市废纸；果园修剪；丛林；木材废料； 砍伐废弃物；森林间伐；短轮伐期木本作物；蔗渣例如甘蔗渣和/或高粱渣、 浮萍；小麦秸秆；燕麦秸秆；水稻秸秆；大麦秸秆；黑麦秸秆；亚麻秸秆； 大豆壳；稻壳；稻草；烟草；玉米麸饲料；燕麦壳；玉米仁；来自仁的纤维； 玉米秸秆；玉米茎秆；玉米穗轴；玉米皮；卡诺拉（canola）；芒草；能源甘 蔗；草原草；鸭茅状磨擦禾（gamagrass）；狐尾草；甜菜渣；柑橘果肉；种 子外壳；草坪裁剪；棉花、海草；树木；灌木；小麦；小麦秸秆；来自谷物 湿磨或干磨的产物和/或副产物；庭院垃圾；植物和/或树木废品；草本材料 和/或作物；森林；果实；花；针叶；原木；根；树苗；灌木；柳枝稷；蔬菜； 果皮；葡萄藤；小麦麸；燕麦外壳；硬木和软木；或其任何组合。在一些实 施例中，该木质纤维素材料已经通过选自下组的处理机处理，该组由以下各 项组成：干磨乙醇生产设备、制纸浆设备、树木收获操作、甘蔗工厂、或其 任何组合。在本发明的其他实施例中，该木质纤维素材料是蔗渣。

本发明的这些方法可以包括用本发明的一种预处理溶液预处理该木质 纤维素材料（例如，生物质）（基本上由其组成或由其组成）。如此处所使用 的“预处理”（“Pretreating”）、“预处理”（“pretreatment”）以及其任何语法变 体是指用本发明的一种预处理溶液对木质纤维素材料进行处理、接触、浸泡、 悬浮、浸渍、浸透、浸入、润湿、冲洗、洗涤、浸没、和/或其组合。

该预处理步骤可以在从大约40℃至大约150℃或在其中的任何范围，例 如（但不限于）大约40℃至大约90℃、大约50℃至大约100℃、大约60℃至 大约90℃、大约80℃至大约150℃、大约90℃至大约130℃、或大约100℃至 大约130℃执行或进行。在具体实施例中，该预处理步骤是在大约40℃、41℃、 42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、 53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃、60℃、61℃、62℃、63℃、 64℃、65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃、71℃、72℃、73℃、74℃、 75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、85℃、 86℃、87℃、88℃、89℃、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、 97℃、98℃、99℃、100℃、101℃、102℃、103℃、104℃、105℃、106℃、 107℃、108℃、109℃、110℃、111℃、112℃、113℃、114℃、115℃、116℃、 117℃、118℃、119℃、120℃、121℃、122℃、123℃、124℃、125℃、126℃、 127℃、128℃、129℃、130℃、131℃、132℃、133℃、134℃、135℃、136℃、 137℃、138℃、139℃、140℃、141℃、142℃、143℃、144℃、145℃、146℃、 147℃、148℃、149℃、150℃、或在其中的任何范围的温度下进行的。在本 发明的一个实施例中，该预处理步骤是在大约130℃的温度下进行的。在本 发明的其他实施例中，该预处理步骤是在从大约40℃至大约90℃的温度下进 行的。

该预处理步骤可以执行或进行持续从大约1分钟至大约120分钟或在其中的 任何范围，例如（但不限于）大约5分钟至大约100分钟、或大约15分钟至大 约60分钟的时间段。在具体实施例中，该预处理步骤可以进行持续大约1、2、 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、 21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、 38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、 55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、 72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、 89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、 105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、 119、120分钟、或在其中的任何范围的时间段。在本发明的某些实施例中， 该预处理步骤进行持续大约60分钟的一个时间段。

木质纤维素生物质加载（即，木质纤维素材料与预处理溶液的比率）可 以是预处理溶液的按重量计的从大约0.1%至大约60%或在其中的任何范围， 例如（但不限于）大约5%至大约40%、或大约5%至大约20%。在具体实施 例中，该木质纤维素生物质加载是预处理溶液的按重量计的大约0.1%、0.2%、 0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%、 6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、 19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、 31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、 43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、 55%、56%、57%、58%、59%、60%或在其中的任何范围。在本发明的某些 实施例中，该木质纤维素生物质加载是预处理溶液的按重量计的大约10%。

在本发明的代表性实施例中，本发明的预处理溶液可以包含一种多元 醇、一种酸催化剂、或其任何组合（基本上由其组成或由其组成）。示例性 的多元醇包括但不限于1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、甘油、2,3-丁二醇、1,3-丁 二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、1,2-戊二醇、1,3-戊二醇、1,4-戊二醇、1,5-戊二醛、 2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-甲基-1,4-丁二醇、2-甲基-1,3-丁二醇、1,1,1-三羟 甲基乙烷、3-甲基-1,5-戊二醇、1,1,1-三羟甲基丙烷、1,7-庚二醇、2-乙基-1,6 己二醇、1,9-壬二醇、1,11-十一烷二醇、二甘醇、三甘醇、低聚乙二醇、2,2'- 硫二甘醇、从1,2-环氧丙烷制备的二甘醇或聚乙二醇、丙二醇、乙二醇、山 梨醇、二丁二醇、三丁二醇、四丁二醇、二己烯醚二醇、三己烯醚二醇、四 己烯醚二醇、1,4-环己二醇、1,3-环己二醇、或其任何组合。在本发明的具体 实施例中，该多元醇是甘油和/或乙二醇。

多元醇可以纯的（例如精制的）或不纯的（例如粗制的或粗纯化的）形 式存在。在本发明的某些实施例中，多元醇具有大约70%至大约99.9%或在 其中的任何范围，例如（但不限于）大约80%至大约99.9%、或大约80%至大 约97%的纯度。在本发明的具体实施例中，多元醇的纯度是大约70%、71%、 72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、 84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、 96%、97%、98%、99%、99.1%、99.2%、99.3%、99.4%、99.5%、99.6%、 99.7%、99.8%、99.9%或在其中的任何范围。多元醇的纯度形式或等级（例 如精制的、粗的、或粗纯化的）可以是但不限于如来自生物柴油生产工艺中 的副产物的纯度等级。在本发明的具体实施例中，多元醇是呈纯的形式（例 如，具有99%或更高的纯度），并且在其他实施例中多元醇是呈粗制形式（例 如，具有从大约70%至大约98%的纯度）。

在本发明的一些实施例中，本发明的预处理溶液中可以存在一种或多种 多元醇。本发明的预处理溶液中可以存在例如1种、2种、3种、4种、5种、 或更多种多元醇。多元醇可以按该预处理溶液的按重量计的从大约1%至大 约99%或在其中的任何范围，例如（但不限于）大约1%至大约80%、大约10% 至大约50%、大约15%至大约35%、大约20%至大约99%、大约40%至大约 99%、或大约80%至大约97%的量存在于该预处理溶液中。在本发明的具体 实施例中，多元醇是以该预处理溶液的按重量计的大约1%、2%、3%、4%、 5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、 18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、 30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、 42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、 54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、 66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、 78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、 90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、或在其中 的任何范围的量存在于该预处理溶液中。在本发明的某些实施例中，多元醇 是以该预处理溶液的按重量计的从大约80%至大约99%的量存在的。

在本发明的一些实施例中，本发明的预处理溶液中可以存在一种或多种 酸催化剂。本发明的预处理溶液中可以存在例如1种、2种、3种、4种、5种、 或更多种酸催化剂。一种酸催化剂可以以该预处理溶液的按重量计的从大约 0.1%至大约10%或在其中的任何范围，例如（但不限于）大约0.1%至大约5%、 或大约0.1%至大约1.5%、或大约1%至大约3%的量存在于该预处理溶液中。 在本发明的具体实施例中，一种酸催化剂是以该预处理溶液的按重量计的大 约0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.2%、 1.5%、1.75%、2%、2.25%、2.5%、2.75%、3%、3.25%、3.5%、3.75%、4%、 4.25%、4.5%、4.75%、5%、5.25%、5.5%、5.75%、6%、6.25%、6.5%、6.75%、 7%、7.25%、7.5%、7.75%、8%、8.25%、8.5%、8.75%、9%、9.25%、9.5%、 9.75%、10%、在其中的任何范围的量存在于该预处理溶液中。在本发明的 某些实施例中，酸催化剂是以该预处理溶液的按重量计的大约0.5%至大约 2%的量存在的。

如在此使用的术语“酸催化剂”是指具有小于7的pH的可与一种碱形成一 种盐的各种水溶性化合物。示例性的酸催化剂可以是一元的或多元的并且可 以包括一种、两种、三种、或多种酸功能团。示例性的酸催化剂包括但不限 于矿物酸、路易斯酸、酸性金属盐、有机酸、固体酸、无机酸、或其任何组 合。特定的酸催化剂包括但不限于盐酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、氢溴酸、氢 碘酸、硝酸、甲酸、乙酸、甲磺酸、甲基苯磺酸、三氟化硼合二乙醚、三氟 甲磺烷酸钪(III)、异丙醇钛(IV)、氯化锡(IV)、溴化锌(II)、氯化铁(II)、 氯化铁(III)、氯化锌(II)、氯化铜(I)、溴化铜(I)、氯化铜(II)、溴化铜(II)、 氯化铝、氯化铬(II)、氯化铬(III)、氯化钒(III)、氯化钼(III)、氯化钯(II)、 氯化铂(II)、氯化铂(IV)、氯化钌(III)、氯化铑(III)、沸石、活化沸石、 或其任何组合。在某些实施例中，该酸催化剂是盐酸。

任选地，水可以以该预处理溶液的按重量计的从大约0%至大约80%或 在其中的任何范围，例如（但不限于）大约1%至大约60%或大约1%至大约 20%的量存在于该预处理溶液中。在本发明的具体实施例中，水是以该预处 理溶液的按重量计的大约0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、 10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、 22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、 34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、 46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、 58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、 70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、或在 其中的任何范围的量存在于该预处理溶液中。在某些实施例中，水是以该预 处理溶液的按重量计的从大约5%至大约20%的量存在的。

