CN112226466A - 萃取和转化半纤维素糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及萃取和转化半纤维素糖的方法。本公开还涉及由木质纤维素生物质产生木糖醇的方法、系统和组合物。本公开还提供了通过发酵来源于木质纤维素水解产物的精制半纤维素糖流来生产木糖醇的方法，包括通过微生物发酵将精制半纤维素糖流中的木糖以至少1g木糖醇/L/h的速率转化成木糖醇，其中精制半纤维素糖流包含：相对于总溶解糖50‑90％重量/重量的木糖、相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖、少于200ppm的钙、至多1000ppm的量的氮和至多1000ppm的量的糠醛，其中葡萄糖和果糖占己糖的至少50％重量/重量。本公开的方法、系统和组合物用于以工业规模由可再生资源高效且经济地生产木糖醇。
Description
本申请是申请日为2016年01月06日、申请号为201680005281.7、发明名称为“萃取和转化半纤维素糖的方法”的中国专利申请(其对应PCT申请的申请日为2016年01月06日、申请号为PCT/US2016/012384)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月7日提交的美国临时申请号62/100,791和2015年11月2日提交的美国临时申请号62/249,801的权益，每一篇均通过引用以其全文并入本文。
背景技术
木质纤维素生物质是丰富的可再生材料，其长期以来被认为是生产化学品、燃料和包括多元醇糖替代物如木糖醇在内的材料的潜在原料。木质纤维素生物质主要包含纤维素、半纤维素和木质素。从生物质萃取、分离和精制糖的高效且具成本效益的过程仍然是一个挑战。
木糖醇是一种五碳糖醇，其作为糖替代物具有有利的性质，包括含热量低、良好的胃肠道耐受性和在人体中几乎不依赖胰岛素的代谢。传统上，木糖醇通过含有木糖的单糖混合物在金属催化剂如雷尼镍的存在下的化学氢化而生产，需要专门和昂贵的设备来满足反应的高压和高温要求。氢化是非特异性的，并且产生存在于反应混合物中的其他单糖的多元醇，其与所需木糖醇产物的分离是困难且昂贵的。痕量金属是不希望的，并且还必须从产物中除去。总之，这种昂贵而低效的过程仅以40-60％的产率产生木糖醇。已经针对开发用于生产木糖醇的生物工艺开展了一些基础研究，但只有使用纯D-木糖作为原料才能获得合理的产率。
发明内容
因此，迫切需要一种选择适于生产木糖醇的糖流的方法。本公开通过提供由木质纤维素生物质产生木糖醇的方法、系统和组合物而满足这一需要。可以加工并精制木质纤维素生物质以产生半纤维素糖流和适于转化成所选木糖醇的流。这允许以工业规模由可再生资源高效且经济地生产木糖醇。
一方面，本公开提供了由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的方法。在一个实施方案中，该方法包括：(i)发酵精制的半纤维素糖流以产生包含木糖醇的发酵液；以及(ii)从该发酵液中回收木糖醇，其中所述精制的半纤维素糖流已经通过包括以下步骤的过程产生：(a)从生物质中萃取半纤维素糖，从而获得半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(b)使该半纤维素糖流与胺萃取剂接触以形成混合物；以及(c)从该混合物中分离出包含胺萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及精制的半纤维素糖流。任选地，所述生物质选自硬木、木浆、甘蔗渣、甘蔗叶、桦木、桉木、玉米芯、玉米秸秆、椰子壳、柳枝稷和小麦秸秆，如甘蔗渣和甘蔗叶。
在一些实例中，所述方法还包括在从生物质中萃取半纤维素糖之前减少生物质的灰分和泥土含量。任选地，所述减少包括生物质的制浆、洗涤和脱水中的一个或多个阶段。在一些实例中，萃取半纤维素糖包括热水萃取。任选地，该热水萃取还包括酸，如无机酸。在一些实例中，该酸以至多2％重量/重量的量存在。任选地，该萃取在100至200℃的温度下进行。
在一些实例中，所述胺萃取剂包含胺和稀释剂。任选地，该胺包含至少20个碳原子，如三月桂胺。任选地，该稀释剂包含醇，如己醇或2-乙基-1-己醇。在一些实例中，该稀释剂包含C6-12单醇、煤油或其混合物。在一些实例中，所述至少一种杂质选自灰分、酸溶性木质素、糠醛、脂肪酸、无机酸、有机酸、甲醇、蛋白质、氨基酸、甘油、甾醇、松香酸和蜡质材料。
在一些实例中，所述发酵液还包含选自天然存在的细菌、重组细菌、天然存在的酵母、重组酵母和真菌的微生物，如大肠杆菌菌株。任选地，所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少60克的木糖醇，例如每升发酵液至少100克的木糖醇。任选地，所述发酵以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。在一些实例中，所述发酵液包含少于1克/升的乙醇。
在一些实例中，所述生物质中至少70％的木糖被转化成木糖醇。任选地，所述精制的半纤维素糖流的木糖含量为所述半纤维素糖流的木糖含量的至少80％。在一些实例中，所述发酵不包含通过结晶纯化的木糖。任选地，所述精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少50％重量/重量的木糖，例如相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖。
一方面，本公开提供了通过发酵来源于木质纤维素水解产物的精制半纤维素糖流来生产木糖醇的方法。在一个实施方案中，该方法包括通过微生物发酵将所述精制半纤维素糖流中的木糖转化成木糖醇，其中所述精制半纤维素糖流包含：相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖、少于200ppm的钙和至多1000ppm的量的糠醛。在一些实例中，所述微生物选自天然存在的细菌、重组细菌、天然存在的酵母、重组酵母和真菌，如大肠杆菌菌株。任选地，所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少60克的木糖醇，例如每升发酵液至少100克的木糖醇。任选地，所述发酵以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。在一些实例中，所述发酵液包含少于1克/升的乙醇。
在实施本文所述的任何方法中，所述精制半纤维素糖流可以包含相对于总溶解糖小于5％重量/重量的寡聚体。任选地，所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖，例如相对于总溶解糖3-12％重量/重量的阿拉伯糖。任选地，所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖，例如相对于总溶解糖10-45％重量/重量的己糖。任选地，所述己糖包含葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。在一些实例中，葡萄糖和果糖占所述己糖的至少50％重量/重量。任选地，木糖与己糖之比为1.5:1至5:1重量/重量。任选地，所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。任选地，所述精制半纤维素糖流包含至多0.25％重量/重量的量的灰分。任选地，所述精制半纤维素糖流包含酚类化合物，其中该酚类化合物以小于200ppm的量存在。任选地，所述精制半纤维素糖流包含至多200ppm的量的糠醛。任选地，所述精制半纤维素糖流包含少于200ppm的钙。任选地，所述精制半纤维素糖流包含至多1000ppm的量的氮。
一方面，本公开提供了用于由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的系统。在一个实施方案中，所述系统包含：(i)半纤维素萃取单元，其被配置用于从所述生物质萃取和水解半纤维素，以产生半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(ii)与所述萃取单元流体连通的精制单元，其中该精制单元被配置用于接收所述半纤维素糖流和胺萃取剂，并且其中该胺萃取剂从所述半纤维素糖流中除去杂质以产生精制的半纤维素糖流；(iii)感测单元，其被配置用于分析所述精制半纤维素糖流的一个或多个参数；(iv)与所述精制单元流体连通以接收所述精制半纤维素糖流的发酵单元，其中该发酵单元被配置成含有所述精制流和微生物，并且其中该微生物促进由所述精制流中的单糖产生木糖醇以产生发酵液；和(v)木糖醇精制单元，其中该木糖醇精制单元被配置用于从所述发酵液中移出木糖醇。在一些实例中，所述系统还包括被配置用于从所述生物质中除去灰分和泥土的洗涤单元，其中所述半纤维素萃取单元与所述洗涤单元流体连通。
在一些实例中，所述精制半纤维素糖流中至少90％的木糖在发酵单元中被转化成木糖醇。任选地，在发酵单元中以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。任选地，所述发酵液包含少于10g/L的乙醇，如少于4.5g/L的乙醇，任选地少于1g/L的乙醇。在一些实例中，所述生物质选自甘蔗渣和甘蔗叶，或其组合。在一些实例中，所述一个或多个参数选自pH、吸光度、电导率、密度、木糖浓度和己糖浓度
一方面，本公开提供了一种发酵原料。在一个实施方案中，该发酵原料包含：(i)相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖；(ii)相对于总溶解糖10-45％重量/重量的己糖；(iii)相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；(iv)相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖；(v)至多1000ppm的量的糠醛；和(vi)少于200ppm的钙。任选地，所述原料还包含(vii)少于1000ppm的乙酸；和(viii)少于1000ppm的甲酸。在一些实例中，所述原料还包含微生物。在另一个实施方案中，所述发酵原料包含：(i)相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖；(ii)少于200ppm的钙；(iii)至多1000ppm的量的糠醛；和(iv)微生物。任选地，所述原料还包含相对于总溶解糖10-50％重量/重量的己糖。任选地，所述原料还包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。任选地，所述原料还包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。任选地，所述原料还包含少于1000ppm的乙酸。任选地，所述原料还包含少于1000ppm的甲酸。在一些实例中，所述原料还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。在一些实例中，所述原料还包含至多1000ppm的量的氮。
一方面，本公开提供了一种发酵液。在一个实施方案中，该发酵液包含：(i)至少60g/L的木糖醇；(ii)少于10g/L乙醇；(iii)至多50g/L的量的木糖；(iv)至多35g/L的量的己糖；(v)至多1000ppm的量的糠醛；和(vi)少于200ppm的钙。在一些实例中，该发酵液还包含：(vii)少于1000ppm的乙酸；和(viii)少于1000ppm的甲酸。任选地，该发酵液还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。在一些实例中，该发酵液还包含微生物。
一方面，本公开提供了一种木糖醇组合物。在一个实施方案中，该木糖醇组合物包含：(i)相对于总溶解固体至少98％重量/重量的木糖醇；(ii)相对于总溶解固体至多1％重量/重量的量的寡糖；和(iii)至多1％的量的己糖。在一些实例中，该木糖醇组合物还包含相对于总溶解固体至多0.25％重量/重量的量的灰分。任选地，该木糖醇组合物还包含至多1000ppm的量的糠醛。任选地，该木糖醇组合物还包含至多100ppm的量的胺，其中该胺包含至少12个碳原子。任选地，该木糖醇组合物还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。在一些实例中，所述己糖选自葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。任选地，所述木糖醇组合物还包含少于100ppm的阿拉伯糖醇，如少于1ppm的阿拉伯糖醇。任选地，该木糖醇组合物还包含少于100ppm的半乳糖醇，如少于1ppm的半乳糖醇。任选地，该组合物来源于含木质纤维素的生物质的水解产物。任选地，该组合物是结晶的。任选地，该组合物以水溶液形式提供。在一些实例中，该水溶液包含至少50％重量/重量的溶解固体。
一方面，本公开提供了一种生产适于转化成木糖醇的精制半纤维素糖流的方法。在一个实施方案中，该方法包括：(i)从生物质中萃取半纤维素糖，从而获得半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(ii)使所述半纤维素糖流与胺萃取剂接触以形成混合物；(iii)从所述混合物中分离出包含胺萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及精制半纤维素糖流；以及(iv)测量木糖、阿拉伯糖、己糖、二糖、灰分、乙酸、甲酸、酚类化合物、糠醛、钙和氮中的至少一种的浓度；其中如果所述精制流包含以下成分，则所述精制半纤维素糖流适于转化成木糖醇：(1)相对于总溶解糖至少50％重量/重量的木糖；(2)相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖；和(3)少于200ppm的钙；并且其中适于转化成木糖醇的精制流还包含至少一种选自以下的特征：(4)相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；(5)相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖；(6)至多0.25％重量/重量的量的灰分；(7)少于1000ppm的乙酸；(8)少于1000ppm的甲酸；(9)至多200ppm的量的酚类化合物；(10)至多200ppm的量的糠醛；和(11)至多1000ppm的量的氮；并且其中对不适合转化成木糖醇的精制流进一步精制。
在一些实例中，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多200ppm的量的糠醛。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多0.25％重量/重量的量的灰分。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的乙酸。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的甲酸。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多200ppm的量的酚类化合物。任选地，所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的氮。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同特别地且单独地指出每一个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。2012年4月2日提交的PCT/IL2012/050118、2013年5月3日提交的PCT/US2013/039585、2013年11月6日提交的PCT/US2013/068824、2014年9月3日提交的PCT/US2014/053956、2015年1月7日提交的第62/100,791号美国申请、2015年11月2日提交的第62/249,801号美国申请通过引用而并入。
附图说明
图1示出了将生物质转化成下游产物如精制半纤维素糖流的示例性转化过程的示意图。
图2A示出了将富含木糖的半纤维素糖混合物转化成下游产物如木糖醇、木糖和糠醛的示例性转化过程的示意图。
图2B示出了将精制半纤维素糖流转化成木糖醇的示例性过程的示意图。
图2C示出了将去除木糖的半纤维素糖混合物转化成下游产物如阿拉伯糖和甲烷的示例性过程的示意图。
图3示出了用于纯化酸性半纤维素糖流的示例性转化过程的示意图。
