CN103320547B - 木质纤维素生物质的糖化 - Google Patents

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Abstract

一种用于在某些溴盐尤其是LiBr和CaBr2的浓水溶液中糖化木质纤维素生物质的有效方法。可水解真实木质纤维素生物质，例如玉米秸秆、柳枝稷、废纸、硬木和软木，无需任何事先的预处理。在约100℃‑约160℃的温度下，完全糖化纤维素和半纤维素可在5‑200分钟内完成。残余木质素可通过过滤或离心容易地从产物糖中分离，并可用于制备有利的副产品。可通过任何本领域已知的方法从产物糖（主要是单糖）中回收和分离所述溴盐，特别可使用溶剂提取、抗溶剂沉淀、离子排斥色谱法和/或离子交换色谱法。含糖的水解产物可用于发酵中，用于生产增值产品或有用燃料。

Description

木质纤维素生物质的糖化
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2012年3月25日提交的美国临时申请61/615,297的权益，该临时申请以引用的方式全文纳入本文。
关于政府支持的声明
本发明在由USDA/CSREES授予的11-CRHF-0-6055政府资助下作出。美国政府享有本发明的一些权利。
背景技术
从可再生的生物质资源中生产运输燃料可降低对传统化石燃料的依赖、缓解能源危机、创造新就业岗位、刺激当地经济和减少温室气体排放。目前，从玉米淀粉或甘蔗中生产生物酒精。这些方法是不可持续的，并且不能满足对可再生燃料日益增长的需求。生物燃料的可持续生产必须依赖于丰富的、廉价的和非食品的木质纤维素生物质。基于糖平台的生物质转化方法的核心瓶颈是低成本和低能源输入的糖以从廉价的、非食品的和丰富的木质纤维素生物质中的有效释放[1]。木质纤维素材料中的纤维素由半纤维素和(尤其是)木质素包裹，使得纤维素水解成葡萄糖的难度远大于淀粉。此外，纤维素具有晶状结构以及比淀粉更强的糖苷键(β-糖苷键相对α-糖苷键)。因此，水解纤维素需要较苛刻的条件例如高温和更多的化学试剂[2]。已经广泛研究用于糖化木质纤维素材料的主要方法包括浓酸、稀酸、离子液体和酶方法。
浓酸糖化是研究最广泛的纤维素水解方法。该方法在较温和的温度下进行，并产生接近理论产率的糖。在该方法中，首先在室温下用浓酸(通常是硫酸)溶胀木质纤维素材料中的纤维素，然后在升高的温度(50-120℃)下使所述溶胀的纤维素在稀酸中水解[3]。然而，设备的酸腐蚀和回收利用浓硫酸的困难已经限制了该技术的发展。虽然离子排斥色谱法可用于分离糖和硫酸，但是该方法是昂贵的且是能源密集型的。此外，所述酸在糖-酸分离过程中被大大稀释，并且在再利用前必须将回收的硫酸再浓缩到70％-80％[4]。
为了避免使用浓酸，开发了在较高温度(160-190℃)下使用稀酸的糖化方法。不幸的是，所述稀酸方法只能得到约50％的糖产率，因为在高温下纤维素水解不完全并且糖降解。此外，这些糖降解产物，例如糠醛、羟甲基糠醛(HMF)和乙酰丙酸可抑制所述糖发酵，例如，以产生乙醇。为了减少糖尤其是戊糖的降解，开发了两阶段法。在第一个阶段中，首先在适中的温度下提取半纤维素；在第二个阶段中，升高温度以将纤维素水解成葡萄糖。即使如此，根据原料和处理条件，所述糖的总产率仅为60％-70％[3b，5]。此外，使用两阶段法需要增加复杂性和成本。
总得说来，使用酸方法遇到的问题包括由纤维素的不完全水解和不利的糖的降解造成的低产率、发酵抑制物(糠醛、HMF、乙酰丙酸等)的形成、高度浓稠的木质素(其限制了所述木质素的副产品潜力)、设备腐蚀、酸回收和废水处理。
使用纤维素和半纤维素水解酶来酶解糖化木质纤维素是另一种用于分解纤维素和半纤维素成单糖的流行方法。酶解糖化本身并不昂贵，并且其危害由于使用温和的处理条件(约50℃，pH4-5)而较酸水解为低。然而，木质纤维素生物质的酶解糖化在经济上吸引力较低，这限制了它的商业化。酶解糖化成功商业化的主要障碍是没有高活性且低成本的酶(纤维素酶和半纤维素酶)。虽然几十年来，在改善酶活性和降低酶生产成本方面已经有显著的进步，但是酶仍是糖来自木质纤维素生物质的高成本的重要原因[6]。另外，由于木质纤维素生物质对所述酶的天然抗性，未处理的粗生物质的酶解糖化是非常困难和非常缓慢的。为了获得令人满意的纤维素水解程度，需要高能源和高成本的预处理操作。这些预处理起到除去木质素和/或半纤维素以暴露纤维素的作用。预处理可通过机械研磨或铣削导致物理基质的破坏以缩小粒度(并由此增加酶的可及表面积)，这通过解晶和解聚或它们的组合增强了纤维素水解。代表性预处理技术包括例如酸处理(例如使用稀酸、浓磷酸等)、有机溶剂法(例如，U.S.专利3,585,104)、氨纤维膨胀(AFEX)、用离子液体处理、用碱处理和亚硫酸法[7]。然而，由于技术和/或经济障碍，迄今这些技术中没有一个已在商业上成功。此外，不像化学反应，酶水解是一个耗时的过程，通常需要几天完成。最后，因为高稠性(底物固体含量)水解是一个设计挑战，酶水解通常产生稀的(5-10％，w/w)糖流。
最近，已经报道了在离子液体中直接水解来自纯纤维素和真实生物质例如未处理的玉米秸秆、小麦和水稻秸秆和木粉的木质纤维素生物质[8，9]。由于这些材料通常较高的成本以及在从产物的分离离子液体和回收利用离子液体中遇到的复杂性，使用离子液体是有问题的。
美国专利4,018,620(Penque)涉及一种为水解新闻纸(报纸)，通过在酸的存在下使用55％的氯化钙，以CaCl2水溶液和酸处理纤维素而将纤维素水解成单糖的方法。报道了50％的总糖化产率，但纤维素仅被水解20％[10c]。因其溶胀和溶解纤维素的能力，ZnCl2被广泛用于纤维素溶剂系统[11]。报道了以下用ZnCl2水解纤维素的两步法：在高ZnCl2浓度下溶胀和溶解纤维素，然后在酸的存在和稀的ZnCl2下将纤维素水解成葡萄糖。已报道，使用该方法可将超过90％的纯纤维素糖化为葡萄糖。然而，当用于真实木质纤维素生物质时，该方法没有那么有效，其中多糖(纤维素和半纤维素)的总糖化产率是60-70％，而纤维素的总产率仅为30-50％。
美国专利4,713,118和4,787,939涉及一种用于修饰、溶解和/或水解含有还原基团的糖苷键连接的碳水化合物的方法。所述方法使用水；无机酸；以及锂、镁或钙的卤化物的混合物。
虽然用于水解木质纤维素材料的方法是本领域已知的，但是本领域仍然需要在形成不利副产物的损失最小并优选地不需要预处理木质纤维素材料的情况下，将木质纤维素材料尤其难于水解的木基材料大部分水解为单糖的有效且低成本的方法。
发明内容
本发明提供了一种在某些溴盐尤其是LiBr的浓水溶液中糖化木质纤维素生物质的有效方法。本发明方法可水解真实木质纤维素生物质例如玉米秸秆、柳枝稷、废纸、硬木和软木，无需任何事先的预处理。在约100℃-约160℃的温度下，完全糖化纤维素和半纤维素可在5-200分钟内完成。残余木质素可通过过滤或离心容易地从产物糖中分离出来，并可用于制备有益的副产品。可通过任何本领域已知的方法从产物糖(主要是单糖)中回收和分离所述溴盐(尤其是LiBr或CaBr2)，特别可使用溶剂提取、抗溶剂沉淀、离子排斥色谱法和/或离子交换色谱法。
所述方法可用于木质纤维素材料，而不需要大量的机械和/或化学预处理。例如，本发明的方法可在无化学预处理的情况下，用于硬木碎屑或软木碎屑、锯屑和木粉。所述方法可用于糖化含有不同木质素含量的多种生物质原料。所述方法在单个步骤中糖化木质纤维素材料的纤维素和半纤维素，并提供从纤维素和半纤维素中分级出的残余木质素。所述方法可提供高于80％，优选地90％或更高的己糖和戊糖的总糖产率。所述方法可导致有限的糖降解和有限的发酵抑制物例如呋喃的形成。本发明的方法可直接地糖化木质纤维素并使产生的糖从残余木质素中分离。可以以高纯度且保留修饰活性地回收残余木质素。可回收利用所述方法中使用的盐。所述方法提供成本和能源效率的改进以及良好的规模性。本发明的方法可产生高浓度(10-100％或优选30-100％)的糖溶液，这节省了用于浓缩糖和终产物(例如乙醇)的成本和能源。至少主要是单糖的产物糖可在无显著量的糖降解产物(例如呋喃)的情况下以高纯度(例如95％或更高)获得。通过本发明方法制备的产物糖可用作糖原料，用于本领域已知的发酵和催化/热化学转化方法。在具体的实施方案中，这些糖原料可在足够低的糖降解产物的水平下制备，从而避免发酵的抑制。