在本发明的一些实施例中，一种预处理溶液包含按重量计大约10%至大 约99%的多元醇、按重量计大约0.1%至大约5%的酸催化剂、以及按重量计大 约0%至大约60%的水（基本上由其组成或由其组成）。在本发明的其他实施 例中，一种预处理溶液包含按重量计大约40%至大约99%的多元醇、按重量 计大约0.1%至大约5%的酸催化剂、以及按重量计大约1%至大约60%的水（基 本上由其组成或由其组成）。

在本发明的某些实施例中，一种预处理溶液包含按重量计大约85%至大 约93%的多元醇、按重量计大约0.5%至大约2%的酸催化剂、以及按重量计大 约5%至大约15%的水（基本上由其组成或由其组成）。在本发明的具体实施 例中，一种预处理溶液包含按重量计大约88.8%的多元醇、按重量计大约1.2% 的酸催化剂、以及按重量计大约10%的水（基本上由其组成或由其组成）。 在本发明的一些实施例中，一种多元醇包括甘油。

该预处理步骤可以导致木质纤维素材料的水解和/或分解。如在此使用 的“水解”是指使木质纤维素材料结合在一起的化学键的裂解或断裂。例如， 水解可以包括但不限于使糖类（即，糖（sugars））连接在一起的糖苷键的断 裂或裂解，并还被称为糖化。在一些实施例中，木质纤维素材料可以包括纤 维素和/或半纤维素。纤维素是一种葡聚糖，葡聚糖是一种多糖。多糖类是由 糖类（例如单糖或二糖）的重复单元所构成的聚合物化合物，这些糖类的重 复单元通过糖苷键连接在一起。糖类的重复单位可以是相同的（即同质的） 以导致一种同多糖，或可以是不同的（即异质的）以导致一种杂多糖。纤维 素可经受水解以形成纤维糊精（即，与水解反应前的多糖单位相比更短的多 糖单位）和/或葡萄糖（即，单糖）。半纤维素是一种杂多糖并可包括多糖类， 多糖类包括但不限于木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡萄甘露聚 糖和木葡聚糖。半纤维素可以经受水解以形成更短的多糖单元和/或单糖，包 括但不限于戊糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、或 其任何组合。

在本发明的一些实施例中，该预处理步骤部分地水解该木质纤维素材 料。如在此使用的“部分水解”或“部分地水解”以及其任何语法变体是指该水 解反应使少于100%的使该木质纤维素材料结合在一起的化学键裂解或断 裂。在本发明的其他实施例中，该水解反应使少于100%的存在于该木质纤 维素材料中的纤维素和/或半纤维素的糖苷键裂解或断裂。在一些实施例中， 部分水解反应可将少于大约20%、15%、10%、或5%的纤维素转化为葡萄糖。 在本发明的另外的实施例中，部分水解反应可将少于大约20%、15%、10%、 或5%的半纤维素转化为单糖。示例性的单糖包括但不限于木糖、葡萄糖、 甘露糖、半乳糖、鼠李糖、以及阿拉伯糖。在一些实施例中，与预处理前存 在于该木质纤维素材料中的葡聚糖的量相比，部分水解反应可以导致存在于 预处理的木质纤维素材料中的大于大约80%、85%、90%、或95%的葡聚糖 的回收。在本发明的一些实施例中，与预处理前存在于该木质纤维素材料中 的木聚糖的量相比，部分水解反应可以导致存在于预处理的木质纤维素材料 中的少于大约40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、或5%的木聚糖的 回收。

在本发明的具体实施例中，相对于其他用于木质纤维素材料处理的方 法，来自木质纤维素材料的作为预处理步骤的一个结果的所不希望的所不希 望的产物的产生减少了。如在此使用的术语“减少（reduce）”、“减少 （reduces）”、“减少（reduced）”、“减少（reduction）”以及相似术语是指至 少大约5%、10%、25%、35%、50%、75%、80%、85%、90%、95%、97% 或更多的减少。示例性的所不希望的产物包括糠醛、乙酸、5-羟甲基糠醛 （HME）、甲酸、以及甘油氯化产物，包括但不限于3-单氯丙烷-1,2-二醇 （3-MCPD）、2-单氯丙烷-1,3-二醇（2-MCPD）、1,3-二氯丙烷-2-醇（1,3-DCP） 以及1,2-二氯丙烷-3-醇（1,2-DCP）。在一些实施例中，所不希望的产物在预 处理溶液、滤液和/或水解产物中的浓度是少于大约20g/kg、15g/kg、10g/kg、 5g/kg、1g/kg、0.5g/kg、或0.25g/kg，并因此相对于其他用于处理木质纤维 素材料的方法降低了。在其他实施例中，所不希望的产物在预处理溶液、滤 液和/或水解产物中的浓度是少于大约0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、 9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20g/kg、或在其中的任何 范围，并因此相对于其他用于处理木质纤维素材料的方法降低了。

在本发明的一些实施例中，该预处理步骤可以分解和/或去除存在于该 木质纤维素材料中的木质素。在一些实施例中，可以通过水解使该木质纤维 素材料结合在一起的化学键将木质素从该木质纤维素材料中去除。因此，在 本发明的一些实施例中，与预处理步骤之前存在于该木质纤维素材料中的木 质素的量相比，该预处理步骤可以导致在预处理的木质纤维素材料中的木质 素的大约80%或更少（例如大约80%、75%、70%、65%、60%、55%、50%、 45%、40%、35%、30%、25%、20%等等）或在其中的任何范围的去除。在 一些实施例中，与预处理步骤之前存在于该木质纤维素材料中的木质素的量 相比，该预处理步骤可以导致在预处理的木质纤维素材料中的木质素的大约 20%或更多（例如大约20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、 60%、65%、70%、75%、80%等等）或在其中的任何范围的回收。

在本发明的其他实施例中，该预处理步骤可影响该木质纤维素材料的结 构。例如，该预处理步骤可以导致木质纤维素材料中的纤维的解离，增加木 质纤维素材料的孔隙率，增加木质纤维素材料的比表面积，或其任何组合。 在一些实施例中，该预处理步骤降低了纤维素结构的结晶性，通过例如将该 纤维素的一部分从结晶状态改变至无定形态。

在本发明的一些实施例中，与在此所述的未经受预处理步骤的木质纤维 素材料相比，该预处理步骤可使预处理的木质纤维素材料对酶消化更敏感。 因此，在本发明的一些实施例中，与未用在此所述的预处理溶液预处理的木 质纤维素材料的酶消化相比，该预处理的木质纤维素材料的酶消化可以增加 二倍、三倍、四倍、五倍、六倍、七倍、八倍或更多倍。

在本发明的另外的实施例中，在用如在此所述的预处理溶液预处理该木 质纤维素材料之后，可以通过本领域的技术人员已知的任何手段从预处理溶 液分离该木质纤维素材料。将木质纤维素材料从预处理溶液分离的方法包括 但不限于真空过滤、膜过滤、筛过滤、部分或粗分离、或其任何组合。该分 离步骤可产生一个液体部分（即，滤液或水解产物）和一个固体残余物部分 （即，该预处理的木质纤维素材料）。在本发明的一些实施例中，在分离之 前和/或之后将水添加至该预处理的木质纤维素材料中。因此，在一些实施例 中，该预处理的木质纤维素材料任选地包括预处理溶液和/或来自预处理工艺 的副产物（例如但不限于多元醇、甘油残基、酸）以及产生自预处理工艺的 产物。

任选地，如用在此所述的在预处理溶液预处理该木质纤维素材料之后， 可用一种预处理后洗涤溶液洗涤该预处理的木质纤维素材料。一种预处理后 洗涤溶液可以包含一种碱性溶液和/或一种有机溶剂。一种碱性溶液可具有大 约pH8或更高的pH，例如大约pH8、9、10、11、12、13、或14。在具体实 施例中，一种碱性溶液的pH是大约pH10或更高、或大约pH12或更高。一种 碱性溶液可包括碱性化学品，例如但不限于氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、 和碱性盐（例如但不限于碳酸钠和碳酸钾）。在碱性溶液中的碱性化学品的 浓度可以是以该碱性溶液的按重量计的从大约0.0002%至大约12%或其任何 范围,例如但不限于该碱性溶液的按重量计的从大约0.002%至大约10%、大约 0.02%至大约5%、或大约0.01%至大约0.5%。在具体实施例中，在该碱性溶 液中的碱性化学品的浓度是该碱性溶液的按重量计的大约0.2%。在本发明的 一些实施例中，一种预处理后洗涤溶液包括一种有机溶剂。对于一种预处理 后洗涤溶液的示例性的有机溶剂包括但不限于一种醇（例如甲醇和/或乙醇）、 丙酮、和/或1,4-二噁烷。

可以在从大约0℃至大约100℃或其任何范围，例如（但不限于）从大约 5℃至大约80℃、大约5℃至大约40℃、或大约15℃至大约35℃的温度下进 行预处理后洗涤。在具体实施例中，该预处理后洗涤是在大约室温（即，大 约25℃）下进行的。

在本发明的一些实施例中，任选地可在用水洗涤该预处理的木质纤维素 材料之前和/或之后进行用一种预处理后洗涤溶液的预处理后洗涤。根据本发 明的一些实施例，可用水和/或一种预处理后洗涤溶液洗涤该预处理的木质纤 维素材料一次或多次，例如2次、3次、4次、或更多次。在本发明的某些实 施例中，可在预处理之后用一种碱性溶液洗涤该预处理的木质纤维素材料。 在本发明的其他实施例中，可在预处理后用水洗涤该预处理的木质纤维素材 料一次或多次，然后用一种碱性溶液洗涤该预处理的木质纤维素材料一次或 多次，随后任选地用水洗涤该预处理的木质纤维素材料一次或多次。在本发 明的一些实施例中，可以用一种有机溶剂洗涤该预处理的木质纤维素材料一 次或多次，然后用水洗涤一次或多次。在本发明的另外的实施例中，在用水 和/或预处理后洗涤溶液洗涤一次或多次之后，可以从水和/或预处理后洗涤 溶液经由以下方法分离该木质纤维素材料：例如但不限于真空过滤、膜过滤、 筛过滤、部分或粗分离、或其任何组合。