图4示出了将半纤维素糖混合物转化成包含木糖醇的溶液的示例性转化过程的示意图，任选地将该溶液精制为结晶或液体木糖醇产物。
图5示出了将半纤维素糖混合物转化成包含木糖醇的溶液的示例性转化过程的示意图，任选地将木糖醇精制成结晶或液体木糖醇产物。
图6示出了脉冲测试色谱图的结果，其显示半纤维素糖混合物的分级分离以获得富含木糖的糖混合物和去除木糖的糖混合物。
图7示出了脉冲测试色谱图的结果，其显示木糖醇结晶后母液的分级分离以获得富含木糖醇的糖混合物和去除木糖醇的糖混合物。
图8示出了用于洗涤生物质的示例性顺序过程的示意图。
图9示出了在萃取半纤维素糖之后木质纤维素生物质的洗涤和脱水示例性顺序过程的示意图。
图10示出了经洗涤的甘蔗渣样品的残余灰分含量。
具体实施方式
本公开涉及木质纤维素生物质加工和精制以产生半纤维素糖，以及将其转化成高价值产物(例如木糖醇)。半纤维素糖转化成高价值产物可以通过任何合适的化学、催化、酶促、代谢、发酵或生物转化过程或其组合来完成。任选地，半纤维素糖通过发酵过程转化成高价值产物。
一方面，本公开提供了由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的方法。在一个实例中，该方法包括：(i)从所述生物质中萃取半纤维素糖，从而获得半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(ii)使所述半纤维素糖流与萃取剂(例如胺萃取剂)接触以形成混合物；和(iii)从该混合物中分离出包含萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及精制的半纤维素糖流。任选地，该方法还包括：(iv)发酵所述精制的半纤维素糖流以产生包含木糖醇的发酵液；以及(v)从该发酵液中回收木糖醇。任选地，该方法还包括在从生物质中萃取半纤维素糖之前减少所述生物质的灰分和泥土含量。
一方面，本公开提供了通过发酵来源于木质纤维素水解产物的精制半纤维素糖流生产木糖醇的方法。在一个实例中，该方法包括通过微生物发酵将所述精制半纤维素糖流中的木糖转化成木糖醇。任选地，该半纤维素糖流包含：相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖、少于200ppm的钙和至多1000ppm的量的糠醛。
一方面，本公开提供了一种生产适于转化成木糖醇的精制半纤维素糖流的方法。在一个实例中，该方法包括：(i)从生物质中萃取半纤维素糖，从而获得半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(ii)使所述半纤维素糖流与萃取剂(例如胺萃取剂)接触以形成混合物；(iii)从该混合物中分离出包含萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及精制的半纤维素糖流；以及(iv)测量木糖、阿拉伯糖、己糖、二糖、灰分、乙酸、甲酸、酚类化合物、糠醛、乙酰丙酸、钙和氮中的至少一种的浓度；其中如果精制的流包含以下成分，则精制的半纤维素糖流适于转化成木糖醇：(1)相对于总溶解糖至少50％重量/重量的木糖；(2)相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖；和(3)少于200ppm的钙；并且其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含选自以下的至少一种特征：(4)相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；(5)相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖；(6)至多0.25％重量/重量的量的灰分；(7)至多1000ppm的量的乙酸；(8)至多1000ppm的量的甲酸；(9)至多200ppm的量的酚类化合物；(10)最至多200ppm的量的糠醛；和(11)至多1000ppm的量的氮；并且其中对不适合转化成木糖醇的精制流进一步精制。
在本文公开的主题方法或系统中体现的生物质通常具有高木聚糖含量。该生物质可以来源于木材，软木，硬木如桤木、白杨、桦木、榉木、枫木、杨木、桉木和柳木，植物或植物成分，谷物如小麦、大麦、稻、黑麦和燕麦，谷物颗粒如秸秆、外壳、外皮、纤维、壳和茎，玉米芯、玉米秸秆、玉米纤维、坚果壳、杏仁壳、椰子壳、甘蔗渣、棉籽糠和棉籽皮。当使用木材作为原材料时，其有利地用作碎屑或锯屑。优选地，该生物质选自硬木如桦木和桉木，甘蔗渣和甘蔗叶，或其组合。
在图1中提供了将生物质转化成精制半纤维素糖流的示例性转化过程的示意图。任选地，在萃取半纤维素糖之前，预处理(1770)含木质纤维素的生物质。在一些实例中，不需要生物质的预处理，即含木质纤维素的生物质可以直接用于半纤维素糖萃取。在图8中提供了用于洗涤生物质的示例性逆流过程的示意图。预处理可以包括生物质尺寸的减小(例如，机械破碎、碾磨或研磨)。任选地，研磨含木质纤维素的生物质，使得所得生物质颗粒的平均尺寸为约100至1,000微米，例如约400-5,000微米、约100-400微米、约400-1,000微米、约1,000-3,000微米、约3,000-5,000微米或约5,000-10,000微米。经研磨的生物质颗粒的平均尺寸可以小于10,000微米、小于9,000微米、小于8,000微米、小于7,000微米、小于6,000微米、小于5,000微米、小于4,000微米、小于3,000微米、小于2,000微米、小于1,000微米或小于500微米。
含木质纤维素的生物质的预处理可以包括在从生物质中萃取半纤维素糖之前减少该生物质的灰分和泥土含量。在一些实例中，对包含大于约4％wt/wt、大于约5％wt/wt、大于约6％wt/wt、大于约7％wt/wt或大于约8％wt/wt明显灰分(如根据NREL/TP-510-42622通过灰化生物质干样品而测量的)的含木质纤维素的生物质进行脱泥土和脱灰分。大于约4％的灰分值可表明在生长季节期间泥土颗粒物理掺入生物质中，其中泥土颗粒接触生物质并在生物质生长时被其包围。减少生物质的灰分和泥土含量可以包括生物质的制浆、洗涤和脱水中的一级或多级。一种减少灰分和泥土含量的方法可以包括生物质的再制浆和碾磨(例如，研磨)中的至少一级和多达n级，以及生物质的洗涤和脱水中的至少一级和多达m级，其中n为2、3、4、5、6、7、8、9或10，m为2、3、4、5、6、7、8、9或10。任选地，n等于m。在一些实例中，m大于n或n大于m。可能需要两个或更多个这样的剪切处理和高压洗涤循环以将生物质的灰分含量降低到小于6％、小于5％、小于4％或小于3％wt/wt灰分。
半纤维素糖可以通过任何合适的方法(1700)从木质纤维素生物质中萃取，例如使用酸性水溶液。该酸性水溶液可以包含任何酸，如无机酸或有机酸。优选地，该溶液包含无机酸，如H2SO4、H2SO3(其可以作为溶解的酸或作为SO2气体而引入)或HC1。在一些实例中，该酸性水溶液可以包含无机酸和/或有机酸，包括例如H2SO4、H2SO3、HCl或乙酸，或其组合。该酸性水溶液可以含有约0-2％或更多的酸，例如约0-1.0％、约0-1.5％、约0.5-1.5％、约0.5-2.0％、约1.0-2.0％、约1.5-2.0％、约0.2-1.0％、约0.2-0.7％、约0-0.2％、约0.2-0.4％、约0.4-0.6％、约0.6-0.8％、约0.8-1.0％、约1.0-1.2％、约1.2-1.4％、约1.4-1.6％、约1.6-1.8％或约1.8-2.0％wt/wt。任选地，用于萃取的水溶液包括0.2-0.7％的H2SO4和0-3,000ppm的SO2。该酸性水溶液的pH可以在约pH 1至pH 5的范围内，例如约pH 1至pH 3.5。
可利用升高的温度或压力从生物量中萃取半纤维素糖。在一些实例中，使用在约100-200℃范围内的温度。萃取中可使用高于50℃、高于60℃、高于70℃、高于80℃、高于90℃、高于100℃、高于110℃、高于120℃、高于130℃、高于140℃、高于150℃、高于160℃、高于170℃、高于180℃、高于190℃或高于200℃的温度。优选地，温度在90-170℃的范围内，例如100-165℃、110-160℃、120-150℃、130-155℃或140-150℃。压力可以在约0.4-10mPa的范围内，例如0.4-5mPa。任选地，压力小于20mPa，例如小于10mPa、小于9mPa、小于8mPa、小于7mPa、小于6mPa或小于5mPa。在一些实施例中，将萃取混合物加热0.1-5小时，优选0.1-3小时、0.1-1小时、0.5-1.5小时、0.5-2小时、1-2小时或2-3小时。萃取过程可以有短于1小时的冷却期。任选地，通过使生物质与酸性水溶液接触并将得到的混合物在低于10mPa的压力下加热至高于50℃的温度，从生物质中萃取半纤维素糖。
半纤维素糖萃取可以在一个单萃取过程中产生含有至少75％单体糖，例如超过80％、超过85％、超过90％、超过91％、超过92％、超过93％、超过94％、超过95％、超过96％、超过97％、超过98％或超过99％单体糖的半纤维素糖流(1700-A)。该半纤维素糖流可以含有80-99％的单体糖。在一些实例中，存在于生物质中的半纤维素糖的至少约70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或甚至至少95％或更多可以使用本公开的方法萃取。半纤维素糖萃取可产生最少量的木质纤维素降解产物，如糠醛、羟甲基糠醛、乙酰丙酸和甲酸。可以获得理论值的大于70％、任选大于80％的木糖产率。
从生物质中萃取半纤维素糖产生包含木质素和纤维素的木质纤维素剩余物流(1700-P1)。图9中提供了在萃取半纤维素糖之后木质纤维素剩余物流的洗涤和脱水示例性顺序过程的示意图。在一些实例中，半纤维素糖的萃取不会除去大量的纤维素糖。例如，半纤维素糖的萃取不会除去超过1％、超过2％、超过5％、超过10％、超过15％、超过20％、超过30％、超过40％、超过50％或超过60％重量/重量的纤维素。在一些实例中，木质纤维素剩余物流包含小于50％、小于45％、小于40％、小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％、小于2％或小于1％重量/重量的半纤维素。木质纤维素剩余物流可以包含小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％重量/重量的灰分。在一些实例中，木质纤维素剩余物流包含0.001-5％重量/重量的灰分，如0.01-4％、0.1-3％、0.1-2％或0.1-1％重量/重量的灰分。在一些实例中，木质纤维素剩余物流包含小于5％重量/重量的量的木质素、纤维素、半纤维素，和小于4％重量/重量的量的灰分。在一些实例中，半纤维素糖流中保留木质纤维素固体的小于10％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2.5％、小于2％、小于1.5％或小于1％。任选地，木质纤维素剩余物流包含小于75％、小于65％、小于55％、小于45％、小于35％、小于25％、小于15％或小于10％重量/重量的水。木质纤维素剩余物流可以包含超过20％、超过30％、超过40％、超过50％、超过60％、超过70％或超过80％重量/重量的固体。木质纤维素剩余物流可包含小于10％、小于7.5％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％或小于0.5％重量/重量的残余可溶性碳水化合物。在一些实例中，木质纤维素剩余物流包含约0.01-5％重量/重量的可溶性碳水化合物，如0.1-5％、0.5-5％、0.5-2.5％、或0.1-2.5％重量/重量的可溶性碳水化合物。木质纤维素剩余物流可以包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.5％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的硫酸盐。在一些实例中，木质纤维素剩余物流包含0.001-3％重量/重量的硫酸盐，如0.01-3％、0.01-2％、0.01-1％或0.001-1％重量/重量的硫酸盐。木质纤维素剩余物流可以包含相对于总固体小于5％的量的可溶性碳水化合物、相对于总固体小于4％的量的灰分和相对于总固体小于3％的量的硫酸盐。
杂质如灰分、酸溶性木质素、糠醛、脂肪酸、有机酸如乙酸和甲酸、甲醇、蛋白质和/或氨基酸、甘油、甾醇、松香酸或蜡质材料或其组合可以连同半纤维素糖一起在相同条件下萃取至半纤维素糖流中。可以通过溶剂萃取(例如，使用胺萃取剂)将这些杂质中的至少一些从半纤维素糖流中分离。
可以按照通过引用并入本文的PCT/US2013/039585中公开的方法精制并任选地分级分离半纤维素糖流。半纤维素糖流可以任选地进行过滤、离心或通过蒸发浓缩。任选地，使半纤维素糖流与强酸阳离子交换剂(例如，H+形式)接触以将盐转化成各自的酸。在一些实例中，半纤维素糖流首先与强阳离子交换树脂接触，然后与胺萃取剂接触。
任选地，通过使半纤维素糖流与胺萃取剂接触以形成混合物，从该流中除去杂质，其中该混合物可以包含有机物流和水性流(1710)。图3中示出了用于纯化半纤维素糖流(1700-A和1800-A)的示例性转化过程，包括胺萃取1831。在一些实例中，该有机物流(1831-A)包含胺萃取剂和至少一种杂质。任选地，所述至少一种杂质选自无机酸(例如H2SO4、H2SO3和HCl)、有机酸(例如乙酸和甲酸)、糠醛、羟甲基糠醛和酸溶性木质素。该水性流可以包含半纤维素糖。在与有机物流分离后，该水性流在本文中被称为精制半纤维素糖流(1710-P1和1831-B)。
胺萃取剂可以包含10-90％，如10-80％、10-70％、10-60％、10-50％、10-40％、20-80％、20-70％、20-60％、20-50％、20-40％、15-80％、15-70％、15-60％、15-50％、15-40％、15-35％、25-80％、25-70％、25-60％、25-50％、25-40％或25-35％重量/重量的一种或多种具有至少20个碳原子的胺。这样的胺可以是伯胺、仲胺或叔胺。叔胺的实例包括三月桂胺(TLA；例如来自Cognis Corporation；Tucson AZ；USA的COGNIS ALAMINE 304)、三辛胺、三异辛胺、三辛酰基胺和三癸胺。
胺萃取剂还可以包含稀释剂。在一些实例中，胺萃取剂包含至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％重量/重量，如55-85％重量/重量的稀释剂。任选地，该稀释剂是醇，如丁醇、异丁醇、戊醇、己醇、辛醇、癸醇、十二烷醇、十四烷醇、十五烷醇、十六烷醇、十八烷醇、二十烷醇、二十二烷醇、二十四烷醇和三十烷醇。任选地，该稀释剂是长链醇(例如，C6、C8、C10、C12、C14、C16醇)或煤油。在一些实例中，该稀释剂是正己醇或2-乙基-1-己醇。任选地，该稀释剂是2-乙基-1-己醇。在一些实例中，该稀释剂包含一种或多种额外的组分，如酮，具有至少5个碳原子的醛，或另一种醇。
任选地，胺萃取剂包含具有至少20个碳原子的胺和稀释剂(例如醇)，如具有至少20个碳原子的叔胺和醇。在一些实例中，胺萃取剂包含具有20至50个碳原子的叔胺和稀释剂，其中该稀释剂是C6-12单醇。在一些实例中，胺萃取剂包含具有24-40个碳原子的胺(例如三月桂胺、三辛胺、三辛酰基胺或十三胺)和稀释剂，其中该稀释剂是C6-12单醇(例如己醇、辛醇或2-乙基己醇)。在一些实例中，该胺是三月桂胺，该稀释剂是己醇或2-乙基己醇。
胺萃取剂可以包含比例为1:10至10:1重量/重量，如1:9、1:4、3:7、2:3、1:1、3:2、7:3、4:1或9:1重量/重量的胺和稀释剂。任选地，胺萃取剂包含比例为1:7、2:7、3:7、6:4、5.5:4.55、4:7、5:7、6:7、7:7、5:4，3:4，2:4或1:4重量/重量的三月桂胺和C6-12单醇。任选地，胺萃取剂包含比例为约3:7重量/重量的三月桂胺和C6-12单醇，如3:7重量/重量比的三月桂胺和己醇。
任选地，用胺萃取剂逆流萃取半纤维素糖流，例如，半纤维素糖流沿与胺萃取剂的流动相反的方向流动。胺萃取可以在胺可溶的任何温度下进行，例如50-70℃。任选地，胺萃取包括多于一个萃取步骤(例如，2、3或4个步骤)。胺萃取剂流(有机物流)与半纤维素糖流(水性流)之比可以在约0.5:1至约5:1重量/重量的范围内，例如约0.5:1、约1:1、约1.5:1、约2:1、约2.5:1、约3:1、约3.5:1、约4:1、约4.5:1或约5:1。在一些实例中，有机物流与水性流之比为约1.5-3.0:1重量/重量。