在本发明的具体实施方案中，所述方法中加载的生物质可以是以木质纤维素重量比盐溶液体积计1％-100％(即其中盐溶液与木质纤维素比例的范围是100∶1至1∶1)。在更具体的实施方案中，加载的生物质可以是以重量比体积计5％-100％(其中盐溶液与木质纤维素比例的范围是20∶1至1∶1)。在另外的具体实施方案中，加载的生物质可以是以重量比体积计10％-100％(其中盐溶液与木质纤维素比例的范围是10∶1至1∶1)。在另外的具体实施方案中，加载的生物质可以是以重量比体积计20％-100％(其中盐溶液与木质纤维素比例的范围是5∶1至1∶1)。
在具体的实施方案中，本发明的方法将木质纤维素材料与酸和溴盐的水性混合物接触。所述溴盐以所述水溶液的40重量％-80重量％的浓度存在。更具体地，所述溴盐的浓度范围是40重量％-75重量％、50重量％-70重量％或55重量％-65重量％。在一个具体的实施方案中，所述溴盐的浓度范围是57重量％-64重量％。在具体的具体方案中，所述水性混合物中溴离子的范围13-20M。在具体的具体方案中，所述水性混合物中溴离子的范围16-19M。在具体的实施方案中，所述溴盐是LiBr、CaBr2、KBr、AlBr3、MgBr2或NaBr。在更具体的实施方案中，所述溴盐是LiBr。在其他具体的实施方案中，所述溴盐是CaBr2。在具体的实施方案中，所述溴盐是在所述反应介质中以52重量％-68重量％的总浓度存在的LiBr、CaBr2或它们的混合物。在具体的实施方案中，所述溴盐是在所述反应介质中以55重量％-65重量％的浓度存在的LiBr。在具体的实施方案中，所述溴盐是在所述反应介质中以55重量％-65重量％的浓度存在的CaBr2。
如果所述木质纤维素材料包含水分，那么调节所述混合物中盐的量和酸的量以补偿存在的水分。在本发明具体的实施方案中，将所述待溶解或水解的材料风干至包含10重量％或更少的水分。
酸是有机酸或无机酸，但优选无机酸。酸以低于1M的浓度存在。在更具体的实施方案中，酸以0.5M或更低、0.25M或更低、0.1M或更低、或0.05M或更低的浓度存在。在具体的实施方案中，所述酸是HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4或HBr。为了降低处理成本，优选将HCl或H2SO4用作酸。在具体的实施方案中，将酸基于存在的生物质(纤维素、木质纤维素等)的量加入到所述水解反应，并且优选低于5重量％(以生物质计)，以使不利的糖降解产物例如呋喃的产生最小化。可加入较高水平的酸以增加水解的速度，但可能产生所述降解产物。在水解产物中降解产物的存在不损害水解产物的进一步使用的情况下，尤其可使用这种较高水平的酸。在一个实施方案中，不向所述反应中加酸，这可能增加水解需要的时间。在一个具体的实施方案中，将酸基于存在的生物质(纤维素、木质纤维素等)的量加入到所述水解反应，并且酸的范围是1重量％-5重量％(以生物质计)。在所述生物质是多糖可被乙酰化的植物材料例如玉米秸秆或木(硬木或软木)衍生材料的具体实施方案中，由于水解中乙酸的释放，加入较低水平的酸可足以实现快速水解。在生物质包含乙酰化的具体实施方案中，可使用低于3重量％和低于1重量％的酸水平。在更具体的实施方案中，所述酸是HCl，基于存在的生物质(纤维素、木质纤维素等)的量被加入到所述水解反应，并且酸的范围是1重量％-5重量％(以生物质计)。在更具体的实施方案中，所述酸是HCl，基于存在的生物质(纤维素、木质纤维素等)的量被加入到所述水解反应，并且酸的范围是2重量％-3.5重量％(以生物质计)。
在本发明的具体实施方案中，将40重量％-70重量％LiBr和无机酸(1M或更低)的水溶液与木质纤维素材料在100-160℃的温度下接触以将纤维素和半纤维素糖化成主要为单糖的糖。在更具体的实施方案中，所述LiBr的浓度是55重量％-65重量％，所述酸浓度是0.5M或更低。在更具体的实施方案中，所述温度是130-150℃，在另一个实施方案中，所述温度是135-145℃。在另外的实施方案中，为了高的糖产率的低的糖降解，可使用100-130℃的温度，优选约110℃的温度。
在本发明的具体实施方案中，将含有53重量％-68重量％的LiBr和低于5重量％的无机酸的水溶液(以木质纤维素材料计)与木质纤维素材料在105-130℃的温度下接触，以将纤维素和半纤维素糖化成主要为单糖的糖。在更具体的实施方案中，以存在的生物质计所述LiBr的浓度是56重量％-64重量％，所述酸浓度是的2-3.5重量％。
在具体的实施方案中，生物质水解反应可在105-130℃的温度下进行15-60分钟，使存在的多糖(纤维素和半纤维素)实现80％或更高的转化。在具体的实施方案中，这些生物质水解反应使用盐浓度为55-65％(w/v)的LiBr或CaBr2或它们的混合物进行。在具体的实施方案中，这些生物质水解反应使用以生物质计低于5重量％的HCl。在具体的实施方案中，本发明的生物质水解反应可在105-130℃的温度下进行15-60分钟，使存在的多糖(纤维素和半纤维素)实现90％或更高的转化。在具体的实施方案中，本发明的生物质水解反应可在105-130℃的温度下进行15-60分钟，并使存在的多糖(纤维素和半纤维素)实现90％或更高的转化，并以最初原料中可得的己糖和戊糖计产生5％或更低的总的HMF和糠醛。
本发明的方法可用于包含高达约30重量％木质素的木质纤维素材料。在具体的实施方案中，所述方法可用于溶解和水解包含0.5重量％-10重量％或更高的木质素的木质纤维素材料。在具体的实施方案中，本发明的方法可用于水解包含15重量％或更高的木质素的木质纤维素材料。更具体地，本发明的方法可用于包含18重量％或更高的木质素的木质纤维素材料。如本文已经在别处指出的，本发明的方法可用于木质素基质被部分破坏的经预处理的木质纤维素材料。另外，本文的方法可用于纤维素、半纤维素、淀粉和衍生自生物质的其他碳水化合物材料。
虽然，本发明的方法优选用于木质纤维素材料，但是所述方法还可用于纤维素、半纤维素、淀粉以及其他多糖和它们的混合物。
在另一个方面，本发明提供了一种用于溶解和任选部分水解纤维素材料的方法，所述方法包括将所述木质纤维素材料(从纯纤维素到高木质素木质纤维素生物质)与含有浓度为40重量％-70重量％的溴盐的水溶液接触。溶解可在100-160℃的温度下进行，但优选100-140℃的较低温度进行溶解。在本发明的这个方面，不向所述盐溶液加入有机酸或无机酸。所使用的盐溶液如上所述用于糖化木质纤维素材料，不同之处是不向所述盐溶液加入有机酸或无机酸。该方法可用于从所述木质纤维素材料释放多聚糖和低聚糖并提供木质素含量增高的残余材料。
通过该方法从木质纤维素材料释放的糖类可包括单糖、二糖、低聚糖和多聚糖。通过该方法释放的糖类可被进一步水解成单糖，并可直接用作其他方法(例如发酵方法)的原料。溶解的多糖(纤维素)可用于生产再生纤维素产品(例如纤维或膜)。如本领域已知的，通过该方法产生的残余木质素可用于生产副产品。在一个具体的实施方案中，通过该方法释放的糖类可通过加入稀酸(例如，1-5％浓度)同时在100-160℃的温度下加热而水解。在一个具体的实施方案中，通过该方法释放的糖类可通过加入稀酸(例如，1-5％浓度)同时在100-130℃的温度下加热而水解。在另一个具体的实施方案中，通过该方法释放的糖类可通过加入稀酸(例如，1-5％浓度)同时在升高的压力下加热(例如在最高达2大气压下于50-120℃的温度下加热)而水解。在另一个实施方案中，通过该方法释放的糖类可通过加入稀酸(例如，1-5％浓度)同时在升高的压力下加热(例如将所述混合物进行常规高压灭菌)而水解。在另一个具体的实施方案中，如本领域已知的，通过该方法释放的糖类可用酶来水解。
在本发明这方面的具体实施方案中，所述溴盐是LiBr或CaBr2，所述盐的浓度范围是55重量％-65重量％。在具体的实施方案中，所述方法在100-160℃的温度下进行。在其他实施方案中，所述方法在100-130℃的温度下进行。在其他的实施方案中，所述方法在约110℃的温度下进行。在具体的实施方案中，所述盐溶液与木质纤维素材料的比例是100∶1至1∶1。在其他具体的实施方案中，所述盐溶液与木质纤维素材料的比例是10∶1。在其他具体的实施方案中，所述盐溶液与木质纤维素材料的比例是1∶1。
本发明还涉及用于从产生的糖分离用于溶解和水解纤维素、半纤维素、其他多糖和木质纤维素材料的浓缩盐的方法。本发明的方法获得盐-糖产物混合物。这些产物混合物可含有不同量的水。根据所使用的分离方法，在分离前从所述盐-糖产物混合物中除去水是有利的。除去水可导致盐-糖浆的形成。
