CN121700007A - 生产发酵产物和木质素的方法 - Google Patents

生产发酵产物和木质素的方法

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Abstract

本发明提供了生产一种或多种发酵产物和木质素的方法。所述方法包括用二氧化硫和挥发性醇进行预处理、化学回收、全浆糖化和发酵。实现了高单糖收率，并且如果需要可以生产和分离烷氧基化和/或非烷氧基基化木质素级份以及木质素磺酸盐。对含有或不含木质素的单糖进行发酵，以产生一种或多种发酵产物，例如乙醇。

Description

生产发酵产物和木质素的方法
相关申请
本申请要求享有2025年11月11日提交的美国专利申请19/385,649及2025年3月18日提交的美国临时专利申请63/773,846的优先权，上述申请内容在此通过引用方式并入。
背景技术
由于木质纤维素生物质所具有的顽固特质，如何将木质纤维素生物质经济有效地转化为单糖、木质素和发酵产物面临挑战。所述转化工艺的关键步骤是预处理(或分级)工艺。现有预处理/分级工艺普遍存在的问题包括：糖降解率高与发酵抑制剂生成率高、纤维素酶解消化率低、单糖与发酵产物收率低、木质素产率低、木质素品质差(如缩聚、衍生化等)、粘性木质素沉淀物堵塞设备、昂贵/有毒化学品的使用、化学回收率低，等等。
已知的预处理工艺包括热水、蒸汽闪爆、稀酸、NREL的脱乙酰基-机械精炼(DMR)、亚硫酸盐/SPORL、二氧化硫、有机溶剂(有或没有酸/碱催化剂的有机溶剂-水)和SO2-有机溶剂-水工艺(例如，美国专利11,118,017(Iakovlev et al.)中描述的OR1工艺，以及工艺)。
热水(水热)、蒸汽闪爆和稀酸预处理工艺(150℃-220℃)的特点是糖降解率高、木质素缩合、纤维素酶消化率低、形成粘性木质素沉淀物、不适用于软木，以及，在稀酸的情况下，酸回收面临挑战。例如，Perez et al.(2008)报告称，在麦草的优化的热水预处理中，至少47％半纤维素糖损失。在另一份报告中，当酶剂量为约22滤纸单位(FPU)/g葡聚糖时，松木的稀硫酸预处理仅导致43％葡聚糖转化为葡萄糖。单体糖的总回收率仅为248kg每“极干”('bone dry',BD)公吨生物质进料(Zhu et al.,2010)。
NREL的脱乙酰基-机械精炼(DMR)工艺(Chen et al.2024,Chen et al.2016)利用碱溶液对半纤维素进行脱乙酰基处理，然后进行机械精炼。这种处理导致在高酶剂量下相当低的糖产率，这可能是由于对细胞壁结构的影响有限，其中大部分木质素和半纤维素留在纤维素中，阻止了酶的可及性。据报道，玉米秸秆原料中碳水化合物的单糖总产率为约80％，使用了16mg CTec3蛋白/g纤维素(12FPU/g纤维素)和4mg HTec3蛋白g/g纤维素；以及为约74％，使用了8mg CTec3-蛋白g/g纤维素(6FPU/g纤维素)和2mg HTec3-蛋白/g纤维素(Chen et al.2016)。此外，碱再生不容易实现，增加了工艺成本。
亚硫酸盐制浆和SPORL预处理工艺(EP 2376642(Sjoede)"LIGNOCELLULOSICBIOMASS CONVERSION BY SULFITE PRETREATMENT",Tian et al.2011,Wang et al.2012)利用二氧化硫和亚硫酸盐，在SPORL的情况下，偶尔也会使用硫酸。温度为125至180℃，pH值在1至13之间，大多在酸性范围内。据报道，在纤维素酶消化率方面，这些工艺的表现优于稀酸预处理(Tian et al.2011,Wang et al.2012)。然而，亚硫酸氢根阴离子和酸性的存在会导致糖降解。大部分单糖(>20-30％,Pfister and1977)以醛糖酸的形式损失。据报道，单体糖的总回收率为约520kg每BD公吨道格拉斯冷杉(Douglas Fir)(Zhu et al.,2015)。回收亚硫酸氢盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和硫酸盐的复杂混合物是几乎无法解决的挑战。
二氧化硫催化的预处理工艺(Soderstrom et al.2004,Stenberg et al.1998,Galbe and Zacchi 2002,Ewanick et al.2007,and van der Meulen:EP 2516660,US 8,834,633(Van Der Meulen et al.),and US 9,528,129(Van Der Meulen et al.))通常利用液体中的SO2浓度低于3％，温度为约150-215℃，预处理后液体的pH值通常为2-3，表明二氧化硫的残留浓度较低。低SO2预处理的表现与稀酸预处理相似，因为大部分SO2被消耗形成强木质素磺酸，因此观察到木质素在纤维上的浓缩和再沉淀，预计会出现粘性沉淀物。纤维素纤维的高残余木质素含量导致纤维素的酶消化率低于最佳水平，在酶剂量高于或远高于20FPU/g葡聚糖时，葡聚糖转化为葡萄糖的转化率仅为60-70％。据报道，每BD公吨生物质饲料的总单体糖产率仅为约470-520kg或更低(Soderstrom et al.,2004,Stenberg etal.,1998,Galbe and Zacchi,2002,Ewanick et al.,2007)。高SO2预处理导致显著更高的糖产率和有效的木质素增溶，例如，美国专利11,306,113(Iakovlev et al.)所述。然而，这些工艺将大部分木质素转化为衍生物，即木质素磺酸，与非磺化(天然)形式的木质素相比，其应用潜力较低。
有机溶剂工艺(参见US Patent No.1,856,567(Kleinert and Tayenthal),issued on May 3,1932)其中，木质纤维素生物质在有或没有催化剂的情况下，通常在160-210℃的温度下，用不同比例的有机溶剂和水处理。有机溶剂法的优点是，有机溶剂的存在促进了木质素的溶解，木质素被认为是接近天然形式的，尽管当使用醇作为溶剂时，木质素在一定程度上会被烷氧基化。最常见的有机溶剂是醇、酮、酯、有机酸，而最常见的催化剂是硫酸。有机溶剂法中高温和酸性的结合导致糖的高度降解，特别是在未催化的有机溶剂法工艺中，观察到约30％的糖损失(van Heiningen et al.2018)。
有机溶剂法的另一个缺点是木质素脱除受限，从纤维素中去除半纤维素也受限。软木的无催化有机溶剂加工导致纤维中残余木质素含量高。例如，Aziz and Sarkanen1989报道，未催化的软木有机溶剂浆具有高残留木质素含量(卡伯值80-100，即约13-20％的残留木质素)。在185℃下进行60分钟的无催化有机溶剂制浆后，Kleinert(1974)从云杉中获得了纤维素浆，其在液固比为10时具有约5％的残留木质素和8％的残留半纤维素，这表明即使在非常高的液固比下，半纤维素从软木中的去除效率也很低。在较低的液固比下，木质素脱除会受到相当大的损害。
催化剂的存在提高了有机溶剂的预处理效率，但生产纯纤维素浆仍然是一个挑战。例如，来自在60％乙醇中用硫酸作为催化剂预处理的(185-198℃，30-60分钟，pH 2.0-3.4；液固比7-10kg/kg)木材厂白木残留的由云杉、松木和道格拉斯冷杉组成的混合软木产生的纤维素浆的残余木质素含量在6.4％至27.4％之间(Pan et al.2005)。已知残留的有机溶剂木质素，特别是非磺化形式的，会通过增加木质素上的非生产性酶吸附来降低酶消化率(Nakagame et al.2010,del Rio et al.2011)。
对于溶剂为挥发性醇、酮、酯或其他挥发性化合物的非催化有机溶剂工艺，废制浆液中的溶剂可以很容易地通过蒸馏回收。然而，如果不添加酸性催化剂，有机溶剂工艺中化学结合到木质素和糖上的酒精很难回收，这可能解释了乙醇基Alcell工艺中乙醇损失高的原因。
在使用挥发性溶剂的有机溶剂工艺中，需要回收溶剂，例如通过蒸馏，这会导致木质素沉淀，因为有机溶剂木质素不溶于水。在纤维素中加入有机溶剂木质素会降低酶的水解产率。因此，为了避免木质素在纤维素上沉淀，在溶剂回收步骤之前使用纤维素洗涤步骤，即纤维素和溶解物质的分离。没有文献提到有机溶剂预处理工艺不进行纤维素洗涤，整个浆料经过溶剂回收，然后进行酶水解。
SO2-醇-水工艺(OR1工艺,美国专利11,118,017(Iakovlev et al.),以及工艺，Retsina etal.的美国专利8,038,842和8,268,125)利用二氧化硫、醇和水，温度为约135-165℃。工艺采用超过9％的二氧化硫浓度，而OR1工艺则使用约3-8％的二氧化硫浓度。两者都允许有效的脱木素和高糖产率，然而，工艺有利于木质素磺化以生产木质素磺酸，与OR1工艺相比，木质素产率较低。与有机溶剂工艺类似，现有的SO2-醇-水工艺需要大量的单元操作，包括纤维素浆和溶解物质的分离和洗涤、纤维素浆的酶水解、二氧化硫和乙醇的回收，以及溶解物质的热处理以提高糖产率。
