CN102282264A - 从木质纤维素原料生产葡萄糖的改进方法 - Google Patents

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Abstract

提供了从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。所述方法包括用酸预处理木质纤维素原料以产生经预处理的原料组合物。提供包含得自木质纤维原料之钙的含钙流，并通过使钙从含钙流中沉淀出来而获得含碳酸钙流。用(a)含碳酸钙流；(b)通过煅烧所述含碳酸钙流而产生的源自所述含碳酸钙流的含氢氧化钙流；或(c)所述含碳酸钙流与所述含氢氧化钙流的组合，来调节经预处理的原料的pH。pH调节导致中和的经预处理的木质纤维原料，其具有约3至约9的pH，之后用纤维素酶对中和的经预处理的木质纤维素原料进行酶促水解以生产葡萄糖。

Description

从木质纤维素原料生产葡萄糖的改进方法
本发明涉及从木质纤维素原料(lignocellulose feedstock)生产葡萄糖的方法。更具体地，本发明涉及包括酸预处理和纤维素水解的从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。
技术领域
燃料乙醇目前从诸如玉米淀粉、甘蔗和甜菜的原料中生产。然而，从这些来源中生产乙醇的潜力有限，因为多数适合生产这些农作物的农场已被用作人类食物的来源。另外，从这些原料中生产乙醇对环境有负面影响，因为在转化过程中使用的化石燃料产生二氧化碳和其他副产物。
近年来，从包含纤维素的原料(如农业废料、草和林业废料)中生产乙醇备受关注。其原因是这些废料可广泛而廉价地获得，其在乙醇生产中的应用提供了对焚烧或填埋木质纤维废料的替代选择。另外，纤维素转化的副产物木质素可被用作燃料来替代化石燃料为所述过程提供能量。多项研究得到结论，当考虑整个生产和消耗循环时，使用从纤维素生产的乙醇产生的温室气体接近于零。
木质纤维素原料的三种主要组分是纤维素(占多数关键原料的30％-50％)、半纤维素(占多数原料的15％-35％)和木质素(占多数原料的15％-30％)。纤维素和半纤维素主要由碳水化合物组成，是有可能发酵成乙醇的糖的来源。木质素是不能转化成乙醇的苯丙烷网格结构。
纤维素是以β-1，4连接的葡萄糖的聚合物，这一结构是目的原料中常见的。半纤维素具有更复杂的结构，在原料中各不相同。对于通常的目的原料，半纤维素一般由β-1，4连接的木糖聚合物骨架组成，侧链为1-5个具有α-1，3连接的阿拉伯糖单元，或乙酰基部分，或其他有机酸部分，例如葡糖醛酸基。
将木质纤维素原料转化成为乙醇的第一个处理步骤涉及分解纤维材料。两个主要的方法是酸水解(包括用一步式酸处理来水解所述原料)和酶促水解(包括酸预处理随后进行纤维素酶水解)。
在酸水解方法中，对原料进行蒸汽和无机酸(例如硫酸、亚硫酸、盐酸或磷酸)的处理。温度、酸浓度和酸水解持续时间足以将纤维素和半纤维素水解成其单体组分，它们是来自纤维素的葡萄糖，以及来自半纤维素的木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸。如果使用硫酸，可为浓(25-80％w/w)或稀(3-8％w/w)硫酸。所得的含水浆体包含未水解的纤维(主要是木质素)，以及葡萄糖、木糖、有机酸(主要包含乙酸，但也包含葡萄糖醛酸、甲酸、乳酸和半乳糖醛酸)和无机酸的水溶液。尽管该方法产生乙醇，但由于酸水解过程的非选择性特性，其产量很低。
在酶促水解方法中，所选取的蒸汽温度、无机酸(一般为硫酸)浓度和酸预处理步骤的处理时间要比酸水解方法的更温和。与酸水解方法类似，半纤维素被水解成木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、葡萄糖醛酸、甲酸和半乳糖醛酸。然而，较温和的预处理并不水解大部分纤维素，而是由于纤维原料被转化成了浆状质地而增加了纤维素的表面积。之后，经预处理的纤维素在随后使用纤维素酶的步骤中水解成葡萄糖。
在加入酶之前，酸性原料的pH被调节到适宜酶促水解反应的值。这一般涉及加入碱，至pH为约4至约6之间，该范围是纤维素酶的最适pH范围，尽管如果使用嗜碱性纤维素酶时，pH可更高，而如果使用酸性纤维素酶，pH可更低。用纤维素酶水解之前，最常用于调节酸化的经预处理原料的pH的碱为氨、氢氧化铵和氢氧化钠，但也可考使用虑碳酸盐，如碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠和碳酸氢钠。(见WO 2006/128304，Foody等)。
美国专利No.5,628,830(Brink)公开了使用碳酸钙来调节糖水溶液的pH值的应用，所述溶液含有来自木质纤维素原料酸水解的木糖、葡萄糖、甘露糖和半乳糖。调节糖水溶液pH之后，对所述溶液进行发酵。而Brink的方法应用完全酸水解，也遇到了上文讨论的缺点。
处理木质纤维素原料来生产葡萄糖的一个缺点是在用纤维素酶水解之前，需要用大量的碱来调节酸预处理的原料的pH。碱的加入显著地增加了该方法的成本。此外，碱与酸反应生成盐，必须处理或除去这些盐。
美国专利No.4,425,433(Neves)公开了用碳酸钠或碳酸氢钠中和包含葡萄糖的酸性原料浆，所述浆通过使所述原料的纤维素和半纤维素组分进行酸水解而产生。中和后，发酵酸性浆(或在此称为“麦芽汁”)。然而，这一方法的缺点是pH调节所需的碳酸钠和碳酸氢钠的量会显著地增加所述方法的成本并产生大量的需要除去的盐。
美国专利No.6,927,048(Verser等)公开了在葡萄糖发酵成乙酸的过程中加入碳酸钙和胺或醇的方法。碳酸钙控制pH，而胺或醇与乙酸复合。发酵之后，通过加入二氧化碳来沉淀碳酸钙，然后从发酵液中回收。回收的碳酸钙随后在后续的发酵过程中被重新利用。因此，Verser等人未解决在木质纤维素原料的预处理和中和过程中减少碱的使用的问题。
美国专利No.6,043,392(Holtzapple等)也没有解决在酸预处理木质纤维素原料后的中和过程中减少碱的使用的问题。反之，Holtzapple公开的方法涉及用石灰(碱)处理木质纤维素原料，并随后进行发酵步骤以产生挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)，然后将VFA热转化以产生酮。碳酸钙可在蒸发步骤中生成，涉及在热转化VFA之前加入二氧化碳。所述碳酸钙再循环到发酵器中以中和发酵产生的酸，或在石灰窑中烧成石灰，在石灰处理中使用。
类似地，美国专利No.5,693,296(也是Holtzapple)公开的方法涉及用氧化钙或氢氧化钙处理生物质(biomass)，继之使经预处理的原料碳酸化，以形成碳酸钙或碳酸氢钙。碳酸钙可在石灰窑中被加热形成氧化钙，其可水化形成氢氧化钙，反过来又可被用于处理生物质。因此，该方法也没有解决在葡萄糖的生产中，在中和经酸预处理的原料的过程中减少化学试剂的使用的问题。类似的方法由Chang等在1998，Applied Biochemistryand Biotechnology，74：135-159中公开。
US 2006/0188965(Wyman和Lloyd)公开的方法涉及对纤维素生物质进行酸预处理。然后将经酸预处理的原料浆与石灰溶液混合以使pH为10至11，然后在用纤维素酶水解纤维素之前，加入硫酸来调节pH到5-7的范围。酶促水解之后，使水解的材料发酵以生产醇，之后通过蒸馏进行浓缩。蒸馏剩余的液体和/或固体接受再循环处理步骤以过滤细小微粒。所得材料随后被送回酸预处理过程，与木质纤维素原料一起进料到所述过程中。然而，该原料再循环回到预处理并不减少中和经预处理的纤维素的碱的用量。
目前，尚没有现有技术解决这一问题，即高效而又经济地运行将木质纤维素原料水解成葡萄糖的过程，同时又降低碱的用量。开发高效的而又减少碱的使用的方法仍是将木质纤维素原料转变成葡萄糖的关键需求。
发明概述
考虑到在加工木质纤维素原料以获得可发酵糖(即葡萄糖)的步骤中遇到的困难，本发明克服了现有技术的多个缺点。
本发明的一个目的是提供改进的从木质纤维素原料生产葡萄糖的方法。
本发明涉及这样的方法，其中使用包含碳酸钙、氢氧化钙的再循环流(在此分别称为含碳酸钙流(calcium carbonate-containing stream)和含氢氧化钙流(calcium hydroxide-containing stream))或其组合将经酸预处理的木质纤维素原料的pH调节到适合纤维素酶的范围。本发明的一个主要特征是含碳酸钙流或含氢氧化钙流(或其组合)中的来源于木质纤维素原料本身的钙被用于pH的调节。因为所述钙源自原料本身，因此本发明的所述方法可导致碱用量的显著减少，否则需要用这些碱来中和经预处理的材料。在从木质纤维素原料到葡萄糖的生产中，碱的使用代表重要的成本，而高水平的碱使用限制了木质纤维素转化方法在经济上的可行性。另外，大量的碱导致产生高水平的盐，所述盐必须被处理或除去。因此，本发明是对木质纤维素转化方法的经济性的显著提高，因而代表了这种方法在商业化过程中的重大进步。