在一个具体的实施方案中，可使用离子排斥色谱法的步骤、离子交换色谱法的步骤和/或沉淀方法的步骤以将盐-糖产物混合物中的盐与糖至少部分地分离。在一个具体的实施方案中，可使用阴离子交换和阳离子交换的连续步骤从糖溶液中除去盐。
在一个具体的实施方案中，可使用硼酸提取从盐-糖产物混合物中提取糖，以使糖和盐至少部分地分离。该类型的提取可使用单个提取步骤或多个提取步骤。在一个具体的实施方案中，用含有硼酸和亲脂性季铵盐的有机溶剂相提取所述盐-糖产物混合物。在一个具体的实施方案中，所述硼酸是萘-2-硼酸。在一个具体的实施方案中，所述有机溶剂相是己烷与辛醇或更高级醇的混合物。可使用离子交换色谱的步骤(包括阴离子交换和阳离子交换的连续步骤)和/沉淀从糖提取物中除去另外的盐。优选的沉淀方法是使用碳酸盐尤其是碳酸钠进行沉淀。
在一个具体的实施方案中，可用不溶解糖的有机溶剂相提取所述盐-糖产物混合物以除去盐。在具体的实施方案中，所述有机溶剂相为烷基醇例如丁醇(例如，正丁醇)、酮(例如甲基异丁基酮)、醚或酯、它们的混合物或者所述醇、酮、醚或酯与非极性或低极性烃(例如烷、烯、芳香化合物或它们的混合物)的混合物。在一个具体的实施方案中，所述有机溶剂相是醇与烷的混合物，例如丁醇/己烷混合物。可将选择性络合所述盐的阳离子或阴离子的试剂加入所述有机相以促进盐的除去。例如，可使用三丁基膦或冠醚来提取锂。
可使用离子交换色谱的步骤(包括阴离子交换和阳离子交换的连续步骤)和/或沉淀从糖中除去残余的盐。优选的沉淀方法是使用碳酸盐尤其是碳酸钠进行沉淀。
在具体实施方案中，通过本文的一种或多种方法分离所述盐-糖产物混合物，使得所述糖产物中剩余的盐少于10重量％。
在其他实施方案中，通过本文的一种或多种方法分离所述盐-糖产物混合物，使得述糖产物中剩余的盐低于1重量％。
本发明的方法可用于制备这样的糖产物，即其具有从稀溶液到干的固态糖的不同浓度，并具有不同的残余盐(范围是从基本上无盐(低于0.1重量％)到10重量％或更高(如果所述更高的盐含量在使用所述糖产物的应用中是可容许的))。
本发明的其他方面和实施方案在本领域的普通技术人员考虑下面的非限制性说明和实施例时是明显的。
附图说明
图1是在浓LiBr中直接糖化木质纤维素生物质的示意性流程图。
图2是在浓LiBr中溶解和水解木质纤维素生物质的示意性流程图。
图3的曲线图示出了在不同条件下在LiBr溶液(不加酸)中水解云杉粉与LiBr浓度的函数。在这些水解测定中，在15ml管形瓶中将选定量的LiBr(700、1000、1300、1400、1500、1700、2000或2500mg)溶解于1ml水中。向所述溶液中加入云杉粉(100mg，40目)，然后涡旋至混匀。将样品在100-160℃下加热并搅拌2小时。在反应完成后，过滤水解产物并用水洗涤所述残余物。收集滤液和洗液用于通过HPLC分析葡萄糖、HMF或糠醛。
图4的曲线图示出使用离子排斥色谱(阿拉伯糖：10mg；半乳糖：10mg；葡萄糖：80mg；木糖：20mg；甘露糖：20mg；LiBr：50mg；水：0.5mL)分离LiBr和糖溶液。
图5的曲线图示出通过离子排斥色谱(葡萄糖：约80mg；木糖：约15mg；甘露糖：约60mg；LiBr：约50mg)分离残余LiBr/糖溶液。
图6是分离LiBr和糖的集成方法的流程图。
图7的曲线图示出在浓度是0-5％(w/v)的LiBr的存在下酿酒酵母(S.cerevisiae)的葡萄糖发酵。
图8的曲线图示出在盐浓度是0-5％(w/v)的CaBr2的存在下酿酒酵母的葡萄糖发酵。
图9A和9B的曲线图提供了在2％(w/v)盐(图9A)和5％(w/v)盐(图9B)的不同盐下酿酒酵母的葡萄糖发酵抑制的对比。
具体实施方式
本发明涉及使用浓溴盐水溶液处理木质纤维素以从这些材料中溶解并释放糖类，并产生分离的木质素。在一方面，所述处理释放主要是低聚糖形式的糖类，所述糖可用作发酵原料、用于其他酶水解或化学水解成单糖的原料或者用于转化成其他有用产物例如呋喃的原料。发酵含低聚糖或单糖的原料可生产燃料，例如乙醇或各种增值的发酵产物。在另一方面，向所述盐溶液中加入稀酸并处理木质纤维素材料可导致水解并生成主要为单糖的糖类并伴有分离的残余木质素。
木质纤维材料包括但不限于植物材料、作物、能源作物(用于转化为燃料的作物例如柳枝稷、奇岗等)、农业废料(例如，玉米秸秆、甘蔗渣)、废纸(例如新闻纸)、硬木、软木或木材残余物(木屑、木粉、锯屑)。木质纤维素材料可通过物理方法例如研磨、切碎或捣碎进行预处理。尽管不是必需的，然而木质纤维素材料可通过本领域已知的多种化学或物理方法预处理。优选切碎或研磨木质材料以形成碎屑或粉末。应理解，木质纤维素材料可包括纤维素、半纤维素和其他不含所述木质素基质的生物质碳水化合物。木质纤维素材料可包含不同量的水分。新鲜的木质纤维素材料可包含最高达50重量％的水。调节向本文反应加入的所述盐和酸的量来补偿待溶解或待水解材料的含水量以避免无意识的显著稀释。在本文实施例中，将木质纤维素材料风干以具有10重量％或更低的含水量。已知多种用于需要干燥的木质纤维材料的方法。应理解，更优选消耗较少能源用于任何干燥的方法。
下面的详细说明主要涉及使用LiBr作为示例性溴盐。LiBr是优选的溴盐，但本发明的方法可以用其他溴盐(包括碱金属、碱土金属和某些其他金属的盐)实施。下面的说明通常适用于使用其他溴盐。可用于本发明的溴盐包括但不限于LiBr、CaBr2、KBr、MgBr2、AlBr3、ZnBr2、NaBr和它们的混合物。
如图1示意性示出的：将LiBr、少量的酸和水与真实生物质(例如玉米秸秆、柳枝稷、硬木和软木)在所需的LiBr浓度下(例如40％-70％)混合。将所述混合物在升高的温度下(例如100-160℃，更优选110-130℃)搅拌加热，通常数分钟至数小时(取决于酸浓度、盐浓度、生物质种类和粒度)。所述生物质的纤维素和半纤维素均被完全水解(糖化)，而木质素(最高达所述生物质的30％)仍为不溶的残留物。
通过过滤和离心，从糖和LiBr的溶液中分离木质素。LiBr和来自纤维素和半纤维素的糖可基于它们在水和有机溶剂中电离和溶解度的差别使用离子交换、提取或结晶方法进一步分离。所回收的LiBr可再用于所述方法中，所述糖可通过生物学方法或化学方法转化为生物燃料和化学品。
如图1所示的快速化学糖化方法能够同时水解所述生物质的纤维素和半纤维素，而不需要大大降低所述生物质的尺寸或对所述生物质进行任何化学预处理。所述方法能在糖有限降解成呋喃(糠醛和羟甲基糠醛)的情况下以高产率产生浓糖溶液(＞30％，w/w)，甚至干燥的固态糖。产生的糖主要是单糖。另外，所述方法能直接处理小尺寸的碎屑而无需大大降低尺寸和进行任何预处理，这可显著简化操作和降低加工成本和能源消耗。
图2示出本发明另一方面的示例性方法。如图2示意性示出的，将真实生物质(例如纤维素、玉米秸秆、柳枝稷，硬木和软木)与LiBr和水在所需的LiBr浓度下(例如40％-70％)混合。将所述混合物在升高的温度下(例如100-160℃)搅拌加热，通常数分钟至数小时(取决于盐浓度、生物质种类和粒度)。所述生物质被溶解，糖类主要以寡糖和/或多糖形式释放，木质素仍为不溶性残留物，其可被分离并用于任何本领域公知的应用。回收的盐可再用于所述方法中，所述糖类可通过生物学方法或化学方法直接转化为生物燃料和化学品，或者可首先水解成单糖(以化学方法和/生物方法)，然后再次以化学方法或生物方法转化为生物燃料和/或化学品。如同图1的方法，可处理小尺寸木头碎屑而无需大大降低尺寸和进行任何预处理。
不希望囿于任何特定机制，提供以下对本发明溶解和水解的可能机理的讨论。在稀的LiBr溶液中，Br-和Li+均通过水配位作用溶剂化。然而，因为水在浓LiBr溶液中是不足的，取决于所述LiBr的浓度，部分Br-和Li+是“裸露的”或与水“非溶剂化的”。所述非溶剂化的Br-和Li+与纤维素的羟基相互作用形成Li+...O和Br-...H键，所述键打断纤维素的分子间氢键和分子内氢键，并因此增强纤维素的溶解和水解。据推测，LiBr以三种途径增强纤维素和半纤维素的水解。第一，在浓LiBr溶液中，“裸露的”或“非溶剂化的”Br-和Li+倾向于通过氢键与纤维素的羟基相互作用。机理将在下文进一步讨论。此外，作为间隔物的大体积溴化物阴离子能够在纤维素分子之间形成更多的空间以助于溶剂的透入和纤维素的溶胀和溶解。第二，加入到浓LiBr溶液中的酸(H+)是非溶剂化的，因此比溶剂化的质子更有活性，这可增强纤维素糖苷键的酸性水解。第三，Li+作为路易斯酸本身也可催化糖苷键的断裂。如将在实施例2中讨论的，LiBr本身不加酸就能够水解纤维素和半纤维素；尽管所述反应是缓慢的且水解是不完全的(大部分水解产物以低聚糖的形式存在)。