化学物质的回收是预处理工艺经济可行性的决定性因素。非挥发性无机酸(稀酸，SPORL)，碱，和盐(亚硫酸盐，SPORL”)不能有效回收，而二氧化硫和挥发性有机溶剂相对容易回收，例如通过闪蒸和/或蒸汽汽提。难以回收碱是大多数用碱工艺的主要缺点。
纤维素的酶消化率是经济的工艺的关键因素。众所周知，当纤维素纯度较高时，即纤维素仅含有少量残留的半纤维素和木质素时，纤维素的酶消化率最为有效。已知固体的、胶体的或溶解形式的木质素会引起非生产性酶吸附，导致葡萄糖产率低。已知木质素对酶水解具有抑制作用(Lai et al.2014,Pielhop et al.2015,Huang et al.2017)。因此，生产这种木质素级份的工艺(热水、蒸汽闪爆、稀酸、有机溶剂、SO2-醇-水，等等)需要将纤维素纸浆与液体分离(称为纸浆洗涤)，以避免木质素组份对酶消化率的抑制作用。这增加了生物精炼厂的资本和运营成本。
众所周知，预处理后的纤维爆炸(例如，压力迅速降低导致纤维结构内的液体瞬间蒸发)会导致纤维素的酶消化率增加，这可能是由于，在闪爆减压之后，纤维细胞壁结构的破坏，增加了酶对纤维素表面的可及性。
除了涉及纤维素浆和溶解物质分离的OR1工艺外，目前的预处理工艺无法以经济的方式同时高产率地获得可发酵单体糖和非缩合木质素且不会产生粘性木质素沉淀物。软木(裸子植物)可发酵单体糖的高产率被定义为高于生物质中可用多糖的约75％，酶荷载为约3.3FPU/o.d.g生物质或更低(“o.d.”是指烘干(oven dried)生物质基)。硬木和草本(非木本)木质纤维素生物质(被子植物)的可发酵单体糖的高产率被定义为高于约80％，基于生物质中可用的多糖，酶荷载为约1.6FPU/o.d.g生物质或更低。总糖衍生抑制剂(即糠醛、HMF和乙酰丙酸)应较低，即小于约10kg每BD公吨生物质。高木质素产率被定义为基于生物质中的木质素高于65％(或者，对于软木，高于180BD kg木质素每BD公吨生物质)。此外，酸性预处理工艺，例如使用硫酸作为催化剂的工艺，通常会产生木质素粘性沉淀物，堵塞加工设备，导致停机时间增加。因此，需要改进工艺，以高产率方式将木质纤维素生物质转化为非缩合木质素级份、木质纤维素糖和发酵产物，而不会产生堵塞加工设备的木质素粘性沉淀物，其中这些工艺不需要分离纤维素浆和溶解物质，并且这些工艺可以在预处理后水解和发酵“整个浆料”，这共同降低了资本和运营成本。
发明内容
本发明提供了一种将木质纤维素生物质转化为单糖、木质素级份和一种或多种发酵产物的方法，使得超过76-83％可用的糖转化为软木(如松木、云杉、花旗松、落叶松、雪松等)的单糖，超过81-93％的可用糖转换为硬木(如桦木、山毛榉、桉木、白杨、杨木、枫木、橡木等)和草本生物质/农业残留物/能源作物(如玉米秸秆、玉米芯、麦秸、大麦秸秆、稻草、稻壳、甘蔗秸秆、能源甘蔗、高粱秸秆、芒草、柳枝稷、巨型芦苇、象草、红麻、大麻残渣、空果束等)的单糖，以及木质素转化为非缩合反应性木质素(烷氧基化和/或非烷氧基化的形式)和可选择的木质素磺酸盐。所述方法涉及用含二氧化硫的挥发性醇溶液进行预处理，然后回收化学物质、纤维素糖化和糖发酵。非缩合木质素和木质素磺酸盐组分可以在糖化后、发酵后或发酵产物分离之后进行分离。如本文所述，所述工艺步骤的创新组合显著提高了木质纤维素生物质中糖和非缩合木质素的产率，并显著简化了下游加工操作。与使用有机溶剂的现有工艺(有机溶剂、SO2-醇-水和其他工艺)相比，省去了纸浆洗涤步骤。由于这些改进，实现了高效经济的生物精炼工艺。
在一方面，本发明包括生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，其包括(a)在封闭系统中在压力下以及在升高的温度下(例如约120℃至约190℃的温度)使木质纤维素生物质或蒸煮的木质纤维素生物质与预处理液接触；从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶解在预处理液的木质素、溶解并水解成预处理液单糖的半纤维素，以及主要包含来自木质纤维素生物质的纤维素的固体部分，该混合物称为预处理过的物料。
所述方法还包括以下一个或多个步骤：(b)回收二氧化硫和醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；(c)将第一混合物(或调整的第一混合物)的pH调节至适合酶水解的水平；(d)使pH调节的第一混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶、糖苷酶或其组合接触，以提供后续混合物，其包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素(烷氧基化木质素和/或非烷氧基化度木质素)；以及(e)对后续混合物进行发酵。
附图说明
下述附图属于说明书的一部分并且是用来对本发明的一些实施方式或不同方面作进一步的描述。在一些实例中，本发明的实施方式可以通过参照附图并结合本文提供的详细描述得到更好地理解。这些描述和附图可以突出某些具体的实施例或者本发明的某些方面。然而，本领域技术人员应当理解这些部分的实施例或方面也可用于结合本发明的其他实施例或方面。
图1:生产一种或多种发酵产物和木质素级份的工艺流程图示例。除了生产一种或多种发酵产物外，木质素级份可以在工艺中的不同点分离，以提供商业产品。
图2:工艺方法1流程图的示例，其中生物质进料为软木(如松木或云杉)，发酵产物为乙醇，产品的产率基于1公吨干生物质。使用每1公吨干生物质含有650kg多糖的典型软木生物质。该图对应于实施例1.1(单糖收率为生物质原料中可用多糖的79％)。87％(理论值的％)的发酵产梁基于类似成分的单独发酵获得的产率。木质素和木质素磺酸盐的产率在单独的实验中测定。
图3:工艺方法2流程图的示例，其中生物质进料为软木(如松木或云杉)，发酵产物为乙醇，产品产率基于1公吨干生物质。使用每1公吨干生物质含有650kg多糖的典型软木生物质。该图对应于实施例1.7(单糖收率为生物质原料中可用多糖的83％)。发酵产率87％(理论值的％)基于类似成分的单独发酵获得的产率。木质素和木质素磺酸盐的产率在单独的实验中测定。
图4:工艺方法1流程图的示例，其中生物质进料是玉米秸秆(农业残渣)，发酵产物是乙醇，产品的产率基于1公吨干生物质。实验中使用的玉米秸秆每1公吨干生物质含有555kg多糖。该图对应于实施例2.9(91％的单糖收率基于生物质原料中可用的多糖)。发酵产率87％(理论值的％)基于实施例4中获得的结果。木质素和木质素磺酸盐的产率是根据单独的松木结果计算的产率。
图5:工艺方法2流程图的示例，其中生物质进料是玉米秸秆(农业残渣)，发酵产物是乙醇，产品的产率基于1公吨干生物质。实验中使用的玉米秸秆含有555kg多糖每1公吨干生物质。该图对应于实施例2.3和2.4(生物质原料中可用多糖的单糖产率分别为85％和93％)。发酵产率87％(理论％)基于实施例4中获得的结果。木质素和木质素磺酸盐的产率是根据单独的松木结果计算的产率。
图6:通过实施例2中描述的方法获得的玉米秸秆生物质的单糖产率与在常规热水(水热)预处理中获得的单糖产率(实施例3)进行比较。
具体实施方式
本发明总体上涉及将木质纤维素生物质转化为各种产品的预处理工艺，包括但不限于可发酵糖和木质素级份，其中预处理工艺在封闭系统中进行。如本文所使用的，木质素级份(lignin fraction)是指木质素、烷氧基化木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。糖(sugars)被发酵成一种或多种发酵产物。发酵产物(fermentation products)可以包括，例如，乙醇、其他醇类、有机酸、生物聚合物、微生物油、微生物蛋白、酵母生物质，等等。
工艺方法1：
在第一实施方式中，本文称为方法1，本发明提供了一种从木质纤维素生物质生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在升高的温度和压力下使木质纤维素生物质或蒸过的木质纤维素生物质与预处理液接触；
其中所述预处理液包含二氧化硫、挥发性醇和水；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素和半纤维素，以及一种主要包含来自木质纤维素生物质的纤维素的固体部分，该混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；
(c)将第一混合物的pH调节至适合酶水解的水平，例如4至7、4.5至6.5或5至6；
(d)使pH调节的第一混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶、糖苷酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第二混合物；