在本发明的某些实施例中，用一种预处理后洗涤溶液的预处理洗涤去除 存在于该预处理的木质纤维素材料中的木质素。在具体实施例中，用一种预 处理后洗涤溶液的预处理洗涤去除存在于该预处理的木质纤维素材料中的 残余木质素。在一些实施例中，由于凝聚在预处理的木质纤维素材料的木质 素，在用本发明的一种预处理溶液预处理期间和/或之后，残余的木质素可存 在于该预处理的木质纤维素材料中。在本发明的一些实施例中，通过用一种 预处理后洗涤溶液洗涤该预处理的木质纤维素材料，可以溶解和/或去除存在 于该预处理的木质纤维素材料中的木质素。

在本发明的一些实施例中，在预处理之后，与存在于未处理的木质纤维 素材料（即，没有用本发明的预处理溶液处理的和/或没有用本发明的预处理 后洗涤溶液处理的木质纤维素材料）中的木质素相比，用一种预处理后洗涤 溶液洗涤可以导致大约25%或更多的木质素的去除。在本发明的某些实施例 中，与存在于未处理的木质纤维素材料中的木质素相比，用一种预处理后洗 涤溶液洗涤可以导致大约25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、或更 多、或在其中的任何范围的木质素的去除。在本发明的具体实施例中，与存 在于未处理的木质纤维素材料中的木质素相比，用一种预处理后洗涤溶液洗 涤可以导致大约25%至大约50%、或在其中的任何范围的木质素的去除。因 此，在一些实施例中，在如在此所述的预处理和/或预处理后洗涤之后，与存 在于未处理的木质纤维素材料中的木质素相比，从该木质纤维素材料中去除 的木质素的量（即，用本发明的预处理溶液预处理去除的木质素与用本发明 的预处理后洗涤溶液预处理后洗涤去除的木质素的总和）是大约60%或更 多，例如大约60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、或更多。 在某些实施例中，用本发明的一种预处理溶液的预处理和用本发明的预处理 后洗涤溶液的预处理后洗涤去除了预处理之前和预处理后存在于该木质纤 维素材料中的大约65%的木质素。在本发明的某些实施例中，该预处理后洗 涤溶液是一种碱性溶液。

任选地，在洗涤该预处理的木质纤维素材料之后可以收集预处理后洗涤 溶液。在本发明的一些实施例中，收集的预处理后洗涤溶液是一种碱性溶液， 可通过将所收集的碱性溶液的pH用一种酸性盐或酸（例如但不限于盐酸、硫 酸、硝酸、以及磷酸）调节至酸性pH（即，小于大约7的pH）将其用于回收 木质素。在本发明的某些实施例中，所收集的碱性溶液的pH被调节至大约1 至大约7或在其中的任何范围，例如但不限于大约1.5至大约6.5、或大约2至 大约5。在本发明的一些实施例中，回收木质素的温度可以是从大约0℃至大 约90℃或其中的任何范围，例如但不限于大约5℃至大约70℃或大约5℃至大 约40℃。可通过从所收集的碱性溶液中沉淀木质素来回收该木质素，并且可 通过过滤收集，例如但不限于通过真空过滤、膜过滤、筛过滤、部分或粗分 离、或其任何组合。所回收的木质素可被用于生产一种有价值的产物，例如 但不限于燃烧能源产物、在酚醛树脂中的酚替代物、聚合物添加剂、建筑材 料、或其任何组合。

不受具体理论的束缚，人们认为在该预处理的木质纤维素材料中的木质 素的存在负面地影响纤维素的酶水解，这归因于通过木质素的酶（例如纤维 素酶）的非生产吸附。人们认为通过木质素的酶的非生产吸附减少了可用于 酶水解的酶的实际量。因此，人们认为通过进一步去除存在于预处理的木质 纤维素材料中的木质素可以提高酶水解比率，并减少在酶水解中利用的酶的 量。可以在分离之后和/或期间收集滤液或水解产物以用于预处理另外的木质 纤维素材料（即，滤液/水解产物的再循环）。该滤液或水解产物可以被收集 和再利用两次、三次、四次、或更多次。另外的组分任选地被添加至再循环 的溶液中，包括但不限于另外的水、酸催化剂、多元醇、或其任何组合。在 本发明的一些实施例中，水被添加至该再循环的溶液中。

在本发明的一些实施例中，一种预处理的木质纤维素材料可以经受进一 步的加工条件，例如但不限于蒸汽爆破。

在本发明的其他实施例中，在用本发明的预处理溶液处理之前将该木质 纤维素材料用水性酸溶液处理（即，前期预处理）。一种水性酸溶液可以包 含矿物酸、路易斯酸、酸性金属盐、有机酸、固体酸、无机酸、或其任何组 合（主要由其组成或由其组成）。在该水性酸溶液中可以存在一种或多种酸 （例如1、2、3、4、5、或更多种酸），并且这种或这些酸可以是一元的或多 元的并且可以包含一种、两种、三种、或多种酸功能团。示例性的酸包括但 不限于盐酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、氢溴酸、氢碘酸、硝酸、甲酸、乙酸、 甲磺酸、甲基苯磺酸、三氟化硼合二乙醚、三氟甲磺酸钪(III)、异丙醇钛 (IV)、氯化锡(IV)、溴化锌(II)、氯化铁(II)、氯化铁(III)、氯化锌(II)、 氯化铜(I)、溴化铜(I)、氯化铜(II)、溴化铜(II)、氯化铝、氯化铬(II)、 氯化铬(III)、氯化钒(III)、氯化钼(III)、氯化钯(II)、氯化铂(II)、氯化铂 (IV)、氯化钌(III)、氯化铑(III)、沸石、活化沸石、或其任何组合。在某些 实施例中，在该水性酸溶液中的酸是盐酸。

在本发明的一些实施例中，这种或这些酸可以以该酸溶液的按重量计的 从大约0.1%至大约5%或在其中的任何范围，例如但不限于大约0.1%至大约 2.5%的量存在于该水性酸溶液中。因此，在本发明的一些实施例中，这种或 这些酸大可以以大约0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.2%、1.5%、1.75%、 2%、2.25%、2.5%、2.75%、3%、3.25%、3.5%、3.75%、4%、4.25%、4.5%、 4.75%、5%或在其中的任何范围的量存在于该酸溶液中。

在本发明的另一方面，提供了一种将该预处理的木质纤维素材料与至少 一种酶或一种包含至少一种酶的酶组合物接触的方法。在一些实施例中，该 预处理的木质纤维素材料可以包括预处理溶液和/或来自预处理过程的副产 物（例如但不限于多元醇、甘油残基、酸）以及产生自预处理过程的产物。 在某些实施例中，与未处理的木质纤维素材料（即，如在此所述的没有处理 的木质纤维素材料）的酶消化率相比，本发明的一种方法可以增加预处理的 木质纤维素材料的酶消化率。在一些实施例中，与未处理的木质纤维素材料 的酶消化率相比，本发明的一种方法可以将预处理的木质纤维素材料的酶消 化率增加至少大约2倍或3倍。

一种酶可以是微生物产生的和/或植物产生的，并可以包括但不限于纤 维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、木质酶、果胶酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧 化氢酶、角质酶、葡聚糖酶、葡萄糖淀粉酶、萄萄糖异构酶、脂肪酶、漆酶、 植酸酶、支链淀粉酶、木糖异构酶、或其任何组合。该酶组合物可以被制备 成一种液体、浆体、固体或凝胶。在本发明的一个方面，该酶是通过木质纤 维素植物材料表达的并在用预处理溶液预处理该木质纤维素材料之后保留 了它的功能活性。因此，在本发明的一些实施例中，对于酶水解，没有另外 的酶与预处理的木质纤维素材料中接触/添加到其中。

在本发明的具体实施例中，该酶是一种纤维素酶和/或木聚糖酶。如在 此使用的“纤维素酶”（cellulase）或“纤维素酶类”（cellulases）是指一种能够 将纤维素水解为葡萄糖的酶。纤维素酶的非限制实例包括甘露聚糖内切 -1,4-β-甘露糖苷酶、1,3-β-D-葡聚糖葡聚糖水解酶、1,3-β-葡聚糖葡聚糖水解 酶、1,3-1,4-β-D-葡聚糖葡聚糖水解酶和1,6-β-D-葡聚糖葡聚糖水解酶。

如在此使用的“木聚糖酶”（xylanase）或“木聚糖酶类”（xylanases）是 指一种能够至少将木聚糖水解为木乙糖和木三糖的酶。示例性的木聚糖酶可 以来自网团菌属，包括但不限于嗜热网球菌Rt46B.1。参见，例如Gibbs等 人（1995）《应用环境微生物学》（Appl.Environ.Microbiol.）61:4403-4408。

在本发明的一些实施例中，一种酶可以是耐高温（即，热稳定的）和/ 或低pH（即，嗜酸的）的酶。关于“热稳定的”或“耐热的”意为该酶在大约 60℃下持续30分钟保留至少大约70%的活性，在大约70℃下持续30分钟 保留至少大约65%的活性，或在大约80℃下持续30分钟保留至少大约60% 的活性。如在此使用的“嗜酸的”意为该酶在大约pH6下保留它的大约60% 至大约90%的活性，在pH5.0下保留至少大约65%的活性，或在pH4.0下 保留至少大约60%的活性。

在本发明的一些实施例中，一种酶可以是一种双活性酶。如在此使用的 “双活性酶”是指一种具有木聚糖酶和纤维素酶活性两者的酶。本发明的该双 活性酶可以是耐热的和/或嗜酸的。