路线1.浓LiBr溶液中木质纤维素的水解途径
所提出的在浓LiBr溶液中水解木质纤维素的反应途径总结在路线1中。纤维素和半纤维素使用酸和LiBr作为催化剂水解成相应单糖(包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和半乳糖)，取决于生物质的种类。部分的所述糖可能由于不完全水解而以低聚物的形式存在。当所述反应条件严格(较高的温度和酸用量)时，所述少量单糖可进一步脱水成糠醛(自戊糖)和羟甲基糠醛(HMF，自己糖)。所述生物质的木质素可通过由溴化物阴离子(Br-)催化的醚键断裂而部分解聚。然而，所述木质素将仍为不溶的形式，这使得木质素可通过过滤和离心而从所述糖和LiBr中容易地分离。来自本文方法的残余木质素，如本领域已知的，可用于产生副产物。
从本发明的盐-糖产物分离盐
本发明的方法可用于制备这样的糖产物，即其具有从稀溶液到干的固态糖的不同浓度，并具有不同的残余盐(范围是从基本上无盐(低于0.1重量％)到10重量％或更高(如果所述更高的盐含量在使用所述糖产物的应用中是可容许的))。如有需要，可通过本文描述的一种或多种分离方法或本领域普通技术人员已知的任何其他方法减少所述糖产物中的盐量。
本发明的方法可生成盐-糖产物混合物。这些产物混合物可含有不同量的水。取决于所使用的分离方法，在分离前从所述盐-糖产物混合物中除去水可是有利的。除去水可导致盐-糖浆的形成。水可通过本领域已知的任何方法，例如通过气化或其他干燥方法，从产物混合物中除去。优选耗能少的干燥方法。
如本文实施例中所示，可使用离子排斥色谱法、离子交换色谱法的步骤和/或结晶或沉淀方法以将盐-糖产物混合物中的盐与糖至少部分地分离。在一个具体的实施方案中，可使用阴离子交换和阳离子交换的连续步骤以从糖溶液中除去盐。本领域普通技术人员应理解，为了降低成本且提高分离效率，这些分离方法可对于大规模工业加工的应用进行改良。本领域普通技术人员知晓用于实施如本文所示例的分离方法的工业方法。
提取方法可用于从本发明的盐-糖产物中分离盐。在一个具体的实施方案中，可使用硼酸提取从盐-糖产物混合物中提取糖以使糖和盐至少部分地分离。该类型的提取可使用单个提取步骤或多个提取步骤。在一个具体的实施方案中，用含有硼酸和亲脂性季铵盐的有机溶剂相提取所述盐-糖产物混合物。在一个具体的实施方案中，所述硼酸是萘-2-硼酸。在一个具体的实施方案中，所述有机溶剂相是己烷与辛醇或更高级醇的混合物。可使用离子交换色谱的步骤(包括阴离子交换和阳离子交换的连续步骤)和/或沉淀从糖提取物中除去另外的盐。优选的沉淀方法是使用碳酸盐尤其是碳酸钠的沉淀。可使用任何已知用于工业规模提取的方法实施所述提取。本领域普通技术人员可选择合适的提取设备以完成如本文所示例的提取。
在一个具体的实施方案中，可用不溶解糖的有机溶剂相提取所述盐-糖产物混合物以除去盐。在具体的实施方案中，所述有机溶剂相为烷基醇例如丁醇(例如正丁醇)、酮(例如甲基异丁基酮)、醚或酯、它们的混合物或者所述醇、酮、醚或酯与者非极性或低极性烃(例如烷、烯、芳香化合物或它们的混合物)的混合物。在一个具体的实施方案中，所述有机溶剂相是醇与烷的混合物，例如丁醇/己烷混合物。可将络合所述盐的阳离子或阴离子的试剂加入所述有机相以促进盐的除去。例如，可使用三丁基膦或冠醚来提取锂。其他有用的络合剂对于本领域普通技术人员是已知的。可使用任何已知用于工业规模提取的方法实施所述提取。本领域普通技术人员可选择合适的提取设备以完成如本文所示例的提取。
在一个具体的实施方案中，可使用离子交换色谱的步骤(包括阴离子交换和阳离子交换的连续步骤)和/或沉淀从糖中除去残余的盐。优选的沉淀方法是使用碳酸盐尤其是碳酸钠的沉淀。可使用任何已知用于工业规模的方法实施离子交换色谱法。本领域普通技术人员可选择合适的离子交换柱、泵和相关设备以完成如本文所示例的离子交换分离。可使用任何已知用于工业规模的方法实施沉淀和/或结晶方法。本领域普通技术人员可选择合适的设备以完成如本文所示例的沉淀和结晶。
在一个具体的实施方案中，可使用离子排斥色谱的步骤(包括阴离子和阳离子交换的连续步骤)和/沉淀从糖中除去残余的盐。可使用任何已知用于工业规模的方法实施离子排斥色谱法。本领域普通技术人员可选择合适的离子排斥柱和材料、泵和相关设备以完成如本文所示例的离子交换分离。
使用提取的方法对于从本发明的盐-糖产物中分离盐是优选的。本领域的普通技术人员应了解，液-液提取是化学工程中成熟的单元操作，可以以分批或连续模式操作。为了改进提取效率，例如，可使用多阶段逆流连续过程。液-液提取方法和设备的更多细节见Perry’s Chemical Engineers’Handbｏｏk(Eighth Additiｏn，2008)Sectiｏn15(McGraw-Hill Publishers，New Yｏrk，N.Y.)；Muller et al.(2002)Liquid-Liquid Extractiｏn inUllmann’s Encyclｏpedia of Industrial Chemistry，Wiley-VCH。
在具体实施方案中，所述盐-糖产物混合物通过本文的一种或多种方法进行分离，从而使所述糖产物中残余的盐少于10重量％。
在其他实施方案中，所述盐-糖产物混合物通过本文的一种或多种方法进行分离，从而使所述糖产物中残余的盐低于1重量％。
当本文使用马库什组或其他编组时，所述组中的所有单个成员以及组中成员所有可能的组合和亚组合都意图单独包括在公开内容中。除非另有说明，本文描述或示例的组分的每种制剂或结合物都可以用于实施本发明。
化合物的具体名称意图是例示性的，因为众所周知本领域普通技术人员对同样的化合物可能有不同的称呼。当本文描述化合物而未例如以化学式或化学名的方式指明所述化合物具体的同分异构体或对映体时，该描述意图包括单独或以任何组合的形式描述的化合物的每种同分异构体和对映体。
本领域的普通技术人员会理解，可使用本文未具体示例的分离方法、木质纤维素材料、生物质碳水化合物、试剂、纯化方法、分析方法和反应条件实施本发明而不用借助过度的实验。任意这些方法、材料和条件的所有现有技术已知的功能等价物都被意图包括在本发明中。
当在说明书中给出范围时，例如，温度范围、时间范围或者组成范围，其所有中间范围或子范围，以及所有包括在所述范围内的单独值都被意图包括在公开内容中。
本文使用的“包含”与“包括”、“含有”或“特征为”同义，其是包含性或开放式的，不排斥另外的、未提到的要素或方法步骤。本文使用的“由......组成”排除未在权利要求元素中指明的任何要素、步骤或成分。本文使用的“基本由......组成”不排除不实质影响权利要求的基础和新颖特性的物质或步骤。本文中任何提到广义术语“包含”，尤其是在描述组合物组分或在描述设备元件中，均意图包括和描述术语“基本由......组成”或“由......组成”。
虽然本说明书包含很多具体细节，但是这不应被解释为限制本发明的范围，而是仅提供本发明一些实施方案的示例性说明。尤其是，本文提供的实施例意图不是进行限制。
本文引用的参考文献各自都以引用的方式全文纳入本文。当引用的参考文献中的内容与本文公开内容存在任何矛盾时，以本说明书的公开内容为准。本文的一些参考文献以引用方式纳入以提供关于现有技术方法、生物质来源、生物质预处理的方法、其他分析方法以及本发明的经处理木质素的其他用途的细节。
实施例
实施例1：材料和方法
在本研究中使用了用维利磨粉机研磨以通过40目筛的风干木质纤维素材料。不同类型的木质纤维素生物质的化学组成如表1所示。该研究使用的所有化学试剂和溶剂均购自Fisher Scientific或sigma-Aldrich并原样使用。
表1不同原料的组分分析
注：ND，未测定
糖的定量
使用装配有集成电流计检测器、CarbｏpacTM PA1罩(guard)和分析柱的Diｏnex高效离子色谱(HPIC)系统(ICS-3000)在20℃下进行糖分析。依照如下梯度以速率0.7mL/分钟提供洗脱液：0-25分钟，100％水；25.1-30分钟，30％水和70％0.1M NaOH；30.1-35分钟，100％水。为了提供稳定的基线和检测器灵敏度，使用速率为0.3mL/分钟的0.5M NaOH作为柱后洗脱液。
糖降解产物的定量