(d2)任选地从提供第三混合物的第二混合物中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐；
(e)使第二或第三混合物进行发酵，任选地结合将第二或第一混合物的pH调节至例如3.5至7、4.5至6.5或约5至约6，以产生含有一种或多种发酵产物的发酵液；
(e2)任选地从发酵液中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐；
(f)任选地使用醪柱分离一种或多种发酵产物，并提供贫发酵产物混合物(例如，酒糟)；和
(f2)任选地从贫发酵产物混合物中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐。
在一些实施例中，步骤(a)的升高的温度为约130℃至约175℃。
在一些实施方式中，步骤(a)在升高的温度下保持约5分钟至约240分钟。
在一些实施方式中，步骤(a)预处理中的挥发性醇是乙醇。
在一些实施方式中，预处理液包含约1重量％至约50重量％的二氧化硫、约10重量％至约80重量％的挥发性醇和小于89重量％的水(包括来自蒸煮的木质纤维素生物质的水)。
在一些实施方式中，预处理液包含约5重量％至约20重量％的二氧化硫、约20重量％至约50重量％的挥发性醇和约30重量％至大约75重量％的水。
在一些实施方式中，基于木质纤维素生物质的干重，预处理液与木质纤维素生物质之比为约1kg/kg至12kg/kg(包括预处理液的质量中来自蒸煮的木质纤维素生物质中的水)。
在一些实施方式中，步骤(a)预处理以连续模式进行。在其他实施方式中，步骤(a)预处理以批量处理模式进行。
在一些实施方式中，步骤(b1)游离二氧化硫和醇的回收使用一个或多个的吹扫罐、蒸馏柱、分馏柱和汽提柱。可以采用一系列步骤。
在一些实施方式中，在调节pH之前，步骤(c)中的第一混合物在升高的温度下保持约5分钟至约15小时。在各种实施例中，升高的温度为约80℃至约130℃。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解以连续模式进行。在其他实施方式中，步骤(d)酶水解以批量模式进行。在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以在两个或多个步骤中顺序进行，例如，这些步骤可以是液化和糖化。部分或全部步骤可以是批量、补料批量或连续的。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解过程的高总固体可以为>9％，例如10％,11％,12％,13％,14％,15％,16％,17％,18％,19％,20％,21％,22％,23％,24％,25％,26％,27％,28％,29％,30％或更高。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以这样进行，即在酶水解开始时加入全部量的预处理过的物料和全部量的酶。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以这样进行，即将预处理过的物料批量或分步加入酶水解中，而将酶批量、分步或一次性全部加入。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以这样进行，即将酶批量或分步加入酶水解中，而将预处理过的物料批量、分步或一次性总量加入。
在所有实施方式中，在步骤(b1)和步骤(d)之间没有纤维素从第一混合物剩余部分的分离。换句话说，纤维素和沉淀木质素都存在于步骤(d)中进行酶水解的混合物中。没有纤维素分离步骤减少了该工艺运行所需的设备和能量。
在一些实施方式中，在步骤(d)中，酶水解的的酶装料为小于5FPU、小于4FPU、小于3.5FPU、小于3FPU、小于2.5FPU、小于2FPU，或者0.2至5FPU、0.5至3.5FPU、0.5至3.3FPU、0.5至2.5FPU、0.5至2FPU或0.8至1.6FPU每o.d.g生物质。
在一些实施方式中，在步骤(d2)、步骤(e2)或步骤(f2)中，木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐部分或全部分离。
在一些实施方式中，在酶水解步骤(d)之前、在发酵步骤(e)之前或在步骤(d)和(e)两者之前，将步骤(b)后的第一混合物、步骤(d)后的第二混合物或两者的pH调节至pH7-11，并在20-100℃下保持10-120分钟，然后将pH调节至小于7。
在一些实施方式中，通过加入一种或多种包含过氧化氢的水溶液和/或通过加入空气或蒸汽，从步骤(b)后的第一混合物，从步骤(d)后的第二混合物，或从两者中去除残留的二氧化硫。
在一些实施方式中，木质纤维素生物质是硬木、软木或草本生物质。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是软木。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是硬木。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是草本生物质。在其他实施方式中，所述方法可以用混合的木质纤维素生物质进行，例如软木、硬木和草本生物质中的一种或多种的组合。例如，可以使用相同的设备和相同或相似的工艺条件同时加工两种或多种硬木和/或软木。
方法1可以被配置为使得糖和木质素脱烷氧基化可能不会发生或可能不会在步骤(b1)中完成，例如，由于低温和/或低保留时间。通过改变步骤(b1)的条件来调节反应的程度。如果需要，脱烷氧基化反应可以在酶水解步骤(d)期间进行。在一些实施方式中，不进行或仅进行有限的木质素脱烷氧基化，以产生烷氧基木质素。工艺方法1预处理条件可配置为使烷氧基化糖和/或烷氧基基化木质素的产生最小化。
工艺方法2：
工艺方法2类似于工艺方法1，但它有一个额外的步骤，步骤(b2)，其中脱烷氧基反应是通过热处理进行的。在某些情况下，例如，当需要木质素和/或糖的完全或接近完全脱羧时，工艺方法2是有利的。木质素脱烷氧基可能是某些下游应用的首选。此外，或者作为另一种选择，如果最大化糖发酵产率很重要，那么工艺方法2的糖脱羧化可能比工艺方法1的简化方法更可取。工艺方法2的木质素和糖脱羧也提供了更高的预处理醇回收率。
在第二实施方式中，本文称为工艺方法2，本发明提供了一种从木质纤维素生物质生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在升高的温度下使木质纤维素生物质或蒸过的木质纤维素生物质与预处理液接触；
其中所述预处理液包括二氧化硫、挥发性醇和水；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素和半纤维素，以及一种主要包含来自木质纤维素生物质的纤维素的固体部分，该混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；
(b2)将第一混合物保持在升高的温度和所需的压力和混合速率或再循环速率下，由此挥发性醇和任选的与一种或多种糖(例如在烷基糖苷和α-羟基磺酸中)、木质素(例如在烷氧基化木质素中)和其他化合物(例如在酯和缩醛中)化学结合或松散结合的二氧化硫被释放/分离并任选地回收，并且低聚糖和多糖任选地水解，从而释放单糖并任选地使木质素脱羧化，提供包含纤维素、木质素和单糖的第二混合物；
(c)将第二混合物的pH调节至适合酶水解的水平，例如4至7、4.5至6.5或5至6；
(d)使pH调节的第二混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第三混合物；
(d2)任选地从第三混合物中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐，以提供第四混合物；
(e)使第三或第四混合物进行发酵，任选地结合调节pH，例如调节到3.5至7、4.5至6.5或约5至约6，以产生含有一种或多种发酵产物的发酵液；
(e2)任选地从发酵液中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐；
(f)任选地使用醪柱分离一种或多种发酵产物，以提供贫发酵产物混合物(例如酒糟)；和
(f2)任选地从贫发酵产物混合物中去除木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐。
在一些实施方式中，步骤(a)的升高的温度为约130℃至约175℃。
在一些实施方式中，步骤(a)在升高的温度下保持约5分钟至约240分钟。
在一些实施方式中，步骤(a)预处理中的挥发性醇是乙醇。
在一些实施方式中，预处理液包含约1重量％至约50重量％的二氧化硫、约10重量％至约80重量％的挥发性醇和小于89重量％的水(包括来自蒸煮的木质纤维素生物质的水)。