在将半纤维素糖流与胺萃取剂接触后，所得混合物可以分离成包含胺萃取剂和至少一种杂质的有机物流(即有机相)和精制的半纤维素糖流(即，水性相)。有机酸或无机酸(例如，半纤维素糖萃取中使用的酸)和其他杂质的至少一部分可以被萃取到有机物流中。在一些实例中，有机物流以逆流模式与水性流接触以回收吸收到有机物流中的任何残余糖。有机物流可以包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的半纤维素糖，如0.01％至4％的半纤维素糖。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的酸，如0.01％至3％的酸。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的具有至少20个碳原子的胺，如0.01％至4％的胺。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的杂质，如0.1％至4％的杂质，其中该杂质选自灰分、酸溶性木质素、糠醛、脂肪酸、有机酸如乙酸和甲酸、无机酸如盐酸和硫酸、糠醛、羟甲基糠醛、甲醇、蛋白质、氨基酸、甘油、甾醇、松香酸和蜡质材料。精制的半纤维素糖流可以包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的糠醛，如0.1％至4％的糠醛。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％重量/重量的灰分，如0.1％至4％的灰分。
可进一步纯化精制的半纤维素糖流。例如，可以使用填充蒸馏塔除去精制的半纤维素糖流中的残余稀释剂。蒸馏可以除去精制的半纤维素糖流中至少70％、至少80％、至少90％或至少95％的残余稀释剂。在一些实例中，精制的半纤维素糖流与强酸阳离子(SAC)交换剂(1833)接触以除去残余的金属阳离子和残余胺，然后任选地与弱碱阴离子(WBA)交换剂(1834)接触以除去过量质子。任选地，使用蒸馏塔(例如，填充蒸馏塔)，然后用强酸阳离子交换剂纯化精制的半纤维素糖流。在一些实例中，精制的半纤维素糖流与弱碱阴离子(WBA)交换剂接触以除去过量的质子。精制的半纤维素糖流可以任选地在将该流与SAC交换剂和/或WBA交换剂接触后进行pH调节。精制的半纤维素糖流可以蒸馏或蒸发，然后通过与SAC树脂、WBA树脂和MB树脂接触进一步抛光，并任选地通过蒸发浓缩。在一些实例中，将精制的半纤维素糖流蒸发(1835)至20-80％重量/重量的溶解糖，如25-65％或30-40％重量/重量的溶解糖，从而形成浓缩糖溶液(1836)。蒸发可以在任何常规蒸发器，例如多效蒸发器或机械蒸气再压缩(MVR)蒸发器中进行。
存在于半纤维素糖流或浓缩糖溶液中的残余溶剂也可以通过蒸发来去除。例如，与水形成非均相共沸物的溶剂可以被分离并任选地返回到溶剂循环。任选地，精制的半纤维素糖流可与活性炭接触以除去残余的有机杂质。精制的半纤维素糖流还可以与混合床树脂体系接触以除去残余的离子或着色体。
通过本发明系统和方法产生的精制半纤维素糖流可以包含非常适合作为发酵(例如用于生产木糖醇)进料的比例的糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％或至少95％重量/重量的木糖。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖40％至95％重量/重量的木糖，例如50％至85％的木糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖小于15％、小于14％、小于13％、小于12％、小于11％、小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％或小于2％重量/重量的阿拉伯糖。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖1％至15％重量/重量的阿拉伯糖，例如3％至12％的阿拉伯糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少5％、至少10％、至少12％、至少15％、至少17％、至少20％、至少22％、至少25％、至少27％、至少30％、至少32％、至少35％、至少37％、至少40％、至少42％、至少45％、至少50％、至少52％、至少55％或至少57％重量/重量的己糖。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖5％至60％重量/重量的己糖，例如10％至45％的己糖。
在一些实例中，所述己糖包含葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖，其中葡萄糖和果糖任选地占所述己糖的至少30％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％或至少80％重量/重量。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于己糖30％至85％重量/重量的葡萄糖和果糖，例如50％至80％的葡萄糖和果糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少5％、至少10％、至少12％、至少15％、至少17％、至少20％、至少22％、至少25％、至少27％、至少30％、至少32％、至少35％、至少37％、至少40％、至少42％、至少45％、至少50％、至少52％、至少55％或至少57％重量/重量的葡萄糖。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖5％至60％重量/重量的葡萄糖，例如10％至45％的葡萄糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含与己糖的比例为至少1:1重量/重量，如至少1.5:1、至少2:1、至少3:1、至少4:1、至少5:1、至少6:1或至少7:1重量/重量的木糖。任选地，精制的半纤维素糖流中木糖与己糖之比为1:1至8:1重量/重量，如1.5:1至5:1重量/重量。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖小于15％、小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％重量/重量的二糖。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖0.1％至15％重量/重量的二糖，例如0.5％至8％的二糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖小于16％、小于14％、小于12％、小于10％、小于8％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％或小于0.5重量％的寡糖，其中所述寡糖包含至少3个单糖单元。任选地，精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖0.1％至10％重量/重量的寡糖，例如0.5％至5％的寡糖。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多2％、至多1.5％、至多1％、至多0.75％、至多0.50％、至多0.25％、至多0.1％或至多0.05％重量/重量的量的灰分。任选地，精制的半纤维素糖流包含0.001％至1％重量/重量的灰分，例如0.001％至0.25％的灰分。
在一些实例中，所述灰分包含Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、S或Si或其组合。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含各为少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、S和Si。任选地，精制的半纤维素糖流包含各为1ppm至1000ppm的Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、S和Si，例如各为1ppm至250ppm的Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、S和Si。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的钙。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的钙，例如1ppm至250ppm的钙。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的酚类化合物。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的酚类化合物，例如1ppm至250ppm的酚类化合物。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的糠醛。任选地，精制的半纤维素糖流包含包含1ppm至1000ppm的糠醛，例如1ppm至250ppm的糠醛。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的有机酸，如乙酸、乙酰丙酸、甲酸和乳酸。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的有机酸，例如1ppm至250ppm的有机酸。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的乙酸，例如1ppm至250ppm的乙酸。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的甲酸，例如1ppm至250ppm的甲酸。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的胺，并且其中该胺包含至少12个碳原子。任选地，该胺是月桂胺，如单月桂胺，二月桂胺或三月桂胺。任选地，精制的半纤维素糖流包含0.1ppm至1000ppm的包含至少12个碳原子的胺，例如0.1ppm至250ppm的包含至少12个碳原子的胺。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的醇。该醇可以是可在此用作稀释剂的任何醇，如丁醇、戊醇、己醇或2-乙基-1-己醇。在一些实例中，该醇是C6-12单醇，任选以至多200ppm的量存在于精制的半纤维素糖流中。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的所述醇，例如1ppm至250ppm的所述醇。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm或至多150ppm的量的氮。任选地，精制的半纤维素糖流包含1ppm至1000ppm的氮，例如1ppm至250ppm的氮。氮可以是使用凯氏定氮法测量的总凯氏氮。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含：至少50％重量/重量的木糖；至多12％重量/重量的阿拉伯糖；至少10％重量/重量的己糖；至多8％重量/重量的量的二糖；至多0.25％重量/重量的量的灰分；至多200ppm的量的糠醛；和至多1000ppm的量的氮。在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含：至少50％重量/重量的木糖；3％至12％重量/重量的阿拉伯糖；至少10％重量/重量的己糖；0.001％至0.25％重量/重量的灰分；1ppm至200ppm的糠醛；和1ppm和1000ppm的氮。任选地，精制的半纤维素糖流包含65-75％的木糖、3-10％的阿拉伯糖和15-25％的己糖(均为相对于总溶解糖的重量/重量)。精制的半纤维素糖流可含有相对于总溶解固体至少90％重量/重量的糖，如至少91％、至少92％、至少93％、至少94％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％或至少99.5％的糖。
就灰分元素、有机酸、木质素衍生物和糖降解产物而言，精制的半纤维素糖流可具有高纯度。精制的半纤维素糖流可以包含浓度为相对于总溶解糖至多1％、至多0.5％、至多0.1％、至多0.05％或至多0.01％重量/重量的灰分，其中该灰分包含相对于总溶解糖至多500ppm、至多250ppm或至多100ppm的金属阳离子和少于100ppm、少于50ppm、少于30ppm或少于20ppm的硫。在一些实例中，精制的半纤维素糖流特别适用于对灰分元素或含硫化合物敏感的发酵过程。精制的半纤维素糖流可以包含相对于木糖的总重量/重量小于5000ppm的灰分，其中该灰分包含选自Na、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、S和P的元素。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含至少一种选自以下的特征：(i)二元糖与总溶解糖之比不大于0.10重量/重量；(ii)木糖与总溶解糖之比为至少0.70重量/重量；(iii)阿拉伯糖与总溶解糖之比不大于0.06重量/重量；(iv)半乳糖与总溶解糖之比不大于0.05重量/重量；(v)葡萄糖和果糖的总和与总溶解糖之比不大于0.15重量/重量；(vi)甘露糖与总溶解糖之比不大于0.05重量/重量；(vii)果糖与总溶解糖之比不大于0.10重量/重量；(viii)不超过1000ppm的量的酚类化合物；(ix)不超过0.1％重量/重量的量的己醇：(x)不超过1000ppm的量的糠醛；(xi)不超过1000ppm的量的有机酸；和(xii)相对于总溶解糖各自少于1000ppm的元素Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、S和P。
在一些实例中，精制的半纤维素糖流包含低水平的额外的单糖和二糖。任选地，该额外的单糖选自来苏糖、木酮糖和核酮糖。任选地，该额外的二糖选自龙胆二糖、槐糖、黑曲霉糖、昆布二糖和曲二糖(gentiobiose,sophorose,nigerose,laminaribiose,andkojibiose)。这些额外的单糖和二糖可能有利于发酵过程。在一些实例中，这类稀有糖类具有生物活性，并且可充当促进剂来提高酶促表达的活性，或作为辅因子来提高酶活性，从而导致加速的生物转化。
令人惊讶的是，精制的半纤维素糖流在能够将木糖氢化成木糖醇的发酵过程中是特别有利的，因为发酵物种可以利用己糖作为其能源，因此在一些实例中，消除了在氢化步骤之前进一步纯化或分级分离糖流的需要。常用来富集糖流的木糖含量的进一步纯化步骤，如色谱分离或结晶，在发酵前可能不是必需的。在某些实例中，精制半纤维素糖流中糖的比例对于发酵成木糖醇来说是理想的，其中富集木糖的浓度可降低发酵过程的效率和产率。进一步认识到，精制的半纤维素糖流的高纯度作为发酵进料是有利的，因为已知为可能的发酵抑制剂的杂质如酚、糠醛、有机酸和醇的浓度较低。
包含精制半纤维素糖流的发酵原料可被微生物利用以用于产生转化产物。在一些实例中，该转化产物是还原糖，例如糖醇。任选地，该糖醇可以是糖替代物，例如木糖醇。图2B中提供了将精制的半纤维素糖流转化成木糖醇的示例性过程的示意图。在一些实例中，微生物将精制的半纤维素糖流(1710-P1)中的木糖转化成木糖醇(1950-P1)。本公开的方法可以包括发酵(1900)包含精制的半纤维素糖流的发酵原料以产生包含木糖醇的发酵液。图4和图5中提供了将半纤维素糖混合物转化成含有木糖醇的溶液的示例性转化过程的示意图，其中任选地将该溶液精制为结晶(1960-A)或液体(1950-A)木糖醇产物。
发酵原料可以具有与精制的半纤维素糖流非常相似的组成。任选地，将添加剂引入精制的半纤维素糖流中以产生发酵原料。添加剂可以选自营养物，盐，如NaCl、MgSO4和K2PO4，以及酵母提取物。因此，与精制的半纤维素糖流相比，发酵原料中测得的灰分水平可能较高。任选地，将己糖加入到精制的半纤维素糖流中以根据特定微生物的需要调节木糖：己糖比。在一些实例中，通过稀释(例如用水稀释)或浓缩(例如通过蒸发)在发酵原料中调节半纤维素糖的浓度。