根据本发明，鉴于所述流中的钙来自原料，所以通过使钙从任何来自所述过程的含钙流(calcium-containing stream)中沉淀而获得含碳酸钙流或含氢氧化钙流。即，含钙流可以是(或可源自)加工木质纤维素原料生产葡萄糖中获得的任何流(stream)。优选地，本发明不包括涉及回收加入到原料中的石灰的方法。
因此，本发明提供加工木质纤维素原料来生产葡萄糖的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)用酸预处理木质纤维素原料，以产生包含经预处理的原料的组合物；
(ii)提供含钙流，其包含从木质纤维素原料中获得的钙；
(iii)产生含碳酸钙流，其通过使钙从含钙流中沉淀而获得；
(iv)用以下调节包含经预处理的原料的流的pH：
(a)含碳酸钙流；
(b)通过煅烧所述含碳酸钙流而产生自所述含碳酸钙流的含氢氧化钙流；或
(c)含碳酸钙流与含氢氧化钙流的组合，
其中对所述包含经预处理原料的流的pH的调节产生了中和的经预处理的木质纤维素原料，其pH为约3至约9，其中如此产生的中和的经预处理的木质纤维素原料的pH大于步骤(i)中产生的包含经预处理原料的组合物的pH；和
(v)用纤维素酶对所述中和的经预处理的木质纤维素原料进行酶促水解，以生产葡萄糖。
木质纤维素原料可选自玉米秸秆、大豆秸秆、玉米棒、水稻秸秆、稻壳、玉米纤维、小麦秸秆、大麦秸秆、油菜秸秆、燕麦秸秆、燕麦壳及其组合。
因为很多目的原料也包含镁，所以除了钙沉淀外还可发生镁沉淀。因此，根据本发明的一个实施方案，含钙流包含得自原料的镁，碳酸镁通过镁沉淀而与碳酸钙一起产生。
可进行预处理以水解原料中的至少一部分半纤维素，并增加原料中的纤维素被所述纤维素酶水解的可接近性。预处理优选在约160℃至约280℃间的温度下进行。预处理优选的pH范围是0.4-3.0。预处理优选的酸的例子是硫酸。
用于沉淀钙的含钙流可为糖流(包含葡萄糖、木糖或其组合)、蒸馏釜底流(still bottoms stream)(通过将步骤(v)中所产生的葡萄糖发酵成为包含发酵产物的发酵液、蒸馏发酵液以获得包含浓缩发酵产物的流和蒸馏釜底流而产生)或将糖流与蒸馏釜底流相组合而产生的流。含钙流也可来自这些流的任何一个。
根据本发明的另一个实施方案，获取包含得自木质纤维素原料的钙并由加工木质纤维素原料而产生的流，所述流选自包含葡萄糖、木糖或其组合的糖流；蒸馏釜底流；这些流的组合和衍生自这些流任何一个的流。所述包含钙的流随后通过离子交换树脂以减少其中钙的浓度。所述离子交换树脂随后被再生而产生包含可溶性钙盐的流。所述包含可溶钙盐的流是随后进行沉淀的含钙流。
通过离子交换树脂的糖流或由此衍生的流可在预处理步骤之后和酶促水解步骤之前得自包含经预处理的木质纤维素原料的组合物，尽管糖流也可来自该本方法的其他阶段。
离子交换树脂可为阳离子交换树脂。根据本发明的一个实施方案，阳离子交换树脂为螯合树脂。离子交换树脂可用酸、一种或多种可溶性盐或其组合来再生。如果用酸，优选盐酸。所述一种或多种可溶性盐可选自氯化钾、氯化铵、氯化钠及其组合。
含糖流可得自通过离子交换树脂的糖流、蒸馏釜底流、糖流与蒸馏釜底流的组合流或衍生自这些流中任何一个的流。该含糖流(sugar-containing stream)或由此衍生的流可被发酵以产生醇、糖醇、有机酸或其组合。
从含钙流中沉淀钙可包括向含钙流中加入二氧化碳、碱、碳酸盐或碳酸氢盐或其组合。所述碳酸盐和碳酸氢盐可选自碳酸铵、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵、碳酸氢钠、碳酸氢钾及其组合。优选地，钙沉淀包括向含钙流中加入二氧化碳和选自氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾及其组合的碱。钙沉淀优选在pH约3至约11，温度约20℃至约95℃下进行，时间为约5分钟至约48小时。
所述钙被沉淀之后，可获得钙浓度降低的含糖流。可发酵该含糖流以生成醇、糖醇、有机酸或其组合。
中和的经预处理的木质纤维素原料优选具有约4至约6的pH。
用于酶促水解的纤维素酶优选包含纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡萄糖苷酶。
在本发明的一个实施方案中，酶促水解过程在将葡萄糖转化为至少一种发酵产物的微生物存在下进行。
附图简述
本发明的这些和其他特征可通过如下参照附图的描述而变得更清楚，其中：
图1A描述根据本发明一个实施方案的方法，其中用二氧化碳和碱处理含钙流(在该情况下为进而得自包含中和的经预处理的原料的糖流)以沉淀钙。这产生含碳酸钙流(如果原料中存在镁，则还包含碳酸镁)，其用于将进入的酸预处理原料的pH调节到适于纤维素酶的pH(中和)。
图1B是类似于图1A的方法流程图，只是进入钙(或钙和镁)沉淀步骤的含钙流为糖流，所述糖流得自中和之前包含酸预处理的木质纤维素原料的流。
图1C是与图1A相似的方法流程图，只是进入钙(或钙和镁)沉淀步骤的含钙流为蒸馏釜底流。
图1D是与图1A相似的方法流程图，只是进入钙(或钙和镁)沉淀步骤的含钙流为包含来自预处理的糖流和蒸馏釜底流的组合流。
图2是与图1A相似的方法流程图，只是将得自煅烧碳酸钙而产生氢氧化钙再循环用于中和。
图3A描述根据本发明一个实施方案的方法，其中得自包含中和的经预处理木质纤维素原料的糖流通过离子交换树脂以降低其中钙的浓度。用盐酸再生离子交换树脂以产生含钙的盐流。随后二氧化碳和碱被加入到所述盐流中以产生含碳酸钙流(还可包含碳酸镁)，其被再循环用于中和。所得澄清的基本不含钙的盐流被送到第二个离子交换树脂。随后，用硫酸再生第二个离子交换树脂，产生硫酸盐。
图3B是与图3A相似的方法流程图，只是进入第一个离子交换树脂的流为蒸馏釜底流。
图3C是与图3A相似的方法流程图，只是进入第一个离子交换树脂的流为包含来自预处理的糖流与蒸馏釜底流的组合流。
图4为根据本发明另一个实施方案的再循环含碳酸钙流以进行中和的方法流程图。该实施方案应用两步阳离子交换法，产生包含硫酸盐的糖流。阳离子交换的第一步用得自包含经预处理的中和的原料的糖流进行，并使用NaCl、NH4Cl和KCl作为再生剂。向再生第一阶段的阳离子交换器后获得的盐流中加入二氧化碳和碱。这产生含碳酸钙流，再循环用于中和。阳离子交换的第二阶段用得自第一个阳离子交换的糖流进行。硫酸被用于再生第二阳离子交换器的树脂床，产生包含硫酸盐的流。
图5为根据本发明另一个实施方案的再循环含碳酸钙流进行中和的方法流程图。该实施方案应用螯合树脂来从得自包含中和的经预处理原料流的糖流中除去钙离子或钙和镁离子。随后用盐酸再生树脂床。用二氧化碳和碱处理螯合树脂的再生中获得的盐流，以碳酸钙形式沉淀钙。除去碳酸钙并将其再循环用于中和之后，对所得澄清钙流进行第二阳离子交换。用硫酸再生该树脂床生成硫酸盐。还对得自第一阳离子交换的糖流进行用硫酸作为再生剂的阳离子交换，也产生硫酸盐。
图6展示对用实施例6所述方案回收的CaCO3中和的经预处理的木质纤维素原料进行酶促水解。
发明详述
如下的描述仅是对实施方案的举例，而不是对实施本发明的必要特征组合的限制。
用于实施本发明的代表性木质纤维素原料为：(1)农业废料，例如玉米秸秆、玉米棒、小麦秸秆、大麦秸秆、燕麦秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆和大豆秸秆；(2)草，例如柳枝稷(switch grass)、芒草(miscanthus)大米草(cord grass)和草芦(reed canary grass)；和(3)林业废料，例如山杨木和锯末。这些原料含有高浓度的纤维素和半纤维素，它们是这些水性流中糖的来源。这些原料包含钙，并可额外地包含镁。
木质纤维素原料包含大于约20％量的纤维素，更优选大于约30％，更优选大于约40％(w/w)。例如，木质纤维素原料可包含从约20％至约50％(w/w)的纤维素，或于其间的任何量。另外，木质纤维素原料包含木质素，其量大于约10％，更典型地，其量大于约15％(w/w)。木质纤维素原料也可包含少量蔗糖、果糖和淀粉。
本发明的方法包括酸预处理所述木质纤维素原料。所述酸预处理意在提供机械与化学作用的充分组合，以破坏木质纤维素原料的纤维结构并增加原料的表面积以使其可接触纤维素酶。优选地，进行酸预处理以使得半纤维素几乎完全水解和仅发生少量纤维素向葡萄糖转化。在后续的步骤中，用纤维素酶将纤维素水解成葡萄糖。一般用稀酸进行预处理，浓度从约0.02％(w/w)至约5％(w/w)，或于其间的任何量(按纯酸占干燥原料加水溶液的总重量的重量百分比计算)。优选地，所述酸为硫酸。
酸预处理优选在最高温度为约160℃至约280℃下进行。然而，应该理解的是，在实践中，在预处理过程中原料达到该温度范围之前会有时间延迟。因此，上述温度对应于充分加热后达到该范围内的温度值。原料保持在该温度的时间可为约6秒至约600秒。预处理的pH优选约0.4至约3.0，或其间的任何pH范围。例如，预处理的pH可为0.4、1.0、1.5、2.0、2.5或3.0。另外，酸预处理可在多于一个步骤中进行，但优选在单一步骤中进行。