在一些实施方式中，预处理液包含约5重量％至约20重量％的二氧化硫、约20重量％至约50重量％的挥发性醇和约30重量％至约75重量％的水。
在一些实施方式中，预处理液与木质纤维素生物质之比，基于木质纤维素生物质的干重，为约1kg/kg至约12kg/kg(包括预处理液质量中来自蒸煮的木质纤维素生物质中的水)。
在一些实施方式中，步骤(a)预处理以连续模式进行。在其他实施方式中，步骤(a)预处理以批量处理模式进行。
在一些实施方式中，步骤(b1)游离二氧化硫和醇的回收使用一个或多个的吹扫罐、蒸馏柱、分馏柱和汽提柱。可以使用一系列步骤。
在一些实施方式中，步骤(b2)中预处理过的物料的保留是在配备有加热再循环管线和任选的一个或多个的蒸馏柱、分馏柱和汽提柱的罐或罐系列中完成的。根据要去除的化学物质，所述柱可以由柱盘、填料或两者的组合构成。将预处理过的物料转移到所述罐中可以通过压差(吹扫)、泵送和其他方式来实现。
在一些实施方式中，步骤(b2)在罐或罐系列中进行，持续所需时间，例如0.1、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15小时，在所需温度，例如50、60、70、75、80、85、90、95、97.5、100、102.5、105、107.5、110、112.5、115、117.5、120、122.5或125℃，并在所得或所需压力下进行，由此，醇和任选的化学结合或松散结合到糖、木质素和其他化合物的二氧化硫被释放并任选地回收，而烷氧基化木质素和烷基糖苷(烷氧基糖)中的一种或多种任选地脱烷氧基，以及低聚糖任选地水解成单糖。醇的释放量可以通过温度和反应时间来控制。
在一些实施方式中，在步骤(b2)中，游离醇、任选的二氧化硫和任选的一些预处理副产物，包括但不限于乙酸、甲酸、甲醇、乙酸烷基酯、糠醛，被从预处理过的物料中部分或全部去除，并以所需的方式浓缩。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解以连续模式进行。在其他实施方式中，步骤(d)酶水解以批量模式进行。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以在两个或多个步骤中顺序进行，例如，这些步骤可以是液化和糖化。这些步骤中的一些或全部可以通过批量或连续模式进行。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解过程的高总固体可以为>9％，例如10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％或更高。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解的可以这样进行，即在酶水解开始时加入全部量的预处理过的物料和全部量的酶。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以这样进行，即在酶水解中将预处理过的物料批量或分步加入，而将酶批量、分步或一次性总量加入。
在一些实施方式中，步骤(d)酶水解可以这样进行，即在酶水解中将酶批量或分步加入，而将预处理过的物料批量、分步或一次性总量加入。
在所有实施方式中，在步骤(b1)和步骤(d)之间，或在步骤(b2)和步骤(d)之间，没有纤维素从第一或第二混合物的剩余部分的分离。换句话说，纤维素和沉淀木质素都存在于步骤(d)进行酶水解的混合物中。没有纤维素分离步骤减少了运行该工艺方法所需的设备和能量。
在一些实施方式中，在步骤(d)中，酶水解过程的酶装料为小于5FPU、小于4FPU、小于3.5FPU、小于3FPU、小于2.5FPU、小于2FPU，或0.2至5FPU、0.5至3.5FPU、0.5至3.3FPU、0.5至2.5FPU、0.5至2FPU或0.8至1.6FPU每o.d.g生物质。
在一些实施方式中，在步骤(d2)、步骤(e2)或步骤(f2)中，木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐被部分或全部地分离。
在一些实施方式中，烷氧基化木质素在步骤(b1)和/或步骤(b2)中被部分或全部脱烷氧基，并且所得木质素物料在步骤(d2)、步骤(e2)或步骤(f2)中被部分或全部分离。
在一些实施方式中，在酶水解步骤(d)之前、在发酵步骤(e)之前或在步骤(b)和(e)两者之前，将步骤(b2)之后的第二混合物、步骤(d)之后的第三混合物或两者的pH调节至7-11，并在20-100℃下保持10-120分钟，然后将pH调节至小于7。
在一些实施方式中，通过加入一种或多种包含过氧化氢的水溶液和/或通过加入空气或蒸汽，从步骤(b2)后的第二混合物、步骤(d)后的第一混合物或两者中去除残留的二氧化硫。
在一些实施方式中，木质纤维素生物质是硬木、软木或草本生物质。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是软木。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是硬木。在一些实施方式中，木质纤维素生物质是草本生物质。在另外的实施方式中，所述工艺方法可以使用混合的木质纤维素生物质，例如软木、硬木和草本生物质中的一种或多种的组合。例如，可以使用相同的设备和相同或相似的工艺条件同时加工两种或多种硬木和/或软木。
工艺方法1和工艺方法2：
在一些实施方式中，挥发性醇是甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、2-甲基-2-丙醇或其混合物。在一个优选实施方式中，挥发性醇是乙醇。
在一些实施方式中，代替挥发性醇或除挥发性醇之外，还可以使用一种或多种挥发性烃(例如一种或几种的戊烷、己烷、环戊烷和环己烷)，醚(例如一种或几种的乙醚和甲基叔丁基醚(MTBE))或其混合物。
在一些实施方式中，在步骤(b1)(工艺方法1)或在步骤(b1)和任选的步骤(b2)(工艺方法2)回收二氧化硫，包括：
(i)在升高的温度和/或在低的压力下从预处理过的物料释放气体蒸气，其中从预处理过的物料释放的气体蒸气包括二氧化硫和一种或多种的水蒸气和醇蒸气；
(ii)浓缩至少一部分气体蒸气，以提供二氧化硫气体和含有水和醇中至少一种的液体；
(iii)任选地通过去除痕量的水蒸气和有机挥发物来纯化二氧化硫气体；
(iv)通过二氧化硫气体的压力变化和/或温度降低来液化二氧化硫气体，从而提供液态二氧化硫；并任选地储存液体二氧化硫；和
(v)任选地通过泵送将液体二氧化硫引入步骤(a)的容器或另一个预处理容器。
在一些实施方式中，乙醇被用作挥发性醇，在步骤(ii)中获得，浓缩并用于所需的一种或多种方式，这些方式被列为可选的：1)循环回到预处理；和/或2)与发酵液混合，并与发酵工艺中产生的乙醇一起回收。
在一些实施方式中，将一种或多种的水、磷酸、盐酸、硫酸、硝酸、乙酸、甲酸、草酸和工艺浓缩物加入到步骤(b1)(工艺方法1)或步骤(b1)和/或步骤(b2)(工艺方法2)。
在一些实施方式中，方法1或2的步骤(b1)和方法2的步骤(b2)的实施是通过将预处理过的物料在配备有加热再循环管线和蒸馏柱、分馏柱或汽提柱的罐中保留和再循环一段时间，从而通过闪蒸从预处理过的物料中去除挥发性化合物(例如挥发性醇、二氧化硫和预处理副产物)；从而从预处理过的物料中去除挥发性化合物并浓缩和回收挥发性化合物。挥发性预处理副产物可能包括但不限于乙酸、甲酸、甲醇、乙酸乙酯和糠醛。
在一些实施方式中，通过蒸馏分离发酵中产生的乙醇。
在一些实施方式中，在去除挥发性醇(通常是乙醇)后，例如通过离心或使用压滤机，或两者兼而有之，分离烷氧基化和/或非烷氧基基化木质素级份。
在一些实施方式中，生产木质素磺酸盐，如果需要，可以在工艺的各个点进行分离，例如在酶水解后、发酵后或去除挥发性醇(通常是乙醇)后。木质素磺酸盐可以通过例如膜过滤进行分离。
在一些实施方式中，在步骤(a)之前，木质纤维素生物质与蒸汽接触，其中木质纤维素生物质从蒸汽中吸收水，从木质纤维素生物质中去除空气和任选的松节油。生物质与蒸汽的接触可以在第一容器中进行，例如蒸煮箱。然后可以将生物质转移到单独的容器中进行预处理步骤(a)。
在各种实施方式中，蒸馏柱、分馏柱或汽提柱和浓缩器用于促使二氧化硫和挥发性醇组分的分离。
在方法1的一个具体实施方式中，本发明提供了一种生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在约145℃至约175℃的温度下和在压力下使蒸煮的木质纤维素生物质与预处理液接触5至60分钟；