发酵原料可以包含相对于总溶解糖至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少90％或至少95％重量/重量的木糖。任选地，发酵原料包含相对于总溶解糖40％至95％重量/重量的木糖，例如50％至90％的木糖。在一些实例中，发酵原料还包含相对于总溶解糖至少5％、至少10％、至少12％、至少15％、至少17％、至少20％、至少22％、至少25％、至少27％、至少30％、至少32％、至少35％、至少37％、至少40％、至少42％、至少45％、至少50％、至少52％、至少55％或至少57％重量/重量的己糖。任选地，发酵原料包含相对于总溶解糖5％至60％重量/重量的己糖，例如10％至45％的己糖。在一些实例中，发酵原料还包含相对于总溶解糖小于15％、小于14％、小于13％、小于12％、小于11％、小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％或小于2％重量/重量的阿拉伯糖。任选地，发酵原料包含相对于总溶解糖1％至15％重量/重量的阿拉伯糖，例如3％至12％的阿拉伯糖。在一些实例中，发酵原料还包含相对于总溶解糖小于15％、小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％重量/重量的二糖。任选地，发酵原料包含相对于总溶解糖0.1％至15％重量/重量的二糖，例如0.5％至8％的二糖。在一些实例中，发酵原料还包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的钙。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的钙，例如1ppm至250ppm的钙。在一些实例中，发酵原料还包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的糠醛。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的糠醛，例如1ppm至250ppm的糠醛。在一些实例中，发酵原料还包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的有机酸，如乙酸、乙酰丙酸、甲酸和乳酸。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的有机酸，例如1ppm至1000ppm的乙酸。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的甲酸。在一些实例中，发酵原料还包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的胺，并且其中该胺包含至少12个碳原子。任选地，该胺是月桂胺，如单月桂胺、二月桂胺或三月桂胺。任选地，发酵原料包含0.1ppm至1000ppm的包含至少12个碳原子的胺，例如0.1ppm至250ppm的包含至少12个碳原子的胺。在一些实例中，发酵原料还包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的C6-12单醇。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的所述C6-12单醇，例如1ppm至250ppm的所述C6-12单醇。在一些实例中，发酵原料还包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm或至多150ppm的量的氮。任选地，发酵原料包含1ppm至1000ppm的氮，例如1ppm至250ppm的氮。在一些实例中，发酵原料包括：50％至90％重量/重量的木糖；10％至45％重量/重量的己糖；至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；至多8％重量/重量的量的二糖；至多1000ppm的量的糠醛；和少于200ppm的钙。在一些实例中，发酵原料还包含少于1000ppm的乙酸和少于1000ppm的甲酸。任选地，发酵原料还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。
已经开发了多种微生物来通过发酵过程生产木糖醇。令人惊奇的是，本公开的精制半纤维素糖流被许多这样的微生物特别良好地耐受，并且有效地转化成木糖醇，而不需要在发酵之前的进一步纯化、分级分离、分离或结晶过程。能够将精制半纤维素糖流中的木糖转化成木糖醇的微生物物种包括酵母，如毕赤酵母(Pichia)、假丝酵母(Candida)、汉逊酵母(Hansenula)和克鲁维酵母(Kluyveromyces)。热带假丝酵母(Candida tropicalis)ATCC13803的菌株可用于利用精制半纤维素糖流中的葡萄糖将木糖转化成木糖醇以供细胞生长(参见，例如，US 5998181和US 5686277)。木糖醇可以由季也蒙假丝酵母(Candidaguilliermondii)FTI 20037生产(参见，例如，Mussatto和Roberto(2003)J.Appl.Microbiol.95:331-337)。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)可用于生产木糖醇(参见，例如，US 5866382)。多种发酵系统能够通过使用各种大肠杆菌菌株将精制的半纤维素糖流转化成高木糖醇、低阿拉伯糖醇产物(参见，例如，PCT/US2011/021277、PCT/US2011/044696和美国申请号2013/0217070)。这些系统可以利用精制的半纤维素糖流的C6糖和一些阿拉伯糖作为增殖和代谢的能源，同时主要将木糖转化成木糖醇，而阿拉伯糖向阿拉伯糖醇的共同转化最低。任选地，该微生物是美国公开号2013/0217070中描述的微生物，如HZ 1434、ZUC220、ZUC170、ZUC136、HZ 2061或HZ 2062。可以使用采用热带假丝酵母和近平滑假丝酵母(Candida Parapsilosis)的双底物发酵，它们利用葡萄糖进行细胞生长并利用木糖进行木糖醇生产(参见，例如，US 5,998,181和US 5,686,277)。木糖醇可以通过使用水解的含木质纤维素的材料，在单酵母菌株的发酵乙醇生产期间作为副产物产生(参见，例如，US2003/0235881)。木糖酸可以由重组真菌菌株从木糖产生，该菌株被遗传修饰为表达木糖脱氢酶基因，当真菌宿主选自酵母属、克鲁维酵母属、假丝酵母属和曲霉属时，该菌株能够将木糖转化成木糖酰内酯(xylonolactone)，与木糖醇产生相偶合(参见，例如，WO2010/106230)。虽然已经描述了其他基因工程生物体发酵木糖或糖混合物以产生木糖醇，但是许多生物体显示出不足以可行地进行商业化的生产力。在一些实例中，将精制的半纤维素糖流(例如，发酵原料)进料到以10-40％DS，如14-28％DS用所选物种接种的发酵单元中。在一些实例中，该微生物选择性地将木糖还原为木糖醇，而不产生由发酵液中除木糖以外的单糖产生的其他多元醇。
可以将精制的半纤维素糖流加入到含有发酵培养基的发酵单元中。发酵培养基可以包含营养物，包括例如胰蛋白胨、酵母提取物、磷酸钾、氯化钠和硫酸镁。可以用适当微生物的培养物接种发酵单元，任选地至10-40％DS的终浓度。在一些实例中，将发酵单元的温度保持在适合微生物的温度，如25至35℃。任选地，发酵溶液的pH保持在pH 6.0至pH 8.0，例如约pH 7.0。可以使用NH4OH调节pH值。任选地，例如通过引入空气来搅拌发酵溶液。在一些实例中，加入额外的精制半纤维素糖流。在一些实例中，将己糖如葡萄糖加入到发酵溶液中。额外的精制半纤维素糖流可以在将微生物加入到发酵单元中后6小时、8小时、10小时、12小时、16小时、20小时、24小时、36小时或48小时添加。可以使发酵过程运行至少12小时、至少18小时、至少24小时、至少36小时、至少48小时、至少60小时、至少72小时、至少80小时、至少84小时、至少96小时或至少108小时，然后从发酵液中回收木糖醇。
本文所述的微生物可以将发酵原料转化成包含木糖醇的发酵液。该发酵液可以包含至少50g/L、至少60g/L、至少70g/L、至少80g/L、至少90g/L、至少100g/L、至少110g/L、至少120g/L、至少130g/L或至少140g/L的木糖醇。任选地，该发酵液包含50至140g/L的木糖醇，如60至100g/L、70至100g/L、80至100g/L或70至90g/L的木糖醇。在一些实例中，该微生物不产生或几乎不产生乙醇。任选地，该发酵液包含小于15g/L、小于12g/L、小于10g/L、小于9g/L、小于8g/L、小于7g/L、小于6g/L、小于5g/L、小于4g/L、小于3g/L、小于2g/L或小于1g/L的乙醇。在一些实例中，该发酵液包含小于50g/L、小于40g/L、小于30g/L、小于20g/L、小于10g/L、小于8g/L、小于6g/L、小于4g/L、小于3g/L、小于2g/L、小于1g/L、小于0.5g/L或小于0.2g/L的量的木糖。任选地，该发酵液包含小于35g/L、小于25g/L、小于15g/L、小于10g/L、小于8g/L、小于6g/L、小于4g/L、小于3g/L、小于2g/L、小于1g/L、小于0.5g/L或小于0.2g/L的量的葡萄糖。在一些实例中，该发酵液包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm ppm或至多10ppm的量的糠醛。任选地，该发酵液包含1ppm至1000ppm的糠醛，例如1ppm至250ppm的糠醛。在一些实例中，该发酵液包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的钙。任选地，该发酵液包含1ppm至1000ppm的钙，例如1ppm至250ppm的钙。在一些实例中，该发酵液包含少于1000ppm、少于750ppm、少于500ppm、少于400ppm、少于300ppm、少于200ppm、少于100ppm、少于50ppm或少于10ppm的有机酸，如乙酸、乙酰丙酸、甲酸和乳酸。任选地，该发酵液包含1ppm至1000ppm的有机酸，例如1ppm至1000ppm的乙酸。任选地，该发酵液包含1ppm至1000ppm的甲酸。在一些实例中，该发酵液包含至多1000ppm、至多750ppm、至多500ppm、至多400ppm、至多300ppm、至多200ppm、至多100ppm、至多50ppm或至多10ppm的量的C6-12单醇。任选地，该发酵液包含1ppm至1000ppm的所述C6-12单醇，例如1ppm至250ppm的所述C6-12单醇。在一些实例中，该发酵液包含：至少60g/L的木糖醇；小于50g/L的木糖；小于10g/L的乙醇；小于50g/L的己糖；至多1000ppm的量的糠醛；和少于200ppm的钙。在一些实例中，该发酵液还包含少于1000ppm的乙酸和少于1000ppm的甲酸。任选地，该发酵液还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。任选地，该发酵液包含少于100ppm的半乳糖醇，例如少于50ppm、少于10ppm、少于1ppm或少于1ppb的半乳糖醇。在一些实例中，在发酵液中未检测到半乳糖醇。在一些实例中，该发酵液包含本文所述的微生物。任选地，该微生物选自天然存在的细菌、重组细菌、天然存在的酵母、重组酵母和真菌。该微生物可以是大肠杆菌菌株，例如HZ 1434、ZUC220、ZUC170、ZUC136、HZ2061或HZ2062。
任选地，相对于精制半纤维素糖流中木糖的量，发酵液中木糖醇的产率超过90％、超过91％、超过92％、超过93％、超过94％、超过95％、超过96％、超过97％或超过98％。在一些实例中，含木质纤维素的生物质中至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少91％、至少92％、至少93％、至少94％、至少95％、至少96％、至少97％或至少98％的木糖被转化成木糖醇。任选地，发酵液中的阿拉伯糖醇的量小于总多元醇的10％。任选地，己糖的量降低到发酵原料或精制半纤维素糖流中己糖浓度的小于10％、小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％。任选地，发酵以至少1g/L/h、至少2g/L/h、至少3g/L/h、至少4g/L/h、至少5g/L/h、至少6g/L/h、至少7g/L/h或至少8g/L/h的速率产生木糖醇。在一些实例中，发酵在少于120h、少于110h、少于100h、少于90h、少于80h、少于70h、少于60h、少于50h、少于40h、少于30h、少于20h、少于15h或少于10h的时间内产生至少50g/L、至少60g/L、至少70g/L、至少80g/L、至少90g/L、至少100g/L、至少110g/L、至少120g/L、至少130g/L或至少140g/L的木糖醇(每升发酵液)。任选地，发酵在少于80小时的发酵中产生至少60g/L的木糖醇，例如在少于80小时的时间内产生70g/L的木糖醇。任选地，发酵在少于80小时的发酵中产生至少100g/L的木糖醇。
可以通过任何合适的方法(1910)，如过滤、结晶或色谱分离或其组合，从发酵液中回收木糖醇。可以对发酵液进行过滤或离心以除去微生物。在一些实例中，过滤包括三个步骤，包括微滤、超滤和纳滤。发酵液可以进行微滤，任选地随后进行超滤，任选地随后进行纳滤。过滤可以从发酵液中除去微生物。纳滤可以从发酵液中除去残余的二糖和寡糖。在一些实例中，过滤从发酵液中除去至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或至少98％重量/重量的聚合度为3(DP3)或以上的寡糖。在一些实例中，过滤从发酵液中除去至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或至少98％重量/重量的二糖(DP2)。经过滤的溶液可以与以下至少一种接触：活性炭，如粒状活性炭(GAC)；和离子交换树脂，如强酸性阳离子(SAC)树脂、弱碱性阴离子(WBA)树脂和混合床(MB)树脂。经过滤和任选精制的溶液可以通过蒸发浓缩(1915)以将溶解固体的浓度增加至至少50％、至少60％、至少70％或至少80％重量/重量的溶解固体，例如约80％重量/重量的溶解固体。在一些实例中，该溶液的浓度为约70％至约90％重量/重量的溶解固体，例如75％至85％重量/重量。
所述溶液可以分批或连续地引入木糖醇结晶单元(1920)。任选地，加入乙醇至指定浓度，如0-40％重量/重量的乙醇。任选地，该溶液用木糖醇晶体接种，并在搅拌下以受控的速率逐渐冷却以诱导结晶。可以通过过滤或离心收集木糖醇晶体。任选地，将收集的木糖醇晶体洗涤并干燥(1960)。任选地，将收集的木糖醇晶体重新溶解(1940)以形成木糖醇溶液。该木糖醇溶液可以进一步抛光(1950)，经抛光的溶液用作液体木糖醇产物(1950-A)。抛光可包括使木糖醇溶液与离子交换树脂如SAC、WBA和MB树脂接触。任选地，抛光包括使木糖醇溶液与粒状活性炭接触。
木糖醇结晶的母液可以通过蒸发浓缩(1922)至至少70％重量/重量的溶解固体，例如80％至88％重量/重量的溶解固体。任选地，通过蒸发汽提该母液以除去乙醇(如果存在的话)(1928)。可以将浓缩的母液引入到第二木糖醇结晶单元(1925)，并且可以任选地用木糖醇晶体接种。以受控的速率逐渐冷却可导致木糖醇的第二次结晶。可以通过过滤或离心收集这些晶体(1925-A)。第二次结晶可产生比第一次结晶的纯度更低的晶体。在一些实例中，将第二次结晶的母液通过色谱法分离(1930)，以产生包含类似于第一母液的组合物的萃取物流，木糖醇含量低而富含阿拉伯糖醇的萃余物流，以及包含残余还原糖和残余寡聚体的第三流。萃取物流可以再循环到第二结晶单元中以增加木糖醇的总产率。任选地，通过蒸发汽提萃取物流以除去乙醇(如果存在)。任选地，将包含残余还原糖的第三流再循环至发酵。任选地，通过蒸发汽提第三流以除去乙醇(如果存在)(1935)。任选地，将包含阿拉伯糖醇的萃余物流进料到厌氧消化器中以将有机物质转化成可用作能源的甲烷。任选地，通过蒸发汽提萃余物流以除去乙醇(如果存在)(1936)。
在一些实例中，从发酵液中回收木糖醇包括：(i)通过微滤器过滤发酵液并收集所得的微滤液；(ii)通过超滤器过滤该微滤液并收集所得的超滤液；(iii)通过纳滤器过滤该超滤液并收集所得的纳滤液；(iv)使该纳滤液与离子交换树脂接触，从而产生精制的纳滤液；(v)通过蒸发浓缩该精制的纳滤液，从而产生浓缩的纳滤液；(vi)从浓缩的纳滤液中结晶木糖醇；以及(vii)从母液中分离木糖醇晶体。任选地，从发酵液中回收木糖醇还包括：(viii)将木糖醇晶体溶解以形成木糖醇溶液；以及(ix)用离子交换树脂对该木糖醇溶液进行抛光。