进行原料的酸预处理的一种方法是蒸汽爆破(steam explosion)，应用美国专利No.4,461,648(Foody，通过引用并入本文)中的工艺条件。另一种预处理原料浆的方法包括连续预处理，意为将木质纤维素原料连续泵送通过反应器。连续酸处理为本领域内专业人员所熟知，参见，例如美国专利No.5,536,325(Brink)；WO 2006/128304(Foody和Tolan)；和美国专利No.4,237,226(Grethlein)，它们各自通过引用并入本文。可按需使用本领域中已知的其他技术，例如在美国专利No.4,556,430(Converse等，通过引用并入本文)中公开的方法。
酸预处理产生包含经预处理的原料的组合物，所述组合物也含有钙盐和任选地镁盐，和半纤维素水解(木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合)和较低程度的纤维素水解(在这种情况下产生葡萄糖)所产生的糖。包含经预处理原料的组合物的水相也可包含预处理过程中加入的酸和在预处理过程中释放的任何有机酸。当预处理中使用的酸为硫酸时，所述包含经预处理原料的组合物额外地包含钙(和可能的镁)的硫酸盐和/或硫酸氢盐。这些盐包括硫酸钙、硫酸镁和硫酸氢镁。包含预处理原料的组合物一般也含有硫酸钾、硫酸氢钾、硫酸钠和硫酸氢钠。一价阳离子钾和钠的硫酸盐在水溶液中是高度可溶性的。
根据本发明，使用包含碳酸钙、氢氧化钙或其组合的再循环流(在本文中称为含碳酸钙流和含氢氧化钙流)将经酸预处理原料的pH调节至适于纤维素酶的值。如果原料中存在镁，则含碳酸钙流也可包含碳酸镁。如果含氢氧化钙流被用于pH调节，则通过煅烧碳酸钙来生成氢氧化钙，该方法在下文中更详细地讨论。如果碳酸镁也存在于含碳酸钙流中，则煅烧后也会产生氢氧化镁。pH调节后，纤维素酶将原料中的纤维素组分水解成为葡萄糖。
根据本发明，含碳酸钙流来自对“含钙流”进行钙沉淀。鉴于其中含有的钙来自于原料中存在的钙，本文中该术语是指来自该方法任何阶段的流。如果所述流包含未溶解的固体(包括但不限于木质素)，则优选在沉淀步骤之前将其除去。
根据本发明的一个实施方案，用于沉淀钙的含钙流是包含木糖、葡萄糖或其组合的糖流。所述糖流可得自经预处理的原料组合物，例如，通过用水溶液洗组合物来产生清洗流，其包含糖(即木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合)、钙和任选的镁，酸和其他可溶组分；还产生包含原料剩余未水解组分的固体流。或者，包含经预处理原料的组合物经过滤、离心或其他已知的方法除去纤维固体或悬浮的固体。随后，水性糖流可被浓缩(例如通过用膜等蒸发)。任何痕量的固体一般通过微滤除去。
很多木质纤维素原料含有半纤维素，其中连接到木聚糖上的乙酰基在酸预处理或酸水解过程中以乙酸的形式释放。因此，糖流一般也会包含乙酸。其他有机酸(包括半乳糖醛酸、甲酸、乳酸、葡萄糖醛酸或其组合)也可在预处理过程中被释放，因此可存在于糖流中。糖流也可包含其他有机化合物，包括但不限于糠醛、羟甲基糠醛(HMF)、溶解的木质素等。这些化合物的浓度可占水性流中存在的总溶质的约0％至约25％，或占水性糖流中存在的总溶质的约0％至约10％。
糖流也可在将包含经预处理木质纤维素原料的流中和到适宜酶促水解的pH之后获得，即从包含中和的经预处理原料的流中获得。这一糖流也可包含在预处理步骤中释放的糖。根据该实施方案，通过已知的固液分离技术或通过清洗中和的经预处理的木质纤维素原料，糖流可得自包含中和的经预处理木质纤维素原料的流。适宜的固液分离技术的例子包括离心、微滤、板框式过滤(plate and frame filtration)、错流过滤、压滤、真空过滤等。
糖流也可以是包含用纤维素酶水解纤维素所产生的葡萄糖的流。下文中更详细地描述了葡萄糖的生产，所述葡萄糖是用纤维素酶水解纤维素而产生的。然而，要理解的是，该流可额外地包含来自预处理的糖。优选地，在沉淀之前，应用已知固液分离技术将木质素和其他未溶解固体从该流中除去，或通过上文描述的清洗来获得所述流。适宜的固液分离技术的例子包括上面提出的那些。
糖流可从未在本文中具体描述的方法的其他步骤中获取。还应理解的是，钙可从糖流的全部或部分中沉淀。
另一个可沉淀钙的含钙流的例子可以是蒸馏釜底流(still bottomsstream)。例如，如果该方法的发酵产品是乙醇，则其可被蒸馏以生产浓乙醇。蒸馏后产生“蒸馏釜底流”或“蒸馏釜底”。本领域中公知，“蒸馏釜底流”或“蒸馏釜底”是指蒸馏过程之后残留的流。
当用于沉淀钙的含钙流是蒸馏釜底流时，其中包含的未溶解固体一般在沉淀以产生澄清的蒸馏釜底流之前被除去。适宜的固液分离技术包括离心、微滤、板框式过滤、错流过滤、压滤、真空过滤等。另外，蒸馏釜底流可被浓缩、调节pH或稀释。也应该理解的是，蒸馏釜底流的全部或一部分可送去沉淀。
另外，蒸馏釜底可与来自预处理的糖流组合，以产生随后用于中和的蒸馏釜底与糖的组合流。或者，每个流可分别被用于中和。
另外，糖流、蒸馏釜底流及组合的糖流和蒸馏釜底流中的任一个，或任何得自该过程的其他含钙流，可在钙沉淀之前进行进一步的处理步骤以产生含碳酸钙流，包括但不限于离子交换。在下文中(参照图3-5)按顺序更详细地描述了该实施方案的例子。
为了沉淀钙并生成含碳酸钙流，用二氧化碳、碳酸盐、碳酸氢盐或其组合处理含钙流。碳酸盐可选自碳酸铵、碳酸钠和碳酸钾，而碳酸氢盐可选自碳酸氢铵、碳酸氢钠和碳酸氢钾或其组合。沉淀可在pH 3至11之间进行。例如，pH可为3、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10、10.5或11。优选地，通过在pH大于5.0下加入二氧化碳和碱进行钙沉淀，以确保二氧化碳充分溶解而碳酸盐低溶解。除了碳酸盐之外其他合适的碱的例子包括单独或与二氧化碳组合的氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠和氨。当碱与二氧化碳组合使用时，它们可分别加入到糖流中，或它们可组合以生成碳酸盐并随后加入到糖流中。另外，因为碳酸镁的溶解度非常低，因此存在于含钙流中的镁也可在该沉淀步骤中被除去。
通过使盐沉淀并随后用已知的方法分离沉淀，从可溶性盐的水溶液中除去碳酸钙(和任选的碳酸镁)，所述方法例如重力分离、浮选、离心、微滤、板框式过滤、错流过滤、压滤、真空过滤等。任选地将所得碳酸钙固体干燥，并用于中和经预处理的木质纤维素原料的pH。或者，含碳酸钙流可严格地由固体构成，可为湿饼，或碳酸钙的含水浆。
碳酸钙(和任选的碳酸镁)的沉淀可在任何适宜的温度下进行，例如在约20至约95℃之间，或于其间的任何温度范围。优选的温度范围是约40至约80℃，或于其间的任何温度范围。例如，温度可为20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95℃。可将这些条件维持任何适宜量的时间以使不溶性钙沉淀形成，或按需要维持更长时间。沉淀可为分批的或连续的过程。例如，钙沉淀可在约5至约60分钟后形成，或于其间的任何时间范围，更典型地在约10至约30分钟，或于其间的任何时间范围，尽管在沉淀发生的容器中总的持续时间可比这长。例如，在加入到包含预处理原料的流中之前，包含不溶性钙沉淀的流可在沉淀容器中储存一定量时间。此外，从流中分离碳酸钙沉淀可在沉淀容器中进行。因此，在沉淀容器中的总持续时间可长于发生沉淀所需的时间量。因此，沉淀步骤的总持续时间可从约5分钟至约48小时，或于其间的任何时间，或约15分钟至约24小时，或于其间的任何时间。例如，沉淀可进行5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60分钟，或2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46或48小时。进入到沉淀步骤的含钙流中的钙盐浓度取决于原料中钙的含量、钙盐的形式和沉淀前的过程中的操作条件。
另外，应当理解的是，钙可以以盐的形式(例如碳酸钙或硫酸钙)加入，或可加入石灰，以在该过程的起始阶段中和。本领域中的人员会理解，采用这种做法是因为当该过程开始时，还没有碳酸钙从沉淀步骤中生成。同样，可在起始阶段之后产生钙。因此，在该过程中，并不是所有的钙都必须来自原料中的钙。
此外，并不是原料中所有的钙都必须回收和再利用，因为有些钙可在释放(bleeding)步骤中被除去。
任选地，用含氢氧化钙流来中和包含经预处理原料的流，所述含氢氧化钙流通过煅烧含碳酸钙流中的碳酸钙而生成。一般地，该过程在石灰窑中进行。根据如下反应，煅烧碳酸钙产生二氧化碳和氧化钙：
Figure BPA00001405758200121
随后，可通过加水使氧化钙水化而形成氢氧化钙水溶液。要理解的是，氧化钙可直接加入到经预处理的木质纤维素原料组合物中，在此情况下，它会在加入后转化成氢氧化钙，或者可将氧化钙首先在水溶液中水化，之后加入到经预处理的原料中。煅烧一般在可引起碳酸钙热分解的高温下在石灰窑中进行。要理解的是，碳酸钙的煅烧是本领域内普通技术人员熟知的方法。