使用装配有Supelcｏgel C-610H柱(30℃下)和UV检测器(210nm下)的Diｏnex ICS-3000分析了5-羟甲基糠醛(HMF)和糠醛。洗脱液是速率为0.7mL/分钟的0.1％磷酸。
LiBr的定量
溴化锂依照莫尔法
(http://www.titratiｏns.infｏ/precipitatiｏn-titratiｏn-argentｏmetry-chlｏrides-Mｏhr)通过滴定进行定量。Br-和Cl-的含量通过以KCrO4为指示剂，用AgNO3滴定进行确定。所述滴定中的反应如下所示。
Br-+Ag+→AgBr(黄色沉淀物)
Cl-+Ag+→AgCl(白色沉淀物)
Ag++CrO4 -→AgCrO4(红色沉淀物)
实施例2：浓LiBr溶液中纤维素的溶解
研究了不同纤维素样品——包括微晶纤维素(MC，FMC Biｏpｏlymer)、溶解纸浆(DP，漂白的预水解的硬木牛皮纸纸浆)和纤维素滤纸(FP，Whatman，UK)——在61.7％LiBr(相当于LiBr·3H2O)溶液中的溶解。结果总结在表2中。很明显，61.7％LiBr溶液能够溶胀和溶解纤维素。
表2LiBr水溶液(61.7％)中纤维素的溶解
在100℃的较低温度下，所述浓LiBr仅能溶胀而不能溶解纤维素。通过将温度增高至120℃或更高(例如120-140℃)，纤维素可完全溶解于浓LiBr。提高纤维素装载(浓度)通常需要更长的时间来溶解纤维素。溶解时间取决于所述纤维素来源。与微晶纤维素或纤维素滤纸相比，溶解纸浆通常需要更高的温度和更长的时间以在浓LiBr中溶解。据推测，这是由于纤维素样品分子量、结晶度、纤维形态和杂质含量的不同所致。
在微晶纤维素样品中发现，溶解后，纤维素的分子量略有下降，这表明在溶解过程中，发生了某种程度的纤维素解聚(水解)。
发明人认为，浓LiBr溶胀和溶解纤维素的能力对于浓LiBr溶液中木质纤维素的快速和完全糖化是非常重要的，使得其中的纤维素更容易接触到水解剂。
实施例3：LiBr溶液中增强的酸度
在水和不同LiBr浓度的LiBr溶液中确定了0.5％H2SO4的Hammett酸度[18]。结果总结在表3中。在相同的酸加载下，在LiBr溶液中测量的酸度明显高于在水中测量的酸度(负值越大表示Hmmett酸度越高)。此外，Hammett酸度随着LiBr浓度而增加。发明人认为，溴盐溶液中增强的酸度是木质纤维素在浓LiBr溶液中比在水或稀的LiBr溶液中糖化更快的原因之一。
表3在水和LiBr溶液中0.5％H2SO4的Hammett酸度
实施例4：在不加酸的情况下浓LiBr溶液中生物质的溶解和水解
将云杉粉在120-160℃的温度下，在浓LiBr溶液中液化/水解以释放糖类(寡糖和单糖)。在所选择的条件下，云杉粉可在少于30分钟内液化。温度和LiBr浓度对云杉在LiBr溶液中水解的效应总结在图3中。在120℃下，没有检测到葡萄糖或葡萄糖降解产物(HMF)，仅观察到粒度减小，这表明在低温下纤维素的溶解/水解是有限的。在140℃下，取决于LiBr溶液的浓度，云杉粉在10-20分钟内快速液化。云杉粉的溶解/水解随着LiBr浓度的增加而增强，尤其是当LiBr溶度高于55％(w/w)时。这可能归因于“非溶剂化的”Li+和“裸露的”Br-，如上面所述和下面会讨论的，其通过打断纤维素晶体中的氢键来促进纤维素的溶解。在60％(w/w)的LiBr浓度下，所述云杉粉中的纤维素可完全溶解/水解，产生85％的可溶性糖类(组分分析示于表5和表6)和15％的来自葡萄糖脱水的HMF。进一步增加LiBr浓度可导致纤维素溶解和/水解的降低。发明人认为，这是由于纤维素水解所需要的水不足所致。
对纯纤维素例如微晶纤维素(例如microcrystalline cellulose，FMCBiopolymer)和溶解纸浆(漂白的木纸浆通常含有＞95％的纤维素)也测试了在浓LiBr中的溶解和水解。结果显示，在相同的条件下(140℃，60％LiBr溶液)，所述纯纤维素比真实生物质溶解的更快，原因是没有半纤维素和木质素的阻断。据发现，在LiBr中的溶解过程中，所述纤维素的分子量略有下降，这表明在溶解过程中发生了纤维素水解。提高温度或延长时间可使所述纤维素显著地水解(解聚)
鉴于60％LiBr溶液的优良溶解/水解能力，对140℃下在60％溶液中水解不同原料进行了研究。表4示出理论木质素含量和水解后残留物量的比较。结果表明，几乎所有的碳水化合物都被溶解。表5和表6分别示出在120℃下高温灭菌一小时之前和之后水解产物中的碳水化合物组成。发明人认为，120℃下高温灭菌可完全将寡糖水解成单糖。比较表5和表6中的结果，可发现高压灭菌的水解产物比最初的水解产物包含更多的单糖，这意味着从无酸浓LiBr溶液中的木质纤维素溶解出的大部分碳水化合物以水溶性寡糖的形式存在。
表4不同类型原料的LiBr-水解
注：反应条件：1ml H2O，1500mg LiBr，100mg木质纤维素粉，140℃，2小时。
表5无酸的情况下来自LiBr水解不同原料的水解产物中的单糖
注：反应条件：1mL H2O，1500mg LiBr，100mg木质纤维素粉，140℃，2小时。
表6120℃下高温灭菌1小时后来自LiBr水解不同原料的水解产物中的单糖
注：高压灭菌步骤：将1mL水解产物与1mL6％的硫酸溶液混合成2mL酸浓度为3％的水解产物。将该溶液在120℃下高温灭菌一小时以将寡糖水解成单糖。
实施例5：在不加酸的情况下浓LiBr溶液中木质纤维素生物质的糖化
实施例4的实验结果表明，浓LiBr能够溶解和水解木质纤维素生物质中的多糖，但所述水解是不完全的且缓慢的，而且大部分水解产物以寡糖的形式存在。为了加速多糖的水解，在LiBr溶液中加入酸。在LiBr浓度44-60％(w/w)，温度110-160℃，云杉粉的酸加载1-10％，反应时间5-60分钟的范围内，进一步优化处理条件，如表7中所总结。
实施例6：LiBr浓度的效应
表7的条目1-5表明，LiBr浓度对于水解纤维素的程度是重要的，这与图3所示的结果一致。当所述LiBr浓度高于55％(例如在条目1、2和3中分别是60％、56％和55％)时，多糖的转化/水解是完全的。较低的LiBr浓度(例如在条目4和5中分别是50％和44％)导致多糖的转化减少。表5的结果表明，55％(其中H2O与LiBr的摩尔比是4(例如LiBr·4H2O))是溶解和水解纤维素的优选最小LiBr浓度。虽然加酸和更高的温度可进一步增强所述水解，但是LiBr浓度是重要的参数。当LiBr浓度低于55％时，升高温度或酸加载不能在合理时间内实现想要的优选高水平的水解，如条目4、5、8和15的结果所示。
实施例7：酸和温度的效应
加酸和更高的温度可增强LiBr溶液中生物质的水解。例如，与实施例4的结果相比，表7的条目1和6表明，加入2％的HCl(w/w，对于云杉粉)在60％LiBr溶液中可在不到10分钟内完全水解的云杉。
如表7的条目10-12所示，在56％LiBr溶液中即使低酸加载(生物质的1％)的情况下，在较高的温度下也可实现令人满意的转化。从条目1-14可以看出，在一些条目中实现了多糖的100％转化/溶解，但糖的产率低于理论产率，原因是多糖没有被水解成单糖(部分仍以寡糖的形式存在)或部分糖没有被进一步降解成糠醛和HMF。
延长反应时间或提高温度通常产生更多的HMF和糠醛。因此，不优选同时加入更多的酸和提高温度。在较高的LiBr浓度例如60％下，有两种选择可在相对短的时间内实现伴有低呋喃化合物产率的高转化产率和高糖产率：(1)在低的酸加载(1％)下高温(150-160℃)，例如条目10和11中；或(2)在低温(110℃)下高的酸加载(生物质的5-10％)，例如条目16和17中。如表5所示，在条目16和17所使用的条件下，获得了高达96％的糖产率，并且糖降解非常有限。因为使用低温可节省能源，条目16和17的条件通常是更优选的。
实施例8：在分批进料模式下在浓LiBr溶液中糖化生物质以增加糖浓度
为了提高生产效率和降低下游处理中LiBr/糖分离成本，高的原料加载(低LiBr溶液：原料固体比例)是可取的，这将导致高浓度的最终糖溶液。然而，一次性加入太多原料可造成混合和质量传递问题，并因此影响水解效率和产率。为了克服这样的问题，以分批进料模式加入原料以确保有足够的液体使加入的生物质湿润并水解纤维素。用于这类过程的反应器可以是任何间歇反应器、流动反应器、连续搅拌釜式反应器(CSTR)、双蜗杆挤压机或可以以连续或半连续进料模式操作的任何其他反应器。本领域普通技术人员理解并可在本发明方法的应用中使用所有这些反应器。