回收的木糖醇产物可以包含至少95％重量/重量的木糖醇，例如至少96％、至少97％、至少98％、至少99％、至少99.5％或至少99.9％重量/重量的木糖醇。该木糖醇产物可以通过本文所述的方法产生。任选地，该木糖醇产物包含小于1％重量/重量的寡糖，例如小于0.5％、小于0.25％、小于0.1％、小于0.05％或小于0.01％重量/重量的寡糖。任选地，该木糖醇产物包含至多1％重量/重量，例如至多0.5％、至多0.25％、至多0.1％、至多0.05％或至多0.01％重量/重量的量的己糖。该己糖可以选自葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。任选地，该木糖醇产物包含少于100ppm的阿拉伯糖醇，例如少于50ppm、10ppm、1ppm或1ppb的阿拉伯糖醇。任选地，该木糖醇产物包含少于100ppm的半乳糖醇，例如少于50ppm、10ppm、1ppm或1ppb的半乳糖醇。在一些实例中，在该木糖醇产物中未检测到半乳糖醇。任选地，该木糖醇产物包含至多0.25％重量/重量的量的灰分，例如至多0.1％、至多0.05％、或至多0.01％重量/重量的灰分。任选地，该木糖醇产物包含至多500ppm的量的糠醛，例如至多250ppm、100ppm、50ppm、10ppm或1ppm的糠醛。任选地，该木糖醇产物包含至多500ppm的量的胺，例如至多250ppm、100ppm、50ppm、10ppm或1ppm的胺，其中该胺包含至少12个碳原子。任选地，该木糖醇产物包含至多500ppm的量的C6-12单醇，例如至多250ppm、100ppm、50ppm、10ppm或1ppm的C6-12单醇。在一些实例中，该木糖醇产物以结晶形式提供。在一些实例中，该木糖醇产物以水溶液形式提供。任选地，水溶液的浓度为至少50％重量/重量的溶解固体，例如约70％至约90％重量/重量的溶解固体，例如75％至85％重量/重量。
通过本发明方法的木糖醇分离得到的木糖醇总回收率可以超过70％、超过75％、超过80％、超过85％、超过86％、超过87％、超过88％、超过89％、超过90％、超过91％、超过92％、超过93％、超过94％、超过95％、超过96％、超过97％或超过98％的木糖醇。在一些实例中，通过本发明方法回收的木糖醇的产率是相对于含木质纤维素的生物质的木糖含量至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少91％、至少92％、至少93％、至少94％、至少95％、至少96％、至少97％或至少98％的木糖醇。
可以通过使用阴离子交换树脂的模拟移动床(SMB)离子排阻色谱法(参见，例如，美国专利号6,451,123)从糖混合物溶液中分离木糖醇。可以使用用于通过工业规模的顺序模拟移动床(SSMB)色谱法分级分离木糖醇的改进的系统和方法(参见，例如，美国申请号14/398,444)。或者，SAC树脂可用于从多元醇混合物中分离木糖醇(参见，例如，美国专利号4,008,285)，其中该树脂的盐选自碱土金属盐(例如，Sr2+盐、Ca2+盐)、Fe3+盐和Al3+盐。在一些实例中，应用类似的SSMB方法以产生富含木糖醇的流、阿拉伯糖醇流和包含单体和寡聚体的还原糖流。将富含木糖醇的流再循环到结晶器进料中，使得木糖醇的产率最大化。任选地对还原糖流除去残余的乙醇(如果存在)，并再循环到发酵单元中。对阿拉伯糖醇流除去残余的乙醇(如果存在)，并且进料到包含厌氧消化器的废物处理过程中以产生可用作该过程的能源的甲烷。
用离子交换树脂(例如阳离子交换树脂和阴离子交换树脂)作为柱填充材料可以进行实现木糖醇浓缩富集的色谱分级分离。阳离子交换树脂包括强酸阳离子交换树脂和弱酸阳离子交换树脂。强酸阳离子交换树脂可以是单价或多价金属阳离子形式，例如H+、Mg2+、Ca2+、Sr2+或Zn2+形式。强酸阳离子交换树脂通常具有苯乙烯骨架，其优选与3-8％，优选5-6.5％的二乙烯基苯交联。弱酸阳离子交换树脂可以是一价或多价金属阳离子形式，例如H+、Mg2+、Ca2+、Sr2+形式或Na+形式。合适的树脂可以购自Lanxess AG、Purolite、DowChemicals Ltd.或Rohm&Haas。
色谱分级分离可以分批模式、模拟移动床(SMB)模式或顺序模拟移动床(SSMB)模式进行。色谱分级分离的温度通常在20至90℃，如40至65℃的范围内。待分级的溶液的pH可以是酸性的或调节至pH2.5至7，优选3.5至6.5，最优选4至5.5的范围。分级分离可以在分离柱中以约1m/h至约10m/h的线性流速进行。
图7呈现了脉冲测试，其显示从包含木糖醇、阿拉伯糖醇、木糖和乙醇的水性混合物中分离木糖醇，表明通过SSMB分级分离木糖醇的能力。该树脂是Sr2+形式的SAC树脂。
在本文公开的主题方法或系统中体现的生物质可以是甘蔗渣。在一些实例中，该生物质可以包含甘蔗叶。尽管可能希望在收获后将一些甘蔗叶返回土壤中，但过量的甘蔗叶可能是有问题的。许多本领域技术人员目前认为甘蔗叶是需要处理的废物，通常在环境不友好的解决方案如焚烧中。进入糖厂的甘蔗叶可以降低生产能力，并增加蔗糖向排出纤维(即甘蔗渣)中的损失。因此，甘蔗种植者和/或糖厂使用叶子作为半纤维素糖的来源可能是有利的。目前，一些叶子可以通过糖厂进行加工。由于叶子中的蔗糖含量低，因此实际上降低了糖厂的生产力。在一些实例中，通过空气分级将叶子与收获的甘蔗分离，以将轻的叶子与重的甘蔗分离开。在一些实例中，将叶子收集在田间，打捆，然后直接转移到洗涤单元进行处理。甘蔗叶可以类似于甘蔗渣进行加工或与甘蔗渣掺混以供处理。
如果使用除蔗甘蔗渣或叶子之外的高木糖原料，例如，桦木或桉木，则洗涤步骤可能是不必要的，并且相应地通过用去皮和分级(sizing)系统代替洗涤单元来改变该系统。本文公开的半纤维素萃取单元和方法特别适合于从在溶解纸浆厂生产纤维素纤维例如粘胶和乙酸酯时产生的预水解产物中回收含有木糖的半纤维素糖。在溶解纸浆厂进行预水解以在硫酸盐(Kraft)或亚硫酸盐制浆之前从生物质中除去半纤维素。与典型纸级硫酸盐纸浆中较高的水平(通常约10％)相比，溶解纸浆通常含有低水平的残余半纤维素(例如，至多3％、至多2％或至多1％重量/重量的半纤维素)。通常，通过用蒸汽或水处理木屑以诱发自动水解，在扩散纸浆消化器中进行预水解。蒸汽水解可导致水解产物被木材孔隙保持。在水中水解可以以较高的收率收集形成的水解产物。任选地，可以向水中加入酸以加速半纤维素的水解。任选地，该酸可以是无机酸或有机酸，例如，SO2、H2SO4、HCl、乙酸或甲酸。由于预水解条件可能相当严苛，以从生物质中最佳地除去半纤维素，所得到的水解产物可能有相对较多的降解产物。尽管如此，可以对水解产物进行精制，并且可以在本文公开的体系和方法中收获木糖和/或木糖醇，从而稳定水解产物流并显著提高工厂的经济性。任选地，本文公开的系统可以与溶解纸浆厂组合以供化学品回收、溶剂再循环和从废物流中收获能量，从而降低半纤维素糖和溶解纸浆的生产成本。任选地，在发酵之前将己糖加入到水解产物中，以达到如以上对精制半纤维素糖流和发酵原料所述的木糖与己糖的优选比例。
一方面，本公开提供了用于由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的系统。在一个实例中，该系统包含：(i)半纤维素萃取单元，其被配置用于从生物质中萃取并水解半纤维素，以产生半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；(ii)与所述萃取单元流体连通的精制单元，其中该精制单元被配置用于接收所述半纤维素糖流和胺萃取剂，并且其中该胺萃取剂从所述半纤维素糖流中除去杂质以产生精制的半纤维素糖流；任选地，(iii)感测单元，其被配置用于分析所述精制的半纤维素糖流的一个或多个参数，其中所述一个或多个参数选自pH、吸光度、电导率、密度、木糖浓度和己糖浓度；(iv)与所述精制单元流体连通以接收所述精制的半纤维素糖流的发酵单元，其中该发酵单元被配置成含有所述精制的流和微生物，并且其中该微生物促进由所述精制流中的单糖产生木糖醇以产生发酵液；和(v)木糖醇精制单元，其中该木糖醇精制单元被配置用于从所述发酵液中移出木糖醇。
任选地，所述系统还包含被配置用于从生物质中除去灰分和泥土的洗涤单元。该洗涤单元可以与半纤维素萃取单元流体连通。任选地，利用如图8所示的逆流洗涤单元对生物质进行脱泥土和脱灰分。一种减少灰分和泥土含量的方法可以包括生物质的再制浆和碾磨(例如，研磨)中的至少一级和多达n级，以及生物质的洗涤和脱水中的至少一级和多达m级，其中n为2、3、4、5、6、7、8、9或10，m为2、3、4、5、6、7、8、9或10。任选地，n等于m。在一些实例中，m大于n或n大于m。
用来减少生物质的泥土和灰分含量的洗涤单元的每级可以包括罐，其中借助于搅拌器、泵或能够使生物质在水中再制浆的任何其他装置将生物质重新制浆。任选地，罐中的液体与固体之比为30-60:1，例如液体与固体之比为60:1、55:1、50:1、45:1、40:1、35:1或30:1。每个罐都可以装备有固体入口。罐可以与脱水装置流体连通，例如通过泵和管道，其中罐中的浆料可以被转移到脱水装置。洗涤单元可以包含将液相从脱水装置返回到罐的管道。任选地，脱水装置的位置高于罐，使得重力可以帮助液体返回到罐。在一些实例中，每个罐配备有经连接以从其n+1级接收液体的液体入口，和经连接以将液体输送到其n-1级的液体出口，其中I级的液体出口可以连接为将液体输送到辅助罐以供水循环。液体出口的位置可以在每一级的罐的液相的顶部，使得液体作为溢流流而转移。任选地，n级的罐包含经连接以接收水流的附加的水入口。任选地，水流包含来自洗涤单元的再循环的过滤或处理的水、淡水或来自该系统的其他单元的工艺用水。
洗涤单元的辅助罐可以接收吹扫流。吹扫流可以连续或间歇模式来自连续溢流或来自罐的底部吹扫。任选地，辅助罐连接到至少一个用于从液体中分离微细颗粒的装置，如水力旋流器、离心机或过滤器。可利用水力旋流器或离心机从顶部出口回收微细的生物质颗粒。这种回收的生物质可以被送到n级的罐中以使生物质损失最小化。灰分和泥土颗粒可以从底部出口或较高密度出口分离(但是位于所使用的分离装置中)。可以进一步过滤该流以除去泥土并回收水。
每级的罐也可以配备有低级液体/固体出口，优选地位于罐的底部。任选地，该系统还配备有至少一个加压空气入口。一级或多级可以装备有碾磨或研磨装置，其中这类装置任选地是嵌入式或浸没式碾磨或研磨装置。在一些实例中，在洗涤单元中的每个渐进级n，碾磨或研磨越来越精细。各个供应商提供合适的碾磨、研磨、均化和制浆装置，包括例如EBERA Fluid Handling、Bolton Emerson、ARDE-BARINKO和IKA。可以在不同的级使用不同的装置。
任选地，至少一个脱水装置包括筛网。筛网尺寸可以在1000与100微米之间变化。任选地，随着洗涤单元中的每个渐进级m，筛网的尺寸减小。筛网可以相对于地面保持在对角位置或弯曲位置。可以从筛网的顶部收集生物质，并通过固体传送槽将其转移到n+1级的罐。包含泥土颗粒和生物质细颗粒的液体可以通过筛网并可以返回到n级的罐中。各个供应商提供合适的筛选装置，包括，例如Dorr-Oliver和FluidQuip。可以在不同的级使用不同的装置。
在一些实例中，脱水装置可以直接连接到另一个脱水装置(即不通过另一个罐)。任选地，最终脱水装置m施加压力以将水含量降低到最小。在一些实例中，经洗涤的生物质的最终含水量可以小于70％、小于65％、小于60％、小于55％、小于50％、小于45％、小于40％、小于35％或小于30％wt/wt。在一些实例中，经洗涤的生物质的最终含水量为40-60％wt/wt。最终脱水装置可以包括螺旋压榨机。合适的螺旋压榨机可以包括单螺杆或双螺杆或二螺杆或辊磨机，其以期望的生产率实现最终的含水量。各个供应商提供合适的螺旋压榨装置，包括例如Vincent Corporation、Stord Bartz、FKC Company Ltd和ParksonCorporation。可以在不同的级使用不同的装置。
原始生物质可以由洗涤单元从各种尺寸的碎片、团块或颗粒的收获或上游处理来接收。任选地，首先将原始生物质压碎或切碎以破碎团块，并将原始生物质分级成均匀的尺寸，其可通过下游的泵和研磨机进行再制浆和处理。用于压碎或切碎的合适系统可以选自但不限于颚式破碎机、圆锥破碎机、桶式磨碎机、锤式粉碎机和切碎机。许多供应商提供这样的设备，包括例如West Salem Machinery、Metso Corporation和Andritz。任选地，将原始生物质的尺寸选择为使得超过70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或超过99％重量/重量通过20目筛网(841微米)。任选地，原始生物质的尺寸选择为使得超过70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或超过99％重量/重量通过12目筛网(1680微米)。任选地，原始生物质的尺寸选择为使得超过70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或超过99％重量/重量通过7目筛网(2830微米)。任选地，原始生物质的尺寸选择为使得超过70％、75％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或超过99％重量/重量通过5目筛网(4000微米)。在一些实例中，超过93％重量/重量通过12目筛网，并且超过90％重量/重量通过20目筛网。在一些实例中，约20％(wt/wt)的材料保留在60目筛网(250微米)上，并且约20％(wt/wt)保留在40目筛网(400微米)上。在一些实例中，不到4％、不到5％、不到6％、不到7％、不到8％、不到9％、不到10％、不到11％或不到12％重量/重量通过200目筛网(74微米)。尺寸选择的生物质可以通过任何转移固体材料的手段转移，并且可以进料到洗涤单元的I级的罐中。
本文所述的系统可以包含半纤维素萃取单元，其被配置用于从生物质萃取并水解半纤维素以产生半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流。半纤维素萃取单元可以包含配备有固体进料装置和至少一种水性进料装置的罐，其中该罐可以保持至少400psi的压力并且可以加热至至少250℃的温度。该罐可配备有搅拌能力以混合固体和液体流。任选地，该罐配备有流动能力以移动固体和液体流。该罐可配备有适于移除反应浆料的出口。萃取单元的罐可以任选地具有多于一个隔室，其中相邻的隔室被堰(weirs)隔开。任选地，萃取单元可以包含多于一个罐，其中罐与相邻的罐流体连通，从而允许物质流过连续罐。在一些实例中，萃取单元包含活塞流反应器。活塞流反应器可以以低角度安装以帮助当需要停机时的反应器排空。反应器可以部分或完全地配备夹套以防止热损失。
包含生物质的水性浆料可以连续进料至半纤维素萃取单元。在一些实例中，监测水性浆料的酸浓度。任选地，如果酸浓度低于阈值，则加入另外的酸。任选地，所述监测是连续的，并且所述酸添加由接收来自至少一个探针的输入的计算机化系统控制，其中该计算机化系统进一步控制所述系统的泵和阀。任选地，连续除去萃取产物，例如包含半纤维素糖的半纤维素萃取浆料。在一些实例中，进料到萃取单元的水性浆料可以在进入流中加热。任选地，该浆料在萃取单元的罐中加热。在一些实例中，将离开萃取单元的流(例如，半纤维素萃取浆料)冷却。加热或冷却过程可能是快速的，例如快速加热和/或快速冷却。任选地，加热到萃取设定点在少于60分钟、少于45分钟、少于30分钟、少于25分钟、少于20分钟、少于15分钟、少于10分钟或少于5分钟内完成。任选地，萃取浆料的冷却在少于60分钟、少于45分钟、少于30分钟、少于25分钟、少于20分钟、少于15分钟、少于10分钟或少于5分钟内完成。在冷却端移除的热量可用来通过使用合适的热交换器，例如螺旋式壳管、标准壳管或板框来加热加热端。合适的热交换器可以从例如Alfa Laval或Chemineer Inc.获得。在一些实例中，利用萃取单元进行分批或优选地连续过程以从生物质中萃取半纤维素、有机酸和剩余的灰分和萃取物。
在一些实例中，半纤维素萃取浆料包含半纤维素糖和木质纤维素剩余物。半纤维素萃取单元可以包含用于从半纤维素糖流中分离木质纤维素剩余物流的系统。任选地，洗涤木质纤维素剩余物流以除去残余的半纤维素糖。任选地，洗涤半纤维素糖流以除去残余的木质纤维素组分。在半纤维素萃取后用于从诸如半纤维素糖流的液体中分离诸如木质纤维素剩余物流的固体的系统在图9中呈现。该系统可以包含至少一个固-液分离装置。在一些实例中，该系统包含至少一个再制浆罐。可以任选地用以逆流方式施加的洗涤液体进行多于一个固-液分离和再制浆步骤。该系统可以包含1、2、3、4、5或6个固-液分离步骤，随后是再制浆步骤。固-液分离装置可以选自弯曲筛网、沉降槽、离心机和水力旋流器。在一些实例中，最终洗涤步骤在离心机中进行。可以将在最重负荷下收集的液体转移到萃取液的进料中。