其中所述预处理液包含3至30重量％的二氧化硫、10-50重量％的乙醇和20至87重量％的水(包括来自蒸煮的木质纤维素生物质的水)；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素、木质素磺酸(LS)和半纤维素，以及来自木质纤维素生物质的主要包含纤维素的固体部分，所述混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和乙醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素、木质素磺酸(LS)和单糖的第一混合物；
(c)将第二混合物的pH调节至约4.8至约5.8之间以进行酶水解；
(d)在约50℃至约60℃的温度下，将pH值调节的第二混合物与纤维素酶、糖苷酶和半纤维素酶的组合接触，以提供第三混合物，其包含来源于纤维素的葡萄糖和来源于半纤维素的单糖以及木质素和木质素磺酸盐(木质素磺酸的盐)；和
(e)使第三混合物发酵以产生一种或多种发酵产物，任选地结合调节第三混合物的pH。优选的发酵产物是乙醇。然而，该工艺方法可以提供其他发酵产物，包括作为除乙醇以外的主要或仅有产物的一组发酵产物。
在工艺方法2的一个具体实施方式中，本发明提供了生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在约145℃至约175℃的温度下和在压力下使蒸煮的木质纤维素生物质与预处理液接触5至60分钟；
其中预处理液包含3至30重量％的二氧化硫、30至60重量％的乙醇和10至67重量％的水(包括来自蒸煮的木质纤维素生物质的水)；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素、木质素磺酸(LS)和半纤维素，以及来自木质纤维素生物质的主要包含纤维素的固体部分，所述混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和乙醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素、木质素磺酸(LS)和单糖的第一混合物；
(b2)将第一混合物在约90-130℃的温度、所需的压力和混合速率或再循环速率下保持0.1至8小时，从而乙醇和任选的化学结合或松散结合到糖、木质素和其他化合物上的二氧化硫被释放/分离并任选地回收，低聚糖和多糖任选地水解，从而释放单糖，提供第二混合物，其中第二混合物包含少于10kg每BD公吨木材的糠醛、羟甲基糠醛和乙酰丙酸的组合；
(c)将第二混合物的pH调节至约5至约6以进行酶水解；
(d)在约50℃至约60℃的温度下，将pH值调节的第二混合物与纤维素酶、糖苷酶和半纤维素酶的组合接触，以提供第三混合物，其包含来源于纤维素的葡萄糖和来源于半纤维素的单糖以及木质素和木质素磺酸盐(木质素磺酸的盐)；和
(e)使第三混合物进行发酵，任选地结合调节第三混合物的pH，以产生一种或多种发酵产物。优选的发酵产物是乙醇。然而，所述工艺方法可以提供其他发酵产物，包括作为乙醇以外的主要或仅有产物的一组发酵产物。
在该工艺方法的一些实施方式中，将步骤(b1)和任选步骤(b2)中获得的乙醇浓缩并再循环回到预处理过程；和/或至少部分地与发酵液混合，并与发酵中产生的乙醇一起回收。在各种实施方式中，在步骤(b1)和/或(b2)中，从预处理过的物料中部分或全部去除一种或多种预处理副产物，包括但不限于乙酸、甲酸、甲醇、乙酸乙酯、糠醛，并以所需的方式浓缩。
如本领域技术人员将容易理解的，在工艺方法1和工艺方法2中，通常将待进行酶水解或发酵的组合物的pH调节至适当的水解或发酵的pH水平，例如，调节至本文所述的用于水解或发酵步骤的pH，以为水解或发酵提供合适的条件。
在一些实施方式中，木质纤维素生物质衍生自软木。从软木木质纤维素生物质(例如松木、云杉、道格拉斯冷杉、落叶松、雪松等)中获得高产糖化产物比从硬木和草本木质纤维素生物质中更困难。本文所述的方法可以以经济的方式同时从所有类型的生物质(包括软木衍生的木质纤维素生物质)中提供高产率的1)纤维素衍生的可发酵葡萄糖和2)半纤维素衍生的可以发酵的单体糖，而不会产生粘性木质素沉淀物，其中软木的总产率基于生物质中可用的多糖为约76-83％或更高，酶荷载为3.3FPU/o.d.g生物质或更低。该产率相当于或大于540-600kg单糖每BD公吨软木生物质，每BD公吨含有650kg多糖(脱水)。硬木(例如，杨木、桦木、山毛榉、桉木、白杨、枫木、橡木)、农业废弃物(例如，玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗秸秆、空果束等)和能源作物(例如，能源甘蔗)的总产率基于生物质中可用的多糖为约81-85％或更高，酶荷载为0.8FPU/o.d.g生物质或更低，基于生物质中可用的多糖为约83-93％或更高，酶荷载为1.6FPU/o.d.g生物质或更低。该产率相当于或大于505-580BD kg单糖每BD公吨玉米秸秆生物质，每BD公吨含有555kg多糖(脱水)。
该工艺方法中产生的纤维素的酶消化率很高，即葡聚糖转化为葡萄糖的转化率超过80％、超过85％、超过90％或超过95％，而酶荷载低，例如，对于软木，约3.3FPU每o.d.g生物质或更低，或者对于硬木和草本生物质，约1.6FPU每o.d.g生物质，或约0.8FPU每o.d.k生物质，或更低。半纤维素转化为单糖的相应值超过65％、超过70％、超过75％、超过80％、超过85％、超过90％或超过95％。烷基糖苷，如果存在，任选地通过酶(工艺方法1中的步骤(d))或任选地通过在升高的温度下保留浆料(第一混合物)(工艺方法2中的步骤(b2))转化为单糖。所述糖类很容易发酵而不需要解毒，这可能是由于工艺中低的糖和木质素降解。
令人惊讶的是，尽管存在相对大量的水不溶性木质素(以烷氧基化和/或非烷氧基性形式)，但酶水解在低酶荷载下(例如每o.d.g生物质0.8FPU或更低，或每o.d.g生物质1.6FPU或更低)仍能以高葡萄糖产率顺利进行。同样令人惊讶的是，经过预处理后，未脱毒的整个浆料可以在低酶荷载下进行酶水解，从而获得高产率的单糖(例如，基于在生物质中可用的，产率为83％或更高对于软木，产率为93％或更高对于草本生物质)。因此，这种创新免除了纸浆洗涤的需要。
在一个优选实施方式中，本发明提供了一种从软木木质纤维素生物质生产乙醇和木质素的方法。软木木质纤维素生物质可以在约150℃(±5℃)和压力下与预处理液接触，以提供包含溶解在预处理液中的木质素和半纤维素的混合物，以及主要包含纤维素的固体部分。预处理液可以包含约7-15％的二氧化硫、约42-46.5％的乙醇和约43-46.5％的水。在一个优选实施方式中，预处理液包含5-9％的二氧化硫，优选6-8％的二氧化硫。在另一个优选实施方式中，预处理液包含13-17％的二氧化硫，优选14-16％的二氧化硫。包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物的pH值可以调节到酶水解的适当水平，例如pH值为约5至约6，优选约5.5。使第一混合物与一种或多种酶的接触提供包含葡萄糖、其他单糖和木质素的第二混合物，其中基于软木木质纤维素生物质中可用的多糖，第二混合物中的总单体糖含量为79％或更高。然后，该工艺方法可以如上文对工艺方法1所述完成。
在一个优选实施方式中，本发明提供了一种从软木木质纤维素生物质生产乙醇和木质素的方法，包括(a)在约150℃(±5℃)和压力下使软木木质纤维素生物质能与预处理液接触；其中所述预处理液包含约7-15％二氧化硫、约42-46.5％乙醇和约43-46.5％水。在一个优选实施方式中，预处理液包含5-9％的二氧化硫，优选6-8％的二氧化硫。在另一个优选实施方式中，预处理液包含13-17％的二氧化硫，优选14-16％的二氧化硫。在步骤(b1)中，优选回收二氧化硫和乙醇，这导致木质素沉淀，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物。在步骤(b2)中，第一混合物优选地保持在约99℃至约120℃和适当的压力和混合速率或再循环速率下，从而乙醇和任选地与一种或多种糖(例如在乙基糖苷和α-羟基磺酸中)、木质素(例如在乙氧基化木质素中)和其他化合物(例如在酯和缩醛中)化学或松散结合的二氧化硫被释放/分离和任选地回收，并且低聚糖和多糖被任选地水解，从而释放单糖并任选地使木质素脱乙氧基，提供第二混合物。在步骤(c)中，将第二混合物的pH调节至适合酶水解的水平，优选pH为约5至约6。在步骤(d)中，将pH调节的第二混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第三混合物；其中所述第二混合物中的总单体糖含量，基于软木木质纤维素生物质中可用的多糖，为80％或更高。然后，该工艺方法可以如上文对工艺方法2所述完成。
同样令人惊讶的是，一些生物质种类，包括不适合酸性亚硫酸盐制浆的松木，可以用于本文所述的工艺方法。
此外，与现有技术相反，预处理令人惊讶地不需要纤维结构爆炸来实现高单糖收率。因此，在一些实施方式中，本文所述的方法排除了预处理后纤维结构的爆炸。