对包含经预处理原料的流的pH调节包括加入足够的碳酸钙、氢氧化钙或其组合，任选地，一起加入其他碱，以达到约3.0至约9的pH，或于其间的任何值。优选地，pH大于3.5。在本发明的一个实施方案中，pH在约3.5至约9之间，或在约3.5至约6之间，或在约4至约6之间。例如，经预处理的中和的原料的pH可为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5或9.0。所述包含碳酸钙、氢氧化钙或其组合的流可在线(in-line)加入到预处理的组合物中或直接加入水解容器中。
pH调节可在不仅包含经预处理原料而且还包含来自预处理的糖(即木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合)的流中进行。这发生于糖和来自预处理的其他可溶性组分未从包含经预处理原料的组合物中除去的情况。该流可额外地包含钙(任选地也包含镁)、酸和其他可溶性组分。
在用包含碳酸钙、氢氧化钙或其组合的流调节包含经预处理原料的流的pH之后，可对经预处理的原料进行酶促水解，例如WO 2005/099854(Foody等)和WO 2006/063467(Foody和Rahme)的16-18页中描述的那样，二者均通过引用并入本文。
酶促水解可使用任何类型的纤维素酶进行，无论其来源如何。最广泛研究、表征和商品化生产的纤维素酶来自曲霉属(Aspergillus)、腐质霉属(Humicola)和木霉属(Trichoderma)的真菌，以及来自芽孢杆菌属(Bacillus)和嗜热放线菌属(Thermobifida)的细菌。丝状真菌长枝木霉(Trichoderma longibrachiatum)产生的纤维素酶包括至少两种纤维二糖水解酶(称为CBHI和CBHII)和至少4种EG酶。EGI、EGII、EGIII、EGV和EGVI纤维素酶也已从特异腐质霉(Humicola insolens)中分离(见Schulein等，Proceedings of the Second TRICEL Symposium onTrichoderma reesei Cellulases and Other Hydrolases，Espoo 1993，P.Suominen和T.Reinikainen编辑，Foundation for Biotechnical andIndustrial Fermentation Research，Helsinki 8：109-116，通过引用并入本文)。
使经预处理的原料进行酶促水解之后，存在于所得糖流中的任何不溶性固体(包括但不限于木质素)可在任何进一步的处理之前用常规的固液分离技术分离。或者，糖流中的固体和液体都被进一步处理。
水解可为连续过程，其中连续进料经预处理的原料浆并移出水解产物。或者，该过程可为分批过程。
用纤维素酶水解纤维素所得葡萄糖进行的发酵可产生一种或多种发酵产物，选自醇、糖醇、有机酸及其组合。优选地，醇为乙醇或丁醇。
为产生乙醇，一般用酵母菌属(Saccharomyces spp.)的酵母发酵。葡萄糖和任何存在于糖流中的其他己糖可被野生型啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)发酵成乙醇，尽管也可用遗传上修饰过的酵母。所述乙醇之后可被蒸馏以获得浓乙醇溶液。剩余的蒸馏釜底随后可进行固液分离，如前述将离心分离液再循环用于中和。然而，在用纤维素酶水解纤维素后，多数未溶解固体一般被除去。
预处理过程中释放的糖也可存在于纤维素水解产生的葡萄糖的发酵中。这种情况发生于包含糖(木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合)的经预处理原料组合物的水部分继续中和并水解纤维素的情况中。例如，如果木糖存在于发酵中，则其也可被发酵成乙醇。可将木糖发酵成乙醇的重组酵母在美国专利No.5,789,210(其内容通过引用并入本文)中描述。另外，阿拉伯糖和木糖可用Boles等描述的酵母(WO2006/096130，通过引用并入本文)转化成乙醇。应用微生物例如假丝酵母(Candida)，木糖也可被发酵成糖醇(木糖醇)。
得自经预处理的原料组合物的糖流也可被发酵。预处理所产生的糖流可包含木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合。这种发酵可在钙沉淀之前或之后进行，并可产生一种或多种发酵产物，选自醇、糖醇、有机酸及其组合。可用上边列出的酵母将木糖或木糖与阿拉伯糖发酵成乙醇。木糖和其他戊糖可通过微生物(例如假丝酵母)发酵成木糖醇。发酵之前，可进一步处理糖流以除去无机酸和有机酸，或这些酸的盐，优选应用阴离子交换法除去。
包括于本发明的范围之内的其他发酵产品的非限制性的例子包括丁醇、山梨醇、1，3-丙二醇和2，3-丁二醇。丁醇是特别优选的发酵产物。可用于发酵的其他微生物包括野生型或重组的埃希氏菌(Escherichia)、酵单孢菌(Zymomonas)、假丝酵母(Candida)、毕赤酵母(Pichia)、链霉菌(Streptomyces)、芽孢杆菌(Bacillus)、乳杆菌(Lactobacillus)和梭菌(Clostridium)。
根据本发明的一个实施方案，用纤维素酶进行的纤维素水解在微生物存在下进行，所述微生物将葡萄糖转化成一种或多种发酵产物。根据该实施方案，在反应器中，纤维素水解为葡萄糖与葡萄糖发酵同时进行。通过同时进行两个反应，微生物通过将葡萄糖发酵成发酵产物(例如乙醇)而消耗葡萄糖，因而降低其在反应器中的浓度，进而降低其对纤维素酶的抑制作用。这种组合的水解/发酵反应被称为同时糖化发酵(SimultaneousSaccharification and Fermentation，SSF)。当进行同时糖化发酵(SSF)时，在SSF之前进行pH调节。优选地，纤维素水解和发酵在单独的反应中进行。
现在显示本发明一个实施方案的参照图1A，其中从中进行钙沉淀的含钙流是糖流，其得自包含经预处理的中和原料的流。如图所示，木质纤维素原料首先在预处理2中用酸预处理。使用酸的预处理2将存在于木质纤维素原料中的半纤维素或其一部分水解为单糖，即木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合。接下来使用碱进行中和6，以将包含酸预处理的原料流的pH调节到适合纤维素酶的值，从而产生包含经预处理的已中和的原料的流。获得包含钙的糖流7，例如，通过将包含中和的经预处理木质纤维素原料的流离心(未显示)并收集离心分离液，尽管糖流7可通过其他上文讨论的方法从中和的经预处理的原料中分离。糖流7中的钙源自存在于木质纤维素原料中的钙盐，所述盐被带到水性糖流7中。该流7可额外地含有木质纤维素原料中天然存在的镁盐。
之后，在钙沉淀或钙和镁沉淀步骤20中用二氧化碳处理糖流7以产生碳酸钙和任选的碳酸镁。在该实施方案中，向糖流7中加入氨和二氧化碳，生成碳酸钙。之后，通过过滤22或其他固液分离技术从流34中除去碳酸钙，生成包含碳酸钙并任选地也包含碳酸镁的含碳酸钙流24和除去了碳酸钙(并任选地额外包括碳酸镁)的包含糖的流30。在中和之前，可能期望排出一部分碳酸钙。通过排出而被除去的碳酸钙可填埋处置。
含碳酸钙流(任选地也包含碳酸镁)24然后被再循环用于中和步骤6，来将经酸预处理的木质纤维素原料的pH调节到适合纤维素酶的值。对经预处理的木质纤维素原料进行中和步骤6之后，用纤维素酶进行纤维素水解8。
纤维素水解8产生包含葡萄糖和主要为木质素的未转化固体的水性流。葡萄糖可从木质素固体中分离，并进行发酵10以生成包含乙醇的溶液，之后乙醇在蒸馏12中被蒸馏以生成包含浓乙醇的馏出液和蒸馏釜底。然而，要理解的是，可根据需要从葡萄糖生产其他发酵产物，如上文讨论的那样。
流30含有对对原料中半纤维素组分进行酸预处理所产生的糖。该流中的糖也可被发酵以生产醇、糖醇、有机酸或其组合。优选地，发酵生成乙醇。可利用上文所述遗传修饰的酵母将木糖或者木糖和阿拉伯糖发酵成乙醇。或者，可通过微生物(例如假丝酵母)将木糖和其他戊糖发酵成木糖醇。发酵之前，流30可进一步地被处理以除去无机酸和有机酸或这些酸的盐，优选通过阴离子交换。
根据本发明的另一个实施方案，用于从其中沉淀出钙的含钙流是从预处理中获得的糖流4。参照图1B，其中相似的附图标记表示与图1A中相同或相似的处理步骤，木质纤维素原料首先经酸预处理2，生成木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合。之后获得包含来自木质纤维素原料的钙的糖流4，例如，通过离心(未显示)预处理的木质纤维素原料并收集离心分离液，但糖流4可通过用其他上文讨论的方法从经预处理的原料中分离。之后，在钙沉淀或钙和镁沉淀步骤20中，糖流4被用例如二氧化碳和氨处理，以生成碳酸钙并任选地也生成碳酸镁。过滤22后，按照以前参照图1A的描述，获得的含碳酸钙流24被送到中和6中。
在本发明的另一个实施方案中，包含经预处理原料的完整水性流在不从所述流的水相中分离纤维的情况下被送往纤维素水解8。该实施方案在图1C中描述，其中相似的附图标记表示与图1A中的相同或相似的处理步骤。在这种情况下，来自预处理2的经预处理原料和包含糖的水性部分经中和6以在纤维素水解8之前调节经预处理的原料的pH。纤维素水解8生成包含葡萄糖的流，其随后可在发酵10中发酵生产发酵产物(例如乙醇)，并继之以蒸馏12。根据本实施方案，被送到沉淀20的流是蒸馏乙醇后残留的蒸馏釜底流16。