可以通过真空带式过滤器将木质纤维素剩余物流与半纤维素糖流分离。真空带式过滤系统可从各个供应商处商购获得，包括例如Pannevis、BHS-Sonthofen Inc.和FLSmidth。在一些实例中，萃取浆料在移动带上连续进料。当移动带移动时，可以施加真空以去除液体并产生搁置在移动带上的滤饼。任选地，移动带穿过洗涤区。任选地，移动带穿过干燥区。洗涤区域可以包括喷嘴，该喷嘴向滤饼(即，木质纤维素剩余物流)上喷洒洗涤流体以从木质纤维素剩余物流中漂洗残余的半纤维素糖，从而增加半纤维素糖的回收率。萃取浆料和洗涤流体的温度可以为约20-100℃，如30-90℃、35-85℃、35-80℃、40-80℃、50-80℃、40-75℃或55-75℃。任选地，洗涤流体是水。与萃取浆料的流动相比，洗涤流体的流动可以是约0.25、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1。在一些实例中，不到40％、不到30％、不到20％、不到10％、不到5％、不到4％、不到3％、不到2.5％、不到2％不到1.5％或不到1％的固体保留在半纤维素糖流中。在一些实例中，将移动带在辊上翻转以使滤饼(即，木质纤维素剩余物流)掉落。任选地，用刮刀从带上刮掉残余的固体。萃取浆料中超过约60％、超过约70％、超过约80％、超过约90％或超过约95％的固体可以在木质纤维素剩余物流中回收。在除去木质纤维素剩余物流后，移动带可以在线路的开始处回滚到起始辊。真空带可以使用不同的布制造方法由各种材料制成，并且可以是织造的或非织造的。可以优化制造以产生所需的孔隙率、厚度和透气性。
本文所述的系统可以包含与萃取单元流体连通的精制单元，其中该精制单元被配置用于接收半纤维素糖流和胺萃取剂，并且其中该胺萃取剂从该半纤维素糖流中除去杂质以产生精制的半纤维素糖流。任选地，用胺萃取剂逆流萃取半纤维素糖流，例如，半纤维素糖流沿与胺萃取剂的流动相反的方向流动。精制单元可以包含混合器-沉降器装置、搅拌槽、液-液分离离心机或柱，其中该混合器-沉降器装置、搅拌槽、液-液分离离心机或柱装备有用于接收来自萃取单元的半纤维素糖流的液体进料装置。精制单元可以配备有用于接收胺萃取剂的入口。任选地，胺萃取在混合器-沉降器装置中进行，其中可以设计混合器-沉降器装置以使乳液形成最小化，从而减少相分离时间。混合器-沉降器可以包括将各相混合在一起的第一级，然后是允许各相通过重力分离的静止沉降级。可以使用本领域已知的各种混合器-沉降器。在一些实例中，可以通过将合适的离心机与混合器-沉降器结合来增强相分离。任选地，混合和分离都可以在液-液分离离心机中进行。液-液分离离心机可从各个供应商处商购获得，包括例如Rousselet Robatel Inc.和US Centrifuge Systems LLC。胺萃取可以在胺可溶的任何温度例如50-70℃下进行。任选地，胺萃取包括多于一个萃取步骤(例如，2、3或4个步骤)。胺萃取剂流(有机物流)与半纤维素糖流(水性流)之比可以为约0.5:1至约5:1重量/重量，例如约0.5:1、约1:1、约1.5:1、约2:1、约2.5:1、约3:1、约3.5:1、约4:1、约4.5:1或约5:1。在一些实例中，有机物流与水性流之比为约1.5-4.0:1重量/重量。精制单元还可以包含至少一个用于移出精制的半纤维素糖流的出口。在一些实例中，精制单元还包含用于使半纤维素糖流与离子交换树脂或活性炭接触以进一步抛光精制糖溶液的柱或批量单元。在一些实例中，所述出口与发酵单元流体连通。精制单元可以包含用于移出包含胺萃取剂的有机物流的第二出口。在一些实例中，处理该有机物流，并将所得纯化的胺萃取剂循环回到精制单元。
本文描述的系统可以包含与精制单元流体连通以分析精制的半纤维素糖流的感测单元。该感测单元可以连续地或分批分析精制的半纤维素糖流。在一些实例中，该感测单元包含pH探针。任选地，如果pH探针检测到精制的半纤维素糖流的pH太过酸性，例如pH小于约3.0，则该感测单元可转移该流离开发酵单元。在一些实例中，如果pH探针检测到精制的半纤维素糖流的pH太过酸性，则该感测单元被配置用于例如通过加入氨来提高溶液的pH。在一些实例中，该感测单元分析精制的半纤维素糖流的颜色，例如使用分光光度计。如果确定特定波长处的吸光度太高，则该感测单元可转移该流离开发酵单元。在一些实例中，该感测单元分析精制的半纤维素糖流的电导率，例如使用电导探针。如果确定电导率太高，例如电导率大于10,000microS/cm，则该感测单元可转移该流离开发酵单元。在一些实例中，该感测单元分析精制的半纤维素糖流的密度，例如使用折射计。如果确定密度太高或太低，例如密度对应于在50g/L至300g/L范围之外的糖浓度，则该感测单元可转移该流离开发酵单元，或者可添加水以稀释该流。该感测单元可以被配置用于分析精制的半纤维素糖流的一种或多种组分的浓度，其中所述一种或多种组分选自木糖、阿拉伯糖、己糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、二糖、寡糖、灰分、酚类化合物、糠醛和羟甲基糠醛。对于本方法和组合物描述的范围之外的任何浓度可导致该感测单元转移该流离开发酵单元，或通过适当的补偿或稀释来校正浓度。从发酵单元转出的任何流可以在工厂的一些其他过程中进一步精制或利用。
本文所述的系统可以包含与精制单元流体连通以接收精制的半纤维素糖流的发酵单元，其中该发酵单元被配置成含有包含精制流和微生物的发酵原料，其中该微生物促进由精制半纤维素糖流中的单糖产生木糖醇以产生发酵液。该发酵单元可以包含配备有至少一个水性进料入口以接收精制半纤维素糖流的罐。任选地，该发酵单元可以是温度控制的，使得该发酵单元将给定的发酵温度保持在±10℃内、±8℃内、±5℃内、±4℃内、±3℃内或±2℃内。任选地，该发酵单元包含一个或多个传感器，如温度传感器、密度传感器或pH传感器。任选地，该发酵单元包含密度传感器，如折射计，使得可以测量发酵液的比重。发酵液的密度变化高于或低于某一阈值可表明发酵已经消耗了所需浓度的半纤维素糖。该发酵单元的罐可以配备有至少一个出口，使得可以通过所述至少一个出口移出发酵液。
本文所述的系统可以包含木糖醇精制单元，其中该木糖醇精制单元被配置用于从发酵液中移出木糖醇。该木糖醇精制单元可以与发酵单元流体连通。在一些实例中，该木糖醇精制单元包含一个或多个过滤器，如微滤器、超滤器和纳滤器。任选地，该木糖醇精制单元包含三级过滤，使得发酵液经历微滤、超滤和纳滤。一个或多个过滤器可以与一个或多个柱流体连通，其中所述一个或多个柱可以包含活性炭，如粒状活性炭，或离子交换树脂，如强酸性阳离子树脂、弱碱性阴离子树脂或混合床树脂。任选地，所述一个或多个柱与蒸发单元流体连通，其中该蒸发单元被配置用于从溶液中蒸发水，从而增加溶解固体的浓度。任选地，该木糖醇精制单元包含木糖醇结晶单元。该木糖醇结晶单元可以与蒸发单元流体连通。在一些实例中，该木糖醇结晶单元包含用于搅拌溶液的装置。任选地，木糖醇结晶是温度控制的，使得该单元的温度可以逐渐冷却。该木糖醇结晶单元还可以包含用于接收乙醇的入口。在一些实例中，向木糖醇结晶单元中的溶液中加入乙醇以帮助木糖醇结晶。在一些实例中，该木糖醇结晶单元被配置用于以分批或连续模式从蒸发单元接收进料溶液。该木糖醇结晶单元可以包含筛网或过滤器，以便于通过过滤将木糖醇晶体从母液中分离，或者可以与配置用于接收结晶浆料的过滤器或离心机流体连通。所分离的木糖醇晶体可以重新溶解，所得到的木糖醇溶液转移到木糖醇抛光单元中。在一些实例中，该木糖醇抛光单元包含离子交换树脂，如SAC、WBA或MB树脂。任选地，该木糖醇抛光单元包含活性炭，如粒状活性炭。
在一些示例中，所描述的单元连接起来，使得质量块被转移通过连续的工艺步骤。固体进料单元可以将固体甘蔗渣块分批或连续地转移到分级磨机(sizing mill)。分级单元可以被配置用于分批或连续地将分级的甘蔗渣块转移到洗涤单元。该洗涤单元(1770)可以连接，使得经洗涤的甘蔗渣固体块连续地或分批地转移到半纤维素萃取单元。任选地，洗涤单元还连接到废物流，从而允许将包含去除的泥土和灰分的固体废物流移至处置位置。洗涤单元可以任选地连接到更为下游的其他工艺单元以接收工艺用水。半纤维素萃取单元(1700)可以连接以通过固体转移装置接收经洗涤的蔗渣块。任选地，半纤维素萃取单元也通过液体转移在其输出处连接到精制单元。半纤维素萃取单元还可以借助于固体转移连接到利使用固体木质纤维素剩余物流的其他过程。在一些实例中，精制单元(1710)通过液体转移装置连接到半纤维素萃取单元，向其供应萃取液。精制单元可以借助于液体转移连接到发酵单元(1900)，向其供应精制的半纤维素糖流作为木糖醇发酵的进料。或者，该精制单元借助于液体转移连接到木糖分级分离单元(1720和1837)。在图2A中提供了将富含木糖的半纤维素糖混合物(1720-P1)转化成下游产物的示例性转化过程的示意图。木糖分级分离单元可以借助于液体转移连接到发酵单元(1900)，向其供应富含木糖的糖混合物以供木糖醇生产。木糖醇可以在木糖醇精制单元(1920)中精制。木糖分级分离单元任选地可替代地或附加地连接至用于生产结晶木糖(1841-PI)的木糖结晶单元(1841)。该结晶木糖可在用于将木糖催化转化成木糖醇的催化转化单元(1910)中使用，任选在木糖醇结晶单元(1915)中结晶以产生木糖醇(1950-P1)。木糖分级分离单元可以任选地可替代地或附加地连接至用于将C5糖化学转化成糠醛(1780-P1)的另一过程(1780)。在一些实例中，木糖分级分离单元还通过液体转移装置连接至能够使用木糖耗尽的糖混合物作为进料将糖混合物生物化学或化学转化成产物的另一过程。在图2C中提供了将木糖耗尽的糖混合物(1720-P3)转化成下游产物的示例性过程的示意图。木糖耗尽的糖混合物可以经历第二次分级分离(2000)，得到阿拉伯糖产物(2000-P1)。可以任选地可替代地或附加地在厌氧消化单元(2030)中消化木糖耗尽的糖混合物以产生甲烷(2030-P1)。在一些实例中，木糖发酵单元借助于液体转移与木糖分级分离单元连接，向其供应富含木糖的糖混合物作为进料。发酵单元可以借助于液体转移连接至木糖醇精制单元。在一些实例中，木糖醇精制单元借助于液体转移连接至发酵单元，向其供应含有木糖醇的混合物。木糖醇精制单元可以与木糖醇结晶单元连接，借助于液体转移向其供应精制的和分级分离的木糖醇。木糖醇精制单元也可以借助于液体转移连接至能够利用在木糖醇分级分离时排出的流的另一过程。木糖醇精制单元可以替代地连接至发酵单元，将被排出的液体流转移回发酵单元，以再循环营养物和残余的糖。在优选的实例中，本文公开的连接的单元的整个系统以协调的方式工作，从而得到用于高效且积极经济地产生精制半纤维素糖混合物、木糖、木糖醇以及由其制成的其他产物的工业系统。
在一些实例中，对不同连接的传质通量进行优化以匹配每个通量上游和下游的通量，使得单元得到优化以被有效地使用。能量可以从单元转移到单元，使得利用一个单元中的余热来加热另一个单元。可以针对整个过程优化本文公开的所有单元的能量使用。
在一些实例中，针对整个过程优化水的使用。在一个单元中产生的过量水可以通过液体转移装置转移，以在另一单元中需要水的情况下使用。任选地，针对整个过程优化酸和碱的使用，以使得对新鲜酸或碱的需要最小化。例如，通过酸洗液使阳离子交换树脂再生而产生的酸性流用于在其他单元中再生弱酸阳离子交换剂和/或酸化或中和流。
所述系统可以构建成使得它每年可以将至少35,000吨(干固体)的甘蔗渣进料到该系统中，以便每年生产至少7,000吨(干固体)精制半纤维素糖。该系统任选地构建成使得它每年可以生产至少5000吨(干固体)木糖，每年至少2,000吨(干固体)部分耗尽的木糖混合物，以及至少24,000吨(干固体)木质纤维素剩余物。该系统任选地构建成使得它产生约250gpm的废水。
实施例
应当理解，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明的目的，而并非旨在限制所请求保护的本发明的范围。还应当理解，根据本文所述的实施例和实施方案的各种修改或改变对于本领域技术人员将是启示性的，并且将包括于本申请的精神和权限以及所附如权利要求的范围内。本文所引用的所有出版物、专利和专利申请均为了所有目的而通过引用整体并入本文。
实施例1-泥土和灰分去除之前和之后的路易斯安那(Louisiana)甘蔗渣原料的灰分分
析
通过在微波炉(3.1.CEM PhoenixTM微波马弗炉)中将样品灰化来评估从在路易斯安那州的糖厂的堆积物(pile)取得的甘蔗渣样品的灰分分数。发现甘蔗渣样品含有13.4％的灰分。
表1A：去除泥土和灰分的不同处理之后的灰分结果
| 样品 | ％灰分 |
| 路易斯安那样品R1 | 13.12 |
| 路易斯安那样品A | 17.81 |
| 路易斯安那样品R2 | 13.38 |
| 用水洗涤的样品R1 | 12.78 |
| 用水洗涤的样品A | 17.16 |
| 样品R2，1次剪切处理，1次压力洗涤 | 6.67 |
| 样品A，2次剪切处理，2次压力洗涤 | 2.52 |
| 样品R2，6次剪切处理，6次压力洗涤 | 2.68 |
| 样品R2，8次剪切处理，8次压力洗涤 | 2.26 |
表1A中总结的结果表明从不同的糖厂和在不同的采样时间获得的路易斯安那甘蔗渣中存在高灰分。该结果还显示，为了实现泥土和灰分的有效去除，必需应用剪切处理和高压洗涤的若干循环，以促使石头、沙子和灰分化合物的溶胶的去除。剩余的甘蔗渣仍含有2-3％的“真”灰分，其与细胞结构中在分子水平上缔合的金属阳离子和其他元素相关。
将另一甘蔗渣样品碾磨并脱灰，并在脱灰之前和之后使样品通过一系列的筛网进行筛分。
表1B：甘蔗渣的脱土/脱灰
表1B中总结的结果证明了通过工业手段采用剪切处理和高压洗涤从甘蔗渣原料中去除大部分的泥土和灰分的能力，同时仍保持约85％的最初原料的尺寸大于30目，其允许进一步处理经洗涤的材料。
实施例2-不同甘蔗渣样品的表征
在实际操作条件下，工业过程应能够利用不同储存历史的甘蔗渣，因为甘蔗渣可以由糖厂堆积储存超过1、3、5年或甚至超过10、12或14年。此外，甘蔗收获季节约为3个月，糖生产是季节性的过程，而生物炼制厂则应全年运营。进一步有利的是，可以在同一过程中处理过量的叶子和田间碎屑以收获木糖部分并消除农民和/或糖厂处理碎屑的瓶颈。表征已储存一年以上的甘蔗渣样品、新甘蔗渣和田间碎屑。“新甘蔗渣”样品来自最多4年前积累的堆积物，“旧甘蔗渣”样品来自5至15年前积累的堆积物，而“叶”和其他田间碎屑根据实施例1进行脱土/脱灰。将洗涤过的样品加热至160℃ 60分钟以萃取半纤维素糖。根据NREL/TP-510-42622分析萃取之前和之后的木质纤维素生物质。通过HPAE-PAD分析固相和水解液的碳水化合物组成。结果总结在表2中。结果表明，所有样品都可以通过本文公开的方法和系统来处理。
表2：不同甘蔗渣和田间碎屑样品的组成
| 水性浓度；％w/w | 水解产物 | 水解产物 | 水解产物 | |||
| 海藻糖 | 0 | 0 | 0.00 | |||
| 阿拉伯糖 | 0.08 | 0.005 | 0.12 | |||
| 半乳糖 | 0.02 | 0.005 | 0.02 | |||
| 葡萄糖 | 0.12 | 0.088 | 0.25 | |||
| 木糖 | 0.58 | 0.326 | 0.59 | |||
| 甘露糖 | 0.03 | 0.006 | 0.01 | |||
| 果糖 | 0.02 | 0.003 | 0.03 | |||
| 异麦芽糖 | 0 | 0 | 0.00 | |||
| 纤维二糖 | 0 | 0 | 0.00 | |||
| 麦芽糖 | 0 | 0 | 0.00 | |||
| 木糖/单体 | 68.2％ | 75.3％ | 57.1％ | |||
| C6/木糖 | 32.8％ | 31.3％ | 54.7％ |
实施例3-路易斯安那甘蔗渣的切碎
从一个糖厂收到成堆的甘蔗渣。使用木片切削机切碎生物质并通过一系列筛网进行筛分。压碎/切碎的甘蔗渣的典型颗粒大小在表3中呈现。
表3：切碎的甘蔗渣的颗粒大小
| 目 | 微米 | ％On |
| 12 | 1680 | 6.2 |
| 20 | 841 | 3.6 |
| 30 | 595 | 16.5 |
| 40 | 420 | 20.4 |
| 60 | 250 | 21.6 |
| 80 | 177 | 10.2 |
| 100 | 149 | 5.9 |
| 120 | 125 | 2.4 |
| 200 | 74 | 6.5 |
| Thru | 74 | 7.3 |
| 100.6 |
实施例4-生物质的萃取、精制和分级分离
将甘蔗渣在木材粉碎机中切碎。在温度控制的罐中洗涤切碎的甘蔗渣，并用含有0.5％H2SO4(wt/wt)的水溶液以14.2:1的液固比处理洗后的甘蔗渣(60磅，干基)。温度控制的罐的平均温度在130-135℃保持3小时。该溶液通过泵送进行循环。收集所得的液体，并用水洗涤固体。然后通过按需要加入酸，用该洗涤水制备用于下一批次的酸溶液。收集并干燥半纤维素耗尽的木质纤维素剩余物流。