在一个优选实施方式中，本发明提供了从草本生物质/农业残留物(例如玉米秸秆)生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在约140-150℃和压力下，将草本木质纤维素生物质或蒸过的草本木质纤维素生物质能与预处理液接触；
其中所述预处理液包含约3-7％的二氧化硫、约23-24％的乙醇和约69-74％的水；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素和半纤维素和主要包含来自木质纤维素生物质的纤维素的固体部分，其称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；
(c)将第一混合物的pH调节至酶水解的适当水平，例如调节到约pH 5至约pH 6；
(d)使pH调节的第一混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶、糖苷酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第二混合物；
其中所述第二混合物中的单体糖含量，基于草本木质纤维素生物质中可用的多糖，为86％或更高。然后，该工艺方法可以如上文对工艺方法1所述完成。
在另一个优选实施方式中，本发明提供了一种从草本木质纤维素生物质/农业残留物(例如玉米秸秆)生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在约150℃和压力下，将草本木质纤维素生物质或蒸过的草本木质纤维素生物质与预处理液接触；
其中所述预处理液包含约5％的二氧化硫、约47.5％的乙醇和约47％的水；
从而将木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于预处理液的木质素和半纤维素，以及主要包含来自木质纤维素生物质的纤维素的固体部分，该混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和乙醇，从而沉淀木质素，产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；
(b2)将第一混合物保持在约99℃至约120℃的温度范围内，并保持所需的压力和混合速率或再循环速率，从而乙醇和任选地与一种或多种糖(例如在乙基糖苷和α-羟基磺酸中)、木质素(例如在乙氧基化木质素中)和其他化合物(例如在酯和缩醛中)化学或松散结合的二氧化硫被释放/分离并任选回收，并且低聚糖和多糖被任选地水解，从而释放单糖并任选地脱乙氧基木质素，提供第二混合物；
(c)将第二混合物的pH调节至适合酶水解的水平，例如调节到约pH 5至约pH 6；
(d)使pH调节的第二混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第三混合物；
其中所述第二混合物中的单体糖含量，基于草本木质纤维素生物质中可用的多糖，为85％或更高。然后，该工艺方法可以如上文对工艺方法2所述完成。
此外，硬木生物质(被子植物)比软木生物质(裸子植物)更容易进行预处理，因此其预处理效率通常介于软木和草本生物质之间。因此，本文所述的方法可以在硬木生物质上进行，以在类似酶荷载下提供等于或大于本文所述软木(裸子植物)的单糖产率，并且其中单糖产率可以接近本文所述草本(非木本)生物质(被子植物)(如玉米秸秆)在类似酶荷载下的产率。
图1-5显示了本文所述工艺方法的流程图。
图1描述了工艺方法1和2。显示了步骤(a)预处理，步骤(b1)和(b2)化学物回收，步骤(c)酶水解前的pH调节，步骤(d)酶水解，任选步骤(d2)发酵前木质素，烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐的分离，步骤(e)发酵，任选步骤(e2)发酵后木质素、烷氧基化木质素和/或木质素磺酸盐的分离，步骤(f)发酵产物的分离，以及可选步骤(f2)发酵产物分离后木质素，烷氧基基化木质素和/或木素磺酸盐的分离。
木质素、烷氧基化木质素或两者的混合物可以通过工艺方法1和2通过调节预处理条件以及通过调节工艺方法2中步骤(b2)的条件来获得。一种或多种的木质素、烷氧基化木质素、两者的混合物和木质素磺酸盐可以在所需的工艺点进行分离，例如在发酵前(任选的步骤(d2))、发酵后(任选的步骤(e2))或发酵产物分离后(任选的步骤(f2))。
图2提供了使用软木生物质作为原料并使用工艺方法1时的流程图示例。
图3提供了使用软木生物质作为原料并使用工艺方法2时的流程图示例。
图4提供了使用玉米秸秆生物质作为原料并使用工艺方法1时的流程图示例。
图5提供了使用玉米秸秆生物质作为原料并使用工艺方法2时的流程图示例。
图6提供了通过实施例2所述工艺方法获得的单糖产率与玉米秸秆常规热水(水热)预处理(实施例3)中获得的单糖收率的比较。值得注意的是，在所有测试参数下，热水工艺与本文所述的工艺相比，糖产率较低。即使在高得多的酶荷载下，热水工艺也达不到本文所述工艺的产率。本文所述工艺方法的酶水解单糖产率与1.6FPU/o.d.g生物质酶荷载下的常规热水预处理的比较表明，酶水解单糖收率从平均54％提高到平均90％，即显著提高了约67％。此外，在酶荷载为6.6FPU/o.d.g生物质时，常规热水工艺的平均单糖收率为71％，而本文所述的工艺在酶荷载仅为0.8FPU/o.d.g生物质时的平均单糖产率为83％，即在酶荷载降低8倍时，酶水解单糖收率提高了17％。
如本文所述，一种或多种的木质素、烷氧基化木质素和木质素磺酸盐可以在工艺的不同点从工艺方法1或工艺方法2中去除。见图1-5。然而，木质素、烷氧基化木质素和木质素磺酸盐的去除是可选的，对于酶水解中高单糖产率是不要求的，对于高发酵产物产率也是不要求的。
定义：
下面的定义是用来对说明书和权利要求书提供清晰和一致的理解。本文所采用的术语具有下述的含义。本说明书中所采用的其他术语和短语具有本领域技术人员所能理解的普通含义。这种普通含义可通过参考技术辞典获得，例如Hawley’s Condensed ChemicalDictionary 14th Edition,by R.J.Lewis,John Wiley&Sons,New York,N.Y.,2001。
本说明书中提及的“一种实施方式(one embodiment)”、“实施方式(anembodiment)”等表明所描述的实施方式可包含特定的方面、特征、结构、部分或特性，但并不是每个实施方式都必须包含这些特定的方面、特征、结构、部分或特点。此外，这些短语可能，但并不一定，适用于在本说明书其它部分提及的相同的实施方式。此外，当特定的方面、特征、结构、部分或特点是结合某种实施方式进行描述的，本领域技术人员应当能够知道将这些特定的方面、特征、结构、部分或特点应用到或关联到其它的实施方式，无论是否明确地表述出来。
单数形式的冠词"a,""an"和"the"包括复数含义，除非上下文存在明确的不同阐述。因此，例如，“化合物”可以是指包括多个这样的化合物，从而化合物X包括多个的化合物X。进一步值得注意的是，权利要求书可能被撰写为排除任何可选元素。因此，本声明旨在作为排除性术语使用的前置基础，例如"单独(solely)"、"仅仅(only)"等术语，与本文所描述的任何元素相关联和/或作为对权利要求所述要素的限定或者用作“负面”限制。
术语“和/或(and/or)”是指相关项目的任何一项、任何组合，或它们的全部。短语“一个或多个(one or more)”和“至少一个(at least one)”是本领域技术人员都能容易理解的，尤其是根据上下文理解。例如，这些短语可以是指一、二、三、四、五、六、十、一百，或大约比已经列举的下限高出10、100或1000倍的任何上限值。
本领域技术人员将理解，所有数字，包括表示成分量、诸如分子量的特性、反应条件等的数字，都是近似值，并且被理解为在所有情况下都可以用术语“约(about)”进行修饰。这些值可以根据本领域技术人员利用本文描述的教导寻求获得的所需性质而变化。还可以理解的是，这些值本身包含了因各自测试测量中发现的标准偏差而必然产生的可变性。当所述的值被表示为近似值时，通过使用先行词“about”，可以理解的是，没有修饰词“about”的特定值也构成另一方面。
术语“大约(about)”表示特定值可以具有±5％、±10％、±20％或±25％的变化。例如，“大约50”百分比在一些实施方式中可变化为45到55百分比。对于整数范围，术语“大约”可包含在所指范围各端相较于所列举的整数小或大一个或两个整数。除非文中另有说明，术语“大约”是用来包括对于成分、组合或实施例的功能来说等同的接近所列范围的数值。术语“大约”也能够用来对本段前述范围的端点进行调整。
术语“粘性木质素(sticky lignin)”是指从水溶液中沉淀并结合到加工设备表面的浓缩木质素，这会通过堵塞和/或堵塞设备阀门和管道导致设备性能下降。沉淀的粘性木质素会随着时间的推移而硬化，最终需要停止操作以从设备中去除沉淀的粘性木质素。