在本实施例中，上一批进料一旦接近完全液化/水解，立即将生物质原料进料至反应器。在表8的条目1-5中，将1、2、3、4和5g云杉粉分别加入至60％LiBr溶液(7.5g LiBr+5mL水)(进料步骤描述于表6下面的注释，以5分钟为间隔每批0.5g生物质)。当总生物质进料低于4g(条目1-4)时，几乎所有云杉粉都被高选择性地水解成单糖。然而，当进料5g云杉粉时，所述转化率同样降低，可能是因为高的固体加载和水解产物中积累的木质素残留物使搅拌困难并降低质量传递。然而，如果提供有效的混合，可提高总生物质加载的上限，并可改进高的原料加载下的水解产率。
在表8的条目6和7中，在条目4的相同条件和步骤下，白杨和玉米秸秆粉也可被完全水解成单糖。因为所述水解是非均相反应过程，使用的生物质颗粒的大小对水解速率有显著的影响。当白杨和玉米秸秆片的粒度增大至2-5mm时，它们仍被水解，但水解产率降至约90％，分别如条目8和条目9所示。该产率比使用40目生物质粉末的条目6和条目7的产率低。可使用延长反应时间或更有效的混匀以提高使用较大粒度生物质时的水解。
实施例9：在不同盐的浓溶液中的生物质糖化
研究了不同的金属卤化物溶液中的生物质水解。表9中的结果显示，当所述盐浓度是60％时，LiCl、LiBr和CaBr2可使多糖完全转化/水解。在该实验中，CaBr2和LiBr一样有效。此外，用下面讨论的分离方法进行的实验表明，用于从糖中分离LiBr的示例性方法对CaBr2也有效。此外，目前CaBr2比LiBr便宜很多，因此目前它是优选的。
虽然LiCl也产生完全转化，但是LiCl在水中的溶解度比LiBr低很多。例如，LiBr在90℃下在水中的溶解度约254g/100mL，而LiCl在100℃下在水中的溶解度约128g/100mL。因此，60％LiCl在120℃下开始结晶，这使下游的分离操作很困难。ZnCl2和CaCl2仅产生50-70％的转化率，这与Penque和Chen所报道的一致[10c，10d]。
表9不同盐对水解生物质的效应
注：反应条件：1ml H2O，1500mg盐，100mg云杉粉，2mg HCl，140℃，30分钟。
实施例10：含有不同酸的浓LiBr溶液中的生物质糖化
如上所讨论的，加入酸可显著地增强浓LiBr溶液中木质纤维素材料的水解。在此测试了不同酸在60％LiBr溶液中水解云杉粉的效率。从表10可见，强酸例如硫酸和硝酸在催化云杉水解中与盐酸一样有效，而弱酸产生降低的水解产率。例如，在相同条件下，乙酸的产率是90％。
表10不同酸对水解生物质的效应
注：反应条件：1ml H2O，1500mg LiBr，100mg云杉粉，2mg酸，140℃，30分钟。
实施例11：LiBr溶液中云杉糖化的优化
使用响应面法(RSM)实验设计在以下范围内优化LiBr溶液中的云杉糖化的生物质转化：LiBr浓度52.5-67.5％、HCl加载1.5-4.5％(以生物质计)、温度105-130℃和时间15-45分钟。条件和结果总结在表11中。在该实验中的所述范围内对于云杉糖化的最佳结果是60％LiBr、3％HCl加载、120℃、30分钟。
实施例12：在CaBr2溶液中云杉糖化的优化
已经发现，CaBr2与LiBr对于糖化木质纤维素生物质同样有效。为了优化生物质转化的处理条件，使用RSM设计了实验矩阵以测定在CaBr2溶液中的最佳糖化条件。表12所示的实验矩阵包括在以下宽范围的处理条件内设计的21个实验：CaBr2浓度46-74％、HCl加载1.2-6.8％(以生物质计)、温度102-158℃，时间12-68分钟。这些结果表明，用于云杉糖化的生物质转化的最佳条件如下：60％CaBr2、4％HCl加载，130℃和40分钟。然而，与糖类相比，糠醛和HMF的产率比期望的高。对于生物质转换优化的这些条件被认为是过于严格的，可导致显著的糖降解。
为了微调所述条件以对最小化糠醛和HMF的产生进行优化，设计了第二个矩阵，如表13所示。在该设计中，将反应时间固定在40分钟，条件的严格性略微降低。然后，在以下范围内优化其他条件：CaBr2浓度53-68％、HCl加载1-4％(以生物质计)，温度110-140℃。表12和表13的结果表明，用于在CaBr2溶液中的云杉糖化且糠醛和HMF产率最小化的最佳条件如下：60％CaBr2、2.5％HCl加载、125℃，40分钟。
实施例13：用硼酸从LiBr-糖溶液中提取糖
本文提出的化学糖化方法使用浓LiBr水溶液或其他溴盐的浓水溶液作为介质。糖化后糖和盐的有效分离是所述方法工业应用的重要方面。LiBr的物理和化学性质与糖完全不同，这可用于从糖中分离LiBr。
在亲脂性季烷基胺的存在下，硼酸可与糖的顺式-二醇结构反应以形成碱性条件下稳定的硼酸-糖复合物。所述复合物可溶于有机溶剂，并可用己烷提取。所述盐仍在水相中。该方法的机理如路线2所示。所述硼酸-糖复合物在碱性条件下是稳定的，而在酸性条件下不稳定。因此，可通过以酸性水提馏所述有机相来回收已被萃取至所述有机相中的糖。然后，仍在所述有机相中的硼酸可用于下一批提取。
路线2：用硼酸提取葡萄糖的机理
该研究中使用了萘-2-硼酸(N2B)。测试了葡萄糖-LiBr溶液(pH＝11的含100mg葡萄糖和500mg LiBr的1mL缓冲液)。通过将100mg N2B和200mg336(含有C8和C10烷链的混合物的季铵盐)溶解于5mL己烷/辛醇(85/15，v/v)制备有机相。将所述糖-LiBr溶液(1mL)与所述有机溶液(5mL)混合，涡旋30分钟以达到平衡。然后，将所述混合物离心以分离所述水相和有机相。然后，用5mL1％HCl溶液提馏所述有机相。分析所述提馏溶液表明，通过单次提取回收了约10mg糖。
实施例14：用离子排斥色谱法分离LiBr和糖
离子排斥色谱法已用于在工业中分离盐和糖。所述方法与离子交换色谱法一样不消耗酸和碱用于树脂再生。离子排斥色谱法使用具有与盐一样的阴离子和阳离子的树脂。当将糖和所述盐的混合物加载到所述离子排斥柱时，由于树脂和所述盐之间的排斥力，所述盐将比与所述树脂没有强相互作用的糖先洗脱出来，因此导致所述盐和糖的分离。
所述实验分离在室温下在填充阴离子交换树脂(DOWEX1×8-400，Cl-形式)的玻璃柱(直径2cm；长度50cm)上进行。在所述测试之前，通过以下步骤将所述柱完全转化为Br-形式：以流速1.5ml/分钟使用400ml0.2N NaBr洗脱，然后用2000ml去离子水彻底冲洗。将LiBr-糖溶液(阿拉伯糖：10mg；半乳糖：10mg；葡萄糖：80mg；木糖：20mg；甘露糖：20mg；LiBr：50mg；水：0.5mL)上样至所述柱，用去离子水以速度1.5mL/分钟洗脱。使用AgNO3溶液来监测LiBr的洗脱。从所述柱出口收集2.5mL级分，通过离线HPLC测定其糖谱。通过滴定确定每个级分中的LiBr。图4中的谱显示，LiBr和糖分离很好，这表明该方法是分离糖和LiBr的有效方式。
所述离子排斥法也适用于云杉的水解产物以从糖产物中分离LiBr。云杉在浓LiBr溶液中水解后，使用丁醇通过溶剂提取将大部分LiBr从所述水解产物中除去，如下文所述。所得糖溶液仍包含少量的LiBr。所述残余LiBr可通过所述离子排斥法从所述糖中除去。例如，将包含约80mg葡萄糖、约15mg木糖、约60mg甘露糖和约50mgLiBr的云杉水解产物样品用水稀释成0.5mL溶液，然后上样至所述柱上，用去离子水以速度1.5mL/分钟洗脱。如图5所示，LiBr和糖可容易地分离。然而，糖和LiBr均在洗脱的过程中被稀释了，洗脱后它们的浓度只有约1％。
在不使用丁醇预提取LiBr的情况下，直接使用离子排斥色谱法分离LiBr和糖是可能的。然而，由于所使用的高浓度的LiBr，需要长的离子排斥柱和大量的洗脱液(水)以获得好的分离。因为需要使用大量洗脱液导致LiBr和糖流的显著稀释，所述方法目前不是优选的。
实施例15：使用有机溶剂从LiBr-糖溶液中提取LiBr
直接分离浓溶液中的LiBr和糖是很困难的，这是因为这两种组分都是高度可溶于水的。然而，LiBr和糖在有机溶剂(例如醇、酮和醚)中具有非常不同的溶解度，其中LiBr在有机溶剂中是高度可溶的，而糖是不溶的。因此，通过使用与水不混溶的有机溶剂进行提取来分离LiBr和糖是可能的。已经报道过，用有机溶剂例如TBP(磷酸三丁酯)[15]和丁醇[16]从盐水中提取LiBr和用胺[17]从盐水中提取CaBr2。