使酸性半纤维素糖流穿过SAC柱。然后用胺萃取剂(30:70三月桂胺:己醇)在一系列混合沉降器(2级)中对糖流进行连续萃取。胺萃取剂与糖流之比保持在2:1至1.5:1的范围内。所得的水相通过使用SAC树脂、WBA树脂、粒状活性炭和混合床树脂来进一步纯化。用0.5％HCl将所得流的pH调节至4.5，并将糖溶液蒸发至约30％DS的浓度。所得精制的半纤维素糖流含有约7％阿拉伯糖、2.5％半乳糖、6.5％葡萄糖、65％木糖、1.5％甘露糖、4％果糖和14％寡糖(均为％重量/总糖)。这种糖溶液通过在SSMB系统中分级分离而进一步处理，从而产生富含木糖的级分和木糖耗尽的级分。各个级分通过蒸发进行浓缩。表4提供了所得到的富含木糖的糖溶液的化学分析。
表4：通过从甘蔗渣进行半纤维素糖萃取和纯化而产生的富含木糖的糖流的化学分析
实施例5-生物质的萃取和精制
甘蔗渣根据实施例1和3所述切碎并脱土，并通过过滤分离精制的固体。通过首先与SAC树脂接触、随后通过胺萃取除去大部分杂质来精制所收集的半纤维素糖流。通过与SAC树脂、WBA树脂接触进一步对精制的糖水溶液进行抛光，最后蒸发至高于70％重量/重量溶解糖的浓度。该过程在Virdia PDU,Danville,VA处以中试规模进行。表5总结了精制的半纤维素糖流的糖概况。
表5：通过从甘蔗渣进行半纤维素糖萃取和纯化而产生的精制半纤维素糖流的糖组成
| 样品 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 |
| 总糖(g) | 87.53 | 87.53 | 86.68 | 89.79 | 76.02 | 87.81 | 76.25 | 71.41 | 81.11 | 88.41 | 83.25 |
| 阿拉伯糖(g) | 5.59 | 5.59 | 6.13 | 5.90 | 4.81 | 5.59 | 3.63 | 3.14 | 3.60 | 4.06 | 4.80 |
| 半乳糖(g) | 2.05 | 2.05 | 2.12 | 2.03 | 1.62 | 2.02 | 1.84 | 1.74 | 1.78 | 1.95 | 1.92 |
| 葡萄糖(g) | 5.09 | 5.09 | 5.58 | 5.33 | 4.65 | 6.79 | 7.15 | 6.75 | 7.54 | 6.79 | 6.07 |
| 木糖(g) | 58.69 | 58.69 | 56.58 | 59.05 | 52.14 | 58.11 | 50.65 | 47.21 | 56.24 | 55.10 | 55.25 |
| 甘露糖(g) | 1.51 | 1.51 | 1.12 | 1.43 | 1.30 | 2.27 | 2.22 | 2.09 | 2.27 | 1.84 | 1.75 |
| 果糖(g) | 3.12 | 3.12 | 3.37 | 1.97 | 1.54 | 2.52 | 2.86 | 2.94 | 2.16 | 3.49 | 2.71 |
如表5所示，从甘蔗渣生产的精制半纤维素糖流平均含有66％的木糖、6％的阿拉伯糖和15％的己糖，均为相对于总糖的重量/重量。因此，表5中例示的流适用于转化成木糖醇的本发明方法。
实施例6-精制半纤维素糖流的分级分离
通过色谱法(按照PCT/US2013/039585)分级分离按照实施例5产生的精制半纤维素糖流1至10，以产生富含木糖的萃取物流1至10(表6A)和木糖耗尽的残余物流1至10(表6B)。图6提供了脉冲测试色谱图，其显示精制的半纤维素糖流的分级分离。该脉冲测试证明了分级分离精制半纤维素糖流以获得富含木糖的流和木糖耗尽的流的能力。
表6A：由甘蔗渣产生的富含木糖的糖混合物的糖组成
| 样品 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 |
| 总糖(g) | 45.01 | 45.01 | 67.60 | 66.06 | 70.42 | 69.72 | 44.97 | 63.04 | 58.11 | 46.74 | 57.67 |
| 阿拉伯糖(g) | 0.23 | 0.23 | 3.35 | 4.38 | 3.60 | 3.91 | 1.06 | 2.16 | 1.60 | 0.96 | 2.15 |
| 半乳糖(g) | 0.04 | 0.04 | 0.58 | 0.96 | 0.69 | 0.73 | 0.25 | 0.76 | 0.48 | 0.20 | 0.47 |
| 葡萄糖(g) | 0.37 | 0.37 | 3.31 | 4.52 | 3.57 | 4.16 | 1.85 | 4.08 | 3.20 | 1.36 | 2.68 |
| 木糖(g) | 39.09 | 39.09 | 57.86 | 53.33 | 60.13 | 55.34 | 38.27 | 51.98 | 50.18 | 39.89 | 48.51 |
| 甘露糖(g) | 0.23 | 0.23 | 0.69 | 1.32 | 0.84 | 1.91 | 0.80 | 1.64 | 1.40 | 0.88 | 1.00 |
| 果糖(g) | 0.68 | 0.68 | 1.78 | 1.55 | 1.58 | 3.67 | 2.75 | 2.40 | 1.20 | 3.40 | 1.97 |
表6B：由甘蔗渣产生的木糖耗尽的糖混合物的糖组成
| 样品 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 |
| 总糖(g) | 18.00 | 18.00 | 19.15 | 18.00 | 10.24 | 17.62 | 15.32 | 12.68 | 19.53 | 22.98 | 17.15 |
| 阿拉伯糖(g) | 2.32 | 2.32 | 2.42 | 1.63 | 1.14 | 1.84 | 1.21 | 1.24 | 2.07 | 2.11 | 1.83 |
| 半乳糖(g) | 1.36 | 1.36 | 1.32 | 1.00 | 0.63 | 1.12 | 1.07 | 0.94 | 1.53 | 1.49 | 1.18 |
| 葡萄糖(g) | 1.88 | 1.88 | 2.02 | 1.27 | 0.89 | 1.53 | 2.54 | 2.64 | 4.79 | 3.75 | 2.32 |
| 木糖(g) | 2.87 | 2.87 | 3.17 | 3.82 | 2.14 | 3.78 | 3.13 | 2.51 | 4.60 | 5.02 | 3.39 |
| 甘露糖(g) | 0.36 | 0.36 | 0.42 | 0.28 | 0.15 | 0.29 | 0.45 | 0.46 | 0.84 | 0.80 | 0.44 |
| 果糖(g) | 0.57 | 0.57 | 0.65 | 0.51 | 0.20 | 0.19 | 0.72 | 0.46 | 0.57 | 1.07 | 0.55 |
如表6A所示，由甘蔗渣产生的富含木糖的糖混合物平均包含84％的木糖、4％的阿拉伯糖和11％的己糖，均为相对于总糖的重量/重量。一些富含木糖的混合物，如样品3，具有较低的己糖浓度(86％的木糖、5％的阿拉伯糖和9％的己糖)。平均来说，表6A中例示的样品适用于转化成木糖醇的本发明方法，尽管一些个别的样品可能具有比理想比例更高的木糖与己糖之比。令人惊讶的是，精制的半纤维素糖流的分级分离对于产生适合于转化成木糖醇的糖流可能不是必要的。
如表6B所示，由甘蔗渣产生的木糖耗尽的糖混合物平均包含20％的木糖、11％的阿拉伯糖和26％的己糖，均为相对于总糖的重量/重量。
实施例7-用于向发酵过程进料的糖组成
本文公开的精制半纤维素糖流特别适合作为用于发酵物种的进料，该发酵物种能够高特异性地将木糖氢化为木糖醇，并能够使用C6糖以及至少一些阿拉伯糖作为其增殖的能量来源。表7总结了适合用于木糖醇生产进料的典型精制半纤维素糖流。
表7：适合作为木糖醇发酵进料的精制半纤维素糖流的糖组成
实施例8-来自模型溶液的木糖醇结晶
评估了通过结晶和色谱法从含有木糖醇、阿拉伯糖醇和木糖的混合物中纯化木糖醇的能力。在附接到循环水加热器/冷却器的搅拌的带夹套烧杯中进行结晶。制备溶液以模拟发酵产物：将300g含有93.9％木糖醇、3.7％木糖和2.8％阿拉伯糖醇/阿拉伯糖的溶液稀释至79.2％DS，并以指定的mol％根据溶剂的总重量加入乙醇。通过用木糖醇接种在65℃下开始结晶，并将溶液在16小时内冷却至35℃。通过过滤收集晶体，用乙醇洗涤，干燥，并通过HPAE-PAD分析木糖醇纯度。木糖醇的产率和纯度总结在表8中。观察到实现了木糖醇的高产率(例如在一次结晶中为77％)，就还原糖和阿拉伯糖醇而言，木糖醇为99.9％纯。
表8：木糖醇晶体的产率和纯度
实施例9-从结晶母液中分级分离木糖醇
从含有43％重量/重量的木糖醇、6％重量/重量的阿拉伯糖醇、6％重量/重量的木糖和8％重量/重量的乙醇的混合物中分级分离木糖醇。该混合物的组成代表结晶母液中存在的主要组分。
使用250mL Purolite PCR 642(凝胶形式，苯乙烯二乙烯基苯共聚物，官能团为磺酸，平均珠粒尺寸为295-335μm)进行脉冲测试。将凝胶用含有锶盐的溶液预处理，使其完全成为锶形式。注入12.5mL木糖醇混合物样品，然后以8.33mL/min进行水洗脱。观察到从该混合物中有效分级分离出木糖醇，木糖峰值在0.61BV，乙醇在0.72BV，阿拉伯糖醇在0.84BV，木糖醇峰值在0.96BV。脉冲测试结果在图7中示出。该脉冲测试证明了分级分离母液溶液以获得木糖醇流、阿拉伯糖醇流和还原糖流的能力。
实施例10：旧和新甘蔗渣中试规模的脱灰/脱土
构建了如图8示出的系统，其包含4个用于固/液分离的筛网(Fluidquip,DSM,Screen Service)和最终的螺旋压榨机(Vincent Corporation)。对来自Raceland,LA的40吨甘蔗渣进行灰分和含水量的分析，发现灰分水平为12.9±1.6％wt/wt，水分水平为56.6±6.6％wt/wt。首先切碎甘蔗渣，以打碎团块并进料至图8的洗涤单元。每天收集经洗涤和脱水的甘蔗渣，以分析残余灰分量。图10示出的每日结果表明，该洗涤系统成功地从甘蔗渣进料中去除了泥土，从而将测得的灰分水平降低到6％wt/wt以下。
实施例11-从半纤维素糖流中过滤、洗涤和脱水木质纤维素剩余物流
加热经洗涤的甘蔗渣，以在类似于实施例4的条件下以2000-3000Lb的批次萃取半纤维素糖。将收集到的浆料连续进料到0.6m2不锈钢024过滤器(BHS Sonthofen Inc)中。固体浓度为7.5-8％的浆料在70℃下以0.5-1.5加仑/分钟(平均约1加仑/分钟)的通量进料。洗涤液为70℃的自来水。使用聚丙烯(850μm厚，透气度为50L/m2S)作为过滤材料。在过滤之前，用蒸汽吹扫浆料以将温度升高至70℃。使用蒸汽和空气分散装置在容器(totes)中搅拌并加热浆料。然后使用隔膜泵将浆料泵送到过滤器。滤饼用热水洗涤。使滤饼在真空下脱水并通过90度辊排出。分析滤饼中的水分、灰分和残余游离糖，结果总结在表11中，显示木质纤维素剩余物流的有效洗涤和脱水。通过离心滤液样品来评价滤液的澄清度。母过滤器的固体含量估计小于0.1％，并且在洗涤滤液中没有固体含量可见，表明通过过滤有效地除去了固体。
表11：木质纤维素剩余物流中的水分、灰分和残余糖
实施例12-在实施例11中收集的半纤维素水解产物的精制
通过与SAC树脂接触，随后进行胺萃取来精制实施例11中收集到的半纤维素水解产物。将精制的水溶液蒸发以除去溶剂，然后通过与SAC树脂、WBA树脂、MB树脂接触进一步抛光，最后蒸发至约70％wt/wt DS。分析最终糖产物并显示其具有表12A的组成。通过色谱法分级分离一些材料以富集木糖级分，其组成在表12B中提供。这两种样品都被各种微生物成功发酵为木糖醇，其中适当地添加C6糖(如葡萄糖)以支持微生物的增殖。
表12A：通过从甘蔗渣进行半纤维素糖萃取和纯化而产生的精制半纤维素糖流的糖组成
参考：DB4D01
表12B：通过从甘蔗渣进行半纤维素糖萃取和纯化而产生的富含木糖的糖流的糖组成
参考：DB4D02
实施例13-中试规模的脱土步骤和半纤维素萃取步骤后的生物质组成分析
来自Raceland,LA的甘蔗渣根据实施例10进行脱灰，并如实施例11所述萃取和分离。在每个工艺步骤之后收集固体生物质的样品，干燥并分析其组成。表13总结了结果，表明该固体在脱灰/脱土步骤中被有效脱灰，半纤维素糖被有效萃取，以及通过在萃取步骤时萃取生理结合的金属而减少存在于生物质中的大部分剩余金属元素。脱灰的生物质预期比用作能量使用的进料(例如，氧化燃烧以直接产生能量或热解生成生物油)的进料生物质更合适。由于更多的无机内含物以及一些碳水化合物被去除，使得木质素的百分比从平均约24％增加至平均约40％，因此半耗竭的生物质预计是更好的用于能量目的的进料。较高的木质素含量和较低的糖含量导致生物质的能量密度较高。
表13：在脱灰步骤后和半纤维素萃取步骤后Raceland甘蔗渣的组成分析
实施例14-精制半纤维素糖流的发酵
如美国公开号2013/0217070所述对含有发酵培养基(胰蛋白胨，14g；酵母提取物，7g；磷酸氢二钾，4.2g；氯化钠，7g；硫酸镁，2g；水，750mL，消泡剂Cognis Clerol FBA 3107，3滴)的发酵罐进行灭菌。加入根据本发明方法(例如，如实施例5和7所述)制备的精制半纤维素糖流(100mL，包含30g木糖)。发酵罐在30℃下用50mL的适当微生物(例如，ZUC220或ZUC170)的起子培养物接种，并且在搅拌(800RPM)下使发酵在30℃和pH 7.0(控制NH4OH控制)下运行，并以1LPM引入空气，如美国公开号2013/0217070所述。接种后的体积为900mL。24小时后，加入额外的精制半纤维素糖流(185mL，包含130g木糖)。接种后，使发酵运行总共80小时，然后通过过滤从木糖醇流中分离微生物。木糖醇如实施例8所述结晶。本公开的发酵方法可以显示大于1.5g/L/h(“A”生产率)、1.0至1.5g/L/h(“B”生产率)、0.5至1.0g/L/h(“C”生产率)或小于0.5g/L/h(“D”生产率)的容积生产率。在一些实例中，本文所述的发酵方法的木糖醇产率为大于100g/L(“A”产率)、75至100g/L(“B”产率)、50至75g/L(“C“产率)或小于50g/L(“D”产率)。发酵条件的其他实例可见于例如美国公开号2013/0217070。
实施例15-通过糖精制方法去除蛋白质和氨基酸
蛋白质和氨基酸通常存在于生物质原料中，并且可以从糖溶液中去除，以避免抑制用于工业发酵过程的一些微生物。当使用甘蔗叶作为原料时，这可能是必要的，因为叶子中固有地比蔗杆中存在更多的蛋白质和氨基酸。甘蔗渣和叶子的样品如实施例5所述水解并精制。由Galbraith Laboratories,Inc.分析甘蔗渣、叶子和由其衍生的精制半纤维素糖流的样品的氮和蛋白质含量，结果总结在表15中。可以看出，在精制过程中，含氮分子已被有效去除，因为两个样品都包含少于200ppm的氮。
表15：生物质和由其产生的精制半纤维素糖流中的氮和蛋白质分析
本发明进一步的实施方案
1.一种由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的方法，其包括：
(i)发酵精制的半纤维素糖流以产生包含木糖醇的发酵液；以及
(ii)从所述发酵液中回收木糖醇；
其中所述精制的半纤维素糖流已经通过包括以下步骤的过程产生：
(a)从所述生物质中萃取半纤维素糖，从而得到半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；
(b)使所述半纤维素糖流与胺萃取剂接触以形成混合物；以及
(c)从所述混合物中分离出包含所述胺萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及所述精制的半纤维素糖流。
2.实施方案1的方法，其中所述生物质选自硬木、木浆、甘蔗渣、甘蔗叶、桦木、桉木、玉米芯、玉米秸秆、椰子壳、柳枝稷和小麦秸秆，或其组合。
3.实施方案2的方法，其中所述生物质选自甘蔗渣和甘蔗叶，或其组合。
4.实施方案1至3中任一项的方法，其还包括在从所述生物质中萃取半纤维素糖之前减少所述生物质的灰分和泥土含量。
5.实施方案4的方法，其中所述减少包括所述生物质的制浆、洗涤和脱水中的一个或多个阶段。
6.实施方案1至5中任一项的方法，其中所述萃取半纤维素糖包括热水萃取。
7.实施方案6的方法，其还包括酸。
8.实施方案7的方法，其中所述酸是无机酸。
9.实施方案7或8的方法，其中所述酸以至多2％重量/重量的量存在。
10.实施方案6至9中任一项所述的方法，其中所述萃取在100至200℃的温度下进行。
11.实施方案1至10中任一项的方法，其中所述胺萃取剂包含胺和稀释剂。
12.实施方案11的方法，其中所述胺包含至少20个碳原子。
13.实施方案12的方法，其中所述胺是三月桂胺。