纤维素水解8后，(图1C)，得自纤维素水解的葡萄糖和源自预处理的木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合，一般存在于送往发酵10的流中。该流中的糖可发酵成醇、糖醇、有机酸或其组合。优选地，醇为乙醇。在这种情况下，发酵10可用通过改造的或通过人工选择法获得的重组酵母菌属(Saccharomyces)酵母来进行，以将己糖和戊糖发酵成乙醇。然而，葡萄糖也可用野生型酵母属酵母发酵。存在于所述流中的木糖和其他戊糖可被发酵成木糖醇，例如用假丝酵母发酵。
任选地，将分离自经预处理原料的糖流4与乙醇蒸馏后剩余的蒸馏釜底流相组合。该实施方案在图1D中描述，其中蒸馏釜底流13与得自预处理2的糖流4组合，获得组合的糖流和蒸馏釜底流32。随后，组合的糖流和蒸馏釜底流32被送往沉淀20。同样，类似的附图标记表示与图1A中相同或相似的处理步骤。
根据本实施方案(图1D)，纤维素水解8之后残余的流一般主要含有葡萄糖。葡萄糖可在发酵10中被发酵成醇、糖醇、有机酸或其组合。不受限制地，可利用野生型酵母菌属酵母将葡萄糖发酵成乙醇。
图1D的流30包含对原料中的半纤维素组分进行酸预处理所得到的糖。流30中的糖也可发酵生成醇、糖醇、有机酸或其组合。优选地，发酵产生乙醇。可用上文所述遗传修饰的酵母将木糖或者木糖和阿拉伯糖发酵成乙醇。或者，木糖和其他戊糖也可通过微生物(例如假丝酵母)发酵成木糖醇。发酵前，流30可被进一步地处理以除去无机酸和有机酸，或这些酸的盐，优选通过阴离子交换来除去。
图2描述了这样的方法，其中氢氧化钙被用于调节经预处理原料的pH。相似的附图标记表示与图1A中相同或相似的处理步骤。图2与图1A类似，只是根据该实施方案，将含碳酸钙流24在石灰窑25中煅烧。在石灰窑25中煅烧碳酸钙生成氧化钙和二氧化碳。通过加水水化，氧化钙生成氢氧化钙水溶液29。所得的含氢氧化钙流29之后被用于中和6。如果含碳酸钙流24还含有碳酸镁，则流29会含有氢氧化镁。
尽管图2中的钙和任选的镁沉淀自糖流7，但沉淀也可用处理木质纤维素原料(以产生葡萄糖、木糖或其组合)的方法中得到的任何含有钙的流(即，含钙流)或由其产生的任何流进行。例如，钙可直接从蒸馏釜底流中沉淀出来，或从组合的糖流和蒸馏釜底流中沉淀出来。(与图1C和1D中描述的实施方案相似)。在另一个非限制性的例子中，进行钙沉淀和任选的镁沉淀的含钙流是在沉淀前已经过离子交换处理的糖流、蒸馏釜底流及其组合中的任何一个。后一种非限制性实施方案的实例在下文中更详细地讨论。(见图3-5)。
现在参照图3A，其中描述了本发明的另一个非限制性的实施方案，得自中和的经预处理原料并包含来自预处理2的糖的糖流7经过第一阳离子交换14，其除去其中的阳离子，生成去阳离子的糖流30。随后再生第一阳离子交换器14。再生第一离子交换14树脂床后所得的盐流16含有可溶性钙，随后被沉淀，例如在沉淀步骤20中通过加入二氧化碳和氨进行沉淀。钙与碳酸盐反应生成含碳酸钙流24，其在纤维素水解前在过滤22后被再循环到中和步骤6。根据本实施方案，从盐流16中除去碳酸钙后，所得的澄清盐流被蒸发35并之后进行第二离子交换操作26，其应用例如硫酸作为再生剂来生成硫酸盐40。这些硫酸盐随后可用作肥料或按需要用于其他目的。
通过从盐流16中除去钙，避免了其后在第二阳离子交换树脂床26中形成硫酸钙。如WO 2009/026707中提出的那样，如果第二阳离子交换的进料流中存在钙，则用硫酸进行的再生会生成硫酸钙并在树脂床中沉淀。这些沉淀是不期望的，因为它们干扰离子交换过程以及进料到柱或通过柱的流动。另外，从树脂床中除去它们困难而又昂贵。
如图3A中描述的那样，第一阳离子交换14的进料是得自包含中和的经预处理原料的流的糖流7。然而进料流也可来自该方法的其他阶段。例如，如图3B所示，第一阳离子交换14的进料可为乙醇蒸馏后所得的蒸馏釜底流。或者，如图3C所示，进料可为包含来自预处理的糖流4和蒸馏釜底流13的组合流。图3A、3B和3C中类似的附图标记表示相同或相似的处理步骤。进料流也可来自木质纤维素原料向葡萄糖转化的其它本文中未具体描述的流。
术语“阳离子交换树脂”意为包含带负电位点的不溶性固体基质，其可与周围溶液中的阳离子相互作用或结合。该术语意在包括螯合树脂，该树脂在下文中详细地描述。阳离子交换树脂可为强或弱酸树脂，但优选强酸阳离子交换树脂。
当含钙流被进料到第一阳离子交换树脂中时，通过与树脂上的阳离子交换而使树脂与流中的阳离子结合，而可包含糖、无机酸和有机酸或这些酸的盐的流，作为低亲和力流洗脱。例如，这可通过将含钙流进料到H+形式阳离子交换树脂床而实现，但应当理解，可以利用其他将在本文中描述的树脂床。阳离子交换树脂一般结合一价(例如，钠、钾和铵离子)和二价(钙和镁离子)阳离子。进料一定体积的所述流后，再生树脂。可使进料流进料直到一价阳离子流穿(breakthrough)，在这种情况下通过树脂床的流不包含一价或二价阳离子，或这些阳离子水平很低。如果进料流一直进料到二价阳离子流穿，则再生前从树脂中洗脱的流会包含一价阳离子。可应用任何使结合到阳离子交换树脂上的钙和其他阳离子解吸附的再生剂来生成钙或其他阳离子的可溶性盐。
在本发明的一个实施方案中，通过向阳离子交换树脂中加入酸来进行再生。在该实施方案中，酸的阴离子与被吸附在树脂上的阳离子相互作用生成可溶性的盐。优选地，酸为盐酸，其再生后生成可溶性氯化钙，和结合到树脂上的其他阳离子的盐酸盐。应该理解的是，如果用硫酸作第一阳离子交换的再生剂，必须小心控制，因为该酸能够生成不可溶的硫酸钙，可沉淀在树脂床中。
图3A、3B和3C中描述的实施方案用盐酸作第一阳离子交换的再生剂，但也可根据需要用其他再生剂。根据该实施方案，第一离子交换14为H+的形式。当含钙流7(图3A)、13(图3B)或4(图3C)被进料到第一阳离子交换14时，所述硫酸盐中的钙和其他阳离子(例如钾、钠和镁)替代树脂上的H+，而可包含糖、无机酸和/或有机酸或这些酸的盐的流作为低亲和力流而洗脱。进料到树脂的流中的阳离子来自于在预处理中所加入硫酸的硫酸盐。
通过树脂的低亲和力流可以是钙浓度降低(并基本上没有钾、钠和镁离子)的去阳离子流30。或者，如上边讨论的，如果向树脂的进料在二价阳离子开始流穿之后终止，则该低亲和力流可包含一价阳离子。
一旦树脂床被二价阳离子饱和或被二价和一价阳离子所饱和，通过加入盐酸将其再生回到H+的形式。如果一价和二价阳离子都吸附到树脂床上，则再生产生盐流16，所述盐流包含氯化钙并任选地也包含氯化镁(如果原料中存在镁)，以及其他一价阳离子的盐酸盐，例如氯化钾和氯化钠。这些盐来自吸附的阳离子与氯离子和过量盐酸的反应。与硫酸钙不同，来源于再生过程的氯化钙是高度水溶性的，因此不太可能在树脂床内沉淀。过量的盐酸可通过酸回收单元回收(未显示)，并之后再循环回阳离子交换器用作再生剂。
包含对树脂低亲和力化合物的去阳离子流30可被进一步地处理。例如，像前边参照图1A-C提到的那样，如果流30含有糖或酸，则可被处理而除去酸，之后进行发酵来生成乙醇或其他发酵产物。尽管图中展示了去阳离子的流30，如前边讨论的那样，该含糖流也可包含一价阳离子。这些一价阳离子可存在于发酵过程中的所述流中。
用于再生阳离子交换树脂床的盐酸的浓度可为约1％至约20％，或于其间的任何浓度。如果再生剂浓度低于5％，那么很可能需要过量的水，这样从实用角度考虑再生时间可能会太长。盐酸盐的浓度会太低而无法有效地处理。然而，如果HCl浓度太高，当水被加回到系统中时，存在树脂渗压休克(osmotic shock)的风险。所述再生剂浓度优选约5％至约8％，或于其间的任何浓度范围。
根据本发明前述实施方案中的任何一个，再生剂可以与水进料相同的方向进料到树脂床中，这被称为“并流再生”。或者，再生剂可以是逆流的，意为再生剂进料方向与水进料方向相反。再生后，任选地在继续使水流进料之前用水或其他水流清洗柱。
任一上文所述实施方案中使用的树脂床可为填充树脂的长形的垂直柱。或者，可应用高度/直径比值小的短柱。这样的柱在可购自Eco-Tec的RECOFLO
Figure BPA00001405758200191
离子交换器中应用。本领域中技术人员很清楚，树脂床的体积一般根据流速和含钙流中的盐和酸的浓度进行选择。树脂床的尺寸确定可通过将来自实验室的或其他实验的进料流数据与本领域技术人员所熟悉的设计原理相结合而进行。
阳离子交换树脂床可包括单个柱或多个柱。如果应用多个柱，它们可并行和/或串联安置。
本领域技术人员会理解，阳离子交换操作的操作条件可按需要进行调节。例如，进行阳离子交换的温度范围可从环境温度至约90℃。高温可通过在离子交换单元周围放置加热套并监测温度来实现。进料的平均流速可在约0.5和约20L进料/L树脂/小时之间，或于其间的任何值。