在本研究中，选择正丁醇作为LiBr的提取溶剂，这是因为其价格较低。在正丁醇中，LiBr是可溶的，而糖是不溶的。因为正丁醇微溶于水(63.2g/L)，当使用正丁醇从LiBr和糖的水溶液中提取LiBr时，少量的水会被吸收到正丁醇层。因此，由于所述水的存在，少量的糖会被提取至所述正丁醇层。为了减少被正丁醇提取的糖，可使用己烷作为相改性剂。然而，由于所述有机相极性的降低，己烷的加入不可避免地降低了LiBr在正丁醇中的溶解度。此外，由于在粘稠糖浆中LiBr和糖之间的强相互作用，几乎不可能仅通过提取完全除去LiBr。如本文中实施例所述，所述提取后，可使用离子交换树脂、结晶、用抗溶剂沉淀和用碳酸钠沉淀来除去糖流中任何少量的LiBr。
A：使用正丁醇从LiBr-葡萄糖溶液中提取LiBr
首先使用LiBr-葡萄糖溶液测试所述丁醇提取。表14和15中的结果表明，不仅是LiBr，而且有少量的葡萄糖也被提取到丁醇中。此外，还观察到少量的水被吸收到所述丁醇相。因为葡萄糖在纯丁醇中是不溶的，葡萄糖被萃取至丁醇应归因于丁醇中水的存在。为了降低葡萄糖萃取至所述丁醇相，可将己烷加入所述丁醇作为相改性剂以降低所述溶剂的极性。
如表14所示，随着丁醇中己烷比例的增加，所萃取的葡萄糖减少，但是实现令人满意的LiBr提取所需的提取步骤增加了。这是因为当加入己烷时，由于所述溶剂的极性降低，LiBr在正丁醇中的溶解度下降。当将所述丁醇与己烷的比例增加至7/3时，约10％的葡萄糖(320mg葡萄糖中的约30mg)被萃取至所述丁醇相。进一步增加己烷不会显著地减少葡萄糖的萃取，但是大大增加了除去LiBr所需的提取步骤，如表15所示。同时，随着LiBr和水被萃取至所述有机相，所述水解产物的体积逐渐减少，这导致形成粘稠的糖浆。例如，当丁醇与己烷的比例是7∶3时，10次提取后所述LiBr-葡萄糖溶液中的LiBr含量从1500mg降至250mg(参见表14后的注释)。将所述提取步骤再重复两次(总共多于20次提取)可进一步分别将LiBr从250mg降至50mg和从50mg降至30mg。进一步提取可除去更多的LiBr，但是从葡萄糖中完全除去LiBr是非常困难的。这可能是由葡萄糖和LiBr之间的强相互作用造成的。随着通过所述提取除去LiBr和水，所述葡萄糖溶液变成粘稠的糖浆并因此降低了提取效率。
总的说来，丁醇-己烷提取可有效地从葡萄糖中分离LiBr，但是只通过所述提取完全除去LiBr是非常困难的。以其他方法例如离子交换、结晶和用抗溶剂或碳酸钠沉淀来除去所述残余LiBr是更有效和经济的，如本文实施例中所述。
表14使用丁烷和己烷的混合物通过提取分离葡萄糖和LiBr
注：在10mL螺纹帽管形瓶中，用丁醇-己烷提取葡萄糖和LiBr溶液(1mL水中200mg葡萄糖和1500mg LiBr)。在每次提取中，加入1mL有机溶剂，并将所述管形瓶涡旋一分钟以进行提取。有机相通过离心而从水相中分离。当除去有机相时，加入1mL新鲜的有机溶剂以进行下一次提取。
表15溶剂提取获得的LiBr和葡萄糖的分离效率
注：计算基于第一次提取的有机相的组成分析。
B：使用正丁醇从CaBr2-葡萄糖溶液中提取CaBr2
如上文所述，CaBr2可与LiBr一样有效地工作以水解木质纤维素生物质。使用如上文(A)所述的丁醇提取法从葡萄糖中提取CaBr2。结果表明，CaBr2也可被萃取至丁醇/己烷中，较低的丁醇/己烷比例(5∶5)有利于CaBr2和葡萄糖的分离。当使用丁醇/己烷(7∶3)提取CaBr2-葡萄糖溶液(1500mg CaBr2、1mL水、200mg葡萄糖)时，10次提取后只有约95mg葡萄糖留在水相。所述溶剂相萃取了超过一半的初始葡萄糖。当丁醇/己烷的比例降低至5∶5时，将相同的CaBr2-葡萄糖溶液(1500mg CaBr2、1mL水、200mg葡萄糖)提取30次使CaBr2从1500mg降至70mg，但是葡萄糖仅从200mg降至190mg。仅10mg葡萄糖被萃取至5∶5丁醇/己烷中。应注意，提取CaBr2比LiBr需要更多次的提取。
C：使用正丁醇从生物质水解产物提取LiBr
使用正丁醇从生物质水解产物提取LiBr。将云杉粉(4g)用表6的条目4的条件进行水解。所述水解后，离心所述水解产物以分离上清液和沉淀物(木质素和未水解的云杉，如果有的话)。使用5mL正丁醇洗涤沉淀物(两次)以除去沉淀物中的LiBr。将丁醇洗涤液与己烷混合成7∶3(v/v)的丁醇/己烷比例，并用其作为提取溶剂。在50mL螺纹帽瓶中，使用丁醇/己烷(7∶3)提取所收集的上清液(包含0.048g阿拉伯糖、0.084g半乳糖、1.64g葡萄糖、0.2g木糖、0.4g甘露糖和LiBr)(20次提取)。具体地，在第一次提取中使用5mL有机溶剂。涡旋1分钟后，将所述瓶进行离心以分离所述有机相和水相。当除去有机相后，加入5mL新鲜的有机溶剂。重复所述提取20次。所述提取后，分析所述浆样糖混合物，发现其含有1.4g葡萄糖、0.075g木糖、0.3g甘露糖、0.260g LiBr和1mL水。从表6中所示的云杉的糖含量和初始LiBr浓度计算出葡萄糖、木糖和甘露糖的回收产率分别是83％、36％和74％。另外，回收了96.5％的初始装载的LiBr。随着剩余物被提取至所述有机相，发现未回收的糖是由于水解过程中少量的糖降解成糠醛和HMF。提取至所述有机相的任何糖均可被回收利用。
实施例16：通过使用抗溶剂沉淀糖而从糖流中除去残余的低浓度LiBr
因为糖在有机溶剂中的溶解度比在水中低，如果将与水混溶的抗溶剂例如甲醇、乙醇或丙酮(其中糖是不溶的，LiBr是可溶的)加入所述糖-LiBr混合物，所述糖会沉淀，而LiBr会留在母液中。使用该沉淀法，可完全分离糖和LiBr。
然而，已发现，直接加入甲醇或乙醇不能沉淀糖。已发现，所述醇和所述糖浆是混溶的。这可能是由于所述糖浆中存在水和LiBr，其增加了糖在所述水-醇混合物中的溶解度。向所述糖浆中加入低极性的丙酮也不能沉淀糖。丙酮部分地溶解所述糖浆，未溶解部分仍包含大量量的LiBr。这表明，丙酮不能提取LiBr和沉淀纯的糖。糖在有机相中的溶解归因于在所述溶剂中存在水。
为了减少糖在有机溶剂中的溶解，在沉淀步骤前通过蒸发除去水。已发现，存在LiBr使得通过蒸发完全除去所述糖浆中的水非常困难，这是因为LiBr-水的蒸汽压极低。已发现，当水被蒸发后，所述糖浆在甲醇中仍是可溶的，但在乙醇中变得部分可溶，在丙酮中不溶。通过这些现象，如果首先将所述糖浆溶于甲醇或乙醇，再将所得溶液倒入丙酮中，那么可预期糖被沉淀出来而LiBr留在所述溶液中。首先测试了含有极少量水的纯的葡萄糖糖浆。例如，在80℃下将320mg葡萄糖、50mg LiBr和50μL水溶于1mL甲醇中。然后，在搅拌下将所述溶液逐滴加入至10mL丙酮。结果是，葡萄糖沉淀并且可通过离心分离。结果显示，以固体形式回收了240mg葡萄糖(75％)，仅有4.5mg LiBr(9％)被携带至所述固体中。
使用该方法测试了从云杉水解制备的糖浆。首先蒸发所述糖浆(包含葡萄糖：约280mg；木糖：约15mg；甘露糖：约60mg；LiBr：50mg；水：0.2mL)以使所述水含量从0.2mL降至0.05mL。在80℃下将所述浓糖浆溶解于1mL甲醇中。然后，在剧烈搅拌下将该溶剂逐滴加入至10mL丙酮以使糖沉淀物形成。收集所述糖沉淀物，LiBr留在所述溶液中，在所述沉淀物中发现约220mg葡萄糖和4mg LiBr。换句话说，回收了所述糖浆的79％的葡萄糖，所述糖仅携带所述糖浆的8％的LiBr。将所述结果和上文从葡萄糖和LiBr中得到的结果相当。
总得说来，将糖-LiBr混合物溶解于甲醇，然后将所述溶液加入至丙酮，这样可以沉淀糖。该方法可避免所述糖、水和LiBr之间的强相互作用。加入甲醇可削弱LiBr、糖和水的相互作用，提高LiBr在丙酮中的溶解度。大部分所述LiBr盐溶解于丙酮，而大部分所述糖沉淀出来。然而，少量的葡萄糖和木糖与LiBr一起溶解于有机溶剂中，需要进一步分离。此外，在该方法中需要大量的丙酮以沉淀糖。然而，下个循环中可容易地将有机溶剂中溶解的糖和LiBr一起回收并分离。
实施例17：通过结晶抗溶剂中的糖而从糖流中除去残余的低浓度LiBr
通过使水蒸发从所述糖浆中除去水显著地降低了糖在乙醇中的溶解度。当所述糖浆在升高的温度下溶解于乙醇时，乙醇破坏糖、水和LiBr之间的强相互作用。由于乙醇中LiBr的高溶解度和葡萄糖的低溶解度，可预期葡萄糖在所述溶液冷却时结晶。
通过加热至120℃以有利于溶解而使葡萄糖溶解于乙醇。然后，将所得澄清溶液在搅拌下冷却至室温以使糖结晶(或沉淀)。过滤沉淀的葡萄糖并用乙醇洗涤。然而，已发现少量的葡萄糖溶解在乙醇中，因此葡萄糖没有被完全回收。研究了LiBr和水对葡萄糖在乙醇中沉淀的效应，结果如表16所示。
表16LiBr和水对由乙醇沉淀葡萄糖的效应。