这些酶的另外的非限制实例包括α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、α-葡萄糖醛酸 酶、乙酰甘露聚糖酯酶、乙酰木聚糖酯酶、α-半乳糖苷酶、β-葡糖苷酶、外 切木聚糖酶、β-1,4-木糖苷酶、内切-1,4-β-木聚糖酶、内切-半乳聚糖酶、内 切-β-1,4-甘露聚糖酶、1,4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶、内切-1,4-β-D-葡聚糖 酶、β-葡糖苷酶、内切-α-1,5-阿拉伯聚糖酶、外切-β-1,4-甘露糖苷酶、纤维 二糖水解酶类、内切葡聚糖酶、外切-β-1,4-木糖苷酶、阿魏酸酯酶（feruloyl  esterase）、阿魏酸酯酶（ferulic acid esterase）、p-香豆酸酯酶、葡糖醛酸木聚 糖木聚糖水解酶、木葡聚糖内糖基转移酶、二芳基丙烷过氧化物酶、葡萄糖 氧化酶、乙二醛氧化酶、木质素过氧化物酶（LiP）、锰过氧化物酶、甲醇氧 化酶、甲醇氧化还原酶、酚氧化酶（漆酶）、酚过氧化物酶、藜芦醇氧化酶、 果胶酶（pectolyase）、pectozyme、聚半乳糖醛酸酶、萝蘼蛋白酶、菠萝蛋白 酶、番木瓜蛋白酶（caricain）、木瓜凝乳蛋白酶、胶原酶、甘氨酰肽链内切 酶、胃蛋白酶、链霉蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、嗜热菌蛋白酶或其任何组合。

一种酶可以被提供为部分或完全纯化的全长酶、或其活性变体或片段， 或者可以被提供为一种产酶微生物。而且，可以以有效水解它们的底物（例 如，该预处理的木质纤维素材料，其任选地包含预处理溶液和/或来自预处理 过程的副产物（例如但不限于多元醇、甘油残基、酸）以及产生自预处理过 程的产物）的量提供这些酶，例如该底物的按重量计的从大约0.001%至大 约50%、从大约0.01%至大约50%、从大约0.1%至大约50%、从大约1%至 大约50%、从大约10%至大约50%、从大约20%至大约50%、从大约30% 至大约50%、从大约40%至大约50%的量或更多。

一种酶组合物还可以包括本领域技术人员已知的在加工木质纤维素材 料（例如生物质）中使用的试剂，包括但不限于氯、洗涤剂、次氯酸盐、过 氧化氢、草酸、过酸、pH调节试剂、磷酸三钠、亚氯酸钠、硝酸钠、表面 活性剂、脲、缓冲剂、和/或水。

洗涤剂的实例包括但不局限于，阴离子、阳离子或中性洗涤剂，例如诺 乃洗涤剂（Nonidet）(N)P-40、十二烷基硫酸钠（SDS）、月桂基硫酸钠（SLS）、 磺基甜菜碱、正辛基葡糖苷、脱氧胆酸盐、X-100（陶氏化学公司（Dow  Chemical Co.）；米德兰，密歇根州（Midland,MI））和/或20（ICI 美国有限公司（ICI Americas,Inc.））；布里奇沃特，新泽西州（Bridgewater, NJ））。

表面活性剂的非限制性实例包括仲醇乙氧基化物、脂肪醇乙氧基化物、 壬基酚乙氧基化物、脂肪醇磷酸酯、聚氧乙烯醚、聚乙二醇、聚氧乙烯化烷 基酚、硬脂酸和/或十三烷基乙氧基化物。

这些试剂中的任何一种可以被提供为部分或完全纯化的。而且，这些试 剂中的任何一种可以按该底物的按重量计的从大约0.001%至大约50%、从 大约0.01%至大约50%、从大约0.1%至大约50%、从大约1%至大约50%、 从大约10%至大约50%、从大约20%至大约50%、从大约30%至大约50%、 从大约40%至大约50%或更多的量提供。

本发明的一种酶组合物还可以包括真菌或其他产酶微生物，尤其是产乙 醇和/或溶解木质素的微生物，其可有助于加工、分解、和/或降解木质纤维 素材料。产乙醇和/或溶解木质素的微生物的非限制性实例包括细菌和酵母。 一般参见Burchhardt（布哈特）&Ingram（英格拉姆）（1992），《应用与 环境微生物学》58:1128-1133；Dien（迪恩）等人（1998），《酶与微生物 技术》23:366-371；Keating（基廷）等人（2004），《酶与微生物技术》35:242-253； Lawford（劳福德）&Rousseau（卢梭）（1997），《应用生物化学与生物 技术》63-65:221-241；《生物技术手册：生产与利用》（Wyman（怀曼）编 辑，CRC出版社1996）；连同美国专利公开号2009/0246841和2009/0286293； 以及美国专利号6,333,181。这样的微生物可以产生辅助在加工木质纤维素材 料中的酶类，包括但不限于醇脱氢酶、丙酮酸脱羧酶、转醛醇酶、转酮醇酶 丙酮酸脱羧酶（transketolasepyruvate decarboxylase）、木糖还原酶、木糖醇 脱氢酶或木糖异构酶木酮糖激酶。在本发明的一些实施例中，该产乙醇或溶 解木质素的微生物包括但不限于以下属的成员：假丝酵母属、欧文菌属、埃 希氏菌属、克雷伯菌属、毕赤酵母属、酵母菌属、链霉菌属以及发酵单胞菌 属。参见，例如，Dien（迪恩）（1998），如上述；Ingram（英格拉姆）&Conway （康威）（1988），《应用与环境微生物学》54:397-404；Jarboe（扎博）等 人（2007），《生物化学工程/生物技术进展》（Adv.Biochem.Engin./Biotechnol.） 108:237-261；Keating（基廷）等人（2004），《工业微生物与生物技术杂志》 （J.Indust.Microbiol.Biotech.）31:235-244；Keating（基廷）等人（2006）， 《生物技术与生物工程学》（Biotechnol.Bioeng.）93:1196-1206；Pasti（帕 斯提）等人（1990），《应用与环境微生物学》56:2213-2218；以及Zhang （张）等人（1995），《科学》（Science）267:240-243。

本发明的这些方法可以进一步包括使该预处理的木质纤维素材料（任选 地包括该预处理溶液和/或来自预处理过程的副产物（例如多元醇、甘油残基、 酸）以及产生自预处理过程的产物）与一种微生物包括但不限于产乙醇细菌、 酵母或其组合接触(例如发酵)。在一些实施例中，该接触可以处于在从大约2 至大约9的范围内的一个pH下。在本发明的另外的实施例中，然后该预处理 的木质纤维素材料可以被加工以用于可发酵糖的生产和/或用于生物燃料（例 如乙醇）生产。

在此描述的这些组合物和方法可以被用来将木质纤维素材（例如生物 质）料加工为许多有用的有机化学品、燃料以及产品。例如，一些可以从木 质纤维素材料生产的商品与特种化学品包括但不局限于，丙酮、乙酸盐、丁 二醇、顺式-已二烯二酸、乙醇、乙二醇、糠醛、丙三醇、甘氨酸、赖氨酸、 有机酸（例如，乳酸）、1,3-丙二醇、聚羟基烷酸酯、以及木糖。同样地， 可以从木质纤维素材料生产动物饲料以及各种食品/饮料。一般参见，林德 （Lynd）等人(1999)《生物技术进展》（Biotechnol.Prog.）15:777-793；菲 利普斯（Philippidis），《生物乙醇手册：生产与利用》（Handbook on Bioethanol: Production and Utilization）中的179-212页“纤维素生物转化技术”（"Cellulose  bioconversion technology"），Wyman（怀曼）编辑（Taylor&Francis1996）； 以及Ryu&Mandels(1980)《酶微生物技术》（Enz.Microb.Technol.）2:91-102。 潜在的共同生产效益超出了从木质纤维素材料中的发酵性糖合成多种有机 产品。例如，在加工之后剩下的富含木质素的残余物可以转化为木质素衍生 的化学品或可以用于电力生产。

在本发明的一些实施例中，在此所述的组合物和/或方法可被用于生产 一种浆料，例如一种高价值浆料。使用本发明的组合物和/或方法所生产的浆 料可以被用于各种材料和/或产品的生产，例如但不限于纸、纺织品、以及微 晶纤维素。

在具体实施例中，本发明的方法包括将该预处理的木质纤维素材料酶促 水解以产生一种可发酵糖。如在此所使用的“可发酵糖”是指可以在发酵过程 中被一种微生物用作一种碳源的低聚糖和/或单糖。示例性的可发酵糖包括葡 萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖、蔗糖、果糖、或其任何 组合。

这些可发酵糖可被转化为有用的增值发酵产物，其非限制实例包括氨基 酸，例如赖氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、以及天冬氨酸；维生素；药 物；动物饲料添加剂；特种化学品；化学原料；塑料；溶剂；燃料或其他有 机聚合物；乳酸；丁醇和/或乙醇，包括燃料乙醇和/或燃料丁醇；有机酸， 包括柠檬酸、琥珀酸和马来酸；和/或工业酶，例如蛋白酶、纤维素酶、淀粉 酶、葡聚糖酶、乳糖酶、脂肪酶、裂解酶、氧化还原酶、转移酶和木聚糖酶。

在本发明的一些实施例中，在预处理的木质纤维素材料的酶水解之后， 可以从液体、浆体、固体或凝胶中分离这些产物（例如，一种可发酵糖、乙 醇、丁醇等等）。可以在分离之后收集多元醇和/或酸以用于预处理和/或另外 的处理步骤（即，多元醇和/或酸的再循环）。

以下实例被包括以便说明本发明的不同实施例并且并不意在是其中本 发明可以被实施的所有不同方式或可以被加入本发明中的所有特征的详细 目录。本领域的技术人员将理解到可以在不偏离本发明的情况下对不同实施 例作出众多变化和添加。因此，以下说明意在阐述本发明的一些具体实施例， 并且并没有穷尽地叙述其所有排列、组合和变化。

实例

实例1

针对实例2-13的材料和方法

蔗渣预处理和样品分析：

根据在此所述的方法在特定条件下制备在实例2-13中的所有蔗渣样品， 这些条件提供于以下特定2-13实例中，例如预处理溶液中的组分的浓度和反 应条件。

将风干的除髓后的蔗渣研磨并且收集在0.25mm与0.50mm筛之间留下 的材料。将1克（含湿量5%）的蔗渣与10克的预处理溶液（例如，水、酸催 化剂和甘油）混合。当甘油存在于预处理溶液中时，甘油的纯度等级是具有 少于0.5%的含水量的分析级（即商用甘油）。将该混合物在300rpm下搅拌并 在指示温度下加热持续如在每个实例中提出的设置时间。在预处理之后，将 该混合物真空过滤以产生滤液（即，水解产物）部分和固体残余物部分（即， 预处理的蔗渣）。将滤液（即，水解产物）部分进行稀释并通过Na₂CO₃中和， 并且然后通过高效液相色谱（HPLC）并使用RPM单糖柱（Phenomenex）针 对糖进行分析。通过HPLC使用Aminex HPX87H柱（Bio-rad）分析没有被中 和的水解产物的部分的有机酸5-羟甲基糠醛（HMF）、糠醛和3-单氯丙烷-1,2- 二醇（3-MCPD）。用300mL的蒸馏水将固体残余物（即，预处理的蔗渣） 洗涤4次并且然后过滤。在酶消化率分析之前将洗涤过的固体残余物保持在 2℃-6℃。