阳离子交换操作可用模拟移动床(Simulated Moving Bed，SMB)系统进行。术语“SMB系统”意为模拟液体流动相与固体固定相逆向流动的任何连续色谱技术，即SMB系统模拟树脂床与液体流沿相反方向移动。一般地，SMB系统包含在闭合或开放回路中连接的多个树脂床，具有两个或多个入口流和两个或多个出口流。可通过周期性地使全部床中4个或更多个移动一部分位置来进行模拟移动。WO 2006/007691(Foody和Tolan)中提供了SMB系统的操作的描述，该文献可供读者参考，并以参考形式并入本文。改进的SMB(“ISMB”)系统(例如可得自EurodiaIndustrie S.A.，Wissous，France；Applexion S.A.，Epone，France；或Amalgamated Research Inc.，Twin Falls，Idaho)也可用于本发明的实践。
可根据本发明使用的一类连续离子交换分离系统是可从CalgonCarbon Corporation获得的ISEP
Figure BPA00001405758200201
在典型的ISEP
Figure BPA00001405758200202
中，移动的小离子交换床柱的圆盘式排列在固定端口之间缓慢旋转。在分配端口下旋转的圆盘按照正常的离子交换顺序(包括吸附，回洗、再生和清洗)移动柱。
再生后，任选地在继续进行水性糖流进料之前用水或其他水流清洗阳离子交换床。也可在再生之前，在水性糖流进料到树脂床后进行清洗。在二者中任何一种情况下，清洗步骤优选通过向树脂床中加入约0.5至约2.0倍树脂床体积的水来进行。
在图3A、3B和3C所述每种实施方案中，向盐流16中加入氨和二氧化碳，生成碳酸钙。然而，如上文讨论的那样，这也可包括加入碳酸盐、碳酸氢盐、二氧化碳或其组合来生成碳酸钙。之后，通过过滤22或其他固液分离技术从盐流中除去碳酸钙，来生成含碳酸钙流24。该流随后被再循环到中和步骤6，以在用纤维素酶水解之前调节经预处理木质纤维素原料的pH。
如前边参照图2提出的那样，也可用来自含碳酸钙流24中碳酸钙的氢氧化钙来进行中和。
从盐流中除去不溶性钙沉淀并使之再循环后，残留在所得澄清盐流中的一价阳离子盐可被转化成其硫酸盐。如之前指出那样，这可通过用硫酸作为再生剂的阳离子交换来进行。当应用阳离子交换树脂获得硫酸盐时，树脂一般通过与树脂上的阳离子进行交换而被澄清盐流中存在的可溶性阳离子饱和。对树脂低亲和力的化合物通过树脂床。当树脂随后用硫酸再生时，其与吸附在树脂上的阳离子反应，生成包含硫酸盐的盐流。
再一次参照图3A、3B和3C，过滤22所得的澄清盐流18在被进料到第二阳离子交换操作26之前被蒸发35。根据这些实施方案，第二阳离子交换操作26包含H+形式的强酸阳离子交换。这样，当盐流被进料到第二阳离子交换26时，可溶性盐中的阳离子替换树脂床中的H+。氯离子和H+形成的盐酸在流28中离开树脂床。用阳离子饱和树脂后，用硫酸再生，其将树脂转化回H+的形式并生成包含硫酸铵、硫酸钠和硫酸钾的硫酸盐产物流40。所述流40不含硫酸钙盐，因为该阳离子在离子交换的进料溶液中不存在。如果得自中和的经预处理原料的含钙流7(图3C)是用氨或氢氧化铵进行中和所得，则硫酸盐流40将包含额外的硫酸铵。
另外，如果一直向第一阳离子交换14(例如，分别在图3A、3B和3C中含钙流7、13或4)中进料直到二价阳离子流穿，则一价阳离子会在通过第一阳离子交换树脂的低亲和力流中。在这种情况下，吸附到第二阳离子交换中的一价阳离子将会是钙沉淀过程中所加入盐中的阳离子。例如，如果钙沉淀过程中加入氨，则铵离子将会吸附到第二离子交换树脂上，而在用硫酸再生后会生成硫酸铵。
尽管上述实施方案应用阳离子交换器26，但在此也可应用阴离子交换来获得包含硫酸盐的产物流，例如美国专利No.4,707,347(Vajne)中的描述，该专利以参考形式并入本文。
如在第一次阳离子交换14中那样，再生剂可与澄清盐流进料方向同向或反向。阳离子交换树脂一般为强酸阳离子交换树脂。强酸阳离子交换树脂意为具有包含强酸官能团的聚合物结构的树脂。强酸阳离子交换树脂中常用的强酸官能团为磺酸基，但依需要也可使用其他基团。
与第一次阳离子交换操作相似，用于生成硫酸盐的阳离子交换器26可以是填充了树脂的长形垂直柱或高度/直径比值小的短柱。阳离子交换操作可包含并行和/或串联安置的多个树脂床。树脂床的体积一般根据流速和糖流中盐和酸的浓度来选择。另外，可通过将来自实验的水性糖流数据与本领域技术人员所熟悉的设计原理相结合而确定树脂床的尺寸。阳离子交换操作可为上面描述的SMB或ISMB操作。树脂床再生之后，任选地在继续进行水性糖流的进料之前用水或其他水性流清洗。清洗也可在水性糖流进料之后和再生之前进行。优选通过向树脂床中加入约0.5至约2.0倍树脂床体积的水来进行清洗。
阳离子交换器14或26的树脂床可用再生流中过量的酸再生。在本发明的一个实施方案中，在来自第一阳离子交换器的再生流中存在的过量酸被再利用，用于再生该树脂床。在该实施方案中，将酸从所述流中存在的其他化合物中回收出来。在本发明的另一个实施方案中，从硫酸盐流中回收来自第二离子交换器的再生剂中存在的过量酸，并进料回到第二次阳离子交换器中。
可用于从盐流中回收过量的酸的方法的例子是蒸馏和酸阻滞(acidretardation)。酸阻滞是尤其优选的回收酸的方法，应用强碱性阴离子交换树脂来结合或吸附无机酸。对树脂亲和力低的有机酸、盐和其他化合物通过树脂床，而吸附的酸随后通过加入再生剂(一般为水)而洗脱。酸阻滞是已知的，并在Hatch和Dillon(Industrial&Engineering ChemistryProcess Design and Development，1963，2(4)：253-263)和Anderson等(Industrial and Engineering Chemistry，1955，47(8)：1620-1624)中描述，它们在此各自以参考的形式并入本文。当要回收的酸具有高挥发性时(例如HCl)，可使用蒸发或蒸馏法回收。
图4展示了本发明的另一实施方案。类似于上文描述的方法(图3A、3B和3C)，该实施方案利用两步阳离子交换法。然而，在这种情况下，用可溶性盐(例如钠、钾和铵盐)而非之前描述的酸来再生第一阳离子交换器。
如图4所示，包含硫酸铵、硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙和硫酸镁的糖流7进料到用铵和钾离子饱和或近饱和的第一阳离子交换器14中。在该实施方案中，从第一离子交换器14中获得包含糖、硫酸铵、硫酸钠和硫酸钾的低亲和力的糖流9。
第一阳离子交换器14的树脂床被用阳离子饱和后，通过向流28中加入氯化钠、氯化铵和氯化钾盐而再生。这产生包含钙盐(氯化钙)和氯化铵、氯化钾、氯化钠和氯化镁的流16，并将树脂转化回NH4 +/K+/Na+形式。之后，如以前的描述，在钙沉淀步骤20中用二氧化碳和氨或其他碱(例如碳酸盐或碳酸氢盐)处理流16，来沉淀钙和镁的碳酸盐，其之后在过滤22中从溶液中除去。过滤22中获得的包含碳酸钙和碳酸镁的流24之后被再循环到中和6。包含剩余氯化铵、氯化钠和氯化钾盐的澄清盐流18被蒸发35，随后再循环到第一阳离子交换器14来再生树脂床。流18的蒸发35优选在其再循环到第一阳离子交换器14前进行，以抵消在沉淀或过滤中盐的任何稀释。
当氯化钾、氯化铵和氯化钠被用于再生第一阳离子交换树脂床时，可应用任何适于再生的浓度。例如，这些盐的浓度可在约3％至约15％之间，或于其中的任何温度范围。尽管描述了K+/NH4 +/Na+的应用，应该理解的是，其他盐或盐的化合物可依需要被用于再生树脂床。
得自第一离子交换器14的低亲和力糖流9包含减少量的钙并包含糖、硫酸铵、硫酸钠和硫酸钾。该流9随后进料到第二阳离子交换26以获得一价阳离子的硫酸盐。随着流9被加样到第二阳离子交换器26，硫酸盐中的铵、钠和钾离子结合到树脂，而糖和酸30通过树脂床。第二阳离子交换器26随后被用硫酸再生以获得包含铵、钠和钾的硫酸盐40。
流30可进一步地被处理以除去无机酸和有机酸，并之后按前边参照图1A的描述发酵。
现在参照图5，其中展示了本发明的另一个实施方案。该实施方案也应用了两次离子交换操作，但在该情况下，第一离子交换应用螯合树脂14结合钙和镁离子。
根据本实施方案，包含硫酸铵、硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙和硫酸镁的糖流7被加样到可与钙和镁离子络合的螯合树脂14中。从树脂床获取含有降低的钙水平的包含糖、硫酸钠、硫酸铵和硫酸钾的低亲和力糖流9。
用钙和镁离子饱和或近饱和螯合树脂14的床后，通过加入盐酸再生。这产生了包含可溶性钙盐(氯化钙)还有氯化镁和过量盐酸的流11。之后在钙沉淀步骤20中，用氨水和二氧化碳或其他的碱(例如碳酸盐或碳酸氢盐)处理流11，以沉淀碳酸钙和碳酸镁，随后通过过滤22除去。包含碳酸钙和碳酸镁的流24被再循环到中和6。过滤产生的澄清盐流18将包含氯化铵，该流可进行蒸发35并进料到阳离子交换器26，通过用硫酸再生而将氯化铵转化为硫酸铵。在氯化铵流进料中产生的盐酸可被再循环以再生螯合树脂14。
得自螯合树脂14的低亲和力糖流9含有降低水平的钙，并包含糖和一价阳离子的盐，即硫酸钠、硫酸铵和硫酸钾。随后，流9被进料到阳离子交换器15。当该流被进料到阳离子交换器15时，硫酸盐中的钠、铵和钾离子结合到树脂，而糖和酸30通过树脂床。之后，阳离子交换器15用硫酸再生，以获得包含钠、铵和钾的硫酸盐的产物流40以及过量硫酸。可向硫酸盐40中加入氨水可将剩余的硫酸转化成硫酸铵。得到的是包含硫酸铵、硫酸钾和硫酸钠的流。