注：将一定量的LiBr和水(如表中所示)、400mg葡萄糖和2mL乙醇混合，在搅拌下加热至120℃直至形成澄清溶液。然后，在搅拌下使溶液自然冷却至室温，再搅拌20分钟。糖沉淀出来，将其过滤然后用5mL乙醇洗涤。然后，将所述沉淀物在105℃下干燥。
来自云杉水解物的糖浆的样品(在丁醇提取后)包含：葡萄糖：约280mg；木糖：约15mg；甘露糖：约60mg；LiBr：50mg；水：0.2mL。使所述样品蒸发以使水含量从0.2mL降至0.05mL。进行与上文对纯的葡萄糖进行的操作相同的结晶操作。已发现，沉淀并回收了约200mg葡萄糖。然而，几乎所有其他糖和LiBr留在所述乙醇中。已发现，半纤维素糖例如木糖非常难于结晶。此外，木糖可能对所述葡萄糖的结晶有负面影响。
总得说来，已发现在抗溶剂中沉淀或结晶不是完全分离糖和LiBr的有效方式。一些糖，尤其是半纤维素糖，不能使用该方法有效地回收。
实施例18：通过离子交换色谱法从糖流中除去残余的低浓度LiBr
虽然可通过离子排斥色谱法分离糖和LiBr，如实施例10所讨论的，但是回收的LiBr和糖被极度地稀释(两者浓度均是约1％)。再浓缩材料进行回收利用或下游处理是能量密集型的。因此，所述离子排斥法可能不适合工业应用。
为了保持尽可能高的糖浓度，离子交换色谱法是另一种从浓糖浆中除去残余LiBr的方法。离子交换树脂已被广泛用于通过将盐中的阳离子和阴离子与树脂上的H+和OH-离子交换来除去盐。离子交换树脂的缺点是，当H+和OH-被消耗掉时，所述树脂需要通过用酸(阳离子交换树脂)或用碱(阴离子交换树脂)冲洗来再生。在不通过丁醇提取预除去LiBr的情况下，对浓水解产物直接应用离子交换树脂是不可行的。高浓度的LiBr将需要使用大量离子交换树脂，所述用完的树脂的再生将消耗大量的酸和碱。然而，当首先通过溶剂提取如实施例11中的丁醇提取除去大部分LiBr时，使用离子交换树脂除去剩余的盐是可行的。
(1)除去LiBr
树脂-H++LiBr→树脂-Li++HBr
树脂-OH-+HBr→树脂-Br-+H2O
(2)再生树脂
树脂-Li++1/2H2SO4→树脂-H++1/2Li2SO4
树脂-Br-+1/2Ca(OH)2→树脂-OH-+1/2CaBr2
(3)回收残余LiBr
1/2Li2SO4+1/2CaBr2→LiBr+1/2CaSO4↓
用于树脂再生的酸和碱的消耗量据估计与中和在生物质的稀酸水解中使用的酸的消耗量相当。通常，在生物质的稀酸水解或预处理中需要1-5％的酸加载(以生物质计)。通常用氢氧化钙中和残余酸，形成石膏。
在用丁醇/己烷提取所述云杉水解产物后，所得糖浆的浓度达到67％的固体含量(1mL水中1.4g葡萄糖、0.075g木糖、0.3g甘露糖、0.260g LiBr)。首先将所述糖浆用水稀释至约50％固体，然后上样至所述离子交换柱上。分别用阴离子交换树脂(DOWEX-2，Cl-形式，100-200目)和阳离子交换树脂(Amberlyst15，25-50目)填充两个小柱(直径1cm，长度5cm)。操作前，用10mL5％氢氧化钠溶液洗涤阴离子交换柱，用10mL5％硫酸洗涤阳离子交换柱。然后，用水洗涤所述柱至中性pH。通过注入空气使两个柱脱水以防止所述水稀释所述糖溶液。首先将0.5mL所述稀释的糖浆上样至所述阳离子交换柱上以除去Li+。通过注入空气推动所述上样样品通过所述柱。然后，将回收的溶液上样至所述阴离子交换柱上以除去Br-。再次用空气推动所述样品通过所述柱。分析所述回收溶液的LiBr。结果表明，几乎完全除去了LiBr。因为没有发生稀释，所述糖的浓度没有改变。当然，也可使所述糖浆先通过阴离子柱，然后通过阳离子柱。在工业操作中，可以串联安装所述两个柱，可将糖浆连续施加到所述串联柱上。因为所述糖浆会被连续注入至所述柱，所以不需要空气来推动所述糖浆通过所述柱。
实施例19：通过用碳酸钠沉淀从糖流中除去残余的低浓度LiBr
从糖流中除去LiBr的另一个方法是用碳酸钠的沉淀法。这可以是在用丁醇/己烷提取大部分LiBr后除去所述糖流中少量LiBr的有效方法。根据如下反应，碳酸钠与LiBr反应形成碳酸锂沉淀物。
2LiBr+Na2CO3→Li2CO3↓+2NaBr
因为碳酸锂在水中是不溶的，所以其可通过过滤或离心从水溶液中容易地分离。为了重复使用，可根据如下反应将回收的碳酸锂转化回溴化锂：
Li2CO3+2HBr→2LiBr+H2O+CO2↑
实施例20：从糖流中分离LiBr的集成方法
虽然所有上文讨论的方法(实施例9-15)都可用于分离LiBr和糖，但是没有一个能以有效且经济的方式完全分离所述盐和糖。然而，不同方法的组合对于LiBr和糖的完全分离是可行的方式。优选的组合如图7所示。首先用丁醇或丁醇/己烷的混合物提取以从糖中除去大部分LiBr，然后通过离子交换柱或通过用碳酸钠沉淀除去残余的少量LiBr。
实施例21：残余LiBr或CaBr2存在下的糖发酵
从糖中完全分离LiBr是困难且昂贵的。少量的LiBr或CaBr2可能保留在通过本发明方法产生的糖产物流中。如果计划将所述糖用于发酵，所述残余的盐可能会影响所述发酵。为了研究残余的LiBr或CaBr2是否抑制发酵，在不同浓度的LiBr或CaBr2的存在下用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将葡萄糖发酵成乙醇。
结果如图7、8和9A-B所示。如图7所示，LiBr浓度低于5％(w/v)，LiBr对糖发酵没有显著的抑制。然而，当LiBr浓度达到5％(w/v)时，所述抑制是显著的。如图8所示，CaBr2通常不抑制发酵，乙醇产率较高。在5％的CaBr2浓度下，抑制变得更加显著。
这些结果表明，在计划用于发酵以产生乙醇的糖流中，水平低于约5％(w/v)的残余LiBr和CaBr2是可容许的。
将LiBr和CaBr2对发酵的抑制剂效应与在2％(w/v)和5％(w/v)的盐下的相关盐NaCl和CaCl2对发酵的抑制剂效应进行了比较。在较低的盐浓度下(2％，图9A)，LiBr和CaBr2比NaCl和CaCl2抑制作用强。然而，在5％浓度下(图9B)，NaCl显示了与LiBr类似的抑制作用。在研究的浓度下，CaCl2没有显示抑制糖发酵。
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Claims (20)

1.一种用于溶解和/或水解木质纤维素材料的方法，所述方法包括以下步骤：在100-160℃的温度下将所述木质纤维素材料与溴盐的水溶液接触，其中所述溴盐在所述水溶液中以所述溶液的40重量％-80重量％的浓度存在。
2.权利要求1的方法，其中所述水溶液还包含浓度1M或更低的酸。
3.权利要求2的方法，其中所述酸浓度低于0.5M。
4.权利要求2的方法，其中所述酸是无机酸。
5.权利要求2的方法，其中所述酸是HCl或H2SO4。
6.权利要求1的方法，其中所述溴盐是LiBr或CaBr2。
7.权利要求6的方法，其中所述溴盐的浓度是55重量％-65重量％。
8.权利要求1的方法，其中所述温度是100℃-130℃。
9.权利要求1的方法，其中水溶液与木质纤维素材料的体积:重量比是10:1-1:1。
10.一种用于从木质纤维素材料获得糖的方法，所述方法包括以下步骤：通过权利要求1的方法溶解和/或水解木质纤维素材料以获得盐-糖产物混合物，将所述盐从所述糖中分离出来以获得包含少于10重量％的所述盐的糖产物。
11.权利要求10的方法，其中所获得的糖产物包含少于1重量％的所述盐。
12.权利要求10的方法，其中通过用不溶解所述糖的有机相进行提取从所述盐-糖产物混合物中提取所述盐。
13.权利要求12的方法，其中用于提取的所述有机相是丁醇或丁醇与己烷的混合物。
14.权利要求12的方法，其中在连续、半连续或分批提取中用所述有机相多次提取所述盐-糖产物。
15.权利要求12的方法，其中通过离子交换色谱法、离子排斥色谱法、结晶或沉淀从所述提取的糖除去残余的盐。
16.权利要求15的方法，其中使用阴离子交换和阳离子交换的后续步骤以除去残余的盐。
17.权利要求15的方法，其中通过用碳酸盐进行沉淀来除去残余的盐。
18.一种用于通过发酵产生乙醇的方法，所述发酵使用权利要求1的方法的水解产物作为原料。
19.权利要求18的方法，其中所述水解产物包含少于5重量％的HMF和糠醛。
20.权利要求18的方法，其中所述水解产物包含少于5重量％的溴盐。
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