将固体残余物的部分冷冻干燥以通过Laboratory Analytical Procedure（实 验室分析程序）（NREL，2008）用于组成分析（例如，葡聚糖、木聚糖和木 质素）。通过傅立叶变换红外（Fourier transform infra-red）（FTIR）光谱术和 扫描电子显微镜检术（SEM）分析冷冻干燥样品的一个另外的部分。

在以下实例中检验不同预处理条件对蔗渣的消化率的影响，包括（a） 酸类型、（b）酸浓度、（c）甘油含量、（d）反应温度、和（e）预处理时间。

根据以下公式计算在预处理的蔗渣残余物中的葡聚糖/木聚糖/木质素含 量：

根据以下公式计算葡聚糖/木聚糖/木质素的回收：

根据以下公式计算在水解产物中的葡萄糖的产率：

根据以下公式计算在水解产物中的木糖的产率：

根据以下公式计算在水解产物中的糠醛的产率：

根据以下公式计算在水解产物中的HMF的产率：

酶消化率的测量：

酶水解是在一个含有5mL的酶溶液的20mL瓶中进行的。将该酶水解在 50℃进行72小时。在每个测定中使用的预处理的蔗渣的量包含2%纤维素加 载的等效物。以0.5mL酶每克预处理的蔗渣的量将酶用于该预处 理的蔗渣的酶水解。是一种含有纤维素酶和木聚糖酶的酶混合 物。

酶消化率是根据由酶水解释放的葡萄糖的量相对于酶水解之前在预处 理的蔗渣中的总葡聚糖来计算的。

根据以下公式计算消化率：

实例2

未处理的蔗渣和预处理的蔗渣的FTIR数据

显示图1了未处理的蔗渣、用一种酸溶液或一种甘油/酸/水溶液预处理的 蔗渣的FTIR光谱。这些蔗渣样品未被处理或用酸溶液或甘油/酸/水溶液在 130℃下将其预处理60分钟。该酸溶液含有1.2%HCl和98.8%水。该甘油/酸/ 水溶液含有1.2%HCl、88.8%甘油、和10%水。

在预处理样品光谱的1732cm^-1处的酯键信号比未处理样品的弱，表明在 预处理过程期间在木质素与碳水化合物之间的一些酯键被裂解（Liu等人， 2009）。

在预处理的样品中存在的与木质素中的芳香族骨架振动（Liu等人， 2009）有关的在1515cm^-1和1605cm^-1处的峰值表明该预处理过程没有完全去 除木质素。酸预处理的蔗渣比未处理的蔗渣和甘油/酸/水预处理的蔗渣在 1515cm^-1和1605cm^-1处的峰值更尖锐，这表明在酸预处理的蔗渣中的更高的 木质素含量。这与在表1中显示的木质素的含量一致。

酸预处理的蔗渣的较尖锐的吸收峰出现在1425cm^-1和1460cm^-1处，这可 能归因于木质素中存在的较高甲氧基的含量（Guo等人，2008）。通过发生在 不同的带的羟基的吸收，在1050cm^-1处具有优异的条带，归因于木质素中的 1ry OH基或在半纤维素中的C–OH弯曲。另外，在1375cm^-1处可观察到一个 酚羟基条带。这些特征被当做是与木质素结构相关的常见功能团（Guo等人， 2008；Li等人，2009）。

在1320cm^-1处的峰归因于在纤维素中的C-H振动和在紫丁香基衍生物 中的C1-O振动（Zhao等人，2008）。酸预处理的蔗渣比未处理的蔗渣和甘油/ 酸/水预处理的蔗渣在1320cm^-1处的峰值更尖锐，可能归因于在酸预处理的蔗 渣中更高的紫丁香基木质素含量。

对于酸和甘油/酸两者预处理的蔗渣在1200cm^-1处的峰的增加表明来自 第二OH基团的贡献的增加（Guo等人，2008）。涉及结晶纤维素的去除的在 1105cm^-1处的峰对于酸预处理的蔗渣是更尖锐的，并表明酸预处理增加了蔗 渣的结晶性（Li等人，2010）。在898cm^-1处的一个小的尖锐条带是β-糖苷键 的特征，并证明在纤维素和半纤维素中的糖单元之间的主要β-糖苷键的存在 （Liu等人，2009）。在835cm^-1处的峰属于木质素中的平面振动外的C-H，该 峰在酸预处理的蔗渣中更尖锐，这表明在酸预处理的蔗渣中更高的木质素含 量（Zhao等，2008）。

实例3

未处理的蔗渣和预处理的蔗渣的SEM

进行扫描电子显微镜术（SEM）分析以研究不同预处理后的蔗渣形态学 变化。这些蔗渣样品未被处理或用一种酸溶液或一种甘油/酸/水溶液在130℃ 下预处理60分钟。该酸溶液含有1.2%HCl和98.8%水。该甘油/酸/水溶液含有 1.2%HCl、88.8%甘油、和10%水。

如在图2中所显示的，未处理的蔗渣样品展现了网格和致密原纤维(图 2a），这阻碍了在糖化过程中酶进入蔗渣（即，该木质纤维素材料）的纤维 素组分和半纤维素组分的能力。用酸溶液预处理的蔗渣的形态学与未处理的 蔗渣（图2b）相比没有显著改变，尽管在这些酸预处理蔗渣中出现了一些孔。 相比之下，用甘油/酸/水溶液预处理破坏了蔗渣（图2c）的刚性结构。不受 具体理论的束缚，这可能归因于半纤维素和来自蔗渣的一些木质素的去除， 导致原纤维的解离，增加了孔隙率和增加了材料的比表面积。

实例4

在预处理溶液中的甘油浓度对预处理的蔗渣的含量、回收、和酶消化率的影 响

检测改变甘油/酸/水溶液中的甘油的量的影响。在表1中给出了在甘油/ 酸/水预处理溶液（使用1.2%HCl作为酸催化剂）中使用的甘油和水的量。用 一种甘油/酸/水溶液在130℃下将这些蔗渣样品预处理60min。含有多于78% 的甘油的甘油/酸/水溶液产生了一种固体残余物，该固体残余物具有大于 60%的葡聚糖和少于8%的木聚糖以及大约88%或更多的酶消化率。用含有 58.8%的甘油的甘油/酸/水溶液处理的蔗渣展示了比用具有较高甘油量的预 处理溶液预处理的蔗渣更低的消化率，但是比仅用1.2%HCl处理的蔗渣的更 高的消化率（表1）。

表1.使用具有1.2%HCl和不同甘油浓度的预处理溶液在130℃下将蔗渣预处 理60min。

表2展示了在预处理之后在水解产物中检测到的组分。在水解产物中葡 萄糖部分随着甘油含量的增加而增加。出人意料地，在水解产物中未检测到 在酸性预处理条件下通常产生的葡萄糖的脱水产物5-羟甲基糠醛（HMF）。 5-HMF通常被认为是一种所不希望的产物，因为它是一种微生物生长抑制 剂。

木糖是木聚糖的水解产物并且可通过一些微生物被发酵成生物燃料和 乙醇，虽然目前该发酵效率在商业上是不经济的。在水解产物中的木糖浓度 随着预处理溶液中甘油含量的减少而增加，并且获得的糠醛价值是可变的。 预期的是，在用高甘油浓度预处理的水解产物中将检测到更高浓度的木糖和 糠醛，因为具有更高甘油含量的溶液具有更高的酸度并且更高的酸度通常产 生更多的木糖和糠醛。因此可能一些糠醛和木糖可能已经被转化为未鉴定的 产物。糖醛通常被认为是一种所不希望的产物，因为它是一种微生物生长抑 制剂。

有趣的是，在用93.6%甘油预处理溶液预处理之后的水解产物中所测得 的乙酸的浓度少于在用含有更低量甘油的预处理溶液预处理之后的水解产 物中所测得的乙酸的量。不受具体理论的束缚，这可能归因于一个副反应， 其中乙酸被甘油通过一个酯化过程消耗。类似地，乙酸通常被认为是一种所 不希望的产物，因为它是一种微生物生长抑制剂。

已经报道当甘油中存在HCl时发生甘油氯化，并且在有机酸例如乙酸存 在时氯化效率更高（Tesser等人，2007）。甘油氯化产物包括3-MCPD、2-单 氯丙烷-1,2-二醇（2-MCPD）、1,3-二氯丙烷-2-醇（1,3-DCP）以及1,2-二氯丙 烷-3-醇（1,2-DCP），以3-MCPD和1,3-DCP作为主要产物（Tesser等人，2007）。 如在表2中所示，3-MCPD的量随着甘油含量的减少而减少，表明归因于甘油 氯化的甘油损失在低甘油含量下被最小化。甘油氯化产物可以抑制酶水解以 及在酶消化之后获得的水解产物的酵母发酵。

表2.在不同甘油含量下使用1.2%HCl在130℃下预处理蔗渣60min之后获得 水解产物的组合物。

实例5

预处理温度对蔗渣的含量、回收、和酶消化率的影响

表3显示预处理温度对预处理的蔗渣的酶消化率的影响。用含有88.8%甘 油、10.0%水和1.2%HCl的一种溶液将蔗渣样品预处理60分钟。130℃的温度 导致在预处理之后获得最高量的葡聚糖，连同致使该蔗渣更易于进行酶水 解。存在于蔗渣中的木聚糖的大部分是在130℃下去除的。