按照上述参照图1A的讨论，去离子的流30可被进一步地处理而除去无机酸和有机酸。该流中的酸然后可如前述进行发酵。
如在本文中使用的那样，术语“螯合树脂”是指这样的树脂，其中已经引入了与钙离子(任选地，镁离子，如果该离子存在于溶液中的话)形成螯合物的官能团。螯合基团可以是带有两个或更多电子供体元素(例如氮、硫、氧和磷)的基团。本领域中已知各种类型的螯合树脂，包括带有选自N-O、S-N、N-N、O-O和P-N官能团的那些。可用于本发明实践的特别熟知的螯合树脂的非限制性例子包括亚氨基二乙酸盐型和聚胺型螯合树脂。如前所述，螯合树脂被认为是一种阳离子交换树脂类型。
本领域中螯合树脂是公知的，一般用于水纯化过程以从溶液中除去金属污染物。优选的再生剂的例子为酸，例如可形成盐酸盐的盐酸。可以依需要使用其他酸再生剂生成其他可溶性钙盐。然而，如果硫酸被用作再生剂，必须小心控制，因为该酸生成不溶性的硫酸钙，可在树脂床中沉淀。
本领域中专业人员会理解，螯合树脂可为大孔(即包含离散的孔)或微孔(凝胶树脂)，并包含有窄或宽范围的颗粒形状和大小。另外，聚合物结构的交联可以改变，以达到所需的孔隙率程度。典型的螯合树脂聚合物结构通过使用二乙烯基苯交联的聚苯乙烯形成。螯合树脂可为强酸或弱酸阳离子交换树脂。优选地，螯合树脂为强酸阳离子交换树脂。
在上述描述的实施方案中产生的硫酸盐优选用作肥料，在该情况下通过结晶或电渗析对其进行纯化，干燥，或凝聚并制粒。之后，纯化的盐可被用作液体肥料，或者干燥并用作固体肥料，或者经处理而回收硫酸和/或碱。
尽管描述了在硫酸盐产生过程中作为副产品而产生的碳酸钙的再循环，但应该理解的是，钙盐可在不同于上述阶段的其他木质纤维素原料处理阶段生成。上述实施方案仅以举例的方式提供。
还应该理解的是，送去沉淀的含钙流可得自或源自转化方法中未在本文具体描述的阶段。理论上，用于从中沉淀钙的流可为木质纤维素原料转化为葡萄糖、木糖或其组合的过程中所得的任何含钙流。前述纳入的实施方案是为了举例的目的，而不应该被解释为对本发明的任何形式的限制。
在下边的实施例1-3中，根据申请人对本方法的了解，将进一步地说明本发明。实施例4-7是基于实验室的数据。
实施例
实施例1：从木质纤维素原料所包含的钙和镁中获得包含钙和镁的糖流，以碳酸钙的形式回收钙并以碳酸镁的形式回收镁，并在纤维素水解中使用碳酸钙和碳酸镁进行pH控制。
在工厂收到成捆的12％含水量的小麦秸秆(750t/d，按无水分计)。秸秆包含35.9％纤维素、17.5％木聚糖、22.1％木质素、多种其他有机化合物和无机阳离子，包括钾1.1％、钙0.13％、镁0.06％和钠0.01％(w/w)。参照图1B，将捆拆开并进料到蒸汽/稀酸预处理系统2，如Foody的美国专利No.4,461,648中描述的那样进行。预处理2之后，浆被送往倾析离心机(decanter centrifuge)以从经预处理的固体中分离糖流4。糖流4的流速为121,000L/h。流4中的糖为木糖(26g/L)、阿拉伯糖(2.5g/L)、葡萄糖(7.4g/L)、半乳糖(1.7g/L)和甘露糖(0.9g/L)。糖流中的其他有机化合物包括可溶性木质素(6.4g/L)、乙酸(3.5g/L)、葡萄糖醛酸(1.2g/L)、半乳糖醛酸(0.7g/L)和糠醛(2.2g/L)。糖流还包含硫酸(7.3g/L)、钾(1.7g/L)、钙(0.2g/L)、镁(0.12g/L)和钠(0.02g/L)。本领域技术人员了解，糖流4也包含多种其他化合物，而完全鉴定和定量这些化合物非常困难。
糖流4被进料到沉淀池以对钙和镁进行沉淀20。以62.7kg/hr的速率加入二氧化碳以沉淀碳酸钙和碳酸镁盐。沉淀20在环境温度下在40,000升体积的池中进行。当二氧化碳与钙或镁反应时生成硫酸。加入493kg/hr的氨流以中和硫酸并维持pH在8.0-8.5。用氨中和硫酸产生硫酸铵。
pH8.0时，碳酸镁和碳酸钙的溶解度低于50mg/L。即，钙和镁的碳酸盐基本不溶，因为在浓度超过50mg/L时就形成沉淀的盐。取决于浆中存在的其他盐，钙和镁的溶解度可高于该浓度。包含无机盐(碳酸钙、碳酸镁、乙酸盐和硫酸铵)的糖流34在压滤机中过滤，以除去沉淀的盐，生成稀澄清糖流30。以318kg/hr的速率产生41％固体的滤饼，固体由52％碳酸钙和48％碳酸镁组成。
含有碳酸钙和碳酸镁的流24以25％固体的浓度在水中形成浆。该流被加入到中和6，在酶促水解纤维素8之前，加入额外的碱来调节经预处理小麦秸秆的pH为5.0。
实施例2：从木质纤维素原料所包含的钙和镁中获得包含钙和镁的糖流和蒸馏釜底流，从每个流中以碳酸钙的形式回收钙并以碳酸镁的形式回收镁，并用碳酸钙和碳酸镁来控制纤维素水解的pH。
在工厂收到成捆的12％含水量的小麦秸秆(750t/d，按无水分计)。秸秆包含35.9％纤维素、17.5％木聚糖、22.1％木质素、多种其他有机化合物和无机阳离子，包括钾1.1％、钙0.13％、镁0.06％和钠0.01％(w/w)。参照图1C，将捆拆开并进料到蒸汽/稀酸预处理系统2，如Foody的美国专利No.4,461,648中描述的那样进行。预处理的流的流速为193,000L/h并含有9.5％未溶解固体。该流中可溶性的糖为木糖(26g/L)、阿拉伯糖(2.5g/L)、葡萄糖(7.4g/L)、半乳糖(1.7g/L)和甘露糖(0.9g/L)。该流中的其他有机化合物包括可溶性木质素(6.4g/L)、乙酸(3.5g/L)、葡萄糖醛酸(1.2g/L)、半乳糖醛酸(0.7g/L)和糠醛(2.2g/L)。该流也包含硫酸(7.3g/L)、钾(1.7g/L)、钙(0.2g/L)、镁(0.12g/L)和钠(0.02g/L)。本领域技术人员了解，经预处理的流也包含多种其他化合物，而完全鉴定和定量这些化合物非常困难。
流24包含碳酸钙和碳酸镁，重量比为52/48，为水中浓度为25％固体的浆体。该流以13,340kg/hr的速率被加入到中和6中，以在酶促水解纤维素8之前调节经预处理小麦秸秆的pH到5.0。酶促水解在pH5.0和50℃下，在一组4个每个体积为5百万升的容器中进行96小时。以0.8hp/1000gal的输入功率搅拌容器。将Iogen Corporation生产的纤维素酶作为包含活性蛋白的液体加入到第一个容器中。以25mg蛋白/g纤维素的剂量加入酶。
水解后，包含水性糖溶液和未转化固体(主要是木质素)的浆用压滤器分离成固体流和水性流。水性流被送到发酵10将葡萄糖和木糖发酵成乙醇。通过蒸馏12除去乙醇，生成蒸馏釜底流16。
蒸馏釜底流16被进料到沉淀池中，以对剩余可溶性钙和镁进行沉淀20。以1602kg/hr的速率加入二氧化碳来沉淀碳酸钙和碳酸镁盐。环境温度下，在40,000升体积的池中进行沉淀。由于二氧化碳与钙或镁反应，其产生硫酸。加入1238kg/hr的氨流来中和硫酸并维持pH为8.0到8.5。用氨中和硫酸生成硫酸铵。
pH8.0时，碳酸镁和碳酸钙的溶解度低于50mg/L。即，钙和镁的碳酸盐基本不溶，因为在超过50mg/L的浓度下形成沉淀的盐。取决于存在于浆中的其他盐，钙和镁的溶解度可高于该浓度。包含无机盐(碳酸钙、碳酸镁、乙酸盐和硫酸铵)的残余流在压滤机中过滤除去沉淀的盐，生成稀的澄清残余流30。以8573kg/hr的速率产生41％固体的滤饼，固体由52％碳酸钙和48％碳酸镁组成。首先，用水稀释到25％固体之后，将完整的饼流24再循环到中和过程。一旦钙和镁的浓度积聚到足够中和经预处理原料的点，就放出3％的饼，以清除钙和镁，并阻止这些元素的积累。实施例3：从包含于木质纤维素原料的钙中获得包含钙的糖流和蒸馏釜底流，从每个流中以碳酸钙的形式回收钙，并在纤维素水解中用碳酸钙调节pH。
在工厂收到成捆的12％含水量的小麦秸秆(750t/d，按无水分计)。秸秆包含35.9％纤维素、17.5％木聚糖、22.1％木质素、多种其他有机化合物和无机阳离子，包括钾1.1％、钙0.13％和钠0.01％(w/w)。参照图1C，将所述捆拆开并进料到蒸汽/稀酸预处理系统2，如Foody的美国专利No.4,461,648中描述的那样进行。经预处理流的流速为193,000L/h并含有9.5％未溶解固体。该流中可溶性的糖为木糖(26g/L)、阿拉伯糖(2.5g/L)、葡萄糖(7.4g/L)、半乳糖(1.7g/L)和甘露糖(0.9g/L)。该流中的其他有机化合物包括可溶性木质素(6.4g/L)、乙酸(3.5g/L)、葡萄糖醛酸(1.2g/L)、半乳糖醛酸(0.7g/L)和糠醛(2.2g/L)。该流也包含硫酸(7.3g/L)、钾(1.7g/L)、钙(0.2g/L)和钠(0.02g/L)。本领域技术人员知道，经预处理的流也包含多种其他化合物，而完全鉴定和定量这些化合物非常困难。
含有碳酸钙的流24为水中25％固体浓度的浆。该流以11,500kg/hr的速率加入到中和6，以在酶促水解纤维素8之前调节经预处理的小麦秸秆的pH至5.0。酶促水解在pH5.0、50℃下，在一组4个每个体积为5百万升的容器中进行96小时。以0.8hp/1000gal的输入功率搅拌容器。将Iogen Corporation生产的纤维素酶作为包含活性蛋白的液体加入到第一个容器中。以25mg蛋白/g纤维素的剂量加入酶。