本领域技术人员应当能够理解，出于任何各种目的，尤其是就提供文字描述来说，本文提供的任何范围还包括所有可能的子范围和这些子范围的组合，以及构成所述范围的单独值，尤其是整数值。因此，可以理解的是，两个特定单位之间的每个单位也被公开。例如，如果公开了10到15，则11、12、13和14也被单独地以及作为范围的一部分被公开。所述范围(例如，重量百分比或碳基团)包括该范围内的每个特定值、整数、小数或特性。任何列出的范围都可以很容易地被识别为充分描述并使同一范围分解为至少相等的一半、三分之一、四分之一、五分之一或十分之一。作为非限制性示例，本文讨论的每个范围可以很容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。本领域技术人员还将理解，所有术语，如“至少”、“大于”、“小于”、“多于”、“或以上”等，都包括所引述的数字，并且这些术语是指随后可以如上所述分解为子范围的范围。以相同的方式，本文所述的所有比率也包括落在宽比率内的所有子比率。因此，基团、取代基和范围的具体值仅用于说明；它们不排除基团和取代基的其他限定值或限定范围内的其他值。将进一步理解的是，每个范围的端点相对于另一个端点都是有意义的，并且独立于另一个端点。
本领域技术人员还应当能够容易理解，当单元被按照通常的方式例如在马库什群组中被组合起来时，本发明不仅包括所列单元组合构成的整体，还包括所述群组单独的每个单元以及所述基本群组的任何可能的亚群组。另外，对于所有的目的，本发明不仅包括基本群组，还包括基本群组去掉一个或多个单元的群组。可见，本发明可以包括明确排除所引述群组的任何一个或多个单元。因此，有关约束条件可以附加于任何公开的范畴或实施方式，其中任何一个或多个单元、种类或实施方式，可从所述范畴或实施方式中排除出来，例如，用于明示负面限定的场合。
下述实施例是用来对本发明作进一步的描述，而不应该被解释为缩小其范围。本领域技术人员将容易地认识到，所述实施例表明可以本发明的实施可以采用许多其他方式。应当理解，在本发明的范围内可以有许多变化和修改。
实施例
实施例1：苏格兰松的预处理和酶水解
在浸没在热油中的旋转微型反应器中预处理苏格兰松锯末(生物质)，其含有7％的水分(按接收基准)、37.8％的葡聚糖(烘干基准)、5.4％的木聚糖、2.6％的半乳聚糖、1.7％的阿拉伯聚糖、10.8％的甘露聚糖、1.2％的乙酰基、23.4％的木质素、6.1％的丙酮提取物和0.6％的灰分。制备用于预处理的液体，得到7-15％二氧化硫、42-46.5％乙醇和43-46.5％水(按重量计)的水分调节组合物，并以每1份干生物质约4份液体的比例(即液体与固体的比例为4kg/kg)加入该液体。使用去离子水。将生物质和液体混合，在压力和150℃的最终温度下进行预处理，该最终温度在预处理开始约10分钟后达到。施加到预处理液和生物质的热量导致小型反应器封闭系统内的压力增加。在最终温度下的时间量为60分钟；冷却时间为约2分钟(通过将反应堆浸入冰水中冷却)。
通过排气从系统中缓慢去除未反应的二氧化硫，并且没有使用纤维爆炸。纸浆和液体没有进行分离。将物料转移到旋转蒸发瓶中，在约75℃下蒸发约25分钟，压力从大气压逐步降低到约150托，以提供约23-26％的最终总固体含量。为了进一步去除乙醇，加入水并重复蒸发循环。
在各种实验中，使用旋转蒸发瓶或浸入油浴的微型反应器在各种条件下(总固体含量为约20-27％，温度为99℃或120℃，持续1-8小时)对物料进行热处理。
在所有实验中，将物料转移到摇瓶中，用去离子水稀释。通过加入30％氢氧化钙浆料调节混合物的pH值至4，然后用15％氢氧化铵溶液调节pH值至5.3-5.5。然后将该物料进行96小时的酶水解。使用了一种市售的含有纤维素酶、半纤维素酶和葡萄糖苷酶的酶混合物。在所有实验中，酶水解工艺中的总固体含量为约12-13％，使用15％的氢氧化铵溶液将pH值保持在4.8-5.5，温度保持在约53℃。摇动速率为200RPM。
表1和表2显示了在3.3FPU/o.d.g生物质的低酶荷载下令人惊讶的高糖产率。尽管存在大量通常抑制酶水解的水不溶性木质素级份，但总体葡萄糖产率为81-91％(基于生物质中可用的葡聚糖)。半纤维素糖的总产率达到68-74％(基于生物质中可用的半纤维素)，这可能能够由所使用的酶混合物没有针对软木半纤维素(即葡甘露聚糖)进行优化的事实来解释。在3.3FPU/o.d.g生物质酶剂量下，松木的总单糖产率为76-83％(基于生物质中可用的多糖)。通过优化酶混合物或其他手段进一步提高产率是可以预期的。
对成分进行分析，以测量糖降解产物：糠醛、羟甲基糠醛和乙酰丙酸的含量，发现它们的总和不到5kg(<0.5％)每BD公吨生物质，基于相对较高的预处理温度(150℃)，这一比例出乎意料地低。
表1：实施例1的糖产率(7％二氧化硫)。
表2：实施例1(15％二氧化硫)的糖产率。
实施例2：玉米秸秆的预处理及酶水解
在浸没在热油中的旋转微型反应器中预处理玉米秸秆(生物质)，其含有8％的水分(按接收基准)、33.7％的葡聚糖(烘干基准)、18.2％的木聚糖、0.0％的半乳聚糖、3.2％的阿拉伯聚糖、0.4％的甘露聚糖、2.5％的乙酰基、17.4％的木质素、1.8％的丙酮提取物和5.0％的灰分。制备用于预处理的液体，得到表3和表4中提供的水分调节组合物。每1份干生物质装入约5.5份液体(即液体与固体的比例为5.5kg/kg)。使用了实验室II型水。将生物质和液体混合，在140-155℃的最终温度下进行预处理，该最终温度在预处理开始约10分钟后达到。在最终温度下的时间量为60-120分钟；冷却时间为约2分钟(通过将反应堆浸入冰水中冷却)。
通过排气从系统中缓慢去除未反应的二氧化硫，并且没有使用纤维爆炸。纸浆和液体没有进行分离。将物料转移到旋转蒸发瓶中，在约75℃下蒸发，压力从大气压逐步降低到约150托，以提供约14-17％的最终总固体含量。加入实验室II型水，使总固体含量达到约12％，然后在上述条件下进行第二次蒸发。再次加入实验室II型水，使总固体含量达到约12％，然后在上述条件下进行第三次蒸发。
在一些实验中，使用浸没在油浴中的微型反应器在各种条件下(总固体含量为约11-14％)对物料进行热处理。
在所有实验中，将物料转移到摇瓶中，用实验室II型水稀释。通过加入30％氢氧化钙浆料调节混合物的pH值至4，然后用15％氢氧化铵溶液调节pH值至5.4-5.5。如本领域技术人员容易认识到的，可以使用其他碱金属或碱土金属氢氧化物(例如，KOH和NaOH的溶液或Mg(OH)2的浆料)或氧化物(例如，MgO和CaO的浆料)(一种或多种)来代替氢氧化钙或氢氧化铵，以达到所需的pH水平。然后将该物料进行96小时的酶水解。使用了一种市售的含有纤维素酶、半纤维素酶和葡萄糖苷酶的酶混合物。酶水解工艺中的总固体含量为约9-10％，使用15％的氢氧化铵溶液将pH值保持在4.8-5.5，温度保持在约53℃。摇动速率为200RPM。
表3-6显示了在0.8和1.6FPU/o.d.g生物质的低酶荷载下令人惊讶的高糖产率，以及令人惊讶的低降解产物。尽管存在大量通常抑制酶水解的水不溶性木质素级份，但总体葡萄糖产率为84-97％(基于生物质中可用的葡聚糖)。总半纤维素糖产率达到76-95％(基于生物质中可用的半纤维素)。在0.8和1.6FPU/o.d.g生物质酶剂量下，玉米秸秆的总单糖产率分别为81-85％和83-93％(基于生物质中可用的多糖)。
表3：实施例2(5％二氧化硫，47.5％乙醇)中的糖产率和降解产物
对组合物进行分析以测量糖降解产物的含量，发现糖降解产物为不到约8kg每BD公吨原始生物质(见表4)，基于相对较高的预处理温度(150℃)，这出乎意料地低。
表4：实施例2(5％二氧化硫，24％乙醇)中的糖产率和降解产物
表5：实施例2(3％二氧化硫，24％乙醇)中的糖产率和降解产物
表6：实施例2(7％二氧化硫，23％乙醇)中的糖产率和降解产物
根据实验数据和文献数据，使用其他软木、硬木或玉米秸秆等生物质将提供类似或更高的单糖产率。
实施例3：玉米秸秆的常规热水(水热)预处理和酶水解(比较例)
为了进行比较，将实施例2中使用的玉米秸秆批料进行常规热水(水热)预处理，然后进行酶水解。实验室II型水的加入量为每1份干生物质约5.5份水(即液固比为5.5kg/kg)。将生物质和水混合，在150-180℃的最终温度下进行预处理，该最终温度在预处理开始约10分钟后达到。在最终温度下的时间量为20-180分钟；冷却时间为约2分钟(通过将反应堆浸入冰水中冷却)。
纸浆和液体没有进行分离。将物料转移到摇瓶中，用实验室II型水稀释。通过加入30％氢氧化钙浆料调节混合物的pH值至4，然后用15％氢氧化铵溶液调节pH值至5.4-5.5。然后将该物料进行96小时的酶水解。使用了市售的含有纤维素酶、半纤维素酶和葡萄糖苷酶的酶混合物。酶水解工艺中的总固体含量为约9-10％，使用15％的氢氧化铵溶液将pH值保持在4.8-5.5，温度保持在约53℃。摇动速率为200RPM。