表3.使用甘油/酸/水溶液（88.8%/1.2%/10.0%）溶液在90℃、110℃和130℃ 下将蔗渣预处理60min。

实例6

酸浓度对蔗渣的含量、回收、和酶消化率的影响

表4显示了HCl浓度在蔗渣的预处理和它的酶消化率中的影响。改变预 处理溶液中HCl的浓度导致甘油含量的小的改变，例如从87.6%至89.6%，因 为在预处理溶液中的含水量被保持在10%。在甘油含量上的小的改变没有对 预处理过程产生重大影响。用一种预处理溶液将每个蔗渣样品在130℃下预 处理60分钟。

对于在本研究中使用的每个酸浓度，在固体残余物中的葡聚糖的含量是 大约60%。使用对应地具有1.2%和2.4%HCl的预处理溶液，在固体残余物中 的木聚糖回收是大约3.2%和2.7%。用1.2%HCl和2.4%HCl预处理的蔗渣的消 化率在72小时酶水解测定中达到100%（表4）。

表4.具有变化浓度的HCl的预处理溶液。

实例7

用于预处理的持续时间对含量、回收、和蔗渣的酶消化率的影响

用包含88.8%甘油、10%水和1.2%HCl的预处理溶液将蔗渣样品在130℃ 下预处理大约15、30、60、或90分钟。如在表5中所示，随着预处理时间的 增加，较高部分的木聚糖从蔗渣中去除。在固体残余物中获得的葡聚糖的量 在预处理15min之后甚至超过了60%。

使用72小时酶水解测定，预处理15min或30min的蔗渣的消化率分别达 到了88.1%和96.6%。更长的预处理时间导致100%的消化率。

表5.使用甘油/酸/水（88.8%/1.2%/10%）溶液在130℃下以不同的时间预处理 蔗渣。

实例8

在预处理溶液中使用H₂SO₄作为酸催化剂

表6显示了在用使用H₂SO₄作为酸催化剂的一种甘油/酸/水预处理溶液 预处理蔗渣之后，在固体残余物中的葡聚糖和木聚糖的含量（%）和在固体 残余物中的总回收（%）。用该预处理溶液将该蔗渣在130℃下处理60、90、 或120分钟。与针对未处理的蔗渣的42.9%的值相比，在该预处理的蔗渣中的 葡聚糖的量是60%以上。从蔗渣中去除的木聚糖的量是80%以上。

表6.在预处理溶液中使用H₂SO₄作为催化剂预处理蔗渣。

实例9

在预处理溶液中使用FeCl₃作为催化剂

表7显示了在用使用FeCl₃作为酸催化剂的一种预处理溶液在130℃下预 处理蔗渣60min之后，在固体残余物中的葡聚糖和木聚糖的含量（%）和在 固体残余物中的总回收（%）。使用具有较高FeCl₃浓度的预处理溶液预处理 的蔗渣中的葡聚糖的量实现了增加。与不含水的FeCl₃/甘油预处理溶液相比， 甘油/FeCl₃/水预处理溶液中10%水的存在导致了固体残余物中更低的葡聚糖 含量以及更低的消化率。

表7.在预处理溶液中使用FeCl₃作为催化剂预处理蔗渣。

实例10

在酸和苏打预处理的蔗渣中的甘油浓度对酶水解的影响

研究了甘油浓度对酸和苏打预处理的蔗渣的酶水解的影响。在帕尔反应 器中通过用0.73%H₂SO₄溶液在170℃下预处理该蔗渣15min来制备酸预处 理的蔗渣。在帕尔反应器中通过用18%NaOH溶液在170℃下预处理该蔗渣40 min来制备苏打预处理的蔗渣。用300mL的蒸馏水将该预处理的蔗渣洗涤4 次。在洗涤该蔗渣之后，将该蔗渣过滤和风干。通过一种切割研磨机研磨该 风干的蔗渣以产生用于酶水解分析的蔗渣粉。

在第一个12小时内向预处理的蔗渣的酶水解溶液中添加从5%至30%的 甘油抑制了纤维素酶水解。在第一个12小时期间，纤维素酶活性的抑制水平 随着甘油浓度的增加而增加。然而，在24小时和72小时之后，预处理的蔗渣 的纤维素消化率在5%和10%的甘油的存在下超过了在没有甘油添加的纤维 素消化率。已知甘油可以被用作针对在冻藏和解冻过程中的酶的一种酶稳定 剂。在0℃以上的温度下甘油还可以被用来储存一些酶（Costa等人，2002）。 虽然不希望受任何具体理论的束缚，此处的结果表明甘油可以经过较长的时 间稳定纤维素酶活性，即使它在最初水解阶段期间抑制了水解。

实例11

在甘油/酸/水预处理的蔗渣中的甘油浓度对酶水解的影响

研究了甘油浓度对甘油/酸/水预处理的蔗渣的酶水解的影响。用含有 1.2%甘油、88.8%水和10%HCl的一种预处理溶液将蔗渣在130℃下预处理60 分钟并且然后过滤。在酶水解之前，如在实例1中所述该预处理的蔗渣的一 部分进行洗涤。将该预处理的蔗渣的其他部分直接（即，不洗涤）使用于酶 水解。

实例12

预处理溶液的再循环

用含有88.8%甘油、10%水和1.2%HCl的新鲜的一批预处理溶液预处理 一种蔗渣样品。用于最初和随后的预处理的预处理温度和时间分别是130℃ 和30min。在预处理之后，收集滤液/水解产物并通过在80℃下真空蒸发去除 水以产生一种浓缩滤液。不添加任何另外的HCl，该浓缩的滤液被调整至大 约10%的含水量以产生一种再循环的预处理溶液。然后将该再循环的预处理 溶液用于预处理一种新鲜的蔗渣样品。在预处理之后，再次收集滤液并随后 进行用于再循环该预处理溶液的相同过程。将该预处理溶液再循环第二次和 第三次，并且将每种再循环溶液用于预处理一种新鲜的蔗渣样品。如在实例 1中所述在酶水解之前，在每次预处理之后，收集该预处理的蔗渣，洗涤并 过滤。

在使用第一再循环溶液预处理之后的蔗渣的消化率是99%。因此，该第 一再循环预处理溶液在消化率方面与新鲜的预处理溶液相比在有效性上未 显示出显著降低。在用第三再循环预处理溶液预处理的蔗渣消化率保持大于 92%。虽然不希望受任何具体理论限制，用一种再循环甘油溶液预处理的蔗 渣在消化率上所见的轻微降低表明该预处理溶液的酸度可能在数次使用之 后变得更弱。

实例13

蔗渣的二步预处理

利用针对蔗渣的二步预处理过程来确定对抑制组分的生产的影响，与一 步预处理相比。在二步预处理工艺的第一步中，使用一种稀酸预处理蔗渣 （即，前期预处理）。该稀酸前期预处理去除了蔗渣中的大部分木聚糖。在 二步预处理过程的第二步中，使用一种甘油/酸/水预处理溶液进一步预处理 该蔗渣。与仅用甘油/酸/水预处理溶液的蔗渣的一步预处理相比，抑制组分 例如糠醛和乙酸在二步预处理过程中显著减少。

确切地说，对于二步预处理过程的第一步，将1克的蔗渣用10克的稀酸 溶液（含有1.2%HCl）在130℃下进行前期预处理1小时。如在实例1中所述 将该前期预处理的蔗渣过滤并且洗涤。然后，将该前期预处理的蔗渣风干。 使用二步预处理过程的第一步制备数批前期预处理的蔗渣以获得用于二步 预处理过程的第二步的足够的前期预处理生物质。

对于二步预处理工艺的第二步，将1.0克风干的前期预处理的蔗渣用10 克的甘油/酸/水预处理溶液（含有88.8%甘油、1.2%HCl和10.0%水）在130℃ 下预处理1小时。然后如在实例1中所述，在酶水解之前，将该预处理的蔗渣 样品洗涤并过滤。

实例14

材料和方法

甘蔗渣被用作一种模型木质纤维素生物质并从澳大利亚麦凯的 Racecourse糖厂（Mackay Sugar Limited（麦凯糖有限公司），澳大利亚）收 集。在糖厂使用热水（90℃）洗涤甘蔗渣生物质，并且附着于蔗渣上的残余 糖是可忽略不计的。将该甘蔗渣生物质风干、除髓并通过一种切割研磨器 （SM100，Retsch GmBH，德国）研磨。筛选研磨的蔗渣，并收集具 有250-500μm粒径的蔗渣，并储存以用于实验。该蔗渣粉的湿度是6.9%。 甘油购自Biolab Scientific Pty Ltd（澳大利亚）。乙二醇和1,2-丙二醇购自 Sigma-Aldrich company（西格玛奥德里奇公司）（澳大利亚）。在本研究中 所使用的所有溶剂都是分析级的。Accellerase^TM1000（批号1600877126）是 一种Danisco（丹尼斯克）产品（杰能科分部（Genencor Division），Danisco  Inc.（丹尼斯克公司），US)并通过Enzymes Solutions Pty.Ltd（澳大利亚） 购买。Accellerase^TM1000的滤纸的活性是大约40FPU/mL。在本研究中所 使用的所有化学品都是分析试剂。

预处理实验

将含有所需量的HCl和水的多元醇溶液转移至一个50mL的玻璃烧瓶 中。向该烧瓶中放置一个磁搅拌器。将4.30g蔗渣（4.0g干生物质）转移至 烧瓶中并良好混合。液体和固体的比率是10:1（重量比重量）。该预处理 条件示于表8中。将该烧瓶用一个盖子密封以避免水损失，并浸入硅油浴中 将其预热至所需温度。将该加热元件配备一个磁性搅拌装置（Ika  Labortechnik，德国）。在磁性搅拌（500rpm）下进行该预处理持续所需时 间。在预处理之后，将该预处理溶液转移至一个烧杯中并添加20mL的水。 将该溶液良好混合并且然后通过一种滤纸（Whatman541）过滤以收集固体 残余物。收集该滤液并储存于冰箱中以用于进一步的分析。用900mL的蒸 馏水（3×300mL/洗涤）洗涤该固体残余物。将该洗涤的固体残余物过滤并 收集。将该过滤的固体残余物冷冻干燥并储存以用于组成分析和酶水解。根 据由National Renewable Engergy Laboratory（美国国家可再生能源实验室） （NREL，US）开发的标准程序进行蔗渣和预处理的蔗渣样品的组成分析 （Sluiter等人.,2008）。