水解后，将包含水性糖溶液和未转化固体(主要是木质素)的浆用压滤器分离成固体流和水性流。水性流被送到发酵10，以将葡萄糖和木糖发酵成乙醇。通过蒸馏12除去乙醇，生成蒸馏釜底流16。
蒸馏釜底流16进料到沉淀池中对剩余可溶性钙进行沉淀20。以1265kg/hr的速率加入二氧化碳来沉淀碳酸钙。环境温度下，在40,000升体积的池中进行沉淀。因为二氧化碳与钙反应，其生成硫酸分子。加入978kg/hr的氨流来中和硫酸并维持pH为8.0到8.5。用氨中和硫酸生成硫酸铵。
pH8.0时，碳酸钙的溶解度低于50mg/L。即，碳酸钙基本不溶，因为在浓度超过50mg/L时产生沉淀的碳酸钙。取决于存在于浆中的其他盐，钙和镁的溶解度可高于该浓度。包含无机盐(碳酸钙、乙酸盐和硫酸铵)的残余流在压滤机中过滤除去沉淀的盐，生成稀的澄清残余流30。以7012kg/hr的速率产生41％固体的滤饼。首先，在用水稀释到25％之后将完整的饼流24再循环到中和过程。一旦钙的浓度积聚到足够中和经预处理原料的点，就排出1％的饼，以清除钙，并阻止该元素的积累。
实施例4：用CO2+NH3沉淀钙盐之前和之后，糖流中选定组分的浓度的总结
参照图1A，根据Foody在美国专利No.4,461,648(以参考并入本文)中提出的方法通过蒸汽/稀酸预处理2获得经预处理的小麦秸秆流。对经预处理的小麦秸秆浆(约6.5％未溶解固体)使用CaCO3(Fisher Chemicals)进行中和6以到达pH5.0，之后真空过滤通过1.6μm玻璃纤维滤器。保持温度为50℃，通过向100mL滤液中加入180到220μL的氨水(28wt％)而将对应于糖流7的滤液的pH调节到pH8。所得的溶液在沉淀20中用2mL/分钟的二氧化碳处理10分钟，并持续加入碱(28wt％氨水，1.44至2.1mL)以在整个沉淀过程20中保持溶液接近pH8。钙沉淀后，起始和最终糖溶液(分别对应于图1A中的糖流7和30)中选定组分的组成列在如下的表1中。应该理解的是，糖溶液也包含钾、镁和钠，还有其他有机化合物，包括可溶性的木质素、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸和糠醛。然而本领域技术人员知道，木质纤维素转化过程中产生的糖流还包含很多其他化合物。在通过1.6μm玻璃纤维滤器进行真空过滤22后收集沉淀所产生的固体，以产生包含回收的碳酸钙的浆(对应于流24)。
表1
Figure BPA00001405758200291
实施例5：起始糖流和用CaCO3中和之后终末流中选定组分浓度的总结
再一次参照图1A，将通过蒸汽/稀酸预处理2获得经预处理的小麦秸秆泥浆流(6.5％未溶解固体)250g样品，按Foody在美国专利No.4,461,648中的描述，在50℃下在中和6中用15.24g的30％CaCO3浆(Fisher Scientific)中和。在中和6中充分混合浆。起始和终末糖溶液中选定组分的组成列在表2中。通过将来自预处理2的浆用玻璃纤维滤器过滤而获得起始溶液用于分析，而终末溶液对应于图1A中的糖流7。如上文所述，糖溶液也含有其他有机化合物和离子。(参见实施例4中的讨论)。
表2
Figure BPA00001405758200292
实施例6：起始糖流和用回收的CaCO3中和后的糖流中选定组分浓度的总结
参照图1A，根据Foody在美国专利No.4,461,648中的描述，将回收自实施例4的包含钙盐的溶液(对应流24)用于中和在预处理2中用蒸汽/稀酸预处理而制备的小麦秸秆流(20g，pH 1.4)。中和6在50℃下进行并同时混合，需要1.3g的30wt％CaCO3并混合。要注指出的是，在中和6的过程中，发生了少量的蒸发。还要指出的是，糖和硫酸盐保持高水平，而乙酸盐发生一定程度的沉淀。起始和终末糖流中选定组分的组成(分别对应图1A中的糖流7和30)列在表3中。如上文所述，糖溶液也含有其他有机化合物和离子(见实施例4中的讨论)。
表3
实施例7：对用回收的CaCO3中和的经预处理的小麦秸秆进行水解
通过用1.6μm玻璃纤维滤器进行真空过滤(对应图1A的过滤22)，分离如Foody在美国专利No.4,461,648所述在预处理2中用蒸汽/稀酸预处理的并按实施例3所述进行中和而制备的小麦秸秆。用1％的纤维素和载酶量15mg蛋白/g纤维素的浆，在pH 5.0的柠檬酸钠缓冲液中，用Iogen纤维素酶对回收的木质纤维素原料进行纤维素水解8。纤维素水解8生成包含葡萄糖的糖流。96小时的水解过程的最终pH为4.9。图6中展示了作为时间的函数的纤维素转化。有利地，约90％的纤维素在该实验中转化成了葡萄糖。

Claims (20)

1.加工木质纤维素原料以生产葡萄糖的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)用酸对所述木质纤维素原料进行预处理，以产生包含经预处理原料的组合物；
(ii)提供含钙流，其包含得自所述木质纤维素原料的钙；
(iii)产生含碳酸钙流，其通过使所述钙从所述含钙流中沉淀出来而获得；
(iv)用以下来调节包含所述经预处理原料的流的pH：
(a)所述含碳酸钙流；
(b)通过煅烧所述含碳酸钙流而来自于所述含碳酸钙流的含氢氧化钙流；或
(c)所述含碳酸钙流与所述含氢氧化钙流的组合，
其中对所述包含经预处理原料的流的pH进行的所述调节产生了中和的经预处理的木质纤维素原料，其pH为约3至约9，并且其中由此产生的中和的经预处理木质纤维素原料的pH大于步骤(i)中产生的包含经预处理原料的组合物的pH；和
(v)用纤维素酶对所述中和的经预处理木质纤维素原料进行酶促水解，以产生葡萄糖。
2.根据权利要求1的方法，其中所述含钙流含有得自所述原料的镁，并且其中通过沉淀所述镁而使碳酸镁与碳酸钙一起产生。
3.根据权利要求1或2的方法，其中用于预处理所述木质纤维素原料的所述酸为硫酸。
4.根据权利要求1、2或3的方法，其中所述酶促水解在微生物存在下进行，所述微生物将葡萄糖转化为至少一种发酵产物。
5.根据权利要求1-4中任何一项的方法，其中所述钙的沉淀包括向所述含钙流中加入二氧化碳、碱、碳酸盐或碳酸氢盐，或其组合。
6.根据权利要求1-4中任何一项的方法，其中所述钙的沉淀包括向所述含钙流中加入二氧化碳和碱，所述碱选自氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾，及其组合。
7.根据权利要求5的方法，其中所述碳酸盐或碳酸氢盐选自碳酸铵、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵、碳酸氢钠、碳酸氢钾，及其组合。
8.根据权利要求1-7中任何一项的方法，其中进行所述钙沉淀的pH为约3至约11，温度为约20℃至约95℃，时间为约5分钟至约48小时。
9.根据权利要求1-8中任何一项的方法，其中用于沉淀出所述钙的含钙流选自：
(a’)包含葡萄糖、木糖或其组合的糖流；
(b’)蒸馏釜底流，其如下产生：发酵步骤(v)中所产生的葡萄糖以产生包含发酵产物的发酵液，蒸馏所述发酵液以获得包含浓缩发酵产物的流以及蒸馏釜底流；
(c’)将所述糖流与所述蒸馏釜底流相组合而得到的流；和
(d’)源自所述糖流、所述蒸馏釜底流以及所述糖流与蒸馏釜底流的组合流中任何一个的流。
10.根据权利要求9的方法，其中所述糖流得自预处理步骤之后和酶促水解步骤之前的包含经预处理原料的所述组合物。
11.根据权利要求1-9中任何一项的方法，其中所述预处理在约0.4至约3.0的pH下进行。
12.根据权利要求1-9中任何一项的方法，其中进行所述预处理以水解所述原料中所存在半纤维素的至少一部分，并增加所述原料中纤维素对于被所述纤维素酶水解的可接近性。
13.根据权利要求1-9中任何一项的方法，其中所述预处理在约160℃至约280℃的温度下进行。
14.根据权利要求1-13中任何一项的方法，其中所述纤维素酶包含纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶(EG)和β-葡萄糖苷酶。
15.根据权利要求1-14中任何一项的方法，其中所述木质纤维素原料选自玉米秸秆、大豆秸秆、玉米棒、水稻秸秆、稻壳、玉米纤维、小麦秸秆、大麦秸秆、油菜秸秆、燕麦秸秆、燕麦壳，及其组合。
16.根据权利要求9的方法，其中用于沉淀出所述钙的含钙流是蒸馏釜底流，或由此产生的流。
17.根据权利要求9的方法，其中用于沉淀出所述钙的所述含钙流是将所述糖流与所述蒸馏釜底流相组合而得到的流，或由此产生的流。
18.根据权利要求9的方法，其中用于沉淀出所述钙的所述含钙流是糖流，或由此产生的流。
19.根据权利要求16、17或18的方法，其中沉淀所述钙之后，获得钙浓度降低的含糖流，发酵所述含糖流以产生醇、糖醇、有机酸，或其组合。
20.根据权利要求1-19中任何一项的方法，其中所述中和的经预处理木质纤维素原料具有约4至约6的pH。
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