14.实施方案11至13中任一项的方法，其中所述稀释剂包含醇。
15.实施方案14的方法，其中所述稀释剂包含己醇或2-乙基-1-己醇。
16.实施方案11至13中任一项的方法，其中所述稀释剂包含C6-12单醇、煤油或其混合物。
17.实施方案1至16中任一项的方法，其中所述至少一种杂质选自灰分、酸溶性木质素、糠醛、脂肪酸、无机酸、有机酸、甲醇、蛋白质、氨基酸、甘油、甾醇、松香酸和蜡质材料。
18.实施方案1至17中任一项所述的方法，其中所述发酵液还包含选自天然存在的细菌、重组细菌、天然存在的酵母、重组酵母和真菌的微生物。
19.实施方案18的方法，其中所述微生物是大肠杆菌菌株。
20.实施方案1至19中任一项的方法，其中所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少60克的木糖醇。
21.实施方案20的方法，其中所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少100克的木糖醇。
22.实施方案1至21中任一项的方法，其中所述发酵以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。
23.实施方案1至22中任一项的方法，其中所述发酵液包含少于1克/升的乙醇。
24.实施方案1至23中任一项的方法，其中所述生物质中至少70％的木糖被转化成木糖醇。
25.实施方案1至24中任一项的方法，其中所述精制的半纤维素糖流的木糖含量为所述半纤维素糖流的木糖含量的至少80％。
26.实施方案1至25中任一项的方法，其中所述发酵不包含通过结晶纯化的木糖。
27.实施方案1至26中任一项的方法，其中所述精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少50％重量/重量的木糖。
28.实施方案27的方法，其中所述精制的半纤维素糖流包含相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖。
29.一种通过发酵来源于木质纤维素水解产物的精制半纤维素糖流来生产木糖醇的方法，其包括通过微生物发酵将所述精制半纤维素糖流中的木糖转化成木糖醇，其中所述精制半纤维素糖流包含：相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖、少于200ppm的钙和至多1000ppm的量的糠醛。
30.实施方案29的方法，其中所述微生物选自天然存在的细菌、重组细菌、天然存在的酵母、重组酵母和真菌。
31.实施方案30的方法，其中所述微生物是大肠杆菌菌株。
32.实施方案29至31中任一项的方法，其中所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少60克的木糖醇。
33.实施方案29至32中任一项的方法，其中所述发酵在少于80小时内产生每升发酵液至少100克的木糖醇。
34.实施方案29至33中任一项的方法，其中所述发酵以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。
35.实施方案1至34中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖小于5％重量/重量的寡聚体。
36.实施方案1至35中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。
37.实施方案36的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖3-12％重量/重量的阿拉伯糖。
38.实施方案1至37中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖。
39.实施方案38的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖10-50％重量/重量的己糖。
40.实施方案38或39的方法，其中所述己糖包含葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。
41.实施方案38至40中任一项的方法，其中葡萄糖和果糖占所述己糖的至少50％重量/重量。
42.实施方案1至41中任一项的方法，其中木糖与己糖之比为1.5:1至5:1重量/重量。
43.实施方案1至42中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。
44.实施方案1至43中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含至多0.25％重量/重量的量的灰分。
45.实施方案1至44中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含至多200ppm的量的酚类化合物。
46.实施方案1至45中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含至多200ppm的量的糠醛。
47.实施方案1至46中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含少于200ppm的钙。
48.实施方案1至47中任一项的方法，其中所述精制半纤维素糖流包含至多1000ppm的量的氮。
49.一种用于由含木质纤维素的生物质生产木糖醇的系统，其包含：
(i)半纤维素萃取单元，其被配置用于从所述生物质萃取和水解半纤维素，以产生半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；
(ii)与所述萃取单元流体连通的精制单元，其中该精制单元被配置用于接收所述半纤维素糖流和胺萃取剂，并且其中该胺萃取剂从所述半纤维素糖流中除去杂质以产生精制的半纤维素糖流；
(iii)感测单元，其被配置用于分析所述精制半纤维素糖流的一个或多个参数；
(iv)与所述精制单元流体连通以接收所述精制半纤维素糖流的发酵单元，其中该发酵单元被配置成含有所述精制流和微生物，并且其中该微生物促进由所述精制流中的单糖产生木糖醇以产生发酵液；和
(v)木糖醇精制单元，其中该木糖醇精制单元被配置用于从所述发酵液中移出木糖醇。
50.实施例49的系统，其还包括被配置用于从所述生物质中除去灰分和泥土的洗涤单元，其中所述半纤维素萃取单元与所述洗涤单元流体连通。
51.实施方案49或50的系统，其中所述精制半纤维素糖流中至少90％的木糖在所述发酵单元中被转化成木糖醇。
52.实施方案49至51中任一项的系统，其中在所述发酵单元中以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。
53.实施方案49至52中任一项的系统，其中所述发酵液包含少于10g/L的乙醇。
54.实施方案53的系统，其中所述发酵液包含少于4.5g/L的乙醇。
55.实施方案53的系统，其中所述发酵液包含少于1g/L的乙醇。
56.实施方案49至55中任一项的系统，其中所述生物质选自甘蔗渣和甘蔗叶，或其组合。
57.实施方案49至56中任一项的系统，其中所述一个或多个参数选自pH、吸光度、电导率、密度、木糖浓度和己糖浓度
58.一种发酵原料，其包含：
(i)相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖；
(ii)相对于总溶解糖10-45％重量/重量的己糖；
(iii)相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；
(iv)相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖；
(v)至多1000ppm的量的糠醛；和
(vi)少于200ppm的钙。
59.实施方案58的发酵原料，其还包含：
(vii)少于1000ppm的乙酸；和
(viii)少于1000ppm的甲酸。
60.实施方案58或59的发酵原料，其还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。
61.实施方案58至60中任一项的发酵原料，其还包至多1000ppm的量的氮。
62.实施方案58至61中任一项的发酵原料，其还包含微生物。
63.一种发酵液，其包含：
(i)至少60g/L的木糖醇；
(ii)少于10g/L的乙醇；
(iii)至多50g/L的量的木糖；
(iv)至多35g/L的量的己糖；
(v)至多1000ppm的量的糠醛；和
(vi)少于200ppm的钙。
64.实施方案63的发酵液，其还包含：
(vii)少于1000ppm的乙酸；和
(viii)少于1000ppm的甲酸。
65.实施方案63或64的发酵液，其还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。
66.实施方案63至65中任一项的发酵液，其还包含微生物。
67.一种木糖醇组合物，其包含：
(i)相对于总溶解固体至少98％重量/重量的木糖醇；
(ii)相对于总溶解固体至多1％重量/重量的量的寡糖；和
(iii)至多1％的量的己糖。
68.实施方案67的组合物，其还包含相对于总溶解固体至多0.25％重量/重量的量的灰分。
69.实施方案67或68的组合物，其还包含至多1000ppm的量的糠醛。
70.实施方案67至69中任一项的组合物，其还包含至多100ppm的量的胺，并且其中所述胺包含至少12个碳原子。
71.实施方案67至70中任一项的组合物，其还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。
72.实施方案67至71中任一项的组合物，其中所述己糖选自葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。
73.实施方案67至72中任一项的组合物，其还包含少于100ppm的阿拉伯糖醇。
74.实施方案67至73中任一项的组合物，其还包含少于100ppm的半乳糖醇。
75.如权利要求74的组合物，其还包含少于1ppm的半乳糖醇。
76.实施方案67至75中任一项的组合物，其中所述组合物来源于含木质纤维素的生物质的水解产物。
77.实施方案67至76中任一项的组合物，其中所述组合物是结晶的。
78.实施方案67至76中任一项的组合物，其中所述组合物以水溶液形式提供。
79.实施方案78的组合物，其中所述水溶液包含至少50％重量/重量的溶解固体。
80.一种生产适于转化成木糖醇的精制半纤维素糖流的方法，其包括：
(i)从生物质中萃取半纤维素糖，从而获得半纤维素糖流和木质纤维素剩余物流；
(ii)使所述半纤维素糖流与胺萃取剂接触以形成混合物；
(iii)从所述混合物中分离出包含所述胺萃取剂和至少一种杂质的有机物流以及精制半纤维素糖流；以及
(iv)测量木糖、阿拉伯糖、己糖、二糖、灰分、乙酸、甲酸、酚类化合物、糠醛、钙和氮中的至少一种的浓度；
其中如果所述精制流包含以下成分，则所述精制半纤维素糖流适于转化成木糖醇：
(1)相对于总溶解糖至少50％重量/重量的木糖；
(2)相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖；和
(3)少于200ppm的钙；
并且其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至少一种选自以下的特征：
(4)相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖；
(5)相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖；
(6)至多0.25％重量/重量的量的灰分；
(7)少于1000ppm的乙酸；
(8)少于1000ppm的甲酸；
(9)至多200ppm的量的酚类化合物；
(10)至多200ppm的量的糠醛；和
(11)至多1000ppm的量的氮；
并且其中对不适合转化成木糖醇的精制流进一步精制。
81.实施方案80的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多200ppm的量的糠醛。
82.实施方案80或81的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。
83.实施方案80至82中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。
84.实施方案80至83中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多0.25重量/重量的量的灰分。
85.实施方案80至84中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的乙酸。
86.实施方案80至85中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的甲酸。
87.实施方案80至86中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多200ppm的量的酚类化合物。
88.实施方案80至87中任一项的方法，其中所述适于转化成木糖醇的精制流还包含至多1000ppm的量的氮。
Claims (17)
1.一种通过发酵来源于木质纤维素水解产物的精制半纤维素糖流来生产木糖醇的方法，其包括通过微生物发酵将所述精制半纤维素糖流中的木糖以至少1g木糖醇/L/h的速率转化成木糖醇，其中所述精制半纤维素糖流包含：相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖、相对于总溶解糖至少10％重量/重量的己糖、少于200ppm的钙、至多1000ppm的量的氮和至多1000ppm的量的糠醛，其中葡萄糖和果糖占所述己糖的至少50％重量/重量。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述己糖包含葡萄糖、半乳糖、甘露糖和果糖。
3.如权利要求1所述的方法，其中木糖与己糖之比为1.5:1至5:1重量/重量。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述精制半纤维素糖流还包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述精制半纤维素糖流还包含相对于总溶解糖小于5％重量/重量的寡聚体。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述精制半纤维素糖流还包含至多0.25％重量/重量的量的灰分。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述精制半纤维素糖流还包含量至多200ppm的量的酚类化合物。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述精制半纤维素糖流还包含至多200ppm的量的糠醛。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述木糖尚未通过结晶纯化。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述转化在少于80小时内产生每升发酵液至少60克的木糖醇。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述转化产生每升发酵液少于1克的乙醇。
12.来源于木质纤维素水解产物的发酵原料，其包含：
(i)相对于总溶解糖50-90％重量/重量的木糖；
(ii)少于200ppm的钙；
(iii)至多1000ppm的量的糠醛；
(iv)微生物；
(v)相对于总溶解糖10-50％重量/重量的己糖，其中葡萄糖和果糖占所述己糖的至少50％重量/重量；和
(vi)至多1000ppm的量的氮；
其中所述微生物将所述发酵原料发酵以至少1g/L/h的速率产生木糖醇。
13.如权利要求12所述的发酵原料，其还包含相对于总溶解糖至多12％重量/重量的量的阿拉伯糖。
14.如权利要求12所述的发酵原料，其还包含相对于总溶解糖至多8％重量/重量的量的二糖。
15.如权利要求12所述的发酵原料，其还包含少于1000ppm的乙酸。
16.如权利要求12所述的发酵原料，其还包含少于1000ppm的甲酸。
17.如权利要求12所述的发酵原料，其还包含至多100ppm的量的C6-12单醇。
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