表8.预处理条件。

*来自甘蔗渣的水。

酶水解

在一个含有5g溶液的20mL玻璃小瓶中进行酶水解。基于蔗渣样品中的 纤维素含量使用2%的纤维素加载。该反应溶液含有0.05M柠檬酸盐缓冲剂以 将pH维持在4.8以及0.02%叠氮化钠以防止微生物生长。用于酶水解的乙醇纤 维素酶的剂量是0.5mL乙醇纤维素酶/g纤维素（大约20FPU/g纤维素），除 非另外说明。该反应是在一个具有150rpm的振荡速度的旋转培养箱（Ratek  OM11Orbital Mixer，澳大利亚）中在50℃下进行的。取样时间是0h、6h、 12h、24h、48h和72h。取样容积是0.2mL，使用一种截留移液管端。在取 样之后，将样品密封并在一个沸水浴中孵育5min以使该纤维素酶变性。然 后将该样品在10,000rpm下离心5min。通过去离子水将0.1mL上清液稀释10 倍。在HPLC分析之前通过0.22μm盘式过滤器将稀释的样品过滤。所有酶水 解实验都是一式两份地进行的并且显示在本研究中的数据是手段。

HPLC分析

使用HPLC来分析在本发明中产生的化学品。一种Bio-Rad Aminex HPX-87H 柱和Waters反射指数检测器被用来检测和量化有机酸（乙酸、乙酰丙酸，等 等）、5-羟甲基糠醛（HMF）和糠醛。流动相是在0.6mL/min流量下的5mM  H₂SO₄。针对该柱的温度是65℃。一种Shodex SP810碳水化物柱被用来确定 在组成分析和酶水解中产生的糖。两个柱的温度都是85℃并且流动相是具有 0.5ml/min的流量的水。在经过这些柱之前通过CaCO₃中和这些样品（除了酶 水解样品之外）。

计算

根据以下方程计算葡聚糖（木聚糖）的回收：

根据以下方程计算葡聚糖消化率：

在酶水解之后根据以下方程计算总葡萄糖产率：

根据以下方程计算蔗渣的预处理水解产物中所检测的葡萄糖（木糖和糠 醛）的产率：

根据以下方程计算预处理水解产物中在最初葡聚糖（木聚糖）上所检测 的葡萄糖（木糖和糠醛）的产率：

结果和讨论

甘蔗渣预处理

在130℃下进行甘蔗渣的预处理。如在表9中所示，与未处理的蔗渣相比， 没有水和酸催化剂仅有多元醇的预处理引起固体残余物中的葡聚糖、木聚糖 和木质素组成的轻微改变。所有这些预处理保留了超过90%的葡聚糖。稀酸 预处理在130℃下持续60min去除了73%的木聚糖和仅18%的木质素（相应于 27%的木聚糖回收和82%的木质素回收）。通过含有酸催化剂的水性甘油对甘 蔗渣预处理30-60min去除了89%-96%的木聚糖和40%-44%的木质素（相应于 4%-11%的木聚糖回收和56%-60%的木质素回收）。通过酸性甘油预处理的蔗 渣中的葡聚糖含量是在63%-65%之间。

表9.预处理条件对生物质组成和回收的影响。

与通过甘油预处理相比，通过含酸的乙二醇和1,2-丙二醇溶液两者预处 理的蔗渣去除了相似量的木聚糖但去除了高量的木质素。1,2-丙二醇预处理 仅30min去除了达77%的木质素（相应于23%的木质素回收）并且将预处理 时间延长至60min去除了另外大约5%的木质素。乙二醇预处理30-60min去除 了约30%的木质素，这比通过1,2-丙二醇预处理低8%-13%。通过1,2-丙二醇 预处理的蔗渣中的葡聚糖的含量被提高至79%（对于30min的预处理）和82% （针对60min的预处理），然后通过乙二醇预处理蔗渣30-60min为76%-78%。 通过1,2-丙二醇和乙二醇两者预处理的蔗渣中的葡聚糖含量比通过甘油预处 理的蔗渣中的葡聚糖含量高13%-16%。

预处理的蔗渣的酶水解

将该预处理的蔗渣用20FPU/g葡聚糖的纤维素酶加载进一步酶水解。如 在图3中所示，与用含有1.2%HCl和多元醇的、没有水和酸催化剂的预处理 相比，用含有1.2%HCl的三种水性多元醇溶液的预处理显著提高了木聚糖消 化率。如在表10和图3中所示，用没有水和酸催化剂的多元醇预处理的蔗渣 的消化率非常低，是8%-10%。用含有1.2%HCl的水的预处理仅将葡聚糖消 化率提高至38.4%。

表10.葡聚糖消化率和总葡聚糖产率。

通过酸性甘油溶液预处理30min和60min将葡聚糖消化率提高至92.6% 和97.1%。预处理30min和60min的蔗渣的24h的消化率分别是74%和84%。 通过乙二醇和1,2-丙二醇两者预处理30min和60min的蔗渣的酶水解动力学 曲线几乎是相同的（分别为图3b和3c）。针对通过乙二醇和1,2-丙二醇溶液两 者预处理30min和60min的蔗渣的72h消化率是99%以上。针对通过乙二醇和 1,2-丙二醇溶液预处理的蔗渣的24h消化率达到91%。

针对用乙二醇和1,2-丙二醇两者预处理的蔗渣中的72h和24h葡聚糖的 产率（鉴于在固体残余物中的葡聚糖的回收）分别是92%-94%和84%-86%， 这高于针对用甘油溶液预处理的蔗渣的那些。用所有这些多元醇预处理的蔗 渣的所有葡萄糖产率显著高于用含有稀酸的水预处理的和没有水和酸催化 剂的多元醇溶液预处理的蔗渣的那些。

苏打洗涤的影响

不受任何具体理论的限制，人们认为木质素的存在可以形成一种阻止纤 维素酶接近纤维素和非生产地结合纤维素酶的物理障碍，这降低了酶水解的 效率（Gilkes等人，2005）。因此，去除木质素可以改进酶水解。

苏打洗涤对生物质组成的影响

将0.2%NaOH溶液（pH12.3）用来洗涤用多元醇溶液预处理60min的蔗 渣。如在表11中所示，稀释苏打洗涤进一步降低了在所有预处理的蔗渣中的 木质素的含量。通过1,2-丙二醇和乙二醇溶液两者预处理的蔗渣中的木质素 的含量在苏打洗涤之后被降低至5%以下。然而，通过甘油溶液预处理的蔗 渣在苏打洗涤之后的木质素含量仍然显著地高（19.1%）。通过乙二醇和1,2- 丙二醇溶液两者预处理的蔗渣中的葡聚糖含量从在苏打洗涤之前的 78%-82%提高至在苏打洗涤之后的91%-92%。相比之下，苏打洗涤将通过甘 油溶液预处理的蔗渣中的葡聚糖含量仅提高至72%。通过乙二醇和1,2-丙二 醇溶液预处理的甘蔗渣通过苏打洗涤去除木质素比通过甘油溶液预处理者 更容易。

表11.稀苏打洗涤对生物质组成的影响。

人们认为大部分木质素密封和结构在通过乙二醇和1,2-丙二醇的预处 理中破裂。在预处理之后凝聚在生物质颗粒表面上的破裂的木质素可以容易 地溶解在苏打溶液中。然而，在木质素和纤维素之间的许多连接或显著量的 木质素的结构在甘油预处理中没有破裂。因此，稀苏打洗涤不能有效地溶解 该残余的木质素。

苏打洗涤对酶水解的影响

苏打洗涤对酶水解的影响在加载不同量的纤维素酶（6.7-20FPU/g葡聚 糖）下进一步被研究。如在图4中所示的，在6.7FPU/g葡聚糖的低纤维素酶 加载下通过苏打洗涤去除木质素显著提高了通过乙二醇和1,2-丙二醇溶液两 者预处理的蔗渣的酶水解。表12显示了针对用或不用苏打洗涤的预处理的蔗 渣的24h和72h消化率。针对用乙二醇和1,2-丙二醇溶液预处理的用苏打洗涤 的蔗渣在仅6.7FPU/g葡聚糖的纤维素酶加载下的24h消化率分别是77.6%和 80.0%，比针对没有苏打洗涤的蔗渣的那些高19.2%和28.0%。针对用苏打洗 涤的蔗渣在13.3FPU/g葡聚糖的纤维素酶加载下的24h消化率与针对没有苏 打洗涤的蔗渣在20.0FPU/g葡聚糖的纤维素酶加载下的那些是相当的。因此， 不受任何具体理论的束缚，通过多元醇预处理的蔗渣的苏打洗涤去除木质素 可以提高酶水解并且还降低了纤维素酶加载。

在在先前的研究中，高达1.0%的苏打溶液被用于去除存在于蒸汽爆破的 Douglas-fur生物质中的木质素，其将木质素含量降低了大约7%并将葡萄糖转 化增加了大约30%（Gilkes等人，2005）。我们的结果表明：用低苏打浓度 （0.2%NaOH）可比通过蒸汽爆破更容易从通过乙二醇和1,2-丙二醇溶液预 处理的生物质中去除残余的木质素。

表12.在不同纤维素酶加载下通过苏打洗涤对葡聚糖消化率的影响。

对三种低成本和高沸点的多元醇用于在低温度（130℃）下预处理甘蔗 渣进行了研究。通过水性的和酸性的乙二醇和1,2-丙二醇溶液（含10%水和 1.2%HCl）持续30-60min的预处理比通过甘油预处理从蔗渣中去除了更加多 的木质素。针对通过乙二醇和1,2-丙二醇溶液两者预处理的蔗渣的消化率和 总葡萄糖产率分别超过了99%和92%。在室温下稀苏打（0.2%NaOH）洗涤 进一步降低了在预处理的蔗渣中的木质素含量并导致在低纤维素酶加载下 酶水解的显著提高。