玉米秸秆的常规热水(水热)预处理结果如表7所示。在所研究的四个温度下，单糖的产率非常相似。增加预处理时间与获得更高的单糖产率之间几乎没有相关性。在每o.d.g生物质1.7和3.3FPU的酶荷载下，单糖产率在46-68％的范围内，这是相当低的。
表7：比较实施例3(常规热水预处理)中的糖产率
图6显示了玉米秸秆的常规热水(水热)预处理(本实施例；实施例3)与实施例2中描述的工艺方法之间的比较。观察到实施例2中描述的工艺方法在0.8FPU每o.d.g玉米秸秆时达到85％的单糖产率(实验号2.3)，在1.6FPU每o.d.g玉米秸秆时超过90-93％(实验号2.4至2.9、2.11、2.13和2.15)，相比之下，热水工艺在1.7FPU每o..dg玉米秸秆时的单糖产率为约46-62％，在3.3FPU每o.d.g玉米秆时单糖产率为约56-68％。因此，实施例2中描述的工艺方法允许在1.6-1.7FPU每o.d.g生物质的合理酶荷载下，实现比传统热水工艺中可实现的单糖产率高至少50％。
实施例2的工艺方法允许进一步将酶荷载降低到0.8FPU每o.d.g生物质，单糖产率非常高(85％)；其中所述产率高于即使在热水工艺中6.6FPU每o.d.g生物质的非常高的荷载下也能实现的产率(60-77％的产率)。
实施例4：实施例2中获得的酶水解物的发酵
在pH＝5.0-5.5的摇瓶中(200mL容积，摇动速度200RPM)，用能够利用葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖的市售转基因(GMO)酵母菌株将实施例2中获得的酶水解物发酵成乙醇，一式两份。美国专利公开2019/0106464(Oeser et al.)中描述了酵母细胞和发酵技术的合适实例。发酵工艺可以任选地使用非转基因酵母或细菌菌株、转基因酵母或菌株，或非转基因和转基因菌株的组合。发酵在32℃下进行。发酵时间不到24小时，此时几乎所有的糖都被消耗掉了，乙醇产率为理论值的83-87％，即0.42-0.44g乙醇/克糖。
根据实验数据和文献数据，在比本实施例更大的规模上进行发酵工艺可以使发酵产率提高约3％，可高达约10％。例如，与本实施例中使用的0.2升规模相比，使用工作体积为1-50升的生物反应器可以提供额外的3-8％的产率，而工作体积至少为100立方米的工业发酵罐可以提供额外5-10％的产率。
所有的出版物、授权专利和专利申请文献均通过参考纳入文本，就如各自单独通过参考纳入本文那样。由这些公开物，应当不会引入与本文公开内容不一致的限制。本发明的描述引述了各种特定和优选的实施方式和技术方案。应当理解，还有许多变化和修饰可被采纳，仍然都应属于本发明的精神和范围。
文中描述了上述的一些实施方式和实施例，但这些描述都只是示意和说明性的，对本发明的范围不产生限制作用。根据本领域的普通技术可能进行一些改变和修饰，然而并不脱离本发明由下列权利要求所定义的较为宽泛的范围。

Claims (15)

1.生产一种或多种发酵产物和木质素的方法，包括：
(a)在升高的温度和压力下使木质纤维素生物质或蒸过的木质纤维素生物质与预处理液接触；
其中所述预处理液包括二氧化硫、挥发性醇和水；
从而将所述木质纤维素生物质中的木质素和半纤维素释放和/或溶解到所述预处理液中，得到一种混合物，其包含溶于所述预处理液的木质素、半纤维素和主要包含纤维素的固体部分，所述混合物称为预处理过的物料；
(b1)回收二氧化硫和醇，从而沉淀木质素并产生包含纤维素、木质素和单糖的第一混合物；
(b2)任选地将所述第一混合物保持在所需的温度和所需的压力和混合速率或再循环速率下，由此释放并任选地回收化学结合的挥发性醇，提供包含纤维素、木质素和单糖的第二混合物；
(c)将所述第一混合物或所述第二混合物的pH调节至酶水解的适当水平；
(d)使pH调节的第一或第二混合物与纤维素酶、葡萄糖苷酶、半纤维素酶或其组合接触，以提供包含衍生自纤维素的葡萄糖和衍生自半纤维素的单糖以及木质素的第三混合物；和
(e)对所述第三混合物进行发酵；
以生产一种或多种发酵产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)还包括从所述第三混合物中去除木质素、烷氧基化木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(a)中的所述预处理液的所述挥发性醇包括甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、2-甲基-2-丙醇或其混合物；并且任选地，除了所述挥发性醇之外，所述预处理液还包括一种或多种挥发性烃，其中所述挥发性烃选自烷烃，如戊烷、己烷、环戊烷和环己烷；醚，如乙醚和MTBE；以及它们的混合物。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中在步骤(b1)和/或步骤(b2)中：
与糖、木质素或其他化合物化学结合或松散结合的二氧化硫也被释放并任选地回收；和/或
低聚糖被水解，从而释放单糖；和/或
木质素脱羧，糖脱羧，或者木质素和糖两者都脱羧。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中在步骤(b1)或步骤(b1)和(b2)中回收二氧化硫，包括：
(i)在升高的温度和/或低压下从所述预处理过的物料释放气体蒸气，其中从所述预处理过的物料释放的所述气体蒸气包括二氧化硫和一种或多种的水蒸气和醇蒸气；其中包含二氧化硫的所述气体蒸气任选地通过去除痕量的水蒸气和有机挥发物来进行纯化；
(ii)浓缩至少一部分所述气体蒸气，以提供含有水和醇中至少一种的二氧化硫气体和液体；
(iii)通过二氧化硫气体的压力变化和/或温度降低来液化二氧化硫气体，从而提供液体二氧化硫；并任选地储存所述液体二氧化硫；和
(iv)任选地通过泵送将所述液体二氧化硫引入步骤(a)的容器或另一预处理容器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中乙醇用作挥发性醇，在权利要求5的步骤(ii)中获得，浓缩并再循环回到预处理和/或至少部分与发酵液混合，并与发酵中产生的乙醇一起回收。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其中步骤(a)的预处理是以连续模式或批量模式进行。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中步骤(b1)、步骤(b2)或两者是使用吹扫罐、汽提柱、蒸馏柱和分馏柱中的一个或多个来完成的，和/或其中步骤(b1)、步骤(b2)或两者是在一个或更多个容器中完成的，容器为配备有加热再循环管线和蒸馏柱、分馏柱或汽提柱的罐，其中柱由柱盘、填料或其组合构成，并且通过压差(吹扫)或泵送将预处理过的物料转移到所述罐中。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中在步骤(b1)和步骤(d)之间，纤维素与所述第一混合物或所述第二混合物的剩余部分没有进行分离，从而纤维素和沉淀的木质素都存在于步骤(d)的所述第一混合物或所述第二混合物中。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中步骤(d)运行的酶荷载为少于5FPU、少于4FPU、少于3.5FPU、少于3FPU、少于2.5FPU、少于2FPU，或0.2至5FPU、0.5至3.5FPU、0.5至3.3FPU、0.5至2.5FPU、0.5至2FPU、0.8至1.6FPU每o.d.g生物质。
11.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中步骤(d)的酶水解以连续模式或批量模式进行和/或在步骤(d)的酶水解中所述预处理过的物料是一次性、分批或逐步加入，以及酶是一次性、分批或逐步加入。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中步骤(d)的酶水解是在总固体含量高于9％的情况下进行。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其中木质素在酶水解步骤(d)之后，或在发酵步骤(e)之后部分或全部分离；或者其中烷氧基化木质素在步骤(b1)和/或(b2)中部分或全部脱烷氧基，并且所得木质素物料在酶水解步骤(d)之后或在发酵步骤(e)之后部分或全部分离。
14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其中所述发酵产物为乙醇。
15.根据权利要求1-14任一项所述的方法，其中在步骤(a)之前，使所述木质纤维素生物质与蒸汽接触，其中所述木质纤维素生物质从蒸汽中吸收水，从而从所述木质纤维素生物质中去除空气。
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