实例15

用于处理甘蔗渣的过程的比较

将甘蔗渣样品分别地用一种稀酸、一种苛性钠、和一种酸催化的水性甘 油预处理溶液处理并如在图5中所示进行比较。用稀酸处理包括在帕尔反应 器中在170℃下用液体中的0.73%H₂SO₄处理1.0kg的蔗渣持续15分钟。用苛 性钠处理包括在帕尔反应器中在170℃下用液体中的3.0%NaOH（14%Na₂O 在纤维上）处理1.0kg的蔗渣持续45分钟。酸催化的水性甘油的预处理包括 用含1.2%HCl、10%水、和88.8%甘油的预处理溶液在130℃下将4g蔗渣处理 60分钟。

实例16

将蔗渣转化为乙醇和其他副产物的过程

图6显示了使用酸催化的水性甘油预处理过程将蔗渣转化为乙醇和其他 副产物的过程。用一种包括甘油的预处理溶液在一种酸催化剂（例如硫酸或 盐酸）的存在下对原料蔗渣（例如，具有50%湿度的蔗渣）进行预处理。将 在预处理之后获得的固体残余物使用酶（例如微生物产生的纤维素分解酶） 进行酶促水解，并将该材料用酵母（例如，酿酒酵母）厌氧发酵成乙醇。使 来自过程流的残余甘油和未发酵的戊糖经历需氧发酵以产生一种干燥的动 物饲料产物。

该预处理液（主要含有甘油、木质素和戊糖）是从该固体残余物中以中 等效率分离的并且该预处理液在预处理中再循环和再利用之前经历一个纯 化过程以浓缩并纯化甘油。甘油纯化可以包括蒸发（以去除水），随后是甘 油的真空蒸馏。来自纯化阶段的液体残余物（主要含有木质素和戊糖）被加 工用于动物饲料生产。

将乙醇产物进行蒸馏并脱水以生产燃料级无水乙醇。来自蒸馏的固体残 余物（主要含有木质素）可以出售给糖工厂用于过程能量燃烧。来自蒸馏的 液体残余物和动物饲料产物（酒糟）可被再循环至农业土地，其中其吸引价 值是作为土壤调节剂和肥料。

实例17

通过用一种酸催化的水性甘油预处理溶液（使用HCl作为酸催化剂）预 处理甘蔗渣来进行中试工厂实验。该苷蔗渣的湿度是大约50%。对于每个实 验使用20kg总量的原料甘蔗渣（大约10kg干纤维）。用于预处理实验的一般 步骤如下：

1.称出用于实验的所需量的苷蔗渣；

2.在5-8kg的水或甘油中稀释所需量的HCl并将该蔗渣均匀混合；

3.将反应器预热至超过反应温度5℃持续20min；

4.通过生物质补料系统和线性秤将甘蔗渣加载到该反应器中。记录加 载到反应器中的甘蔗渣的实际重量；

5.在化学品进料槽中预处理甘油至大约100℃并向预处理反应器中 添加所需量的甘油；

6.通过直接注入蒸汽将该反应器加热至预水解反应温度并且保持在 这个温度持续预水解反应时间；

7.在已经达到预水解反应温度之后，关掉蒸汽供应，并按压该材料以 从固体残余物中分离出水解产物。将水解产物排泄至水解产物槽；

8.排空水解产物槽并对该水解产物取样。记录收集的水解产物的体积 或重量；

9.当需要洗涤阶段时，添加所需量的洗涤水，以通过直接注入蒸汽加 热至洗涤温度并保持持续洗涤时间。在洗涤之后，再次按压该材料以从固体 残余物中分离出洗涤液。将洗涤液排泄至水解产物槽并再次取样。记录收集 的洗涤液的体积或重量；

10.冷却反应器，打开反应器并且如果需要时对预水解固体残余物进行 二次取样。记录收集的样品的重量；

11.将立式反应器预热至200℃持续大约5min。

12.将预水解反应器的剩余内容物滴入立式反应器中（由Andritz Inc, NY设计的蒸汽爆破反应器）；

13.将该立式反应器加热至立式反应器温度并保持持续反应时间；

14.一旦反应时间已经达到，将该反应器提高至蒸汽爆破压力并且然后 立即打开卸渣阀以将该材料逐出至固体残余物卸料桶中。收集蒸汽爆破的固 体残余物并进行二次取样。记录收集的蒸汽爆破的固体残余物的重量；

15.对水解产物纤维、预水解室残余纤维和蒸汽爆破固体残余纤维进行 二次取样。

表13显示了在中试工厂实验中使用的实验条件。

表13：用于中试工厂实验的实验条件。

在预处理之后，收集固体残余物和水解产物样品并储存于冰箱（<4℃） 中以用于进一步分析。对这些固体残余物样品进行二次取样并将子样品用大 量水洗涤以去除可溶性材料。对这些洗涤的固体残余物样品的组成和葡聚糖 酶消化率进行分析。该组成分析是根据National Renewable Energy Laboratory （美国国家可再生能源实验室）（NREL）程序进行的。

使用100g溶液在一个250mL摇瓶中分析葡聚糖消化率。该溶液含有2% 葡聚糖、大约20FPU纤维素酶/g葡聚糖（乙醇纤维素酶1000L，Genencor（杰 能科）)、以及以将pH维持在4.8的0.05M柠檬酸盐缓冲剂。将水解温度维持 在50℃并且该振荡速度是150rpm。

针对有机酸（糖醛、5-HMF、甲酸和乙酰丙酸）和氯乙醇（3-MCPD） 浓度分析水解产物样品。甲酸和乙酰丙酸浓度是低的（低于0.1g/L）并且未 被报道。

结果

实验室规模试验表明，具有高含水量（>20%）的酸催化的水性甘油预 处理导致差的葡聚糖消化率，并且作为一个结果，计划在中试工厂规模实验 中将总反应水（包括在蔗渣中的水和添加的水）限制到20%。然而，对于中 试工厂规模实验，其中通过直接蒸汽注入将预水解反应器加热，在反应期间 向预处理溶液中添加额外的水是不可避免的。另外，在130℃下在用含有1.2% HCl的甘油或水溶液（实验编号12和13，表13）的预处理反应器中的中试工 厂实验导致显著的生物质碳化。在相同条件下在实验室实验中没有明显的生 物质碳化。

如在表14中所示，在预处理水解产物中的水溶度是32%-44%，显著高于 从实验室实验中获得的优化值（≤20%）。如所预期的，水浓度随着预水解 反应温度和反应时间变化。更高的预水解反应温度和更长的时间导致更高的 水解产物中的水浓度。

表14：水解产物中的水浓度。

表15显示了来自预处理的固体残余物样品的组成分析和来自酶水解的 72h葡聚糖消化率。如在表15中所示，在来自通过甘油/酸溶液预处理的蔗渣 的固体残余物中测得比在来自通过水/酸溶液预处理的蔗渣中的固体残余物 中更低的木质素含量和更高的木聚糖浓度。所有样品的高灰分浓度是使用直 接来自糖工厂的蔗渣（其含有显著量的灰尘）的结果。

表15：固体残余物样品的组成和酶消化率。

来自通过甘油/酸溶液预处理的蔗渣的葡聚糖消化率（72h）高于在相同 处理温度和时间下通过水/酸溶液预处理的那些。提高预处理时间或预处理温 度导致葡聚糖消化率的提高。用含有0.4%HCl的甘油溶液在130℃预处理15 min导致非蒸汽爆破材料90.4%的最高葡聚糖消化率，继之为来自含有相同量 的酸的甘油溶液在110℃下预处理60min的固体残余物的84.6%的葡聚糖消 化率（72h）。在甘油预处理后已经蒸汽爆破的样品上实现94.8%的葡聚糖 消化率（72h）。在同样的预水解反应温度和时间下，这个过程与没有蒸汽 爆破的预处理相比导致葡聚糖消化率大约10%的提高。用稀酸的所有预处理 仅导致低于70%的葡聚糖消化率（72h）。

与实验室规模预处理结果相比，可以清楚的是较不严格的预处理条件 （更低量的酸、更低的温度、更短的预处理时间、更高的含水量、和更高的 固体加载）可被用于中试工厂规模以达到相似的酶消化率结果。这个结果与 来自在中试工厂规模上进行的其他工作的结果一致。虽然不希望受任何具体 理论的束缚，对于这个结果的几种可能的解释可能涉及以下的一项或多项： 在更大规模反应器中的热传递的改进、更好的混合、以及更大的纤维粒径对 流体综合性质的影响。另外，虽然不希望受任何具体理论的束缚，由于在纤 维粒径和蒸汽爆破设备尺寸之间的相关性，难以在实验室规模下实现有效的 蒸汽爆破。

来自通过甘油/酸和水/酸溶液预处理的蔗渣的固体残余物的酶水解动力 学显示于图7中。对于前6h的酶水解率是非常迅速的。对于大部分样品，在 48h之后，在葡聚糖消化率上的增长是不显著的。

关键糖降解组分5-羟甲基糠醛（HMF）和糠醛在预处理水解产物中的浓 度和产率示于表16中。用甘油/HCl预处理溶液比用水/HCl预处理溶液产生浓 度低得多的HMF（葡萄糖衍生物）和糠醛（木糖衍生物）。与总的初始甘蔗 渣相比，HMF和糠醛的产率也是很低的。在所有条件下，3-单氯丙烷-1,2-二 醇（3-MCPD，来自甘油氯化的产物)的产量低于0.37g/kg水解产物或低于0.61 g/kg初始甘油。这种确认的先前结果表明，在预处理溶液中水的存在减少了 甘油氯化产物的产生。

表16：在预处理水解产物中的主要成分的浓度和产率。

¹N/A：不适用

²N/D：没有确定，因为不能估计总液体重量。

这些结果证明了酸催化的水性甘油过程的可行性。在相同条件下，来自 该工艺的固体残余物的酶消化率显著高于稀酸预处理的残余物的消化率。在 相同条件下，与稀酸预处理过程相比，从基于甘油的过程在中试工厂规模下 产生了显著较低浓度的发酵抑制产物（5-HMF和糠醛）。

与在实验室规模实验中所实现的那些相比，尽管使用了较不严格的预处 理条件（例如，更低量的酸，更低的预处理温度，更短的预处理时间、以及 更高的含水量），在中试工厂规模实验中实现了相似的酶消化率结果。在预 水解之后的固体残余物的蒸汽爆破导致具有更高消化率的残余物。

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